WO2020171442A1 - 배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량 - Google Patents

배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량 Download PDF

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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a technique for estimating a state of charge of a battery using an extended Kalman filter.
  • the state of charge is a parameter representing the relative ratio of the current remaining capacity to the maximum capacity representing the electric energy stored in the battery when the battery is fully charged, and can be expressed as 0 to 1 or 0% to 100%. have. For example, when the maximum capacity and the remaining capacity of the battery are 1000Ah (ampere-hour) and 750Ah, respectively, the state of charge of the battery is 0.75 (or 75%).
  • Ampere counting, equivalent circuit models, and extended Kalman filters are typically used to estimate the state of charge of a battery.
  • Amp counting is a technique for estimating a state of charge of a battery based on an accumulated current value accumulated over time of a current flowing through a battery.
  • the equivalent circuit model is a model of a coupling relationship between a plurality of electrical components to simulate the electrochemical characteristics of a battery.
  • the amperage counting has a disadvantage in that a difference between a state of charge estimated by the amperage counting and an actual state of charge may occur due to a measurement error of the current sensor and/or noise from the outside.
  • the extended Kalman filter is a technique that mathematically combines the amperage counting and the equivalent circuit model so that the disadvantages of the amperage counting and the equivalent circuit model are compensated by each other.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and in estimating (update) the state of charge of the battery every cycle using an extended Kalman filter, a temporary estimate representing the state of charge of the current cycle is nonlinear.
  • a battery management system, battery management method, battery pack and electricity that can determine open-circuit voltage information based on the result of comparison with this strongly appearing reference range, and then determine a definitive estimate representing the state of charge for the current cycle based on the open-circuit voltage information. It aims to provide vehicles.
  • the present invention provides a battery management system, a battery management method, and a battery pack capable of estimating the state of charge of the battery with higher reliability by adjusting the maximum value of the reference range based on the maximum capacity related to the degree of deterioration of the battery. It aims to do.
  • a battery management system includes: a sensing unit configured to generate battery information indicating current, voltage, and temperature of the battery; And a control unit configured to estimate a state of charge of the battery based on the battery information by executing the extended Kalman filter.
  • the control unit is configured to determine a temporary estimate of the state of charge of the current period, based on the battery information and a previous estimate indicating a state of charge of a previous period, using a time update process of the extended Kalman filter.
  • the control unit is configured to determine open-circuit voltage information based on the temporary estimate.
  • the control unit is configured to determine, based on the temporary estimate, the open-circuit voltage information, and the battery information, a definite estimate indicating a state of charge in the current period using the measurement update process of the extended Kalman filter.
  • the open-circuit voltage information may include a first open-circuit voltage factor value.
  • the controller may be configured to determine a predetermined first slope adjustment value as the first open-circuit voltage factor value when the temporary estimate is outside a reference range.
  • the controller may be configured to determine a predetermined second slope adjustment value smaller than the first slope adjustment value as the first open circuit voltage factor value.
  • the controller may be configured to determine a maximum value of the reference range based on the maximum capacity of the battery.
  • the control unit may be configured to increase a maximum value of the reference range as a difference between the design capacity of the battery and the maximum capacity increases.
  • the open-circuit voltage information may include a second open-circuit voltage factor value.
  • the control unit applies a first open-circuit voltage corresponding to the temporary estimate to the second open-circuit voltage factor value from a data table in which a correspondence relationship between the charge state of the battery and the open-circuit voltage is defined. Can be configured to determine.
  • control unit may be configured to determine a second open-circuit voltage corresponding to the maximum value of the reference range as the second open-circuit voltage factor value.
  • the maximum value of the reference range is equal to or greater than a predetermined reference value.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention includes the battery management system.
  • An electric vehicle includes the battery pack.
  • a battery management method can be executed by the battery management system.
  • the battery management method includes: collecting battery information indicating current, voltage, and temperature of the battery; Determining a temporary estimate of a state of charge in a current period based on the battery information and a previous estimate indicating a state of charge in a previous period using the time update process of the extended Kalman filter; Determining open-circuit voltage information based on the temporary estimate; And determining, based on the temporary estimate, the open-circuit voltage information, and the battery information, a definite estimate indicating a state of charge in the current period by using the measurement update process of the extended Kalman filter.
  • the determining of the open-circuit voltage information may include: when the temporary estimate is outside a reference range, determining a predetermined first slope adjustment value as a first open-circuit voltage factor value; And when the temporary estimate is within the reference range, determining a predetermined second slope adjustment value smaller than the first slope adjustment value as the first open-circuit voltage factor value.
  • the open-circuit voltage information may include the first open-circuit voltage factor value.
  • the determining of the open-circuit voltage information may include, when the temporary estimate is outside a reference range, an open-circuit voltage corresponding to the temporary estimate is determined from a data table in which a correspondence relationship between the charge state of the battery and the open-circuit voltage is defined as a second open-circuit voltage. Determining a factor value; And when the temporary estimate is within the reference range, determining a threshold voltage associated with the reference range as the second open-circuit voltage factor value.
  • the open-circuit voltage information may include the second open-circuit voltage factor value.
  • a temporary estimate representing the state of charge of the current cycle is a criterion in which a strong nonlinear characteristic appears.
  • the open-circuit voltage information may be determined based on the result of comparison with the range, and then a definite estimate indicating the state of charge in the current period may be determined based on the open-circuit voltage information. Accordingly, when estimating, it is possible to reduce an adverse effect that a sudden change in the open circuit voltage according to the nonlinear characteristics of the battery has on the estimation accuracy of the state of charge of the battery.
  • the state of charge of the battery can be more reliably estimated.
  • FIG. 1 is a diagram showing an exemplary configuration of an electric vehicle according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing an exemplary circuit configuration of an equivalent circuit model of a battery.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an OCV-SOC curve of a battery by way of example.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating an exemplary battery management method executable by the battery management system of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of determining a first OCV factor value as the OCV information according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of determining a second OCV factor value as the OCV information according to another embodiment of the present invention.
  • control unit> described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an exemplary configuration of an electric vehicle according to the present invention
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an exemplary circuit configuration of an equivalent circuit model of a battery
  • FIG. 3 is an exemplary view of an OCV-SOC curve of a battery. Show as
  • the battery pack 10 is for providing electric energy required for a power driving device such as an electric vehicle 1, and a battery 20, a switch 30, and a battery management system 100 Includes.
  • the battery 20 includes at least one battery cell.
  • Each battery cell may be, for example, a lithium ion cell.
  • the type of battery cell is not limited to the lithium ion cell, and is not particularly limited as long as it is capable of repetitive charging and discharging.
  • Each battery cell included in the battery 20 is electrically connected to other battery cells in series or parallel.
  • the switch 30 is installed in a current path for charging and discharging the battery 20.
  • the control terminal of the switch 30 is provided to be electrically connected to the control unit 120.
  • the switch 30 is controlled on and off according to the duty ratio of the switching signal SS in response to the switching signal SS output by the controller 120 being applied to the control terminal.
  • the switch 30 may be turned on when the switching signal SS is at a high level, and may be turned off when the switching signal SS is at a low level.
  • the current flowing through the current path is controlled by the on/off of the switch 30.
  • the battery management system 100 is provided to be electrically connected to the battery 20 in order to periodically determine the state of charge of the battery 20.
  • the battery management system 100 includes a sensing unit 110, a control unit 120, a memory unit 130, and a communication unit 140.
  • the sensing unit 110 is configured to periodically generate battery information indicating voltage, current, and temperature of the battery 20 during charging and discharging of the battery 20.
  • the sensing unit 110 includes a current sensor 111, a voltage sensor 112 and a temperature sensor 113.
  • the current sensor 111 is provided to be electrically connected to the charge/discharge path of the battery 20.
  • the current sensor 111 is configured to output a signal SI indicating the magnitude and direction of the current flowing through the battery 20 to the controller 120.
  • a shunt resistor and/or Hall effect element may be used as the current sensor 111.
  • the voltage sensor 112 is provided to be electrically connected to the positive terminal and the negative terminal of the battery 20.
  • the voltage sensor 112 is configured to detect a voltage across the positive terminal and the negative terminal of the battery 20 and to output a signal SV representing the detected voltage to the controller 120.
  • the temperature sensor 113 is configured to detect a temperature of a region within a predetermined distance from the battery 20 and output a signal ST indicating the detected temperature to the control unit 120.
  • a thermistor having a negative characteristic temperature coefficient may be used as the temperature sensor 113.
  • the control unit 120 is operatively coupled to the sensing unit 110, the memory unit 130, the communication unit 140, and the switch 30.
  • the control unit 120 includes application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), digital signal processing devices (DSPDs), programmable logic devices (PLDs), field programmable gate arrays (FPGAs), and microprocessors. It may be implemented using at least one of (microprocessors) and electrical units for performing other functions.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • DSPs digital signal processors
  • DSPDs digital signal processing devices
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • microprocessors It may be implemented using at least one of (microprocessors) and electrical units for performing other functions.
  • the controller 120 is configured to periodically receive a signal SI, a signal SV, and a signal ST output by the sensing unit 110 as battery information.
  • the control unit 120 uses an analog-to-digital converter (ADC) included in the control unit 120 to obtain a current value, a voltage value, and a temperature value from each of a signal SI, a signal SV, and a signal ST. After determining, may be stored in the memory unit 130.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the memory unit 130 is operatively coupled to the control unit 120. In the memory unit 130, programs and various data necessary for executing steps to be described later may be stored.
  • the memory unit 130 is, for example, a flash memory type, a hard disk type, a solid state disk type, an SDD type, a multimedia card micro type (multimedia card micro type), random access memory (RAM), static random access memory (SRAM), read-only memory (ROM), electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), programmable read-only memory (PROM) ) May include at least one type of storage medium.
  • the communication unit 140 may be coupled to the external device 2 to enable communication. Electricity, for example, the external device 2 may be an ECU (Electronic Control Unit) of the vehicle 1.
  • the communication unit 140 may receive a command message from the external device 2 and provide the received command message to the controller 130.
  • the command message may be a message requesting activation of a specific function of the battery management system 100 (eg, estimating a state of charge, and controlling on/off of the switch 30 ).
  • the communication unit 140 may transmit a notification message from the control unit 130 to the external device 2.
  • the notification message may be a message for informing the external device 2 of the result of a function executed by the controller 130 (eg, an estimate of a charging state).
  • the communication unit 140 can communicate with the external device 2 through a wired network such as a local area network (LAN), a controller area network (CAN), and a daisy chain, and/or a short-range wireless network such as Bluetooth, ZigBee, and Wi-Fi. have.
  • a wired network such as a local area network (LAN), a controller area network (CAN), and a daisy chain
  • a short-range wireless network such as Bluetooth, ZigBee, and Wi-Fi. have.
  • the controller 120 is configured to determine the maximum capacity or state of health (SOH) of the battery 20.
  • the maximum capacity indicates the maximum amount of charge that can be stored in the battery 20, and may also be referred to as'full charge capacity'.
  • the controller 120 calculates the internal resistance of the battery 20, and then calculates the SOH or maximum capacity of the battery 20 based on the difference between the reference resistance and the internal resistance or the ratio of the internal resistance to the reference resistance. Can be determined. Alternatively, the controller 120 uses Equation 1 below, based on the state of charge at each of the two different times when the battery 20 is charged and discharged, and the accumulated current value accumulated during the period between the two times. , It is possible to determine the SOH or maximum capacity of the battery 20. Let's say that the first of the two viewpoints is t 1 and the latter is t 2 .
  • Equation 1 Q ref is the reference capacity
  • SOC 1 is the state of charge estimated at time t 1
  • SOC 2 is the state of charge estimated at time t 2
  • ⁇ SOC is the difference between SOC 1 and SOC 2
  • i t is the time t 1
  • Current value representing the current detected at time t between time t and t 2
  • ⁇ C is the accumulated current value accumulated during the period from time t 1 to time t 2
  • Q est is the estimated value of the maximum capacity at time t 2
  • SOH represents the new estimate of the SOH at the time point t 2.
  • Q ref is a predetermined value indicating the maximum capacity when the SOH of the battery 20 is 1.
  • Q ref may be referred to as “design capacity” and may be previously stored in the memory unit 130.
  • the controller 120 may be configured to determine the SOH or maximum capacity of the battery 20 using Equation 1, only when ⁇ SOC is equal to or greater than a predetermined value (eg, 0.5).
  • a predetermined value eg, 0.5
  • the battery 20 In determining the maximum capacity (or SOH), in order to exclude the influence of the aforementioned nonlinear characteristics, only when both SOC 1 and SOC 2 do not fall within the reference range to be described later, the battery 20 ) Can be configured to determine the maximum dose.
  • the controller 120 may calculate an estimate of the state of charge of the battery 20 in the current period based on the current value of the battery information using amperage counting (refer to Equation 2).
  • Equation 2 The symbols used in Equation 2 are as follows.
  • ⁇ t represents the length of time per cycle.
  • k is a time index that increases by 1 each time ⁇ t elapses, and represents the number of periods that have elapsed from the time when a predetermined event occurs to the present.
  • the event may be, for example, the start of charging/discharging of the battery 20 while the voltage of the battery 20 is stabilized.
  • the state in which the voltage of the battery 20 is stabilized may be a no-load state in which the voltage of the battery 20 is kept constant while no current flows through the battery 20.
  • SOC e [0] is the correspondence between the open circuit voltage (OCV) of the battery 20 and the state of charge by using the open circuit voltage of the battery 20 at the time the event occurs as an index. (Refer to the OCV-SOC curve shown in Fig. 3) can be determined from the defined data table.
  • the data table is stored in the memory unit 130.
  • Equation 2 i[k+1] is the current detected in the current period, and SOC e [k] is the state of charge determined in the previous period by the extended Kalman filter. SOC[k+1] is a value representing the state of charge of the current period calculated using amperage counting. In Equation 2, i[k+1] may be replaced by i[k].
  • the extended Kalman filter is an algorithm for periodically updating the state of charge of the battery 20 by additionally utilizing the equivalent circuit model 200 of the battery 20 along with the amperage counting represented by Equation 2.
  • the equivalent circuit model 200 includes an open circuit voltage source 210, an ohmic resistor R 1 , and an RC pair 220.
  • the open-circuit voltage source 210 simulates an open-circuit voltage, which is a voltage between the positive and negative electrodes of the battery 20 that has been electrochemically stabilized for a long time.
  • the open-circuit voltage (OCV) output by the open-circuit voltage source 210 may be predetermined for various charging states and temperatures through a pre-experiment.
  • the ohmic resistance R 1 is related to the IR drop V 1 of the battery 20.
  • the IR drop refers to an instantaneous change in voltage across both ends of the battery 20 when the battery 20 switches from a no-load state to a charge/discharge state or when the battery 20 transitions from a charge-discharge state to a no-load state.
  • the voltage of the battery 20 measured when charging the battery 20 in the no-load state is started is greater than the open-circuit voltage.
  • the voltage of the battery 20 measured when discharging the battery 20 in the no-load state starts is less than the open-circuit voltage.
  • the resistance value of the ohmic resistance R 1 may also be predetermined for various charging states and temperatures through a preliminary experiment.
  • the RC pair 220 outputs an over potential (which may also be referred to as a'polarization voltage') V 2 caused by an electric double layer of the battery 20 and the like, and is a resistance R connected in parallel with each other. 2 ) and a capacitor (C 2 ).
  • the over potential (V 2 ) may also be referred to as a'polarization voltage'.
  • the time constant of the RC pair 220 is a product of the resistance value of the resistance R 2 and the capacitance of the capacitor C 2 , and may be predetermined for various charging states and temperatures through a preliminary experiment.
  • V ecm is the output voltage of the equivalent circuit model 200, which is caused by the open-circuit voltage (OCV) by the open-circuit voltage source 210, the IR drop (V 1 ) by the ohmic resistance (R 1 ), and the RC pair 220. It is equal to the sum of the over potential (V 2 ).
  • Equation 3 the over potential of the current period
  • Equation 3 R 2 [k+1] is the resistance value of the current period's resistance (R 2 ), ⁇ [k+1] is the time constant of the RC pair 220 of the current period, and V 2 [k] is the previous period.
  • the over potential of, V 2 [k+1] represents the over potential of the current period.
  • i[k+1] may be replaced by i[k].
  • the over potential V 2 [0] at the time when the event occurs may be 0 V (volt).
  • Equation 4 is a first equation of state related to the time update process of the extended Kalman filter, which is derived from a combination of Equations 2 and 3.
  • a symbol ⁇ denoted by a superscript is a symbol indicating a value predicted by time update.
  • the symbol - indicated by a superscript is a symbol indicating that the value has been corrected by a measurement update to be described later.
  • SOC[k+1] in Equation 4 is an estimate temporarily representing the state of charge in the current period, and may be referred to as a'temporary estimate'.
  • SOC e [k] in Equation 4 is an estimate determined to represent the state of charge in the previous period, and may be referred to as a'previous estimate'.
  • Equation 5 is a second equation of state related to the temporal update process of the extended Kalman filter.
  • Equation 5 P k is the error corvariance matrix corrected in the previous period, Q k is the process noise covariance matrix in the previous period, T is the transpose matrix operator, and P - k+1 Represents the error covariance matrix for the current period.
  • P 0 [ 1 0; It can be 0 1 ].
  • W1 k is the first process noise and is related to the reliability of amperage counting.
  • W1 k is a predetermined positive number representing the inaccuracy of the integrated current value calculated using amperage counting.
  • W2 k is the second process noise and is related to the reliability of the equivalent circuit model 200.
  • W2 k is a predetermined positive number representing the inaccuracy of the parameters associated with the equivalent circuit model 200.
  • the controller 120 may determine the open-circuit voltage information based on the temporary estimate SOC[k+1].
  • the open-circuit voltage information includes at least one of a first open-circuit voltage factor value and a second open-circuit voltage factor value. Each of the first open-circuit voltage factor value and the second open-circuit voltage factor value will be described in more detail below.
  • the controller 120 executes the measurement update process.
  • the following equation 6 is a first observation equation related to the measurement update process of the extended Kalman filter.
  • K k+1 represents the Kalman gain of the current period.
  • R is a measurement noise covariance matrix and has predetermined components.
  • H k+1 is a system matrix.
  • the components in row 1 and column 1 of H k+1 are the open-circuit voltage of the battery 20 according to the data table defining the OCV-SOC curve shown in FIG. 3 in estimating the state of charge of the battery 20 in the current period. It represents the change trend of N of H k+1 is a predetermined positive integer (eg, 1).
  • the change trend of the open-circuit voltage may represent the width of the open-circuit voltage range of interest corresponding to the range of the charge state of interest with the temporary estimate SOC[k+1] as an intermediate value.
  • the open-circuit voltage corresponding to the minimum value of the range of charge states of interest may be the same as the minimum value of the range of the open-circuit voltage of interest.
  • the open-circuit voltage corresponding to the maximum value of the charge state range of interest may be equal to the maximum value of the open-circuit voltage range of interest.
  • u denotes a first open-circuit voltage factor value, and is a positive number for adjusting the width of the range of the charge state of interest required to set the change trend of the open-circuit voltage. Therefore, when u is adjusted, the open-circuit voltage range of interest corresponding to the charge state range of interest is adjusted.
  • the width of the state of interest range is the difference between SOC[k+1]+0.01u and SOC[k+1]-0.01u, that is, 0.02u.
  • the width of the open-circuit voltage range of interest is the difference between f 1 (SOC[k+1]+0.01u) and f 1 (SOC[k+1]-0.01u). For example, if SOC[k+1] is the same, as u decreases, the minimum value f 1 (SOC[k+1]-0.01u) of the open-circuit voltage range of interest increases, and the maximum value f 1 (SOC[k +1]+0.01u) decreases. Of course, when the SOC[k+1] is the same, the minimum value of the open-circuit voltage range of interest decreases and the maximum value increases as u increases.
  • the controller 120 may adjust the first open-circuit voltage factor value u based on the comparison result between the temporary estimate SOC[k+1] and the reference range.
  • the reference range (refer to FIG. 3) is a section in a charged state in which the above-described non-linear characteristic is at least a certain level, and may be determined through a pre-experiment or the like.
  • the minimum value of the reference range may be 0% indicating a complete discharge state.
  • the maximum value of the reference range (SOC R in FIG. 3) represents the boundary between the region in which nonlinear characteristics are expressed and the remaining regions.
  • the controller 120 may determine the maximum value SOC R of the reference range based on the maximum capacity Q est of the battery 20. Specifically, as the difference between the design capacity Q ref and the maximum capacity Q est increases (that is, as the battery 20 deteriorates), the control unit 120 may increase the maximum value SOC R of the reference range. This is because, as the battery 20 deteriorates, the area in which nonlinear characteristics appear may expand as the internal electrochemical state of the battery 20 becomes unstable. For example, when the difference between the design capacity Q ref and the maximum capacity Q est is less than a predetermined reference difference value, a predetermined reference value (eg, 5%) may be determined as the maximum value SOC R of the reference range.
  • a predetermined reference value eg, 5%
  • the reference value may indicate a state of charge at a boundary between a region in which nonlinear characteristics of the battery 20 appear and the remaining regions when the battery 20 is new.
  • the maximum value SOC R of the reference range may be maintained as the reference value regardless of the maximum capacity Q est .
  • the controller 120 may determine a predetermined first slope adjustment value as the first open-circuit voltage factor value u.
  • the controller 120 may determine a second predetermined slope adjustment value as the first open-circuit voltage factor value u.
  • the second slope adjustment value may be smaller than the first slope adjustment value.
  • the first slope adjustment value may be 1 equal to n, and the second slope adjustment value may be 0.5 smaller than n.
  • the first slope adjustment value and the second slope adjustment value may be determined in advance based on a result of a prior experiment or the like.
  • the open-circuit voltage range of interest when the first open-circuit voltage factor value u is equal to the second slope adjustment value is narrower than the open-circuit voltage range of interest when the first open-circuit voltage factor value u is equal to the first slope adjustment value. Therefore, when the temporary estimate SOC[k+1] is within the reference range, a change trend of the open-circuit voltage of the battery 20, which has a strong nonlinear characteristic, can be accurately reflected in H k+1 .
  • the first open-circuit voltage factor value u may be a constant (eg, equal to n) regardless of the temporary estimate SOC[k+1].
  • Equation 7 is a second observation equation related to the measurement update process of the extended Kalman filter. SOC[k+1] and V 2 [k+1] obtained from Equation 4 are respectively corrected by Equation 7.
  • Equation 7 z k+1 is the voltage of the battery 20 measured in the current period, and V 1 [k+1] is the voltage across the ohmic resistance R 1 in the current period, i[k+ It may be equal to the product of any one of 1] and i[k] and R 1 [k+1].
  • R 1 [k+1] is the resistance value of the ohmic resistance R 1 of the current period.
  • the controller 120 may determine R 1 [k+1] based on the temperature value of the battery information. To this end, a first lookup table in which a correspondence relationship between a temperature value and a resistance value of the ohmic resistance R 1 is defined is recorded in the memory unit 130. The controller 120 may obtain a resistance value mapped to the temperature value of the current period from the first lookup table as R 1 [k+1] by using the temperature value of the current period as an index.
  • f 1 (SOC[k+1]) refers to a second open circuit voltage factor value.
  • the control unit 120 converts the open-circuit voltage corresponding to the temporary estimate SOC[k+1] as a second open-circuit voltage factor value from the data table (see FIG. 3). You can decide. In this case, f 1 (SOC[k+1]) represents the estimated value of the open circuit voltage in the current period.
  • the open-circuit voltage corresponding to the maximum value SOC R of the reference range (V R in FIG. 2) from the data table (see FIG. 3) May be determined as the second open circuit voltage factor value.
  • control unit 120 sets i[k+1] (or i[k]) in Equation 4 to be the same as the current value, and z k+1 in Equation 7 to be the same as the voltage value of battery information. do. Accordingly, the control unit 120 can obtain SOC e [k+1] by correcting the temporary estimate SOC[k+1] using Equation 7.
  • SOC e [k+1] is a value determined as an estimate of the state of charge of the battery 20 in the current period, and may be referred to as a'confirmed estimate'.
  • V 2e [k+1] is a result of V 2 [k+1] in Equation 4 being corrected by Equation 7.
  • SOC e [k+1] is used as SOC e [k] in Equation 4 in the next cycle.
  • Equation 8 is a third observation equation related to the measurement update process of the extended Kalman filter.
  • Equation 8 E represents an identity matrix. P - k+1 obtained from Equation 5 is corrected to P k+1 by Equation 8.
  • the control unit 120 updates the final estimate indicating the state of charge of the battery 20 every cycle by executing each calculation step according to Equations 4 to 8 at least once. do.
  • the controller 120 determines R 2 [k+1] and ⁇ [k+1] of Equation 4 based on the temperature value and the state of charge determined in the previous cycle.
  • a second lookup table in which a correspondence relationship between a state of charge, a temperature value, and a resistance value of the resistance R 2 is defined may be recorded.
  • the controller 120 uses the temperature value and the state of charge determined in the previous period as an index, and calculates the temperature value and the resistance value mapped to the state of charge determined in the previous period from the second lookup table as R 2 [k+1 Can be obtained as ].
  • a third lookup table in which a correspondence relationship between a state of charge, a temperature value, and a time constant is defined may be recorded.
  • the controller 120 uses the temperature value and the state of charge determined in the previous period as an index, and calculates the temperature value and the time constant mapped to the state of charge determined in the previous period from the third lookup table as ⁇ [k+1] of Equation 4 Can be obtained as.
  • the controller 120 may selectively output a switching signal SS in order to control the switch 30.
  • the control unit 120 may limit the duty ratio of the switching signal SS to a predetermined reference duty ratio (eg, 0.2) or less.
  • a predetermined reference duty ratio eg, 0.2
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating an exemplary battery management method executable by the battery management system of FIG. 1.
  • the method of FIG. 4 may be periodically executed from a point in time when an event occurs.
  • the method of FIG. 4 may be terminated when charging/discharging of the battery 20 is stopped.
  • step S410 the controller 120 collects battery information indicating current, voltage, and temperature of the battery 20 from the sensing unit 110.
  • step S420 the controller 120 uses the time update process of the extended Kalman filter, based on the previous estimate SOC e [k] indicating the charge state of the previous cycle and the battery information, the temporary charge state of the current cycle Determine the estimate SOC[k+1] (see Equations 4 and 5).
  • step S430 the control unit 120 determines open-circuit voltage information based on the temporary estimate SOC[k+1].
  • step S440 the control unit 120 uses the measurement update process of the extended Kalman filter, based on the temporary estimate SOC[k+1], the open circuit voltage information, and the battery information, the final estimate SOC indicating the state of charge in the current cycle. Determine e [k+1] (see Equations 6 to 8).
  • step S450 the control unit 120 transmits a notification message indicating the final estimate SOC e [k+1] to the external device 2 through the communication unit 140.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of determining a first OCV factor value as the OCV information according to an embodiment of the present invention.
  • the method of FIG. 5 corresponds to sub-steps of step S430 of FIG. 4.
  • step S500 the controller 120 determines a maximum value SOC R of the reference range based on the maximum capacity Q est of the battery 20.
  • the minimum value of the reference range may be 0%.
  • Step S500 is not essential and may be omitted from the method of FIG. 5.
  • step S510 the control unit 120 determines whether or not the temporary estimated value SOC[k+1] is within the reference range. That is, it is determined whether or not the temporary estimated value SOC[k+1] is equal to or less than the maximum value SOC R of the reference range. If the value in step S510 is "No", the process proceeds to step S520. If the value of step S510 is "Yes”, the process proceeds to step S530.
  • step S520 the controller 120 determines the first open-circuit voltage factor value (u in Equation 6) equal to a predetermined first slope adjustment value.
  • step S530 the controller 120 determines the first open-circuit voltage factor value equal to a predetermined second slope adjustment value smaller than the first slope adjustment value.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of determining a second OCV factor value as the OCV information according to another embodiment of the present invention.
  • the method of FIG. 6 corresponds to sub-steps of step S430 of FIG. 4.
  • step S600 the controller 120 determines a maximum value SOC R of the reference range based on the maximum capacity Q est of the battery 20.
  • the minimum value of the reference range may be 0%.
  • Step S600 is not essential and may be omitted from the method of FIG. 6.
  • step S610 the control unit 120 determines whether or not the temporary estimate SOC[k+1] is within the reference range. That is, it is determined whether or not the temporary estimated value SOC[k+1] is equal to or less than the maximum value SOC R of the reference range. If the value of step S610 is "no", the process proceeds to step S620. If the value of step S610 is "Yes”, the process proceeds to step S630.
  • step S620 the controller 120 makes the second open-circuit voltage factor value (f 1 (SOC[k+1]) in Equation 7) equal to the first open-circuit voltage corresponding to the temporary estimate SOC[k+1].
  • the controller 120 makes the second open-circuit voltage factor value (f 1 (SOC[k+1]) in Equation 7) equal to the first open-circuit voltage corresponding to the temporary estimate SOC[k+1].
  • the method of FIG. 5 and the method of FIG. 6 are not only alternatively executable, and both methods may be executed. When both the method of FIG. 5 and the method of FIG. 6 are executed, only one of the steps S500 and S600 may proceed.
  • the embodiments of the present invention described above are not implemented only through an apparatus and a method, but may be implemented through a program that realizes a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium in which the program is recorded. Implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs from the description of the above-described embodiment.

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Abstract

배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량이 제공된다. 상기 배터리 관리 시스템은, 배터리의 전류, 전압 및 온도를 나타내는 배터리 정보를 생성하는 센싱부; 및 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 확장 칼만 필터의 시간 업데이트 프로세스를 이용하여, 이전 주기의 충전 상태를 나타내는 이전 추정치 및 상기 배터리 정보를 기초로, 현 주기의 충전 상태에 대한 임시 추정치를 결정한다. 상기 제어부는, 상기 임시 추정치를 기초로, 개방 전압 정보를 결정한다. 상기 제어부는, 상기 확장 칼만 필터의 측정 업데이트 프로세스를 이용하여, 상기 임시 추정치, 상기 개방 전압 정보 및 상기 배터리 정보를 기초로, 상기 현 주기의 충전 상태를 나타내는 확정 추정치를 결정한다.

Description

배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량
본 발명은, 확장 칼만 필터를 이용하여 배터리의 충전 상태를 추정하는 기술에 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 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.
배터리의 충방전을 제어하는 데에 요구되는 중요한 파라미터들 중 하나는 충전 상태(SOC: state of charge)이다. 충전 상태는, 배터리가 완전히 충전된 때에 배터리에 저장된 전기 에너지를 나타내는 최대 용량(maximum capacity)에 대한 현재 남아있는 용량의 상대적 비율을 나타내는 파라미터로서, 0~1 또는 0%~100%로 표현될 수 있다. 예컨대, 배터리의 최대 용량과 잔존 용량이 각각 1000Ah(ampere-hour)와 750Ah인 경우, 배터리의 충전 상태는 0.75(또는 75%)이다.
배터리의 충전 상태를 추정하는 데에는 암페어 카운팅, 등가 회로 모델, 확장 칼만 필터 등이 대표적으로 이용되고 있다. 암페어 카운팅은, 배터리를 통해 흐르는 전류를 시간에 대해 누적한 전류 적산값을 기초로, 배터리의 충전 상태를 추정하는 기법이다. 등가 회로 모델은, 배터리의 전기화학적인 특성을 모사하도록 다수의 전기 부품들 간의 결합 관계를 모델링한 것이다.
다만, 암페어 카운팅은, 전류 센서의 측정 오차 및/또는 외부로부터의 노이즈로 인해, 암페어 카운팅에 의해 추정된 충전 상태와 실제의 충전 상태 간의 차이가 발생할 수 있다는 단점이 있다. 또한, 충전 상태가 완전 방전 상태에 가까운 소정의 범위에서 개방 전압이 급격히 변화하게 되는 배터리의 비선형적인 특성을 충분히 모사하도록 등가 회로 모델을 설계하는 것은 상당히 어렵다.
확장 칼만 필터는, 암페어 카운팅과 등가 회로 모델 각각의 단점이 서로에 의해 보완되도록, 암페어 카운팅과 등가 회로 모델을 수학적으로 조합한 기법이다.
그런데, 확장 칼만 필터를 이용하더라도, 전술된 비선형적인 특성이 매우 강하게 나타나는 경우, 배터리의 충전 상태의 추정치에 큰 에러가 발생할 수 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 확장 칼만 필터를 이용하여 매 주기마다 배터리의 충전 상태를 추정(갱신)함에 있어서, 현 주기의 충전 상태를 나타내는 임시 추정치를 비선형적 특성이 강하게 나타나는 기준 범위와 비교한 결과를 기초로 개방 전압 정보를 결정한 다음, 개방 전압 정보를 기초로 현 주기의 충전 상태를 나타내는 확정 추정치를 결정할 수 있는 배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법, 배터리 팩 및 전기 차량을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 배터리의 퇴화도에 연관된 최대 용량을 기초로 기준 범위의 최대값을 조절함으로써, 배터리의 충전 상태를 보다 신뢰성 높게 추정할 수 있는 배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법 및 배터리 팩을 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 관리 시스템은, 배터리의 전류, 전압 및 온도를 나타내는 배터리 정보를 생성하도록 구성되는 센싱부; 및 확장 칼만 필터를 실행하여, 상기 배터리 정보를 기초로, 상기 배터리의 충전 상태를 추정하도록 구성되는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 확장 칼만 필터의 시간 업데이트 프로세스를 이용하여, 이전 주기의 충전 상태를 나타내는 이전 추정치 및 상기 배터리 정보를 기초로, 현 주기의 충전 상태에 대한 임시 추정치를 결정하도록 구성된다. 상기 제어부는, 상기 임시 추정치를 기초로, 개방 전압 정보를 결정하도록 구성된다. 상기 제어부는, 상기 확장 칼만 필터의 측정 업데이트 프로세스를 이용하여, 상기 임시 추정치, 상기 개방 전압 정보 및 상기 배터리 정보를 기초로, 상기 현 주기의 충전 상태를 나타내는 확정 추정치를 결정하도록 구성된다.
상기 개방 전압 정보는, 제1 개방 전압 팩터값을 포함할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 임시 추정치가 기준 범위 밖인 경우, 소정의 제1 기울기 조절값을 상기 제1 개방 전압 팩터값으로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 임시 추정치가 상기 기준 범위 내인 경우, 상기 제1 기울기 조절값보다 작은 소정의 제2 기울기 조절값을 상기 제1 개방 전압 팩터값으로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리의 최대 용량을 기초로, 상기 기준 범위의 최대값을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리의 설계 용량과 상기 최대 용량 간의 차이가 증가할수록, 상기 기준 범위의 최대값을 증가시키도록 구성될 수 있다.
상기 개방 전압 정보는, 제2 개방 전압 팩터값을 포함할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 임시 추정치가 기준 범위 밖인 경우, 상기 배터리의 충전 상태와 개방 전압 간의 대응 관계가 규정된 데이터 테이블로부터, 상기 임시 추정치에 대응하는 제1 개방 전압을 상기 제2 개방 전압 팩터값으로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 임시 추정치가 상기 기준 범위 내인 경우, 상기 기준 범위의 최대값에 대응하는 제2 개방 전압을 상기 제2 개방 전압 팩터값으로 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 기준 범위의 최대값은 소정의 기준값 이상이다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 관리 시스템을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 차량은, 상기 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은, 상기 배터리 관리 시스템에 의해 실행 가능한다. 상기 배터리 관리 방법은, 상기 배터리의 전류, 전압 및 온도를 나타내는 배터리 정보를 수집하는 단계; 상기 확장 칼만 필터의 시간 업데이트 프로세스를 이용하여, 이전 주기의 충전 상태를 나타내는 이전 추정치 및 상기 배터리 정보를 기초로, 현 주기의 충전 상태에 대한 임시 추정치를 결정하는 단계; 상기 임시 추정치를 기초로, 개방 전압 정보를 결정하는 단계; 및 상기 확장 칼만 필터의 측정 업데이트 프로세스를 이용하여, 상기 임시 추정치, 상기 개방 전압 정보 및 상기 배터리 정보를 기초로, 상기 현 주기의 충전 상태를 나타내는 확정 추정치를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 개방 전압 정보를 결정하는 단계는, 상기 임시 추정치가 기준 범위 밖인 경우, 소정의 제1 기울기 조절값을 제1 개방 전압 팩터값으로 결정하는 단계; 및 상기 임시 추정치가 상기 기준 범위 내인 경우, 상기 제1 기울기 조절값보다 작은 소정의 제2 기울기 조절값을 상기 제1 개방 전압 팩터값으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 개방 전압 정보는, 상기 제1 개방 전압 팩터값을 포함할 수 있다.
상기 개방 전압 정보를 결정하는 단계는, 상기 임시 추정치가 기준 범위 밖인 경우, 상기 배터리의 충전 상태와 개방 전압 간의 대응 관계가 규정된 데이터 테이블로부터, 상기 임시 추정치에 대응하는 개방 전압을 제2 개방 전압 팩터값으로 결정하는 단계; 및 상기 임시 추정치가 상기 기준 범위 내인 경우, 상기 기준 범위에 연관된 임계 전압을 상기 제2 개방 전압 팩터값으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 개방 전압 정보는, 상기 제2 개방 전압 팩터값을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 확장 칼만 필터를 이용하여 매 주기마다 배터리의 충전 상태를 추정(갱신)함에 있어서, 현 주기의 충전 상태를 나타내는 임시 추정치를 비선형적 특성이 강하게 나타나는 기준 범위와 비교한 결과를 기초로 개방 전압 정보를 결정한 다음, 개방 전압 정보를 기초로 현 주기의 충전 상태를 나타내는 확정 추정치를 결정할 수 있다. 이에 따라, 를 추정 시, 배터리의 비선형적 특성에 따른 개방 전압의 급격한 변화가 배터리의 충전 상태의 추정 정확도에 끼치는 악영향을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리의 퇴화도에 연관된 최대 용량을 기초로 기준 범위의 최대값을 조절함으로써, 배터리의 충전 상태를 보다 신뢰성 높게 추정할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 배터리의 등가 회로 모델의 회로 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 배터리의 OCV-SOC 커브를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 배터리 관리 시스템에 의해 실행 가능한 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 개방 전압 정보로서의 제1 개방 전압 팩터값을 결정하는 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 개방 전압 정보로서의 제2 개방 전압 팩터값을 결정하는 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 배터리의 등가 회로 모델의 회로 구성을 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 배터리의 OCV-SOC 커브를 예시적으로 보여준다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(10)은, 전기 차량(1) 등과 같은 전력 구동 장치에 요구되는 전기 에너지를 제공하기 위한 것으로서, 배터리(20), 스위치(30) 및 배터리 관리 시스템(100)를 포함한다.
배터리(20)는, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함한다. 각 배터리 셀은, 예컨대 리튬 이온 셀일 수 있다. 물론, 배터리 셀의 종류가 리튬 이온 셀에 한정되는 것은 아니며, 반복적인 충방전이 가능한 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 배터리(20)에 포함된 각 배터리 셀은, 다른 배터리 셀과 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결된다.
스위치(30)는, 배터리(20)의 충방전을 위한 전류 경로에 설치된다. 스위치(30)의 제어 단자는 제어부(120)에 전기적으로 연결 가능하게 제공된다. 스위치(30)는, 제어부(120)에 의해 출력되는 스위칭 신호(SS)가 제어 단자에 인가되는 것에 응답하여, 스위칭 신호(SS)의 듀티비에 따라 온오프 제어된다. 스위치(30)는, 스위칭 신호(SS)가 하이-레벨인 경우에 턴 온되고, 스위칭 신호(SS)가 로우-레벨인 경우에 턴 오프될 수 있다. 스위치(30)의 온오프에 의해 전류 경로를 통해 흐르는 전류가 조절된다.
배터리 관리 시스템(100)는, 배터리(20)의 충전 상태를 주기적으로 결정하기 위해, 배터리(20)에 전기적으로 연결 가능하도록 제공된다. 배터리 관리 시스템(100)는, 센싱부(110), 제어부(120), 메모리부(130) 및 통신부(140)를 포함한다.
센싱부(110)는, 배터리(20)의 충방전 중, 배터리(20)의 전압, 전류 및 온도를 나타내는 배터리 정보를 주기적으로 생성하도록 구성된다. 센싱부(110)는, 전류 센서(111), 전압 센서(112) 및 온도 센서(113)를 포함한다.
전류 센서(111)는, 배터리(20)의 충방전 경로에 전기적으로 연결 가능하도록 제공된다. 전류 센서(111)는, 배터리(20)를 통해 흐르는 전류의 크기와 방향을 나타내는 신호(SI)를 제어부(120)에게 출력하도록 구성된다. 예컨대, 션트 저항 및/또는 홀 효과 소자가 전류 센서(111)로서 이용될 수 있다.
전압 센서(112)는, 배터리(20)의 양극 단자와 음극 단자에 전기적으로 연결 가능하도록 제공된다. 전압 센서(112)는, 배터리(20)의 양극 단자와 음극 단자 사이에 걸친 전압을 검출하고, 검출된 전압을 나타내는 신호(SV)를 제어부(120)에게 출력하도록 구성된다.
온도 센서(113)는, 배터리(20)로부터 소정 거리 내의 영역의 온도를 검출하고, 검출된 온도를 나타내는 신호(ST)를 제어부(120)에게 출력하도록 구성된다. 예컨대, 부특성 온도 계수를 가지는 서미스터가 온도 센서(113)로서 이용될 수 있다.
제어부(120)는, 센싱부(110), 메모리부(130), 통신부(140) 및 스위치(30)에 동작 가능하게 결합된다. 제어부(120)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
제어부(120)는, 배터리 정보로서 센싱부(110)에 의해 출력되는 신호(SI), 신호(SV) 및 신호(ST)를 주기적으로 수신하도록 구성된다. 제어부(120)는, 제어부(120)에 포함된 ADC(analog-to-digital converter)를 이용하여, 신호(SI), 신호(SV) 및 신호(ST) 각각으로부터 전류값, 전압값 및 온도값을 결정한 다음, 메모리부(130)에 저장할 수 있다.
메모리부(130)는, 제어부(120)에 동작 가능하게 결합된다. 메모리부(130)에는, 후술할 단계들을 실행하는 데에 필요한 프로그램 및 각종 데이터가 저장될 수 있다. 메모리부(130)는, 예컨대 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
통신부(140)는, 외부 디바이스(2)와 통신 가능하게 결합될 수 있다. 전기 예컨대, 외부 디바이스(2)는, 차량(1)의 ECU(Electronic Control Unit)일 수 있다. 통신부(140)는, 외부 디바이스(2)로부터의 명령 메시지를 수신하고, 수신된 명령 메시지를 제어부(130)에게 제공할 수 있다. 명령 메시지는, 배터리 관리 시스템(100)의 특정 기능(예, 충전 상태의 추정, 스위치(30)에 대한 온오프 제어)의 활성화를 요구하는 메시지일 수 있다. 통신부(140)는, 제어부(130)로부터의 통지 메시지를 외부 디바이스(2)에게 전달할 수 있다. 통지 메시지는, 제어부(130)에 의해 실행된 기능의 결과(예, 충전 상태의 추정치)를 외부 디바이스(2)에게 알리기 위한 메시지일 수 있다. 통신부(140)는, 외부 디바이스(2)와 LAN(local area network), CAN(controller area network), 데이지 체인과 같은 유선 네트워크 및/또는 블루투스, 지그비, 와이파이 등의 근거리 무선 네트워크를 통해 통신할 수 있다.
제어부(120)는, 배터리(20)의 최대 용량 또는 SOH(state of health)을 결정하도록 구성된다. 최대 용량은, 배터리(20)에 최대로 저장 가능한 전하량을 나타내며, '완전 충전 용량'이라고 칭할 수도 있다. 예컨대, 최대 용량은, 충전 상태가 1(=100%)인 배터리(20)를 충전 상태가 0(=0%)가 될 때까지 방전시키는 동안에 흐르는 전류의 적산값과 동일하다.
제어부(120)는, 배터리(20)의 내부 저항(internal resistance)을 연산한 다음, 기준 저항과 내부 저항 간의 차이 또는 기준 저항에 대한 내부 저항의 비율을 기초로 배터리(20)의 SOH 또는 최대 용량을 결정할 수 있다. 대안적으로, 제어부(120)는, 다음의 수식 1을 이용하여, 배터리(20)가 충방전되는 서로 다른 두 시점 각각에서의 충전 상태 및 두 시점 사이의 기간 동안에 적산된 전류 적산값을 기초로, 배터리(20)의 SOH 또는 최대 용량을 결정할 수 있다. 두 시점 중 앞의 시점을 t 1, 뒤의 시점을 t 2라고 해보자.
<수식 1>
Figure PCTKR2020001773-appb-img-000001
수식 1에서, Q ref는 기준 용량, SOC 1은 시점 t 1에서 추정된 충전 상태, SOC 2은 시점 t 2에서 추정된 충전 상태, ΔSOC는 SOC 1과 SOC 2 간의 차이, i t는 시점 t 1과 시점 t 2 사이의 시점 t에서 검출된 전류를 나타내는 전류값, ΔC은 시점 t 1부터 시점 t 2 까지의 기간 동안에 적산된 전류 적산값, Q est는 시점 t 2에서의 최대 용량의 추정치, SOH new는 시점 t 2에서의 SOH의 추정치를 나타낸다. Q ref는, 배터리(20)의 SOH가 1이었을 때의 최대 용량을 나타내는 미리 정해진 값이다. Q ref는, '설계 용량'이라고 칭할 수 있으며, 메모리부(130)에 미리 저장되어 있을 수 있다.
수식 1과 관련하여, ΔSOC가 지나치게 작은 경우, Q est가 실제와는 큰 차이를 보일 수 있다. 따라서, 제어부(120)는, ΔSOC가 소정값(예, 0.5) 이상인 경우에 한하여, 수식 1을 이용하여 배터리(20)의 SOH 또는 최대 용량을 결정하도록 구성될 수 있다.
최대 용량(또는 SOH)을 결정함에 있어서, 전술된 비선형적 특성의 영향을 배제하기 위해, SOC 1와 SOC 2가 둘 다 후술될 기준 범위에 속하지 않는 경우에 한하여, 수식 1을 이용하여 배터리(20)의 최대 용량을 결정하도록 구성될 수 있다.
지금부터는, 제어부(120)에 의해 실행되는, 배터리(20)의 SOC를 추정하기 위한 동작을 보다 상세히 설명하기로 한다.
제어부(120)는, 암페어 카운팅(수식 2 참조)을 이용하여, 배터리 정보의 전류값을 기초로, 현 주기의 배터리(20)의 충전 상태의 추정치를 연산할 수 있다.
<수식 2>
Figure PCTKR2020001773-appb-img-000002
수식 2에 사용된 기호들에 대해 설명하면 다음과 같다. Δt는 주기 당 시간 길이를 나타낸다. k는 Δt만큼 경과할 때마다 1씩 증가하는 시간 인덱스로서, 소정의 이벤트가 발생한 시점으로부터 현재까지 경과된 주기의 수를 나타낸다. 이벤트는, 예컨대 배터리(20)의 전압이 안정화된 상태에서 배터리(20)의 충방전의 개시일 수 있다. 배터리(20)의 전압이 안정화된 상태란, 배터리(20)를 통해 전류가 흐르지 않으면서 배터리(20)의 전압이 일정하게 유지되는 무부하 상태일 수 있다. 이 경우, SOC e[0]는, 이벤트가 발생된 시점에서의 배터리(20)의 개방 전압을 인덱스로서 이용하여, 배터리(20)의 개방 전압(OCV: open circuit voltage)과 충전 상태 간의 대응 관계(도 3에 도시된 OCV-SOC 커브 참조)가 규정된 데이터 테이블로부터 결정될 수 있다. 데이터 테이블은, 메모리부(130)에 저장되어 있다.
수식 2에서, i[k+1]는 현 주기에서 검출된 전류, SOC e[k]는 확장 칼만 필터에 의해 이전 주기에서 결정된 충전 상태를 나타낸다. SOC[k+1]는, 암페어 카운팅을 이용하여 연산된 현 주기의 충전 상태를 나타내는 값이다. 수식 2에서, i[k+1]은 i[k]로 대체될 수도 있다.
지금부터, 확장 칼만 필터에 대하여 설명하겠다. 확장 칼만 필터는, 수식 2로 표현되는 암페어 카운팅과 함께, 배터리(20)의 등가 회로 모델(200)을 추가적으로 활용하여, 배터리(20)의 충전 상태를 주기적으로 갱신하기 위한 알고리즘이다.
도 2를 참조하면, 등가 회로 모델(200)은, 개방 전압원(210), 옴 저항(R 1) 및 RC 페어(220)를 포함한다.
개방 전압원(210)은, 전기화학적으로 장시간 동안 안정화된 배터리(20)의 양극과 음극 사이의 전압인 개방 전압을 모사하는 것이다. 개방 전압원(210)에 의해 출력되는 개방 전압(OCV)은, 배터리(20)의 충전 상태(SOC)와 비선형적인 함수 관계를 가진다. 즉, OCV = f 1(SOC)이고, SOC = f 2(OCV)로서, f 1 및 f 2는 서로의 역함수이다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 3.3 V = f 1(0.5)이고, 0.7 = f 2(3.4 V)이다.
개방 전압원(210)에 의해 출력되는 개방 전압(OCV)은, 사전 실험을 통해 다양한 충전 상태와 온도별로 미리 정해져 있을 수 있다.
옴 저항(R 1)은, 배터리(20)의 IR 드롭(V 1)에 연관된다. IR 드롭은, 배터리(20)가 무부하 상태로부터 충방전 상태로 전환 시 또는 충방전 상태로부터 무부하 상태로 전환 시에, 배터리(20)의 양단에 걸친 전압의 순간적인 변화를 칭한다. 예컨대, 무부하 상태의 배터리(20)에 대한 충전이 개시되는 시점에 측정되는 배터리(20)의 전압은 개방 전압보다 크다. 다른 예로, 무부하 상태의 배터리(20)에 대한 방전이 개시되는 시점에 측정되는 배터리(20)의 전압은 개방 전압보다 작다. 옴 저항(R 1)의 저항값 역시, 사전 실험을 통해 다양한 충전 상태와 온도별로 미리 정해져 있을 수 있다.
RC 페어(220)는, 배터리(20)의 전기 이중층(electric double layer) 등에 의해 유발되는 오버 포텐셜('분극 전압'이라고 칭할 수도 있음)(V 2)을 출력하는 것으로서, 서로 병렬 연결된 저항(R 2)과 커패시터(C 2)를 포함한다. 오버 포텐셜(V 2)은 '분극 전압'이라고 칭할 수도 있다. RC 페어(220)의 시상수(time constant)는, 저항(R 2)의 저항값과 커패시터(C 2)의 커패시턴스의 곱이며, 사전 실험을 통해 다양한 충전상태 및 온도별로 미리 정해져 있을 수 있다.
V ecm은, 등가 회로 모델(200)의 출력 전압으로서, 개방 전압원(210)에 의한 개방 전압(OCV), 옴 저항(R 1)에 의한 IR 드롭(V 1) 및 RC 페어(220)에 의한 오버 포텐셜(V 2)의 합과 동일하다.
등가 회로 모델(200)에서, 현 주기의 오버 포텐셜은 아래의 수식 3과 같이 정의될 수 있다.
<수식 3>
Figure PCTKR2020001773-appb-img-000003
수식 3에서, R 2[k+1]는 현 주기의 저항(R 2)의 저항값, τ[k+1]는 현 주기의 RC 페어(220)의 시상수, V 2[k]은 이전 주기의 오버 포텐셜, V 2[k+1]은 현 주기의 오버 포텐셜을 나타낸다. 수식 3에서, i[k+1]은 i[k]로 대체될 수도 있다. 이벤트가 발생된 시점의 오버 포텐셜 V 2[0]은, 0 V(volt)일 수 있다.
다음의 수식 4는, 확장 칼만 필터의 시간 업데이트 프로세스에 연관된 제1 상태 방정식으로서, 수식 2 및 수식 3의 조합으로부터 유도되는 것이다.
<수식 4>
Figure PCTKR2020001773-appb-img-000004
수식 4 및 아래의 수식 5 내지 수식 8에서, 윗첨자로 표시된 기호 ^은, 시간 업데이트에 의해 예측된 값임을 나타내는 기호이다. 또한, 윗첨자로 표시된 기호 -은, 후술될 측정 업데이트에 의해 보정되기 전의 값임을 나타내는 기호이다. 수식 4의 SOC[k+1]은, 현 주기의 충전 상태를 임시적으로 나타내는 추정치로서, '임시 추정치'라고 칭할 수 있다. 수식 4의 SOC e[k]은, 이전 주기의 충전 상태를 나타내는 것으로 확정된 추정치로서, '이전 추정치'라고 칭할 수 있다.
다음의 수식 5는, 확장 칼만 필터의 시간 업데이트 프로세스에 연관된 제2 상태 방정식이다.
<수식 5>
Figure PCTKR2020001773-appb-img-000005
수식 5에서, P k는 이전 주기에서 보정된 오차 공분산 행렬(error corvariance matrix), Q k는 이전 주기에서의 프로세스 노이즈 공분산 행렬(process noise covariance matrix), T는 전치 행렬 연산자, P - k+1는 현 주기의 오차 공분산 행렬을 나타낸다. k=0에서, P 0 =[ 1 0 ; 0 1 ] 일 수 있다. W1 k은, 제1 프로세스 노이즈로서, 암페어 카운팅의 신뢰도에 연관된다. W1 k은, 암페어 카운팅을 이용하여 연산된 전류 적산값의 부정확도를 나타내는 소정의 양수이다. W2 k은, 제2 프로세스 노이즈로서, 등가 회로 모델(200)의 신뢰도에 연관된다. W2 k은, 등가 회로 모델(200)에 연관된 파라미터들의 부정확도를 나타내는 소정의 양수이다.
제어부(120)는, 임시 추정치 SOC[k+1]를 기초로, 개방 전압 정보를 결정할 수 있다. 개방 전압 정보는, 제1 개방 전압 팩터값 및 제2 개방 전압 팩터값 중 적어도 하나를 포함한다. 제1 개방 전압 팩터값과 제2 개방 전압 팩터값 각각에 대하서는 아래에서 보다 상세히 설명될 것이다.
제어부(120)는, 수식 4 및 수식 5를 이용한 시간 업데이트 프로세스가 완료된 다음, 측정 업데이트 프로세스를 실행한다.
다음의 수식 6은, 확장 칼만 필터의 측정 업데이트 프로세스에 연관된 제1 관측 방정식이다.
<수식 6>
Figure PCTKR2020001773-appb-img-000006
수식 6에서, K k+1는 현 주기의 칼만 게인을 나타낸다. R은 측정 노이즈 공분산 행렬(measurement noise covariance matrix)로서, 미리 정해진 성분들을 가진다.
수식 6에서, H k+1는 시스템 행렬이다. H k+1의 1행 1열 성분은, 배터리(20)의 현 주기의 충전 상태를 추정함에 있어서, 도 3에 도시된 OCV-SOC 커브를 규정하는 데이터 테이블에 따른 배터리(20)의 개방 전압의 변화 추이를 나타내는 것이다. H k+1의 n은, 미리 정해진 양의 정수(예, 1)이다.
개방 전압의 변화 추이는, 임시 추정치 SOC[k+1]를 중간값으로 하는 관심 충전 상태 범위에 대응하는 관심 개방 전압 범위의 폭을 나타낼 수 있다. 관심 충전 상태 범위의 최소값에 대응하는 개방 전압은 관심 개방 전압 범위의 최소값과 동일할 수 있다. 관심 충전 상태 범위의 최대값에 대응하는 개방 전압은 관심 개방 전압 범위의 최대값과 동일할 수 있다.
u는, 제1 개방 전압 팩터값을 지칭하며, 개방 전압의 변화 추이를 설정하는 데에 요구되는 관심 충전 상태 범위의 폭을 조절하기 위한 양수이다. 따라서, u를 조절 시, 관심 충전 상태 범위에 대응하는 관심 개방 전압 범위가 조절된다.
관심 충전 상태 범위의 폭은, SOC[k+1]+0.01u와 SOC[k+1]-0.01u의 차이 즉, 0.02u이다. 관심 개방 전압 범위의 폭은, f 1(SOC[k+1]+0.01u)와 f 1(SOC[k+1]-0.01u)의 차이이다. 예컨대, SOC[k+1]가 동일한 경우, u가 감소할수록 관심 개방 전압 범위의 최소값 f 1(SOC[k+1]-0.01u)은 증가하고 개방 전압 범위의 최대값 f 1(SOC[k+1]+0.01u)은 감소한다. 물론, SOC[k+1]가 동일한 경우, u가 증가할수록 관심 개방 전압 범위의 최소값은 감소하고 최대값은 증가한다.
제어부(120)는, 임시 추정치 SOC[k+1]와 기준 범위 간의 비교 결과를 기초로, 제1 개방 전압 팩터값 u를 조절할 수 있다. 기준 범위(도 3 참조)는, 전술된 비선형적 특성이 일정 수준 이상이 되는 충전 상태의 구간으로서, 사전 실험 등을 통해 정해질 수 있다.
기준 범위의 최소값은 완전 방전 상태를 나타내는 0%일 수 있다. 기준 범위의 최대값(도 3의 SOC R)은 비선형적 특성이 발현되는 영역과 나머지 영역 간의 경계를 나타낸다.
제어부(120)는, 배터리(20)의 최대 용량 Q est을 기초로, 기준 범위의 최대값 SOC R을 결정할 수 있다. 구체적으로, 제어부(120)는, 설계 용량 Q ref과 최대 용량 Q est 간의 차이가 증가할수록(즉, 배터리(20)가 퇴화될수록), 기준 범위의 최대값 SOC R 을 증가시킬 수 있다. 그 이유는, 배터리(20)가 퇴화될수록, 배터리(20) 내부적인 전기화학적 상태가 불안정해짐에 따라 비선형적 특성이 나타나는 영역이 확장될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 설계 용량 Q ref과 최대 용량 Q est 간의 차이가 소정의 기준 차이값 미만인 경우, 소정의 기준값(예, 5%)이 기준 범위의 최대값 SOC R으로 결정될 수 있다. 기준값은, 배터리(20)가 신품인 때에 배터리(20)의 비선형적 특성이 나타나는 영역과 나머지 영역 간의 경계에서의 충전 상태를 나타낼 수 있다. 설계 용량 Q ref과 최대 용량 Q est 간의 차이가 기준 차이값 이상인 경우, (i)소정의 스케일링 계수가 곱해진 설계 용량 Q ref과 최대 용량 Q est 간의 차이와 (ii)기준값의 합이 기준 범위의 최대값 SOC R으로 결정될 수 있다. 물론, 기준 범위의 최대값 SOC R은, 최대 용량 Q est과는 무관하게, 기준값으로 유지될 수도 있다.
제어부(120)는, 임시 추정치 SOC[k+1]가 기준 범위 밖인 경우, 소정의 제1 기울기 조절값을 제1 개방 전압 팩터값 u로 결정할 수 있다. 반면, 제어부(120)는, 임시 추정치 SOC[k+1]가 기준 범위 내인 경우, 소정의 제2 기울기 조절값을 제1 개방 전압 팩터값 u로 결정할 수 있다. 제2 기울기 조절값은, 제1 기울기 조절값보다 작을 수 있다. 예컨대, 제1 기울기 조절값은 n과 동일한 1이고, 제2 기울기 조절값은 n보다 작은 0.5일 수 있다. 제1 기울기 조절값과 제2 기울기 조절값은, 사전 실험 결과 등을 토대로 미리 정해질 수 있다.
제1 개방 전압 팩터값 u이 제2 기울기 조절값과 동일한 경우의 관심 개방 전압 범위는, 제1 개방 전압 팩터값 u이 제1 기울기 조절값과 동일한 경우의 관심 개방 전압 범위보다 좁아진다. 따라서, 임시 추정치 SOC[k+1]가 기준 범위 내인 경우, 비선형적 특성을 강하게 띄는 배터리(20)의 개방 전압의 변화 추이가 H k+1에 정밀하게 반영될 수 있다. 물론, 제1 개방 전압 팩터값 u는, 임시 추정치 SOC[k+1]와는 무관하게, 상수(예, n과 동일)일 수 있다.
다음의 수식 7은, 확장 칼만 필터의 측정 업데이트 프로세스에 연관된 제2 관측 방정식이다. 수식 4로부터 얻은 SOC[k+1] 및 V 2[k+1]은 수식 7에 의해 각각 보정된다.
<수식 7>
Figure PCTKR2020001773-appb-img-000007
수식 7에서, z k+1은 현 주기에서 측정된 배터리(20)의 전압이고, V 1[k+1]은 현 주기에서 옴 저항(R 1)에 걸친 전압을 나타내는 것으로서, i[k+1] 및 i[k] 중 어느 하나와 R 1[k+1]의 곱과 동일할 수 있다. R 1[k+1]은, 현 주기의 옴 저항(R 1)의 저항값이다. 제어부(120)는, 배터리 정보의 온도값을 기초로, R 1[k+1]을 결정할 수 있다. 이를 위해, 메모리부(130)에는, 온도값과 옴 저항(R 1)의 저항값 간의 대응 관계가 정의된 제1 룩업 테이블이 기록되어 있다. 제어부(120)는, 현 주기의 온도값을 인덱스로서 이용하여, 제1 룩업 테이블로부터 현 주기의 온도값에 매핑된 저항값을 R 1[k+1]으로서 획득할 수 있다.
수식 7에서, f 1(SOC[k+1])은, 제2 개방 전압 팩터값을 지칭한다. 제어부(120)는, 임시 추정치 SOC[k+1]가 기준 범위 밖인 경우, 데이터 테이블(도 3 참조)로부터, 임시 추정치 SOC[k+1]에 대응하는 개방 전압을 제2 개방 전압 팩터값으로 결정할 수 있다. 이 경우, f 1(SOC[k+1])는 현 주기의 개방 전압의 추정치를 나타낸다. 반면, 제어부(120)는, 임시 추정치 SOC[k+1]가 기준 범위 내인 경우, 데이터 테이블(도 3 참조)로부터, 기준 범위의 최대값 SOC R에 대응하는 개방 전압(도 2의 V R)을 제2 개방 전압 팩터값으로 결정할 수 있다.
또한, 제어부(120)는, 수식 4의 i[k+1](또는 i[k])를 전류값과 동일하게 설정하고, 수식 7의 z k+1을 배터리 정보의 전압값과 동일하게 설정한다. 이에 따라, 제어부(120)는, 수식 7을 이용하여 임시 추정치 SOC[k+1]를 보정함으로써, SOC e[k+1]를 얻을 수 있다. SOC e[k+1]는, 배터리(20)의 현 주기의 충전 상태에 대한 추정치로 확정된 값이며, '확정 추정치'라고 칭할 수 있다. 참고로, V 2e[k+1]은, 수식 4의 V 2[k+1]가 수식 7에 의해 보정된 결과이다. SOC e[k+1]는, 다음 주기에서는 수식 4의 SOC e[k]로 이용된다.
다음의 수식 8은, 확장 칼만 필터의 측정 업데이트 프로세스에 연관된 제3 관측 방정식이다.
<수식 8>
Figure PCTKR2020001773-appb-img-000008
수식 8에서, E는 단위 행렬을 나타낸다. 수식 5로부터 얻어진 P - k+1은 수식 8에 의해 P k+1로 보정된다.
제어부(120)는, 시간 인덱스 k가 1씩 증가할 때마다, 수식 4 내지 수식 8에 따른 각 연산 단계를 적어도 한 번씩 실행함으로써, 매 주기마다 배터리(20)의 충전 상태를 나타내는 확정 추정치를 갱신한다.
제어부(120)는, 온도값 및 이전 주기에서 결정된 충전 상태를 기초로, 수식 4의 R 2[k+1] 및 τ[k+1]를 결정한다. 메모리부(130)에는, 충전 상태, 온도값과 저항(R 2)의 저항값 간의 대응 관계가 정의된 제2 룩업 테이블이 기록되어 있을 수 있다. 제어부(120)는 온도값 및 이전 주기에서 결정된 충전 상태를 인덱스로서 이용하여, 제2 룩업 테이블로부터, 온도값 및 이전 주기에서 결정된 충전 상태에 매핑된 저항값을 수식 4의 R 2[k+1]으로서 획득할 수 있다. 또한, 메모리부(130)에는, 충전 상태, 온도값 및 시상수 간의 대응 관계가 정의된 제3 룩업 테이블이 기록되어 있을 수 있다. 제어부(120)는, 온도값 및 이전 주기에서 결정된 충전 상태를 인덱스로서 이용하여, 제3 룩업 테이블로부터, 온도값 및 이전 주기에서 결정된 충전 상태에 매핑된 시상수를 수식 4의 τ[k+1]로서 획득할 수 있다.
제어부(120)는, 스위치(30)를 제어하기 위해, 스위칭 신호(SS)를 선택적으로 출력할 수 있다. 제어부(120)는, 확정 추정치 SOC e[k+1]가 기준 범위 내인 경우, 스위칭 신호(SS)의 듀티비를 소정의 기준 듀티비(예, 0.2) 이하로 제한할 수 있다. 스위칭 신호(SS)의 듀티비가 기준 듀티비 이하로 제한되는 경우, 배터리(20)의 전압, 전류 및 온도의 급격한 변화가 억제될 수 있다.
도 4는 도 1의 배터리 관리 시스템에 의해 실행 가능한 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 4의 방법은, 이벤트가 발생된 시점부터 주기적으로 실행될 수 있다. 도 4의 방법은, 배터리(20)의 충방전이 중단되는 경우에 종료될 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 단계 S410에서, 제어부(120)는, 센싱부(110)로부터, 배터리(20)의 전류, 전압 및 온도를 나타내는 배터리 정보를 수집한다.
단계 S420에서, 제어부(120)는, 확장 칼만 필터의 시간 업데이트 프로세스를 이용하여, 이전 주기의 충전 상태를 나타내는 이전 추정치 SOC e[k] 및 배터리 정보를 기초로, 현 주기의 충전 상태에 대한 임시 추정치 SOC[k+1]를 결정한다(수식 4 및 수식 5 참조).
단계 S430에서, 제어부(120)는, 임시 추정치 SOC[k+1]를 기초로, 개방 전압 정보를 결정한다.
단계 S440에서, 제어부(120)는, 확장 칼만 필터의 측정 업데이트 프로세스를 이용하여, 임시 추정치 SOC[k+1], 개방 전압 정보 및 배터리 정보를 기초로, 현 주기의 충전 상태를 나타내는 확정 추정치 SOC e[k+1]를 결정한다(수식 6 내지 수식 8 참조).
단계 S450에서, 제어부(120)는, 확정 추정치 SOC e[k+1]를 나타내는 통지 메시지를 통신부(140)를 통해 외부 디바이스(2)에게 전송한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 개방 전압 정보로서의 제1 개방 전압 팩터값을 결정하는 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 5의 방법은, 도 4의 단계 S430의 하위 단계들에 해당한다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 단계 S500에서, 제어부(120)는, 배터리(20)의 최대 용량 Q est을 기초로, 기준 범위의 최대값 SOC R을 결정한다. 기준 범위의 최소값은 0%일 수 있다. 단계 S500은 필수적인 것은 아니며, 도 5의 방법으로부터 생략될 수 있다.
단계 S510에서, 제어부(120)는, 임시 추정치 SOC[k+1]가 기준 범위 내인지 여부를 판정한다. 즉, 임시 추정치 SOC[k+1]가 기준 범위의 최대값 SOC R 이하인지 여부가 판정된다.단계 S510의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S520으로 진행된다. 단계 S510의 값이 "예"인 경우, 단계 S530으로 진행된다.
단계 S520에서, 제어부(120)는, 제1 개방 전압 팩터값(수식 6의 u)을 소정의 제1 기울기 조절값과 동일하게 결정한다.
단계 S530에서, 제어부(120)는, 제1 개방 전압 팩터값을 제1 기울기 조절값보다 작은 소정의 제2 기울기 조절값과 동일하게 결정한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 개방 전압 정보로서의 제2 개방 전압 팩터값을 결정하는 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 6의 방법은, 도 4의 단계 S430의 하위 단계들에 해당한다.
도 1 내지 도 4 및 도 6을 참조하면, 단계 S600에서, 제어부(120)는, 배터리(20)의 최대 용량 Q est을 기초로, 기준 범위의 최대값 SOC R을 결정한다. 기준 범위의 최소값은 0%일 수 있다. 단계 S600은 필수적인 것은 아니며, 도 6의 방법으로부터 생략될 수 있다.
단계 S610에서, 제어부(120)는, 임시 추정치 SOC[k+1]가 기준 범위 내인지 여부를 판정한다. 즉, 임시 추정치 SOC[k+1]가 기준 범위의 최대값 SOC R 이하인지 여부가 판정된다. 단계 S610의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S620으로 진행된다. 단계 S610의 값이 "예"인 경우, 단계 S630으로 진행된다.
단계 S620에서, 제어부(120)는, 제2 개방 전압 팩터값(수식 7의 f 1(SOC[k+1]))을 임시 추정치 SOC[k+1]에 대응하는 제1 개방 전압과 동일하게 결정한다. 예컨대, 도 3을 참조하면, SOC[k+1]=0.5>SOC R인 경우, 제1 개방 전압= 3.3 [V] =제2 개방 전압 팩터값이다.
단계 S630에서, 제어부(120)는, 제2 개방 전압 팩터값을 기준 범위의 최대값 SOC R에 대응하는 제2 개방 전압 V R과 동일하게 결정한다. 예컨대, 도 3을 참조하면, SOC[k+1]≤SOC R인 경우, 제2 개방 전압= V R [V] = 제2 개방 전압 팩터값이다.
한편, 도 5의 방법과 도 6의 방법은 택일적으로만 실행 가능한 것은 아니며, 두 방법이 모두 실행될 수도 있다. 도 5의 방법과 도 6의 방법이 둘 다 실행되는 경우, 단계 S500과 단계 S600은 둘 중 하나만 진행될 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.

Claims (12)

  1. 배터리의 전류, 전압 및 온도를 나타내는 배터리 정보를 생성하도록 구성되는 센싱부; 및
    확장 칼만 필터를 실행하여, 상기 배터리 정보를 기초로, 상기 배터리의 충전 상태를 추정하도록 구성되는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 확장 칼만 필터의 시간 업데이트 프로세스를 이용하여, 이전 주기의 충전 상태를 나타내는 이전 추정치 및 상기 배터리 정보를 기초로, 현 주기의 충전 상태에 대한 임시 추정치를 결정하고,
    상기 임시 추정치를 기초로, 개방 전압 정보를 결정하고,
    상기 확장 칼만 필터의 측정 업데이트 프로세스를 이용하여, 상기 임시 추정치, 상기 개방 전압 정보 및 상기 배터리 정보를 기초로, 상기 현 주기의 충전 상태를 나타내는 확정 추정치를 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개방 전압 정보는, 제1 개방 전압 팩터값을 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 임시 추정치가 기준 범위 밖인 경우, 소정의 제1 기울기 조절값을 상기 제1 개방 전압 팩터값으로 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 임시 추정치가 상기 기준 범위 내인 경우, 상기 제1 기울기 조절값보다 작은 소정의 제2 기울기 조절값을 상기 제1 개방 전압 팩터값으로 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리의 최대 용량을 기초로, 상기 기준 범위의 최대값을 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리의 설계 용량과 상기 최대 용량 간의 차이가 증가할수록, 상기 기준 범위의 최대값을 증가시키도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 개방 전압 정보는, 제2 개방 전압 팩터값을 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 임시 추정치가 기준 범위 밖인 경우, 상기 배터리의 충전 상태와 개방 전압 간의 대응 관계가 규정된 데이터 테이블로부터, 상기 임시 추정치에 대응하는 제1 개방 전압을 상기 제2 개방 전압 팩터값으로 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 임시 추정치가 상기 기준 범위 내인 경우, 상기 기준 범위의 최대값에 대응하는 제2 개방 전압을 상기 제2 개방 전압 팩터값으로 결정하도록 구성되되,
    상기 기준 범위의 최대값은 소정의 기준값 이상인 배터리 관리 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 따른 상기 배터리 팩을 포함하는 전기 차량.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 시스템에 의해 실행 가능한 배터리 관리 방법에 있어서,
    상기 배터리의 전류, 전압 및 온도를 나타내는 배터리 정보를 수집하는 단계;
    상기 확장 칼만 필터의 시간 업데이트 프로세스를 이용하여, 이전 주기의 충전 상태를 나타내는 이전 추정치 및 상기 배터리 정보를 기초로, 현 주기의 충전 상태에 대한 임시 추정치를 결정하는 단계;
    상기 임시 추정치를 기초로, 개방 전압 정보를 결정하는 단계; 및
    상기 확장 칼만 필터의 측정 업데이트 프로세스를 이용하여, 상기 임시 추정치, 상기 개방 전압 정보 및 상기 배터리 정보를 기초로, 상기 현 주기의 충전 상태를 나타내는 확정 추정치를 결정하는 단계를 포함하는 배터리 관리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 개방 전압 정보를 결정하는 단계는,
    상기 임시 추정치가 기준 범위 밖인 경우, 소정의 제1 기울기 조절값을 제1 개방 전압 팩터값으로 결정하는 단계; 및
    상기 임시 추정치가 상기 기준 범위 내인 경우, 상기 제1 기울기 조절값보다 작은 소정의 제2 기울기 조절값을 상기 제1 개방 전압 팩터값으로 결정하는 단계를 포함하되,
    상기 개방 전압 정보는, 상기 제1 개방 전압 팩터값을 포함하는 배터리 관리 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 개방 전압 정보를 결정하는 단계는,
    상기 임시 추정치가 기준 범위 밖인 경우, 상기 배터리의 충전 상태와 개방 전압 간의 대응 관계가 규정된 데이터 테이블로부터, 상기 임시 추정치에 대응하는 개방 전압을 제2 개방 전압 팩터값으로 결정하는 단계; 및
    상기 임시 추정치가 상기 기준 범위 내인 경우, 상기 기준 범위에 연관된 임계 전압을 상기 제2 개방 전압 팩터값으로 결정하는 단계를 포함하되,
    상기 개방 전압 정보는, 상기 제2 개방 전압 팩터값을 포함하는 배터리 관리 방법.
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