KR101211789B1

KR101211789B1 - 배터리 셀의 열화 보정 방법

Info

Publication number: KR101211789B1
Application number: KR1020060036721A
Authority: KR
Inventors: 양종운
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2012-12-12
Also published as: KR20070105014A

Abstract

본 발명은 배터리 셀의 열화 보정 방법에 관한 것으로서, 해결하고자 하는 기술적 과제는 충방전 사이클 횟수의 증가(배터리 셀의 열화 진행)에 따라 보정 전압 포인트를 감소시킴으로써, 배터리 셀의 잔존 용량을 정확히 계산하는데 있다.

이를 위해 본 발명에 의한 해결 방법의 요지는 배터리 셀을 만충전 상태에서 만방전 상태(또는 만방전 근처)까지 방전시키는 경우, 미리 정해진 보정 전압 포인트까지 방전 전류를 적산하여 소정 방전량을 계산하고, 상기 보정 전압 포인트에서의 잔존 용량 비율(%)에 전회의 만충전 용량을 곱하여 얻은 값을 상기 적산된 방전량에 합산하여 새로운 만충전 용량을 계산하는 방법에 있어서, 상기 보정 전압 포인트는 배터리 셀의 충방전 사이클 횟수가 증가함에 따라 소정 수식에 의해 점차 작은 값을 갖도록 설정하는 배터리 셀의 열화 보정 방법이 개시된다.

배터리 셀, 만충전 용량(FCC), 잔존 용량, 사이클, 열화

Description

배터리 셀의 열화 보정 방법{Degradation correction method of battery cell}

도 1은 배터리 셀의 만충전 용량(Full Charge Capacity, "FCC")을 업데이트하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다..

도 2는 배터리 셀의 충방전 사이클 횟수 증가에 따라 배터리 셀이 열화됨으로써 만충전 용량이 감소되는 상태를 설명하기 위한 그래프이다.

도 3은 배터리 셀의 보정 전압 포인트(End of Discharge of Voltage, "EDV") 가 열화 특성에 맞지 않아 상대 충전 용량(Relative State of Charge, "RSOC")이 점프(jump) 또는 유지(keep)되는 현상을 설명하기 위한 그래프이다.

도 4는 본 발명에 의한 배터리 셀의 열화 보정 방법이 적용될 수 있는 제어부 및 그 주변 구성의 일례를 도시한 블록도이다.

도 5는 본 발명에 의한 배터리 셀의 열화 보정 방법을 개략적으로 설명하기 위한 그래프이다.

도 6은 본 발명에 의한 배터리 셀의 열화 보정 방법중 100%에서 0%까지 방전시켰을 경우 보정 방법을 설명하기 위한 그래프이다.

도 7은 본 발명에 의한 방법으로 제어부의 펌 웨어(firm ware)를 개선한 후 상대 충전 용량의 변화를 도시한 그래프이다.

도 8은 본 발명에 의한 배터리 셀의 열화 보정 방법중 100%에서 8% 또는 3%까지 방전시켰을 경우 보정 방법을 설명하기 위한 그래프이다.

도 9는 본 발명에 의한 방법으로 제어부의 펌 웨어를 개선한 후 상대 충전 용량의 변화를 도시한 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

110; 배터리 셀 120; 전류 센서

130; 전압 센서 140; 제어부

141; 제1AD 컨버터 142; 전류 적산부

143; 제2A-D 컨버터 144; 보정 전압 포인트 검출부

145; 잔존 용량 계산부 146; 메모리

147 통신 처리부 148; 타이머

150; 외부 시스템

본 발명은 배터리 셀의 열화 보정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세히는 충방전 사이클 횟수의 증가에 따라 셀이 열화되어도 잔존 용량을 정확히 계산할 수 있는 배터리 셀의 열화 보정 방법에 관한 것이다.

일반적으로 배터리 셀은 충방전 사이클 횟수가 증가함에 따라 극판에서 피막이 형성되거나, 활물질의 내부 저항이 증가함으로써 열화되고, 이에 따라 만충전 용량이 점차 감소하는 것으로 알려져 있다. 배터리 셀의 잔존 용량을 만충전 용량에 대한 상대치로서 예를 들어 %로 표시하는 경우, 만충전 용량(FCC)을 정확하게 보정하는 것이 매우 중요하다. 일례로, 완전하게 방전한 배터리 셀을 만충전할 때까지의 충전 용량을 적산해 만충전 용량을 연산하거나, 또는 만충전한 배터리 셀을 완전하게 방전할 때까지의 방전 용량을 적산해 만충전 용량을 연산한 후, 이러한 연산된 만충전 용량으로 전회의 만충전 용량을 보정할 수 있다.

도 1을 참조하면, 배터리 셀의 만충전 용량(Full Charge Capacity, "FCC")을 업데이트하는 방법이 간단히 도시되어 있다.

상기 그래프에서 X축은 충방전 시간이고, Y축은 상대 충전 용량(Relative State Of Charge, "RSOC")을 의미한다. 또한, 상기 그래프에서 RC는 Remain Capacity의 약자로서 잔존 용량을 의미하고, DCR은 Discharge Counter Register의 약자로서 이는 방전량을 의미하며, EDV는 End of Discharge Voltage로서 보정 전압 포인트를 의미한다.

도시된 바와 같이 만충전시에는 잔존 용량과 만충전 용량이 같고, 또한 업데이트된 새로운 만충전 용량(FCC_new)은 방전시의 방전량(DCR)과 EDV1(%)*FCC_old의 합이 된다.

이를 수학식으로 표현하면 아래와 같다.

FCC_new = DCR + EDV1(%) * FCC_old

도 2를 참조하면, 어느 배터리 셀의 충방전 사이클 횟수 증가에 따라 그것이 열화됨으로써 만충전 용량이 감소되는 상태가 그래프로서 도시되어 있다.

상기 그래프에서 X축은 배터리 셀의 만충전 용량이고, Y축은 배터리 셀의 전압이다. 도시된 바와 같이 배터리 셀의 충방전 사이클 횟수가 증가함에 따라, 그것의 만충전 용량은 점차 감소한다. 예를 들어, 첫번째 사이클에서는 만충전 용량이 대략 2600mAh이지만, 삼백번째 사이클에서는 만충전 용량이 대략 2100mAh까지 감소한다. 더불어, 배터리 셀의 충방전 사이클 횟수가 증가함에 따라 방전 전압도 점차 빠르게 감소함을 볼 수 있다.

그런데, 상술한 바와 같이 만충전 용량의 업데이트시 기준이 되는 8% 전압(보정 전압 포인트가 3.35V로 고정된 경우이며, 8%란 만충전 용량 대비 잔존 용량의 비율을 의미함)은 1사이클에서 대략 2400mA의 잔존 용량 부근에서 결정되지만, 300 사이클에서는 대략 1400mA의 잔존 용량에서 결정된다. 즉, 1사이클에서는 대략 200mA의 실제 잔존 용량(8%)이 남은 시점에서 만충전 용량이 업데이트되지만, 300 사이클에서는 대략 700mA의 실제 잔존 용량(44%)이 남은 시점에서 만충전 용량이 업데이트된다. 따라서 사용자는 300 사이클의 배터리 셀에서 잔존 용량이 현저히 줄었다고 느낀다.

그러나, 여기서 실제로 300 사이클에서의 배터리 셀에 대한 8% 전압은 그래프에 기재된 바와 같이 배터리 셀 전압이 대략 3.15V 일 때이고, 이때를 보정 전압 포인트로 설정하여 만충전 용량을 업데이트하여야 한다. 그러나, 아직까지 이와 같이 자동적으로 배터리 충방전 사이클 횟수 또는 셀 열화도에 따라 보정 전압 포인트를 낮추는 방법은 개발되지 않고 있다. 다르게 말하면, 아직까지 배터리의 충방 전 사이클 횟수 즉, 셀 열화도에 따라 소정 함수 또는 소정 수학식에 의해 보정 전압 포인트를 낮추는 방법은 알려져 있지 않다.

아래의 표 1은 실제의 만충전 용량과, 종래 방법에 의해 계산된 스마트 만충전 용량을 비교한 것이다. 여기서, 아래의 ASOC는 Absolute State of charge의 약자로서, 실제 충전 용량을 의미한다.

[표 1]

위의 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이 충방전 사이클 횟수가 증가함에 따라, 실제의 만충전 용량과 종래 방법에 의해 계산된 만충전 용량의 차이는 더욱 커지게 된다. 따라서 이러한 종래 계산 방법으로 만충전 용량을 계산하는 배터리 셀을 외부 시스템(예를 들면, 노트북)에 장착하여 사용하는 사용자는, 배터리 셀의 충방전 사이클 횟수가 증가함에 따라 배터리 셀의 만충전 용량이 실제 용량보다 훨씬 작다고 느끼게 된다. 물론, 사용자가 외부 시스템으로터 방전 경고 신호를 받은 경우에도 외부 시스템을 오프시키지 않고 계속 사용하게 되면 실제의 만충전 용량까지 모두 소비할 수 있게 되지만, 사용자 입장에서는 외부 시스템의 사용이 불안할 수 밖에 없으며, 이에 따라 더욱 더 정확한 만충전 용량을 알고 싶어 한다.

한편, 도 3을 참조하면 배터리 팩의 보정 전압 포인트(EDV)가 셀의 열화 특 성에 맞지 않아 RSOC(Relative State of Charge)의 특성 곡선에서 점프(jump) 또는 유지(keep) 현상이 발생된 그래프가 도시되어 있다.

도 3은 배터리 셀의 방전 종지 전압(End of Discharge of Voltage, "EDV") 포인트가 열화 특성에 맞지 않아 상대 충전 용량(Relative State of Charge,"RSOC")에서 점프(jump) 또는 유지(keep) 현상이 발생됨을 설명하기 위한 그래프이다.

여기서, X축은 방전 시간(Time)을 의미하고, Y축은 상대 충전 용량(RSOC)을 의미한다. 도시된 바와 같이 보정 전압 포인트가 배터리 셀의 열화 특성에 맞지 않기 때문에, 일례로 만충전 용량의 업데이트 시점인 8%보정 전압 포인트[EDV2(8%)] 이하에서 점프 현상이 발생할 수 있고, 3%보정 전압 포인트[EDV1(3%)]에서는 소정 시간 유지 현상이 발생할 수 있으며, 0%보정 전압 포인트[EDV0(0%)]에서도 소정 시간 유지 현상이 발생할 수 있다. 즉, 이러한 그래프의 의미는 사용자가 외부 시스템을 사용할 때, 어느 시점에서 갑자기 만방전 충전 용량 대비 잔존 용량이 갑자기 낮은 수치로 떨어지거나, 또는 잔존 용량이 소정 시간이 지나도 변하지 않고 소정 시간을 계속 유지함을 의미한다. 따라서 사용자는 외부 시스템의 사용중 배터리 셀의 부정확한 잔존 용량 표시로 심하게 불안할 수 밖에 없다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 충방전 사이클 횟수의 증가에 따라 셀이 열화되어도 잔존 용량을 정확히 계산할 수 있는 배터리 셀의 열화 보정 방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 배터리 셀을 만충전 상태에서 만방전 상태까지 방전시키는 경우, 미리 정해진 보정 전압 포인트까지 방전 전류를 적산하여 방전량을 계산하고, 상기 보정 전압 포인트에서의 잔존 용량 비율(%)에 전회의 만충전 용량을 곱하여 얻은 값을 상기 적산된 방전량에 합산하여 새로운 만충전 용량을 계산하는 방법에 있어서, 상기 보정 전압 포인트는 배터리 셀의 충방전 사이클 횟수가 증가함에 따라 점차 작은 값을 갖도록 설정한다.

여기서, 상기 충방전 사이클 횟수는 방전 전류를 적산하여 얻은 방전량이 만충전 용량의 90~100%에 이를 경우마다 1씩 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 보정 전압 포인트는 배터리 셀의 잔존 용량이 만충정 용량 대비 10% 이하인 동시에 적어도 3 포인트에서 정해질 수 있다.

또한, 상기 보정 전압 포인트는 잔존 용량이 만충전 용량 대비 8%, 3% 및 0%에서 감지된 전압일 수 있다.

또한, 상기 잔존 용량 8%의 보정 전압 포인트는 아래 수학식에 의해 계산될 수 있다.

8% 보정 전압 포인트 = 메모리에 미리 테이블화 되어 저장된 사이클 횟수에 따른 8% 포인트 전압 + (8% 열화 보정치 * 전류 / 병렬 배터리 셀의 개수 / 해상도)
여기서, 해상도는 상기 열화 보정 방법이 수행되는 제어부의 고유 처리 단위

또한, 상기 8% 열화 보정치는 아래 수학식 1을 만족할 경우, 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.

수학식 1

(FCC0-FCC8)/FCC8 〉3%

수학식 2

8% 열화 보정치 = 전회의 8% 열화 보정치 - (FCC0-FCC8)/FCC8 * 실험상수

여기서, FCC0는 0% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이고, FCC8은 8% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치

수학식 1

(FCC0-FCC8)/FCC8 〈 -2%

수학식 2

8% 열화 보정치 = 전회의 8% 열화 보정치 + (FCC0-FCC8)/FCC8 * 실험상수

또한, 상기 3% 열화 보정치는 아래 수학식 1을 만족할 경우, 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.

수학식 1

(FCC0-FCC3)/FCC3 〉3%

수학식 2

3% 열화 보정치 = 전회의 3% 열화 보정치 - (FCC0-FCC3)/FCC3 * 실험상수

여기서, FCC0는 0% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이고, FCC3은 3% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치

수학식 1

(FCC0-FCC3)/FCC3 〈 -2%

수학식 2

3% 열화 보정치 = 전회의 3% 열화 보정치 + (FCC0-FCC3)/FCC3 * 실험상수

더불어, 본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해 배터리 셀을 만충전 상태에서 만방전 상태 이전까지 방전시키는 경우, 미리 정해진 보정 전압 포인트까지 방전 전류를 적산하여 방전량을 계산하는 단계와, 상기 보정 전압 포인트에서의 잔존 용량 비율(%)에 기존의 만충전 용량을 곱하여 얻은 값을 상기 적산된 방전량에 합산하여 새로운 만충전 용량을 계산하는 방법에 있어서, 상기 보정 전압 포인트는 배터리 셀의 충방전 사이클 횟수가 증가함에 따라 점차 작아지도록 설정할 수 있다.

또한, 상기 보정 전압 포인트는 배터리 셀의 잔존 용량이 10% 이하인 동시에 적어도 1 포인트에서 정해질 수 있다.

또한, 상기 보정 전압 포인트는 만충전 용량 대비 잔존 용량이 8% 또는 3%에서 감지된 전압일 수 있다.

8% 보정 전압 포인트 = 메모리에 미리 테이블화 되어 저장된 사이클 횟수에 따른 8% 보정 전압 포인트 + (8% 열화 보정치 * 전류 / 병렬 배터리 셀의 개수 / 해상도)
여기서, 해상도는 상기 열화 보정 방법이 수행되는 제어부의 고유 처리 단위이다.

수학식 1

(FCC0-FCC8)/FCC0 〉5%

수학식 2

8% 열화 보정치 = (전회의 8% 열화 보정치 + 열화 예측 테이블)/2

여기서, FCC0는 0% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이고, FCC8은 8% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이며, 열화 예측 테이블은 메모리에 미리 저장된 열화도에 따른 보정치

또한, 상기 잔존 용량 3%의 보정 전압 포인트는 아래 수학식에 의해 계산될 수 있다.

3% 보정 전압 포인트 = 메모리에 미리 테이블화 되어 저장된 사이클 횟수에 따른 8% 보정 전압 포인트 + (3% 열화 보정치 * 전류 / 병렬 배터리 셀의 개수 / 해상도)
여기서, 해상도는 상기 열화 보정 방법이 수행되는 제어부의 고유 처리 단위이다.

수학식 1

(FCC0-FCC3)/FCC0 〉5%

수학식 2

3% 열화 보정치 = (3% 열화 보정치 + 열화 예측 테이블)/2

여기서, FCC0는 0% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이고, FCC3은 3% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이며, 열화 예측 테이블은 메모리에 미리 저장된 열화도에 따른 보정치

상기와 같이 하여 본 발명에 의한 배터리 셀의 열화 보정 방법은 배터리 셀의 사이클 횟수가 증가함에 따라 보정 전압 포인트를 점차 낮춰 줌으로써, 정확한 만충전 용량 계산이 가능해지도록 한다.

또한, 본 발명은 만충전 용량 계산이 어느 하나의 보정 전압 포인트에서만 이루어지는 것이 아니라 적어도 3개의 포인트에서 이루어짐으로써, 보다 정확한 만충전 용량이 계산된다.

더불어, 본 발명은 배터리 셀이 완전 방전이 아닌 방전 전압 근처까지 방전 되었다가 재충전 또는 사용 정지된다고 해도, 소정 전압에서의 보정치와 메모리에 미리 저장된 보정치의 평균치를 이용하여 열화 보정치를 제공함으로써, 비교적 정확한 만충전 용량이 계산된다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 의한 배터리 셀의 열화 보정 방법이 적용될 수 있는 제어부 및 그 주변 구성의 일례를 도시한 블록도이다. 상기 제어부는 실제로 마이크로 컴퓨터 또는 퓨엘 게이지(Fuel Guage) IC일 수 있으나, 이러한 종류로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

도시된 바와 같이 전체 구성은 충방전 가능한 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 전류를 센싱하는 전류 센서와, 상기 배터리 셀의 전압을 센싱하는 전압 센서와, 상기 전류 센서 및 전압 센서로부터 얻은 값을 기초로 만충전 용량 및 잔존 용량을 계산하는 제어부와, 상기 제어부에 SMBus 등을 통하여 연결됨으로써 만충전 용량 및 잔존 용량 등의 정보가 제공되는 외부 시스템을 포함한다.

상기 배터리 셀은 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-카드뮴 전지 등의 모든 충방전 가능한 전지가 가능하다. 물론, 이러한 배터리 셀은 다수개가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 상태일 수 있다.

상기 전류 센서는 상기 배터리 셀의 충방전 라인에 직렬 연결된 센서 저항일 수 있으며, 이는 상기 센서 저항에 인가되는 전압을 전류로 변환하여 출력한다. 따라서, 제어부는 배터리 셀의 전압 정보를 이용하여 전류 정보를 얻게 된다.

상기 전압 센서는 상기 배터리 셀에 병렬로 연결됨으로써, 상기 배터리 셀의 전압 정보를 출력한다.

상기 제어부는 도시된 바와 같이 아날로그 전류값을 디지털 전류값으로 변환하는 제1A-D 컨버터와, 상기 제1A-D 컨버터로부터 얻은 전류를 적산하는 전류 적산부와, 상기 아날로그 전압값을 디지털 전압값으로 변환하는 제2A-D 컨버터와, 상기 제2A-D 컨버터로부터 얻은 값을 기초로 하여 보정 전압 포인트를 검출하는 보정 전압 포인트 검출부와, 상기 전류 적산부로부터 얻은 값을 기초로 방전량을 계산하는 동시에 상기 보정 전압 포인트 검출부로부터 얻은 값을 기초로 잔존 용량을 계산하는 잔존 용량 계산부와, 상기 잔존 용량 계산부의 동작시 소정 데이터가 테이블 형태로 미리 저장되어 상기 잔존 용량 계산부의 요구시 이를 제공하는 메모리와, 상기 잔존 용량 계산부에 의한 결과를 외부 시스템으로 SMBus 등을 통하여 제공하는 통신 처리부 등을 포함한다. 여기서, 상기 제1A-D 컨버터와 제2A-D 컨버터 사이에는 타이머가 연결되어 있어서, 상기 제1A-D 컨버터 및 제2A-D 컨버터는 소정 시간당 전류 신호 및 전압 신호를 샘플링하여 출력할 수 있도록 되어 있다.

상기 외부 시스템은 충전기를 구비한 전자 기기일 수 있다. 예를 들어 상기 외부 시스템은 충전기를 포함하는 노트북일 수 있다. 따라서, 상기 외부 시스템은 상기 배터리 셀을 소정 전압 및 전류로 충전할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 배터리 셀의 전원에 의해 구동될 수도 있다. 물론, 상기 외부 시스템은 상기 제어부의 통 신 처리부와 연결됨으로써, 상기 제어부로부터 만충전 용량 및 잔존 용량 정보를 얻을 수 있게 되어 있다. 주지된 바와 같이 예를 들어 노트북의 경우 전원관리프로그램이 구비되어 있어서, 상기 배터리 셀의 만충전 용량 대비 잔존 용량 정보를 항상 표시할 수 있도록 되어 있으며, 일례로 배터리 셀의 잔존 용량이 대략 10% 미만일 경우 방전 경고 신호를 출력하고, 또한 배터리 셀의 잔존 용량이 3% 미만일 경우 현재 작업중인 데이터를 자동으로 저장한 후 셧다운되기도 한다. 물론, 이러한 동작은 사용자에 의해 임의의 값으로 변경될 수 있다.

상기 그래프에서 X축은 배터리 셀의 방전 시간(min)이고, Y축은 배터리 셀의 전압(mV)이다. 도시된 바와 같이 예를 들어 배터리 셀의 충방전 사이클 1회째에는 8% 보정 전압 포인트(만충전 용량 대비 잔존 용량이 8%일때의 전압)가 대략 10.2V로 나타난다. 그런데, 배터리 셀의 충방전 사이클 100회째에도 상기 보정 전압 포인트를 그대로 고정시켜 놓으면, 실제로 108분 정도 방전할 수 있음에도 불구하고 대략 90분 정도에 8%의 잔존 용량으로 계산된다. 즉, 실제의 잔존 용량과 계산된 잔존 용량 사이에 오차가 발생한다. 이러한 오차는 충방전 사이클 횟수가 증가함에 따라 더욱 커진다. 따라서, 본 발명은 상기와 같이 충방전 사이클 횟수가 증가하면 보정 전압 포인트도 함께 감소시킴으로써, 더욱 정확한 잔존 용량 계산되도록 함을 주요 아이디어로 한다.

도 6은 본 발명에 의한 배터리 셀의 열화 보정 방법중 100%에서 0%까지 방전 시켰을 경우 보정 방법을 설명하기 위한 그래프이다.

그래프에서 X축은 배터리 셀의 방전 시간을 도시한 것이고, Y축은 배터리 셀의 상대 잔존 용량을 도시한 것이다. 또한, 그래프에서 FCC8은 8% 보정점에서의 용량 학습치이고, FCC3은 3% 보정점에서의 용량 학습치이며, FCC0은 0% 보정점에서의 용량 학습치이다. 기본적으로 본 발명은 방전 전압 보정이 적절한 경우 FCC8=FCC3=FCC0이 되도록 한다. 이를 위해 본 발명은 8%점 열화 보정, 3% 열화 보정의 가변 파라메터를 만든다. 즉, FCC8=FCC3=FCC0이 될 수 있도록, 이들 파라메터를 변화시킨다.

상기와 같이 파라메터를 조정하는 방식을 설명한다.

물론, 종래와 같이 본 발명은 배터리 셀을 만충전 상태에서 만방전 상태까지 방전시키는 경우, 미리 정해진 보정 전압 포인트까지 방전 전류를 적산하여 방전량을 계산하고, 상기 보정 전압 포인트에서의 잔존 용량 비율(%)에 전회의 만충전 용량을 곱하여 얻은 값을 상기 적산된 방전량에 합산하여 새로운 만충전 용량을 계산한다.

여기서, 상기 보정 전압 포인트는 도 4에 도시된 바와 같이 보정 전압 포인트 검출부가 감지하여 잔존 용량 계산부에 알려주고, 또한 방전량의 계산은 전류 적산부가 계산하여 잔존 용량 계산부에 알려준다.

한편, 상기 보정 전압 포인트는 배터리 셀의 충방전 사이클 횟수가 증가함에 따라 점차 작은 값을 갖도록 설정한다. 일례로, 상기 충방전 사이클 횟수는 전류 적산부가 방전 전류를 적산하여 얻은 방전량이 만충전 용량의 90~100%에 이를 경우마다, 잔존 용량 계산부가 1씩 증가시킴은 이미 설명한바 있다. 또한, 상기 잔존 용량 계산부는 상기 보정 전압 포인트가 배터리 셀의 잔존 용량이 만충전 용량 대비 10% 이하인 동시에 적어도 3 포인트에서 정해지도록 한다. 일례로, 상기 보정 전압 포인트는 잔존 용량이 만충전 용량 대비 8%, 3% 및 0%에서 감지된 전압일 수 있다.

상기 잔존 용량 8%의 보정 전압 포인트는 아래 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.

[수학식 1]

8% 보정 전압 포인트 = 메모리에 미리 테이블화 되어 저장된 사이클 횟수에 따른 8% 포인트 전압 + (8% 열화 보정치 * 전류 / 병렬 배터리 셀의 개수 / 해상도)
여기서, 해상도는 상기 열화 보정 방법이 수행되는 제어부의 고유 처리 단위이다.

여기서, 상기 8% 열화 보정치는 아래 수학식 2를 만족할 경우, 수학식 3에 의해 계산될 수 있다.

[수학식 2]

(FCC0-FCC8)/FCC8 〉3%

[수학식 3]

여기서, FCC0는 0% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이고, FCC8은 8% 보 정 전압 포인트에서의 용량 학습치이다. 또한, 상기 실험 상수는 일례로 100*1.5일 수 있으나, 이로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

즉, 본 발명은 FCC0에 비해 FCC8이 현저히 작으면 보정 전압 포인트가 너무 높게 설정된 것으로 판단하여, 상기 보정 전압 포인트를 강제로 낮추게 된다.

한편, 상기 8% 열화 보정치는 아래 수학식 4를 만족할 경우, 수학식 5에 의해 계산될 수 있다.

[수학식 4]

(FCC0-FCC8)/FCC8 〈 -2%

[수학식 5]

여기서, FCC0는 0% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이고, FCC8은 8% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이다. 또한, 상기 실험 상수는 일례로 100*0.6일 수 있으나, 이로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

즉, 본 발명은 FCC8에 비해 FCC0가 현저히 작으면 보정 전압 포인트가 너무 낮게 설정된 것으로 판단하여, 상기 보정 전압 포인트를 강제로 올려주게 된다.

물론, 상기 (FCC0-FCC8)/FCC8의 값이 -2%~3% 이내일 경우에는 잔존 용량 계산에 있어서 오차 범위가 크지 않은 것으로 판단하여 위와 같은 수학식을 이용한 보정을 행하지 않게 된다.

계속해서, 상기 3% 열화 보정치는 아래 수학식 6을 만족할 경우, 수학식 7에 의해 계산될 수 있다.

[수학식 6]

(FCC0-FCC3)/FCC3 〉3%

[수학식 7]

여기서, FCC0는 0% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이고, FCC3은 3% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이다. 또한, 상기 실험 상수는 일례로 100*1.5일 수 있다.

즉, 본 발명은 FCC0에 비해 FCC3이 현저히 작으면 보정 전압 포인트가 너무 높게 설정된 것으로 판단하여, 상기 보정 전압 포인트를 강제로 낮추게 된다.

또한, 상기 3% 열화 보정치는 아래 수학식 8을 만족할 경우, 수학식 9에 의해 계산될 수 있다.

[수학식 8]

(FCC0-FCC3)/FCC3 〈 -2%

[수학식 9]

여기서, FCC0는 0% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이고, FCC3은 3% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이다. 또한, 상기 실험 상수는 일례로 100*0.6일 수 있다.

즉, 본 발명은 FCC3에 비해 FCC0가 현저히 작으면 보정 전압 포인트가 너무 낮게 설정된 것으로 판단하여, 상기 보정 전압 포인트를 강제로 올려주게 된다.

물론, 상기 (FCC0-FCC3)/FCC3의 값이 -2%~3% 이내일 경우에는 잔존 용량 계산에 있어서 오차 범위가 크지 않은 것으로 판단하여 위와 같은 수학식을 이용한 보정을 행하지 않게 된다.

도면에서 X축은 배터리 셀의 용량(mAh)을 나타낸 것이고, Y축은 상대 만충전 용량(RSOC)을 나타낸 것이다. 또한, 상기 배터리 셀은 300 사이클의 충방전을 완료한 배터리 셀에 본 발명을 적용한 것이다.

도시된 바와 같이 본 발명을 적용한 후 처음 1~3 사이클 동안은 배터리 셀이 거의 10% 정도의 잔존 용량 표시 상태에서 점프 현상이 발생함을 관찰할 수 있었다. 그러나, 3 사이클 이후부터는 상대 만충전 용량에서 점프 현상이 관찰되지 않고 있으며, 올바른 상대 만충전 용량을 표시하고 있다.

도 8은 본 발명에 의한 배터리 셀의 열화 보정 방법중 100%에서 8% 또는 3%까지 방전 시켰을 경우 보정 방법을 설명하기 위한 그래프이다. 실제로 외부 시스템의 사용자들은 배터리 셀을 0%까지 만방전시키는 경우가 드물다. 즉, 사용자들은 배터리 셀의 완전 방전되기 전에 배터리 셀을 재충전시키는 경향이 있다. 이와 같이 사용자가 배터리 셀을 잔존 용량 0%가 아닌 대략 8% 또는 3%까지 방전시키는 경 우에 있어서의 배터리 셀 열화 보정 방법을 설명한다.

배터리 셀을 만충전 상태에서 만방전 상태 근처까지 방전시키는 경우, 미리 정해진 보정 전압 포인트까지 방전 전류를 적산하여 방전량을 계산하는 단계와, 상기 보정 전압 포인트에서의 잔존 용량 비율(%)에 기존의 만충전 용량을 곱하여 얻은 값을 상기 적산된 방전량에 합산하여 새로운 만충전 용량을 계산하는 방법에 있어서, 본 발명은 상기 보정 전압 포인트를 배터리 셀의 충방전 사이클 횟수가 증가함에 따라 점차 작아지도록 설정한다. 이러한 발명의 사상은 앞에서 설명한바와 같다.

상술한 바와 같이, 상기 충방전 사이클 횟수는 방전 전류를 적산하여 얻은 방전량이 만충전 용량의 90~100%에 이를 경우마다 1씩 증가시킨다. 또한, 상기 보정 전압 포인트는 배터리 셀의 잔존 용량이 10% 이하인 동시에 적어도 1 포인트에서 정해질 수 있다.

한편, 상기 보정 전압 포인트는 만충전 용량 대비 잔존 용량이 8% 또는 3%에서 감지된 전압일 수 있다.

여기서, 상기 보정 전압 포인트는 실제로 배터리 셀이 잔존 용량 0%까지 방전되지 않기 때문에, 정확한 만충전 용량을 확인하기 어렵고 따라서 배터리 셀의 충방전 사이클 횟수 등에 따라 미리 실험 및 이론적으로 계산되어 메모리에 저장된 테이블을 이용한다. 즉, 상기 보정 전압 포인트는 상기 8% 또는 3%에서의 계산된 값과 상기 테이블에 미리 저장된 값을 평균하여 산출한다.

먼저, 상기 잔존 용량 8%의 보정 전압 포인트는 아래 수학식 10에 의해 계산 될 수 있다.

[수학식 10]

여기서, 상기 8% 열화 보정치는 아래 수학식 11을 만족할 경우, 수학식 12에 의해 계산될 수 있다.

[수학식 11]

(FCC0-FCC8)/FCC0 〉5%

[수학식 12]

여기서, FCC0는 0% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이고, FCC8은 8% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이며, 열화 예측 테이블은 메모리에 미리 저장된 열화도에 따른 보정치이다.

상기 열화 예측 테이블의 일례를 아래 표에 나타내었다.

열화도(FCC8/Design Capacity)	8% 열화 보정치	3% 열화 보정치
100%	128	128
95%	120	120
90%	108	108
80%	88	88
70%	80	80
50%	80	80

상기 수학식 12 및 위의 열화 예측 테이블을 이용하여 8% 열화 보정치의 일례를 계산하면 다음과 같다. FCC0가 Design Capacity일 때, 8% 열화 보정치가 128 이고, FCC8/DC가 90%이면, 아래와 같이 8% 열화 보정치를 계산할 수 있다.

8% 열화 보정치 = (128+108)/2 = 118

물론, 상기 (FCC0-FCC8)/FCC0의 값이 5% 이하일 경우에는 잔존 용량 계산에 있어서 오차 범위가 크지 않은 것으로 판단하여 위와 같은 수학식을 이용한 보정을 행하지 않게 된다.

또한, 상기 잔존 용량 3%의 보정 전압 포인트는 아래 수학식 13에 의해 계산될 수 있다.

[수학식 13]

여기서, 마찬가지로 상기 3% 열화 보정치는 아래 수학식 14를 만족할 경우, 수학식 15에 의해 계산될 수 있다.

[수학식 14]

(FCC0-FCC3)/FCC0 〉5%

[수학식 15]

3% 열화 보정치 = (3% 열화 보정치 + 열화 예측 테이블)/2

여기서, FCC0는 0% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이고, FCC3은 3% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이며, 열화 예측 테이블은 메모리에 미리 저장된 열화도에 따른 보정치이다.

물론, 상기 (FCC0-FCC3)/FCC0의 값이 5% 이하일 경우에는 잔존 용량 계산에 있어서 오차 범위가 크지 않은 것으로 판단하여 위와 같은 수학식을 이용한 보정을 행하지 않게 된다.

도면에서 X축은 배터리 셀의 용량을 나타낸 것이고, Y축은 상대 만충전 용량(RSOC)을 나타낸 것이다. 또한, 상기 배터리 셀은 300 사이클의 충방전을 완료한 배터리 셀에 본 발명이 적용된 것이다.

도시된 바와 같이 본 발명을 적용한 후 충방전 사이클 횟수가 대략 8회 이상 되면 상대 만충전 용량의 점프 현상이 점차 감소함을 볼 수 있다. 즉, 도시된 바와 같이 충방전 사이클 횟수가 대략 8회 이상이 되면 거의 직선 형태로 상대 만충전 용량이 표시됨을 볼 수 있다. 따라서, 본 발명이 적용된 배터리 셀 또는 배터리 팩은 충방전 사이클 횟수 즉, 열화도에 관계없이 거의 한 잔존 용량 정보를 얻게 되고, 따라서 외부 시스템의 전원 관리를 최적화할 수 있게 된다.

여기서, 사이클 횟수가 증가하여도, 대략 1000mAh 범위에서 RSOC 직선이 지저분하게 표시되는 이유는 배터리 셀이 0%까지 만방전되지 않기 때문이다. 그렇치만, 상기 만방전 용량 근처점까지 직선 형태의 RSOC를 얻을 수 있는데 본 발명의 의의가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 셀의 열화 보정 방법은 배터리 셀의 사이클 횟수가 증가함에 따라 보정 전압 포인트를 점차 낮춰 줌으로써, 정확한 만충전 용량 계산이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 만충전 용량 계산이 어느 하나의 보정 전압 포인트에서만 이루어지는 것이 아니라 적어도 3개의 포인트에서 이루어짐으로써, 보다 정확한 만충전 용량을 계산할 수 있는 효과가 있다.

더불어, 본 발명은 배터리 셀이 완전 방전이 아닌 소정 전압까지 방전되었다가 재충전 또는 사용 정지된다고 해도, 소정 전압에서의 보정치와 메모리에 미리 저장된 보정치의 평균치를 이용하여 열화 보정치를 제공함으로써, 비교적 정확한 만충전 용량을 계산할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 배터리 셀의 열화 보정 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims

배터리 셀을 만충전 상태에서 만방전 상태까지 방전시키는 경우, 미리 정해진 보정 전압 포인트까지 방전 전류를 적산하여 방전량을 계산하고, 상기 보정 전압 포인트에서의 잔존 용량 비율(%)에 전회의 만충전 용량을 곱하여 얻은 값을 상기 적산된 방전량에 합산하여 새로운 만충전 용량을 계산하는 방법에 있어서,

상기 보정 전압 포인트는 배터리 셀의 충방전 사이클 횟수가 증가함에 따라 점차 작은 값을 갖도록 설정함을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 충방전 사이클 횟수는 방전 전류를 적산하여 얻은 방전량이 만충전 용량의 90~100%에 이를 경우마다 1씩 증가시킴을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 보정 전압 포인트는 배터리 셀의 잔존 용량이 만충정 용량 대비 10% 이하인 동시에 적어도 3 포인트에서 정해짐을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 보정 전압 포인트는 잔존 용량이 만충전 용량 대비 8%, 3% 및 0%에서 감지된 전압인 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 잔존 용량 8%의 보정 전압 포인트는 아래 수학식에 의해 계산됨을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.

8% 보정 전압 포인트 = 메모리에 미리 테이블화 되어 저장된 사이클 횟수에 따른 8% 포인트 전압 + (8% 열화 보정치 * 전류 / 병렬 배터리 셀의 개수 / 해상도)

여기서, 해상도는 상기 열화 보정 방법이 수행되는 제어부의 고유 처리 단위이다.
제 5 항에 있어서, 상기 8% 열화 보정치는 아래 수학식 1을 만족할 경우, 수학식 2에 의해 계산됨을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.

수학식 1

(FCC0-FCC8)/FCC8 〉3%

수학식 2

8% 열화 보정치 = 전회의 8% 열화 보정치 - (FCC0-FCC8)/FCC8 * 실험상수

여기서, FCC0는 0% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이고, FCC8은 8% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치
제 4 항에 있어서, 상기 8% 열화 보정치는 아래 수학식 1을 만족할 경우, 수학식 2에 의해 계산됨을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.

수학식 1

(FCC0-FCC8)/FCC8 〈 -2%

수학식 2

8% 열화 보정치 = 전회의 8% 열화 보정치 + (FCC0-FCC8)/FCC8 * 실험상수

여기서, FCC0는 0% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이고, FCC8은 8% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치
제 4 항에 있어서, 상기 3% 열화 보정치는 아래 수학식 1을 만족할 경우, 수학식 2에 의해 계산됨을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.

수학식 1

(FCC0-FCC3)/FCC3 〉3%

수학식 2

3% 열화 보정치 = 전회의 3% 열화 보정치 - (FCC0-FCC3)/FCC3 * 실험상수

여기서, FCC0는 0% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이고, FCC3은 3% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치
제 8 항에 있어서, 상기 3% 열화 보정치는 아래 수학식 1을 만족할 경우, 수학식 2에 의해 계산됨을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.

수학식 1

(FCC0-FCC3)/FCC3 〈 -2%

수학식 2

3% 열화 보정치 = 전회의 3% 열화 보정치 + (FCC0-FCC3)/FCC3 * 실험상수

여기서, FCC0는 0% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이고, FCC3은 3% 보 정 전압 포인트에서의 용량 학습치
배터리 셀을 만충전 상태에서 만방전 상태 이전까지 방전시키는 경우, 미리 정해진 보정 전압 포인트까지 방전 전류를 적산하여 방전량을 계산하는 단계와, 상기 보정 전압 포인트에서의 잔존 용량 비율(%)에 기존의 만충전 용량을 곱하여 얻은 값을 상기 적산된 방전량에 합산하여 새로운 만충전 용량을 계산하는 방법에 있어서,

상기 보정 전압 포인트는 배터리 셀의 충방전 사이클 횟수가 증가함에 따라 점차 작아지도록 설정함을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.
제 10 항에 있어서, 상기 충방전 사이클 횟수는 방전 전류를 적산하여 얻은 방전량이 만충전 용량의 90~100%에 이를 경우마다 1씩 증가시킴을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.
제 10 항에 있어서, 상기 보정 전압 포인트는 배터리 셀의 잔존 용량이 10% 이하인 동시에 적어도 1 포인트에서 정해짐을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.
제 10 항에 있어서, 상기 보정 전압 포인트는 만충전 용량 대비 잔존 용량이 8% 또는 3%에서 감지된 전압인 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 잔존 용량 8%의 보정 전압 포인트는 아래 수학식에 의해 계산됨을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.

8% 보정 전압 포인트 = 메모리에 미리 테이블화 되어 저장된 사이클 횟수에 따른 8% 보정 전압 포인트 + (8% 열화 보정치 * 전류 / 병렬 배터리 셀의 개수 / 해상도)

여기서, 해상도는 상기 열화 보정 방법이 수행되는 제어부의 고유 처리 단위이다.
제 14 항에 있어서, 상기 8% 열화 보정치는 아래 수학식 1을 만족할 경우, 수학식 2에 의해 계산됨을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.

수학식 1

(FCC0-FCC8)/FCC0 〉5%

수학식 2

8% 열화 보정치 = (전회의 8% 열화 보정치 + 열화 예측 테이블)/2

여기서, FCC0는 0% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이고, FCC8은 8% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이며, 열화 예측 테이블은 메모리에 미리 저장된 열화도에 따른 보정치
제 13 항에 있어서, 상기 잔존 용량 3%의 보정 전압 포인트는 아래 수학식에 의해 계산됨을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.

3% 보정 전압 포인트 = 메모리에 미리 테이블화 되어 저장된 사이클 횟수에 따른 8% 보정 전압 포인트 + (3% 열화 보정치 * 전류 / 병렬 배터리 셀의 개수 / 해상도)

여기서, 해상도는 상기 열화 보정 방법이 수행되는 제어부의 고유 처리 단위이다.
제 16 항에 있어서, 상기 3% 열화 보정치는 아래 수학식 1을 만족할 경우, 수학식 2에 의해 계산됨을 특징으로 하는 배터리 셀의 열화 보정 방법.

수학식 1

(FCC0-FCC3)/FCC0 〉5%

수학식 2

3% 열화 보정치 = (3% 열화 보정치 + 열화 예측 테이블)/2

여기서, FCC0는 0% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이고, FCC3은 3% 보정 전압 포인트에서의 용량 학습치이며, 열화 예측 테이블은 메모리에 미리 저장된 열화도에 따른 보정치