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KR20240093233A - 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법 - Google Patents

배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법 Download PDF

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KR20240093233A
KR20240093233A KR1020220176299A KR20220176299A KR20240093233A KR 20240093233 A KR20240093233 A KR 20240093233A KR 1020220176299 A KR1020220176299 A KR 1020220176299A KR 20220176299 A KR20220176299 A KR 20220176299A KR 20240093233 A KR20240093233 A KR 20240093233A
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KR
South Korea
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battery cell
capacity
voltage
soc
battery
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KR1020220176299A
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김유나
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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Abstract

본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는, 배터리 셀의 전류 및 전압을 획득하는 정보 획득부, 상기 배터리 셀의 기준 용량 및 상기 기준 용량에 대응되는 기준 전압을 저장하는 저장부 및 상기 배터리 셀의 전압 및 전류에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 산출하고, 상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC(State of Charge)를 산출하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

Description

배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법{BATTERY MANAGEMENT APPARATUS AND OPERATING METHOD OF THE SAME}
본 문서에 개시된 실시예들은 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법에 관한 것이다.
최근 이차 전지에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 여기서 이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 배터리, Ni/MH 배터리 등과 최근의 리튬 이온 배터리를 모두 포함하는 의미이다. 이차 전지 중 리튬 이온 배터리는 종래의 Ni/Cd 배터리, Ni/MH 배터리 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다, 또한, 리튬 이온 배터리는 소형, 경량으로 제작할 수 있어 이동 기기의 전원으로 사용되며, 최근에는 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
리튬 황 배터리 셀의 경우 개방 회로 전압(OCV)를 특정하는 것이 어렵고, LFP(리튬철황) 배터리 셀과 같이 전압이 일정해지는 범위가 발생하여 기존 개방 회로 전압을 기반으로 SOC(State of Charge)를 예측하는 알고리즘을 사용하는 것에 한계가 발생한다. 따라서, 개방 회로 전압을 사용하지 않고 전류 적산으로 SOC를 산출하여야 하는데, 이 경우에는 전류 센서 에러 및 각 배터리 셀 간 편차가 발생하여 SOC의 정확도가 낮아지는 경우가 발생할 가능성이 존재한다.
본 문서에 개시된 실시예들의 일 목적은 전류 적산을 진행하면서 정확하게 SOC를 산출할 수 있도록 산출된 SOC를 보정하는 것이 가능한 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법을 제공하는데 있다.
본 문서에 개시된 실시예들의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법은, 배터리 셀의 전류 및 전압을 획득하는 단계, 상기 배터리 셀의 기준 용량 및 상기 기준 용량에 대응되는 기준 전압을 저장하는 단계, 상기 배터리 셀의 전압 및 전류에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 산출하는 단계 및 상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기준 용량 및 상기 기준 전압은 특정 충전 프로토콜에 대응되도록 측정된 값일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배터리 셀의 전압 및 전류에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 산출하는 단계는, 상기 특정 충전 프로토콜에 대응되도록 상기 배터리 셀을 충전하면서 상기 전류를 적산하여 특정 전압 범위에서의 상기 배터리 셀의 용량을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계는, 상기 배터리 셀의 용량이 산출이 되지 않은 전압 범위에서는 상기 저장부에 저장된 값에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계는, 상기 배터리 셀의 용량이 산출이 되지 않은 전압 범위에 대응되는 상기 배터리 셀의 전류가 재측정되어 전류 적산이 가능하면, 상기 재측정된 배터리 셀의 전류에 기반하여 전류 적산하여 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 충전 프로토콜은, 특정 온도에서 특정 C-rate로 충전이 가능한 최대 전압에 대응되도록 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계는, 상기 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 상기 배터리 셀의 용량 산출이 가능한 전압 범위에서는 산출된 배터리 셀의 용량을 기초로 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하고, 상기 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 상기 배터리 셀의 용량 산출이 불가능한 전압 범위에서는 상기 용량 산출 불가능한 전압 범위에 대응되는 기준 용량을 기초로 상기 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계는, 상기 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 전체 전압 범위에서 상기 배터리 셀의 용량 산출이 가능하면, 산출된 배터리 셀의 용량을 기초로 상기 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계는, 상기 배터리 셀을 정전류-정전압 충전(CC-CV충전)을 수행하면서 상기 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계는, 상기 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 상기 배터리 셀의 용량을 주기적으로 산출하고, 상기 주기적으로 산출된 배터리 셀의 용량과 상기 기준 용량에 기반하여 상기 배터리 셀의 SOC를 주기적으로 업데이트할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배터리 셀은 리튬 황 배터리를 포함할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는, 배터리 셀의 전류 및 전압을 획득하는 정보 획득부, 상기 배터리 셀의 기준 용량 및 상기 기준 용량에 대응되는 기준 전압을 저장하는 저장부 및 상기 배터리 셀의 전압 및 전류에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 산출하고, 상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC(State of Charge)를 산출하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기준 용량 및 상기 기준 전압은 특정 충전 프로토콜에 대응되도록 측정된 값일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 특정 충전 프로토콜에 대응되도록 상기 배터리 셀을 충전하면서 상기 전류를 적산하여 특정 전압 범위에서의 상기 배터리 셀의 용량을 산출하고, 상기 배터리 셀의 용량이 산출이 되지 않은 전압 범위에서는 상기 저장부에 저장된 값에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 상기 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리 셀의 용량이 산출이 되지 않은 전압 범위에 대응되는 상기 배터리 셀의 전류가 재측정되어 전류 적산이 가능하면, 상기 재측정된 배터리 셀의 전류에 기반하여 전류 적산하여 상기 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 충전 프로토콜은, 특정 온도에서 특정 C-rate로 충전이 가능한 최대 전압에 대응되도록 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 상기 배터리 셀의 용량 산출이 가능한 전압 범위에서는 산출된 배터리 셀의 용량을 기초로 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하고, 전류 적산법을 통해 상기 배터리 셀의 용량 산출이 불가능한 전압 범위에서는 상기 용량 산출이 불가능한 전압 범위에 대응되는 기준 용량을 기초로 상기 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 전체 전압 범위에서 상기 배터리 셀의 용량 산출이 가능하면, 산출된 배터리 셀의 용량을 기초로 상기 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리 셀을 정전류-정전압 충전(CC-CV충전)을 수행하면서 상기 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 상기 배터리 셀의 용량을 주기적으로 산출하고, 상기 주기적으로 산출된 배터리 셀의 용량과 상기 기준 용량에 기반하여 상기 배터리 셀의 SOC를 주기적으로 업데이트할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법은, 전류 적산을 진행하면서 정확하게 SOC를 산출할 수 있도록 보정할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법은, 개방 회로 전압에 기반하여 SOC의 산출이 어려운 배터리 셀의 SOC를 정확하게 산출할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법은, 기 측정된 충전 프로토콜에 기반하여 기준 용량 및 기준 용량에 대응되는 기준 전압을 저장하고, 전류 적산을 통해 산출이 불가능한 전압 범위의 용량을 저장된 기준 용량을 기초로 보정하여 배터리 셀의 SOC를 정확하게 산출할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법은, 전류 적산을 통해 산출이 불가능한 전압 범위의 전류가 재측정되는 경우에 해당 전압 범위에도 전류 적산법에 기반하여 배터리 셀의 용량을 산출하여 배터리 셀의 SOC를 정확하게 산출할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리 팩의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 보여주는 블록도이다.
도 3은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치에 저장된 기준 용량 및 기준 전압의 예시를 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 배터리 셀의 SOC를 산출하는 예시를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법을 보여주는 흐롬도이다.
도 7은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법을 구체적으로 보여주는 흐름도이다.
도 8은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법을 수행하기 위한 컴퓨팅 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
이하, 본 문서에 개시된 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 문서에 개시된 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 문서에 개시된 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 문서에 개시된 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 일반적인 배터리 팩의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(1)과 상위 시스템에 포함되어 있는 상위 제어기(2)를 포함하는 배터리 제어 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(1)은 하나의 이상의 배터리 셀로 이루어지고 충방전 가능한 배터리 셀(10)과, 배터리 셀(10)의 (+) 단자 측 또는 (-) 단자 측에 직렬로 연결되어 배터리 셀(10)의 충방전 전류 흐름을 제어하기 위한 스위칭부(14)와, 배터리 팩(1)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하여, 과충전 및 과방전 등을 방지하도록 제어 관리하는 배터리 관리 시스템(20)을 포함한다. 이 때, 배터리 팩(1)에는 배터리 셀(10), 센서(12), 스위칭부(14) 및 배터리 관리 시스템(20)이 복수 개 구비될 수 있다.
여기서, 스위칭부(14)는 복수의 배터리 셀(10)의 충전 또는 방전에 대한 전류 흐름을 제어하기 위한 소자로서, 예를 들면, 배터리 팩(1)의 사양에 따라서 적어도 하나의 릴레이, 마그네틱 접촉기 등이 이용될 수 있다.
배터리 관리 시스템(20)은 상술한 각종 파라미터를 측정한 값을 입력받는 인터페이스로서, 복수의 단자와, 이들 단자와 연결되어 입력받은 값들의 처리를 수행하는 회로 등을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(20)은, 스위칭부(14) 예를 들어, 릴레이 또는 접촉기 등의 ON/OFF를 제어할 수도 있으며, 배터리 셀(10)에 연결되어 배터리 셀(10) 각각의 상태를 감시할 수 있다. 실시예에 따르면, 배터리 관리 시스템(20)은 도 2의 배터리 관리 장치(100)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 배터리 관리 시스템(20)은 도 2의 배터리 관리 장치(100)와 상이한 다른 시스템일 수 있다. 즉, 도 2의 배터리 관리 장치(100)는 배터리 팩(1)에 포함될 수도 있고, 배터리 팩(1) 외부의 다른 장치로 구성될 수도 있다.
상위 제어기(2)는 배터리 관리 시스템(20)으로 배터리 셀(10)에 대한 제어 신호를 전송할 수 있다. 이에 따라, 배터리 관리 시스템(20)은 상위 제어기(2)로부터 인가되는 신호에 기초하여 동작이 제어될 수 있을 것이다.
도 2는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 보여주는 블록도이다. 도 3은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치에 저장된 기준 용량 및 기준 전압의 예시를 보여주는 도면이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 정보 획득부(110), 저장부(120) 및 컨트롤러(130)를 포함할 수 있다.
정보 획득부(110)는 배터리 셀의 전류 및 전압을 획득할 수 있다. 예를 들어, 정보 획득부(110)는 전류 센서 또는 전압 센서로부터 측정된 배터리 셀의 전류 및 전압을 획득할 수 있다. 다른 예를 들어, 정보 획득부(110)는 배터리 셀의 전류 또는 전압을 측정하여 획득할 수도 있다. 실시예에 따르면, 정보 획득부(110)는 배터리 셀이 특정 충전 프로토콜로 충전되는 경우에 대응되는 배터리 셀의 전류 및 전압을 획득할 수 있다.
저장부(120)는 배터리 셀의 기준 용량 및 기준 용량에 대응되는 기준 전압을 저장할 수 있다. 예를 들어, 기준 용량 및 기준 전압은 특정 충전 프로토콜에 대응되도록 측정될 수 있다. 이 경우, 특정 충전 프로토콜은 특정 온도에서 특정 C-rate로 충전해도 되는 최대 전압에 대하여 삼전극으로 테스트를 진행하여 획득된 충전 프로토콜일 수 있다. 다른 예를 들어, 기준 용량 및 기준 전압은 충전 프로토콜마다 상이하게 저장될 수 있다. 즉, 충전 프로토콜이 변하는 경우 기준 용량 및 기준 용량에 대응되는 기준 전압은 변할 수 있다.
도 3을 참조하면, 저장부(120)는 충전 프로토콜(C-rate)에 대응되는 기준 전압(voltage) 및 기준 용량을 저장할 수 있다. 예를 들어, 충전 프로토콜이 2.2 V까지는 1 C-rate, 2.3 V까지는 0.5 C-rate, 2.4 V까지는 0.3C-rate, 2.5V 까지는 CV(Constant Voltage) 충전을 진행하는 경우에 배터리 셀은 2.2V 까지 기준 용량 70을, 2.2V에서 2.3V까지 기준 용량 10을, 2.3V 에서 2.4V 까지 기준 용량 10을, 2.4V에서 2.5V까지 기준 용량 10을 가질 수 있다. 따라서, 저장부(120)는 2.1V부터 2.5 V의 범위에서 각각의 전압 범위마다 기준 용량을 저장할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 컨트롤러(130)는 배터리 셀의 전압 및 전류에 기반하여 배터리 셀의 용량을 산출할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(130)는 각각의 전압 범위에 대하여 배터리 셀의 전류에 기반하여 전류 적산법을 통해 배터리 셀의 용량을 산출할 수 있다.
컨트롤러(130)는 기준 용량 및 기준 전압에 기반하여 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(130)는 특정 충전 프로토콜에 대응되도록 배터리 셀을 충전하면서 전류를 적산하여 특정 전압 범위에서의 배터리 셀의 용량을 산출할 수 있다.
또한, 컨트롤러(130)는 배터리 셀의 용량이 산출되지 않은 전압 범위에서는 저장부(120)에 저장된 값에 기반하여 배터리 셀의 용량을 보정할 수 있고, 보정된 배터리 셀의 용량을 기초로 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다. 실시예에 따르면, 배터리 셀의 용량이 산출되지 않은 전압 범위는 전류가 정상적으로 측정되지 않아 전류 적산법을 통해 배터리 셀의 용량의 산출이 불가능한 전압 범위일 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(130)는 배터리 셀의 용량이 산출이 되지 않은 전압 범위에 대응되는 배터리 셀의 전류가 재측정되어 전류 적산이 가능하면, 재측정된 배터리 셀의 전류에 기반하여 전류 적산하여 배터리 셀의 용량을 산출하고, 산출된 배터리 셀의 용량에 기반하여 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다.
실시예에 따르면, 충전 프로토콜은 특정 온도에서 특정 C-rate로 충전이 가능한 최대 전압에 대응되도록 결정될 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(130)는 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 배터리 셀의 용량 산출이 가능한 전압 범위에서는 산출된 배터리 셀의 용량을 기초로 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있고, 전류 적산법을 통해 배터리 셀의 용량 산출이 불가능한 전압 범위에서는 용량 산출이 불가능한 전압 범위에 대응되는 기준 용량을 기초로 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다. 따라서, 컨트롤러(130)는 전류 적산법을 통해 배터리 셀의 용량 산출이 불가능한 전압 범위에 대하여 기 측정된 기준 용량을 기초로 보정을 수행하여 배터리 셀의 용량 및 SOC를 정확하게 산출할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(130)는 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산 법을 통해 전체 전압 범위에서는 배터리 셀의 용량 산출이 가능하면, 산출된 배터리 셀의 용량을 기초로 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다. 즉, 컨트롤러(130)는 전류 적산법을 통해 배터리 셀의 용량을 전체 전압 범위에서 산출할 수 있으면, 저장부(120)에 저장된 기준 전압 또는 기준 용량을 사용하지 않고 전류 적산법을 통해 산출된 배터리 셀의 용량만을 기초로 SOC를 산출할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(130)는 배터리 셀을 정전류-정전압 충전(CC-CV충전)을 수행하면서 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다. 따라서, 컨트롤러(130)는 충전 프로토콜에 대응되는 정전류-정전압 충전을 수행하는 경우에 배터리 셀의 SOC를 정확하게 예측할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(130)는 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 배터리 셀의 용량을 주기적으로 산출하고, 주기적으로 산출된 배터리 셀의 용량과 기준 용량에 기반하여 배터리 셀의 SOC를 주기적으로 업데이트 할 수 있다. 다만, 컨트롤러(130)는 반드시 주기적으로 배터리 셀의 용량을 산출할 필요는 없고, 복수회 배터리 셀의 용량을 산출하여 배터리 셀의 용량이 전류 적산법을 통해 정확하게 산출되도록 제어할 수 있다.
실시예에 따르면, 배터리 셀을 리튬 황 배터리 셀을 포함할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 OCV를 기초로 SOC를 예측하는 것이 어려운 배터리 셀의 SOC를 전류 적산을 통하여 산출된 용량에 기반하여 산출할 수 있고, 부정확하게 산출된 SOC의 경우 기 저장된 기준 전압 및 기준 용량에 기반하여 SOC 값을 보정할 수 있다.
또한, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는 전류가 부정확하게 측정되었던 전압 범위의 전류가 재측정되는 경우에는 재측정된 전류 값을 기초로 전류 적산을 통해 배터리 셀의 용량을 재산출함으로서 보다 더 정확하게 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 배터리 셀의 SOC를 산출하는 예시를 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)의 컨트롤러(130)는 배터리 셀을 특정 충전 프로토콜에 대응되도록 충전하면서 전류를 적산하여 특정 전압 범위에서의 배터리 셀의 용량을 산출할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(130)는 2.2V 부터 2.3V 까지의 배터리 셀의 용량을 11로 산출할 수 있고, 2.3V 부터 2.4V 까지의 배터리 셀의 용량을 11로 산출할 수 있고, 2.4V 부터 2.5V 까지의 배터리 셀의 용량을 11로 산출할 수 있다. 배터리 셀의 용량이 산출되지 않은 전압 범위인 2.2V 까지는 컨트롤러(130)가 도 3에 도시된 저장부(120)에 저장된 값(용량 70)에 기반하여 배터리 셀의 용량을 보정할 수 있다.
따라서, 컨트롤러(130)는 2.2V 까지는 배터리 셀의 용량을 70으로 대입하여 각각의 전압 범위에 대응되는 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(130)는 총 배터리 셀의 용량을 103으로 산출할 수 있고, 2.2V에서 배터리 셀의 SOC는 70/103*100으로 67.96%로 산출할 수 있다. 또한, 컨트롤러(130)는 2.3V에서 배터리 셀의 SOC를 81/103*100으로 78.64%로 산출할 수 있고, 2.4V에서 배터리 셀의 SOC를 92/103*100으로 89.34%로 산출할 수 있고, 2.5V에서 배터리 셀의 SOC는 100%로 산출할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는, 전류 적산을 진행하면서 정확하게 SOC를 산출할 수 있도록 보정할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는, 개방 회로 전압에 기반하여 SOC의 산출이 어려운 배터리 셀의 SOC를 정확하게 산출할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는, 기 측정된 충전 프로토콜에 기반하여 기준 용량 및 기준 용량에 대응되는 기준 전압을 저장하고, 전류 적산을 통해 산출이 불가능한 전압 범위의 용량을 저장된 기준 용량을 기초로 보정하여 배터리 셀의 SOC를 정확하게 산출할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)의 컨트롤러(130)는 배터리 셀의 용량이 산출되지 않은 전압 범위에 대응되는 배터리 셀의 전류가 재측정되어 전류 적산이 가능하면, 재측정된 배터리 셀의 전류에 기반하여 전류 적산하여 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(130)는 2.2V까지의 전류가 재측정된 경우, 재측정된 전류 값에 기반하여 2.2V 까지의 배터리 셀의 용량을 71로 산출할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(130)는 총 배터리 셀의 용량을 104으로 산출할 수 있고, 2.2V에서 배터리 셀의 SOC는 71/104*100으로 68.26%로 산출할 수 있다. 또한, 컨트롤러(130)는 2.3V에서 배터리 셀의 SOC를 82/104*100으로 78.84%로 산출할 수 있고, 2.4V에서 배터리 셀의 SOC를 93/104*100으로 89.42%로 산출할 수 있고, 2.5V에서 배터리 셀의 SOC는 100%로 산출할 수 있다. 따라서, 컨트롤러(130)는 재측정된 전류 값에 기반하여 배터리 셀의 SOC를 보다 정확하게 산출할 수 있다.
실시예에 따르면, 서로 다른 충전 프로토콜에 대하여 컨트롤러(130)는 서로 다른 기준 용량을 기초로 배터리 셀의 용량을 보정할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는, 전류 적산을 통해 산출이 불가능한 전압 범위의 전류가 재측정되는 경우에 해당 전압 범위에도 전류 적산법에 기반하여 배터리 셀의 용량을 산출하여 배터리 셀의 SOC를 정확하게 산출할 수 있다.
도 6은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법을 보여주는 흐롬도이다. 도 6에 도시된 동작들은 도 2의 배터리 관리 장치(100)를 통해 수행될 수 있다.
도 6을 참조하면, 동작 S110에서, 정보 획득부(110)는 배터리 셀의 전류 및 전압을 획득할 수 있다.
동작 S120에서, 저장부(120)는 배터리 셀의 기준 용량 및 기준 용량에 대응되는 기준 전압을 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장부(120)는 배터리 관리 장치(100)의 동작 전에 미리 배터리 셀의 기준 용량 및 기준 용량에 대응되는 기준 전압을 저장할 수 있다. 다른 예를 들어, 기준 용량 및 기준 전압은 특정 충전 프로토콜에 대응되도록 측정된 값일 수 있다. 실시예에 따르면, 충전 프로토콜은 특정 온도에서 특정 C-rate로 충전이 가능한 최대 전압에 대응되도록 결정될 수 있다.
동작 S130에서, 컨트롤러(130)는 배터리 셀의 전압 및 전류에 기반하여 배터리 셀의 용량을 산출할 수 있다.
동작 S140에서, 컨트롤러(130)는 기준 용량 및 기준 전압에 기반하여 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 배터리 셀의 용량 산출이 가능한 전압 범위에서는 산출된 배터리 셀의 용량을 기초로 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있고, 전류 적산법을 통해 배터리 셀의 용량 산출이 불가능한 전압 범위에서는 용량 산출이 불가능한 전압 범위에 대응되는 기준 용량을 기초로 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다. 따라서, 컨트롤러(130)는 전류 적산법을 통해 배터리 셀의 용량 산출이 불가능한 전압 범위에 대하여 기 측정된 기준 용량을 기초로 보정을 수행하여 배터리 셀의 용량 및 SOC를 정확하게 산출할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, S140 단계에서, 컨트롤러(130)는 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산 법을 통해 전체 전압 범위에서는 배터리 셀의 용량 산출이 가능하면, 산출된 배터리 셀의 용량을 기초로 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다. 즉, 컨트롤러(130)는 전류 적산법을 통해 배터리 셀의 용량을 전체 전압 범위에서 산출할 수 있으면, 저장부(120)에 저장된 기준 전압 또는 기준 용량을 사용하지 않고 전류 적산법을 통해 산출된 배터리 셀의 용량만을 기초로 SOC를 산출할 수 있다.
실시예에 따르면, S140 단계에서, 컨트롤러(130)는 배터리 셀을 정전류-정전압 충전(CC-CV충전)을 수행하면서 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다. 따라서, 컨트롤러(130)는 충전 프로토콜에 대응되는 정전류-정전압 충전을 수행하는 경우에 배터리 셀의 SOC를 정확하게 예측할 수 있다.
실시예에 따르면, S140 단계에서, 컨트롤러(130)는 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 배터리 셀의 용량을 주기적으로 산출하고, 주기적으로 산출된 배터리 셀의 용량과 기준 용량에 기반하여 배터리 셀의 SOC를 주기적으로 업데이트 할 수 있다. 다만, 컨트롤러(130)는 반드시 주기적으로 배터리 셀의 용량을 산출할 필요는 없고, 복수회 배터리 셀의 용량을 산출하여 배터리 셀의 용량이 전류 적산법을 통해 정확하게 산출되도록 제어할 수 있다.
실시예에 따르면, 배터리 셀을 리튬 황 배터리 셀을 포함할 수 있다.
도 7은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법을 구체적으로 보여주는 흐름도이다. 도 7에 도시된 동작들은 도 2의 배터리 관리 장치(100)를 통해 수행될 수 있다.
도 7을 참조하면, 동작 S210에서, 컨트롤러(130)는, 특정 충전 프로토콜에 대응되도록 배터리 셀을 충전하면서 전류를 적산하여 특정 전압 범위에서의 배터리 셀의 용량을 산출할 수 있다. 실시예에 따르면, 동작 S210은 도 6의 S130 단계에 포함되어 수행될 수 있다.
동작 S220에서, 컨트롤러(130)는, 배터리 셀의 용량이 산출이 되지 않은 전압 범위에서는 저장부에 저장된 값에 기반하여 배터리 셀의 용량을 보정하여 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다. 실시예에 따르면, 동작 S220은 도 6의 S140 단계에 포함되어 수행될 수 있다.
동작 S230에서, 컨트롤러(130)는, 배터리 셀의 용량이 산출이 되지 않은 전압 범위에 대응되는 배터리 셀의 전류가 재측정되어 전류 적산이 가능하면, 재측정된 배터리 셀의 전류에 기반하여 전류 적산하여 배터리 셀의 SOC를 산출할 수 있다. 실시예에 따르면, 동작 S230은 도 6의 S140 단계에 포함되어 수행될 수 있다.
도 8은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법을 수행하기 위한 컴퓨팅 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
도 8을 참조하면, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 컴퓨팅 시스템(1000)은 MCU(1010), 메모리(1020), 입출력 I/F(1030) 및 통신 I/F(1040)를 포함할 수 있다.
MCU(1010)는 메모리(1020)에 저장되어 있는 각종 프로그램(예를 들면, 배터리 셀 전압 또는 전류 수집 프로그램, 배터리 셀의 기준 용량 산출 프로그램, 배터리 셀의 용량 산출 프로그램, 배터리 셀의 SOC 산출 프로그램 등)을 실행시키고, 이러한 프로그램들을 통해 배터리 셀의 용량 또는 배터리 셀의 기준 용량 등을 포함한 각종 정보를 처리하며, 전술한 도 2에 나타낸 배터리 관리 장치에 포함된 컨트롤러의 기능들을 수행하도록 하는 프로세서일 수 있다.
메모리(1020)는 배터리 팩 전압 또는 전류 수집 프로그램, 배터리 셀의 용량 산출 프로그램, 배터리 셀의 SOC 산출 프로그램, 배터리 셀의 기준 용량 산출 프로그램 등 각종 프로그램을 저장할 수 있다. 또한, 메모리(1020)는 배터리 셀의 용량 또는 배터리 셀의 기준 용량 등을 포함한 각종 정보를 저장할 수 있다.
이러한 메모리(1020)는 필요에 따라서 복수 개 마련될 수도 있을 것이다. 메모리(1020)는 휘발성 메모리일 수도 있으며 비휘발성 메모리일 수 있다. 휘발성 메모리로서의 메모리(1020)는 RAM, DRAM, SRAM 등이 사용될 수 있다. 비휘발성 메모리로서의 메모리(1020)는 ROM, PROM, EAROM, EPROM, EEPROM, 플래시 메모리 등이 사용될 수 있다. 상기 열거한 메모리(1020)들의 예를 단지 예시일 뿐이며 이들 예로 한정되는 것은 아니다.
입출력 I/F(1030)는, 키보드, 마우스, 터치 패널 등의 입력 장치(미도시)와 디스플레이(미도시) 등의 출력 장치와 MCU(1010) 사이를 연결하여 데이터를 송수신할 수 있도록 하는 인터페이스를 제공할 수 있다.
통신 I/F(1040)는 서버와 각종 데이터를 송수신할 수 있는 구성으로서, 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있는 각종 장치일 수 있다. 예를 들면, 배터리 관리 장치는 통신 I/F(1040)를 통해 별도로 마련된 외부 서버로부터 배터리 셀의 용량, SOC 또는 배터리 셀의 기준 용량 등을 포함한 각종 정보를 송수신할 수 있다.
이와 같이, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 메모리(1020)에 기록되고, MCU(1010)에 의해 처리됨으로써, 예를 들면 도 2에서 도시한 각 기능들을 수행하는 모듈로서 구현될 수도 있다.
이상의 설명은 본 문서에 개시된 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 문서에 개시된 실시예들의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 문서에 개시된 실시예들은 본 문서에 개시된 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 문서에 개시된 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 문서에 개시된 기술 사상의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 문서의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 배터리 팩
2: 상위 제어기
10: 복수의 배터리 셀
12: 센서
14: 스위칭 부
20: 배터리 관리 시스템
100: 배터리 관리 장치
110: 정보 획득부
120: 저장부
130: 컨트롤러
1000: 컴퓨팅 시스템
1010: MCU
1020: 메모리
1030: 입출력 I/F
1040: 통신 I/F

Claims (20)

  1. 배터리 셀의 전류 및 전압을 획득하는 단계;
    상기 배터리 셀의 기준 용량 및 상기 기준 용량에 대응되는 기준 전압을 저장하는 단계;
    상기 배터리 셀의 전압 및 전류에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 산출하는 단계; 및
    상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계; 를 포함하는, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 용량 및 상기 기준 전압은 특정 충전 프로토콜에 대응되도록 측정된 값인, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 전압 및 전류에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 산출하는 단계는,
    상기 특정 충전 프로토콜에 대응되도록 상기 배터리 셀을 충전하면서 상기 전류를 적산하여 특정 전압 범위에서의 상기 배터리 셀의 용량을 산출하는 단계; 를 포함하는, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계는,
    상기 배터리 셀의 용량이 산출이 되지 않은 전압 범위에서는 상기 저장부에 저장된 값에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계; 를 포함하는, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계는,
    상기 배터리 셀의 용량이 산출이 되지 않은 전압 범위에 대응되는 상기 배터리 셀의 전류가 재측정되어 전류 적산이 가능하면,
    상기 재측정된 배터리 셀의 전류에 기반하여 전류 적산하여 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계; 를 더 포함하는, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 프로토콜은,
    특정 온도에서 특정 C-rate로 충전이 가능한 최대 전압에 대응되도록 결정된, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계는,
    상기 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 상기 배터리 셀의 용량 산출이 가능한 전압 범위에서는 산출된 배터리 셀의 용량을 기초로 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하고,
    상기 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 상기 배터리 셀의 용량 산출이 불가능한 전압 범위에서는 상기 용량 산출 불가능한 전압 범위에 대응되는 기준 용량을 기초로 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계는,
    상기 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 전체 전압 범위에서 상기 배터리 셀의 용량 산출이 가능하면, 산출된 배터리 셀의 용량을 기초로 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계는,
    상기 배터리 셀을 정전류-정전압 충전(CC-CV충전)을 수행하면서 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는 단계는,
    상기 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 상기 배터리 셀의 용량을 주기적으로 산출하고,
    상기 주기적으로 산출된 배터리 셀의 용량과 상기 기준 용량에 기반하여 상기 배터리 셀의 SOC를 주기적으로 업데이트하는, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 리튬 황 배터리를 포함하는, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  12. 배터리 셀의 전류 및 전압을 획득하는 정보 획득부;
    상기 배터리 셀의 기준 용량 및 상기 기준 용량에 대응되는 기준 전압을 저장하는 저장부; 및
    상기 배터리 셀의 전압 및 전류에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 산출하고, 상기 기준 용량 및 상기 기준 전압에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 특정 전압에 대응되는 상기 배터리 셀의 SOC(State of Charge)를 산출하는 컨트롤러; 를 포함하는 배터리 관리 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 기준 용량 및 상기 기준 전압은 특정 충전 프로토콜에 대응되도록 측정된 값인, 배터리 관리 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 특정 충전 프로토콜에 대응되도록 상기 배터리 셀을 충전하면서 상기 전류를 적산하여 특정 전압 범위에서의 상기 배터리 셀의 용량을 산출하고,
    상기 배터리 셀의 용량이 산출이 되지 않은 전압 범위에서는 상기 저장부에 저장된 값에 기반하여 상기 배터리 셀의 용량을 보정하여 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는, 배터리 관리 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 배터리 셀의 용량이 산출이 되지 않은 전압 범위에 대응되는 상기 배터리 셀의 전류가 재측정되어 전류 적산이 가능하면,
    상기 재측정된 배터리 셀의 전류에 기반하여 전류 적산하여 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는, 배터리 관리 장치.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 충전 프로토콜은,
    특정 온도에서 특정 C-rate로 충전이 가능한 최대 전압에 대응되도록 결정된, 배터리 관리 장치.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 상기 배터리 셀의 용량 산출이 가능한 전압 범위에서는 산출된 배터리 셀의 용량을 기초로 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하고,
    전류 적산법을 통해 상기 배터리 셀의 용량 산출이 불가능한 전압 범위에서는 상기 용량 산출이 불가능한 전압 범위에 대응되는 기준 용량을 기초로 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는, 배터리 관리 장치.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 전체 전압 범위에서 상기 배터리 셀의 용량 산출이 가능하면, 산출된 배터리 셀의 용량을 기초로 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는, 배터리 관리 장치.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 배터리 셀을 정전류-정전압 충전(CC-CV충전)을 수행하면서 상기 배터리 셀의 SOC를 산출하는, 배터리 관리 장치.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 배터리 셀을 충전하면서 전류 적산법을 통해 상기 배터리 셀의 용량을 주기적으로 산출하고,
    상기 주기적으로 산출된 배터리 셀의 용량과 상기 기준 용량에 기반하여 상기 배터리 셀의 SOC를 주기적으로 업데이트하는, 배터리 관리 장치.
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