JP2024511004A - 短絡電流予測装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

本発明の実施例に係る短絡電流予測装置及び方法は、ＤＣ回路での短絡状態を反映する内部等価回路を導出し、上記電池の電気的特性を考慮した第１の等価回路を導出し、上記ヒューズの電気的特性を考慮した第２の等価回路を導出し、上記内部等価回路を基準に、上記第１の等価回路及び上記第２の等価回路を反映して短絡電流予測モデルを獲得し、上記短絡電流予測モデルを用いて、電池電圧による短絡電流を予測することにより、並列接続された電池システムでの機械的及び化学的特性がいずれも反映され、事前に獲得した短絡発生実験データに基づいて、電池モジュール、ラック、システム（バンク）単位の高精度な短絡電流予測が可能であって、電池保護装置の設計時に実施する短絡発生実験回数を減らし、電池システムの開発時に電池の最大並列接続個数を決定することに使用されることにより、開発日程が遅延することを防止する、高効率及び低コストの短絡電流予測装置及び方法を提供することができる。

Description

本明細書は、２０２１年１０月１日付で韓国特許庁に提出された韓国特許出願第１０－２０２１－０１３０８６０号の出願日の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された内容の全ては、本明細書に組み込まれる。
本発明は、短絡電流予測装置及び方法に関し、より具体的には、電池システムで発生する短絡電流の大きさを事前に予測する、短絡電流予測装置及び方法に関する。
エネルギー貯蔵システム（Energy Storage System；ＥＳＳ）は、再生可能エネルギー、電力を貯蔵した電池、そして既存の系統電力を連系させるシステムである。近年、スマートグリッド（smart grid）と再生可能エネルギーの普及が広がっており、電力系統の効率化と安定性が重要視されることに伴って、電力供給及び需要の調節、並びに電力品質の向上のために、エネルギー貯蔵システムに対する需要がますます増加しつつある。使用の目的によって、エネルギー貯蔵システムは、出力と容量が変わる。大容量エネルギー貯蔵システムを構成するために、複数の電池システムが互いに接続することができる。
一方、持続的なＥＳＳサービスのためには、電池状態の管理が必須である。
このために、ＥＳＳシステムには、電池の電圧及び電池ヒューズの断線有無など電池システムの情報が求められる。しかしながら、電池システムは、複数の電池セル及び多様な素子が接続された構造として提供されるので、充電又は放電がなされない場合、電池ヒューズの問題であるのか他の素子の問題であるのか判断することが容易でなく、短絡電流の予測時に電池の電気的な特性が考慮されず、ヒューズ（Fuse）によって遮断される短絡電流の大きさを予測することができないという課題がある。
そこで、電池保護システムを設計するために、最大短絡電流を測定するための実験が必須的に行われていた。しかしながら、これは高コスト及び高リスクの問題が伴うという課題がある。
上記のような問題点を解決するための本発明の目的は、電池の電圧及びヒューズの断線有無を確認することができる、高効率及び低コストの短絡電流予測装置を提供することにある。
上記のような問題点を解決するための本発明の別の目的は、電池の電圧及びヒューズの断線有無を確認することができる、高効率及び低コストの短絡電流予測方法を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の一実施例に係る、電池及び上記電池を保護するためのヒューズを含む電池システムでの短絡電流を予測する短絡電流予測装置は、メモリ、及び、上記メモリ内の少なくとも一つの命令を実行するプロセッサを含み、上記少なくとも一つの命令は、ＤＣ回路での短絡状態を反映する上記電池の内部等価回路を導出するための命令、上記電池の電気的特性を考慮した第１の等価回路を導出するための命令、上記ヒューズの電気的特性を考慮した第２の等価回路を導出するための命令、上記内部等価回路を基準に、上記第１の等価回路及び上記第２の等価回路を反映して短絡電流予測モデルを獲得するための命令、並びに、上記短絡電流予測モデルを用いて、電池電圧による短絡電流を予測するための命令を含む。
ここで、上記第１の等価回路は、上記電池における第１の抵抗と第２の抵抗とが直列接続され、第２の抵抗がキャパシタと並列接続された回路を含むことができる。
また、上記第２の等価回路は、上記ヒューズの抵抗とキャパシタとが直列接続される回路及びスイッチを含むことができる。
一方、上記スイッチは、ＯＮ／ＯＦＦ状態に応じて、アーク（Arc）が発生する前の、上記ヒューズ（Fuse）の内部に発生した熱によって導体が溶け始める第１の状態、又は、アーク（Arc）の発生によって導体が溶けて空気中に電流が流れる第２の状態を示すことができる。
また、上記短絡電流予測モデルを獲得するための命令は、上記第１の等価回路を数式化するための命令、上記第２の等価回路を数式化するための命令、並びに、数式化された上記第１の等価回路及び上記第２の等価回路を上記内部等価回路に反映し、短絡発生実験データを用いて、上記第１の状態又は上記第２の状態に応じた上記短絡電流予測モデルを獲得するための命令を含むことができる。
このとき、上記内部等価回路は、ＲＬ回路に基づく上記電池の内部抵抗及び内部インダクタを含むことができる。
また、上記第１の状態での上記短絡電流予測モデルは、過渡状態（transient state）での上記電池の機械的特性を含み、上記第２の状態での上記短絡電流予測モデルは、過渡状態での上記電池の機械的特性及び定常状態（stationary state）での上記電池の化学的特性を含むことができる。
上記目的を達成するための本発明の別の実施例に係る、電池及び上記電池を保護するためのヒューズを含む電池システムでの短絡電流を予測する短絡電流予測方法は、ＤＣ回路での短絡状態を反映する上記電池の内部等価回路を導出するステップ、上記電池の電気的特性を考慮した第１の等価回路を導出するステップ、上記ヒューズの電気的特性を考慮した第２の等価回路を導出するステップ、上記内部等価回路を基準に、上記第１の等価回路及び上記第２の等価回路を反映して短絡電流予測モデルを獲得するステップ、並びに、上記短絡電流予測モデルを用いて、電池電圧による短絡電流を予測するステップを含む。
ここで、上記第１の等価回路は、上記電池における第１の抵抗と第２の抵抗とが直列接続され、第２の抵抗がキャパシタと並列接続された回路を含むことができる。
また、上記第２の等価回路は、上記ヒューズの抵抗とキャパシタとが直列接続される回路及びスイッチを含むことができる。
また、上記スイッチは、ＯＮ／ＯＦＦ状態に応じて、アーク（Arc）が発生する前の、上記ヒューズ（Fuse）の内部に発生した熱によって導体が溶け始める第１の状態、又は、アーク（Arc）の発生によって導体が溶けて空気中に電流が流れる第２の状態を示すことができる。
一方、上記短絡電流予測モデルを獲得するステップは、上記第１の等価回路を数式化するステップ、上記第２の等価回路を数式化するステップ、並びに、数式化された上記第１の等価回路及び上記第２の等価回路を上記内部等価回路に反映し、短絡発生実験データを用いて、上記第１の状態又は上記第２の状態に応じた上記短絡電流予測モデルを獲得するステップを含むことができる。
このとき、上記内部等価回路は、ＲＬ回路に基づく上記電池の内部抵抗及び内部インダクタを含むことができる。
また、上記第１の状態での上記短絡電流予測モデルは、過渡状態（transient state）での上記電池の機械的特性を含み、上記第２の状態での上記短絡電流予測モデルは、過渡状態での上記電池の機械的特性及び定常状態（stationary state）での上記電池の化学的特性を含むことができる。
本発明の実施例に係る短絡電流予測装置及び方法は、ＤＣ回路での短絡状態を反映する内部等価回路を導出し、上記電池の電気的特性を考慮した第１の等価回路を導出し、上記ヒューズの電気的特性を考慮した第２の等価回路を導出し、上記内部等価回路を基準に、上記第１の等価回路及び上記第２の等価回路を反映して短絡電流予測モデルを獲得し、上記短絡電流予測モデルを用いて、電池電圧による短絡電流を予測することにより、並列接続された電池システムでの機械的及び化学的特性がいずれも反映され、事前に獲得した短絡発生実験データに基づいて、電池モジュール、ラック、システム（バンク）単位の高精度な短絡電流予測が可能であり、電池保護装置の設計時に実施する短絡発生実験回数を減らし、電池システムの開発時に電池の最大並列接続個数を決定することに使用されることにより、開発日程が遅延することを防止する、高効率及び低コストの短絡電流予測装置及び方法を提供することができる。
電池の短絡事故回路図である。 従来の電池保護装置の設計過程を示すフロー図である。 本発明の実施例に係る短絡電流予測装置のブロック図である。 本発明の実施例に係る短絡状態の電池システムでの等価モデル回路図である。 本発明の実施例に係る短絡電流予測方法のフロー図である。 本発明の実施例に係る短絡電流予測装置内の内部等価回路図である。 本発明の実施例に係るスイッチ制御による内部等価回路での電圧－電流特性を示すグラフである。 本発明の実施例に係る電池の電気的特性を反映した第１の等価回路図である。 本発明の実施例に係る電池保護装置内のヒューズの電気的特性を反映した第２の等価回路図である。 本発明の実施例に係る電池の状態に応じた第１の等価回路の電圧－電流グラフである。 本発明の実施例に係るスイッチ制御による第２の等価回路での電圧－電流特性を示すグラフである。 本発明の実施例に係るヒューズの短絡状態に応じた電圧－電流変化グラフである。 本発明の実施例に係る短絡電流予測モデルのパラメータ値を算出するためのフロー図である。 本発明の実施例に係る、ヒューズの状態に応じて電池の電圧－電流変化を測定した短絡試験グラフである。
本発明は、種々の変更を加えることができ、様々な実施例を有することができるため、特定の実施例を図面に例示し、詳細な説明で詳しく説明する。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に対して限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物ないし代替物を含むものと理解されたい。各図面を説明しながら類似の参照符号を類似の構成要素に対して使用している。
第１、第２、Ａ、Ｂなどの用語は、多様な構成要素を説明するのに使用され得るが、上記構成要素は、上記用語によって限定されるべきではない。上記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで使用される。例えば、本発明の権利範囲を逸脱することなく、第１の構成要素は第２の構成要素と命名されることができ、同様に第２の構成要素も第１の構成要素と命名され得る。「及び／又は」という用語は、複数の関連して記載された項目の組合わせ又は複数の関連して記載された項目のうちのある項目を含む。
ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いるとか「接続されて」いると言及されたときには、当該他の構成要素に直接的に連結されているか又は接続されていることもあるが、中間に他の構成要素が存在することもできると理解されたい。これに対し、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いるとか「直接接続されて」いると言及されたときには、中間に他の構成要素が存在しないことと理解されたい。
本明細書で使用した用語は、単に特定の実施例を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しようとする意図はない。単数の表現は、文脈上明らかに異なる意味でない限り、複数の表現を含む。本明細書において、「含む」又は「有する」などの用語は、明細書に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品又はこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、一つ又はそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部品又はこれらを組み合わせたものなどの存在又は付加可能性をあらかじめ排除しないことと理解されたい。
別途定義されない限り、技術的又は科学的な用語を含め、ここで使用されるすべての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同一の意味を有している。一般的に使用される辞書に定義されているような用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書において明示的に定義しない限り、理想的であるか過度に形式的な意味としては解釈されない。
以下、本発明に係る好ましい実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１は、電池の短絡事故回路図である。
図１を参照すれば、従来の電池保護装置は、短絡事故の発生時にヒューズのｏｎ／ｏｆｆでの動作制御を通じて、短絡電流から電池を保護する装置であってよい。ここで、短絡事故は、電池の正極と負極とが接続されて過電流が流れる事故であってよい。
一般的に、従来の電池保護装置は、短絡電流の算出時に、基本抵抗（Ｒ）とインダクタ（Ｌ）とが直列接続された基本ＲＬ等価回路のみを考慮して、過渡状態での最大短絡電流を予測していた。
言い換えれば、従来の電池保護装置は、電池システムでの短絡電流の算出時に、電池の電気的な特性を考慮せず、ヒューズ（Fuse）によって遮断される短絡電流も考慮していなかった。そのため、従来の電池保護装置は、最大短絡電流の算出時に大きな誤差が発生して、電池損傷が発生することで、信頼性が低下するという課題があった。
そこで、従来は、電池保護装置の設計の前にヒューズの動作制御によって遮断可能な最大短絡電流を算出するために、多数の短絡発生実験を別途行っていた。
図２は、従来の電池保護装置の設計過程を示すフロー図である。
図２を参照すれば、従来の電池保護装置は、基本ＲＬ等価回路を通じて算出された短絡電流の大きさに基づいて最大短絡電流を予測し、予測した最大短絡電流値に対して事前に実施した短絡発生実験データを確認（Ｓ１００）して、当該短絡電流値による短絡発生の有無を確認して、最大短絡電流値を確定した（Ｓ２００）。
一方、予測された最大短絡電流値に対して事前に実施した実験データがない場合、使用者は仮定された最大短絡電流に対する短絡発生実験を行って（Ｓ３００）、ヒューズによって短絡発生が制御可能な短絡電流であるか否かを確認し、実験結果値に基づいて最大短絡電流値を確定して従来の電池保護装置に反映した。
しかしながら、従来の電池保護のための設計方法は、最適な短絡電流値の算出のために多数回の実験が必須的に行われるので、長期間及び高コストがかかる。
そこで、本発明では、電池（Battery）の電気的特性、内部回路特性及び電池保護装置（ＢＰＵ）内のヒューズ（Fuse）の電気的特性を考慮した等価回路モデルを提供して、高精度な短絡電流値を予測することにより、電池保護装置の設計時に実施する短絡発生実験回数を減らし、電池システムの開発時に電池の最大並列接続個数を決定することに使用されることにより、開発日程が遅延することを防止する、高効率及び低コストの短絡電流予測装置及び方法について、詳しく説明する。
図３は、本発明の実施例に係る短絡電流予測装置のブロック図である。
図３を参照すれば、本発明の実施例に係る短絡電流予測装置は、上述したように、電池電圧の大きさによって電池システムで発生する短絡電流の大きさを事前に予測することができる。
例えば、短絡電流予測装置は、エネルギー貯蔵システム（Energy Serving System, ＥＳＳ）内の電池保護装置の設計時に使用されて、エネルギー貯蔵システム内の電池システムで発生する短絡事故を事前に防止することができる。
より具体的に説明すれば、短絡電流予測装置は、少なくとも一つの電池ラック又はモジュールが直列および並列接続された電池システムでの各構成別の短絡電流値をシミュレーションを通じて予測することにより、電池保護装置のヒューズの動作制御のための最大短絡電流値の適用時に使用され得る。
本発明の実施例に係る短絡電流予測装置についてより具体的に説明すれば、短絡電流予測装置は、少なくとも一つの命令を格納するメモリ１０００、上記メモリの少なくとも一つの命令を実行するプロセッサ２０００、送受信装置３０００、入力インターフェース装置４０００、出力インターフェース装置５０００、及び記憶装置６０００などをさらに含むことができる。
実施例によれば、短絡電流予測装置に含まれたそれぞれの構成要素１０００、２０００、３０００、４０００、５０００は、バス（bus）７０００によって接続されて互いに通信を行うことができる。
短絡電流予測装置の上記構成１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００のうちメモリ１０００及び記憶装置６０００は、揮発性記憶媒体及び非揮発性記憶媒体のうちの少なくとも一つから構成され得る。例えば、メモリ１０００及び記憶装置６０００は、読み出し専用メモリ（read only memory, ＲＯＭ）及びランダムアクセスメモリ（random access memory, ＲＡＭ）のうちの少なくとも一つから構成され得る。
メモリ１０００は、後述するプロセッサ２０００によって実行される少なくとも一つの命令を含むことができる。
実施例によれば、少なくとも一つの命令は、ＤＣ回路での短絡状態を反映する上記電池の内部等価回路を導出するための命令、上記電池の電気的特性を考慮した第１の等価回路を導出するための命令、上記ヒューズの電気的特性を考慮した第２の等価回路を導出するための命令、上記内部等価回路を基準に、上記第１の等価回路及び上記第２の等価回路を反映して短絡電流予測モデルを獲得するための命令、並びに、上記短絡電流予測モデルを用いて、電池電圧による短絡電流を予測するための命令を含むことができる。
プロセッサ２０００は、中央処理装置（central processing unit, ＣＰＵ）、グラフィックス・プロセッシング・ユニット（graphics processing unit, ＧＰＵ）、又は本発明の実施例に係る方法が行われる専用のプロセッサを意味することができる。
プロセッサ２０００は、上述したように、メモリ１００に格納された少なくとも一つのプログラム命令（program command）を実行することができる。
以上、本発明の実施例に係る短絡電流予測装置を説明した。
以下、下記図４では、本発明の実施例に係る短絡電流予測装置内のプロセッサによって実行される短絡電流予測方法をより詳しく説明する。
図４は、本発明の実施例に係る短絡状態の電池システムでの等価モデル回路図である。
図４を参照すれば、短絡電流予測装置内のプロセッサ２０００は、電池システムの電気的特性を表現した等価回路を獲得して、電池システム内の短絡電流を予測することができる。
実施例によれば、本発明に係る短絡電流予測装置は、ＤＣ回路での短絡状態の特性を反映するＲＬ直列回路に基づいて、内部回路特性、電池の電気的特性及びヒューズの電気的特性を反映した短絡電流予測モデルを獲得することができる。これによって、短絡電流予測装置は、獲得した短絡電流予測モデルを用いて電池システム内の短絡電流の値を予測することができる。
下記図５では、プロセッサ２０００の動作について順を追ってより詳しく説明する。
図５は、本発明の実施例に係る短絡電流予測方法のフロー図である。
図４及び図５を参照すれば、プロセッサ２０００は、ＤＣ回路での短絡状態の特性を示すＲＬ直列回路に基づいて、電池の内部回路特性、電池の電気的特性及び電池保護装置（ＢＰＵ）内のヒューズの電気的特性を考慮して、電池システムでの短絡電流予測モデルを獲得することができる。
その後、プロセッサ２０００は、獲得した短絡電流予測モデルに基づいて、特定の電圧の大きさによって生成される短絡電流の大きさを予測することができる。
プロセッサ２０００の動作をより具体的に説明すれば、プロセッサ２０００は、ＤＣ回路での短絡状態の特性を反映するＲＬ直列回路から電池の内部等価回路を獲得することができる（Ｓ１０００）。内部等価回路を獲得するステップについては、下記により詳しく説明する。
図６は、本発明の実施例に係る短絡電流予測装置内の内部等価回路図である。
図６を参照すれば、短絡電流予測装置に適用される内部等価回路は、ＲＬ直列回路を含むことができる。
より具体的に説明すれば、電池システムの内部等価回路は、ＤＣ回路での短絡状態の特性を効率的に示すＲＬ直列回路に基づいて、電池システム内の電気的特性を表現した回路であってよい。例えば、内部等価回路は、電圧（ＯＣＶ）、抵抗（Ｒ）、インダクタ（Ｌ）及びスイッチ（Ｓ）が直列接続された形態で構成され得る。ここで、電圧は、開路電圧（Open Circuit Voltage, ＯＣＶ）であってよく、抵抗（Ｒ）は内部抵抗（Ｒｉｃ）、インダクタ（Ｌ）は内部インダクタンス（Ｌｉｃ）値を示すことができる。
ここで、短絡電流予測装置に適用されるＲＬ回路は、最大短絡電流を獲得するために従来の電池保護装置で用いられる回路と同一であってよい。
例えば、内部等価回路では、電池の抵抗（Ｒｉ）及び開路電圧（ＯＣＶ）の大きさで最大電流値（Ｉｍａｘ）を決定することができる。また、インダクタ（Ｌ）は、回路内に流れる最大電流の特性を示すことができる。
図７は、本発明の実施例に係るスイッチ制御による内部等価回路での電圧－電流特性を示すグラフである。
図７を参照すれば、内部等価回路が開かれた状態の場合、言い換えれば、スイッチがＯＦＦ状態の場合、内部等価回路での電圧（Voltage）は一定に保持され、電流（Current）は流れない。
一方、内部等価回路が閉じられた状態の場合、言い換えれば、スイッチがＯｎ状態の場合、内部等価回路での電圧は抵抗によって０に減少し、これによって電流が流れることができる。ここで、内部等価回路に流れる最大電流値（Ｉｍａｘ）は、下記のように表することができる。
Ｉｍａｘ：内部等価回路に流れる最大電流値
ＯＣＶ：開路電圧（Open Circuit Voltage）
Ｒ：短絡回路抵抗
その後、本発明の実施例に係る短絡電流予測装置内のプロセッサ２０００は、電池の電気的特性を反映した第１の等価回路を獲得することができる。第１の等価回路を獲得する方法は、下記図８を参照してより詳しく説明する。
図８は、本発明の実施例に係る電池の電気的特性を反映した第１の等価回路図である。
図８を参照すれば、プロセッサ２０００は、電池システム内の電池の電気的特性を反映した第１の等価回路を獲得することができる（Ｓ２０００）。
より詳しく説明すれば、第１の等価回路は、電池の機械的特性を表す第１の抵抗（Ｒｉ）と電池の化学的特性を表す並列接続された第２の抵抗（Ｒｄ）及びキャパシタ（Ｃｄ）とが接続された回路を含むことができる。ここで、第２の抵抗（Ｒｄ）とキャパシタ（Ｃｄ）とは、並列接続されることができ、これはさらに第１の抵抗（Ｒｉ）と直列接続され得る。これによって、第１の等価回路は、電池システム内での電池の機械的及び化学的特性を反映することができる。
再び図５を参照すれば、プロセッサ２０００は、電池保護装置内のヒューズの電気的特性を考慮した第２の等価回路を獲得することができる（Ｓ３０００）。第２の等価回路を獲得する方法は、下記図９でより詳しく説明する。
図９は、本発明の実施例に係る電池保護装置内のヒューズの電気的特性を反映した第２の等価回路図である。
図９を参照すれば、プロセッサ２０００は、電池システムの電池保護装置内のヒューズの電気的特性を反映した第２の等価回路を獲得することができる。
一般的に、電池システムでは、アーク（Arc）による短絡（short Circuit）の発生を基準に、電圧及び電流の特性が変化する。これによって、ヒューズは、短絡発生を基準に、第１の状態（Melting）から第２の状態（Clearing）へと状態が変更され得る。
ここで、第１の状態は、アークが発生する前の、ヒューズ（Fuse）の内部に発生した熱によって導体が溶け始める状態であってよく、第２の状態は、アークが発生して導体が溶けることで空気中に電流が流れる状態であってよい。
そこで、本発明の実施例に係る短絡電流予測装置内のプロセッサ２０００は、ヒューズの溶断特性を具現化するために、スイッチの位置に応じて状態遷移が発生するための第２の等価回路を獲得することができる。
より具体的に説明すれば、第２の等価回路は、抵抗（Ｒａｒｃ）とキャパシタ（Ｃａｒｃ）とが直列接続される回路及びスイッチを含むことができる。このとき、第２の等価回路は、上記スイッチの制御状態に応じて、キャパシタ（Ｃａｒｃ）及び抵抗（Ｒａｒｃ）成分が回路に反映されるか又は反映されないように設計され得る。
再び図５を参照すれば、プロセッサ２０００は、獲得された内部等価回路、第１の等価回路及び第２の等価回路に基づいて、短絡電流予測モデルを獲得することができる（Ｓ４０００）。
より具体的に説明すれば、プロセッサ２０００は、上記第１の等価回路を数式化することができる（Ｓ４１００）。第１の等価回路を数式化する方法は、下記図１０でより詳しく説明する。
図１０は、本発明の実施例に係る電池の状態に応じた第１の等価回路の電圧－電流グラフである。
図１０を参照すれば、第１の等価回路では、電池電圧に変化が発生する場合、キャパシタ（Ｃｄ）に電流が流れることができる。
一実施例によれば、電池が過渡状態（Transient State）であるとき、電池の電圧は、第１の抵抗（Ｒｉ）によって急激に減少し得る。これによって、第１の等価回路でのキャパシタ（Ｃｄ）は、過渡状態で導通されたように動作し得る。言い換えれば、電池が過渡状態の場合、下記数式２及び数式３のように、第１の等価回路では直列接続された第１の抵抗（Ｒｉ）成分のみ考慮され得る。
ＩＣｄ：キャパシタに流れる電流
Ｘｃ：キャパシタの容量リアクタンス
他の実施例によれば、電池が定常状態（Steady State）であるとき、第１の等価回路でのキャパシタ（Ｃｄ）には電荷が蓄積されるので、第２の抵抗（Ｒｄ）が増加し得る。それで、キャパシタ（Ｃｄ）は、導通される電流が減少している途中で開放（Open）された場合と似たように動作し得る。
これによって、本発明の実施例に係る短絡電流予測装置内のプロセッサ２０００は、下記数式４のように、電池の過渡状態及び定常状態に応じた物理的、化学的特性がいずれも反映された第１の数式を獲得し得る。言い換えれば、第１の数式は、直列接続された電池セル（cell）のみならず、並列接続された電池モジュール（module）、電池ラック（Rack）及び電池システム（System）の電気的特性がいずれも反映された数式であってよい。ここで、ＣＣＶは、閉路電圧（Closed Circuit Voltage）であってよく、電池モジュール及び電池システムは、それぞれ電池パック（pack）と電池バンク（bank）として用語が混用されて使用され得る。
ＣＣＶ：閉路電圧（Closed Circuit Voltage）
ＯＣＶ：開路電圧
Ｒｉ、Ｒｄ：第１の抵抗、第２の抵抗
Ｉ：電流
Ｖｄ：第２の抵抗にかかる電圧
Ｃ：キャパシタ
再び図５を参照すれば、プロセッサ２０００は、上記第２の等価回路を数式化することができる（Ｓ４３００）。第２の等価回路を数式化する方法は、下記図１１でより詳しく説明する。
図１１は、本発明の実施例に係るスイッチ制御による第２の等価回路での電圧－電流特性を示すグラフである。
図１１を参照すれば、上述したように、第２の等価回路では、スイッチの状態に応じてヒューズの状態が遷移され得る。
図１２は、本発明の実施例に係るヒューズの短絡状態に応じた電圧－電流変化グラフである。
図１１及び図１２を参照すれば、一実施例に係る第２の等価回路では、スイッチが丸１番の状態にある場合、第１の状態（Melting）が反映され得る。
より具体的に説明すれば、第１の状態では、回路内のキャパシタ（Ｃａｒｃ）及び抵抗（Ｒａｒｃ） 成分が反映されなくて電圧はかからず、電流が流れることができる。
他の実施例に係る第２の等価回路では、スイッチが丸２番の状態にある場合、第２の状態（Clearing）が反映され得る。
より具体的に説明すれば、第２の状態では、キャパシタ（Ｃａｒｃ）に電荷が蓄積されて電流が減少し得る。このとき、キャパシタ（Ｃａｒｃ）の蓄積が完了する場合、第２の等価回路は開放（Open）され得る。
このとき、第２の等価回路では、逆起電力（Ｖｐｅａｋ）が発生し得る。ここで、逆起電力は、第２の等価回路内のインダクタンス成分によって下記数式５のように発生し得る。
Ｖｐｅａｋ：逆起電力
Ｒａｒｃ：ヒューズ内部の抵抗
ここで、スイッチは、事前に設定されたしきい値を基準に第１の状態から第２の状態への状態遷移が発生する場合、スイッチングされ得る。例えば、上記しきい値は、電流の二乗（Ｉ２）に時間（ｔ）をかけた値であり、ヒューズの定格データシート又は短絡発生実験データに基づいて算出され得る。
再び図５を参照すれば、プロセッサ２０００は、数式化された第１の等価回路、第２の等価回路を内部等価回路に反映して、短絡状態時にヒューズの状態に応じて上記第１のモード又は上記第２のモードで提供される短絡電流予測モデルを獲得し得る（Ｓ４５００）。ここで、短絡電流予測モデルは、短絡発生時にヒューズの状態に応じて、電池システムに発生する短絡電圧及び短絡電流の値を数式で表現したモデルであってよい。
短絡電流予測モデルを獲得する方法をより詳しく説明すれば、プロセッサ２０００は、内部等価回路、数式化された第１の等価回路及び第２の等価回路をヒューズの短絡状態に応じて結合し得る。
一実施例によれば、プロセッサ２０００は、内部等価回路に基づいて、過渡状態での電池の電気的な特性を反映した第１の等価回路の数式及び第１の状態（melting）でのヒューズの電気的特性を反映した第２の等価回路の数式に内部等価回路を反映して、第１のモードの短絡電流予測モデルを獲得することができる。
第１のモードでの短絡電流予測モデルは、下記数式６のように表され得る。
Ｖｓｃ：第１のモードでの短絡電圧
Ｉｓｃ：第１のモードでの短絡電流
Ｒｉ：第１の抵抗
Ｒｉｃ：内部抵抗
Ｒｅｃ：外部抵抗
Ｌｉｃ：内部インダクタンス
Ｌｅｃ：外部インダクタンス
Ｃａｒｃ：ヒューズ内部のキャパシタ
Ｒａｒｃ：ヒューズ内部の抵抗
他の実施例によれば、プロセッサ２０００は、定常状態での電池の電気的な特性を反映した第１の等価回路の数式及び第２の状態（Clearing）でのヒューズの電気的特性を反映した第２の等価回路の数式に内部等価回路を反映して、第２のモードの短絡電流予測モデルを獲得することができる。
第２のモードでの短絡電流予測モデルは、下記数式７のように表され得る。
Ｖｓｃ：第２のモードでの短絡電圧
Ｉｓｃ：第２のモードでの短絡電流
Ｒｉ：第１の抵抗
Ｒｉｃ：内部抵抗
Ｌｉｃ：内部インダクタンス
Ｌｅｃ：外部インダクタンス
Ｃａｒｃ：ヒューズ内部のキャパシタ
Ｒａｒｃ：ヒューズ内部の抵抗
Ｖｆｕｓｅ：ヒューズ内部の電圧
その後、プロセッサ２０００は、第１のモード又は第２のモードでの短絡電流予測モデルのパラメータ値を算出して、電池電圧による短絡電流を予測することができる（Ｓ５０００）。
短絡電流予測モデルのパラメータ値を算出する方法は、下記図１３を参照してより詳しく説明する。
図１３は、本発明の実施例に係る短絡電流予測モデルのパラメータ値を算出するためのフロー図である。
図１３を参照すれば、プロセッサ２０００は、事前に獲得した短絡発生実験データを用いて、短絡電流予測モデル内のインダクタンス（Ｌ）を除くパラメータ値を適用することができる（Ｓ５１００）。
図１４は、本発明の実施例に係る、ヒューズの状態に応じて電池の電圧－電流変化を測定した短絡発生実験グラフである。
図１３及び図１４を参照すれば、短絡発生実験データは、ヒューズの状態に応じて電池システム内の短絡電流を事前にシミュレーションしたデータであってよい。
プロセッサ２０００は、短絡発生実験データから、総インダクタンス（Ｌｔｏｔａｌ）を除く、電圧、抵抗及びキャパシタなどのパラメータの値を獲得して、短絡電流予測モデルに適用することができる。
その後、プロセッサ２０００は、パラメータ値が適用された短絡電流予測モデルから、残った未知数であるインダクタンス（Ｌ）の値を抽出することができる（Ｓ５３００）。例えば、インダクタンス（Ｌ）は、図１２に開示されたＡ区間での短絡電流の特性曲線からカーブフィッティング（Curve fitting）を用いて算出することができる。ここで、インダクタンス（Ｌ）は、電池内部のインダクタンス（Ｌｉｃ）及び外部のインダクタンス（Ｌｅｃ）が合わせられた総インダクタンス（Ｌｔｏｔａｌ）値であってよい。
実施例によってより具体的に説明すれば、電池システムの場合、初期には高い周波数成分のためインダクタンス（Ｌ）の値が支配的な影響を及ぼすことができる。これによって、プロセッサ２０００は、下記数式８及び数式９のように、インダクタンス（Ｌ）の比によって変わる短絡電圧（Ｖｓｃ）の特性を用いて、内部インダクタンス（Ｌｉｃ） を算出することができる（Ｓ５５００）。 ここで、外部インダクタンスは実験を通じて与えられる。
Ｌｅｃ：電池の外部インダクタンス
Ｌｔｏｔａｌ：電池システム内の総インダクタンス
Ｌｉｃ：電池の内部インダクタンス
その後、プロセッサ２０００は、下記数式１０を参照して、ヒューズ内部の抵抗（Ｒａｒｃ）値を算出することができる（Ｓ５７００）。
Ｉｓｃ：短絡電流
実施例によってより具体的に説明すれば、プロセッサ２０００は、事前に獲得した短絡発生実験データに基づいて、逆起電力が発生する電圧の大きさ（Ｖｐｅａｋ）及び短絡電流の値（Ｉｓｃ）を短絡電流予測モデルに適用して、ヒューズ内部の抵抗値を算出することができる。
その後、プロセッサ２０００は、短絡電流予測モデル内の一つ残った未知数であるキャパシタ（Ｃａｒｃ）の値を抽出することができる（Ｓ５９００）。例えば、プロセッサ２０００は、カーブフィッティング（Curve fitting）を用いて、キャパシタ（Ｃａｒｃ）の値を抽出することができる。
要するに、プロセッサ２０００は、事前に獲得した短絡発生実験データに基づいて、第１のモード又は第２のモードによる短絡電流予測モデルの構成パラメータを全部算出することができるので、電池システム内での電池の電気的特性及びヒューズの電気的特性をいずれも反映した短絡電流の精密な予測が可能となる。
以上、本発明の実施例に係る短絡電流予測装置及び方法を説明した。
本発明の実施例に係る短絡電流予測装置及び方法は、ＤＣ回路での短絡状態を反映する内部等価回路を導出し、上記電池の電気的特性を考慮した第１の等価回路を導出し、上記ヒューズの電気的特性を考慮した第２の等価回路を導出し、上記内部等価回路を基準に、上記第１の等価回路及び上記第２の等価回路を反映して短絡電流予測モデルを獲得し、上記短絡電流予測モデルを用いて、電池電圧による短絡電流を予測することにより、並列接続された電池システムでの機械的及び化学的特性がいずれも反映され、事前に獲得した短絡発生実験データに基づいて、電池モジュール、ラック、システム（バンク）単位の高精度な短絡電流予測が可能であって、電池保護装置の設計時に実施する短絡発生実験回数を減らし、電池システムの開発時に電池の最大並列接続個数を決定することに使用されることにより、開発日程が遅延することを防止する、高効率及び低コストの短絡電流予測装置及び方法を提供することができる。
本発明の一部の側面は、装置の文脈で説明されたが、それは、対応する方法による説明も示すことができ、ここで、ブロック又は装置は、方法ステップ又は方法ステップの特徴に対応する。同様に、方法の文脈で説明された側面は、対応するブロック又はアイテム又は対応する装置の特徴で示すことができる。方法ステップのいくつか又は全部は、例えばマイクロプロセッサ、プログラム可能なコンピュータ又は電子回路のようなハードウェア装置によって（又は用いて）行われることができる。いくつかの実施例において、最も重要な方法ステップの一つ以上は、このような装置によって行われることができる。
以上、本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当該技術分野の熟練した当業者は、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正及び変更できることを理解するであろう。
１０００ メモリ
２０００ プロセッサ
３０００ 送受信装置
４０００ 入力インターフェース装置
５０００ 出力インターフェース装置
６０００ 記憶装置
７０００ バス

Claims (14)

  1. 電池及び前記電池を保護するためのヒューズを含む電池システムでの短絡電流を予測する装置であって、
    メモリ、及び
    前記メモリ内の少なくとも一つの命令を実行するプロセッサを含み、
    前記少なくとも一つの命令は、
    ＤＣ回路での短絡状態を反映する前記電池の内部等価回路を導出するための命令、
    前記電池の電気的特性を考慮した第１の等価回路を導出するための命令、
    前記ヒューズの電気的特性を考慮した第２の等価回路を導出するための命令、
    前記内部等価回路を基準に、前記第１の等価回路及び前記第２の等価回路を反映して短絡電流予測モデルを獲得するための命令、並びに
    前記短絡電流予測モデルを用いて、電池電圧による短絡電流を予測するための命令
    を含む、短絡電流予測装置。
  2. 前記第１の等価回路は、
    前記電池における第１の抵抗と第２の抵抗とが直列接続され、前記第２の抵抗がキャパシタと並列接続された回路を含む、請求項１に記載の短絡電流予測装置。
  3. 前記第２の等価回路は、
    前記ヒューズの抵抗とキャパシタとが直列接続される回路及びスイッチを含む、請求項１に記載の短絡電流予測装置。
  4. 前記スイッチは、ＯＮ／ＯＦＦ状態に応じて、
    アーク（Arc）が発生する前の、前記ヒューズ（Fuse）の内部に発生した熱によって導体が溶け始める第１の状態、又は
    アーク（Arc）の発生によって導体が溶けて空気中に電流が流れる第２の状態
    を示す、請求項３に記載の短絡電流予測装置。
  5. 前記短絡電流予測モデルを獲得するための命令は、
    前記第１の等価回路を数式化するための命令、
    前記第２の等価回路を数式化するための命令、並びに
    数式化された前記第１の等価回路及び前記第２の等価回路を前記内部等価回路に反映し、短絡発生実験データを用いて、前記第１の状態又は前記第２の状態に応じた前記短絡電流予測モデルを獲得するための命令を含む、請求項４に記載の短絡電流予測装置。
  6. 前記内部等価回路は、
    ＲＬ回路に基づく前記電池の内部抵抗及び内部インダクタを含む、請求項１に記載の短絡電流予測装置。
  7. 前記第１の状態での前記短絡電流予測モデルは、過渡状態（transient state）での前記電池の機械的特性を含み、
    前記第２の状態での前記短絡電流予測モデルは、過渡状態での前記電池の機械的特性及び定常状態（stationary state）での前記電池の化学的特性を含む、請求項５に記載の短絡電流予測装置。
  8. 電池及び前記電池を保護するためのヒューズを含む電池システムでの短絡電流を予測する方法であって、
    ＤＣ回路での短絡状態を反映する前記電池の内部等価回路を導出するステップ、
    前記電池の電気的特性を考慮した第１の等価回路を導出するステップ、
    前記ヒューズの電気的特性を考慮した第２の等価回路を導出するステップ、
    前記内部等価回路を基準に、前記第１の等価回路及び前記第２の等価回路を反映して短絡電流予測モデルを獲得するステップ、並びに
    前記短絡電流予測モデルを用いて、電池電圧による短絡電流を予測するステップを含む、短絡電流予測方法。
  9. 前記第１の等価回路は、
    前記電池における第１の抵抗と第２の抵抗とが直列接続され、前記第２の抵抗がキャパシタと並列接続された回路を含む、請求項８に記載の短絡電流予測方法。
  10. 前記第２の等価回路は、
    前記ヒューズの抵抗とキャパシタとが直列接続される回路及びスイッチを含む、請求項８に記載の短絡電流予測方法。
  11. 前記スイッチは、ＯＮ／ＯＦＦ状態に応じて、
    アーク（Arc）が発生する前の、前記ヒューズ（Fuse）の内部に発生した熱によって導体が溶け始める第１の状態、又は
    アーク（Arc）の発生によって導体が溶けて空気中に電流が流れる第２の状態を示す、請求項１０に記載の短絡電流予測方法。
  12. 前記短絡電流予測モデルを獲得するステップは、
    前記第１の等価回路を数式化するステップ、
    前記第２の等価回路を数式化するステップ、並びに
    数式化された前記第１の等価回路及び前記第２の等価回路を前記内部等価回路に反映し、短絡発生実験データを用いて、前記第１の状態又は前記第２の状態に応じた前記短絡電流予測モデルを獲得するステップを含む、請求項１１に記載の短絡電流予測方法。
  13. 前記内部等価回路は、
    ＲＬ回路に基づく前記電池の内部抵抗及び内部インダクタを含む、請求項８に記載の 短絡電流予測方法。
  14. 前記第１の状態での前記短絡電流予測モデルは、過渡状態（transient state）での前記電池の機械的特性を含み、
    前記第２の状態での前記短絡電流予測モデルは、過渡状態での前記電池の機械的特性及び定常状態（stationary state）での前記電池の化学的特性を含む、請求項１２に記載の短絡電流予測方法。
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