KR101081087B1 - Method for measuring internal resistance of a high voltage battery cell of automobile - Google Patents
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Abstract
차량용 고전압 리튬 배터리의 팩 내의 각 단위 셀에 대한 상태 추정을 위하여 차량 주행 중에도 각 셀의 내부 저항을 측정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a method of measuring internal resistance of each cell even while driving a vehicle in order to estimate a state of each unit cell in a pack of a vehicle high voltage lithium battery.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리의 셀 내부 저항 측정 방법은, 배터리의 전류 및 전압을 측정하는 단계; 측정된 상기 전류 및 전압 값을 입력받아 최소 자승법에 의하여 배터리 저항을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Method for measuring the cell internal resistance of the battery of the present invention for achieving the above object, measuring the current and voltage of the battery; And receiving the measured current and voltage values by measuring a battery resistance by a least squares method.
배터리, 저항 측정 Battery, resistance measurement
Description
본 발명은 차량용 고전압 배터리의 셀 내부 저항 측정 방법에 관한 것이다. 가솔린이나 중유를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해 발생을 줄이기 위하여, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 전기 자동차는 배터리에서 출력되는 전기에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 이용하는 자동차이다. 이러한 전기 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지가 하나의 팩으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다. 한편, 하이브리드 자동차라 함은 내연 엔진을 이용하는 자동차와 전기 자동차의 중간 단계의 자동차로서, 두가지 이상의 동력원, 예컨대 내연 엔진 및 배터리 엔진을 사용하는 자동차이다. 현재에는, 내연 엔진과 수소와 산소를 연속적으로 공급하면서 화학반응을 일으켜 직접 전기 에너지를 얻는 연료 전지를 이용하거나, 배터리와 연료 전지를 이용하는 등 혼합된 형태의 하이브리드 자동차가 개발되고 있다.The present invention relates to a method for measuring the internal cell resistance of a high voltage battery for a vehicle. Automobiles using internal combustion engines that use gasoline or heavy oil as their main fuels have serious effects on pollution, such as air pollution. Therefore, in recent years, in order to reduce the occurrence of pollution, much efforts have been made in the development of electric vehicles or hybrid vehicles. An electric vehicle is a vehicle using a battery engine operated by electric energy output from a battery. Such an electric vehicle uses no battery as a main power source because a plurality of secondary batteries capable of charging and discharging are used as a pack, and thus, there is no exhaust gas and noise is very small. A hybrid vehicle, on the other hand, is an intermediate vehicle between an automobile using an internal combustion engine and an electric vehicle, and a vehicle using two or more power sources, such as an internal combustion engine and a battery engine. At present, a hybrid vehicle of a hybrid type has been developed, such as using a fuel cell that directly generates an electric energy by chemical reaction while continuously supplying an internal combustion engine and hydrogen and oxygen, or uses a battery and a fuel cell.
이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리의 성능이 자동차의 성능 에 직접적인 영향을 미치므로, 각 전지 셀의 전압, 전류, 저항등을 측정하여 배터리의 상태를 진단할 수 있다.As described above, the vehicle using electric energy directly affects the performance of the vehicle, and thus, the battery state can be diagnosed by measuring voltage, current, and resistance of each battery cell.
전기화학 반응을 일으키는 배터리는 사용 시간이 증가할수록 내부에서 일으키는 비 가역 반응에 의하여 그 특성이 달라지게 된다. 대표적인 특성 변화로 내부 저항 증가가 있으며, 이로 인해 전압 특성 및 온도 특성, 용량 퇴화 등이 나타난다. 즉, 내부 저항을 정확히 측정해 낼 경우 배터리의 퇴화 정도 등의 배터리 상태를 진단할 수 있다. 그러나 기존의 내부 저항 측정은 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이 내부 저항 측정 장치를 구성하여 내부 저항을 측정하였다. 또는 배터리의 입력 전류에 대한 전압 출력을 모델링 해석을 통해 내부 저항을 추정하는 방식이 있다. 그러나 차량에 탑재된 상태에서 내부 저항 측정을 위하여 배터리를 탈거하기란 쉬운 일이 아니며, 시간/비용 등의 문제가 발생한다. 또한 차량에 내부 저항 측정을 위한 별도의 장치를 구성할 경우 부품의 비용 상승 문제가 발생하게 된다. 그리고 모델링 기법을 이용하여 입력에 대한 출력 값을 해석하는 방식을 임베디드 환경에 적용하기에 어려운 점이 있다. 따라서 본 발명에서는 차량의 실제 주행 중에 BMS에서 측정한 배터리 전압/전류/온도 데이터를 이용하여 배터리 내부저항을 추정하는 방법을 제안하고자 한다.Batteries that produce electrochemical reactions are characterized by non-reversible reactions generated internally as the use time increases. A typical characteristic change is an increase in internal resistance, which results in voltage characteristics, temperature characteristics, and capacity degradation. In other words, if the internal resistance is accurately measured, it is possible to diagnose the battery condition such as the degree of deterioration of the battery. However, in the conventional internal resistance measurement, the internal resistance was measured by configuring an internal resistance measuring apparatus as shown in FIGS. 1 and 2. Alternatively, the internal resistance may be estimated by modeling and analyzing the voltage output of the battery's input current. However, it is not easy to remove the battery to measure the internal resistance while the vehicle is mounted on the vehicle, and problems such as time / cost occur. In addition, if the vehicle is configured with a separate device for measuring the internal resistance, there is a problem of increasing the cost of the parts. In addition, it is difficult to apply the modeling method to the embedded environment to interpret the output value for the input. Accordingly, the present invention proposes a method of estimating battery internal resistance using battery voltage / current / temperature data measured by BMS during actual driving of a vehicle.
기존의 내부 저항 측정은 도 1에 나타난 바와 같이 별도의 내부 저항 측정 장치에 연결하거나, 도 2의 내부 저항 측정 장치를 구성하여 내부 저항을 측정하였다. 또는 배터리의 입력 전류에 대한 전압 출력을 모델링 해석을 통해 내부 저항을 추정하는 방식이 있다. 그러나 차량에 탑재된 상태에서 내부 저항 측정을 위하여 배터리를 탈거하기란 쉬운 일이 아니며, 시간/비용 등의 문제가 발생한다. 또한 차량에 내부 저항 측정을 위한 별도의 장치를 구성할 경우 부품의 비용 상승 문제가 발생하게 된다. 그리고 모델링 기법을 이용하여 입력에 대한 출력 값을 해석하는 방식을 임베디드 환경에 적용하기에 어려운 점이 있다. 따라서 본 발명에서는 차량의 실제 주행 중에 BMS에서 측정한 배터리 전압/전류/온도 데이터를 이용하여 배터리 셀의 내부저항을 추정하는 방법을 제안하고자 한다.The conventional internal resistance measurement is connected to a separate internal resistance measurement device as shown in Figure 1, or by configuring the internal resistance measurement device of Figure 2 to measure the internal resistance. Alternatively, the internal resistance may be estimated by modeling and analyzing the voltage output of the battery's input current. However, it is not easy to remove the battery to measure the internal resistance while the vehicle is mounted on the vehicle, and problems such as time / cost occur. In addition, if the vehicle is configured with a separate device for measuring the internal resistance, there is a problem of increasing the cost of the parts. In addition, it is difficult to apply the modeling method to the embedded environment to interpret the output value for the input. Accordingly, the present invention proposes a method of estimating the internal resistance of a battery cell using battery voltage / current / temperature data measured by a BMS during actual driving of a vehicle.
본 발명의 배터리의 셀 내부 저항 측정 방법은, 배터리의 전류 및 전압을 측정하는 단계; 측정된 상기 전류 및 전압 값을 입력받아 최소 자승법에 의하여 배터리 저항을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The method for measuring internal cell resistance of a battery of the present invention includes measuring current and voltage of the battery; And receiving the measured current and voltage values by measuring a battery resistance by a least squares method.
본 발명에 따르면, 배터리의 열화로 인해 성능이 저하된 전지셀을 차량 운행중에 별도의 장치 없이 쉽고 빠르고 내부 저항을 측정하여 배터리의 내구/열화 상태를 파악할 수 있고, 이에 따른 진단 전력을 수립 가능하게 된다.According to the present invention, it is possible to determine the durability / deterioration state of the battery by measuring the internal resistance easily and quickly and without the need for a separate device during operation of the battery cell deteriorated due to battery degradation, it is possible to establish a diagnostic power accordingly do.
본 발명은 배터리 셀의 입력 전류 및 출력 전압을 측정하는 단계, 측정된 상기 전류 및 전압 값을 입력받아 최소 자승법에 의하여 배터리 셀의 저항을 측정하는 단계를 포함하는 자동차용 고전압 배터리의 셀 내부 저항 측정 방법이다. 본 발명은 상기 측정하는 단계에서, 측정 시간이 1분 이상으로 하는 것을 더 포함한다. 또한 입력받은 상기 전류 값들의 분산이 16 A2 이상인 경우에만 배터리 셀의 저항을 측정하고, 상기 배터리의 온도가 섭씨 25도 초과 섭씨 30도 미만인 경우에만 상기 배터리 셀의 저항을 측정하는 단계를 더 포함하는, 자동차용 고전압 배터리의 셀 내부 저항 측정 방법이다.The present invention provides a method for measuring internal cell resistance of a high voltage battery for a motor vehicle, including measuring the input current and the output voltage of a battery cell, and measuring the resistance of the battery cell by receiving the measured current and voltage values by a least square method. It is a way. The present invention further includes, in the measuring step, the measurement time being 1 minute or more. The method may further include measuring a resistance of the battery cell only when the received dispersion of the current values is 16 A 2 or more, and measuring the resistance of the battery cell only when the temperature of the battery is greater than 25 degrees Celsius and less than 30 degrees Celsius. It is a method of measuring the cell internal resistance of a high-voltage battery for automobiles.
도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Referring to Figure 3 will be described a preferred embodiment of the present invention.
고전압 배터리의 셀 내부 저항을 측정하기 위하여, 저항 산출을 시작(300)하게 되고, 먼저 배터리 셀의 전류와 전압을 측정한다(305). 여기서 전류와 전압은 차량의 운행중에, 배터리 셀에 연결된 전류 센서 및 전압 센서를 통해 측정하게 되고, 1초 동안 정도의 주기를 가지고 실시간으로 측정한다. 측정 주기는 운용자의 선택에 따라 조절될 수 있다.In order to measure the cell internal resistance of the high voltage battery, the resistance calculation is started 300, and first, the current and voltage of the battery cell are measured 305. Here, the current and the voltage are measured by the current sensor and the voltage sensor connected to the battery cell while the vehicle is running, and are measured in real time with a period of about 1 second. The measurement period can be adjusted according to the operator's choice.
측정 시간은 1분이다.(310) 데이터 플로팅(plotting)을 위한 최소 조건으로써, 측정 시간이 너무 짧은 경우에는 최소 자승법으로 구한 저항값의 신뢰도가 떨어지기 때문이다. 측정시간은 운용자의 선택에 따라 조절될 수 있다.The measurement time is 1 minute. (310) As the minimum condition for data plotting, when the measurement time is too short, the reliability of the resistance value obtained by the least square method is lowered. The measurement time can be adjusted according to the operator's choice.
본 발명에서는 고전압 배터리의 셀 내부 저항을 측정하기 위해 통계적 방식 을 사용하는데, 이러한 통계적인 방식을 통한 저항 추출 과정으로는 몇가지 제한 조건이 필요하다. 첫째로, 배터리는 전류의 입력에 대하여 전압 출력을 나타내는 시스템으로 전류의 크기에 따라 전압 분포를 나타낼 수 있다. 이를 좌표 평면에 나타내면 도 4와 같이 나타나며, 이를 선형으로 근사시키면 직선의 기울기가 배터리 저항 성분으로 표현되는 것이다. 그러므로 전류-전압의 산포가 도 4의 그림과 같이 선형에 가깝게 분포해야 한다. 이를 위해서 전류의 분산을 구하여 일정 값 이상일 때에만 저항을 구할 수 있다. 왜냐하면 전류의 분산이 커질수록 도 4의 선을 따라서 길이 방향으로 넓게 퍼질 수 있을 것이고, 그래야 그 기울기인 저항 값을 구할 수 있을 것이기 때문이다. 보통 선형성을 갖기 위해서는 분산이 16 A2 이상이어야 하며 로직 운용자의 선택에 따라 분산 값이 결정될 수 있다. 둘째로, 배터리의 특성은 온도 환경에 따라 다르다. 즉, 온도에 따라 전압 특성이 다르게 나타나므로 저항은 항상 동일 온도 조건에서만 산출되어야 한다. 배터리가 정상적인 특성을 나타내는 온도는 20℃ ~ 30℃ 이며, 따라서 25℃<t<30℃ 조건의 전압-전류 데이터가 적합하다. 그러므로, 측정을 완료한 전류-전압 데이터가 설정된 전류 분산을 만족하는 경우에는 저항 산출을 계속하고, 만족하지 않는 경우에는 저항 산출을 종료하게 된다.(315) 또한, 측정 중 배터리가 온도 조건을 만족하는지 여부를 판단하여, 만족하는 경우에는 저항 산출을 계속하고, 그렇지 않은 경우에는 저항 산출을 종료하게 된다.(320)In the present invention, a statistical method is used to measure the internal resistance of a cell of a high voltage battery, and the process of extracting resistance through the statistical method requires some limitations. Firstly, a battery is a system that shows a voltage output with respect to an input of a current, and thus may exhibit a voltage distribution according to the magnitude of the current. This is shown in the coordinate plane as shown in FIG. 4, and when the linear approximation is performed, the slope of the straight line is expressed as a battery resistance component. Therefore, the current-voltage distribution should be distributed nearly linearly as shown in FIG. For this purpose, the resistance can be obtained only when the current dispersion is over a certain value. This is because the larger the current dispersion, the wider it will be in the longitudinal direction along the line of Fig. 4, so that the slope, the resistance value, can be obtained. Usually, to have linearity, the variance must be 16 A 2 or more, and the variance value can be determined by the logic operator's choice. Second, the characteristics of the battery depend on the temperature environment. That is, since the voltage characteristics are different depending on the temperature, the resistance should always be calculated only under the same temperature conditions. The temperature at which the battery exhibits normal characteristics is 20 ° C. to 30 ° C., so voltage-current data of 25 ° C. <t <30 ° C. is suitable. Therefore, if the current-voltage data after the measurement satisfies the set current dispersion, the resistance calculation is continued. If the current-voltage data is not satisfied, the resistance calculation is terminated. (315) In addition, during the measurement, the battery satisfies the temperature condition. If it is satisfied, the resistance calculation is continued, and if not, the resistance calculation is terminated.
상기와 같은 조건을 만족하는 경우에는 측정된 전류-전압 데이터에 근거하여 저항을 산출하게 된다.(325) 앞서 설명한 바와 같이 배터리는 전류의 입력에 대하여 전압 출력을 나타내는 시스템으로 전류의 크기에 따라 전압 분포를 나타낼 수 있다. 이를 좌표 평면에 나타내면 도 4와 같이 나타나며, 이를 선형으로 근사시키면 직선의 기울기가 배터리 셀의 내부 저항 성분으로 표현될 수 있다. 상기 배터리 저항 값은 최소 자승법(Least Mean Square)으로 구할 수 있으며, 상세 수식은 아래와 같다.(여기서 x는 전류, y는 전압)If the above conditions are met, the resistance is calculated based on the measured current-voltage data. (325) As described above, the battery is a system that shows a voltage output with respect to the input of the current. It can represent a distribution. If this is shown in the coordinate plane as shown in FIG. 4, when the linear approximation is performed, the slope of the straight line may be expressed as an internal resistance component of the battery cell. The battery resistance value may be obtained by a least mean square method, and a detailed formula is as follows (where x is current and y is voltage).
일련의 측정값에 대하여 이론적 모델 값이 존재한다고 할 경우 이 둘의 차가 최소가 되게 하는 최적의 값을 찾는 방법으로서, 임의의 측정값이 (x1,y1), (x2,y2), (x3,y3) ... (xn,yn) 존재할 경우, 이 데이터들을 선형으로 모사하였을 때, 직선의 방정식은 다음과 같다.If there is a theoretical model value for a series of measurements, a method of finding the optimal value that minimizes the difference between them is that any of the measurements are (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3) ... (xn, yn) If present, the linear equation is
이 때, 계산된 값과 측정된 값 간의 오차는 다음과 같이 표현되며,At this time, the error between the calculated value and the measured value is expressed as follows,
오차의 합은 0이 되므로, 오차의 제곱의 합을 다음과 같이 구한다.Since the sum of the errors is zero, the sum of the squares of the errors is obtained as follows.
이 값을 최소가 되게 하기 위해서는 a와 b에 대한 편 미분 값이 0이어야 한다. 즉,To minimize this value, the partial derivatives for a and b must be zero. In other words,
각 식에 대한 방정식은 다음과 같이 정리할 수 있다.The equation for each equation can be summarized as follows.
이 식에 대한 해를 구하면, 우리가 얻고자 하는 직선의 기울기는If we solve this equation, the slope of the line we want to get is
이 된다. 즉, 전류/전압 데이터를 통해 실시간으로 배터리 셀의 내부 저항을 측정할 수 있다.Becomes That is, the internal resistance of the battery cell may be measured in real time through the current / voltage data.
이렇게 실시간으로 배터리 셀의 저항을 측정하게 되면 차량용 배터리의 내구/열화 상태를 파악할 수 있고, 이에 따른 진단 전략을 수립 가능하게 된다. 또한 상기와 같은 구성을 통하면 내부 저항 측정을 위하여 배터리를 탈거 할 필요가 없고, 내부 저항 측정을 위한 별도의 장치를 구성할 필요가 없다는 장점이 있다.When the resistance of the battery cell is measured in real time, it is possible to determine the durability / deterioration state of the vehicle battery and to establish a diagnosis strategy accordingly. In addition, through the above configuration, there is no need to remove the battery for measuring the internal resistance, there is an advantage that does not need to configure a separate device for measuring the internal resistance.
이상, 본 발명을 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 전술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 방식으로 변경, 수정될 수 있다는 것은 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 후술하는 특허 청구의 범위 및 그 등가물에 의해서만 제한된다.As mentioned above, although the present invention has been described with reference to the drawings, it will be understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above description and can be changed and modified in various ways without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the invention is limited only by the following claims and their equivalents.
도 1은 기존 발명에 따른 전기 화학 전지의 내부저항 측정장치에 대한 구성을 도시한 블록도이다.1 is a block diagram showing the configuration of the internal resistance measuring apparatus of the electrochemical cell according to the existing invention.
도 2는 기존 발명에 따른 내부 저항 측정을 위한 MCU 구성을 도시한 블록도이다.2 is a block diagram illustrating a MCU configuration for measuring internal resistance according to an existing invention.
도 3은 본 발명에 따른 차량용 고전압 배터리의 셀 내부 저항 측정 방법에 관한 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a method for measuring internal cell resistance of a high voltage battery for a vehicle according to the present invention.
도 4는 저항을 구하기 위해 측정된 전압-전류 데이터 그래프이다.4 is a graph of voltage-current data measured to find the resistance.
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