KR101331325B1 - 전지 셀의 임피던스를 연산하기 위한 디바이스 및 전지 임피던스 측정 시스템 - Google Patents

전지 셀의 임피던스를 연산하기 위한 디바이스 및 전지 임피던스 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

각각의 주파수 영역들에 대한 전지 셀의 임피던스들을 연산하기 위한 디바이스가 여기서 제공된다. 그 디바이스는: 상기 전지 셀로부터 출력되는 전압 파형 데이터 및 전류 파형 데이터에 관해 푸리에 변환을 수행하고, 상기 전압 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터를 상기 전류 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터로 나눔으로써 상기 전지 셀의 임피던스를 연산하도록 구성되는 푸리에 변환 연산부; 상기 푸리에 변환 연산부에 의해 연산된 임피던스에 기초하여, 상기 전지 셀의 미리결정된 등가 회로 모델의 회로 상수들을 추정하도록 구성되는 회로 상수 추정부; 및 상기 추정된 회로 상수들 및 상기 등가 회로 모델에 기초하여, 각각의 주파수 영역들에 대한 상기 전지 셀의 임피던스들을 추정하도록 구성되는 임피던스 추정부를 포함한다.

Description

전지 셀의 임피던스를 연산하기 위한 디바이스 및 전지 임피던스 측정 시스템{DEVICE FOR CALCULATING IMPEDANCES OF BATTERY CELL AND BATTERY IMPEDANCE MEASURING SYSTEM}
여기서 설명되는 실시형태들은 각각의 주파수 영역들에 대한 전지 셀의 임피던스들을 연산하기 위한 디바이스 및 전지 임피던스 측정 시스템에 관한 것이다.
반복 충전되는 2차 전지들은 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 주행 모터에 대한 구동 전원으로서 널리 사용되고 있다. 또한, 2차 전지는 화석 연료에 의지하지 않는, 환경 부하가 비교적 적은 태양 발전이나 풍력 발전 등으로부터 획득되는 에너지를 저장할 수도 있다는 관점으로부터도, 산업계나 공공기관이나 일반 가정 등에서도 넓게 이용되고 있다.
일반적으로, 이들의 2차 전지는, 원하는 출력 전압이 획득되는 미리결정된 수의 전지 셀들이 직렬로 연결되도록, 또는 원하는 출력 전압이 획득되는 미리결정된 수의 전지 모듈들이 원하는 전류 용량 (AH) 을 획득하기 위해 병렬로 연결되도록 구성된다.
그런데, 자동차에 주행 모터를 위한 구동 전원으로서 탑재되는 2차 전지는, 충전 시간, 운행 거리 등의 편리성 면에서, 리튬 이온 전지가 주류가 될 것이라고 생각되고 있다.
도 10은, 종래의 2차 전지를 사용한 전지 시스템의 일 예를 도시한 블록도를 나타낸다. 도 10에서, 전지 모듈 (10) 은, 복수의 전지 셀들 (111 내지 11n) 및 전류 센서 (12) 가 직렬로 연결되고, 전지 모듈 (10) 이 부하 (L) 에 직렬로 연결되는 방식으로 구성된다.
전지 모니터링 디바이스 (20) 는, 전지 모듈 (10) 을 구성하는 전류 센서 (12) 및 복수의 전지 셀들 (111 내지 11n) 에 독립적으로 대응하도록 제공되는 복수의 A/D 변환기들 (211 내지 21n+1), 및 그 A/D 변환기들 (211 내지 21n+1) 의 출력 데이터가 내부 버스 (22) 를 통해 입력되는 처리 디바이스 (23) 를 포함한다.
전지 모듈 (10) 의 각각의 전지 셀들 (111 내지 11n) 의 출력 전압과 전지 모듈 (10) 의 전류 센서 (12) 의 검출 신호는, 대응하는 A/D변환기들 (211 내지 21n+1) 에 입력되어 디지털 신호들로 변환되어 그 A/D 변환기들 (211 내지 21n+1) 의 출력 데이터는 내부 버스 (22) 를 통해 처리 디바이스 (23) 에 입력된다.
처리 디바이스 (23) 는, A/D 변환기들 (211 내지 21n+1) 의 출력 데이터에 기초하여, 예를 들어 각각의 전지 셀들 (111 내지 11n) 의 내부 저항값을 획득하고, 내부 저항값으로부터 원하는 전류를 인출하는 경우의 전압 강하에 대응하는 값을 추정해, 이들의 데이터를 외부 버스 (30) 를 통해 호스트 전지 시스템 제어부 (40) 에 송신한다.
전지 시스템 제어부 (40) 는, 전지 모니터링 디바이스 (20) 로부터의 데이터 입력에 기초해, 전지 모듈 (1O) 의 현재의 출력 전압에 의해 안정적으로 부하 디바이스 (L) 을 구동할 수 있도록, 전지 모듈 (1O) 및 부하 디바이스 (L) 을 제어한다.
전지 모듈 (10) 을 구성하는 2차 전지의 성능을 평가하는 지표로서, 도 11 및 도 12에 나타낸 내부 임피던스 특성을 예로 들 수도 있다. 도 11은 완전히 충전된 전지를 고온 상태에 방치했을 경우의 임피던스 특성 예를 도시하는 다이어그램을 나타내며, 도 12는 고온 상태로 충방전을 반복했을 경우에 있어서의 임피던스 특성 예를 도시하는 다이어그램을 나타낸다. 또한, 도 11 및 도 12에 있어서, 좌측 도면은 AC 임피던스 측정 결과에 기초하는 복소 임피던스를 복소 좌표에 플롯 (plot) 한 콜-콜 (Cole-Cole) 플롯을 도시하며, 우측 도면은 임피던스 주파수 특성을 나타내는 보드 선도를 도시하고 있다.
도 11의 좌측 도면은, 방치 기간이 예를 들어 1년, 2년,··· 길어지는데 따라서 AC 임피던스가 증가하는 과정을 나타내고 있다. 도 12의 좌측 도면은, 충방전이 예를 들어 50회, 10O회,···동안 반복됨에 따라서 AC 임피던스가 증가하는 과정을 나타내고 있다.
임피던스가 증가함에 따라, 전류를 생성할 때 전지의 전압 강하가 증가하여, 충분한 출력 전압을 획득할 수 없게 된다. 우측 도면의 주파수가 낮은 부분은, 자동차의 액셀을 오랜 시간 계속 밟는 경우에 상당한다. 이들의 데이터로부터, 주파수가 낮은 부분에서는 임피던스가 증가하기 때문에, 전압 강하가 차츰 증가하는 것이 추측될 수 있다. 즉, 전지의 열화에 따라 출력 특성이 변화해, 충분한 출력이 생성되지 않을 수도 있다.
도 13은 2차 전지의 AC 임피던스를 측정하는 종래의 측정 회로의 일 예를 도시한 블록도를 나타내며, 도 13에서 도 10과 동일한 부분들에는 동일한 참조 부호를 붙이고 있다. 도 13에서, 전지 (10) 와 전류 센서 (12) 의 직렬 회로의 양단에는, 스윕 (sweep) 신호 발생부 (50) 가 연결되어 있다. 이 스윕 신호 발생부 (50) 는, 도 11 및 도 12의 우측 도면에 나타낸 주파수 특성 영역을 포함하는 범위 내에서 출력 주파수가 스위핑 방식으로 변화하는 AC 신호를, 전지 (10) 및 전류 센서 (12)의 직렬 회로에 출력한다.
AC 전압 모니터부 (60) 는, 전지 (10) 의 양단의 AC 전압을 측정해 이 AC 전압을 임피던스 연산부 (80) 에 입력한다. AC 전류 모니터부 (70) 는, 전류 센서 (12) 에 흐르는 AC 전류를 측정해 이 AC 전류를 임피던스 연산부 (80) 에 입력한다.
임피던스 연산부 (80) 는, 스윕 신호 발생부 (50) 의 출력 신호의 각 주파수에서의 AC 전압 모니터부 (60) 의 측정 전압과, AC 전류 모니터부 (70) 의 측정 전류 사이의 비율인 전지 (10) 의 복소 임피던스를 연산한다. 이들 연산된 복소 임피던스를 복소 평면에 플롯함으로써, 도 11 및 도 12에 나타낸 콜-콜 플롯을 획득할 수 있다.
이런 방식으로 작성되는 콜-콜 플롯으로부터, 예를 들어 도 14에서 나타낸 바와 같은 전지 (10) 의 등가 회로의 각 파라미터를 추정할 수도 있다. 또한, 도 14의 등가 회로에서는, 직류 전원 (E), 저항 (R1), 저항 (R2) 과 캐패시터 (C2) 의 병렬 회로, 저항 (R3) 와 캐패시터 (C3) 의 병렬 회로, 및 저항 (R4) 과 인덕턴스 (L4) 의 병렬 회로가 직렬 연결되어 있다. 교류법 (alternating current method) 에 의한 임피던스의 측정에 대해서, 자동 측정 방법도 포함해 일본 공개 특허 공보 2003-4780 호에 상세하게 개시되어 있다.
일본 공개 특허 공보 2003-4780 호
상술한 바와 같이, 전지의 내부 임피던스 특성의 측정을 통해 전지의 여러 가지 정보를 획득할 수도 있으므로, 전지를 실제로 사용하고 있는 자동차, 발전 플랜트, 가정용 축전 시스템 등과 같은 곳에 있어서 전지의 내부 임피던스 특성을 측정할 수도 있는 경우, 그 정보에 기초하여 전지의 현재 상태가 확인될 수도 있고, 전지의 현재 상태에 따라 최대한 유효하게 사용되도록 제어될 수 있다.
그러나, 도 1O에 나타낸 종래의 시스템 구성에서는, 각 전지 셀들 (111 내지 11n) 의 내부 저항값이 획득될 수도 있지만, 처리 디바이스 (23) 와 전지 시스템 제어부 (40) 사이의 데이터 통신이 간헐적으로 수행되기 때문에, 각 전지 셀들 (111 내지 11n) 의 전압 데이터는 주기가 예를 들어 1OO ms 이상의 이산적 데이터가 되어 버린다.
그 결과, 단지, 전압, 전류, 온도 등을 포함하는 테이블을 참조해 각 전지 셀들 (111 내지 11n) 의 상태가 검출될 수도 있을 뿐, 많은 정보가 총괄적으로 포함된 각 전지 셀들 (111 내지 11n) 의 내부 임피던스 특성이 측정되지 못할 수도 있다.
또한, 도 13에 나타낸 종래의 측정 회로에 의하면. 스윕 신호 발생부 (50) 가 필요하고, 현장 (on-site) 의 각 셀에 대해 도 13에 나타낸 측정 회로를 실장하는 것은 비용 및 공간의 양자의 견지에서 곤란하다.
본 발명의 예시적인 양태로는, 전지를 실제로 사용하고 있는 예를 들어, 자동차, 발전 플랜트, 가정용 축전 시스템 등과 같은 곳에서 전지 모니터링 디바이스로 사용되는 전지의 내부 임피던스 특성을 실시간으로 측정할 수 있는 전지 임피던스 측정 디바이스를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 각각의 주파수 영역들에 대한 전지 셀 (11) 의 임피던스들을 연산하기 위한 디바이스 (24, 24c) 가 제공된다. 상기 디바이스는: 상기 전지 셀로부터 출력되는 전압 파형 데이터 및 전류 파형 데이터에 관해 푸리에 변환을 수행하고, 상기 전압 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터를 상기 전류 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터로 나눔으로써 상기 전지 셀의 임피던스를 연산하도록 구성되는 푸리에 변환 연산부 (c2); 상기 푸리에 변환 연산부에 의해 연산된 임피던스에 기초하여, 상기 전지 셀의 미리결정된 등가 회로 모델의 회로 상수들을 추정하도록 구성되는 회로 상수 추정부 (c4); 및 상기 추정된 회로 상수들 및 상기 등가 회로 모델에 기초하여, 각각의 주파수 영역들에 대한 상기 전지 셀의 임피던스들을 추정하도록 구성되는 임피던스 추정부 (c7) 를 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 각각의 주파수 영역들에 대한 전지 셀 (11) 의 임피던스들을 연산하기 위한 디바이스 (24, 24c) 가 제공된다. 상기 디바이스는: 상기 전지 셀로부터 출력되는 전압 파형 데이터 및 전류 파형 데이터에 관해 푸리에 변환을 수행하고, 상기 전압 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터를 상기 전류 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터로 나눔으로써 상기 전지 셀의 임피던스를 연산하도록 구성되는 푸리에 변환 연산부 (c2); 상기 푸리에 변환 연산부에 의해 연산된 임피던스에 기초하여, 복수의 등가 회로 모델 중에서 특정 등가 회로 모델을 선택하도록 구성되는 회로 모델 선택부 (c9); 및 상기 푸리에 변환 연산부에 의해 연산된 임피던스에 기초하여, 상기 선택된 등가 회로 모델의 회로 상수를 추정하도록 구성되는 회로 상수 추정부 (c4) 를 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 상기 디바이스는: 상기 추정된 회로 상수들 중 불변 회로 상수 (R4, L4) 를 저장하도록 구성되는 불변 회로 상수 저장부 (c5); 및 상기 추정된 회로 상수들 중 가변 회로 상수 (R1, R2, C2...) 를 저장하도록 구성되는 가변 회로 상수 저장부 (c6) 를 더 포함한다. 상기 임피던스 추정부는 상기 불변 회로 상수, 상기 가변 회로 상수, 및 상기 등가 회로 모델에 기초하여 상기 전지 셀의 임피던스들을 추정하도록 구성된다.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 상기 회로 모델 선택부는 다음의 단계들에 기초하여 상기 특정 등가 회로 모델을 선택하도록 구성된다: 1) 와버그 소자 (Warburg element) 의 유무; 2) LR 병렬 회로의 유무; 및 3) RC 병렬 회로의 스테이지의 수.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 상기 푸리에 변환 연산부는, 상기 전압 파형 데이터 및 상기 전류 파형 데이터에 관해 이산 푸리에 변환을 수행하고, 상기 전압 파형 데이터의 이산 푸리에 변환 데이터를 상기 전류 파형 데이터의 이산 푸리에 변환 데이터로 나눔으로써 상기 전지 셀의 임피던스를 연산하도록 구성되는 이산 푸리에 변환 연산부이다.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 상기 푸리에 변환 연산부는, 상기 전압 파형 데이터 및 상기 전류 파형 데이터에 관해 고속 푸리에 변환을 수행하고, 상기 전압 파형 데이터의 고속 푸리에 변환 데이터를 상기 전류 파형 데이터의 고속 푸리에 변환 데이터로 나눔으로써 상기 전지 셀의 임피던스를 연산하도록 구성되는 고속 푸리에 변환 연산부이다.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 전지 임피던스 측정 시스템이 제공된다. 상기 시스템은: 복수의 전지 셀들 (111...11n) 을 포함하고 부하 (L) 에 전력을 공급하도록 구성되는 전지 모듈 (10); 각각의 주파수 영역들에 대한 대응하는 전지 셀의 임피던스들을 연산하기 위해 상기 전지 셀들 중 대응하는 전지 셀에 대해 각각 제공되는 복수의 디바이스들 (241...24n) 을 포함한다. 상기 디바이스들의 각각은: 상기 대응하는 전지 셀로부터 출력되는 전압 파형 데이터 및 전류 파형 데이터에 관해 푸리에 변환을 수행하고, 상기 전압 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터를 상기 전류 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터로 나눔으로써 상기 대응하는 전지 셀의 임피던스를 연산하도록 구성되는 푸리에 변환 연산부 (c2); 상기 푸리에 변환 연산부에 의해 연산된 임피던스에 기초하여, 상기 대응하는 전지 셀의 미리결정된 등가 회로 모델의 회로 상수들을 추정하도록 구성되는 회로 상수 추정부 (c4); 및 상기 추정된 회로 상수들 및 상기 등가 회로 모델에 기초하여, 각각의 주파수 영역들에 대한 상기 대응하는 전지 셀의 임피던스들을 추정하도록 구성되는 임피던스 추정부 (c7) 를 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 예시적인 양태들에 따르면, 전지 임피던스 측정 시스템이 제공된다. 상기 시스템은: 복수의 전지 셀들 (111...11n) 을 포함하고 부하 (L) 에 전력을 공급하도록 구성되는 전지 모듈 (10); 각각의 주파수 영역들에 대한 대응하는 전지 셀의 임피던스들을 연산하기 위해 상기 전지 셀들 중 대응하는 전지 셀에 대해 각각 제공되는 복수의 디바이스들 (241...24n) 을 포함한다. 상기 디바이스들의 각각은: 상기 대응하는 전지 셀로부터 출력되는 전압 파형 데이터 및 전류 파형 데이터에 관해 푸리에 변환을 수행하고, 상기 전압 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터를 상기 전류 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터로 나눔으로써 상기 대응하는 전지 셀의 임피던스를 연산하도록 구성되는 푸리에 변환 연산부 (c2); 상기 푸리에 변환 연산부에 의해 연산된 임피던스에 기초하여, 복수의 등가 회로 모델 중에서 특정 등가 회로 모델을 선택하도록 구성되는 회로 모델 선택부 (c9); 및 상기 푸리에 변환 연산부에 의해 연산된 임피던스에 기초하여, 상기 선택된 등가 회로 모델의 회로 상수들을 추정하도록 구성되는 회로 상수 추정부 (c4) 를 포함한다.
본 발명의 다른 양태들 및 이점들은 다음의 설명, 도면들 및 청구항들로부터 명백할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전지 임피던스 측정 디바이스가 사용되는 전지 모니터링 디바이스의 구체적 예를 도시하는 블록도를 나타낸다.
도 2는 전력 및 임피던스 연산부 (24) 의 구체적 예를 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태를 도시하는 블록도를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4d는 전지의 임피던스 특성 예의 다이어그램들을 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 도 14의 등가 회로에 대하여 상수-추정 임피던스 특성 예의 다이어그램들을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 실시형태를 도시한 블록도를 나타낸다.
도 7은 a가 4인 상관 계수 Corr(i)의 그래프를 나타낸다.
도 8은 샘플 임피던스 특성 예의 다이어그램을 나타낸다.
도 9a는 다른 상관 계수의 그래프를 나타내며, 도 9b는 다른 샘플 임피던스 특성 예의 다이어그램을 나타낸다.
도 10은 종래의 2차 전지를 사용한 전지 시스템의 일 예를 도시한 블록도를 나타낸다.
도 11은 완전히 충전된 전지가 고온 상태에서 방치된 경우의 임피던스 특성 예를 도시한 다이어그램을 나타낸다.
도 12는 고온 상태로 충방전을 반복했을 경우에 있어서의 임피던스 특성 예를 도시한 다이어그램을 나타낸다.
도 13은 2차 전지의 AC 임피던스를 측정하는 종래의 측정 회로의 일 예를 도시한 블록도를 나타낸다.
도 14는 전지의 등가 회로 예의 다이어그램을 나타낸다.
도 15는 본 실시형태에 따른 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 의 하드웨어 구성을 나타내는 개략도이다.
이하, 본 발명의 실시형태들이 첨부된 도면을 참조해 상세히 설명될 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 전지 임피던스 측정 디바이스가 사용되는 전지 모니터링 디바이스의 구체적 예를 도시한 블록도이며, 도 10과 동일한 부분들에는 동일한 참조 부호를 붙이고 있다. 도 1에서, 전지 모니터링 디바이스 (20) 는, 전지 모듈 (10) 을 구성하는 복수 n개의 전지 셀들 (111 내지 11n) 에 대응하여 제공되는 복수 n개의 전력 및 임피던스 연산부들 (241 내지 24n), 그 전력 및 임피던스 연산부들 (241 내지 24n) 의 출력 데이터가 내부 버스 (25) 를 통하여 입력되는 전지 모듈 상태 관리부 (26), 및 부하 디바이스 (L) 로서의 자동차의 구동계를 구성하고 있는 액셀 (accelerator; L1) 의 움직임을 모니터링하는 액셀 워크 모니터부 (accelerator work monitor; 27) 를 포함한다.
부하 디바이스 (L) 로서의 자동차의 구동계에서는, 액셀 (L1), 인버터 (L2) 및 모터 (L3) 가 실질적으로 직렬로 연결되어 있다. 인버터 (L2) 와 전지 모듈 (10) 은 직렬로 연결되어 있고, 전지 모듈 (10) 로부터 모터 (L3) 의 회전 구동을 위해 필요한 구동 전력이 공급된다. 모터 (L3) 의 스피드는, 운전자가 예를 들어 페달을 사용함으로써 조작하는 액셀 (L1) 의 움직임에 대응하여 인버터 (L2) 에 공급되는 구동 전력의 양을 제어함으로써, 운전자가 의도하는 회전 스피드로 회전하도록 제어된다.
운전자의 페달 조작에 대응하는 액셀 (L1) 의 움직임은, 액셀 워크 모니터부 (27) 에 의해 계속적으로 모니터링되고 검출되며, 그 검출 신호는 전지 모듈 상태 관리부 (26) 및 내부 버스 (25) 를 통해 전력 및 임피던스 연산부 (241 내지 24n) 에 입력된다.
전력 및 임피던스 연산부들 (241 내지 24n) 에는, 각각 대응하는 전지 셀들 (111 내지 11n) 로부터 전압 신호 및 전류 센서 (12) 로부터 전류 신호가 입력된다.
여기서, 운전자의 페달 조작에 응답하는 액셀 (L1) 의 움직임은, 각 전지 셀들 (111 내지 11n) 의 출력 전압 파형 및 전류 센서 (12) 의 출력 전류 파형에 대하여, 광대역의 주파수 성분들을 포함하는 계단파 (staircase wave) 적인 상승 및 하강과 같은 변화를 주게 된다.
전력 및 임피던스 연산부들 (241 내지 24n) 은 이들 광대역의 주파수 성분을 포함하는 파형 데이터에 대하여 이산 푸리에 변환 (DFT) 또는 고속 푸리에 변환 (FFT) 을 수행하고, 그 결과로부터 원하는 주파수 영역에 있어서의 등가 회로 상수를 추정한다. 전지를 실제로 사용하고 있는 자동차나 플랜트와 같은 현장에서 전지의 내부 임피던스 특성이 측정될 수도 있어, 전지 상태를 실시간으로 모니터링할 수도 있다.
전지 모듈 상태 관리부 (26) 는, 각 전력 및 임피던스 연산부들 (241 내지 24n) 에 의해 측정되는 전지 모듈 (1O) 을 구성하는 각 전지 셀들 (111 내지 11n) 의 순시 전력 정보 및 내부 임피던스 정보를 인출하여, 이들 데이터를 외부 버스 (30) 를 통해 호스트 전지 시스템 제어부 (40) 에 송신한다.
전지 시스템 제어부 (40) 는, 전지 모니터링 디바이스 (20) 로부터 입력되는 데이터에 기초해, 전지 모듈 (1O) 의 현재의 출력 전압으로 안정적으로 부하 디바이스 (L) 를 동작시킬 수 있도록, 전지 모듈 (10) 및 부하 디바이스 (L) 를 제어하며, 각 전지 셀들 (111 내지 11n) 의 순시 전력량의 변화 동향이나 내부 임피던스 정보의 변화 동향 등에 기초하여 각 전지 셀들 (111 내지 11n) 의 성능의 추이 상황을 확인해, 충전을 수행하도록 재촉하는 알람을 발신하거나, 성능 열화의 경향을 분석함으로써 전지 모듈 (10) 등에 관한 교환 시기 예측 데이터를 출력한다.
도 2는 전력 및 임피던스 연산부 (24) 의 구체적 예를 도시한 블록도를 나타낸다. 도 2에 있어서, 각 전지 셀들 (111 내지 11n) 의 전압 신호 (V) 는, 안티-앨리어싱 필터 (anti-aliasing filter; 24a) 를 통해 A/D 변환기 (24b) 에 입력되고, A/D 변환기 (24b) 의 출력 데이터는 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 에 입력된다.
전류 센서 (12) 로부터의 전류 신호 (I) 는, 안티-앨리어싱 필터 (24d)를 통해 A/D 변환기 (24e) 에 입력되고, A/D 변환기 (24e) 의 출력 데이터는 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 에 입력된다.
A/D 변환기들 (24b 및 24e) 은, 전지 모듈 상태 관리부 (26), 액셀 변화량 검출부 (24f), 클럭 제어부 (24g), 및 가변 클럭 발생부 (24h) 로 구성되며 액셀 워크 모니터부 (27) 에 의해 검출 및 출력되는 액셀 변화 신호에 기초하여 생성되는 가변 클럭 계통에 의해 동작된다. 이것에 기인하여, 발진, 가속, 고속 주행, 저속 주행, 감속, 정지, 후퇴, 및 이들의 스피드와 같은 운전자의 액셀 워크에 기초한 클럭 (clock) 이 생성되고, 각각의 상태에서 전압 신호 (V) 및 전류 신호 (I) 가 디지털 데이터로 변환된다.
또한, A/D 변환기들 (24b 및 24e) 의 샘플링 클럭 주파수는, 각 전지 셀들 (111 내지 1ln) 의 내부 임피던스를 측정하고 싶은 주파수 대역에 응답하여 변경될 수도 있다. 예를 들어 1 kHZ까지의 내부 임피던스를 측정하는 경우에, 샘플링 클럭 주파수가 2K 샘플/s로 설정되고, 안티-앨리어싱 필터들 (24a 및 24d) 의 저역 통과 대역이 1 kHZ 이하로 설정된다.
등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 에는, 측정하길 원하는 각 전지 셀들 (111 내지 11n) 의 등가 회로 패턴과 같은 등가 회로의 정보를 저장하는 등가 회로 정보 저장부 (24i) 가 연결되어 있다. 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 에서 측정된 등가 회로의 각 파라미터는, 내부 버스 (25) 를 통해 전지 모듈 상태 관리부 (26) 로 인출된다.
A/D 변환기들 (24b 및 24e) 의 출력 데이터는, 전력 측정부 (24j) 에도 입력된다. 이로써, 전력 측정부 (24j) 는 각 전지 셀들 (111 내지 11n) 의 순시 전력을 측정해, 측정 결과를 전력 정보 저장부 (24k) 에 저장한다. 전력 정보 저장부 (24k) 에 저장된 전력 정보는, 내부 버스 (25)를 통해 전지 모듈 상태 관리부 (26) 로 인출된다.
최근, 전지 상태를 확인하는 것에 관한 연구가 활발히 수행되고 있다. 이 연구에서, 전지에 대하여 정전압이나 정전류로 정현파를 인가함으로써 임피던스 특성이 획득되고, 충방전의 온도 특성이나 충전 잔량이나 성능 열화의 정도 등이 추정된다.
전지가 자동차와 같은 시스템에 실장 되기 전의 단일 몸체 상태에서는, 정비된 측정 환경에서 임피던스 측정을 수행할 수 있지만, 시스템에 전지가 실장되는 경우, 시스템상의 제약 등에 의해, 임피던스 측정이 충분히 수행되지 못할 수도 있다. 특히, 전지가 자동차의 구동 전원으로서 탑재되는 경우에는, 시스템 측의 샘플 레이트 (rate) 가 불충분해, 높은 주파수 영역이 샘플링되지 못 할 수도 있다는 것이 상정된다. 이 경우, 미리 측정된 측정 범위에 상당하는 비교가 불가능할 수도 있다.
도 3은 임의의 주파수에 있어서의 임피던스 추정 기능을 갖는 본 발명의 일 실시형태를 도시하는 블록도를 나타내며, 도 2의 전력 및 임피던스 연산부 (24) 를 구성하는 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 의 구체적 예를 나타내고 있다. A/D 변환기들 (24b 및 24e) 의 출력 데이터는, 파형 데이터 저장부 (c1) 에 순차적으로 저장된다.
DFT 연산부 (c2) 는, 파형 데이터 저장부 (c1) 에 순차적으로 저장되는 전압 신호 및 전류 신호의 파형 데이터에 대해 이산 푸리에 변환을 수행하고, 전압 신호의 이산 푸리에 변환 결과를 전류 신호의 이산 푸리에 변환 결과로 나눔으로써 임피던스를 연산하며, 연산된 임피던스 데이터를 임피던스 데이터 저장부 (c3) 에 저장한다. 또한, 파형 데이터의 타입에 따라, DFT 연산부 (c2) 대신에 FFT 연산부를 사용함으로써, 고속의 연산 처리가 실현될 수도 있다.
회로 상수 추정부 (c4) 는, 임피던스 데이터 저장부 (c3) 에 저장되어 있는 임피던스 데이터에 기초해, 미리 지정된 등가 회로 모델에서, 상수 피팅 (constant fitting) 을 수행한다. 회로 상수 추정부 (c4) 에 의해 추정 및 연산되는 회로 상수에 대하여, 예를 들어 도 14에 나타낸 등가 회로의 경우에, R4와 L4는 불변 회로 상수 저장부 (c5) 에 저장되며, R1, R2, C2, R3, 및 C3는 회로 상수 저장부 (c6) 에 저장된다.
임피던스 추정부 (c7) 는, 임의의 주파수에서의 임피던스를 출력한다. 임피던스 데이터가 실재하는 주파수 영역에 대해서는, 임피던스 데이터 저장부 (c3) 에 저장되어 있는 임피던스 데이터를 그대로 출력한다. 임피던스 데이터가 실재하지 않는 주파수 영역에 대해서는, 불변 회로 상수 저장부 (c5) 및 회로 상수 저장부 (c6) 에 저장되어 있는 회로 상수에 기초해 임피던스가 추정 및 연산되고, 그 연산 결과가 출력된다.
해석 조건 저장부 (c8) 에는, 외부로부터의 해석 조건이 저장된다. 해석 조건은 주로 각 연산부에 있어서의 연산 조건을 나타내지만, 기준 측정이나 시스템에 탑재되는 때의 측정에 관한 정보도 포함한다.
도 4a 내지 도 4d는 전지의 임피던스 특성 예의 도면을 나타내며, 여기서 도 4a는, 정현파를 주파수 범위 1 Hz 내지 2.5 kHz에서 스위핑하는 것과 함께 각 측정 주파수 지점에서 충분한 샘플 레이트를 확보하면서, 측정된 결과를 나타내고 있다. 이후, 도 4a는 기준 특성으로 설정된다.
도 4b는 도 4a의 기준 특성으로부터 주파수 범위 1 내지 50 Hz를 잘라냄으로써 획득된 결과를 나타낸 것이다. 이것은, 전지를 예를 들어 자동차 시스템에 탑재했을 경우의 제약으로 인해, 고주파수 영역을 측정할 수 없는 경우를 상정하고 있다. 도 4a에 나타나 있는 허수 축의 포지티브 측 (그래프의 아래 절반 부분) 은 전지의 L (인덕턴스) 의 정보를 포함하는 영역이지만, 도 4b에서는 이 부분이 완전히 생략되어 있다.
전지의 인덕턴스는 구조적인 특성이고, 전극이나 전해 용액의 열화에 기인하여 시간 경과에 따라 변화하지 않는다고 고려된다. 이 고려에 기초하면,도 4a의 기준 특성으로부터 미리 등가 회로 상수가 획득되고, 시간 경과에 따라 변화하지 않는 상수에 대해서는, 전지가 시스템에 탑재된 후에도, 이 상수가 사용될 수도 있다.
도 4c는, 도 14의 등가 회로 모델에 기초하여 도 4a의 기준 특성에 대한 상수 피팅을 수행함으로써 획득되며 R1, R2, R3, C2, C3, L4 및 R4로부터 유도되는 임피던스 특성 곡선을 나타낸다. 피팅은 공지된 연산식에 기초하여 수행될 수도 있다.
도 4d는 도 4b에서 추정된 회로 상수 Rl, R2, R3, C2, 및 C3와, 미리 취득된 L4 및 R4를 이용하여, 도 14의 등가 회로 모델에 기초해 상수 피팅을 수행함으로써 획득된 결과로부터 유도된 임피던스 특성 곡선을 나타낸다. 도 4d의 임피던스 특성 곡선은, 도 4c의 임피던스 특성 곡선과 거의 동일하다. 즉, 도 4b에서 추정된 회로 상수 Rl, R2, R3, C2, 및 C3와, 미리 취득된 L4 및 R4를 사용함으로써, 도 4a의 기준 특성에 상당하는 주파수 영역에서의 임피던스 특성이 추정될 수도 있다.
또한, 도 3의 실시형태에서, 등가 회로 모델에 불변 회로 상수를 제공함으로써 임피던스 추정이 수행된다. 그러나, 등가 회로에 불변 회로 상수를 제공하는 것이 아니라, 불변 회로 상수로부터 시계열 (time-series) 데이터가 생성될 수도 있으며, 이것은 측정된 시계열 데이터에 보충된 다음, 다른 회로 상수가 추정될 수도 있다.
또한, 도 3의 실시형태에서, L 성분은 낮은 주파수 영역에는 영향을 미치지 않는다는 전제로 상수 추정이 수행된다. 따라서, 상수 추정 동안의 등가 회로 모델에는 불변 회로 상수 L4 및 R4가 포함되지 않으며, 임피던스 추정 동안만 불변 회로 상수 L4 및 R4가 사용된다. 그런데, 전지의 특성에 따라 L성분이 낮은 주파수 영역에 영향을 미칠 가능성이 있다. 이 경우에는, 상수 추정 동안의 등가 회로에 불변 회로 상수 L4 및 R4가 포함된 후에 상수 추정이 수행될 수도 있다.
그런데, 전지의 등가 회로 모델을 선택할 때, 측정 대상으로 하는 전지의 고유의 특성이나 측정 주파수 범위가 미리 인식되지 않고서 적절한 등가 회로 모델이 선택되는 경우에는, 도 5a 및 도 5b의 임피던스 특성 예의 다이어그램들에 나타낸 바와 같이 실제 값과 상이한 상수 추정 결과가 획득될 수도 있다.
도 5a 및 도 5b는, 도 14의 등가 회로에서, 동일한 임피던스 데이터로부터 상이한 주파수 범위의 데이터를 각각 추출해 상수 추정을 수행함으로써 획득된 결과를 나타낸다. 도 5a는 O.1 Hz 이상을 추출함으로써 획득된 결과이며, 여기서 상수 피팅에 의해 유도된 임피던스 특성 곡선과 실제의 임피던스 특성이 서로 일치하고 있다.
반대로, 도 5b 는 1.O Hz 이상을 추출함으로써 획득된 결과이며, 여기서 실제 임피던스 특성이 상수 피팅에 의해 유도된 임피던스 특성 곡선으로부터 크게 벗어나고 있다. 이것은, 실제 제품에 와버그 소자 (Warburg element) 가 제공되고 있음에도, 그 특성이 데이터 상에는 현저하게 반영되지 않고, 국소적으로 (locally) 빠져 있다고 추측할 수 있다. 이와 같이, 동일한 등가 회로 모델에서도, 상수 추정에 사용되는 임피던스의 주파수 범위들이 서로 상이한 경우, 서로 완전히 상이한 결과들이 획득될 수도 있다.
이 문제는, 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 로서 도 6에 나타낸 바와 같이 구성된 부분을 이용함으로써 임피던스 데이터의 특징에 기초하여 최적인 등가 회로 모델을 선택함으로써 회피될 수도 있고, 회로 상수 추정 정밀도가 향상될 수도 있다.
도 6은 최적의 등가 회로 모델을 선택하는 기능을 갖는 본 발명의 다른 실시형태를 도시한 블록도를 나타내며, 도 3과 동일한 부분들에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 도 6에서, 회로 모델 선택부 (c9) 는, DFT 연산부 (c2) 에서 추정되고 임피던스 데이터 저장부 (c3) 에 저장되는 임피던스 데이터의 특성에 기초하여 최적의 등가 회로 모델을 선택한다. 회로 상수 추정부 (c4) 는, 임피던스 데이터 저장부 (c3) 에 저장되는 임피던스 데이터 및 회로 모델 선택부 (c9) 에서 선택된 최적의 등가 회로 모델에 기초하여, 각각의 회로 상수의 추정 및 연산을 수행한다.
일반적으로 사용되는 전지의 등가 회로 모델은, n 스테이지 (stage) 의 RC 병렬 회로, 1 스테이지의 LR 병렬 회로, 및 와버그 소자를 포함한다. 그래서, 회로 모델 선택부 (c9) 는, 그 등가 회로 모델의 구체적 구성을 이하의 순서로 순차적으로 결정한다.
1) 와버그 소자의 유무
2) LR 병렬 회로의 유무
3) RC 병렬 회로의 스테이지의 수
1) 먼저, 와버그 소자에 대해서는, 낮은 주파수 측의 임피던스 실수 축 및 허수 축의 상관 계수를 이용함으로써 와버그 소자의 유무가 판정된다. 예를 들어, Corr < -0.99 이면 와버그가 존재하는 것으로 판정된다. 상관계수는 하기 식에 의해 산출된다.
Figure 112012060516500-pat00001
여기서, Corr(i) 는 ith 임피던스 데이터의 주변에서의 상관 계수를 나타내고, Zrealj 및 Zimgj는 각각 jth 임피던스 데이터의 실수부 및 허수부를 나타낸다.
Figure 112012060516500-pat00002
Figure 112012060516500-pat00003
위의 식들 (2) 및 (3) 은, 각각 i-ath 내지 i+ath 임피던스의 실수부 및 허수부 데이터의 평균값들을 나타낸다. 또한, 임피던스 데이터는 주파수의 오름차순으로 배열되는 것으로 가정된다.
도 7은, a가 4인 상관계수 Corr(i)의 그래프를 나타낸다. 이 현재의 샘플 데이터에서는 와버그가 「유 (present)」라고 판정된다.
2) 다음으로, LR 병렬 회로의 유무가 판정된다. 고주파수 측의 임피던스 허수 축이 포지티브 값을 나타내면, LR 병렬 회로가 필요하다고 판정된다. 도 8의 샘플 임피던스 특성 다이어그램의 경우에는, LR 병렬 회로가 「유」라고 판정된다.
3) 마지막으로, RC 병렬 회로의 스테이지들의 수가 결정된다. 전체 데이터에 있어서 상관 계수가 네가티브 (negative) 에서 포지티브 방향으로, -0.95인 Corr(i) 를 넘는 횟수로 판정이 수행된다. 그러나, 임피던스의 허수 축이 포지티브 영역에서 -0.95인 Corr(i) 를 넘는 경우는, LR의 특성으로 간주되어 그 경우는 카운트 되지 않는다. 도 9a에 나타낸 샘플 데이터에서는, a, b, 및 c의 세 개의 지점에서의 상관계수가 -0.95를 넘고 있지만, 도 9b에 나타낸 바와 같이, c 지점은 임피던스 허수 축이 320 Hz를 넘는 포지티브 영역에서 -0.95를 넘고 있으므로 이 경우는 카운트되지 않으며, RC병렬 회로는 2 스테이지로서 판정된다.
이 판정에 의해, 회로 상수 추정부 (c4) 에서 추정되고 연산되는 각 회로 상수의 추정 정밀도의 향상된다.
충분한 측정 환경하에서 전압 및 전류 데이터를 취득할 수 있는 경우, 임피던스의 특성을 추출할 수도 있다. 그러나, 예를 들어 전지를 자동차에 탑재한 상태에서는, 노이즈와 같은 영향으로 항상 양호한 측정 결과가 획득된고 말하기가 어렵다.
이 경우, 복수의 등가 회로 모델 후보을 선택한 다음 병렬로 상수 추정 연산을 수행하고, 대상 임피던스 데이터와의 오차가 최소인 등가 회로 모델을 최종적인 출력으로서 판정할 수도 있다.
또한, 반복 연산 동안, 수시로 대상 임피던스 데이터와의 오차를 연산하고, 기준값을 만족시키지 못하는 모델 또는 수렴하고 있지 않은 모델에 대해서는 연산을 중단하고, 다른 모델을 선택하는 기능이 제공될 수도 있다.
또한, 본 발명으로 사용되는 전력 및 임피던스 연산부 (24) 는, 반도체 집적 회로 기술을 사용함으로써 초소형 사이즈에 패키지화될 수도 있으며, 예를 들어 자동차에 탑재되는 전지 모듈의 각 전지 셀들에 장착되는 경우에도 전력 및 임피던스 연산부 (24) 는 극히 미소의 공간이 확보될 수 있는 한 사용될 수도 있다.
또한, 각각의 실시형태들에서, 자동차에 탑재되는 전지 모듈의 각각의 전지 셀들의 내부 임피던스가 측정되는 예에 대하여 설명됐지만, 본 발명의 전지 임피던스 측정 디바이스는 자동차 이외에 발전 플랜트, 가정용 축전 시스템 등에 제공되는 축전지의 모니터링에도 유효하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 전지 임피던스 측정 디바이스에 따르면, 전지를 실제로 사용하고 있는 자동차나 발전 플랜트, 가정용 축전 시스템등의 현장에서, 전지의 내부 임피던스 특성을 실시간 측정해, 전지 상태를 실시간으로 모니터링하는 전지 모니터링 디바이스가 실현될 수도 있다.
이하에서는, 본 실시형태에 따른 전지 임피던스 측정 디바이스가 하드웨어 구성요소들과 관련하여 설명될 것이다.
도 15는 본 실시형태에 따른 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 의 하드웨어 구성을 나타내는 개략도이다. 도 15에 나타낸 바와 같이, 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 는 CPU (101), 판독기 (102), 메모리 (103), 저장 디바이스 (104), 통신부 (105), 및 사용자 인터페이스 (106) 를 포함한다. CPU (101) (예를 들어, 프로세서) 는 도 3에 나타낸 DFT 연산부 (c2), 회로 상수 추정부 (c4) 및 임피던스 추정부 (c7) 로서 기능할 수도 있다. 또한, CPU (101) 는 도 6에 나타낸 DFT 연산부 (c2), 회로 모델 추정부 (c9) 및 회로 상수 추정부 (c4) 로서 기능할 수도 있다.
메모리 (103) 는 ROM, RAM, 또는 플래쉬 메모리와 같은 임의의 타입의 메모리일 수도 있다. 메모리 (103) 는 CPU (101) 가 프로그램을 실행할 경우 CPU (101) 의 작동 메모리로서 기능할 수도 있다. 저장 디바이스 (104) 는 CPU (101) 에 의해 실행될 프로그램들 및/또는 각각의 부분들에 의해 발생되는 데이터를 저장하도록 구성된다. 저장 디바이스 (104) 는 하드 디스크 드라이브 (HDD), 또는 솔리드 스테이트 드라이브 (SSD) 와 같은 임의의 타입의 저장 디바이스일 수도 있다. CPU (101) 로 하여금 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 에 의해 수행되는 각각의 동작들을 실행하게 하기 위한 명령들을 포함하는 프로그램은, 저장 디바이스 (104) 에 또는 컴퓨터 판독가능 매체 예컨대, 블루-레이 디스크 (상표), DVD, CD, 플로피 디스크, 플래쉬 메모리, 또는 광 자기 (magneto-optical; MO) 디스크에 저장될 수도 있다. 판독기 (102) 는 상기의 컴퓨터 판독가능 매체에 저장된 프로그램을 메모리 (103) 로 판독하도록 구성된다. 프로그램은 또한 통신부 (105) 를 통해 네트워크 (예를 들어, 인터넷) 상의 다른 디바이스 (예를 들어, 서버) 로부터 또한 다운로드될 수도 있다. 도 15에 나타낸 이 구성으로, CPU (101) 는 판독기 (102) 로부터 판독되거나 통신부 (105) 를 통해 다운로드된 프로그램에 따라 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 에 의해 수행되는 각각의 동작들을 구현하도록 구성된다.

Claims (11)

  1. 각각의 주파수 영역들에 대한 전지 셀 (11) 의 임피던스들을 연산하기 위한 디바이스 (24, 24c) 로서,
    상기 전지 셀로부터 출력되는 전압 파형 데이터 및 전류 파형 데이터에 관해 푸리에 변환을 수행하고, 상기 전압 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터를 상기 전류 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터로 나눔으로써 상기 전지 셀의 임피던스를 연산하도록 구성되는 푸리에 변환 연산부 (c2);
    상기 푸리에 변환 연산부에 의해 연산된 임피던스에 기초하여, 상기 전지 셀의 미리결정된 등가 회로 모델의 회로 상수들을 추정하도록 구성되는 회로 상수 추정부 (c4); 및
    상기 추정된 회로 상수들 및 상기 등가 회로 모델에 기초하여, 각각의 주파수 영역들에 대한 상기 전지 셀의 임피던스들을 추정하도록 구성되는 임피던스 추정부 (c7) 를 포함하는, 전지 셀의 임피던스들을 연산하기 위한 디바이스.
  2. 각각의 주파수 영역들에 대한 전지 셀 (11) 의 임피던스들을 연산하기 위한 디바이스 (24, 24c) 로서,
    상기 전지 셀로부터 출력되는 전압 파형 데이터 및 전류 파형 데이터에 관해 푸리에 변환을 수행하고, 상기 전압 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터를 상기 전류 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터로 나눔으로써 상기 전지 셀의 임피던스를 연산하도록 구성되는 푸리에 변환 연산부 (c2);
    상기 푸리에 변환 연산부에 의해 연산된 임피던스에 기초하여, 복수의 등가 회로 모델 중에서 특정 등가 회로 모델을 선택하도록 구성되는 회로 모델 선택부 (c9); 및
    상기 푸리에 변환 연산부에 의해 연산된 임피던스에 기초하여, 상기 선택된 등가 회로 모델의 회로 상수를 추정하도록 구성되는 회로 상수 추정부 (c4) 를 포함하는, 전지 셀의 임피던스들을 연산하기 위한 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스는,
    상기 추정된 회로 상수들 중 불변 회로 상수 (R4, L4) 를 저장하도록 구성되는 불변 회로 상수 저장부 (c5); 및
    상기 추정된 회로 상수들 중 가변 회로 상수 (R1, R2, C2...) 를 저장하도록 구성되는 가변 회로 상수 저장부 (c6) 를 더 포함하고,
    상기 임피던스 추정부는 상기 불변 회로 상수, 상기 가변 회로 상수, 및 상기 등가 회로 모델에 기초하여 상기 전지 셀의 임피던스들을 추정하도록 구성되는, 전지 셀의 임피던스들을 연산하기 위한 디바이스.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 회로 모델 선택부는 다음의 단계들에 기초하여 상기 특정 등가 회로 모델을 선택하도록 구성되는, 전지 셀의 임피던스들을 연산하기 위한 디바이스:
    1) 와버그 소자 (Warburg element) 의 유무;
    2) LR 병렬 회로의 유무;
    3) RC 병렬 회로의 스테이지의 수.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 푸리에 변환 연산부는, 상기 전압 파형 데이터 및 상기 전류 파형 데이터에 관해 이산 푸리에 변환을 수행하고, 상기 전압 파형 데이터의 이산 푸리에 변환 데이터를 상기 전류 파형 데이터의 이산 푸리에 변환 데이터로 나눔으로써 상기 전지 셀의 임피던스를 연산하도록 구성되는 이산 푸리에 변환 연산부인, 전지 셀의 임피던스들을 연산하기 위한 디바이스.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 푸리에 변환 연산부는, 상기 전압 파형 데이터 및 상기 전류 파형 데이터에 관해 고속 푸리에 변환을 수행하고, 상기 전압 파형 데이터의 고속 푸리에 변환 데이터를 상기 전류 파형 데이터의 고속 푸리에 변환 데이터로 나눔으로써 상기 전지 셀의 임피던스를 연산하도록 구성되는 고속 푸리에 변환 연산부인, 전지 셀의 임피던스들을 연산하기 위한 디바이스.
  7. 전지 임피던스 측정 시스템으로서,
    상기 전지 임피던스 측정 시스템은,
    복수의 전지 셀들 (111...11n) 을 포함하고 부하 (L) 에 전력을 공급하도록 구성되는 전지 모듈 (10);
    각각의 주파수 영역들에 대한 대응하는 전지 셀의 임피던스들을 연산하기 위해 상기 전지 셀들 중 대응하는 전지 셀에 대해 각각 제공되는 복수의 디바이스들 (241...24n) 을 포함하며,
    상기 디바이스들의 각각은,
    상기 대응하는 전지 셀로부터 출력되는 전압 파형 데이터 및 전류 파형 데이터에 관해 푸리에 변환을 수행하고, 상기 전압 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터를 상기 전류 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터로 나눔으로써 상기 대응하는 전지 셀의 임피던스를 연산하도록 구성되는 푸리에 변환 연산부 (c2);
    상기 푸리에 변환 연산부에 의해 연산된 임피던스에 기초하여, 상기 대응하는 전지 셀의 미리결정된 등가 회로 모델의 회로 상수들을 추정하도록 구성되는 회로 상수 추정부 (c4); 및
    상기 추정된 회로 상수들 및 상기 등가 회로 모델에 기초하여, 각각의 주파수 영역들에 대한 상기 대응하는 전지 셀의 임피던스들을 추정하도록 구성되는 임피던스 추정부 (c7) 를 포함하는, 전지 임피던스 측정 시스템.
  8. 전지 임피던스 측정 시스템으로서,
    상기 전지 임피던스 측정 시스템은,
    복수의 전지 셀들 (111...11n) 을 포함하고 부하 (L) 에 전력을 공급하도록 구성되는 전지 모듈 (10);
    각각의 주파수 영역들에 대한 대응하는 전지 셀의 임피던스들을 연산하기 위해 상기 전지 셀들 중 대응하는 전지 셀에 대해 각각 제공되는 복수의 디바이스들 (241...24n) 을 포함하며,
    상기 디바이스의 각각은,
    상기 대응하는 전지 셀로부터 출력되는 전압 파형 데이터 및 전류 파형 데이터에 관해 푸리에 변환을 수행하고, 상기 전압 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터를 상기 전류 파형 데이터의 푸리에 변환 데이터로 나눔으로써 상기 대응하는 전지 셀의 임피던스를 연산하도록 구성되는 푸리에 변환 연산부 (c2);
    상기 푸리에 변환 연산부에 의해 연산된 임피던스에 기초하여, 복수의 등가 회로 모델 중에서 특정 등가 회로 모델을 선택하도록 구성되는 회로 모델 선택부 (c9); 및
    상기 푸리에 변환 연산부에 의해 연산된 임피던스에 기초하여, 상기 선택된 등가 회로 모델의 회로 상수들을 추정하도록 구성되는 회로 상수 추정부 (c4) 를 포함하는, 전지 임피던스 측정 시스템.
  9. 서로 직렬로 연결되는 복수의 전지 셀들을 포함하는 전지 모듈을 모니터링하는, 실시간 측정을 위한 전지 모니터링 디바이스로서,
    상기 전지 셀들 중 대응하는 전지 셀에 대해 각각 제공되며, 상기 대응하는 전지 셀로부터 전압 신호 및 전류 신호를 수신하고 상기 대응하는 전지 셀의 순시 전력 값 및 내부 임피던스 특성을 측정하도록 각각 구성되는 복수의 전력 및 임피던스 연산부들; 및
    상기 각각의 전력 및 임피던스 연산부들의 출력 데이터를 내부 버스를 통해 수신하도록 구성되는 전지 모듈 상태 관리부를 포함하는, 전지 모니터링 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전지 모듈로부터 전력을 수신함으로써 동작하는 액셀 (accelerator) 의 움직임을 모니터링하고, 상기 각각의 전력 및 임피던스 연산부들과 상기 전지 모듈 상태 관리부에 결과 검출 신호를 제공하도록 구성되는 액셀 워크 모니터부 (accelerator work monitor) 를 더 포함하는, 전지 모니터링 디바이스.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 전력 및 임피던스 연산부들 각각은, 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환을 수행하고, 상기 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환의 결과들에 기초하여 원하는 주파수 영역에서 상기 대응하는 전지 셀의 내부 임피던스 특성을 나타내는 등가 회로의 상수들을 추정하도록 구성되는, 전지 모니터링 디바이스.
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Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5798067B2 (ja) * 2012-03-13 2015-10-21 プライムアースＥｖエナジー株式会社 二次電池の状態推定装置
DE102012222343A1 (de) * 2012-12-05 2014-06-05 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung und elektrisches Antriebssystem
FR3002325B1 (fr) * 2013-02-21 2015-02-20 Renault Sa Estimation d'impedance d'une batterie de vehicule automobile
WO2014132332A1 (ja) * 2013-02-26 2014-09-04 株式会社 日立製作所 劣化推定装置及び劣化推定方法
KR101386344B1 (ko) 2013-05-10 2014-04-16 부경대학교 산학협력단 푸리에 변환 전기화학 임피던스의 실시간 모니터링장치 및 방법
US9428071B2 (en) * 2014-01-14 2016-08-30 Ford Global Technologies, Llc Impedance based battery parameter estimation
ES2554987B1 (es) * 2014-05-23 2016-11-16 Instalaciones Inabensa, S.A. Dispositivo y procedimiento de medida de impedancia de un elemento de almacenamiento energético
KR101637746B1 (ko) 2014-11-25 2016-07-20 현대자동차주식회사 연료전지 진단 장치 및 방법
KR101627941B1 (ko) * 2014-12-05 2016-06-07 한국 한의학 연구원 콜－콜 플롯 인자를 추정하는 인체 콜－모델 재현 장치 및 방법
KR101628684B1 (ko) * 2014-12-15 2016-06-10 현대오트론 주식회사 연료전지 진단을 위한 임피던스 측정장치 및 그 방법
WO2016121151A1 (ja) * 2015-01-30 2016-08-04 株式会社東芝 内部抵抗測定装置、蓄電池装置、および内部抵抗値導出方法
US10293693B2 (en) * 2015-04-21 2019-05-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Battery control method and apparatus, battery module, and battery pack
JP2017070024A (ja) * 2015-09-29 2017-04-06 日立オートモティブシステムズ株式会社 電池監視装置
WO2017094759A1 (ja) * 2015-11-30 2017-06-08 積水化学工業株式会社 診断用周波数決定方法、蓄電池劣化診断方法、診断用周波数決定システムおよび蓄電池劣化診断装置
JP6789025B2 (ja) * 2015-11-30 2020-11-25 積水化学工業株式会社 診断用周波数決定方法、蓄電池劣化診断方法、診断用周波数決定システムおよび蓄電池劣化診断装置
CN105510718A (zh) * 2016-01-20 2016-04-20 大唐（赤峰）新能源有限公司 一种风力发电机组蓄电池内阻监测系统及控制方法
CN106771634A (zh) * 2017-01-17 2017-05-31 电子科技大学 一种电池阻抗测量系统
CN107219463B (zh) * 2017-05-12 2019-11-12 浙江工业大学 基于电瓶车状态数据的电池使用寿命预测方法
AT521175B1 (de) * 2018-05-14 2019-11-15 Avl List Gmbh Verfahren zur Ermittlung von Parametern einer Ersatzschaltung
JP7116484B2 (ja) * 2018-09-19 2022-08-10 学校法人早稲田大学 電気化学システム、および、電気化学システムの作動方法
CN110945369B (zh) * 2018-09-30 2022-09-20 Oppo广东移动通信有限公司 充电装置的测试系统和方法
US10623013B1 (en) * 2018-10-29 2020-04-14 Texas Instruments Incorporated Systems with pairs of voltage level shifter switches to couple voltage level shifters to anti-aliasing filters
DE102019200506A1 (de) 2019-01-16 2020-07-16 Audi Ag Messanordnung, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Bestimmen einer komplexen Impedanz
US11125707B1 (en) 2020-08-18 2021-09-21 Element Energy, Inc. Methods and systems for in-situ impedance spectroscopy analysis of battery cells in multi-cell battery packs
US11757391B1 (en) * 2022-02-21 2023-09-12 GM Global Technology Operations LLC Impedance estimation of power sources via motor inverter circuits
CN114720890B (zh) * 2022-03-23 2023-04-21 四川大学 一种基于宽频阻抗谱的锂电池内部温度估计方法
KR102512544B1 (ko) * 2022-08-16 2023-03-22 모나 주식회사 배터리 등가회로 생성방법 및 그 장치

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000002003A (ko) * 1998-06-16 2000-01-15 박찬구 임피던스 스펙트럼 분석에 의한 전지 용량 측정방법 및 측정장치
KR20000033041A (ko) * 1998-11-19 2000-06-15 박찬구 비선형 등가회로 모형을 이용한 축전장치의특성인자 수치화 방법 및 장치
KR20030025362A (ko) * 2001-09-20 2003-03-29 금호석유화학 주식회사 임피던스 스펙트럼의 패턴 매칭기법을 이용한 단위전지분류방법
KR20040072249A (ko) * 2003-02-10 2004-08-18 주식회사 한림포스텍 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩비파괴 평가 장치와 이를 이용한 다채널 측정 시스템 및방법

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61170678A (ja) * 1985-01-25 1986-08-01 Nissan Motor Co Ltd バツテリ状態検知装置
US4968942A (en) * 1988-10-14 1990-11-06 Allied-Signal Inc. Method for monitoring aircraft battery status
US6094030A (en) * 1999-05-13 2000-07-25 Deltatee Enterprises Ltd. Resistance and charging monitor within a standby battery bank
DE10106508A1 (de) * 2001-02-13 2002-08-29 Bosch Gmbh Robert Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit einer Batterie
JP3782026B2 (ja) 2001-04-20 2006-06-07 株式会社エヌエフ回路設計ブロック インピーダンスパラメータの推定方法及び装置
US6639385B2 (en) * 2001-08-07 2003-10-28 General Motors Corporation State of charge method and apparatus
US6778913B2 (en) * 2002-04-29 2004-08-17 Cadex Electronics Inc. Multiple model systems and methods for testing electrochemical systems
JP2004031014A (ja) * 2002-06-24 2004-01-29 Nissan Motor Co Ltd 並列接続電池を含む組電池の最大充放電電力演算方法および装置
JP4153745B2 (ja) * 2002-07-30 2008-09-24 株式会社エヌエフ回路設計ブロック インピーダンスパラメータの推定装置
US6831429B2 (en) * 2003-03-10 2004-12-14 Visteon Global Technologies, Inc. Prediction of available torque and power from battery-powered traction motor
JP4360621B2 (ja) * 2004-02-09 2009-11-11 古河電気工業株式会社 二次電池の内部インピーダンス測定方法、二次電池の内部インピーダンス測定装置、二次電池劣化判定装置及び電源システム
CN100554990C (zh) * 2003-06-27 2009-10-28 古河电气工业株式会社 蓄电池恶化的判断方法以及蓄电池恶化判断装置
JP4045340B2 (ja) * 2003-08-13 2008-02-13 現代自動車株式会社 バッテリー有効パワー算出方法及び算出システム
CN201030802Y (zh) * 2007-04-25 2008-03-05 烟台中上汽车科技产业园有限公司 新能源电容牵引型电车
JP5088081B2 (ja) * 2007-10-12 2012-12-05 富士通株式会社 電池の測定方法及び電池の製造方法
CN201414016Y (zh) * 2009-02-11 2010-02-24 北京凯源新能科技有限公司 一种电动汽车的动力电池组管理系统
CN101692109B (zh) * 2009-10-13 2011-08-17 清华大学 基于系统辨识的阻抗测量方法
GB201014384D0 (en) * 2010-08-27 2010-10-13 Imp Innovations Ltd Battery monitoring in electric vehicles, hybrid electric vehicles and other applications
JP5403437B2 (ja) * 2011-07-29 2014-01-29 横河電機株式会社 電池監視装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000002003A (ko) * 1998-06-16 2000-01-15 박찬구 임피던스 스펙트럼 분석에 의한 전지 용량 측정방법 및 측정장치
KR20000033041A (ko) * 1998-11-19 2000-06-15 박찬구 비선형 등가회로 모형을 이용한 축전장치의특성인자 수치화 방법 및 장치
KR20030025362A (ko) * 2001-09-20 2003-03-29 금호석유화학 주식회사 임피던스 스펙트럼의 패턴 매칭기법을 이용한 단위전지분류방법
KR20040072249A (ko) * 2003-02-10 2004-08-18 주식회사 한림포스텍 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩비파괴 평가 장치와 이를 이용한 다채널 측정 시스템 및방법

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Laadjal et al. Supercapacitors Online Parameters Estimation and State-of-Health Determination in Hybrid

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