KR101383005B1 - 전지 감시 장치 - Google Patents

Abstract

(과제) 전지를 실제로 사용하고 있는 자동차나 발전 플랜트나 가정용 축전 시스템 등의 온 사이트나, 실부하를 원하는 부하 상태로 제어하면서, 전지의 내부 임피던스 특성을 측정하여, 전지 상태를 실시간으로 감시할 수 있는 전지 감시 장치를 실현하는 것.
(해결 수단) 복수 개의 전지 셀이 직렬로 접속되고, 실부하를 고주파역을 포함하는 부하 변동을 일으키는 상태에서 구동시키는 전지 모듈을 실시간으로 측정 감시하는 전지 감시 장치로서, 상기 각 전지 셀에 각각 형성되어 있어 상기 각 전지 셀로부터 전압 신호 및 전류 신호가 입력되고, 상기 각 전지 셀의 순시 전력 및 내부 임피던스 특성을 측정하는 복수의 전력/임피던스 연산부와, 이들 전력/임피던스 연산부의 출력 데이터가 내부 버스를 통하여 입력되는 전지 모듈 상태 관리부로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

전지 감시 장치{BATTERY MONITORING DEVICE}

본 발명은, 전지 감시 장치에 관한 것으로, 상세하게는, 전지를 실제로 사용하고 있는 자동차나 플랜트 등의 온 사이트 (현장) 나, 실부하를 원하는 부하 상태로 제어하면서 전지 상태를 실시간으로 측정 감시할 수 있는 전지 감시 장치에 관한 것이다.

반복 충전을 실시할 수 있는 2 차 전지는, 하이브리드 자동차나 전기 자동차 등의 주행 모터 구동 전원으로서 사용됨과 함께, 화석 연료에 의지하지 않는 태양 발전이나 풍력 발전 등의 환경 부하가 비교적 적은 에너지를 모을 수 있다는 시점에서도, 산업계나 공공 기관이나 일반 가정 등에서도 널리 이용되고 있다.

일반적으로, 이들 2 차 전지는, 소정 수의 전지 셀을 직렬로 접속함으로써 원하는 출력 전압이 얻어지는 전지 모듈로서 구성되고, 원하는 출력 전압이 얻어지는 소정 수의 전지 모듈을 병렬로 접속함으로써 원하는 전류 용량 (AH) 이 얻어지는 전지 팩으로서 구성되어 있다.

그런데, 자동차에 주행 모터 구동 전원으로서 탑재되는 2 차 전지는, 충전 시간, 항속 거리 등의 편리성으로부터, 당분간 리튬 이온 전지가 주류가 될 것으로 생각되고 있다.

도 32 는, 종래의 2 차 전지를 사용한 전지 시스템의 일례를 나타내는 블록도이다. 도 32 에 있어서, 전지 모듈 (10) 은, 복수의 전지 셀 (11₁ ∼11_n) 과 전류 센서 (12) 가 직렬 접속된 것으로, 부하 (L) 와 직렬로 접속되어 있다.

전지 감시 장치 (20) 는, 전지 모듈 (10) 을 구성하는 복수의 전지 셀 (11₁ ∼11_n) 과 전류 센서 (12) 에 개별적으로 대응하도록 형성되어 있는 복수의 A/D 변환기 (21₁ ∼ 21_n+1) 와, 이들 A/D 변환기 (21₁ ∼ 21_n+1) 의 출력 데이터가 내부 버스 (22) 를 통하여 입력되는 처리 장치 (23) 로 구성되어 있다.

전지 모듈 (10) 의 각 전지 셀 (11₁ ∼11_n) 의 출력 전압과 전류 센서 (12) 의 검출 신호는, 각각 대응하는 A/D 변환기 (21₁ ∼ 21_n+1) 에 입력되어 디지털 신호로 변환되고, 이들 A/D 변환기 (21₁ ∼ 21_n+1) 의 출력 데이터는 내부 버스 (22) 를 통하여 처리 장치 (23) 에 입력된다.

처리 장치 (23) 는, A/D 변환기 (21₁ ∼ 21_n+1) 의 출력 데이터에 기초하여 예를 들어 각 전지 셀 (11₁ ∼11_n) 의 내부 저항값을 구함과 함께 그들의 내부 저항값으로부터 원하는 전류를 취출하는 경우의 전압 강하분을 추정하고, 이들의 데이터를 외부 버스 (30) 를 통하여 상위의 전지 시스템 제어부 (40) 로 전송한다.

전지 시스템 제어부 (40) 는, 전지 감시 장치 (20) 로부터 입력되는 데이터에 기초하여, 현재의 전지 모듈 (10) 의 출력 전압으로 안정적으로 부하 장치 (L) 를 구동시킬 수 있도록, 전지 모듈 (10) 및 부하 장치 (L) 를 제어한다

이와 같은 전지 모듈 (10) 을 구성하는 2 차 전지의 성능을 평가하는 지표의 하나로, 도 33 및 도 34 에 나타내는 바와 같은 내부 임피던스 특성이 있다. 도 33 은 만충전된 전지를 고온 상태로 방치한 경우의 임피던스 특성예도이고, 도 34 는 고온 상태에서 충방전을 반복한 경우에 있어서의 임피던스 특성예도이다. 또한, 도 33 및 도 34 에 있어서, 좌측도는 교류 임피던스 측정 결과에 기초하는 복소 임피던스를 복소 좌표에 플롯한 콜콜 플롯을 나타내고, 우측도는 그 임피던스 주파수 특성을 나타내는 보드선도를 나타내고 있다.

도 33 의 좌측도는, 방치 기간이 예를 들어 1 년, 2 년, … 으로 길어짐에 따라 교류 임피던스가 커져 가는 과정을 나타내고 있다. 도 34 의 좌측도는, 충방전이 예를 들어 50 회, 100 회, … 로 반복됨에 따라 교류 임피던스가 커져 가는 과정을 나타내고 있다.

임피던스가 커지면, 전류를 취출할 때의 전지 전압 강하가 커져, 충분한 출력 전압이 얻어지지 않게 된다. 각 우측도의 주파수가 낮은 부분은, 자동차의 액셀을 긴 시간 계속 밟는 것에 상당한다. 이들의 데이터로부터, 주파수가 낮은 부분에서는 임피던스가 커지기 때문에, 점점 전압 강하가 커지는 것을 추측할 수 있다. 즉, 전지의 열화에 수반하여 출력 특성이 변화되어, 충분한 출력을 취출할 수 없게 되어 버린다.

도 35 는 2 차 전지의 교류 임피던스를 측정하는 종래의 측정 회로의 일례를 나타내는 블록도로서, 도 32 와 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 도 35 에 있어서, 전지 (10) 와 전류 센서 (12) 의 직렬 회로의 양 단에는, 소인 신호 발생기 (50) 가 접속되어 있다. 이 소인 신호 발생기 (50) 는, 도 33 및 도 34 의 우측도에 나타내는 주파수 특성 영역을 포함하는 범위에서 출력 주파수가 소인 변화하는 교류 신호를, 전지 (10) 와 전류 센서 (12) 의 직렬 회로로 출력한다.

교류 전압 모니터 (60) 는, 전지 (10) 의 양 단의 교류 전압을 측정하여 임피던스 연산 장치 (80) 에 입력한다. 교류 전류 모니터 (70) 는, 전류 센서 (12) 에 흐르는 교류 전류를 측정하여 임피던스 연산 장치 (80) 에 입력한다.

임피던스 연산 장치 (80) 는, 소인 신호 발생기 (50) 의 출력 신호의 각 주파수에 있어서의 교류 전압 모니터 (60) 의 측정 전압과 교류 전류 모니터 (70) 의 측정 전류의 비인 전지 (10) 의 복소 임피던스를 산출한다. 이들 산출된 복소 임피던스를 복소 평면에 플롯함으로써, 도 33 이나 도 34 에 나타내는 바와 같은 콜콜 플롯을 얻을 수 있다.

이와 같이 하여 작성되는 콜콜 플롯으로부터, 예를 들어 도 36 에 나타내는 바와 같은 전지 (10) 의 등가 회로의 각 파라미터를 추정할 수 있다. 또한, 도 36 의 등가 회로는, 직류 전원 (E) 과, 저항 (R1) 과, 저항 (R2) 과 콘덴서 (C2) 의 병렬 회로와, 저항 (R3) 과 콘덴서 (C3) 의 병렬 회로와, 저항 (R4) 과 인덕턴스 (L4) 의 병렬 회로가 직렬 접속되어 있다. 이와 같은 교류법에 의한 임피던스의 측정에 대해서는, 자동 측정 방법도 포함하여 특허문헌 1 에 상세하게 기재되어 있다.

한편, 자동차에 탑재되어 있는 리튬 이온 전지 상태를 감시하여, 전지의 성능을 최대한으로 활용하기 위한 정보를 상위 시스템에 제공함과 함께, 만일 사용자에게 위험을 미치는 이상이 전지에 일어났을 때에 안전하게 시스템을 정지시키는 것을 목적으로 하여, 비특허문헌 1 에 기재되어 있는 컨트롤러가 개발되어 실용화되고 있다.

일본 공개특허공보 2003-4780호

히오키 신지로우, 외 5 명, 「리튬 이온 배터리 컨트롤러의 개발」, CALSONIC KANSEI TECHNICAL REVIEW, 칼소닉 칸세이 주식회사, vol.72010 p.6-10

전술한 바와 같이, 전지의 내부 임피던스 특성을 측정함으로써, 전지의 여러가지 정보를 얻을 수 있으므로, 전지를 실제로 사용하고 있는 자동차나 발전 플랜트, 가정용 축전 시스템 등의 온 사이트 (현장) 에 있어서 전지의 내부 임피던스 특성을 측정할 수 있으면, 그들의 정보에 기초하여 전지의 현상황을 파악함과 함께, 전지의 현상황에 따라 항상 최대한 유효하게 활용하도록 제어할 수 있다.

그러나, 도 32 에 나타내는 종래의 시스템 구성에서는, 각 전지 셀 (11₁ ∼ 11_n) 의 내부 저항값을 구할 수 있는데, 처리 장치 (23) 와 전지 시스템 제어부 (40) 사이의 데이터 통신이 간헐적으로 되는 점에서, 각 전지 셀 (11₁ ∼ 11_n) 의 전압 데이터는 주기가 예를 들어 100 ms 이상의 이산적 데이터가 되어 버린다.

이 결과, 순시 혹은 일정 시간 적분 평균된 전압, 전류, 온도 등으로 구성되는 테이블을 참조하여 각 전지 셀 (11₁ ∼ 11_n) 상태를 검지할 수 있도록 하는 데에 그쳐, 정보가 많이 저장되어 있는 각 전지 셀 (11₁ ∼ 11_n) 의 내부 임피던스 특성을 측정할 수 없다.

또, 도 35 에 나타내는 종래의 측정 회로에 의하면, 소인 신호 발생기 (50) 가 필요하여, 온 사이트의 각 셀에 대해 도 35 와 같은 측정 회로를 실장하는 것은 비용적, 스페이스적으로도 실현은 곤란하다.

본 발명은, 이들의 과제를 해결하는 것으로서, 그 목적은, 전지를 실제로 사용하고 있는 자동차나 발전 플랜트나 가정용 축전 시스템 등의 온 사이트나, 실부하를 원하는 부하 상태로 제어하면서 전지의 내부 임피던스 특성을 측정하여, 전지 상태를 실시간으로 감시할 수 있는 전지 감시 장치를 실현하는 것에 있다.

이와 같은 과제를 달성하기 위해서, 본 발명 중 청구항 1 에 기재된 발명은,

실부하를 구동시키는, 직렬로 접속되어 복수 개의 전지 셀을 갖는 전지 모듈을 실시간으로 측정 감시하는 전지 감시 장치로서,

각 전지 셀에 각각 형성되어 상기 각 전지 셀로부터 전압 신호 및 전류 신호를 받아들이고, 상기 각 전지 셀의 순시 전력 및 내부 임피던스 특성을 측정하는 복수의 전력/임피던스 연산부와,

이들 전력/임피던스 연산부의 출력 데이터를 내부 버스를 통하여 받아들이는 전지 모듈 상태 관리부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

청구항 2 의 발명은,

제 1 항에 있어서,

상기 전지 모듈의 부하 장치로서의 자동차의 구동계를 구성하고 있는 액셀의 움직임을 감시하고, 그 검출 신호를 상기 전력/임피던스 연산부와 상기 전지 모듈 상태 관리부에 공급하는 액셀 워크 감시부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

청구항 3 의 발명은,

제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 전력/임피던스 연산부는, 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환을 실시하고, 그 결과로부터 원하는 주파수 영역에 있어서의 전지 내부 임피던스 특성을 나타내는 등가 회로 상수를 추정하는 것을 특징으로 한다.

청구항 4 의 발명은,

제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 전력/임피던스 연산부는, 전지 내부의 반응 시간 상수에 따라 그 시간 상수를 최적으로 추정할 수 있는 시간 분해능과 시간 스팬으로 측정 데이터를 취득하고, 취득한 측정 데이터를 사용하여 그 시간 상수에 지배적으로 관여하고 있는 것으로 생각되는 등가 회로 상수를 추정하는 것을 특징으로 한다.

청구항 5 의 발명은,

제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 전력/임피던스 연산부는, 상기 각 전지 셀의 온도 정보를 받아들이는 것을 특징으로 한다.

청구항 6 의 발명은,

제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 실부하와 병렬로 접속되고, 고주파 성분을 포함한 파형을 발생시키는 의사 부하 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

청구항 7 의 발명은,

제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 실부하를 부하 프로그램에 따라 구동 제어하는 부하 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이들에 의해, 전지를 실제로 사용하는 자동차나 플랜트 등의 온 사이트나, 실부하를 원하는 부하 상태로 제어하면서, 전지의 내부 임피던스 특성을 측정할 수 있고, 전지 상태를 실시간으로 감시할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 2 는 전력/임피던스 연산부 (24) 의 구체예를 나타내는 블록도이다.
도 3 은 도 2 의 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 의 구체예를 나타내는 블록도이다.
도 4 는 전지의 임피던스 특성예도이다.
도 5 는 도 36 의 등가 회로에 대한 상수 추정 임피던스 특성예도이다.
도 6 은 도 2 의 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 의 다른 구체예를 나타내는 블록도이다.
도 7 은 a = 4의 상관 계수 Corr (i) 의 그래프이다.
도 8 은 샘플 임피던스 특성예도이다.
도 9 는 다른 샘플 임피던스 특성예도이다.
도 10 은 다른 샘플 임피던스 특성예도이다.
도 11 은 구형파 펄스 f (t) 의 특성예도이다.
도 12 는 가중의 구체예를 나타내는 설명도이다.
도 13 은 가중으로 상수 추정한 결과예를 나타내는 설명도이다.
도 14 는 도 2 의 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 의 다른 구체예를 나타내는 블록도이다.
도 15 는 정전류 펄스의 응답 측정예도이다.
도 16 은 나이퀴스트 플롯예도이다.
도 17 은 도 36 의 등가 회로에 있어서의 각 회로 상수의 측정 결과와 그 측정 결과에 기초하여 산출한 피팅용의 임피던스 특성 곡선의 설명도이다.
도 18 은 스파이크 검출의 유무에 의한 샘플 임피던스 특성의 비교예도이다.
도 19 는 도 2 의 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 의 다른 구체예를 나타내는 블록도이다.
도 20 은 인덕턴스 L 성분을 보정하기 위한 처리의 흐름을 설명하는 플로우 차트이다.
도 21 은 도 20 의 플로우 차트의 순서로 보정한 스파이크 있는 파형 데이터를 등가 회로 피팅한 결과예를 나타내는 설명도이다.
도 22 는 전력/임피던스 연산부 (24) 의 다른 구체예를 나타내는 블록도이다.
도 23 은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 24 는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 25 는 도 2 의 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 의 다른 구체예를 나타내는 블록도이다.
도 26 은 전지의 임피던스 특성예도이다.
도 27 은 도 26 의 전지의 등가 회로예도이다.
도 28 은 넓은 피팅 대상 구간의 설명도이다.
도 29 는 추정 상수에 기초하는 임피던스 특성예도이다.
도 30 은 좁은 피팅 대상 구간의 설명도이다.
도 31 은 재추정한 상수에 기초하는 임피던스 특성예도이다.
도 32 는 종래의 2 차 전지를 사용한 전지 시스템의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 33 은 만충전된 전지를 고온 상태에 방치한 경우의 임피던스 특성예도이다.
도 34 는 고온 상태에서 충방전을 반복한 경우에 있어서의 임피던스 특성예도이다.
도 35 는 2 차 전지의 교류 임피던스를 측정하는 종래의 측정 회로의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 36 은 전지의 등가 회로예도이다.
도 37은 본 발명의 실시예에 따른 전지 감시 장치의 하드웨어 구성을 나타내는 개략도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해, 도면을 이용하여 상세하게 설명한다. 도 1 은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 블록도이고, 도 32 와 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 도 1 에 있어서, 전지 감시 장치 (20) 는, 전지 모듈 (10) 을 구성하는 복수 n 개의 각 전지 셀 (11₁ ∼ 11_n) 에 대응하여 형성되어 있는 복수 n 개의 전력/임피던스 연산부 (24₁ ∼ 24_n) 와, 이들 전력/임피던스 연산부 (24₁ ∼ 24_n) 의 출력 데이터가 내부 버스 (25) 를 통하여 입력되는 전지 모듈 상태 관리부 (26) 와, 부하 장치 (L) 로서의 자동차의 구동계를 구성하고 있는 액셀 (L1) 의 움직임을 감시하는 액셀 워크 감시부 (27) 로 구성되어 있다.

부하 장치 (L) 로서의 자동차의 구동계는, 액셀 (L1) 과 인버터 (L2) 와 모터 (L3) 가 실질적으로 직렬 접속되어 있다. 인버터 (L2) 는, 전지 모듈 (10) 과 직렬로 접속되어 있고, 전지 모듈 (10) 로부터 모터 (L3) 를 회전 구동하는 데에 필요한 구동 전력이 공급된다. 모터 (L3) 는, 운전자가 예를 들어 페달 조작하는 액셀 (L1) 의 움직임에 따라 인버터 (L2) 에 공급되는 구동 전력량을 제어함으로써, 운전자가 의도하는 회전 속도로 회전하도록 완급 제어된다.

운전자의 페달 조작에 수반하는 액셀 (L1) 의 움직임은, 액셀 워크 감시부 (27) 에서 연속적으로 감시 검출되어 있고, 그 검출 신호는 전지 모듈 상태 관리부 (26) 및 내부 버스 (25) 를 통하여 각 전력/임피던스 연산부 (24₁ ∼ 24_n) 에 입력된다.

전력/임피던스 연산부 (24₁ ∼ 24_n) 에는, 각각에 대응하는 각 전지 셀 (11₁ ∼ 11_n) 로부터 전압 신호가 입력됨과 함께, 전류 센서 (12) 로부터 전류 신호가 입력되고 있다.

여기서, 운전자의 페달 조작에 수반하는 액셀 (L1) 의 움직임은, 각 전지 셀 (11₁ ∼ 11_n) 의 출력 전압 파형 및 전류 센서 (12) 의 출력 전류 파형에, 광대역의 주파수 성분을 포함하는 계단파적인 상승이나 하강의 변화를 주게 된다.

본 발명에서는, 이들 광대역의 주파수 성분을 포함하는 파형 데이터를, 전력/임피던스 연산부 (24₁ ∼ 24_n) 에서 이산 푸리에 변환 (DFT) 또는 고속 푸리에 변환 (FFT) 을 실시하고, 그 결과로부터 원하는 주파수 영역에 있어서의 등가 회로 상수를 추정한다. 이로써, 전지를 실제로 사용하고 있는 자동차나 플랜트 등의 온 사이트에 있어서, 전지의 내부 임피던스 특성을 측정할 수 있고, 전지 상태를 실시간으로 감시할 수 있다.

전지 모듈 상태 관리부 (26) 는, 각 전력/임피던스 연산부 (24₁ ∼ 24_n) 에서 측정되는 전지 모듈 (10) 을 구성하는 각 전지 셀 (11₁ ∼ 11_n) 의 순시 전력 정보 및 내부 임피던스 정보를 받아들임과 함께, 이들 데이터를 외부 버스 (30) 를 통하여 상위의 전지 시스템 제어부 (40) 로 전송한다.

전지 시스템 제어부 (40) 는, 전지 감시 장치 (20) 로부터 입력되는 데이터에 기초하여, 현재의 전지 모듈 (10) 의 출력 전압으로 안정적으로 부하 장치 (L) 를 구동시킬 수 있도록 전지 모듈 (10) 및 부하 장치 (L) 를 제어함과 함께, 각 전지 셀 (11₁ ∼ 11_n) 의 순시 전력량의 변화 동향이나 내부 임피던스 정보의 변화 동향 등에 기초를 두어 각 전지 셀 (11₁ ∼ 11_n) 의 성능의 추이 상황을 파악하여, 충전을 재촉하는 알람을 발신하거나, 성능 열화의 경향을 해석하여 전지 모듈 (10) 의 교환 시기 예측 데이터 등도 출력한다.

도 2 는, 전력/임피던스 연산부 (24) 의 구체예를 나타내는 블록도이다. 도 2 에 있어서, 각 전지 셀 (11₁ ∼ 11_n) 의 전압 신호 (V) 는, 안티 앨리어싱 필터 (24a) 를 통하여 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 통하여 A/D 변환기 (24e) 에 입력되고, A/D 변환기 (24e) 의 출력 데이터는 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 에 입력된다.

A/D 변환기 (24b, 24e) 는, 전지 모듈 상태 관리부 (26) → 액셀 변화량 검출부 (24f) → 클록 제어부 (24g) → 가변 클록 발생부 (24h) 로 구성되고, 액셀 워크 감시부 (27) 로부터 검출 출력되는 액셀 변화 신호에 기초하여 생성되는 가변 클록 계통에 의해 구동된다. 이로 인해, 발진, 가속, 고속 주행, 저속 주행, 감속, 정지, 후퇴, 그들의 완급 등, 운전자 액셀 워크에 기초한 클록이 생성되어, 각각 상태에 있어서의 전압 신호 (V) 및 전류 신호 (1) 가 디지털 데이터로 변환된다.

또한, A/D 변환기 (24b, 24e) 의 샘플링 클록 주파수는, 각 전지 셀 (11₁ ∼ 11_n) 의 내부 임피던스를 측정하고자 하는 주파수 대역에 따라 변경할 수도 있다. 예를 들어 1 ㎑ 까지의 내부 임피던스를 측정하는 경우에는, 샘플링 클록 주파수를 2 K sample/s 로 하고, 안티 앨리어싱 필터 (24a, 24d) 의 저역 통과 대역을 1 ㎑ 이하로 한다.

등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 에는, 측정하고자 하는 각 전지 셀 (11₁ ∼ 11_n) 의 등가 회로 패턴 등의 등가 회로의 정보가 저장되어 있는 등가 회로 정보 저장부 (24i) 가 접속되어 있다. 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 에서 측정된 등가 회로의 각 파라미터는, 내부 버스 (25) 를 통하여 전지 모듈 상태 관리부 (26) 에 받아들여진다.

A/D 변환기 (24b, 24e) 의 출력 데이터는, 전력 측정부 (24j) 에도 입력된다. 이로써, 전력 측정부 (24j) 는 각 전지 셀 (11₁ ∼ 11_n) 의 순시 전력을 측정하고, 측정 결과를 전력 정보 저장부 (24k) 에 저장한다. 전력 정보 저장부 (24k) 에 저장된 전력 정보는, 내부 버스 (25) 를 통하여 전지 모듈 상태 관리부 (26) 에 받아들여진다.

도 3 은, 도 2 의 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 의 구체예를 나타내는 블록도이다. A/D 변환기 (24b, 24e) 의 출력 데이터는, 파형 데이터 기억부 (c1) 에 축차 저장된다.

DFT 연산부 (c2) 는, 파형 데이터 기억부 (c1) 에 축차 저장되는 파형 데이터를 이산 푸리에 변환하고, 전압 신호의 이산 푸리에 변환 결과를 전류 신호의 이산 푸리에 변환 결과로 제산함으로써 임피던스를 연산하고, 연산된 임피던스 데이터를 임피던스 데이터 기억부 (c3) 에 저장한다. 또한, 파형 데이터의 형태에 따라서는, DFT 연산부 (c2) 대신에 FFT 연산부를 사용하는 것에 의해, 연산 처리의 고속화가 도모된다.

회로 상수 추정 연산부 (c4) 는, 임피던스 데이터 기억부 (c3) 에 저장되어 있는 임피던스 데이터에 기초하여, 미리 지정된 등가 회로 모델에 있어서, 상수 피팅를 실시한다. 회로 상수 추정 연산부 (c4) 에서 추정 연산된 회로 상수는, 예를 들어 도 36 에 나타낸 등가 회로의 경우, R4 와 L4 는 불변 회로 상수 기억부 (c5) 에 저장되고, 그 밖의 R1, R2, C2, R3, C3 은 회로 상수 기억부 (c6) 에 저장된다.

임피던스 추정 연산부 (c7) 는, 임의의 주파수에 있어서의 임피던스를 출력한다. 임피던스 데이터가 실재하는 주파수 영역에 대해서는, 임피던스 데이터 기억부 (c3) 에 저장되어 있는 임피던스 데이터를 그대로 출력한다. 임피던스 데이터가 실재하지 않는 주파수 영역에 대해서는, 불변 회로 상수 기억부 (c5) 및 회로 상수 기억부 (c6) 에 저장되어 있는 회로 상수에 기초하여 추정 연산하고, 그 연산 결과를 출력한다.

해석 조건 기억부 (c8) 에는, 외부로부터 해석 조건이 저장된다. 해석 조건은 주로 각 연산부에 있어서의 운전 조건을 나타내는데, 기준 측정이나 시스템 탑재시 측정인지의 정보도 포함한다.

최근, 전지에 대해 정전압이나 정전류로 정현파를 인가하여 임피던스 특성을 구하고, 충방전의 온도 특성이나 충전 잔량이나 성능 열화의 정도 등을 추정하여 전지 상태를 파악하는 연구가 활발히 행해지고 있다.

전지가 자동차 등의 시스템에 장착되기 전의 단체 상태에서는, 정비된 측정 환경에서 임피던스 측정을 실시할 수 있는데, 시스템에 장착되어 버리면, 시스템 상의 제약 등에 의해, 충분한 임피던스 측정을 할 수 없는 경우가 있다. 특히, 자동차의 구동원으로서 탑재된 경우에는, 시스템측의 샘플 레이트가 불충분하여, 높은 주파수 영역이 샘플되지 않는 것이 상정된다. 이 경우, 미리 측정한 측정 범위 상당의 비교를 할 수 없게 되어 버린다.

도 4 는 전지의 임피던스 특성예도로, 도 4(A) 는 정현파를 주파수 범위 1 ㎐ ∼ 2.5 ㎑ 로 소인함과 함께, 각 측정 주파수점에서 충분한 샘플 레이트를 확보하면서 측정한 결과를 나타내고 있다. 이후, 도 4(A) 를 기준 특성으로 한다.

도 4(B) 는 도 4(A) 의 기준 특성으로부터 주파수 범위 1 ∼ 50 ㎐ 를 취출한 것이다. 이것은, 전지를 예를 들어 자동차 시스템에 탑재한 경우의 제약에 의해, 고주파수 영역이 측정할 수 없는 경우를 상정하고 있다. 도 4(A) 에 표시되어 있는 허축의 + 측 (그래프의 하측 절반분) 은 전지의 L (인덕턴스) 의 정보를 포함하는 영역인데, 도 4(B) 에서는 그 부분이 완전하게 결락되어 있다.

전지의 인덕턴스에 대해서는, 구조적인 특성이고, 전극이나 전해 용액의 열화 등으로는 시간 경과적으로 변화하지 않는다는 생각이 있다. 이 생각에 기초하면, 도 4(A) 의 기준 특성으로부터 미리 등가 회로 상수를 구하고, 시간 경과적으로 변화하지 않는 상수에 대해서는, 전지를 시스템 탑재 후에도, 이들의 상수를 사용할 수 있다.

도 4(C) 는 도 4(A) 의 기준 특성을, 도 36 의 등가 회로 모델에 기초하여 상수 피팅하여 구한 R1, R2, R3, C2, C3, L4, R4 로부터 도출한 임피던스 특성 곡선이다. 피팅은 공지된 연산식에 기초하여 실시할 수 있다.

도 4(D) 는 도 4(B) 에서 추정한 회로 상수 R1, R2, R3, C2, C3 과 미리 취득한 L4, R4 를 이용하여, 도 36 의 등가 회로 모델에 기초하여 상수 피팅하여 구한 결과로부터 도출한 임피던스 특성 곡선이다. 도 4(D) 의 임피던스 특성 곡선은, 도 4(C) 의 임피던스 특성 곡선과 거의 동일해져 있다. 즉, 도 4(B) 에서 추정한 회로 상수 R1, R2, R3, C2, C3 과 미리 취득한 L4, R4 를 사용하는 것에 의해, 도 4(A) 의 기준 특성에 상당하는 주파수 범위에 있어서의 임피던스 특성을 추정할 수 있다.

상기 실시예에서는 등가 회로 모델에 불변 회로 상수를 주는 것에 의해 임피던스 추정을 실시하고 있는데, 등가 회로 상에 불변 회로 상수를 주는 것이 아니라, 불변 회로 상수로부터 시계열 데이터를 만들어 내고, 그것을 측정한 시계열 데이터에 더한 후에, 다른 회로 상수를 추정하도록 해도 된다.

또, 상기 실시예에서는 L 성분은 낮은 주파수 영역에는 영향을 미치지 않는다는 전제로 상수 추정을 실시하고 있다. 따라서, 상수 추정시의 등가 회로 모델에는 불변 회로 상수 (L4, R4) 를 포함하지 않고, 임피던스 추정시에만 불변 회로 상수 (L4, R4) 를 사용하고 있다. 그런데, 전지의 특성에 따라서는 L 성분이 낮은 주파수 영역에도 영향을 미칠 가능성이 있다. 그 경우에는, 상수 추정시의 등가 회로에 불변 회로 상수 L4, R4 를 포함한 후 상수 추정하도록 해도 된다.

그런데, 전지의 등가 회로 모델의 선택에 있어서는, 미리, 측정 대상으로 하는 전지 고유의 특성이나 측정 주파수 범위를 인식한 다음 적절한 등가 회로 모델을 선택하지 않으면, 도 5 의 임피던스 특성예도에 나타내는 바와 같이 실물과는 동떨어진 상수 추정 결과가 되는 경우가 있다.

도 5 는, 도 36 의 등가 회로에 대해, 동일한 임피던스 데이터로부터 상이한 주파수 범위의 데이터를 추출하여, 상수 추정을 실시한 결과이다. 도 5(A) 는 0.1 ㎐ 이상을 추출한 결과로, 상수 피팅에 의해 도출한 임피던스 특성 곡선과, 실제의 임피던스 특성이 일치하고 있다.

이것에 대해, 도 5(B) 는 1.0 ㎐ 이상을 추출한 결과로서, 상수 피팅에 의해 도출한 임피던스 특성 곡선으로부터 크게 벗어나 있다. 이것은, 실물은 와버그 소자를 포함하고 있음에도 불구하고, 데이터에는 그 특성이 현저하게 나타나지 않은 것에 의해, 국소해에 빠져 있는 것으로 추측할 수 있다. 이와 같이, 동일한 등가 회로 모델이어도, 상수 추정에 사용하는 임피던스의 주파수 범위가 상이하면, 완전히 상이한 결과가 얻어지는 경우가 있다.

이와 같은 문제는, 도 6 에 나타내는 바와 같이 구성되는 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 를 이용하고, 임피던스 데이터의 특징에 기초하여 최적인 등가 회로 모델을 선택함으로써 회피할 수 있어, 회로 상수 추정 정밀도의 향상이 도모된다.

도 6 은 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 의 다른 구체예를 나타내는 블록도로, 도 3 과 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 도 6 에 있어서, 회로 모델 선택부 (c9) 는, DFT 연산부 (c2) 에서 추정되어 임피던스 데이터 기억부 (c3) 에 저장되어 있는 임피던스 데이터의 특징에 기초하여, 최적인 등가 회로 모델을 선택한다. 회로 상수 추정 연산부 (c4) 는, 임피던스 데이터 기억부 (c3) 에 저장되어 있는 임피던스 데이터 및 회로 모델 선택부 (c9) 에서 선택된 최적인 등가 회로 모델에 기초하여, 각 회로 상수의 추정 연산을 실시한다.

일반적으로 사용되는 전지의 등가 회로 모델은, n 단의 RC 병렬 회로와, 1 단의 LR 병렬 회로와, 와버그 소자로 구성되어 있다. 그래서, 회로 모델 선택부 (c9) 는, 이와 같은 등가 회로 모델의 구체적인 구성에 대해, 이하의 순서로 순차 결정한다.

1) 와버그 소자의 유무

2) LR 병렬 회로의 유무

3) RC 병렬 회로의 단수

1) 먼저, 와버그 소자에 대해서는, 저주파수측의 임피던스 실축·허축의 상관 계수를 이용하여, 유무를 판단한다. 예를 들어, Corr < -0.99 이면 와버그 있음으로 판정한다. 상관 계수는 하기 식으로부터 산출한다.

여기서, Corr (i) 는 i 번째 임피던스 데이터 주변의 상관 계수, Zrealj 및 Zimgj 는 j 번째 임피던스 데이터의 실부·허부를 나타낸다.

는, 각각 i-a ∼ i+a 번째 임피던스의 실부·허부 데이터의 평균값을 나타낸다. 또한, 임피던스 데이터는 주파수의 오름순으로 나열되어 있는 것으로 한다.

도 7 은, a=4 의 상관 계수 Corr (i) 의 그래프이다. 이번 샘플 데이터에서는 와버그 「있음」으로 판단된다.

2) 다음으로, LR 병렬 회로의 유무를 판정한다. 고주파수측의 임피던스 허축이 10 값이면, LR 병렬 회로가 필요한 것으로 판단한다. 도 8 의 샘플 임피던스 특성도의 경우에는, LR 병렬 회로 「있음」으로 판단된다.

3) 마지막으로 RC 병렬 회로의 단수를 결정한다. 전체 데이터에 있어서 상관 계수가 - 로부터 + 방향으로, Corr (i) = -0.95 를 걸친 횟수로 판정한다. 단, 임피던스의 허축이 + 영역에서 걸쳐 있는 경우에는, LR 의 특성으로 간주하여 카운트하지 않는다. 도 9(A) 에 나타내는 샘플 데이터에서는, a, b, c 의 3 점에서 상관 계수가 -0.95 를 걸쳐 있는데, c 점은 도 9(B) 에 나타내는 바와 같이 임피던스의 허축이 320 ㎐ 를 넘은 + 영역에서 걸쳐 있으므로 카운트하지 않고, RC 병렬 회로는 2 단으로 판단한다.

이들에 의해, 회로 상수 추정 연산부 (c4) 에서 추정 연산되는 각 회로 상수의 추정 정밀도의 향상이 도모된다.

충분한 측정 환경 하에서 전압·전류 데이터를 취득할 수 있으면, 임피던스의 특징을 추출하는 것은 가능하다. 그러나, 예를 들어 전지를 자동차에 탑재한 상태에서는, 노이즈 등의 영향으로 반드시 양호한 측정 결과가 얻어진다고는 할 수 없다.

그 경우에는, 복수의 등가 회로 모델 후보를 선택한 다음 병렬로 상수 추정 연산을 실시하고, 대상 임피던스 데이터와의 오차가 최소인 것을 최종적인 출력으로 해도 된다.

또한, 반복 연산 중에 있어서, 수시 대상 임피던스 데이터와의 오차를 산출하여, 기준값을 만족하지 않는 것, 또는 명확하게 수속하고 있지 않는 것에 대해서는, 연산을 중지시키고 다른 모델을 선택한다는 기능을 형성해도 된다.

또, 회로 상수 추정 연산부 (c4) 에서 추정 연산을 실시하는 과정에 있어서, 주파수 영역이나 측정 정밀도 등의 조건에 따라 각 데이터의 가중을 실시함으로써, 상수 추정 정밀도의 향상을 도모할 수도 있다.

임피던스 특성을 단일 정현파의 소인 측정으로부터 얻는 경우에는, 각 주파수 단위로, A/D 변환기의 A/D 분해능을 고려한 진폭을 설정할 수 있다. 이것에 대해, 펄스와 같은 복수의 주파수 성분을 포함하는 파형의 경우에는, 각 주파수 성분의 진폭을 제어할 수 없다. 이 경우, 어느 주파수 성분에 있어서는, A/D 분해능이 부족하여, 올바른 임피던스를 얻을 수 없다. 또한, 이 데이터를 이용하여 등가 회로 모델의 상수 추정을 실시하면, 오차가 큰 추정 결과가 될 가능성이 있다.

도 10 의 샘플 데이터에 있어서, 도 10(A) 는 도 36 의 등가 회로에 대응한 전술 도 4(C) 와 동일한 것이고, 정현파형 입력 응답으로부터 얻어진 임피던스 특성과 상수 피팅으로부터 얻어진 임피던스 특성 곡선이다. 정현파를 주파수 범위 1 ㎐ ∼ 2.5 ㎑ 로 소인함과 함께, 각 측정 주파수점에서 충분한 샘플 레이트를 확보하면서 측정한 결과이고, 이들의 회로 상수를 참값으로 한다.

도 10(B) 는, 펄스 입력 응답으로부터 얻어진 결과이다. 단, R4, L4 는 정현파형 입력 응답으로 얻어진 상수를 이용하고 있다. 샘플 레이트 1 ㎑ 로 측정하고 있고, 1 ∼ 450 ㎐ 의 주파수역에서 이산 푸리에 변환을 실시하고 있다. 샘플 레이트가 낮기 때문에, 높은 주파수측에서 보여야할 인덕턴스 성분이 캡쳐되어 있지 않다. 또, 주파수가 높을수록 결과가 편차가 생겨 있다. 이들의 편차는, 펄스에 포함되는 각 주파수 성분의 진폭과 A/D 변환기의 A/D 분해능이 관계하고 있는 것으로 생각된다.

여기서, 구형파 펄스 f(t) 를 푸리에 급수 전개하여, 파형에 포함되는 주파수 성분을 생각할 수 있다. 구형파 펄스 f(t) 는 도 11 과 같이 나타낼 수 있다.

단, W 는 펄스폭, T 는 주기, m 은 0 이상의 정수이다.

상기 식으로 나타내는 바와 같이, 주파수에 따라서는 진폭 a_m 이 A/D 분해능에 대해 매우 작아져 버리기 때문에, 이 주파수 부근에서 결과가 크게 편차가 생길 가능성이 있다.

이 편차에 의해 등가 회로 상수의 추정 정밀도가 손상될 우려가 있지만, 편차의 영향을 억제하기 위해서는, 어떠한 가중 계산이 유효한 것으로 생각된다.

구체예로서, 회로 상수의 추정에 Gauss-Newton 법을 이용하는 경우를 생각한다. 회로 상수의 참값으로부터의 차를, ΔR2, ΔC2, ΔR3, ΔC3 으로 하면, 이하와 같이 나타낼 수 있다.

ΔZn 은 n 번째의 실측 임피던스와 현재의 회로 상수로부터 계산하여 얻어진 동주파수에 있어서의 임피던스의 차다. J 는 야코비안, T 는 행렬의 전치를 나타낸다. 상기 계산을, 회로 상수가 수속될 때까지 반복하여 실시한다. 여기서, 가중 p(j) 를 도입하여, 이하의 식으로 회로 상수의 추정 연산을 실시한다.

진폭이 작은 주파수역에서는 가중을 작게 하고, 반대로 진폭이 큰 주파수역에서는 가중을 크게 함으로써, 편차의 영향을 억제하는 효과를 기대할 수 있다.

입력 응답이 펄스에 가까운 형상인 경우, 푸리에 급수의 성질로부터, 예를 들어 도 12 와 같은 가중이 유효한 것으로 생각된다. 단, k 는 0 이상의 정수, f_o 는 DFT 연산 구간을 일주기로 한 경우의 주파수, f_j 는 f_o 의 j 차주파수를 나타낸다.

도 13 은, 상기의 가중으로 상수 추정한 결과 예를 나타내는 설명도이다. 도 13(A) 는 샘플 임피던스 특성예도를 나타내고, 도 13(B) 는 가중 있음·없음으로 추정한 경우에 있어서의 상수의 참값으로부터의 차를 나타내고 있다. 모든 상수에 있어서, 참값에 가까운 상수 추정 결과로 되어 있다.

도 14 는 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 의 다른 구체예를 나타내는 블록도이고, 도 3 및 도 6 과 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 도 14 의 회로 상수 추정 연산부 (c4) 는, 임피던스 데이터 기억부 (c3) 에 저장되어 있는 임피던스 데이터 및 해석 조건 기억부 (c8) 로부터 설정되는 가중 함수나 주파수 범위 등에 기초하여, 각 데이터의 가중 연산 등을 실시한다.

이에 의해, 전술한 바와 같이, 각 회로 상수 추정 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.

인덕턴스 성분이 큰 전지에 대해 펄스상의 상승이 빠른 전류 (전압) 를 인가하면, 스파이크상의 전압 (전류) 이 발생한다. 이 때, A/D 변환기의 샘플 레이트가 충분히 높지 않으면 샘플 타이밍에 따라서는, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 이 스파이크 부분이 샘플되거나, 샘플되지 않거나 한다.

도 15 는 정전류 펄스의 응답 측정예도로, 도 15(A) 는 전압 스파이크 부분이 샘플된 경우를 나타내고, 도 15(B) 는 전압 스파이크 부분이 샘플되지 않은 경우를 나타내고 있다.

전지의 임피던스를 산출하는 경우, 스파이크 부분이 샘플된 경우와 샘플되지 않았던 경우에서는, 임피던스의 산정 결과가 현저하게 상이하여, 재현성이 없는 결과가 얻어진다.

도 16 은, 각각의 데이터로부터 구한 나이퀴스트 플롯예도이다. 「-Δ-」는, 정현파형 입력으로부터 얻어진 결과이다. 전술한 바와 같이 각각 충분한 샘플 레이트를 확보하여 각 주파수를 일파 (一波) 씩 소인 측정한 결과이다. 또한, 정현파형은 충분히 매끄럽기 때문에, 펄스 입력으로 보여지는 스파이크 응답은 발생하고 있지 않다. 이후, 이 「-Δ-」의 결과를 참값으로 한다.

「-□-」는, 스파이크나 검출된 데이터에 대해 이산 푸리에 변환을 실시한 결과이다. 스파이크 부분을 캡쳐하기 위해서 충분한 샘플레이트가 확보되어 있지 않기 때문에, 전체적으로 「-Δ-」의 참값으로부터 크게 벗어나 있다.

「×」는, 스파이크가 검출되지 않았던 데이터에 대해 이산 푸리에 변환을 실시한 결과이다. 스파이크 부분이 캡쳐되지 않았기 때문에, 허축 방향에 대해 아래로 신장되지 않고, 인덕턴스 성분이 결락되어 있다. 이들에 의해, 스파이크가 검출된 경우와 검출되지 않은 경우에서, 특성이 나타나는 방법이 현저하게 상이한 것이 명백하다.

전지의 인덕턴스는 구조적으로 정해지는 것으로, 전극이나 용액 열화에 의해 시간 경과적으로 변화하지 않는다는 생각이 있다. 전술한 바와 같이, 스파이크는 전지의 인덕턴스에서 기인되는 것이지만, 전지의 열화 진단에 있어서는, R, C 성분만 필요로 하여, L 성분은 측정되지 않아도 되는 경우가 있다. 그러한 경우, 그래프 허축의 마이너스측 (그래프 상부) 의 정보가 정확하고 충분하게 있으면, 전지의 R (저항) 및 C (컨덕턴스) 를 추정할 수 있어 전지의 열화 진단을 실시할 수 있다.

도 17 은, 정현파를 소정의 주파수 범위 1 ㎐ ∼ 2.5 ㎑ 로 소인함과 함께 각 측정 주파수점에서 충분한 샘플 레이트를 확보하여 측정한 임피던스 특성 및 이것을 도 36 의 등가 회로 모델로 상수 피팅하여 얻은 상수 R1, R2, R3, C2, C3, L4, R4 로부터 도출한 임피던스 특성 곡선이다. 이후, 이들의 측정 결과를 참값으로 한다.

도 18 은 스파이크 검출의 유무에 의한 샘플 임피던스 특성의 비교예도이다. 도 18(A) 는 펄스 응답에서 스파이크가 검출된 데이터를 나타내고, 도 18(B) 는 펄스 응답에서 스파이크가 검출되지 않았던 데이터를 나타내고 있다. 단, 인덕턴스 L 성분이 검출되지 않았던 데이터에 대해서는, R4, L4 를 등가 회로 모델에서 제외하고 있다.

도 18(C) 는 스파이크 검출의 유무에 의한 각 상수의 참값으로부터의 차를 나타내고 있다. R, C 에 있어서는, 스파이크가 검출되지 않았던 데이터에 기초하여 피팅를 실시하는 것에 의해, 참값에 가까운 결과가 얻어진다. 즉, 샘플 레이트가 불충분해도, 스파이크 없음의 파형이면, R, C 의 회로 상수를 추정하는 것이 충분히 가능한 것을 나타내고 있지만, 양호한 재현성으로 스파이크가 없는 파형을 취득하는 것은 곤란하다.

그래서, 저샘플 레이트로 측정된 펄스 응답 데이터로부터 L 성분이 보이는 데이터를 보정하고, 등가 회로의 R, C 를 양호한 재현성으로 고정밀도로 추정하는 것을 검토한다.

도 19 는 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 의 다른 구체예를 나타내는 블록도로, 도 3 과 도 6 및 도 14 와 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 도 19 의 스파이크 데이터 보정부 (c11) 는, 파형 데이터 기억부 (c1) 에 저장되어 있는 파형 데이터에 대해 스파이크 보정을 실시한다. 회로 상수 추정 연산부 (c4) 는, 임피던스 데이터 기억부 (c3) 에 저장되어 있는 임피던스 데이터 및 해석 조건 기억부 (c8) 로부터 설정되는 해석 조건 등에 기초를 두어, 상수 피팅으로 회로 상수를 추정 및 얻어진 상수로부터 도출된 임피던스 특성 곡선의 산출을 실시한다. 회로 상수 추정 연산부 (c4) 의 연산 결과는, 회로 상수 기억부 (c6) 에 저장된다.

도 20 은, 스파이크 데이터 보정부 (c10) 에 의한 스파이크 있는 파형 데이터의 인덕턴스 (L) 성분을 보정하기 위한 처리의 흐름을 설명하는 플로우 차트이다. 도 20 에 있어서, i(t) 는 t 번째의 전류 샘플링 데이터, v(t) 는 t 번째의 전압 샘플링 데이터이다. sr 은, 스파이크를 검출하기 위한 계수이다. 트리거는, 펄스의 상승 및 하강을 검출하기 위한 트리거 레벨이다.

단계 S1 에서 t = 1 의 파형 데이터를 선택하고, 단계 S2 에서 펄스의 상승인지의 여부를 판단하기 위해서 T = t 로 하여 i(t) > 트리거의 조건이 성립하는지의 여부를 판단한다. 이 조건이 성립하면 펄스의 상승인 것으로 판단하고, T = t 로 하여 플래그 = FALSE 로 하는 단계 S3 의 처리로 이행한다.

그리고, 단계 S4 에서 스파이크가 검출되었는지의 여부를 판단하기 위해서 v(t) > sr*v(t+1) 의 조건이 성립하는지의 여부를 판단한다. 이 조건이 성립하면 스파이크가 검출된 것으로 판단하고, 플래그 = TRUE, v(t) = v(t-1), t(t)=i(t-1) 로 하는 단계 S5 의 처리로 이행한다. 계속해서, t = T 의 파형 데이터를 선택하는 단계 S6 의 처리로 이행한다. 단계 S4 의 조건이 성립되지 않으면 스파이크 없음으로 판단하여 직접 단계 S6 의 처리로 이행한다.

단계 S7 에서 펄스의 하강인지의 여부를 판단하기 위해서 i(t) < 트리거의 조건이 성립하는지의 여부를 판단한다. 이 조건이 성립하면 펄스의 하강인 것으로 판단하고, 다시 단계 S8 에서 스파이크 보정의 유무를 판단하기 위해서 플래그 = TRUE 인지의 여부를 판단한다. 이 조건이 성립하면 스파이크 보정 있음으로 판단하고, v(t) = v(t-1), i(t) = i(t-1) 로 하는 단계 S9 의 처리로 이행하여 일련의 처리를 종료한다. 또한, 단계 S8 의 조건이 성립하지 않으면, 스파이크 보정 없음으로 하여 일련의 처리를 종료한다.

도 21 은, 도 20 의 플로우 차트의 순서로 보정한 스파이크 있는 파형 데이터를 등가 회로 피팅한 결과예를 나타내는 설명도이다. 도 21(A) 는 샘플 임피던스 특성예도를 나타내고, 도 21(B) 는 보정의 전후에 있어서의 상수의 참값으로부터의 차를 나타내고 있다. 보정 후의 상수는, 모든 상수에서 참값에 가까운 결과로 되어 있다.

도 22 는, 전력/임피던스 연산부 (24) 의 다른 구체예를 나타내는 블록도이다. 도 22 의 블록도에서는, 각 전지 셀 (11₁ ∼11_n) 로부터의 전압 신호 V 및 전류 신호 (I) 에 추가로 온도 신호 (T) 도 받아들이고 있다.

도시되지 않은 온도 센서로부터 출력되는 온도 신호 (T) 는, 안티 앨리어싱 필터 (24m) 를 통하여 A/D 변환기 (24n) 에 입력되고, A/D 변환기 (24n) 의 출력 데이터는 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 에 입력된다.

전지의 임피던스 특성은, 온도 환경에 따라 크게 변화한다. 그 때문에, 예를 들어 「열화-충전 잔량-임피던스」를 테이블화하는 경우에는, 온도 파라미터는 불가결해진다. 따라서, 도 22 에 나타내는 바와 같이, 각 전지 셀 (11₁ ∼ 11_n) 의 온도 모니터 결과를 전력/임피던스 연산부 (24) 에 부가하는 것은 유효하다.

또, 도 1 의 실시예에서는 액셀 (L1) 과 인버터 (L2) 와 모터 (L3) 가 실질적으로 직렬 접속되어 있는 자동차의 구동계를 실부하로서 이용하고, 운전자의 페달 조작에 수반하는 액셀 (L1) 의 움직임에 의한 각 전지 셀 (11₁ ∼ 11_n) 의 출력 전압 파형 및 전류 센서 (12) 의 출력 전류 파형의 계단파적인 상승이나 하강의 변화에 기초하여 임피던스 특성 추정을 실시하는 예를 나타내고 있는데, 실부하에 고주파 성분이 존재하지 않을 때에는, 도 23 에 나타내는 바와 같이 실부하와 병렬로 의사 부하 장치 (DL) 를 접속하여 고주파 성분을 포함한 파형을 발생시킴으로써, 고역까지 임피던스 추정할 수 있다.

의사 부하 장치 (DL) 의 출력 파형으로는, 구형파, 삼각파 등을 생각할 수 있다. 그 출력 진폭은, 예를 들어 전지 방전 레이트를 고려하여 여러가지 조건으로 실시할 수 있도록 하면 된다.

또한, 본 발명에서 사용하는 전력/임피던스 연산부 (24) 는, 반도체 집적 회로화 기술을 사용함으로써 초소형으로 패키지화할 수 있고, 예를 들어 자동차에 탑재되는 전지 모듈의 각 전지 셀에 장착하는 경우에도 극히 미소한 스페이스를 확보할 수 있으면 된다.

도 24 도 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 블록도로, 도 1 과 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 도 24 에 있어서, 부하 제어부 (LC) 는, 예를 들어 부하 장치 (L) 로서의 자동차의 구동계를 미리 설정된 소정의 부하 프로그램에 따라 구동 제어한다.

이로써, 실제의 운전에서는 실현 곤란한 주행 상태 등을 재현할 수 있고, 그들의 부하 변동이 전지 모듈 (10) 에 미치는 영향을 전력/임피던스 연산부 (24) 에서 측정할 수 있다.

도 25 는 도 2 의 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 의 다른 구체예를 나타내는 블록도로, 도 6 과 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 도 25 에 있어서, 연산부에는 전류 파형 해석부 (c12) 와 추정 상수 연산부 (c13) 가 추가되어 있다.

도 26 에 나타내는 바와 같은 임피던스 특성을 갖는 전지의 임피던스 특성을, 도 25 에 나타내는 등가 회로 파라미터 측정부 (24c) 가 장착된 장치를 사용하여 측정하는 순서에 대해 설명한다. 또한, 등가 회로는 도 27 을 사용하는 것으로 한다.

도 26 에 의하면, 전지는 주파수마다 특징있는 임피던스 특성을 갖는 것이 명백하다. 1 ㎑ 이상에서는 인덕턴스, 1 ㎐ ∼ 1 ㎑ 에서는 컨덕턴스, 1 ㎐ 이하에서는 CPE (Constant Phase Element) 즉 f^-D 에 비례한 특성이 지배적으로 보이고 있다. 또한, CPE 는 이하의 식으로 나타난다.

도 24 및 도 25 에 있어서,

1) 예를 들어 부하 장치 (L) 로서의 자동차의 구동계로부터 전지 모듈 (10) 에 적절한 전류 부하가 주어진다.

2) 액셀 워크 감시부 (27) 는, 액셀 변화 신호에 기초하여 부하의 발생 상태를 감시하고, 적당한 타이밍으로 전지 모듈 상태 관리부 (26) 를 통하여 각 전력/임피던스 연산부 (24) 에 측정 개시 명령을 출력한다

3) 각 전력/임피던스 연산부 (24) 는, 측정이 종료되면, 전류 파형 해석부 (c12) 에 의해 전류 파형 데이터의 형상 해석을 실시하고, 해석 조건 기억부 (c8) 에 설정된 조건 (예를 들어 방전 펄스폭이 500 ± 10 ms 이고 또한 방전 차단 후 상태가 10 sec 이상) 을 만족시키는 데이터만을 파형 데이터 기억부 (c1) 에 기억한다.

설정된 소정 조건을 만족하는 파형 데이터가 얻어질 때까지, 1) ∼ 3) 을 반복한다.

또한, 도 2 의 구성에서는 샘플 레이트의 조건은 액셀 워크 감시부 (27) 의 액셀 변화 신호에 기초하여 설정되는 예를 나타내고 있는데, 해석 조건 기억부 (c8) 에 설정해도 된다.

4) 데이터 취득 후, 추정 상수 연산부 (c13) 는 파형 데이터 기억부 (c1) 로부터 전술한 설정 조건을 만족하는 파형 데이터를 판독 출력하고, 이하와 같은 추정 상수 연산을 실시한다. 또한, 사용하는 등가 회로 모델은 회로 모델 선택부 (c9) 에서 선택되어 있는 것으로 한다.

4-1) 먼저, 도 28 에 나타내는 바와 같이, 설정된 소정 조건을 만족하는 파형 데이터의 전체 구간을 피팅 대상으로 하여, R1, R2, C2, R3, C3, CPE (P 와 T) 를 추정한다. 본 실시예에서는, 측정 펄스로서 펄스폭 500 ms 를 사용하고 있기 때문에 피팅 대상이 되는 파형의 듀티비는 0.05 이하가 된다. 이것은 1 ㎐ 이하의 특징 목표 특성, 즉 CPE 의 p 와 T 를 얻는 것이 목적이다.

도 29 의 실선은, 이와 같이 하여 구한 추정 상수에 기초하는 임피던스 특성이다. 「+」로 플롯한 특성은, 교류 중첩 파형을 인가하여 측정하여 얻은 특성이다. 후자를 참값으로 하면, 저주파측은 양호한 정밀도로 추정되어 있지만, 고주파측은 어긋나 있는 것을 알 수 있다.

이것은, 시간 상수가 작은 특성, 변화가 현저하게 보이는 미소 시간에 대해, 도 29 의 경우에는 10 초 이상이라는 훨씬 긴 시간 파형으로 피팅하고 있기 때문에, 시간 샘플수가 많은 0.1 ㎐ ∼ 1 ㎐ 부근의 특성이 중점적으로 피팅된 결과, 미소 시간이 중요한 고주파측은 상대적으로 오차가 커지고 있기 때문인 것으로 생각된다.

4-2) 다음으로, 피팅의 대상 범위로서 도 30 에 나타내는 바와 같이 설정된 소정 조건을 만족하는 파형 데이터의 0 ∼ 1 s 의 구간을 추출하고, 4-1) 에서 구한 CPE (p 와 T) 값을 고정 상수로하여, R1, R2, C2, R3, C3 을 재추정한다. 이 때의 피팅 대상이 되는 파형의 듀티비는, 0.5 정도가 된다. 이것은, 1 ㎐ 이상의 특징적 특성, 즉, R 과 C 를 얻는 것이 목적이다.

또한, R5, L5 는, 전지의 반응계에는 의존하지 않고, 전지의 구조로 정해지는 값이기 때문에, 고정값으로 하였다.

또, 상수의 초기치는 적당한 것이면 된다. 단, 해 (解) 의 수속 정도나, 열화 진단의 현실적인 운용을 고려하면, 열화 전 특성에 있어서의 상수값을 사용하는 것이 바람직하다.

도 31 은, 재추정한 상수에 기초하는 임피던스 특성예도이다. 「+」로 플롯한 특성과 실선으로 나타내는 특성의 수리를 도 29 와 비교하면, 대폭 개선되어 작아져 있다. 이것은, 시간 상수가 작은 특성, 변화가 현저하게 보이는 미소 시간에 대해, 도 29 의 경우에는 10 초 이상 훨씬 긴 시간 파형으로 피팅하고 있기 때문에 시간 샘플수가 많은 0.1 ㎐ ∼ 1 ㎐ 부근의 특성이 중점적으로 피팅된 결과, 미소 시간이 중요한 고주파측은 상대적으로 오차가 커져 있는 것으로 생각된다.

5) 4) 에서 얻어진 상수는 전지 모듈 상태 관리부 (26) 로 전송된다. 전지 모듈 상태 관리부 (26) 는, 상수로부터 전지의 열화 상태를 판정하여, 결과를 전지 시스템 제어부 (40) 에 통지한다.

이와 같이, 전지 내부의 반응 시간 상수에 따라 그 시간 상수를 최적으로 추정할 수 있는 시간 분해능과 시간 스팬으로 측정 데이터를 취득하고, 그 시간 상수에 지배적으로 관여하고 있는 것으로 생각되는 등가 회로 소자의 상수를 추정하는 것을 시간 상수마다 실시함으로써, 등가 회로 상수의 추정 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 등가 회로 상수의 피팅에는, 구배법, 발견법, 직접법 등, 일반적인 최적 해탐색 알고리즘을 사용할 수 있다.

또, 도 24 에서 형성하고 있는 부하 제어부 (LC) 는, 부하 장치 (L) 로서의 자동차의 구동계를 미리 설정된 소정의 부하 프로그램에 따라 구동 제어할 수 있는 점에서, 의사 부하 장치 (DL) 를 갖는 도 23 에도 유효하다.

도 37은 본 발명의 실시예에 따른 전지 감시 장치 (20) 의 하드웨어 구성을 나타내는 개략도이다. 도 37에 나타낸 바처럼, 전지 감시 장치 (20) 는 CPU (101), 판독기 (102), 메모리 (103), 저장 장치 (104), 통신부 (105) 및 사용자 인터페이스 (106) 를 포함한다. CPU (101) (예를 들면, 프로세서) 는 도 1에 도시된 전력/임피던스 연산부 (24₁ ~ 24_n), 전지 모듈 상태 관리부 (26) 및 액셀 워크 감시부 (27) 의 역할을 할 수도 있다.

메모리 (103) 는 ROM, RAM 또는 플래시 메모리와 같은 임의의 타입의 메모리일 수도 있다. 메모리 (103) 는 CPU (101) 가 프로그램을 실행할 때 CPU (101) 의 작업 메모리의 역할을 할 수도 있다. 저장 장치 (104) 는 CPU (101) 에 의해 실행될 프로그램 및/또는 각각의 부들에 의해 생성되는 데이터를 저장하도록 구성된다. 저장 장치 (104) 는 HDD (hard disk drive) 또는 SSD (solid state drive) 와 같은 임의의 타입의 저장 장치일 수도 있다. 전지 감시 장치 (20) 에 의해 수행되는 각각의 동작들을 CPU (101) 로 하여금 실행하게 하기 위한 명령들을 포함하는 프로그램은 저장 장치 (104) 에 저장되거나 또는 Blue-ray Disc (상표), DVD, CD, 플로피 디스크, 플래시 메모리, 또는 MO (magneto-optical) 디스크들과 같은 컴퓨터 판독가능 매체에 저장될 수도 있다. 판독기 (102) 는 상기 컴퓨터 판독가능 매체에 저장된 프로그램을 메모리 (103) 로 판독하도록 구성된다. 프로그램은 또한 통신부 (105) 를 통하여 네트워크 (예를 들면, 인터넷) 상의 다른 디바이스 (예를 들면, 서버) 로부터 다운로드될 수도 있다. 이러한 구성은 도 37에 나타나 있으며, CPU (101) 는 판독기 (102) 로부터 판독되거나 또는 통신부 (105) 를 통해 다운로드된 프로그램에 따라 전지 감시 장치 (20) 에 의해 수행되는 각각의 동작들을 구현하도록 구성된다.

또, 상기 각 실시예에서는, 자동차에 탑재되는 전지 모듈의 각 전지 셀의 내부 임피던스를 측정하는 예에 대해 설명했는데, 자동차 이외의 발전 플랜트나 가정용 축전 시스템 등에 형성되는 축전지의 감시에도 유효하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 전지를 실제로 사용하고 있는 자동차나 발전 플랜트나 가정용 축전 시스템 등의 온 사이트나, 실부하를 원하는 부하 상태로 제어하면서 전지의 내부 임피던스 특성을 측정하여, 전지 상태를 실시간으로 감시할 수 있는 전지 감시 장치를 실현할 수 있다.

10 전지 모듈
11₁ ∼ 11_n 전지 셀
12 전류 센서
20 전지 감시 장치
24₁ ∼ 24_n 전력/임피던스 연산부
25 내부 버스
26 전지 모듈 상태 관리부
27 액셀 워크 감시부
30 외부 버스
40 전지 시스템 제어부
L 부하 장치 (구동계)
L1 액셀
L2 인버터
L3 모터

Claims (7)

1. 실부하를 구동시키는, 직렬로 접속되어 복수 개의 전지 셀을 갖는 전지 모듈을 실시간으로 측정 감시하는 전지 감시 장치로서,
   각 전지 셀에 각각 형성되어 상기 각 전지 셀로부터 전압 신호 및 전류 신호를 받아들이고, 상기 각 전지 셀의 순시 전력 및 내부 임피던스 특성을 측정하는 복수의 전력/임피던스 연산부와,
   상기 전력/임피던스 연산부의 출력 데이터를 내부 버스를 통하여 받아들이는 전지 모듈 상태 관리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 감시 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전지 모듈의 부하 장치로서의 자동차의 구동계를 구성하고 있는 액셀의 움직임을 감시하고, 그 검출 신호를 상기 전력/임피던스 연산부와 상기 전지 모듈 상태 관리부에 공급하는 액셀 워크 감시부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 감시 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 전력/임피던스 연산부는, 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환을 실시하고, 그 결과로부터 원하는 주파수 영역에 있어서의 전지 내부 임피던스 특성을 나타내는 등가 회로 상수를 추정하는 것을 특징으로 하는 전지 감시 장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 전력/임피던스 연산부는, 전지 내부의 반응 시간 상수에 따라 상기 시간 상수를 최적으로 추정할 수 있는 시간 분해능과 시간 스팬으로 측정 데이터를 취득하고, 취득한 측정 데이터를 사용하여 상기 시간 상수에 지배적으로 관여하고 있는 등가 회로 상수를 추정하는 것을 특징으로 하는 전지 감시 장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 전력/임피던스 연산부는, 상기 각 전지 셀의 온도 정보를 받아들이는 것을 특징으로 하는 전지 감시 장치.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 실부하와 병렬로 접속되고, 고주파 성분을 포함한 파형을 발생시키는 의사 부하 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 감시 장치.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 실부하를 부하 프로그램에 따라 구동 제어하는 부하 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 감시 장치.

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