KR101464414B1 - 배터리의 수명 예측 장치 및 방법 - Google Patents

배터리의 수명 예측 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

배터리의 동작 중 배터리의 수명을 예측할 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 수명 예측 장치는, 배터리 내부 임피던스 값을 단위 싸이클(Cycle) 마다 산출하는 임피던스 값 산출부; 배터리의 싸이클이 타겟 싸이클에 도달하면, 상기 단위 싸이클 마다 산출된 배터리 내부 임피던스 값을 이용하여 상기 배터리의 싸이클과 배터리 내부 임피던스를 변수로 하는 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출하는 추세함수 산출부; 및 상기 배터리의 수명 종료시 배터리 내부 임피던스 값을 상기 배터리 내부 임피던스 추세함수에 대입하여 상기 배터리의 수명 싸이클을 산출하는 배터리 수명 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리의 수명 예측 장치 및 방법{Apparatus and Method for Forecasting Life Cycle of Battery}
본 발명은 배터리에 관한 것으로, 보다 구체적으로 배터리의 수명을 예측하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
산업의 발달과 더불어 전력수요가 점차 증대되고 있으며 주야간, 계절간, 일별간 전력 사용량의 격차가 점차 심화되고 있다.
최근에 이러한 이유로 계통의 잉여 전력을 활용하여 피크부하를 삭감하기 위한 많은 기술들이 빠르게 개발되고 있는데, 이러한 기술들 중에서 대표적인 것이 계통의 잉여 전력을 배터리에 저장하거나 계통의 부족 전력을 배터리에서 공급해주는 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System)이다.
배터리 에너지 저장 시스템은 야간의 잉여 전력이나 풍력, 태양광 등의 신재생 에너지에서 발전된 잉여 전력을 배터리에 저장하였다가, 피크 부하 또는 계통 사고시 배터리에 저장된 전력을 계통에 공급한다. 이를 통해 신재생 에너지원에 의해 불안정하게 변동되는 계통 전력을 안정화 시키고 최대부하 삭감과 부하 평준화를 달성할 수 있게 된다.
특히, 최근 다양한 신재생 에너지원의 출현으로 인해 부각되고 있는 지능형 전력망(Smart Grid)뿐만 아니라 전기 자동차에도 이러한 배터리 에너지 저장 시스템이 이용될 수 있다.
이러한 배터리 에너지 저장 시스템에 이용되는 배터리는 충방전이 반복적으로 수행되는 경우 노화의 진행으로 인해 수명이 감소된다는 특징이 있다. 배터리의 노화는 배터리의 온도 및 충방전 전류 크기 등과 같은 다양한 요인으로 더욱 급속하게 진행될 수도 있다.
따라서, 대한민국 등록특허 제10-0709260호를 비롯한 종래기술에서는 배터리의 내부 임피던스를 이용하여 배터리의 수명을 판정하는 방법을 제안한 바 있다. 구체적으로, 대한민국 등록특허 제10-0709260호에서는 배터리에서 산출된 배터리 내부 임피던스와 기준 배터리 내부 임피던스를 비교하여 산출된 배터리 내부 임피던스가 기준 배터리 내부 임피던스보다 클 경우 배터리의 출력을 이용하여 해당 시점에서 배터리의 수명이 다했는지 여부를 판정하는 방법을 개시하고 있다.
하지만, 대한민국 등록특허 제10-0709260호를 비롯한 종래기술의 경우 배터리의 내부 임피던스를 산출한 시점에서 배터리 수명이 다했는지 여부만을 판단할 수 있을 뿐 배터리 수명을 예측할 수는 없다는 문제점이 있다.
또한, 종래기술의 경우 배터리 수명을 판단하기 위해 전 주파수 영역에서 배터리 내부 임피던스를 산출하여야 하기 때문에, 배터리 임피던스를 산출하는데 소요되는 시간 및 소비 전력이 증가한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배터리의 동작 중 배터리의 수명을 예측할 수 있는 배터리 수명 예측 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 특정 주파수에서의 배터리 내부 임피던스를 이용하여 배터리 수명을 예측할 수 있는 배터리 수명 예측 장치 및 방법을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 수명 예측 장치는, 배터리 내부 임피던스 값을 단위 싸이클(Cycle) 마다 산출하는 임피던스 값 산출부; 배터리의 싸이클이 타겟 싸이클에 도달하면, 상기 단위 싸이클 마다 산출된 배터리 내부 임피던스 값을 이용하여 상기 배터리의 싸이클과 배터리 내부 임피던스를 변수로 하는 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출하는 추세함수 산출부; 및 상기 배터리의 수명 종료시 배터리 내부 임피던스 값을 상기 배터리 내부 임피던스 추세함수에 대입하여 상기 배터리의 수명 싸이클을 산출하는 배터리 수명 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 수명 예측 방법은, 단위 싸이클 마다 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 산출하는 단계; 배터리의 싸이클이 타겟 싸이클에 도달하면, 상기 단위 싸이클 마다 산출된 배터리 내부 임피던스 값을 이용하여 배터리 내부 임피던스 추세함수을 산출하고, 상기 배터리 내부 임피던스 추세함수에 상기 배터리의 수명 종료시 배터리 내부 임피던스 값을 대입하여 상기 배터리의 수명 싸이클을 산출하는 단계; 및 상기 배터리의 현재 싸이클과 상기 배터리의 수명 싸이클을 비교하여 상기 배터리의 교체여부를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 배터리가 충방전 동작을 수행하는 중에 산출된 배터리 내부 임피던스를 이용하여 배터리 수명을 예측할 수 있고, 이로 인해 배터리의 교체 시기를 정확하게 판단할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 배터리 수명을 나타내는 특정 주파수에서의 배터리 내부 임피던스를 이용하여 배터리의 수명을 예측하기 때문에 배터리 내부 임피던스를 전 주파수 영역에서 산출할 필요가 없어 배터리 내부 임피던스를 산출하는데 소요되는 시간 및 소비되는 전력을 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 예측 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레퍼런스 전류를 배터리에 인가하였을 때 배터리에서 측정되는 전압 및 전류의 파형을 예시적으로 보여주는 도면.
도 3은 도 2에 도시된 각 파형의 일부 영역을 확대하여 보여주는 도면.
도 4는 도 1에 도시된 임피던스 산출부의 세부 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 5는 복수개의 타겟 싸이클에서 산출된 배터리 내부 임피던스 추세함수의 일 예를 보여주는 그래프.
도 6은 배터리 내부 임피던스의 실제 증가추세 및 이에 따른 배터리의 용량 변화를 비교하여 보여주는 도면.
도 7은 본 발명에 따라 예측된 배터리 수명 싸이클의 정확도를 보여주는 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 예측 방법을 보여주는 플로우차트.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 내부 임피던스 값을 산출하는 방법을 보여주는 플로우차트.
본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및 제 3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1 항목, 제2 항목 또는 제3 항목 각각 뿐만 아니라 제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
배터리 수명 예측 장치
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 예측 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 배터리 수명 예측 장치(100)는, 계통과 연계하여 계통의 전력을 배터리에 저장하거나 배터리에 저장되어 있는 전력을 계통으로 제공하는 배터리 에너지 저장 시스템(BESS: Battery Energy Storage System)에 포함되어 구성될 수 있다.
이러한 실시예에 따르는 경우, 배터리 수명 예측 장치(100)는 배터리 에너지 저장 시스템을 구성하는 배터리의 수명을 예측하고, 예측된 배터리 수명에 기초하여 배터리의 교체 여부를 결정함으로써 배터리 에너지 저장 시스템이 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 예측 장치(100)는 레퍼런스 전류 생성부(110), 임피던스 값 산출부(120), 추세함수 산출부(130), 배터리 수명 싸이클 산출부(140), 및 배터리 교체 결정부(150)를 포함한다.
먼저, 레퍼런스 전류 생성부(110)는 배터리 내부 임피던스 값을 산출하기 위한 레퍼런스 전류를 생성하고, 생성된 레퍼런스 전류를 배터리(미도시)에 인가한다. 일 실시예에 있어서, 레퍼런스 전류 생성부(110)는 미리 정해진 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 산출하기 위해, 타겟 주파수 성분을 갖는 레퍼런스 전류를 생성하여 배터리에 인가할 수 있다.
여기서, 타겟 주파수 성분은 배터리 내부 임피던스의 스펙트럼 상에서 배터리의 수명에 해당하는 배터리 내부 임피던스 값의 주파수 성분을 나타낸다. 예컨대, 배터리 내부 임피던스의 스펙트럼 상에서 1KHz 성분에 해당하는 배터리 내부 임피던스 값이 배터리의 수명에 해당하기 때문에, 타겟 주파수 성분은 1KHz로 설정될 수 있다.
레퍼런스 전류 생성부(110)에 의해 생성되어 배터리에 인가되는 1KHz의 레퍼런스 전류, 1KHz의 레퍼런스 전류 인가로 인해 변화되는 배터리 전압, 및 레퍼런스 전류의 인가로 인해 변화되는 배터리 전류의 파형의 예가 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 도시된 파형 중 일부 영역(210)을 확대하여 보면 도 3에 도시된 바와 같이, 1KHz의 레퍼런스 전류는 배터리의 구동 중에 10 주기로 배터리에 인가되는 것을 알 수 있다.
일 실시예에 있어서, 레퍼런스 전류 생성부(110)는, 바이폴라 정션 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor: BJT)와 같은 전류 구동형 소자나 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar mode Transistor: IGBT)나 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor: MOSFET)와 같은 전압 구동형 소자를 타겟 주파수에 따라 선택적으로 온오프 시킴으로써 타겟 주파수 성분을 갖는 레퍼런스 전류를 생성할 수 있다.
한편, 레퍼런스 전류 생성부(110)는 레퍼런스 전류를 생성함에 있어서, 배터리의 동작에 영향을 주지 않도록 레퍼런스 전류의 크기를 조절할 수 있다.
다음으로, 임피던스 값 산출부(120)는 단위 싸이클(Cycle)마다 레퍼런스 전류의 인가에 의한 배터리 내부 임피던스 값을 산출한다. 여기서, 싸이클이란 배터리의 정격용량만큼 배터리를 사용한 회수를 나타낸다.
일 실시예에 있어서, 임피던스 값 산출부(120)는 단위 싸이클 마다 배터리 내부 임피던스 값을 산출하기 위해, 단위 싸이클이 k일 때, 배터리의 방전용량(암페어 아우워, AH)을 누적한 값이 배터리의 공칭용량의 k배 되는 시점 마다 배터리 내부 임피던스 값을 산출한다.
여기서, 배터리의 방전용량을 누적한 값이 배터리 공칭용량의 k배가 되었다는 것은 배터리를 k 싸이클 만큼 사용하였다는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 예컨대, k가 20으로 설정되면 임피던스 값 산출부(120)는 20 싸이클 마다 배터리 내부 임피던스 값을 측정하게 된다. 한편, 배터리의 방전용량은 쿨롱카운팅법(Columb Counting)을 이용하여 배터리의 방전시 전류를 누적하여 산출할 수 있다.
이러한 임피던스 값 산출부(120)는 레퍼런스 전류 및 레퍼런스 전류의 인가에 의해 변화되는 배터리 전압을 이용하여 배터리의 내부 임피던스 값을 산출한다. 이러한 임피던스 값 산출부(120)의 구성을 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 값 산출부의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 임피던스 값 산출부(120)는 제1 추출부(122), 제2 추출부(124), 및 산출부(126)를 포함한다.
먼저, 제1 추출부(122)는, 타겟 주파수 성분을 갖는 레퍼런스 전류로부터 타겟 주파수에서의 전류성분의 크기 및 위상을 추출한다. 이를 위해, 제1 추출부(122)는 기준신호 생성부(128)로부터 입력되는 타겟 주파수를 갖는 사인파 형상의 제1 기준신호와 구형파 전류의 곱에 대한 제1 DC성분을 산출하고, 제1 기준신호와 90도의 위상차이가 나는 사인파 형상의 제2 기준신호와 구형파 전류의 곱에 대한 제2 DC성분을 산출하며, 제1 DC성분과 제2 DC 성분을 이용하여 타겟 주파수에서 전류성분의 크기와 위상을 추출한다.
이하, 타겟 주파수에서 전류성분의 크기와 위상을 구하는 방법을 예를 들어 설명한다.
먼저, 타겟 주파수 성분을 갖는 레퍼런스 전류를 아래의 수학식 1과 같은 형태로 가정한다.
Figure 112012108485306-pat00001
수학식 1에서, f0는 타겟 주파수를 의미하고, n(t)는 노이즈 성분 및 고조파 왜곡성분을 나타낸다. 수학식 1에서, 레퍼런스 전류의 크기를 나타내는 A와 위상을 나타내는 θ는 타겟 주파수 f0에 따라 변화된다. 이때, 상술한 바와 같이, 레퍼런즈 전류의 크기를 나타내는 A는 배터리의 동작에 영향을 미치지 않는 크기로 결정된다.
이러한 경우, 기준신호 생성부(128)에 의해 생성된 타겟 주파수에서의 제1 기준신호 및 제2 기준신호는 아래의 수학식 2 및 3과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112012108485306-pat00002
Figure 112012108485306-pat00003
수학식1에 정의된 레퍼런스 전류와 수학식 2에 정의된 제1 기준신호를 곱하면 삼각함수의 합성공식으로부터 수학식 4와 같은 결과가 도출되고, 수학식 4에서 DC성분을 추출하여 근사화하면 수학식 5와 같은 제1 DC성분이 도출된다. 또한, 수학식 1에 정의된 레퍼런스 전류와 수학식 3에 정의된 제2 기준신호를 곱하면 삼각함수의 합성공식으로부터 수학식 6과 같은 결과가 도출되고, 수학식 6에서 DC성분을 추출하여 근사화하면 수학식 7과 같은 제2 DC성분이 도출된다.
Figure 112012108485306-pat00004
Figure 112012108485306-pat00005
Figure 112012108485306-pat00006
Figure 112012108485306-pat00007
수학식 5에서 x는 제1 DC성분을 나타내고, 수학식 7에서 y는 제2 DC성분을 나타낸다.
이후, 수학식 8을 이용하여 제1 DC성분과 제2 DC성분으로부터 타겟 주파수에서 전류성분의 크기를 추출하고 수학식 9를 이용하여 제1 DC성분과 제2 DC 성분으로부터 타겟 주파수에서 전류성분의 위상을 추출한다.
Figure 112012108485306-pat00008
Figure 112012108485306-pat00009
수학식 8에서 I는 타겟 주파수에서 전류성분의 크기를 나타내고, 수학식 9에서 θi는 타겟 주파수에서 전류성분의 위상을 나타낸다.
또한, 제2 추출부(124)는, 레퍼런스 전류의 인가로 인해 변화되는 배터리의 전압으로부터 타겟 주파수에서의 전압성분의 크기와 위상을 추출한다.
이를 위해, 제2 추출부(124)는 기준신호 생성부(128)로부터 입력되는 타겟 주파수를 갖는 사인파 형상의 제1 기준신호와 배터리 전압의 곱에 대한 제3 DC성분을 산출하고, 제1 기준신호와 90도의 위상차이가 나는 사인파 형상의 제2 기준신호와 배터리 전압의 곱에 대한 제4 DC성분을 산출하며, 제3 DC성분과 제4 DC 성분을 이용하여 타겟 주파수에서 전압성분의 크기와 위상을 추출한다.
타겟 주파수에서 전압성분의 크기와 위상을 추출하는 방법은 상술한 수학식 1 내지 수학식 9에서 신호의 크기를 나타내는 A가 B로 변경되고 신호의 위상을 나타내는 θA가 θB로 변경되는 것을 제외하고는 모두 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. 변경된 수학식 1 내지 수학식 9를 이용하여 배터리 전압으로부터 타겟 주파수에서 전압성분의 크기 및 위상을 추출하면 아래의 수학식 10 및 11과 같다.
Figure 112012108485306-pat00010
Figure 112012108485306-pat00011
수학식 10에서 V는 타겟 주파수에서 전압 성분의 크기를 나타내고, 수학식 11에서 θV는 타겟 주파수에서 전압성분의 위상을 나타낸다.
다음으로, 산출부(126)는 아래의 수학식 12에 기재된 바와 같이, 제2 추출부(122)에 의해 산출된 타겟 주파수에서 전압성분을 제1 추출부(122)에 의해 산출된 타겟 주파수에서 전류 성분으로 제산함으로써 배터리(230)의 임피던스를 산출할 수 있다.
Figure 112012108485306-pat00012
수학식 12에서, Z는 타겟 주파수에서 배터리의 임피던스 크기를 나타내고 θZ는 타겟 주파수에서 배터리의 임피던스 위상을 나타낸다.
구체적으로, 산출부(126)는, 아래의 수학식 13에 기재된 바와 같이, 제2 추출부(122)에 의해 산출된 타겟 주파수에서 전압성분의 크기를 제1 추출부(122)에 의해 산출된 타겟 주파수에서 전류성분의 크기로 제산함으로써 타겟 주파수에서 배터리 임피던스의 크기를 산출할 수 있다.
Figure 112012108485306-pat00013
또한, 산출부(126)는 아래의 수학식 14에 기재된 바와 같이, 제2 추출부(122)에 의해 산출된 타겟 주파수에서 전압성분의 위상에서 제1 추출부(122)에 의해 산출된 타겟 주파수에서 전류성분의 위상을 감산함으로써 타겟 주파수에서 임피던스의 위상을 산출할 수 있다.
Figure 112012108485306-pat00014
이와 같이, 본 발명은 미리 정해진 단위 싸이클 마다 타겟 주파수에서의 전압 성분과 전류 성분을 산출하고, 이를 이용하여 타겟 주파수에서 배터리 내부 임피던스 값을 산출하기 때문에 주파수 전 영역에 걸쳐 배터리 내부 임피던스 값을 산출할 필요가 없어 배터리 내부 임피던스 산출을 위해 소요되는 시간 및 소비전력을 감소시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 임피던스 값 산출부(120)는 도 4에 도시된 바와 같이, 기준신호 생성부(128)를 더 포함할 수 있다. 기준신호 생성부(128)는 타겟 주파수에서 전압성분의 크기 및 위상과 타겟 주파수에서 전류성분의 크기 및 위상을 산출하기 위해 요구되는 제1 및 제2 기준신호를 생성하여 상술한 제1 추출부(122) 및 제2 추출부(124)로 제공한다.
이러한 기준신호 생성부(128)는 임피던스 값 산출부(120)에 포함될 수도 있지만, 임피던스 값 산출부(120)와는 별개의 구성요소로 구현될 수도 있을 것이다.
다음으로, 추세함수 산출부(130)는, 배터리의 싸이클이 타겟 싸이클에 도달하면, 임피던스 값 산출부(120)에 의해 산출된 배터리 내부 임피던스 값을 이용하여 배터리 싸이클과 배터리 내부 임피던스를 변수로 하는 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출한다.
일 실시예에 있어서, 추세함수 산출부(130)는 배터리 내부 임피던스 추세함수를 다차 함수 형태로 생성할 수 있다. 이를 위해, 추세함수 산출부(130)는 타겟 싸이클을 m등분 하여 결정된 m+1개의 싸이클에서 산출된 배터리 내부 임피던스 값들을 이용하여 다차 함수 형태의 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출한다.
예컨대, 추세함수 산출부(130)는 3차 함수 형태의 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출하는 경우, 타겟 싸이클을 3등분 하여 결정되는 4개의 싸이클에서 각각 산출된 배터리 내부 임피던스 값을 이용하여 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출한다.
즉, 타겟 싸이클을 60으로 가정할 때, 추세함수 산출부(130)는 타겟 싸이클인 60을 3등분하여 결정되는 4개의 싸이클인 0, 20, 40, 및 60 싸이클에서 산출된 배터리 내부 임피던스의 값들을 이용하여 3차 함수 형태의 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출한다.
이러한 예에 따라는 경우, 추세함수 산출부(130)는 x좌표가 배터리 싸이클이고 y좌표가 배터리 내부 임피던스로 정의되는 아래의 수학식 15와 같은 3차 방정식에, 4개의 좌표인 (0, C0), (20, C2), (40, C4), 및 (60, C6)를 대입하여 3차 방정식을 구성하는 각 계수들인 a, b, c, 및 d를 산출함으로써 3차 함수 형태의 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출한다. 여기서, C0는 0 싸이클에서 산출된 배터리 내부 임피던스 값을 나타내고, C2는 20 싸이클에서 산출된 배터리 내부 임피던스 값을 나타내며, C4는 40 싸이클에서 산출된 배터리 내부 임피던스 값을 나타내고, C6은 60 싸이클에서 산출된 배터리 내부 임피던스 값을 나타낸다.
Figure 112012108485306-pat00015
상술한 바와 같은 추세함수 산출부(130)는 타겟 싸이클을 미리 정해진 값만큼 증가시켜 가면서 각 타겟 싸이클 마다 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출한다. 이때, 타겟 싸이클의 증가량은 타겟 싸이클과 동일한 값으로 설정할 수 있다. 예컨대, 타겟 싸이클을 60으로 설정하면 추세함수 산출부(130)는 타겟 싸이클을 60씩 증가시켜가면서 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출할 수 있다.
이러한 예에 따라, 추세함수 산출부(130)가 매 타겟 싸이클 마다 산출한 배터리 내부 임피던스 추세함수의 예가 도 5a에 도시되어 있다. 도 5a에 도시된 각 플롯들에 대한 설명은 도 5b와 같다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 타겟 싸이클이 증가할수록 배터리 내부 임피던스 추세함수가 실제 배터리 내부 임피던스 증가추세에 근접하므로 배터리 내부 임피던스 추세함수의 정확성이 증가 한다는 것을 알 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 배터리 수명 싸이클 산출부(140)는 배터리 수명 종료시의 배터리 내부 임피던스 값을 산출하고, 배터리 수명 종료시의 배터리 내부 임피던스 값을 배터리 내부 임피던스 추세함수에 대입하여 배터리의 수명 싸이클을 산출한다.
일 실시예에 있어서, 배터리 수명 싸이클 산출부(140)는 배터리 수명 종료시의 배터리 내부 임피던스 값을 아래의 수학식 16을 이용하여 산출할 수 있다.
Figure 112012108485306-pat00016
수학식 16에서, Zf는 배터리 수명 종료시의 배터리 내부 임피던스 값을 나타내고, Zi는 배터리의 싸이클이 0일 때의 배터리 내부 임피던스 값인 초기 배터리 내부 임피던스 값을 나타내며, n은 미리 정해진 배터리 임피던스 값 증가율을 나타낸다.
예컨대, 일반적인 납축 배터리의 경우, 배터리 용량이 정격 용량의 80%가 되면 그 수명이 다한 것으로 판단하는데, 도 6에 도시된 바와 같이 배터리 내부 임피던스 값이 초기 배터리 내부 임피던스 값에 비해 40%증가했을 때 배터리 용량이 정격 용량의 80%가 되므로, 배터리 내부 임피던스 값이 초기 배터리 내부 임피던스 값에 비해 40%증가하면 배터리의 수명이 종료한 것으로 판단할 수 있다.
따라서, 본 발명의 배터리가 납축 배터리인 경우 n은 40%로 결정될 수 있다. 이러한 예에 따라는 경우, 배터리의 싸이클이 0일 때 산출된 초기 배터리 내부 임피던스 값이 1pu라 가정하면, 배터리 수명 싸이클 산출부(140)는 상술한 수학식 16을 이용하여 배터리 수명 종료시의 배터리 내부 임피던스 값으로 1.4 pu를 산출하게 된다.
배터리 수명 싸이클 산출부(140)는 배터리 수명 종료시의 배터리 내부 임피던스 값이 산출되면, 산출된 배터리 수명 종료시의 배터리 내부 임피던스 값을 배터리 내부 임피던스 추세함수에 대입함으로써 배터리의 수명 싸이클을 산출한다.
다시 도 1을 참조하면, 배터리 교체 결정부(150)는, 배터리의 현재 싸이클과 배터리 수명 싸이클 산출부(140)에 의해 산출된 배터리의 수명 싸이클을 비교하여 배터리의 교체여부를 결정한다. 구체적으로, 배터리 교체 결정부(150)는, 배터리의 현재 싸이클이 배터리 수명 싸이클 산출부(140)에 의해 산출된 배터리의 수명 싸이클 보다 큰 경우 해당 배터리는 이미 그 수명이 다한 것으로 판단하여 배터리의 교체를 결정한다.
이러한 경우, 배터리 교체 결정부(150)는 비디오 신호 또는 오디오 신호 등을 이용하여 배터리 교체를 알리는 알람 신호를 생성하여 비디오 출력 장치(미도시) 또는 오디오 출력 장치(미도시)를 통해 출력함으로써 사용자가 빠른 시간 내에 배터리를 교체할 수 있도록 한다.
이와 같이, 배터리 내부 임피던스 추세함수의 경우 타겟 싸이클이 증가할수록 그 정확도가 증가하기 때문에, 배터리 내부 임피던스 추세함수를 기초로 산출되는 배터리 수명 싸이클 또한 도 7에 도시된 바와 같이 타겟 싸이클이 증가할수록 그 정확도가 증가하게 된다. 따라서, 배터리의 초기 싸이클에서 산출된 배터리 수명 싸이클에 다소 오차가 있더라도 배터리를 사용하면서 주기적으로 배터리 수명 싸이클을 산출하게 되면 그 정확도가 증가하기 때문에 배터리 교체 여부를 정확하게 판단할 수 있게 된다.
배터리 수명 예측 방법
이하 도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 배터리 수명 예측 방법에 대해 구체적으로 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 예측 방법을 보여주는 플로우차트이다. 도 8에 도시된 배터리 수명 예측 방법은 도 1에 도시된 배터리 수명 예측 장치에 의해 수행될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 배터리 수명 예측 장치는 단위 싸이클의 경과 여부를 판단하고(S800), 단위 싸이클이 경과한 것으로 판단되면, 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 산출한다(S810).
일 실시예에 있어서, 배터리 수명 예측 장치는, 단위 싸이클이 k일 때 배터리의 방전용량(암페어 아우워, AH)을 누적한 값이 배터리의 공칭용량의 k배 이상이 되면 단위 싸이클이 경과한 것으로 판단할 수 있다. 이는, 배터리의 방전용량을 누적한 값이 배터리 공칭용량의 k배가 되었다는 것은 배터리를 k 싸이클 만큼 사용하였다는 것과 동일한 의미를 나타내기 때문이다.
예컨대, k가 20으로 설정되면 배터리 수명 예측 장치는 배터리의 방전용량을 누적한 값이 배터리의 공칭용량의 20배 이상이 되면 단위 싸이클이 경과한 것응로 판단하여 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 산출할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 타겟 주파수는 배터리 내부 임피던스의 스펙트럼 상에서 배터리의 수명에 해당하는 배터리 내부 임피던스 값의 주파수일 수 있다. 예컨대, 배터리 내부 임피던스의 스펙트럼 상에서 1KHz 성분에 해당하는 배터리 내부 임피던스 값이 배터리의 수명에 해당하기 때문에, 타겟 주파수 성분은 1KHz로 설정될 수 있다.
이하, 도 9를 참조하여 배터리 수명 예측 장치가 타겟 주파수에서 배터리 내부 임피던스 값을 산출하는 방법을 보다 구체적으로 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 타겟 주파수에서 배터리 내부 임피던스 값을 산출하는 방법을 보여주는 플로우차트이다.
먼저, 타겟 주파수 성분을 갖는 레퍼런스 전류를 배터리에 인가하고(S910), 레퍼런스 전류의 인가로 인해 변화되는 배터리 전압을 획득한다(S920).
이후, 제1 기준신호 및 레퍼런스 전류의 곱으로부터 추출되는 DC성분을 근사화하여 제1 DC 성분을 획득하고 제2 기준신호 및 레퍼런스 전류의 곱으로부터 추출되는 DC 성분을 근사화하여 제2 DC 성분을 획득한다(S930).
이때, 제1 및 제2 기준신호는 상술한 수학식 2 및 3에 기재된 것과 같고, 제1 DC 성분 및 제2 DC 성분은 수학식 5 및 7에 기재된 것과 같다.
이후, 상술한 수학식 8 및 9에 기재된 바와 같이 제1 DC 성분과 제2 DC 성분을 이용하여 타겟 주파수에서 전류성분의 크기 및 위상을 산출한다(S940).
또한, 상술한 제1 기준신호 및 배터리 전압의 곱으로부터 추출되는 DC성분을 근사화하여 제3 DC 성분을 획득하고 제2 기준신호 및 배터리 전압의 곱으로부터 추출되는 DC 성분을 근사화하여 제4 DC 성분을 획득한다(S950).
이후, 제3 DC 성분과 제4 DC 성분을 이용하여 타겟 주파수에서 전압성분의 크기 및 위상을 산출한다(S960).
다음으로, 상술한 수학식 13에 기재된 바와 같이 타겟 주파수에서 전압성분의 크기를 타겟 주파수에서 전류성분의 크기로 제산하여 타겟 주파수에서 배터리 내부 임피던스의 크기를 산출하고, 상술한 수학식 14에 기재된 바와 같이 타겟 주파수에서 전압성분의 위상에서 타겟 주파수에서 전류성분의 위상을 감산함으로써 타겟 주파수에서 배터리의 임피던스의 위상을 산출함으로써 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 산출한다(S970).
배터리 수명 예측 장치는 상술한 S910 내지 S970의 과정을 매 단위 싸이클 마다 수행함으로써 단위 싸이클 마다 타겟 주파수에서 배터리 내부 임피던스 값을 산출하게 된다.
다시 도 8을 참조하면, 배터리 수명 예측 장치는 배터리 싸이클이 타겟 싸이클에 도달했는지 여부를 판단하고(S820), 배터리의 싸이클이 타겟 싸이클에 도달한 것으로 판단되면, 단위 싸이클 마다 산출된 배터리 내부 임피던스 값을 이용하여 배터리 내부 임피던스 추세함수을 산출한다(S830).
이때, 배터리 수명 예측 장치는, 타겟 싸이클이 p일 때 배터리의 방전용량(암페어 아우워, AH)을 누적한 값이 배터리의 공칭용량의 p배 이상이 되면 배터리의 싸이클이 타겟 싸이클에 도달한 것으로 판단할 수 있다. 예컨대, p가 60으로 설정되면 배터리 수명 예측 장치는 배터리의 방전용량을 누적한 값이 배터리의 공칭용량의 60배 이상이 되면 배터리 싸이클이 타겟 싸이클에 도달한 것으로 판단하여 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 배터리 수명 예측 장치는 배터리 내부 임피던스 추세함수를 다차 함수 형태로 생성할 수 있다. 이를 위해, 배터리 수명 예측 장치는 타겟 싸이클을 m등분 하여 결정된 m+1개의 싸이클에서 산출된 배터리 내부 임피던스 값들을 이용하여 다차함수 형태의 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출한다.
예컨대, 배터리 수명 예측 장치는 3차 함수 형태의 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출하는 경우, 타겟 싸이클을 3등분 하여 결정되는 4개의 싸이클에서 각각 산출된 배터리 내부 임피던스 값을 이용하여 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출한다. 즉, 타겟 싸이클을 60으로 가정할 때, 배터리 수명 예측 장치는 타겟 싸이클인 60을 3등분하여 결정되는 4개의 싸이클인 0, 20, 40, 및 60 싸이클에서 산출된 배터리 내부 임피던스의 값들을 이용하여 3차함수 형태의 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출한다.
한편, 도 8에서는 도시하지 않았지만, 배터리 수명 예측 장치는 타겟 싸이클을 미리 정해진 값만큼 증가시켜 가면서 각 타겟 싸이클 마다 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출할 수 있다. 이때, 타겟 싸이클의 증가량은 타겟 싸이클과 동일한 값으로 설정될 수 있다. 예컨대, 타겟 싸이클을 60으로 설정하면 배터리 수명 예측 장치는 타겟 싸이클을 60씩 증가시켜가면서 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출할 수 있다.
이후, 배터리 수명 예측 장치는, 배터리 수명 종료시의 배터리 내부 임피던스 값을 산출한다(S840). 일 실시예에 있어서, 배터리 수명 예측 장치는 상술한 수학식 16에 따라 배터리 싸이클이 0일 때 산출된 배터리 내부 임피던스 값과 미리 정해진 배터리 임피던스 값 증가율을 이용하여 배터리 수명 종료시의 배터리 내부 임피던스 값을 산출할 수 있다.
이후, 배터리 수명 예측 장치는, 배터리 수명 종료시의 배터리 내부 임피던스 값을 배터리 내부 임피던스 추세함수에 대입하여 배터리의 수명 싸이클을 산출한다(S850).
이후, 배터리 수명 예측 장치는, 배터리의 현재 싸이클과 배터리의 수명 싸이클을 비교하고(S860), 비교결과 배터리의 현재 싸이클이 배터리의 수명 싸이클 이상이면 배터리의 교체를 결정한다(S870).
도시하지는 않았지만, 배터리 수명 예측 장치는 배터리의 교체를 결정하면 비디오 신호 또는 오디오 신호 등을 이용하여 배터리 교체를 알리는 알람 신호를 생성하여 비디오 출력 장치(미도시) 또는 오디오 출력 장치(미도시)를 통해 출력함으로써 사용자가 빠른 시간 내에 배터리를 교체할 수 있도록 한다.
상술한 배터리 수명 예측 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 이용하여 수행될 수 있는 프로그램 형태로도 구현될 수 있는데, 이때 배터리 수명 예측 방법을 수행하기 위한 프로그램은 하드 디스크, CD-ROM, DVD, 롬(ROM), 램, 또는 플래시 메모리와 같은 컴퓨터로 판독할 수 있는 기록 매체에 저장된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 배터리 수명 예측 장치 110: 레퍼런스 전류 생성부
120: 임피던스 값 산출부 122: 제1 추출부
124: 제2 추출부 126: 산출부
128: 기준신호 생성부 130: 추세함수 산출부
140: 배터리 수명 싸이클 산출부 150: 배터리 교체 결정부

Claims (11)

  1. 배터리 내부 임피던스 값을 단위 싸이클(Cycle) 마다 산출하는 임피던스 값 산출부;
    배터리의 싸이클이 타겟 싸이클에 도달하면, 상기 단위 싸이클 마다 산출된 배터리 내부 임피던스 값을 이용하여 상기 배터리의 싸이클과 배터리 내부 임피던스를 변수로 하는 배터리 내부 임피던스 추세함수를 산출하는 추세함수 산출부; 및
    상기 배터리의 수명 종료시 배터리 내부 임피던스 값을 상기 배터리 내부 임피던스 추세함수에 대입하여 상기 배터리의 수명 싸이클을 산출하는 배터리 수명 산출부를 포함하고,
    상기 임피던스 값 산출부는,
    타겟 주파수 성분을 갖는 레퍼런스 전류로부터 타겟 주파수에서의 전류성분의 크기 및 위상을 추출하는 제1 추출부;
    상기 레퍼런스 전류의 인가로 인해 변동되는 상기 배터리의 전압으로부터 상기 타겟 주파수에서의 전압성분 크기 및 위상을 추출하는 제2 추출부; 및
    상기 타겟 주파수에서 전압성분의 크기 및 위상과 상기 타겟 주파수에서 전류성분의 크기 및 위상을 이용하여 상기 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 산출하는 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 임피던스 산출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 수명 산출부는, 수학식
    Figure 112012108485306-pat00017
    를 이용하여 상기 배터리의 수명 종료시 배터리 내부 임피던스 값을 산출하고, 상기 수학식에서, Zf는 상기 배터리 수명 종료시의 배터리 내부 임피던스 값을 나타내고, Zi는 상기 배터리의 싸이클이 0일 때의 배터리 내부 임피던스 값을 나타내며, n은 미리 정해진 배터리 임피던스 값 증가율을 나타내는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    배터리의 현재 싸이클과 상기 배터리의 수명 싸이클을 비교하여 상기 배터리의 현재 싸이클이 상기 배터리의 수명 싸이클 이상이면 상기 배터리의 교체를 결정하는 배터리 교체 결정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 추세함수 산출부는, 상기 단위 싸이클 마다 산출된 내부 임피던스 값들 중 상기 타겟 싸이클을 m등분 하여 결정된 m+1개의 싸이클에서 산출된 배터리 내부 임피던스 값들을 이용하여 상기 배터리 내부 임피던스의 추세함수를 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 값 산출부는, 상기 단위 싸이클이 k일 때, 상기 배터리의 방전용량을 누적한 값이 상기 배터리의 공칭용량의 k배 되는 시점 마다 상기 배터리 내부 임피던스 값을 산출하고,
    상기 추세함수 산출부는, 상기 타겟 싸이클이 p일 때, 상기 배터리의 방전용량을 누적한 값이 상기 배터리의 공칭용량의 p배 되는 시점 마다 상기 배터리 내부 임피던스의 추세함수를 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 동작 중 상기 배터리 내부 임피던스 값의 산출을 위해 상기 레퍼런스 전류를 생성하여 상기 배터리에 인가하는 레퍼런스 전류 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 타겟 주파수 성분은 상기 배터리 내부 임피던스의 스펙트럼 상에서 상기 배터리의 수명에 해당하는 배터리 내부 임피던스 값의 주파수 성분인 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  8. 삭제
  9. 단위 싸이클 마다 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 산출하는 단계;
    배터리의 싸이클이 타겟 싸이클에 도달하면, 상기 단위 싸이클 마다 산출된 배터리 내부 임피던스 값을 이용하여 배터리 내부 임피던스 추세함수을 산출하고, 상기 배터리 내부 임피던스 추세함수에 상기 배터리의 수명 종료시 배터리 내부 임피던스 값을 대입하여 상기 배터리의 수명 싸이클을 산출하는 단계; 및
    상기 배터리의 현재 싸이클과 상기 배터리의 수명 싸이클을 비교하여 상기 배터리의 교체여부를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 배터리 내부 임피던스 값을 산출하는 단계는,
    상기 배터리에 인가되는 타겟 주파수 성분을 갖는 레퍼런스 전류로부터 타겟 주파수에서의 전류성분의 크기 및 위상을 추출하고, 상기 레퍼런스 전류의 인가로 인해 변동되는 상기 배터리의 전압으로부터 상기 타겟 주파수에서의 전압성분 크기 및 위상을 추출하는 단계; 및
    상기 타겟 주파수에서 전압성분의 크기를 상기 타겟 주파수에서 전류성분의 크기로 제산하여 상기 타겟 주파수에서 배터리 내부 임피던스 크기를 산출하고, 상기 타겟 주파수에서 전압성분의 위상에서 상기 타겟 주파수에서 전류성분의 위상을 감산함으로써 상기 타겟 주파수에서 배터리 내부 임피던스 위상을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리 내부 임피던스 값을 산출하는 단계에서,
    상기 단위 싸이클이 k일 때 상기 배터리의 방전용량을 누적한 값이 상기 배터리의 공칭용량의 k배 되는 시점 마다 상기 배터리 내부 임피던스 값을 산출하고,
    상기 배터리의 수명을 산출하는 단계에서,
    상기 타겟 싸이클이 p일 때 상기 배터리의 방전용량을 누적한 값이 상기 배터리의 공칭용량의 p배 되는 시점 마다 상기 배터리 내부 임피던스의 추세함수를 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 방법.
  11. 삭제
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