KR101662154B1 - Apparatus and method for diagnosing status of battery using high frequency and impedance, and computer-readable recording medium with program therefor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배터리의 노화 정도를 진단하여 배터리의 수명과 교체주기를 예측할 수 있는 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로서, 배터리의 충전, 방전시 전압, 충전상태를 측정하는 측정부와, 배터리를 충전 및 방전시키는 충/방전부와, 일정 전류를 배터리에 인가하는 전류 주입부와, 배터리의 충전 및 방전 사이클에 의한 배터리의 상태정보를 수집하고 전류 및 전압성분을 어레이 형식으로 저장하는 데이터 수집부와, 상기 측정부 및 데이터 수집부를 통해 배터리의 충전상황과 임피던스 변화율을 이용하여 임피던스 값을 측정하는 임피던스 측정부와, 상기 임피던스 측정부에서 측정된 임피던스 값을 기반으로 전압 및 전류성분을 각 주파수별로 측정하여 주파수 특성을 파악하여 고조파 변화율을 측정하는 고조파 측정부를 포함하여 구성되는데 있다.The present invention provides an apparatus and method for diagnosing a battery condition using harmonics and impedances that can diagnose the aging degree of a battery and predict a battery life and replacement cycle. A charge / discharge unit for charging / discharging the battery, a current injection unit for applying a constant current to the battery, and a controller for collecting the state information of the battery by the charging and discharging cycles of the battery, An impedance measuring unit for measuring an impedance value using a charge state and an impedance change rate of the battery through the measuring unit and the data collecting unit; and an impedance measuring unit for measuring a voltage and an impedance based on the impedance value measured by the impedance measuring unit. Measure current component by frequency and measure frequency characteristic to measure harmonic rate of change And a harmonic measuring unit.
Description
본 발명은 배터리 상태 진단을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 배터리의 노화 정도를 진단하여 배터리의 수명과 교체주기를 예측할 수 있는 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for diagnosing a battery condition, and more particularly, to an apparatus and method for diagnosing a battery condition using a harmonic and an impedance that can predict a battery life and a replacement cycle by diagnosing a degree of aging of the battery.
배터리에 의해 구성되는 전동장치(전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 오토바이, 골프장의 카트 등) 등을 구동하기 위하여 대용량의 전력을 발생할 수 있는 대용량의 배터리(배터리 모듈)가 사용될 수 있다. 특히, 신재생 에너지의 보급과 함께 스마트 그리드(smart grid)의 핵심으로 전력의 저장 및 품질, 그리고 에너지 사용의 효율을 극대화시킬 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS, energy storage system)에 대한 관심도 증가하고 있다. A large capacity battery (battery module) capable of generating a large amount of electric power can be used to drive a transmission device (an electric car, a hybrid car, an electric motorcycle, a golf cart, etc.) constituted by a battery. In particular, interest in energy storage systems (ESS), which can maximize the efficiency of energy storage and quality, and energy use as core of smart grid, is increasing with the spread of renewable energy .
에너지 저장 시스템(ESS)은 다수의 배터리 셀들(Battery Cells)을 가지는 대용량의 배터리 모듈(Battery Module)을 포함할 수 있고, 남는 전력(남는 에너지)을 필요한 때와 장소에 공급하기 위해 전력계통(grid)에 저장하는 기술로서 전력의 품질과 효율성을 최적화할 수 있는 시스템을 말한다.The energy storage system (ESS) may include a large-capacity battery module having a plurality of battery cells, and may include a power grid (not shown) to supply remaining power (remaining energy) ) Is a system that can optimize the quality and efficiency of electric power.
상기 배터리 모듈을 보다 효율적이고 안정적으로 관리하는 장치가 배터리 관리 시스템이다. 배터리 관리 시스템은 다수개의 배터리 셀들에 연결되어 각 배터리 셀의 전압 값을 A/D 컨버터(analog to digital converter)를 통해 읽어 들인 후 배터리 셀의 충전 또는 방전을 제어할 수 있다.A device for managing the battery module more efficiently and stably is a battery management system. The battery management system may be connected to a plurality of battery cells to read a voltage value of each battery cell through an analog to digital converter, and then control charging or discharging of the battery cell.
배터리(배터리 셀)의 SOC(state of charge, 잔존 용량) 산출 방법에는 사용 전류(Ampere)와 시간(hour)의 관계에서 사용된 용량을 구하여 SOC를 산출하는 전류 적산법(Ah법), 또는 배터리의 내부 임피던스와 SOC의 관계에서 SOC를 계산하는 임피던스 측정법이 있을 수 있다.The method of calculating the state of charge (SOC) of a battery (battery cell) includes a current accumulation method (Ah method) for calculating the SOC by calculating the capacity used in relation to the current (Ampere) and the time (hour) There may be an impedance measurement method that calculates SOC in relation to internal impedance and SOC.
상기 전류 적산법은 방전 전류와 시간의 곱으로 잔존용량을 추정하는 방법으로서, 전류 또는 시간의 오차 누적으로 인해 시간이 가면 갈수록 SOC 에러(에러율)가 커질 수 있다. 도 1 은 종래의 전류 적산법의 에러율을 설명하는 그래프(graph)이다. The current integration method is a method of estimating the remaining capacity by multiplying the discharge current and time. The SOC error (error rate) may become larger as time goes by due to current or time error accumulation. 1 is a graph illustrating the error rate of the conventional current integration method.
도 1을 참조하면, SOC의 추정값 1은 전류 또는 시간이 실제 값보다 작게 측정되었을 경우 산출되는 값을 지시(indication)하며 SOC의 추정값 1은 시간의 경과에 따라 SOC의 정확한 실제 값과의 차이가 커질 수 있다. SOC의 추정값 2는 전류 또는 시간이 실제 값보다 크게 측정되었을 경우 산출되는 값을 지시하며 SOC의 추정값 2는 시간의 경과에 따라 SOC의 정확한 실제 값과의 차이가 커질 수 있다.Referring to FIG. 1, an estimated
또한 상기 임피던스 측정법은 배터리를 충전 또는 방전하고 있을 경우, 즉 전류가 흐르고 있을 경우에는 배터리의 내부 임피던스가 변하기 때문에 배터리의 SOC를 정확하게 계산(측정 또는 추정)할 수 없는 문제점이 있을 수 있다.Further, the impedance measurement method may have a problem that the SOC of the battery can not be accurately calculated (measured or estimated) because the internal impedance of the battery changes when the battery is charged or discharged, that is, when a current flows.
이처럼, 종래의 배터리 관리 시스템(BMS)의 경우 배터리의 수명(State of Health : SOH)을 배터리의 충전상태(SOC)와 임피던스를 측정해 나타내는 경우가 많았으나, 이러한 방법은 SOH를 판단함에 있어 계산상의 오류로 인해 정확성과 신뢰성을 저하시키는 문제점을 나타내고 있다.As described above, in the case of the conventional battery management system (BMS), the battery's state of health (SOH) is often measured by measuring the state of charge (SOC) and impedance of the battery. However, And thus the accuracy and reliability are degraded.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 배터리의 노화 정도를 진단하여 배터리의 수명과 교체주기를 예측할 수 있는 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an apparatus and method for diagnosing a battery condition using harmonics and impedance that can diagnose the aging degree of a battery, have.
본 발명의 다른 목적은 종래의 배터리의 충전상태(SOC)와 임피던스를 이용하는 방법에 추가적으로 고조파적 특성을 분석하여 SOH 판단의 정확성과 신뢰도를 향상시킬 수 있는 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 장치 및 방법을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a battery state diagnostic apparatus and method using harmonics and impedances capable of improving the accuracy and reliability of SOH judgment by analyzing harmonic characteristics in addition to a method of using a state of charge (SOC) and impedance of a conventional battery .
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 장치의 특징은 배터리의 충전, 방전시 전압, 충전상태를 측정하는 측정부와, 배터리를 충전 및 방전시키는 충/방전부와, 일정 전류를 배터리에 인가하는 전류 주입부와, 배터리의 충전 및 방전 사이클에 의한 배터리의 상태정보를 수집하고 전류 및 전압성분을 어레이 형식으로 저장하는 데이터 수집부와, 상기 측정부 및 데이터 수집부를 통해 배터리의 충전상황과 임피던스 변화율을 이용하여 임피던스 값을 측정하는 임피던스 측정부와, 상기 임피던스 측정부에서 측정된 임피던스 값을 기반으로 전압 및 전류성분을 각 주파수별로 측정하여 주파수 특성을 파악하여 고조파 변화율을 측정하는 고조파 측정부를 포함하여 구성되는데 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a device for diagnosing a battery condition using harmonics and impedance, comprising: a measuring unit for measuring a voltage and a charging state of the battery during charging and discharging of the battery; A data collecting unit for collecting the state information of the battery by the charging and discharging cycles of the battery and storing the current and voltage components in an array form, An impedance measuring unit for measuring an impedance value by using a charge state of the battery and a rate of change of impedance through a collecting unit; and a voltage measuring unit for measuring a voltage and a current component on the basis of the impedance value measured by the impedance measuring unit, And a harmonic measurement unit for measuring a harmonic change rate.
바람직하게 상기 임피던스 측정부는 서로 직렬로 연결된 분극 저항(R_CT) 및 와버그 저항(R_W)과, 상기 분극 저항(R_CT) 및 와버그 저항(R_W)과 병렬로 연결된 이중층 축전기(C_DL)와, 일 측에 배터리 전압이 연결되고 타측에는 병렬로 연결된 이중층 축전기(C_DL)와 직렬 연결되는 부식 저항(R_E)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the impedance measuring unit includes a polarization resistor R_CT and a bug resistor R_W connected in series with each other, a double layer capacitor C_DL connected in parallel with the polarization resistor R_CT and the bug resistor R_W, And a corrosion resistor R_E connected in series with a dual-layer capacitor C_DL connected in parallel to the battery voltage on the other side.
바람직하게 상기 고조파 측정부는 배터리와 직렬로 연결되는 1옴(Ω)의 저항과, DC 파워서플라이(Power Supply)를 통해서 배터리가 나타내는 전압값과 같은 크기로 전압을 인가시켜 배터리의 충전 및 방전 상태를 유지시키는 전압원과, 상기 배터리에서 전류의 값과 1옴의 저항에서 전압값을 측정하여 고조파 분석을 실시하는 NImyDAQ를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the harmonic measurement unit applies a voltage equal to the voltage value indicated by the battery through a 1-ohm (Ω) resistor connected in series with the battery and a DC power supply to measure a charging and discharging state of the battery And a NimyDAQ for measuring harmonic waves by measuring a voltage value at a resistance of 1 ohm and a current value at the battery.
바람직하게 상기 고조파 측정부는 전압성분을 전류성분으로 나눈 값에 해당되는 임피던스 값의 전압과 전류를 이용하여 소프트웨어 Labview로 설계된 측정 방법으로 측정된 고조파를 비교하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the harmonic measuring unit compares the harmonics measured by the measuring method designed in the software Labview using the voltage and current of the impedance value corresponding to the value obtained by dividing the voltage component by the current component.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 방법의 특징은 배터리의 충전상태(SOC)와 임피던스를 이용하는 배터리 상태 진단 방법에 추가적으로 상기 임피던스의 값을 기반으로 전압 및 전류성분을 각 주파수별로 측정하여 주파수 특성을 파악하여 측정된 고조파 변화율을 기반으로 배터리 상태를 진단하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for diagnosing a state of a battery using harmonics and impedance, the method comprising the steps of: measuring a voltage state of the battery based on a value of the impedance, The current component is measured for each frequency, the frequency characteristic is grasped, and the battery condition is diagnosed based on the measured change rate of the harmonics.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 방법의 다른 특징은 (A) 전류 주입부에서 배터리에 인가되는 일정 전류를 기반으로 배터리의 충방전을 수행하는 단계와, (B) 측정부를 통해 배터리의 충전, 방전시 전압, 충전상태를 측정하는 단계와, (C) 상기 측정된 배터리의 충전 및 방전 사이클에 의한 배터리의 상태정보를 데이터 수집부를 통해 수집하고 전류 및 전압성분을 어레이 형식으로 저장하는 단계와, (D) 임피던스 측정부를 통해 상기 수집된 배터리의 충전상황과 임피던스 변화율을 이용하여 임피던스 값을 측정하는 단계와, (E) 상기 측정된 임피던스 값을 기반으로 전압 및 전류성분을 각 주파수별로 측정하여 주파수 특성을 파악하여 고조파 변화율을 측정하여 배터리 상태를 진단하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of diagnosing a battery condition using harmonics and impedance, comprising the steps of: (A) performing charging and discharging of a battery based on a constant current applied to the battery in a current injector; (B) measuring the voltage and charging state of the battery through charging and discharging of the battery through the measuring unit; (C) collecting the state information of the battery by the charging and discharging cycle of the battery through the data collecting unit, The method comprising the steps of: (a) storing voltage components in an array format; (d) measuring an impedance value using a collected state of charge of the battery and an impedance change rate through an impedance measuring unit; (E) It measures voltage and current components for each frequency, determines frequency characteristics, measures harmonic rate, and diagnoses battery status. The place is makin including.
바람직하게 상기 (D) 단계에서 임피던스 값의 측정은 서로 직렬로 연결된 분극 저항(R_CT) 및 와버그 저항(R_W)과, 상기 분극 저항(R_CT) 및 와버그 저항(R_W)과 병렬로 연결된 이중층 축전기(C_DL)와, 일 측에 배터리 전압이 연결되고 타측에는 병렬로 연결된 이중층 축전기(C_DL)와 직렬 연결되는 부식 저항(R_E)으로 구성되는 랜들 등가 회로 모델을 이용하여 측정되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the measurement of the impedance value in the step (D) includes a polarization resistor R_CT and a bug resistor R_W connected in series to each other, a double layer capacitor connected in parallel to the polarization resistor R_CT and the bug resistor R_W, (C_DL) and a corrosion resistance (R_E) connected in series with a dual-layer capacitor (C_DL) connected in parallel to the battery voltage on one side and the battery voltage on one side.
바람직하게 상기 (D) 단계는 전압과 전류를 FFT하여 비교함으로써 고조파 비교를 수행하여 배터리 상태를 진단하는 것을 특징으로 한다.Preferably, in the step (D), the harmonic comparison is performed by comparing the voltage and the current by FFT to diagnose the battery condition.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.The apparatus and method for diagnosing a battery condition using harmonics and impedances according to the present invention as described above have the following effects.
첫째, 기존의 배터리 관리 시스템(BMS)의 경우 배터리의 수명(SOH)을 배터리의 충전상태(SOC)와 임피던스를 측정해 나타내고 있으나, 이 두 가지 방법에 추가적으로 고조파적 특성을 분석하여 SOH 판단의 정확성과 신뢰도를 향상시킬 수 있다.First, in the case of a conventional battery management system (BMS), the battery life (SOH) is measured by measuring the state of charge (SOC) and impedance of the battery. However, in addition to these two methods, the harmonic characteristic is analyzed, And reliability can be improved.
둘째, 일반적으로 배터리 임피던스 분석을 위해 널리 사용되는 방법은 EIR(Electrochemical Impedance Spectroscopy)를 이용하는 방법이나, EIS는 수 천만원 대의 고가의 장비이나, 본 발명은 랜들 등가 회로 모델을 이용한 배터리 등가회로로 구성하며, 이를 통해 임피던스 측정이 가능함으로써, 적은 비용으로 고가의 EIS를 대체할 수 있는 배터리 분석 시스템을 제공할 수 있다. Secondly, generally, a method widely used for battery impedance analysis is a method using EIR (Electrochemical Impedance Spectroscopy), EIS is expensive equipment of tens of thousands of won, and the present invention is composed of a battery equivalent circuit using a LANDEL equivalent circuit model , It is possible to provide a battery analysis system capable of replacing an expensive EIS at a low cost by allowing the impedance measurement to be performed.
셋째, 배터리의 고조파 분석을 통해 기존의 배터리 등가회로보다 정확하게 SOH를 나타낼 수 있으며, 특히 고조파 분석의 경우 임피던스 측정 시스템과 달리 아주 정확한 측정을 요구하지 않는 점에서 배터리의 SOH를 측정하는데 간편한 효과가 있다.Third, harmonic analysis of battery can represent SOH more precisely than existing battery equivalent circuit. Harmonic analysis, in contrast to impedance measurement system, does not require very accurate measurement, so it is easy to measure SOH of battery .
도 1 은 종래의 전류적산법의 에러율을 설명하는 그래프
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 장치의 구성을 나타낸 블록도
도 3 은 도 2의 임피던스 측정부의 구성을 나타낸 등가회로를 나타낸 회로도
도 4 는 도 3의 임피던스 측정부를 이용하여 실제 배터리 임피던스 측정 결과를 나타낸 그래프
도 5 는 도 2의 고조파 측정부를 이용하여 배터리의 노화 상태를 파악하기 위한 고조파의 크기 비교를 나타낸 그래프
도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도
도 7 은 본 발명 내에서 고조파 측정 장치의 구성 상태를 나타내기 위한 장치 구성도1 is a graph illustrating the error rate of the conventional current integration method
2 is a block diagram showing the configuration of a battery condition diagnosis apparatus using harmonics and impedances according to an embodiment of the present invention.
Fig. 3 is a circuit diagram showing an equivalent circuit showing the configuration of the impedance measuring unit of Fig. 2
FIG. 4 is a graph showing a result of actual impedance measurement of the battery using the impedance measuring unit of FIG.
FIG. 5 is a graph showing a magnitude comparison of harmonics for grasping the aging state of the battery using the harmonic measurement unit of FIG. 2. FIG.
6 is a flowchart illustrating a method of diagnosing a battery state using harmonics and impedances according to an embodiment of the present invention.
Fig. 7 is a device configuration diagram for illustrating a configuration state of a harmonic measuring apparatus in the present invention. Fig.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the detailed description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of an apparatus and method for diagnosing a battery condition using harmonics and impedances according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided to let you know. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention. Therefore, various equivalents It should be understood that water and variations may be present.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.2 is a block diagram showing the configuration of a battery condition diagnosis apparatus using harmonics and impedances according to an embodiment of the present invention.
도 2에서 도시하고 있는 것과 같이, 배터리의 충전, 방전시 전압, 충전상태를 측정하는 측정부(10)와, 배터리를 충전시키는 충전부(20)와, 배터리를 방전시키는 방전부(30)와, 일정 전류를 배터리에 인가하는 전류 주입부(40)와, 배터리의 충전 및 방전 사이클에 의한 배터리의 상태정보를 수집하고 전류 및 전압성분을 어레이 형식으로 저장하는 데이터 수집부(50)와, 상기 측정부(10) 및 데이터 수집부(50)를 통해 배터리의 충전상황과 임피던스 변화율을 이용하여 임피던스 값을 측정하는 임피던스 측정부(60)와, 상기 임피던스 측정부(60)에서 측정된 임피던스 값을 기반으로 전압 및 전류성분을 각 주파수별로 측정하여 주파수 특성을 파악하여 고조파 변화율을 측정하는 고조파 측정부(70)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 2, the battery charger includes a
이때, 상기 임피던스 측정부(60)는 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이, 서로 직렬로 연결된 분극 저항(R_CT) 및 와버그 저항(R_W)과, 상기 분극 저항(R_CT) 및 와버그 저항(R_W)과 병렬로 연결된 이중층 축전기(C_DL)와, 일 측에 배터리 전압이 연결되고 타측에는 병렬로 연결된 이중층 축전기(C_DL)와 직렬 연결되는 부식 저항(R_E)으로 구성되는 랜들 등가 회로 모델을 이용하여 도 4에서 도시하고 있는 것과 같은 임피던스 값을 측정한다.3, the
그리고 상기 고조파 측정부(70)는 도 7에서 도시하고 있는 것과 같이, 배터리(71)와, 배터리와 직렬로 연결되는 1옴(Ω)의 저항(72)과, DC 파워서플라이(Power Supply)를 통해서 배터리(61)가 나타내는 전압값과 같은 크기로 전압을 인가시켜 배터리의 충전 및 방전 상태를 유지시키는 전압원(64)과, 배터리(71)에서 전류의 값과 1옴의 저항(72)에서 전압값을 측정하여 고조파 분석을 실시하는 NImyDAQ(63)를 포함하여 구성된다.7, the
한편, 상기 고조파 측정부(70)는 임피던스의 값이 전압성분을 전류성분으로 나눈 값에 해당하므로, 임피던스 값의 전압과 전류를 이용하여 소프트웨어 Labview로 설계된 측정 방법으로 측정된 고조파를 비교 할 수 있다. 즉, 도 5(a)(b)에서 도시하고 있는 것과 같이 전압과 전류를 FFT하여 비교하면 노화된 것과 정상 배터리에서 고조파의 차이가 나타나는데, 특히 두 번째와 세 번째 고조파의 크기 비교를 통해 배터리의 노화 상태를 파악할 수 있다.
Since the
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 장치의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 2와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 수행하는 동일한 부재를 지칭한다. The operation of the battery condition diagnosis apparatus using harmonics and impedances according to the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals as those in Fig. 2 designate the same members performing the same function.
도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating a method of diagnosing a battery state using harmonics and impedances according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하여 설명하면, 먼저 전류 주입부(40)에서 배터리에 인가되는 일정 전류를 기반으로 배터리의 충전부(20) 및 방전부(30)를 제어하여 배터리의 충방전을 수행한다(S10).Referring to FIG. 6, the charging and discharging of the battery is performed by controlling the
그러면, 측정부(10)는 배터리의 충전, 방전시 전압, 충전상태를 측정하고(S20), 이렇게 측정된 배터리의 충전 및 방전 사이클에 의한 배터리의 상태정보를 데이터 수집부(50)를 통해 수집하고 전류 및 전압성분을 어레이 형식으로 저장한다(S30).Then, the
이어 임피던스 측정부(60)는 데이터 수집부(50)를 통해 수집된 배터리의 충전상황과 임피던스 변화율을 이용하여 임피던스 값을 측정한다(S40). 이때, 임피던스 값의 측정은 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 서로 직렬로 연결된 분극 저항(R_CT) 및 와버그 저항(R_W)과, 상기 분극 저항(R_CT) 및 와버그 저항(R_W)과 병렬로 연결된 이중층 축전기(C_DL)와, 일 측에 배터리 전압이 연결되고 타측에는 병렬로 연결된 이중층 축전기(C_DL)와 직렬 연결되는 부식 저항(R_E)으로 구성되는 랜들 등가 회로 모델을 이용한다.The
그리고 고조파 측정부(70)를 통해 상기 랜들 등가 회로 모델을 통해 측정된 임피던스 값을 기반으로 전압 및 전류성분을 각 주파수별로 측정하여 주파수 특성을 파악하여 고조파 변화율을 측정하여 배터리 상태를 진단한다(S50). Then, the voltage and current components are measured for each frequency based on the impedance value measured through the LANDel equivalent circuit model through the
도 7에서는 전압을 이용한 고조파의 크기를 측정하는 방법을 나타낸다. FIG. 7 shows a method of measuring the magnitude of harmonics using a voltage.
도 7에서 도시하고 있는 것과 같이, 배터리(71)에서 전류의 값과 1옴의 저항(72)에서 전압값을 측정하여, NImyDAQ(73)를 통해서 고조파 분석을 실시한다.7, the
이때, 배터리(71)의 고조파 충전과 임피던스 측정에서 중요한 점은 배터리(71)에서 충전과 방전이 일어나지 않는 상태에서 측정해야 한다. 따라서 DC 파워서플라이(Power Supply)를 통해서 배터리(71)가 나타내는 전압값과 같은 크기로 전압을 인가하여야 배터리의 충전 및 방전 상태를 유지할 수 있기 때문에 도 7에서의 전압원(74)을 이용하여 상태를 유지해야 한다. At this time, an important point in the harmonic charging and impedance measurement of the
그리고 측정되는 임피던스의 값은 전압성분을 전류성분으로 나눈 값에 해당하므로, 임피던스 값의 전압과 전류를 이용하여 소프트웨어 Labview로 설계된 측정 방법으로 도 5(a)(b)에서 도시하고 있는 것과 같이 전압과 전류를 FFT하여 비교함으로써, 고조파 비교를 할 수 있다.Since the measured impedance value corresponds to a value obtained by dividing the voltage component by the current component, the measurement method designed by the software Labview using the voltage and the current of the impedance value as shown in FIG. 5 (a) By comparing the currents with the FFT, harmonic comparisons can be made.
이에 따라, 배터리의 고조파 분석을 통해 기존의 배터리 등가회로보다 정확하게 배터리의 수명(SOH)을 나타낼 수 있다. 특히, 고조파 분석의 경우 임피던스 측정 시스템과 달리 아주 정확한 측정을 요구하지 않는다는 점에서 배터리의 SOH를 측정하는데 더 간편하다.
Accordingly, the battery life (SOH) can be represented more accurately than the conventional battery equivalent circuit through harmonic analysis of the battery. In particular, harmonic analysis is simpler to measure the SOH of a battery in that it does not require very precise measurement, unlike an impedance measurement system.
한편, 본 발명의 실시예는 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하다. 즉, 본 발명에 따른 방법에 포함된 여러 단계들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장될 수 있다. 상기 매체는 마그네틱 저장매체(예: 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독매체(예: CD-ROM, DVD), 디지털 저장매체(예: USB 메모리, 메모리 카드(SD, CF, MS, XD) 등) 및 캐리어 웨이브(예: 인터넷을 통한 전송)와 같은 기록매체를 포함한다.Meanwhile, the embodiment of the present invention can be made into a program that can be executed in a computer. That is, the various steps involved in the method according to the present invention may be stored in a computer readable recording medium. The medium may be a magnetic storage medium such as a ROM, a floppy disk, a hard disk, etc., an optical reading medium such as CD-ROM or DVD, a digital storage medium such as a USB memory, XD), etc.) and carrier waves (e.g., transmission over the Internet).
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
Claims (9)
배터리를 충전 및 방전시키는 충/방전부와,
일정 전류를 배터리에 인가하는 전류 주입부와,
배터리의 충전 및 방전 사이클에 의한 배터리의 상태정보를 수집하고 전류 및 전압성분을 어레이 형식으로 저장하는 데이터 수집부와,
상기 측정부 및 데이터 수집부를 통해 배터리의 충전상황과 임피던스 변화율을 이용하여 임피던스 값을 측정하는 임피던스 측정부와,
상기 임피던스 측정부에서 측정된 임피던스 값을 기반으로 전압 및 전류성분을 각 주파수별로 측정하여 주파수 특성을 파악하여 고조파 변화율을 측정하는 고조파 측정부를 포함하여 구성되고,
이때, 상기 고조파 측정부는
배터리와 직렬로 연결되는 1옴(Ω)의 저항과,
DC 파워서플라이(Power Supply)를 통해서 배터리가 나타내는 전압값과 같은 크기로 입력 전압의 크기를 변화시키면서 전압을 인가시켜 배터리의 충전 및 방전 상태를 유지시키는 전압원과,
상기 배터리에서 전류의 값과 1옴의 저항에서 상기 배터리가 나타내는 전압값을 통해 변화되면서 입력되는 입력 전압의 전압값을 측정하여 고조파 분석을 실시하는 NImyDAQ를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 장치.A measuring unit for measuring a charging and discharging voltage and a charging state of the battery,
A charge / discharge unit for charging and discharging the battery,
A current injection unit for applying a constant current to the battery,
A data collecting unit for collecting state information of the battery by a charge and discharge cycle of the battery and storing current and voltage components in an array form,
An impedance measuring unit for measuring an impedance value using the charge state of the battery and the impedance change rate through the measuring unit and the data collecting unit;
And a harmonic measuring unit for measuring voltage and current components on the basis of the impedance value measured by the impedance measuring unit for each frequency to determine a frequency characteristic and measuring a harmonic change rate,
At this time, the harmonic measurement unit
A 1 ohm resistor in series with the battery,
A voltage source for maintaining a charged and discharged state of the battery by applying a voltage while varying the magnitude of the input voltage to the same magnitude as the voltage value indicated by the battery through a DC power supply;
And a NImyDAQ for measuring harmonic waves by measuring a voltage value of an input voltage while changing the value of the current through the battery and the voltage value indicated by the battery at a resistance of 1 ohm. A battery status diagnosis apparatus using a battery.
서로 직렬로 연결된 분극 저항(R_CT) 및 와버그 저항(R_W)과,
상기 분극 저항(R_CT) 및 와버그 저항(R_W)과 병렬로 연결된 이중층 축전기(C_DL)와,
일 측에 배터리 전압이 연결되고 타측에는 병렬로 연결된 이중층 축전기(C_DL)와 직렬 연결되는 부식 저항(R_E)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 장치.The impedance measuring apparatus according to claim 1, wherein the impedance measuring unit
A polarization resistor R_CT and a bug resistor R_W connected in series,
A double layer capacitor C_DL connected in parallel to the polarization resistance R_CT and the bug resistor R_W,
And a corrosion resistor (R_E) connected in series with a double layer capacitor (C_DL) connected in parallel to the battery voltage on one side and the other side connected to the battery voltage on the other side.
상기 고조파 측정부는 전압성분을 전류성분으로 나눈 값에 해당되는 임피던스 값의 전압과 전류를 이용하여 소프트웨어 Labview로 설계된 측정 방법으로 측정된 고조파를 비교하는 것을 특징으로 하는 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 장치.The method according to claim 1,
Wherein the harmonic measuring unit compares harmonics measured by a measuring method designed in a software Labview using voltage and current of an impedance value corresponding to a value obtained by dividing a voltage component by a current component, .
(B) 측정부를 통해 배터리의 충전, 방전시 전압, 충전상태를 측정하는 단계와,
(C) 상기 측정된 배터리의 충전 및 방전 사이클에 의한 배터리의 상태정보를 데이터 수집부를 통해 수집하고 전류 및 전압성분을 어레이 형식으로 저장하는 단계와,
(D) 임피던스 측정부를 통해 상기 수집된 배터리의 충전상황과 임피던스 변화율을 이용하여 임피던스 값을 측정하는 단계와,
(E) 상기 측정된 임피던스 값을 기반으로 수집된 배터리가 나타내는 전압값을 통해 변화되면서 입력되는 전압 및 전류성분을 각 주파수별로 측정하여 주파수 특성을 파악하여 고조파 변화율을 측정하여 배터리 상태를 진단하는 단계를 포함하여 이루어지고,
이때, 상기 (E) 단계는 배터리와 직렬로 연결되는 1옴(Ω)의 저항과, DC 파워서플라이(Power Supply)를 통해서 배터리가 나타내는 전압값과 같은 크기로 입력 전압의 크기를 변화시키면서 전압을 인가시켜 배터리의 충전 및 방전 상태를 유지시키는 전압원과, 상기 배터리에서 전류의 값과 1옴의 저항에서 상기 배터리가 나타내는 전압값을 통해 변화되면서 입력되는 입력 전압의 전압값을 측정하여 고조파 분석을 실시하는 NImyDAQ로 구성되는 회로 모델을 이용하여 배터리 상태가 진단되는 것을 특징으로 하는 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 방법.(A) performing charging and discharging of the battery based on a constant current applied to the battery in the current injecting unit,
(B) measuring a voltage and a charged state at the time of charging and discharging the battery through the measuring unit,
(C) collecting state information of the battery by the charge and discharge cycle of the battery through the data collecting unit and storing the current and voltage components in an array form,
(D) measuring an impedance value using a collected state of charge of the battery and an impedance change rate through an impedance measuring unit;
(E) diagnosing a battery state by measuring voltage and current components inputted through a voltage value represented by a battery collected on the basis of the measured impedance value, measuring frequency characteristics of the voltage and current components, and measuring a harmonic change rate , ≪ / RTI >
In the step (E), a voltage of 1 ohm (Ω) connected in series with the battery and a voltage of the input voltage are changed by a DC power supply A voltage source for maintaining the charge and discharge state of the battery and a voltage value of an input voltage while changing the current value and the resistance value of 1 ohm through the voltage value indicated by the battery, Wherein the battery state is diagnosed using a circuit model consisting of NImyDAQ.
상기 (D) 단계에서 임피던스 값의 측정은 서로 직렬로 연결된 분극 저항(R_CT) 및 와버그 저항(R_W)과, 상기 분극 저항(R_CT) 및 와버그 저항(R_W)과 병렬로 연결된 이중층 축전기(C_DL)와, 일 측에 배터리 전압이 연결되고 타측에는 병렬로 연결된 이중층 축전기(C_DL)와 직렬 연결되는 부식 저항(R_E)으로 구성되는 랜들 등가 회로 모델을 이용하여 측정되는 것을 특징으로 하는 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 방법.The method according to claim 6,
The measurement of the impedance value in the step (D) includes a polarization resistor R_CT and a bug resistor R_W connected in series with each other, a double layer capacitor C_DL connected in parallel with the polarization resistor R_CT and the bug resistor R_W, And a corrosion resistance R_E connected in series with a double layer capacitor (C_DL) connected in parallel to one side of the battery voltage, and a harmonic and an impedance A method of diagnosing battery condition using.
상기 (E) 단계는 전압과 전류를 FFT하여 비교함으로써 고조파 비교를 수행하여 배터리 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 방법.The method according to claim 6,
Wherein the step (E) comprises comparing the voltage and the current by FFT to compare the harmonics to diagnose the battery condition.
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