KR101812610B1 - 고전압 배터리의 내부저항 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고전압 배터리의 내부저항 측정방법에 관한 것으로, (a) 상기 고전압 배터리에 가상 소스가 인가되는 단계와; (b) 상기 가상 소스의 인가에 따른 상기 고전압 배터리의 제1 내부 전압을 측정하는 단계와; (c) 상기 제1 내부 전압에 기초하여 상기 고전압 배터리의 예측 저항 범위가 설정되는 단계와; (d) 상기 예측 저항 범위가 복수의 예측 저항으로 분할되는 단계와; (e) 복수의 상기 예측 저항 각각에 대응하는 세기의 측정 전류가 상기 예측 저항의 크기가 큰 순으로 순차적으로 상기 고전압 배터리에 인가되는 단계와; (f) 각각의 상기 측정 전류의 인가에 따라 각각의 상기 측정 전류에 대한 상기 고전압 배터리의 제2 내부 전압이 측정되는 단계와; (g) 각각의 상기 제2 내부 전압에 기초하여 상기 고전압 배터리의 내부 저항이 측정되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 모듈이나 팩 형태의 고전압 배터리의 내부저항을 보다 안전하게 측정하여 고전압 배터리의 수명을 예측할 수 있다.

Description

고전압 배터리의 내부저항 측정방법{METHOD FOR MEASURING INTERNAL RESISTANCE OF HIGH VOLTAGE BATTERY}

본 발명은 고전압 배터리의 내부저항 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모듈이나 팩 형태의 고전압 배터리의 내부저항을 보다 안전하게 측정하여 고전압 배터리의 수명을 예측할 수 있는 고전압 배터리의 내부저항 측정방법에 관한 것이다.

최근 발생하는 블랙아웃 사태와 관련하여 안정적인 에너지 저장 및 공급 장치에 대한 수요가 증가하고 있기 때문에 대용량의 에너지 저장 장치를 설치하여 필요에 따라 안정적인 전원 공급의 제공이 요구되고 있으며, 이에 모듈이나 팩 형태로 제공되는 고전압 배터리에 대한 수요가 증가하고 있는 실정이다.

현재 수백 kW 내지 MW급 용량의 고전압 배터리에는 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management system)을 이용하여 모듈이나 팩 상태로의 관리가 가능해지고 있다. 그런데, 배터리 관리 시스템은 통상 배터리의 내부 전압, 셀 전압차이, 온도를 기본적인 측정인자로 사용하여 배터리의 용량을 주로 진단하고 있다. 즉, 배터리 관리 시스템은 SOC(state of charging), SOH(state of health)를 관리하고 있으나, 실제 배터리의 수명은 진단하지 못하고 있는 실정이다.

배터리의 수명을 진단하기 위한 유일한 비간섭적인 방법은, 일 예로 한국공개특허 제10-2005-0054449호에 개시된 기술과 같이, 배터리의 내부저항을 측정하고, 기준 임피던스와 비교하여 그 효율과 수명을 진단하는 방법이 있다.

이와 같은 배터리의 내부저항을 측정하는 방법에서는 배터리에 교류의 정전류원을 연결하여 정전류를 인가한 후, 배터리의 내부전압을 측정하는 방법으로 내부저항을 측정하게 된다.

그런데, 상술한 바와 같은 에너지 저장 장치로 사용되는 배터리나 전기차와 같은 자동차용 배터리, 그리고 통신사의 기지국 등에서 사용되는 배터리의 경우, 700V 정도로 고전압의 배터리가 사용되는데, 내부저항을 측정하기 위한 기존의 계측기로 고전압 배터리에 정전류를 인가하게 되면 배터리의 낮은 임피던스로 인해 스파크가 발생하여 자칫 폭발 사고로 이어질 수 있는 위험이 존재한다.

고전압 배터리가 다수의 배터리 셀로 구성되어 있어 각각의 배터리 셀을 개별적으로 측정하여 상기와 같은 위험을 피할 수 있으나, 배터리 팩을 셀 단위로 분해할 수 없는 경우나 필요에 따라 전체 배터리의 내부 저항을 측정할 필요가 있는 경우 기존의 계측기로는 이를 극복하기 어려운 문제점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해, 계측기의 커플링 커패시터의 용량을 낮추거나 정전류원의 세기를 높이는 방법이 고려될 수 있으나, 이는 계측기의 용량이 커져 휴대가 불편할 뿐만 아니라, 배터리의 내부저항을 측정하기 위해 배터리의 크기가 큰 교류의 정전류를 지속적으로 인가하는 경우 배터리 자체에 데미지를 주어 바람직하지 않게 된다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 모듈이나 팩 형태의 고전압 배터리의 내부저항을 보다 안전하게 측정하여 고전압 배터리의 수명을 예측할 수 있는 고전압 배터리의 내부저항 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 고전압 배터리의 내부저항 측정방법에 있어서, (a) 상기 고전압 배터리에 가상 소스가 인가되는 단계와; (b) 상기 가상 소스의 인가에 따른 상기 고전압 배터리의 제1 내부 전압을 측정하는 단계와; (c) 상기 제1 내부 전압에 기초하여 상기 고전압 배터리의 예측 저항 범위가 설정되는 단계와; (d) 상기 예측 저항 범위가 복수의 예측 저항으로 분할되는 단계와; (e) 복수의 상기 예측 저항 각각에 대응하는 세기의 측정 전류가 상기 예측 저항의 크기가 큰 순으로 순차적으로 상기 고전압 배터리에 인가되는 단계와; (f) 각각의 상기 측정 전류의 인가에 따라 각각의 상기 측정 전류에 대한 상기 고전압 배터리의 제2 내부 전압이 측정되는 단계와; (g) 각각의 상기 제2 내부 전압에 기초하여 상기 고전압 배터리의 내부 저항이 측정되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 내부저항 측정방법에 의해서 달성된다.

여기서, 상기 가상 소스는 상기 고전압 배터리에 기 설정된 크기의 설정 전압이 인가되되, 상기 고전압 배터리와 병렬로 연결되는 커플링 커패시턴스의 용량에 따라 상기 고전압 배터리로의 전류의 흐름이 차단된 상태에서 상기 설정 전압이 상기 고전압 배터리에 인가되는 상태로 설정될 수 있다.

또한, 상기 설정 전압은 상기 측정 전압의 크기보다 작을 수 있다.

그리고, 상기 (d) 단계에서 상기 예측 저항은 상기 예측 저항 범위 내에서 제일 큰 값의 예측 저항으로부터 1/10 단위로 작아지게 분할될 수 있다.

상기와 같은 구성에 따라, 본 발명에 따르면, 모듈이나 팩 형태의 고전압 배터리의 내부저항을 보다 안전하게 측정하여 고전압 배터리의 수명을 예측할 수 있는 고전압 배터리의 내부저항 측정방법이 제공된다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고전압 배터리의 내부저항 측정장치의 구성의 예를 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고전압 배터리의 내부저항 측정방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고전압 배터리(300)의 내부저항 측정장치(100)의 구성의 예를 나타낸 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 고전압 배터리(300)의 내부저항 측정장치(100)는 정전류원(110), 모드 스위칭부(120), 전압 감지부(130) 및 계측 제어부(140)를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 내부저항 측정장치(100)에 따라 측정되는 고전압 배터리(300)는 다수의 셀이 모듈 또는 팩 형태로 제작되며, 전체 용량이 상대적으로 큰, 예컨대 700V 정도로 고전압의 배터리를 포함한다. 여기서, 고전압 배터리(300)는 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 배터리 셀(310)로 구성되며, 도 2에 도시된 내부 저항은 고전압 배터리(300)의 전에 내부 저항(320, 이하 동일)을 개념으로 도시한 도면이다.

정전류원(110)은 고전압 배터리(300)의 내부 저항을 측정하기 위해 고전압 배터리(300)에 교류의 정전류를 인가한다. 본 발명에서는 정전류원(110)이 고전압 배터리(300)에 가상 소스를 인가하는 가상 측정 모드와, 내부 저항의 측정을 위한 내부 저항 측정 모드로 동작하는 것을 예로 하는데 그 상세한 설명은 후술한다.

모드 스위칭부(120)는 계측 제어부(140)의 제어에 따라 정전류원(110)으로부터 가상 소스와 측정 전류가 선택적으로 고전압 배터리(300)에 인가되도록 스위칭된다. 본 발명에서는 가상 소스로 3.2V의 교류 전원이 인가되고 측정 전류로 25V의 교류 전원이 이용되는 것을 예로 한다.

전압 감지부(130)는 정전류원(110)으로부터 가상 소스나 측정 전류가 배터리로 인가된 상태에서 내부 전압을 측정한다. 이하에서는 가상 소스가 인가될 때 측정되는 내부 전압을 제1 내부 전압이라 하고, 측정 전류가 인가될 때 측정되는 내부 전압을 제2 내부 전압이라 정의하여 설명한다.

계측 제어부(140)는 가상 측정 모드로 동작하도록 모드 스위칭부(120)를 제어한 상태에서 정전류원(110)이 가상 소스를 고전압 배터리(300)로 인가하도록 제어한다. 그리고, 가상 측정 모드에서 전압 감지부(130)의 감지 결과에 기초하여 고전압 배터리(300)의 예측 저항 범위를 설정한다.

그런 다음, 계측 제어부(140)는 내부 저항 측정 모드로 동작하도록 모드 스위칭부(120)를 제어한 상태에서, 복수의 예측 저항에 각각 대응하는 세기의 측정 전류가 예측 저항의 크기가 큰 순으로 순차적으로 고전압 배터리(300)에 인가되도록 정전류원(110)을 제어한다. 여기서, 복수의 예측 저항은 예측 저항 범위 내의 저항값이 복수로 분할된 것으로, 예측 저항 범위 내에서 제일 큰 예측 저항으로부터 1/10 단위로 작아지게 분할되는 것을 예로 한다.

상기와 같이 복수의 예측 저항에 대응하는 측정 전류가 고전압 배터리(300)에 인가되는 상태에서 전압 감지부(130)가 고전압 배터리(300)의 내부 저항을 측정하게 되고, 전압 감지부(130)에 의해 감지되는 내부 전압에 기초하여 계측 제어부(140)가 고전압 배터리(300)의 내부 저항을 측정하게 된다.

이하에서는 상기와 같은 구성에 따라, 본 발명에 따른 고전압 배터리(300)의 내부저항 측정방법을, 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

먼저, 고전압 배터리(300)에 가상 소스가 인가된다. 상술한 바와 같이, 계측 제어부(140)는 모드 스위칭부(120)가 가상 측정 모드로 스위칭되도록 모드 스위칭부(120)를 제어한 상태에서, 정전류원(110)으로부터 가상 소스가 고전압 배터리(300)로 인가된다.

여기서, 가상 소스로는 고전압 배터리(300)에 기 설정된 크기의 설정 전압, 예를 들어, 상술한 바와 같이, 3.5V의 설정 전압이 인가되는데, 도 2에 도시된 바와 같이, 고전압 배터리(300)와 병렬로 연결되는 커플링 커패시턴스(150)의 용량에 따라 고전압 배터리(300)로의 전류의 흐름이 차단된 상태에서 설정 전압이 고전압 배터리(300)에 인가되는 상태로 전압 감지부(130)가 고전압 배터리(300)의 제1 내부 전압을 감지하게 된다.

본 발명에서는 커플링 커패시턴스(150)의 용량을 nF 단위로 작게 설정하고, 가상 소스로 3.5V의 교류 전원을 인가함으로써, 고전압 배터리(300)로의 전류의 유입을 차단하면서 제1 내부 전압의 범위를 측정 가능하게 된다.

이 때, 감지되는 고전압 배터리(300)의 제1 내부 전압은 일정한 전압값의 범위로 측정되며, 이를 통해 계측 제어부(140)는 감지된 전압값의 범위에 기초하여 예측 저항 범위를 설정 가능하게 된다.

상기와 같이 예측 저항 범위가 설정되면, 예측 저항 범위가 복수의 예측 저항으로 분할된다. 예를 들어, 예측 저항 범위가 300Ω에서 3mΩ으로 설정되면, 복수의 예측 저항을 1/10 단위, 즉 300Ω, 30Ω, 3Ω, 300mΩ, 30mΩ, 3mΩ으로 분할하게 된다.

그런 다음, 예측 저항 각각에 대응하는 세기의 측정 전류가 예측 저항의 크기가 큰 순으로 순차적으로 고전압 배터리(300)로 인가된다. 이 때, 각각의 예측 저항에 측정 전류는 예측 저항의 크기와 반비례하게 되는데, 결과적으로 작은 세기의 전류 순으로 측정 전류가 고전압 배터리(300)에 인가된다.

상기와 같이 예측 저항이 큰 순서, 즉 측정 전류의 세기가 작은 순으로 순차적으로 인가하는 상태에서, 전압 감지부(130)의 감지 결과에 기초하여 내부 저항을 측정하게 되는데, 예측 저항의 변화, 즉 측정 전류의 변화에 따라 최적의 분해능에 해당하는 제1 내부 전압에 따른 내부 저항에 고전압 배터리(300)의 내부 저항으로 측정 가능하게 된다.

이와 같이, 측정 전류의 세기가 작은 순으로 순차적으로 인가함으로써, 초기에 큰 전류의 인가로 인해 발생할 수 있는 기존 계측기에서의 스파크 현상을 제거할 수 있어 보다 안정적인 측정이 가능하게 된다.

또한, 커플링 커패시턴스(150)의 용량의 조절(예를 들어, nF)과, 정전류원(110)의 설정 전압의 크기를 조절(예들 들어, 25V)함으로써, 700V의 고전압 배터리(300)의 내부 저항의 측정이 가능하면서도, 스파크 현상 등을 제거한 안정적인 측정이 가능하게 된다.

비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.

100 : 내부저항 측정장치 110 : 정전류원
120 : 모드 스위칭부 130 : 전압 감지부
140 : 계측 제어부 150 : 커플링 커패시턴스
300 : 고전압 배터리 310 : 배터리 셀
320 : 내부 저항

Claims (4)

1. 고전압 배터리의 내부저항 측정방법에 있어서,
   (a) 상기 고전압 배터리에 가상 소스가 인가되는 단계와;
   (b) 상기 가상 소스의 인가에 따른 상기 고전압 배터리의 제1 내부 전압을 측정하는 단계와;
   (c) 상기 제1 내부 전압에 기초하여 상기 고전압 배터리의 예측 저항 범위가 설정되는 단계와;
   (d) 상기 예측 저항 범위가 복수의 예측 저항으로 분할되는 단계와;
   (e) 복수의 상기 예측 저항 각각에 대응하는 세기의 측정 전류가 상기 예측 저항의 크기가 큰 순으로 순차적으로 상기 고전압 배터리에 인가되는 단계와;
   (f) 각각의 상기 측정 전류의 인가에 따라 각각의 상기 측정 전류에 대한 상기 고전압 배터리의 제2 내부 전압이 측정되는 단계와;
   (g) 각각의 상기 제2 내부 전압에 기초하여 상기 고전압 배터리의 내부 저항이 측정되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 내부저항 측정방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 가상 소스는
   상기 고전압 배터리에 기 설정된 크기의 설정 전압이 인가되되, 상기 고전압 배터리와 병렬로 연결되는 커플링 커패시턴스의 용량에 따라 상기 고전압 배터리로의 전류의 흐름이 차단된 상태에서 상기 설정 전압이 상기 고전압 배터리에 인가되는 상태로 설정되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 내부저항 측정방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 설정 전압은 상기 측정 전압의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 내부저항 측정방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 (d) 단계에서 상기 예측 저항은 상기 예측 저항 범위 내에서 제일 큰 값의 예측 저항으로부터 1/10 단위로 작아지게 분할되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 내부저항 측정방법.

Images