KR102002859B1 - 배터리 진단 기능을 갖는 충전기 및 그 제어방법 - Google Patents

배터리 진단 기능을 갖는 충전기 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

배터리 진단 기능을 갖는 충전기 및 그 제어방법이 개시된다. 배터리 진단 기능을 갖는 충전기는 배터리를 충전하는 충전 모드로 동작하거나, 상기 배터리가 완충되면 상기 배터리에 섭동 전압을 인가하는 진단 모드로 동작하는 DC-DC 컨버터 및 섭동 전압에 대한 상기 배터리의 출력 응답에 따라 상기 배터리의 등가회로모델 파라미터를 계산하고, 상기 배터리의 등가회로모델 파라미터 중 옴 저항값을 이용하여 상기 배터리의 충방전횟수를 계산하며, 상기 배터리의 충방전횟수를 이용하여 상기 배터리의 잔존 등가용량을 계산하는 디지털 신호 프로세서를 포함한다.

Description

배터리 진단 기능을 갖는 충전기 및 그 제어방법{CHARGER WITH BATTERY DIAGNOSIS AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 배터리 진단 기능을 갖는 충전기 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리의 건정성(SOH: State-of-Health)을 추정할 수 있는 충전기 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 배터리는 화학적 에너지를 전기적으로 바꿔주는 방전과, 전기적 에너지를 화학적 에너지로 바꿔주는 충전의 사이클을 거친다. 가장 보편적인 배터리는 갈바니 전지의 응용인 납축전지로서 진한 황산 수용액에 납(Pb)과 이산화납(PbO2)의 전극으로 구성되어 있다. 납축전지는 오랜 기간 충전 및 방전 사이클을 거치는 동안 내부 활물질의 변화 및 자가 방전 등의 여러 가지 형태의 노화현상으로 인해 수명이 단축된다.
한편, 배터리는 충전기를 통해 주기적으로 전력을 충전한다. 일반적으로 충전기는 배터리의 충전 기능 외에 배터리의 상태를 진단할 수 있는 기능을 구비하지 않는다. 이에 따라, 사용자가 배터리 이용 시 갑작스럽게 그 수명이 다할 수 있으며, 이로 인해 배터리에 의해 동작하는 시스템의 동작 불능 상태나 고장 징조 등을 사전에 감지할 수 없어 시스템의 신뢰성이 낮아지게 된다.
본 발명의 일측면은 배터리의 임피던스 스펙트럼을 측정하는 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 기능을 구현하여 배터리의 건정성을 진단할 수 있는 디지털 신호 프로세서가 포함된 배터리 진단 기능을 갖는 충전기를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 배터리의 충전을 완료할 때마다 배터리의 잔존 등가용량을 계산하는 배터리 진단 기능을 갖는 충전기의 제어방법을 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 배터리 진단 기능을 갖는 충전기는 배터리를 충전하는 충전 모드로 동작하거나, 상기 배터리가 완충되면 상기 배터리에 섭동 전압을 인가하는 진단 모드로 동작하는 DC-DC 컨버터 및 섭동 전압에 대한 상기 배터리의 출력 응답에 따라 상기 배터리의 등가회로모델 파라미터를 계산하고, 상기 배터리의 등가회로모델 파라미터 중 옴 저항값을 이용하여 상기 배터리의 충방전횟수를 계산하며, 상기 배터리의 충방전횟수를 이용하여 상기 배터리의 잔존 등가용량을 계산하는 디지털 신호 프로세서를 포함할 수 있다.
또한, 상기 디지털 신호 프로세서는, 옴 저항값과 충방전횟수 간의 관계를 나타내는 2차 방정식 형태의 옴 저항 변동식을 산출하고 이를 이용하여 상기 배터리의 충방전횟수를 계산하는 파라미터 분석부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 디지털 신호 프로세서는, 충방전횟수와 잔존 등가용량 간의 관계를 나타내는 3차 방정식 형태의 잔존 등가용량 변동식을 산출하고 이를 이용하여 상기 배터리의 잔존 등가용량을 계산하는 파라미터 분석부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 디지털 신호 프로세서는, 상기 배터리의 잔존 등가용량과 미리 설정된 기준 등가용량을 비교하여 상기 배터리의 상태를 추정하는 상태 추정부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 디지털 신호 프로세서는, 상기 배터리의 잔존 등가용량과 미리 설정된 기준 등가용량의 비교 결과에 따라 경고 신호를 출력하는 경고부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 디지털 신호 프로세서는, 상기 배터리의 출력 응답에 따라 상기 섭동 전압에 해당하는 주파수 범위 내에서 주파수 별 복소 임피던스를 계산하는 임피던스 스펙트럼 산출부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 디지털 신호 프로세서는, 상기 주파수 별 복소 임피던스에 따른 상기 배터리의 등가회로모델을 선정하고, 상기 주파수 별 복소 임피던스에 최소 자승 방식을 적용하여 상기 배터리의 등가회로모델 파라미터를 계산하는 파라미터 추출부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 DC-DC 컨버터는, 상기 충전 모드로 동작 시, CC-CV 충전방식에 따라 상기 배터리를 완충시키고, 상기 배터리 완충 이후 소정의 시간 경과 시 상기 진단 모드로 진입할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 진단 기능을 갖는 충전기의 제어방법은 배터리가 완충되면 상기 배터리에 섭동 전압을 인가하고, 섭동 전압에 대한 상기 배터리의 출력 응답에 따라 상기 배터리의 등가회로모델 파라미터를 계산하고, 상기 배터리의 등가회로모델 파라미터 중 옴 저항값을 이용하여 상기 배터리의 충방전횟수를 계산하며, 상기 배터리의 충방전횟수를 이용하여 상기 배터리의 잔존 등가용량을 계산할 수 있다.
또한, 상기 배터리의 등가회로모델 파라미터 중 옴 저항값을 이용하여 상기 배터리의 충방전횟수를 계산하는 것은, 옴 저항값과 충방전횟수 간의 관계를 나타내는 2차 방정식 형태의 옴 저항 변동식을 산출하는 것을 포함하고, 상기 옴 저항 변동식을 이용하여 상기 배터리의 충방전횟수를 계산하는 것일 수 있다.
또한, 상기 배터리의 충방전횟수를 이용하여 상기 배터리의 잔존 등가용량을 계산하는 것은, 충방전횟수와 잔존 등가용량 간의 관계를 나타내는 3차 방정식 형태의 잔존 등가용량 변동식을 산출하는 것을 포함하고, 상기 잔존 등가용량 변동식을 이용하여 상기 배터리의 잔존 등가용량을 계산하는 것일 수 있다.
또한, 상기 배터리의 잔존 등가용량과 미리 설정된 기준 등가용량을 비교하고, 그 결과에 따라 경고 신호를 출력하는 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 섭동 전압에 대한 상기 배터리의 출력 응답에 따라 상기 배터리의 등가회로모델 파라미터를 계산하는 것은, 상기 배터리의 출력 응답에 따라 상기 섭동 전압에 해당하는 주파수 범위 내에서 주파수 별 복소 임피던스를 계산하고, 상기 주파수 별 복소 임피던스에 따른 상기 배터리의 등가회로모델을 선정하며, 상기 주파수 별 복소 임피던스에 최소 자승 방식을 적용하여 상기 배터리의 등가회로모델 파라미터를 계산하는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 충전 시 배터리의 잔존 등가용량을 계산하여 배터리의 상태를 추정할 수 있다. 이로 인해 갑작스런 고장 징조 등을 사전에 감지할 수 있고, 배터리의 고장으로 인한 사후 처리 및 관리 비용을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 기능을 갖는 충전기의 개략적인 제어 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 선정된 배터리의 등가회로모델의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 실험을 통해 획득한 배터리의 내부 임피던스와 충방전횟수의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 배터리의 노화에 따른 내부 임피던스의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 배터리의 충방전이 완료될 때마다 추출하여 누적된 옴 저항값(Rs)을 표시한 그래프의 일 예이다.
도 6은 배터리의 충방전횟수에 따른 배터리 용량(Ah)을 표시한 그래프의 일 예이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 기능을 갖는 충전기의 제어방법을 나타낸 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 기능을 갖는 충전기의 개략적인 제어 블록도이다.
도 1을 참조하면, 충전기(1)는 AC-DC 컨버터(10), DC-DC 컨버터(20) 및 디지털 신호 프로세서(100)를 포함할 수 있다.
충전기(1)의 출력 터미널과 레퍼런스 터미널(GND) 사이에는 배터리(2)가 결합될 수 있다. 배터리(2)는 내부 저항(Rb) 및 내부 커패시터(Cb)를 포함하며, 납 축전지(Lead-Acid Battery)일 수 있다. 다만, 배터리(2)는 납 축전지로 한정되는 것은 아니며, 이 외의 모든 타입이 본 실시예에 적용될 수 있음은 물론이다.
충전기(1)는 배터리(2)와 결합되어 85V 내지 265V의 교류 전압으로 배터리(2)를 충전시킬 수 있다. 또한, 충전기(1)는 디지털 신호 프로세서(100)에 의해 배터리(2)의 임피던스 스펙트럼을 측정하는 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 기능을 구현하여 배터리(2)의 건정성(SOH: State-of-Health)를 진단할 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 배터리 진단 기능을 갖는 충전기(1)의 각 구성요소에 대하여 구체적으로 설명한다.
AC-DC 컨버터(10)는 입력 전원과 연결될 수 있다. 입력 전원은 85V 내지 265V의 교류 전압을 공급하는 전원 및 커패시터와 인덕터로 구성되는 입력 필터(Input filter)를 포함할 수 있다.
AC-DC 컨버터(10)는 적어도 하나의 스위칭 수단을 구비하여 입력 전원으로부터 교류 전압을 전달 받아 직류 전압으로 변환할 수 있다. 예를 들어, AC-DC 컨버터(10)는 1.7kW 급 PFC 컨버터로 구현될 수 있다. PFC 컨버터는 PFC 제어기를 포함하며, PFC 제어기의 제어에 의해 적어도 하나의 스위칭 수단을 작동시켜 전압 변환을 수행할 수 있다.
DC-DC 컨버터(20)는 AC-DC 컨버터(10)의 후단에 연결될 수 있다. AC-DC 컨버터(10)의 후단에는 AC-DC 컨버터(10)의 출력 전압을 평활(smoothing)하게 하기 위한 평활 커패시터(CDC)가 연결될 수 있으며, DC-DC 컨버터(20)는 이러한 평활 커패시터(CDC)에 연결될 수 있다. DC-DC 컨버터(20)의 출력단은 충전기(1)의 출력 터미널을 형성하며, 여기에 배터리(2)가 연결될 수 있다.
DC-DC 컨버터(20)는 적어도 하나의 스위칭 수단을 구비하며, 디지털 신호 프로세서(100)의 제어에 의해 적어도 하나의 스위칭 수단을 작동시켜 AC-DC 컨버터(10)의 출력 전압을 배터리(2)에 인가할 전압으로 변환할 수 있다. 예를 들어, DC-DC 컨버터(20)는 1.5kW급의 위상천이 방식의 소프트 스위칭 DC-DC로 구현될 수 있다.
DC-DC 컨버터(20)는 충전 모드 또는 진단 모드로 동작할 수 있다. DC-DC 컨버터(20)는 충전 모드로 동작 시, CC-CV 충전방식에 따라 배터리(2)로 충전 전압 또는 충전 전류를 인가하여 배터리(2)를 충전시킬 수 있다. DC-DC 컨버터(20)는 진단 모드로 동작 시, 디지털 신호 프로세서(100)로부터 발생하는 섭동 신호에 따라 배터리(2)로 섭동 전압(Perturbation Voltage)을 인가하여, 그에 따른 배터리(2)의 응답을 유도할 수 있다. DC-DC 컨버터(20)는 충전 모드로 동작하여 배터리(2)를 완충시키고, 소정의 시간, 일예로, 1시간이 경과하면 진단 모드로 진입할 수 있다.
디지털 신호 프로세서(100)는 DC-DC 컨버터(20)를 제어하여 배터리(2)를 충전시킴은 물론 배터리(2) 상태를 진단할 수 있다. 이를 위해, 디지털 신호 프로세서(100)는 섭동 신호 발생부(110), 제어부(120), 전류/전압 검출부(130), 임피던스 스펙트럼 산출부(140), 파라미터 추출부(150), 파라미터 분석부(160), 상태 추정부(180) 및 경고부(190)를 포함할 수 있다.
섭동 신호 발생부(110)는 사인파 형태의 섭동 신호를 발생시킬 수 있다. 섭동 신호는 기준 전압 발생기(124)를 통해 출력되는 기준 전압(Vref)에 더해져 전압 제어기(123)로 전달될 수 있다.
제어부(120)는 충전 모드 또는 진단 모드에 따라 DC-DC 컨버터(20)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 DC-DC 컨버터(20)로 인가할 수 있다. 이러한 제어부(120)는 전류 제어기(121), 전압 제어기(123) 및 제어기 선택부(125)를 포함할 수 있다.
전류 제어기(121)는 CC-CV 충전 방식에 따른 정전류 충전 시, 배터리 전류(Ibat) 및 기준 전류 발생기(122)를 통해 출력되는 기준 전류(Iref)에 따른 전류 컨트롤 신호를 생성할 수 있다.
전압 제어기(123)는 CC-CV 충전 방식에 따른 정전압 충전 시, 배터리 전압(Vbat) 및 기준 전압 발생기(124)를 통해 출력되는 기준 전압(Vref)에 따른 전압 컨트롤 신호를 생성할 수 있다.
제어기 선택부(125)는 CC-CV 충전 방식에 따라 전류 제어기(121) 또는 전압 제어기(123)를 선택하여 전류 컨트롤 신호 또는 전압 컨트롤 신호를 DC-DC 컨버터(20)로 인가할 수 있다. 즉, 제어기 선택부(125)는 정전류 충전 시, 전류 제어기(121)를 선택하여 전류 컨트롤 신호를 DC-DC 컨버터(20)로 인가할 수 있다. 제어기 선택부(125)는 정전압 충전 시, 전압 제어기(123)를 선택하여 전압 컨트롤 신호를 DC-DC 컨버터(20)로 인가할 수 있다. DC-DC 컨버터(20)는 이러한 전류 컨트롤 신호 또는 전압 컨트롤 신호에 따른 배터리(2)의 충전 전류 또는 충전 전압을 생성함으로써, 배터리(2)에 허용범위를 초과하는 충전 전류 또는 충전 전압이 공급되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 전압 제어기(123)는 배터리(2) 충전이 완료되면, DC-DC 컨버터(20)가 진단 모드로 진입하도록 제어할 수 있다. 전압 제어기(123)는 배터리(2) 완충 이후 소정의 시간이 경과하면 섭동 신호를 DC-DC 컨버터(20)로 인가할 수 있다. DC-DC 컨버터(20)는 이러한 섭동 신호에 따른 섭동 전압을 생성하여 배터리(2)에 인가함으로써 그에 따른 출력 응답 신호(수십 mV의 전압)를 유도할 수 있다.
전류/전압 검출부(130)는 배터리 전류(Ibat) 및 배터리 전압(Vbat)을 검출하고, 이를 임피던스 스펙트럼 산출부(140)로 전달할 수 있다.
임피던스 스펙트럼 산출부(140)는 섭동 전압에 대한 배터리(2)의 출력 응답 신호에 따라 섭동 전압에 해당하는 주파수 범위 내에서 주파수 별 배터리(2)의 임피던스를 계산할 수 있다. 이를 위해, 임피던스 스펙트럼 산출부(140)는 록인 앰프(141), 임피던스 계산부(143) 및 메모리부(145)를 포함할 수 있다.
록인 앰프(141)는 섭동 전압에 대한 배터리(2)의 출력 응답 신호에서 그 크기와 위상을 계산할 수 있다.
구체적으로는, 록인 앰프(141)는 아래 수학식 1과 같은 섭동 신호를 기준 신호로 설정할 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00001
록인 앰프(141)는 아래 수학식 2와 같은 출력 응답 신호를 입력 신호로 설정할 수 있다. 입력 신호는 기준 신호에 고조파 왜곡 및 노이즈를 포함하여 아래 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00002
록인 앰프(141)는 기준 신호 및 기준 신호보다 위상이 90도 앞선 신호를 각각 입력 신호에 곱하여 아래 수학식 3 및 4와 같은 신호를 획득할 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00003
Figure 112018029618379-pat00004
록인 앰프(141)는 수학식 3 및 4와 같은 신호를 필터링하여 직류 성분만을 남겨 아래 수학식 5와 같이 기준 신호에 대한 동상 성분 및 직교 성분을 계산할 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00005
록인 앰프(141)는 수학식 5를 이용하여 입력 신호의 크기(Magnitude) 및 위상(Phase)을 아래 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00006
임피던스 계산부(143)는 섭동 전압에 대한 배터리(2)의 출력 응답 신호에 따라 배터리(2)이 임피던스를 계산할 수 있다. 이때, 섭동 전압은 소정의 주파수 범위를 가질 수 있다. 본 실시예에서 섭동 전압의 주파수 범위는 0.1Hz 내지 1kHz로 설정될 수 있다. 임피던스 계산부(143)는 0.1Hz 내지 1kHz의 주파수 범위 내에서 주파수 별 배터리(2)의 임피던스를 계산할 수 있다.
구체적으로는, 임피던스 계산부(143)는 상술한 수학식 6과 같은 배터리(2)의 출력 응답 신호의 크기 및 위상을 이용하여 배터리(2)의 복소 임피던스를 나타낼 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00007
수학식 7에서 실수 및 허수 성분은 각각 아래 수학식 8 및 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00008
Figure 112018029618379-pat00009
메모리부(145)는 0.1Hz 내지 1kHz의 주파수 범위 내에서의 주파수 별 배터리(2)의 복소 임피던스를 저장할 수 있다. 메모리부(145)는 0.1Hz 내지 1kHz의 주파수 범위 내에서 배터리(2)의 임피던스 모델을 획득할 수 있다.
파라미터 추출부(150)는 주파수 별 배터리(2)의 복소 임피던스를 이용하여 배터리(2)의 등가회로모델 파라미터를 계산할 수 있다.
구체적으로는, 파라미터 추출부(150)는 메모리부(145)에 저장된 주파수 별 복소 임피던스에 따른 배터리의 등가회로모델을 선정할 수 있다. 파라미터 추출부(150)는 배터리(2)의 전기화학적인 반응을 반영하는 요소가 포함된 등가회로모델을 선정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 선정된 배터리의 등가회로모델의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, L은 인덕턴스로, 극과 전극 사이의 금속결합에 의해 발생하는 인덕턴스를 나타낸다. Rs는 옴 저항(Ohmic Resistance)으로, 전해질 및 전기 경로의 전도도에 따라 결정될 수 있다. Rct 및 Cdl은 전하의 이동에 의해 생기는 과도 동작을 설명하기 위한 요소이다. W는 Warburg 임피던스로, 배터리의 확산 설명을 설명하기 위한 요소이다.
파라미터 추출부(150)는 메모리부(145)에 저장된 주파수 별 복소 임피던스에 최소 자승 방식을 적용하여 선정된 등가회로모델의 파라미터를 추출할 수 있다. 파라미터 추출부(150)는 최소 자승 방식 중 CNLS(Complex Nonlinear Least-Square) 방식을 적용하여 등가회로모델의 파라미터를 추출할 수 있다. CNLS 방식은 복소수에 적용이 가능한 레번버그 마쿼트(Levenberg Marquardt) 최소 자승 방식이다.
파라미터 추출부(150)에서 도 2에 도시된 등가회로모델을 선정한 것을 예로 들어 등가회로모델 파라미터를 추출하는 단계를 설명하면, 먼저, 최소 자승 방식에 적용되는 주파수 별 복소 임피던스는 아래 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00010
등가회로모델의 각 요소들(L, Rs, Rct, Cdl, W)은 아래 수학식 11과 같이 함수 φ로 추출될 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00011
파라미터 추출부(150)는 등가회로모델 파라미터 변동 시, 아래 수학식 12와 같이 테일러 급수 방식을 적용하여 근사 등가회로모델 파라미터를 계산할 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00012
수학식 12에 따라 등가회로모델 파라미터들의 변동은 아래 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00013
파라미터 추출부(150)는 이와 같은 방식으로 등가회로모델의 파라미터를 추출할 수 있으며, 배터리(2)의 충방전이 완료될 때마다 등가회로모델의 파라미터를 추출하여 데이터베이스화 할 수 있다.
파라미터 분석부(160)는 배터리(2)의 등가회로모델의 파라미터를 이용하여 배터리(2)의 충방전횟수를 계산하고, 배터리(2)의 충방전횟수를 이용하여 배터리(2)의 잔존 등가용량을 계산할 수 있다.
구체적으로는, 파라미터 분석부(160)는 배터리(2)의 등가회로모델의 파라미터 중 옴 저항값(Rs)을 이용하여 옴 저항값(Rs)과 충방전횟수 간의 관계를 나타내는 옴 저항 변동식을 산출할 수 있다.
배터리(2)의 내부 임피던스로부터 배터리(2)의 건정성(SOH)을 추정할 수 있음은 널리 알려져 있다. 특히, 아래 표 1을 참조하면, 충방전횟수에 따른 배터리(2)의 등가회로모델 파라미터들을 확인할 수 있는데, 배터리(2)의 등가회로모델의 파라미터 중 옴 저항값(Rs)은 다른 파라미터들에 비해 선형적인 증가세를 나타냄을 확인할 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00014
도 3은 실험을 통해 획득한 배터리의 내부 임피던스와 충방전횟수의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 4는 배터리의 노화에 따른 내부 임피던스의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 배터리(2) 충방전을 185회 반복하고, 매 20회마다 획득한 배터리(2)의 옴 저항값(Rs)을 확인할 수 있다. 배터리(2)의 충방전횟수가 증가함에 따라 옴 저항값(Rs)을 나타내는 나이퀴스트 플롯은 전체적인 형태는 유지하되 우측으로 이동함을 확인할 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 배터리(2) 노화에 따른 배터리(2)의 옴 저항값(Rs)의 변화를 확인할 수 있는데, 도 3에 도시된 그래프와 비슷한 양상을 보인다. 이로부터, 배터리(2)의 등가회로모델의 파라미터 중 옴 저항값(Rs)은 다른 파라미터들에 비해 배터리(2) 노화를 판단하기에 바람직한 요소임을 확인할 수 있다.
따라서, 파라미터 분석부(160)는 배터리(2)의 충방전이 완료될 때마다 추출하여 누적된 옴 저항값(Rs)을 이용하여 옴 저항 변동식을 산출할 수 있다.
도 5는 배터리의 충방전이 완료될 때마다 추출하여 누적된 옴 저항값(Rs)을 표시한 그래프의 일 예이다.
도 5를 참조하면, 배터리(2)의 충방전횟수에 따른 옴 저항값(Rs)은 대략 2차 방정식에 따른 그래프 형태임을 확인할 수 있다.
이처럼, 파라미터 분석부(160)는 배터리(2)의 충방전이 완료될 때마다 추출하여 누적된 옴 저항값(Rs)에 대해 커브피팅을 수행하여 옴 저항값(Rs)과 충방전횟수(x) 간의 관계를 나타내는 옴 저항 변동식을 산출할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 옴 저항 변동식은 2차 방정식 형태로 산출될 수 있으며, 아래 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00015
도 5에 따른 그래프의 경우, A1, A2 및 A3은 아래 표 2와 같은 값으로 산출될 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00016
파라미터 분석부(160)는 수학식 14와 같은 옴 저항 변동식에 파라미터 추출부(150)에서 현재 추출한 옴 저항값(Rs)을 대입하여 배터리(2)의 충방전횟수를 계산할 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00017
수학식 14에 근의 공식을 적용하면 수학식 15와 같이 양의 값 및 음의 값의 두 근을 계산할 수 있다. 파라미터 분석부(160)는 두 근 중 양의 값을 배터리(2)의 충방전횟수로 획득할 수 있다. 파라미터 분석부(160)는 배터리(2)의 충방전횟수를 계산할 때마다 그 값과 옴 저항값(Rs)을 데이터베이스화 할 수 있으며, 이는 추후 옴 저항 변동식 산출에 이용될 수 있다.
또한, 파라미터 분석부(160)는 배터리(2)의 충방전횟수와 잔존 등가용량(Cm) 간의 관계를 나타내는 잔존 등가용량 변동식을 산출할 수 있다.
배터리(2)의 충방전횟수가 증가함에 따라 배터리(2)의 잔존 등가용량(Cm)이 감소함은 자명하다. 아래 표 3을 참조하면, 충방전횟수 증가에 따른 배터리(2)의 잔존용량(Ah) 변화를 확인할 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00018
도 6은 배터리의 충방전횟수에 따른 배터리 용량(Ah)을 표시한 그래프의 일 예이다.
도 6을 참조하면, 배터리(2)의 충방전횟수에 따른 배터리 용량(Ah)은 대략 3차 방정식에 따른 그래프 형태임을 확인할 수 있다.
이처럼, 파라미터 분석부(160)는 옴 저항 변동식으로부터 산출하는 배터리(2)의 충방전횟수에 대해 커브피팅을 수행하여 배터리(2)의 잔존 등가용량(Cm)과 충방전횟수(x) 간의 관계를 나타내는 잔존 등가용량 변동식을 산출할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이 잔존 등가용량 변동식은 3차 방정식 형태로 산출될 수 있으며, 아래 수학식 16과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00019
도 6에 따른 그래프의 경우, B1, B2, B3 및 B4은 아래 표 4와 같은 값으로 산출될 수 있다.
Figure 112018029618379-pat00020
파라미터 분석부(160)는 수학식 16과 같은 잔존 등가용량 변동식에 파라미터 추출부(150)에서 현재 추출한 옴 저항값(Rs)에 따른 배터리(2)의 충방전횟수를 대입하여 배터리(2)의 잔존 등가용량을 계산할 수 있다. 파라미터 분석부(160)는 배터리(2)의 잔존 등가용량을 계산할 때마다 그 값과 배터리(2)의 충방전횟수를 데이터베이스화 할 수 있으며, 이는 추후 잔존 등가용량 변동식 산출에 이용될 수 있다.
상태 추정부(180)는 파라미터 분석부(160)에서 계산한 배터리(2)의 잔존 등가용량과 미리 설정된 기준 등가용량을 비교하여 배터리(2)의 상태를 추정할 수 있다. 예를 들어, 기준 등가용량은 배터리(2)의 초기 용량 대비 80%로 설정될 수 있다. 보통 배터리(2)는 그 용량이 초기 용량 대비 80% 이하로 저감되는 경우, 폐기되는 것이 일반적이다. 따라서, 상태 추정부(180)는 파라미터 분석부(160)에서 계산한 배터리(2)의 잔존 등가용량과 미리 설정된 기준 등가용량을 비교하여 배터리(2)가 폐기 대상인지를 확인할 수 있다.
경고부(190)는 상태 추정부(180)에서의 배터리(2) 상태 추정 결과에 따라 경고 신호를 출력할 수 있다. 경고부(190)는 음성 신호를 출력하거나, 디스플레이로 배터리(2) 상태 추정 결과를 출력할 수 있다. 경고부(190)는 배터리(2)의 잔존 등가용량이 미리 설정된 기준 등가용량 이하이면 경고 신호를 출력할 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 기능을 갖는 충전기의 제어방법을 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 기능을 갖는 충전기의 제어방법을 나타낸 순서도이다.
도 7을 참조하면, DC-DC 컨버터(20)는 전압 변환을 수행하여 배터리(2)를 충전시킬 수 있다(1000). DC-DC 컨버터(20)는 CC-CV 충전 방식에 따라 배터리(2)를 충전시킬 수 있다.
DC-DC 컨버터(20)는 배터리(2)가 완충되면(1100), 배터리(2)에 섭동 전압을 인가할 수 있다(1200).
섭동 신호 발생부(110)는 0.1Hz 내지 1kHz의 주파수 범위를 갖는 섭동 전압을 발생시키기 위한 섭동 신호를 생성할 수 있다. DC-DC 컨버터(20)는 이러한 섭동 신호에 따라 섭동 전압을 발생시켜 배터리(2)로 인가함으로써 그에 따른 출력 응답을 유도할 수 있다.
임피던스 스펙트럼 산출부(140)는 섭동 전압에 대한 배터리(2)의 출력 응답에 따라 섭동 전압의 주파수 별 배터리(2)의 임피던스를 계산할 수 있다(1300).
임피던스 스펙트럼 산출부(140)는 상술한 수학식 1 내지 9에 따라 0.1Hz 내지 1kHz의 주파수 범위 내에서의 주파수 별 배터리(2)의 복소 임피던스를 계산하고 이를 저장할 수 있다.
파라미터 추출부(150)는 섭동 전압의 주파수 별 배터리(2)의 임피던스에 따른 배터리(2)의 등가회로모델을 선정하고(1400), 선정한 등가회로모델의 파라미터를 추출할 수 있다(1500).
파라미터 추출부(150)는 섭동 전압의 주파수 별 배터리(2)의 임피던스에 따라 도 2와 같은 등가회로모델을 선정할 수 있다. 파라미터 추출부(150)는 상술한 수학식 10 내지 13과 같이 섭동 전압의 주파수 별 배터리(2)의 임피던스에 최소 자승 방식을 적용하여 등가회로모델의 파라미터를 계산할 수 있다.
파라미터 분석부(160)는 등가회로모델 파라미터 중 옴 저항값(Rs)을 이용하여 배터리의 충방전횟수를 계산할 수 있다(1600).
파라미터 분석부(160)는 상술한 수학식 14와 같이 옴 저항값(Rs)과 충방전횟수 간의 관계를 나타내는 2차 방정식 형태의 옴 저항 변동식을 산출할 수 있다. 파라미터 분석부(160)는 옴 저항 변동식에 파라미터 추출부(150)에서 현재 추출한 옴 저항값(Rs)을 대입하여 배터리(2)의 충방전횟수를 계산할 수 있다. 파라미터 분석부(160)는 배터리(2)의 충방전횟수를 계산할 때마다 그 값과 옴 저항값(Rs)을 데이터베이스화 할 수 있으며, 이는 추후 옴 저항 변동식 산출에 이용될 수 있다.
파라미터 분석부(160)는 배터리의 충방전횟수를 이용하여 배터리(2)의 잔존 등가용량(Cm)을 계산할 수 있다(1700).
파라미터 분석부(160)는 상술한 수학식 16과 같이 충방전횟수와 잔존 등가용량(Cm) 간의 관계를 나타내는 3차 방정식 형태의 잔존 등가용량 변동식을 계산할 수 있다. 파라미터 분석부(160)는 잔존 등가용량 변동식에 배터리(2)의 충방전횟수를 대입하여 배터리(2)의 잔존 등가용량(Cm)을 계산할 수 있다. 파라미터 분석부(160)는 배터리(2)의 잔존 등가용량(Cm)을 계산할 때마다 그 값과 배터리(2)의 충방전횟수를 데이터베이스화 할 수 있으며, 이는 추후 잔존 등가용량 변동식 산출에 이용될 수 있다.
상태 추정부(180)는 잔존 등가용량(Cm)과 기준 등가용량을 비교할 수 있다(1800).
경고부(190)는 잔존 등가용량(Cm)이 기준 등가용량 이하이면 이를 알리는 경고 신호를 출력할 수 있다(1900).
이와 같은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 기능을 갖는 충전기의 제어방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 배터리 진단 기능을 갖는 충전기는 충전 기능을 수행하는 컨버터를 제어하는 디지털 신호 프로세서를 내장하여 배터리의 임피던스를 측정하는 EIS 기능을 구현할 수 있다. 즉, 배터리 진단을 위해서는 고가의 상용장비가 필요하였으나, 별도의 하드웨어 및 비용 추가 없이 수명 진단 기능을 구현할 수 있다.
따라서, 배터리 모듈의 정기 진단/점검/유지보수/방전 시험 등의 관리 비용과 관리 인력 최소화로 인한 부대 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 최근 시장에 공급되고 있는 개발 도산국들의 저가용 충전기에 맞서 고기능을 탑재한 고부가가치의 상품을 개발함으로써 제품 경쟁력을 제고하고 새로운 시장 개척을 기대할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 진단 기능을 갖는 충전기는 전기자동차, 연료전지 자동차, 철도, 지하철, 항공사, 항만시설, 소방 및 방제 시설, 전력회사, 발전소, 방송국 및 방송 시설 등에 활용될 수 있다.
또한, 유선/무선 통신 무인국사, 전화국, 집합건물, 통신 시설, UPS 등에 활용될 수 있다.
또한, 전산센터, 연구소, 은행 및 제2 금융권, 보험, 증권, 카드사, 병원, 응급 구조, 구급 센터 등에 활용될 수 있다.
또한, 군 통신시설 및 예비 전원 확보시설, 수송 정비 분야 등에 활용될 수 있다.
1: 충전기
2: 배터리
10: AC-DC 컨버터
20: DC-DC 컨버터
100: 디지털 신호 프로세서
110: 섭동 신호 발생부
120: 제어부
130: 전류/전압 검출부
140: 임피던스 스펙트럼 산출부
150: 파라미터 추출부
160: 파라미터 분석부
180: 수명 추정부
190: 경고부

Claims (13)

  1. 배터리를 충전하는 충전 모드로 동작하거나, 상기 배터리가 완충되면 상기 배터리에 섭동 전압을 인가하는 진단 모드로 동작하는 DC-DC 컨버터; 및
    섭동 전압에 대한 상기 배터리의 출력 응답에 따라 상기 배터리의 등가회로모델 파라미터를 계산하고, 상기 배터리의 등가회로모델 파라미터 중 옴 저항값을 이용하여 상기 배터리의 충방전횟수를 계산하며, 충방전횟수와 잔존 등가용량 간의 관계를 나타내는 잔존 등가용량 변동식을 산출하고 상기 잔존 등가용량 변동식에 상기 옴 저항값에 따른 상기 배터리의 충방전횟수를 대입하여 상기 배터리의 잔존 등가용량을 계산하고, 추후 잔존 등가용량 변동식 산출에 이용할 수 있도록 상기 배터리의 충방전횟수 및 상기 배터리의 잔존 등가용량을 데이터베이스화하는 디지털 신호 프로세서를 포함하는 배터리 진단 기능을 갖는 충전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 신호 프로세서는,
    옴 저항값과 충방전횟수 간의 관계를 나타내는 2차 방정식 형태의 옴 저항 변동식을 산출하고 이를 이용하여 상기 배터리의 충방전횟수를 계산하는 파라미터 분석부를 포함하는 배터리 진단 기능을 갖는 충전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 신호 프로세서는,
    충방전횟수와 잔존 등가용량 간의 관계를 나타내는 3차 방정식 형태의 잔존 등가용량 변동식을 산출하고 이를 이용하여 상기 배터리의 잔존 등가용량을 계산하는 파라미터 분석부를 포함하는 배터리 진단 기능을 갖는 충전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 신호 프로세서는,
    상기 배터리의 잔존 등가용량과 미리 설정된 기준 등가용량을 비교하여 상기 배터리의 상태를 추정하는 상태 추정부를 포함하는 배터리 진단 기능을 갖는 충전기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 신호 프로세서는,
    상기 배터리의 잔존 등가용량과 미리 설정된 기준 등가용량의 비교 결과에 따라 경고 신호를 출력하는 경고부를 포함하는 배터리 진단 기능을 갖는 충전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 신호 프로세서는,
    상기 배터리의 출력 응답에 따라 상기 섭동 전압에 해당하는 주파수 범위 내에서 주파수 별 복소 임피던스를 계산하는 임피던스 스펙트럼 산출부를 포함하는 배터리 진단 기능을 갖는 충전기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 디지털 신호 프로세서는,
    상기 주파수 별 복소 임피던스에 따른 상기 배터리의 등가회로모델을 선정하고, 상기 주파수 별 복소 임피던스에 최소 자승 방식을 적용하여 상기 배터리의 등가회로모델 파라미터를 계산하는 파라미터 추출부를 포함하는 배터리 진단 기능을 갖는 충전기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는,
    상기 충전 모드로 동작 시, CC-CV 충전방식에 따라 상기 배터리를 완충시키고, 상기 배터리 완충 이후 소정의 시간 경과 시 상기 진단 모드로 진입하는 배터리 진단 기능을 갖는 충전기.
  9. 배터리가 완충되면 상기 배터리에 섭동 전압을 인가하고,
    섭동 전압에 대한 상기 배터리의 출력 응답에 따라 상기 배터리의 등가회로모델 파라미터를 계산하고,
    상기 배터리의 등가회로모델 파라미터 중 옴 저항값을 이용하여 상기 배터리의 충방전횟수를 계산하며,
    충방전횟수와 잔존 등가용량 간의 관계를 나타내는 잔존 등가용량 변동식을 산출하고 상기 잔존 등가용량 변동식에 상기 옴 저항값에 따른 상기 배터리의 충방전횟수를 대입하여 상기 배터리의 잔존 등가용량을 계산하고,
    추후 잔존 등가용량 변동식 산출에 이용할 수 있도록 상기 배터리의 충방전횟수 및 상기 배터리의 잔존 등가용량을 데이터베이스화하는 배터리 진단 기능을 갖는 충전기의 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리의 등가회로모델 파라미터 중 옴 저항값을 이용하여 상기 배터리의 충방전횟수를 계산하는 것은,
    옴 저항값과 충방전횟수 간의 관계를 나타내는 2차 방정식 형태의 옴 저항 변동식을 산출하는 것을 포함하고,
    상기 옴 저항 변동식을 이용하여 상기 배터리의 충방전횟수를 계산하는 것인 배터리 진단 기능을 갖는 충전기의 제어방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 배터리의 충방전횟수를 이용하여 상기 배터리의 잔존 등가용량을 계산하는 것은,
    충방전횟수와 잔존 등가용량 간의 관계를 나타내는 3차 방정식 형태의 잔존 등가용량 변동식을 산출하는 것을 포함하고,
    상기 잔존 등가용량 변동식을 이용하여 상기 배터리의 잔존 등가용량을 계산하는 것인 배터리 진단 기능을 갖는 충전기의 제어방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 배터리의 잔존 등가용량과 미리 설정된 기준 등가용량을 비교하고, 그 결과에 따라 경고 신호를 출력하는 것을 더 포함하는 배터리 진단 기능을 갖는 충전기의 제어방법.
  13. 제9항에 있어서,
    섭동 전압에 대한 상기 배터리의 출력 응답에 따라 상기 배터리의 등가회로모델 파라미터를 계산하는 것은,
    상기 배터리의 출력 응답에 따라 상기 섭동 전압에 해당하는 주파수 범위 내에서 주파수 별 복소 임피던스를 계산하고, 상기 주파수 별 복소 임피던스에 따른 상기 배터리의 등가회로모델을 선정하며, 상기 주파수 별 복소 임피던스에 최소 자승 방식을 적용하여 상기 배터리의 등가회로모델 파라미터를 계산하는 것인 배터리 진단 기능을 갖는 충전기의 제어방법.
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