KR102176606B1 - 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템 및 방법 - Google Patents

고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일례로, 본 발명의 다양한 실시예는 배터리 팩; 상기 배터리 팩에 섭동 전류를 인가하는 파워 앰프; 상기 배터리 팩의 응답 전압을 측정하는 전압 측정부; 상기 전압 측정부에 의해 상기 배터리 팩의 전압 신호로부터 직류 성분을 제거하고 교류 성분만을 분리하여 출력하는 섭동 신호 분리부; 및 상기 섭동 신호 분리부에 의한 교류 성분에 대한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환기를 포함함을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템 및 방법을 개시한다.

Description

고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템 및 방법{Low cost impedance spectroscopy system and method capable of estimating state of health for high-voltage battery pack}
본 발명의 다양한 실시예는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템 및 방법에 관한 것이다.
기존 내연 기관 차량의 배터리는 차량 시동 시 배터리의 전류, 전압 변화를 통해 내부 저항을 유추하여 배터리의 건전 상태가 추정된다. 그런데 최근의 친환경 자동차(HEV/BEV)와 같이 고전압 배터리 팩이 사용되는 차량의 경우 배터리 팩으로 차량 시동을 걸지 않거나 별도의 시동이 필요치 않기 때문에 기존 알고리즘으로는 배터리 건전 상태 추정이 어려운 문제가 있었다. 이에 친환경 자동차에 사용되는 배터리 팩에는 차량 시동 상황이 아닌 다른 방법으로 배터리 팩의 내부저항을 측정해야 한다. 배터리의 임피던스를 측정하는 제품 및 기술들은 이미 많지만 모두 셀이나 저전압 팩을 대상으로 개발되었으며, 고전압 배터리 팩의 임피던스를 측정할 수 있는 시스템 및 방법에 대한 실제 제품이나 특허 및 실용신안은 찾아볼 수 없었다.
일례로, 한국공개특허 2015-0025932 "배터리 진단 기능을 가진 충전기 및 그 제어방법"(특허 1)에서, 배터리의 충전 시 배터리의 수명을 진단할 수 있는 충전기 및 그 제어 방법을 달성하기 위해 배터리에 섭동을 인가하는 컨버터, 임피던스 스펙트럼을 산출하여 미리 정해진 기준배터리의 임피던스 파라미터를 비교하여 상기 배터리의 수명을 추정하는 디지털 신호 프로세서를 포함하는 충전기를 이용함을 개시하고 있다.(도 1 참조)
또한, 한국공개특허 2014-0013759 "모듈-임피던스를 이용한 차량용 배터리팩 관리 방법"(특허 2)에서, 모듈-임피던스를 이용한 차량용 배터리팩 관리를 달성하기 위해 차량용 배터리팩을 구성하는 모듈들에 구비된 셀의 임피던스인 셀-임피던스를 셀들 마다 측정하고, 모듈들 별로 셀-임피던스들을 합산하여 모듈-임피던스를 산출하며, 모듈들 별로 셀-임피던스의 셀간 최대 편차를 산출하고, 셀간 최대 편차가 허용 편차를 초과하면 해당 모듈의 모듈-임피던스를 저장하여 모듈-임피던스 변화율을 생성하고, 이에 의해, 차량 운행중에도 배터리팩을 구성하는 모듈별로 임피던스 변화율을 감지하고 저장하여, 궁극적으로 배터리팩을 구성하는 다수의 모듈별 열화 차이 감지 및 관리 방법을 개시하고 있다.(도 2 참조)
그러나, 특허 1의 경우 배터리를 충전하는 충전기에 임피던스를 측정하는 기술을 접목시켜 충전 중 측정된 임피던스를 통해 배터리를 수명을 측정하는 기술로 도 1에서 알 수 있듯이, 배터리 전압을 측정하기 위해 별도의 신호 처리에 대해 언급되어 있지 않기 때문에 이러한 종래 기술로는 셀이나 전압 대역이 낮은 저전압 배터리 팩의 임피던스 측정은 가능할 수 있으나 전압 대역이 높은 고전압 배터리 팩의 임피던스를 측정하기에는 한계가 있었다.
또한, 특허 2의 경우 모듈-임피던스를 이용하여 차량용 배터리팩을 관리하는 기술로 배터리 셀마다 임피던스를 각각 측정하고 이를 합산하여 배터리 팩의 임피던스를 추정할 수 있는 기술이지만 각 셀마다 임피던스를 측정할 수 있게 시스템을 만들어야 하기 때문에 시스템 구성에 있어 비용 및 복잡도가 증대되며, 배터리 셀 이외에 팩을 구성하고 있는 기타 부품들이 임피던스 측정에서 누락될 여지가 있었다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
한국공개특허 2015-0025932 "배터리 진단 기능을 가진 충전기 및 그 제어방법" 한국공개특허 2014-0013759 "모듈-임피던스를 이용한 차량용 배터리팩 관리 방법" 한국공개특허 2004-0010528 "연료전지 임피던스 측정장치" 한국등록특허 0823507 "배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법" 한국공개특허 2014-0034717 "전기 차량, 하이브리드 전기 차량 및 다른 적용에서 배터리 모니터링" 일본공개특허 2006-306376 "차재 배터리 관리 장치"
본 발명의 다양한 실시예는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템 및 방법을 제공한다. 즉, 본 발명의 다양한 실시예는 배터리 전압 또는 전류 신호에서 교류 성분만을 검출하여 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정을 위해 필요한 임피던스를 측정하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템은 배터리 팩, 상기 배터리 팩에 섭동 전류를 인가하는 파워 앰프, 상기 배터리 팩의 응답 전압을 측정하는 전압 측정부, 상기 전압 측정부에 의해 상기 배터리 팩의 전압 신호로부터 직류 성분을 제거하고 교류 성분만을 분리하여 출력하는 섭동 신호 분리부 및 상기 섭동 신호 분리부에 의한 교류 성분에 대한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환기를 포함하고, 상기 전압 측정부는 분압 저항을 포함하고, 상기 섭동 신호 분리부는 상기 분압 저항에 연결된 저주파 통과 필터와, 상기 분압저항과 상기 저주파 통과 필터에 연결된 차동 증폭 회로를 포함하고, 상기 분압 저항의 노드는 상기 저주파 통과 필터를 통하여 상기 차동 증폭 회로의 반전 단자에 연결되고, 상기 분압 저항의 노드는 상기 저주파 통과 필터의 비반전 단자에 연결된다.
상기 분압 저항의 노드를 통하여 교류 신호와 직류 신호가 출력될 수 있고, 상기 저주파 통과 필터를 통하여 직류 신호만 출력되어 상기 차동 증폭 회로의 반전 단자에 입력될 수 있으며, 상기 분압 저항의 노드를 통하여 교류 신호와 직류 신호가 상기 차동 증폭 회로의 비반전 단자에 입력될 수 있다. 상기 차동 증폭 회로는 교류 신호만을 상기 아날로그 디지털 변환기에 출력할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 상기 아날로그 디지털 변환기에 연결된 디지털 락인 앰프를 더 포함할 수 있고, 상기 디지털 락인 앰프는 전압, 전류 각각의 실수와 허수 성분을 분리하여 출력할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예는 상기 디지털 락인 앰프에 연결된 배터리 내부 임피던스 연산부를 더 포함할 수 있고, 상기 배터리 내부 임피던스 연산부는 배터리 내부 임피던스를 나타내는 임피던스 실수부, 허수부, 크기 및 위상 정보를 연산할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예는 상기 배터리 내부 임피던스 연산부에 연결된 배터리 건전 상태 판단부를 더 포함할 수 있고, 상기 배터리 건전 상태 판단부는 상기 임피던스와 건전 상태 사이의 상관 관계를 이용하여 현재의 배터리 건전 상태를 추정 및/또는 판단할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 방법은 배터리 팩에 섭동 전류를 인가하는 단계, 상기 배터리 팩의 응답 전압을 측정하는 단계, 상기 배터리 팩의 전압 신호로부터 직류 성분을 제거하고 교류 성분만을 분리하여 출력하는 섭동 신호 분리 단계 및 상기 섭동 신호 분리 단계에 의한 교류 성분에 대한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 컨버팅 단계를 포함하고, 상기 배터리 팩의 응답 전압 측정 단계는 분압 저항을 통해 이루어지고, 상기 섭동 신호 분리 단계는 상기 분압 저항에 연결된 저주파 통과 필터와, 상기 분압저항과 상기 저주파 통과 필터에 연결된 차동 증폭 회로로 이루어지고,상기 분압 저항의 노드는 상기 저주파 통과 필터를 통하여 상기 차동 증폭 회로의 반전 단자에 연결되고, 상기 분압 저항의 노드는 상기 저주파 통과 필터의 비반전 단자에 연결된다.
상기 분압 저항의 노드를 통하여 교류 신호와 직류 신호가 출력될 수 있고, 상기 저주파 통과 필터를 통하여 직류 신호만 출력되어 상기 차동 증폭 회로의 반전 단자에 입력될 수 있으며, 상기 분압 저항의 노드를 통하여 교류 신호와 직류 신호가 상기 차동 증폭 회로의 비반전 단자에 입력될 수 있다. 상기 차동 증폭 회로는 교류 신호만을 아날로그 디지털 변환기에 출력할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 상기 아날로그 디지털 컨버팅 단계 이후, 상기 교류 성분에 대한 디지털 신호로부터 전압, 전류 각각의 실수와 허수 성분을 분리하여 출력할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예는 상기 전압, 전류 각각의 실수와 허수 성분으로부터 배터리 내부 임피던스를 나타내는 임피던스 실수부, 허수부, 크기 및 위상 정보를 연산할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예는 상기 임피던스와 건전 상태 사이의 상관 관계를 이용하여 현재의 배터리 건전 상태를 추정 및/또는 판단할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템 및 방법을 제공한다. 즉, 본 발명의 다양한 실시예는 배터리 전압 또는 전류 신호에서 교류 성분만을 검출하여 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정을 위해 필요한 임피던스를 측정하기 위한 방법을 제공한다.
이와 같이 하여, 종래 기술로 고전압 배터리 팩의 임피던스를 측정할 경우 고가의 고사양 아날로그/디지털 변환기를 사용해야 하였지만, 본 발명의 실시예에 따른 기술 적용으로 저가의 아날로그/디지털 변환기 사용만으로도 고전압 배터리 팩의 정확한 임피던스 측정이 가능하다. 또한, 일반적으로 사용하고 있는 마이크로프로세서의 내장 아날로그/디지털 변환기는 대다수 12비트이기 때문에 외부에 별도의 아날로그/디지털 변환기를 장착할 필요 없이 충분히 고전압 배터리 팩의 정학한 임피던스 측정이 가능하다. 또한, 이로 인해 경제성, 구현 용이성, 정밀도 및 노이즈 저감으로 인한 제품 신뢰성이 향상된다. 또한, 고전압 배터리 팩이 아닌 분야에 본 발명의 실시예에 따른 기술을 적용했을 경우에도 종래 기술에 비해 측정 정확도를 극대화 시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템을 도시한 블럭도이다.
도 4는 배터리 팩의 전압 측정을 위한 전압 측정부의 일반적인 시스템을 도시한 블럭도이다.
도 5는 일반적인 종래 기술의 상세 회로도이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고전압 배터리 팩의 전압 측정을 위한 전압 측정부의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 상세 회로도이다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 효과 검증을 위한 PSIM 시뮬레이션 도면이다.
도 9는 시뮬레이션을 위한 단순화된 등가 배터리 모델이다.
도 10은 종래 기술과 본 발명의 실시예에 따른 비교 결과 파형도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하며, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결(또는 결합, 접속)된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결(또는 결합, 접속)되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결(또는 결합, 접속)되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, 본 명세서에서, 예를 들면, 배터리의 충전 및 방전 시에 일어나는 전기화학적 특성들이 임피던스 모델로 설명될 수 있는데, 이러한 임피던스가 배터리 내부 상태를 반영하기 때문에, 임피던스의 측정을 통해 배터리 건전 상태를 추정하게 된다.
또한, 본 명세서에서 설명되는 임피던스 분광 시스템 및 방법은 측정 대상에 대해 주파수별 작은 섭동(전류 혹은 전압)을 인가하고, 인가된 섭동(전압 혹은 전류)에 대한 응답으로부터 주파수별 임피던스를 측정하는 시스템 및 방법을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 설명되는 건전 상태는 약어로 SOH(State of Health)이며, 이는 배터리의 초기 출하 대비 상대적으로 변화되는 상태를 나타내며, 일반적으로 초기 출하 상태를 100%로 표시하며 배터리가 열화됨에 따라 그 수치가 감소한다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 제어부(마이크로프로세서 또는 컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품은 임의의 적절한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 반도체), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어의 적절한 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품의 다양한 구성 요소들은 하나의 집적회로 칩 상에, 또는 별개의 집적회로 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는 가요성 인쇄 회로 필름 상에 구현 될 수 있고, 테이프 캐리어 패키지, 인쇄 회로 기판, 또는 제어부(컨트롤러)와 동일한 서브스트레이트 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는, 하나 이상의 컴퓨팅 장치에서, 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 프로세스 또는 쓰레드(thread)일 수 있고, 이는 이하에서 언급되는 다양한 기능들을 수행하기 위해 컴퓨터 프로그램 명령들을 실행하고 다른 구성 요소들과 상호 작용할 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은, 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리와 같은 표준 메모리 디바이스를 이용한 컴퓨팅 장치에서 실행될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어, CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(non-transitory computer readable media)에 저장될 수 있다. 또한, 본 발명에 관련된 당업자는 다양한 컴퓨팅 장치의 기능이 상호간 결합되거나, 하나의 컴퓨팅 장치로 통합되거나, 또는 특정 컴퓨팅 장치의 기능이, 본 발명의 예시적인 실시예를 벗어나지 않고, 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치들에 분산될 수 될 수 있다는 것을 인식해야 한다.
일례로, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러)는 중앙처리장치, 하드디스크 또는 고체상태디스크와 같은 대용량 저장 장치, 휘발성 메모리 장치, 키보드 또는 마우스와 같은 입력 장치, 모니터 또는 프린터와 같은 출력 장치로 이루어진 통상의 상용 컴퓨터에서 운영될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템(100)의 블럭도가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 임피던스 분광 시스템(100)은 크게 하드웨어부(110)와, 하드웨어부(110)에 전기적으로 연결된 마이크로프로세서를 포함한 소프트웨어부(120)로 이루어질 수 있다. 실질적으로, 마이크로프로세서가 본 발명의 실시예를 구현하기 위한 소프트웨어를 구동한다.
여기서, 하드웨어부(110)는 배터리(111)와, 배터리(111)에 전기적으로 연결된 파워 앰프(112)를 포함할 수 있다. 또한, 하드웨어부(110)는 배터리(111)와 파워 앰프(112)의 사이에 전기적으로 연결된 전류 측정부(113)와 전압 측정부(114)를 더 포함할 수 있다.
또한, 소프트웨어부(120)는 디지털/아날로그 컨버터(121) 및 아날로그/디지털 컨버터(122)와, 디지털/아날로그 컨버터(121)에 데이터를 전송하거나 또는 아날로그/디지털 컨버터(122)로부터 데이터를 전송받는 디지털 락인 앰프(123)와, 디지털 락인 앰프(123)로부터 데이터를 전송받는 배터리 내부 임피던스 연산부(124)와, 배터리 내부 임피던스 연산부(124)로부터 데이터를 전송받는 배터리 건전 상태 판단부(125)를 포함한다.
여기서, 파워 앰프(112)는 디지털 락인 앰프(123)로부터 데이터를 전송받는 디지털/아날로그 변환기(121)에 의해 제어된다. 또한, 전류 측정부(113) 및 전압 측정부(114)에 의해 측정된 전류 신호 및 전압 신호는 아날로그/디지털 변환기(122)를 통해 디지털 락인 앰프(123)에 전송된다.
이러한 임피던스 분광 시스템(100)의 전반적인 동작을 설명한다.
배터리(111)의 건전 상태를 추정하기 위해 먼저 배터리(111)의 내부 임피던스를 측정해야 하는데, 이를 위해 소프트웨어부(120)(마이크로프로세서)는 하드웨어부(110)의 파워 앰프(112)를 제어하여 배터리(111)에 주파수별 섭동 전류가 인가되도록 한다. 즉, 디지털 락인 앰프(123)가 소정 데이터를 디지털/아날로그 변환기(121)에 출력하면, 디지털/아날로그 변환기(121)로부터의 아날로그 출력 신호에 따라 파워 앰프(112)가 동작하여, 결국 배터리(111)에 주파수별 섭동 전류가 인가된다.
그러면, 하드웨어부(110)의 전압 측정부(114)가 상술한 바와 같이 인가된 전류에 대한 배터리(111)의 전압의 응답 신호를 측정하여, 소프트웨어부(120)의 아날로그/디지털 변환기(122)로 보내준다.
물론, 이때 전류 측정부(113) 역시 배터리(111)의 전류의 응답 신호를 측정하여 소프트웨어부(120)의 아날로그/디지털 변환기(122)로 보내준다.
이와 같이 하여, 소프트웨어부(120)는 아날로그/디지털 변환기(122)를 통해 디지털 값으로 전압과 전류를 변환한 뒤 디지털 락인 앰프(123)에서 노이즈로부터 원하는 주파수 대역의 신호만을 정확히 측정하여 전압, 전류 각각의 실수(Vreal, Ireal)와 허수(Vimg, Iimg)성분을 분리해 내도록 한다.
이들을 이용하여 배터리 내부 임피던스 연산부(124)에서 배터리(111)의 내부 임피던스를 나타내는 임피던스의 실수부(Zreal) 및 허수부(Zimg), 그리고 크기(Zmag) 및 위상(Zphase) 정보를 연산하게 된다.
또한, 배터리 건전 상태 판단부(125)에서, 상술한 배터리(111)의 내부 임피던스와 건전 상태(SOH)의 상관 관계를 이용하여 현재 배터리(111)의 건전 상태를 추정 및/또는 판단한다. 여기서, 배터리(111)의 내부 임피던스와 건전 상태 상호간의 관계는 룩업 테이블 또는 수학식 형태로 메모리에 미리 저장되어 있음은 당연하다.
도 4를 참조하면, 배터리 팩의 전압 측정을 위한 전압 측정부의 일반적인 시스템의 블럭도가 도시되어 있고, 도 5를 참조하면, 일반적인 종래 기술의 상세 회로도가 도시되어 있다.
소프트웨어부의 마이크로프로세서로 전압을 측정하기 위해서는 아날로그/디지털 변환기의 입력 전압 범위에 맞게 배터리의 전압 신호를 변환해 주어야 하며, 종래 기술의 경우 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 단순 전압 분배를 통해 현재 배터리 전압을 선형적으로 감소시켜 아날로그/디지털 변환기로 입력해 주었다. 여기서, 실제의 회로 구성에 있어 차동 증폭 회로(예를 들면, OP-amp) 및 포토 커플러와 같은 별도의 회로들이 사용될 수 있지만 본 도면에 포함시키지 않았다.
측정하고자 하는 섭동 전압이 수십∼수백 mV로 작지만 종래 기술의 경우 배터리 전압 역시 수십 V를 넘어가지 않기 때문에 임피던스 측정에 있어서 분해능이 크게 문제가 될 여지는 없었다.
하지만 최근 들어 개발되고 있는 하이브리드(HEV)나 전기 자동차(BEV) 혹은 에너지 저장 시스템(ESS)과 같은 배터리 팩의 경우 대략 330 V에서 800 V까지 높은 전압 대역을 사용하기 때문에 이와 같은 고전압 배터리 팩에서 종래 기술로 작은 섭동 전압을 측정하기에는 분해능 문제에 의하여 불가능하거나 높은 사양의 아날로그/디지털 변환기를 사용해야만 임피던스 측정이 가능한 실정이다.
이러한 고사양의 아날로그/디지털 변환기는 가격도 고가일 뿐만 아니라 기존 마이크로프로세서에 탑재된 아날로그/디지털 변환기와는 별도로 마이크로프로세서의 외측에 아날로그/디지털 변환기를 장착하여 사용해야 하기 때문에 설계 복잡도가 증대되고 노이즈에 취약해지는 등 많은 단점을 수반하게 된다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고전압 배터리 팩의 전압 측정을 위한 전압 측정부의 구성 블럭도가 도시되어 있고, 도 7을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 상세 회로도가 도시되어 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 저가형 임피던스 분광 시스템(100) 및 그 방법은 아날로그/디지털 변환기(122)의 후단에 전기적으로 연결된 락인 앰프(123)의 특성상 측정하고자 하는 교류 성분만을 검출해 내면 되기 때문에, 분해능을 저하시키는 불필요한 직류 성분은 전압 측정부(114) 및 섭동 신호 분리부(127)에서 분리해 준다.
이를 위해, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 저가형 임피던스 분광 시스템(100)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 배터리(111)에 전기적으로 연결되어, 파워 앰프(112)에서 배터리(111)에 인가된 섭동 전류에 반응하는, 배터리(111)의 응답 전압을 측정하는 전압 측정부(114)와, 전압 측정부(114)에 의해 배터리(111)의 전압 신호로부터 직류 성분을 제거하고 교류 성분만을 분리하여 출력하는 섭동 신호 분리부(127)와, 섭동 신호 분리부(127)에 의한 교류 성분에 대한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그/디지털 변환기(122)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 저가형 임피던스 분광 시스템(100)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 전압 측정부(114)가 분압 저항(R1,R2)을 포함하고, 섭동 신호 분리부(127)가 분압 저항(R1,R2)에 연결된 저주파 통과 필터(128)와, 분압 저항(R1,R2)과 저주파 통과 필터(128)에 연결된 차동 증폭 회로(127a)를 포함한다. 여기서, 분압 저항(R1,R2)은 상호간 직렬 연결된 제1저항(R1)과 제2저항(R2)을 포함하고, 제1저항(R1)이 배터리(111)의 일단에 연결되고, 제2저항(R2)이 배터리(111)의 타단(또는 접지단)에 연결되며, 제1저항(R1)과 제2저항(R2) 사이에 노드(N)가 형성된다.
또한, 분압 저항(R1,R2)의 노드(N)는 저주파 통과 필터(128)를 통하여 차동 증폭 회로(127a)의 반전 단자(-)에 전기적으로 연결되고, 분압 저항(R1,R2)의 노드(N)는 또한 저주파 통과 필터(128)의 비반전 단자(+)에 전기적으로 연결된다.
여기서, 저주파 통과 필터(128)와 반전 단자(-)의 사이에 제3저항(R3)이 전기적으로 연결되고, 분압 저항(R1,R2)의 노드(N)와 비반전 단자(+)의 사이에 제4저항(R4)이 전기적으로 연결되며, 또한 제4저항(R4)과 비반전 단자(+)는 제5저항(R5)을 통하여 접지단에 전기적으로 연결된다. 더욱이, 차동 증폭 회로(127a)의 반전 단자(-)와 출력 단자(127b)의 사이에 제6저항(R6)이 전기적으로 연결된다.
이와 같이 하여, 분압 저항(R1,R2)의 노드(N)를 통하여 배터리(111)의 교류 신호와 직류 신호가 출력되면, 저주파 통과 필터(128)를 통하여 직류 신호만 출력되어 차동 증폭 회로(127a)의 반전 단자(-)에 입력되며, 분압 저항(R1,R2)의 노드(N)를 통하여 교류 신호와 직류 신호가 차동 증폭 회로(127a)의 비반전 단자(+)에 입력된다.
따라서, 차동 증폭 회로(127a)의 출력 단자(127b)는 교류 신호만을 아날로그/디지털 변환기(122)에 출력하게 된다.
즉, 본 발명의 다양한 실시예에서, 측정하고자 하는 신호(교류 성분 + 직류 성분)를 저주파 통과 필터(128)를 이용해 직류 성분만을 추출한 뒤 차동 증폭 회로(127a)를 이용하여 직류 성분을 제거하고 교류 성분(섭동 신호)만을 추출하여 아날로그/디지털 변환기(122)로 전달한다.
이를 통해 본 발명의 다양한 실시예에서 저가의 저비트 아날로그/디지털 변환기(122) 사용만으로도 고전압 배터리(111)의 임피던스 측정이 가능해진다. 이때 차동 증폭 회로(127a)에 사용되는 OP-amp의 입력 최대치에 한계가 있기 때문에 앞단에서 최소한의 전압 분배부(126)가 필요한 것이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 효과 검증을 위한 PSIM 시뮬레이션 도면이 도시되어 있고, 도 9를 참조하면, 시뮬레이션을 위한 단순화된 등가 배터리 모델이 도시되어 있으며, 도 10을 참조하면, 종래 기술과 본 발명의 실시예에 따른 비교 결과 파형도가 도시되어 있다.
도 9에서, 배터리는 종래 기술과의 명확한 비교 검증을 위해 단순히 저항 하나만을 포함하는 것으로 하였다. 또한, 배터리(111)의 개회로전압(OCV)은 333 V로 설정하였으며, 배터리(111)의 내부 저항은 45 mΩ으로 설정하였고, 12비트 아날로그/디지털 변환기(122)의 사용을 가정하였다.
시뮬레이션은 고전압 배터리(111)의 내부 임피던스 측정을 위해 기존 방법으로 측정한 임피던스와 본 발명의 다양한 실시예에 의한 방법으로 측정한 임피던스를 비교하였다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상단의 배터리 양단 전압을 살펴보면 종래 기술과 본 발명의 다양한 실시예의 파형이 동일한 것을 알 수 있다. 즉, 동일한 조건 하에서 시뮬레이션이 수행됨을 의미한다.
도 10의 중앙 도면에서 아날로그/디지털 변환기(122)로 입력되는 전압을 비교한 것으로, 종래 기술의 경우 입력 범위를 맞추기 위해 전압 분배부에서 대략 140배를 감소하였기 때문에 섭동 신호 대역이 1.93 mV로 매우 작음을 볼 수 있다. 따라서 이를 검출하기 위해서는 고사양의 아날로그/디지털 변환기가 요구된다.
본 발명의 다양한 실시예의 경우 섭동 신호 대역이 67.50 mV로 종래 기술에 비해 30배 이상 크기 때문에 저사양의 아날로그/디지털 변환기(122)로 측정이 가능해짐을 알 수 있다.
또한, 도 10의 하단 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 배터리의 내부 저항 45 mΩ을 측정하는데 있어서, 종래 기술은 55.81 mΩ으로 측정되어 오차가 큰 반면 본 발명의 다양한 실시예는 44.94 mΩ으로 측정되어 실제 값과 거의 근사한 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 다양한 실시예에서 배터리의 내부 저항이 더욱 정확하게 측정됨을 알 수 있다.
아래의 표 1은 시뮬레이션 설정 값 및 내부 저항 측정 결과를 정리한 것이다. 종래 기술에서 마이크로프로세서의 외측에 별도로 설치된 고가의 16비트의 아날로그/디지털 변환기를 적용할 경우보다 본 발명의 다양한 실시예에서 마이크로프로세서에 내장된 저가의 12비트의 아날로그/디지털 변환기를 적용한 경우가 더욱 정밀히 내부 저항 측정이 가능한 것을 확인할 수 있다.
분류 종전기술방식 발명기술방식
시뮬레이션
설정 값		 배터리 개회로 전압(OCV) [V] 333
배터리 섭동 전류 [A] 3
ADC 입력범위 [V] 5
섭동주파수 [Hz] 1000
전압분배율 1/140 1/4
배터리 내부 저항 [mΩ] 45
시뮬레이션
결과		 12비트 ADC 측정 결과 [mΩ] 55.81 44.94
12비트 ADC 측정 오차율 [%] 24.02 0.13
16비트 ADC 측정 결과 [mΩ] 44.77 44.98
16비트 ADC 측정 오차율 [%] 0.52 0.05
이와 같이 하여, 종래 기술로 고전압 배터리 팩의 임피던스를 측정할 경우 고가의 고사양 아날로그/디지털 변환기를 사용해야 하지만 본 발명의 다양한 실시예 적용으로 저가의 아날로그/디지털 변환기 사용만으로도 배터리 팩의 임피던스 측정이 가능하다. 또한, 일반적으로 사용하고 있는 마이크로프로세서의 내장 아날로그/디지털 변환기는 대다수 12비트이기 때문에 외부에 별도로 장착할 필요 없이 충분히 기능 구현이 가능하다. 이로 인해 경제성, 구현 용이성, 정밀도 및 노이즈 저감으로 인한 제품 신뢰성이 향상된다. 또한, 고전압 배터리 팩이 아닌 분야에 본 발명의 다양한 실시예를 적용했을 경우에도 종래 기술에 비해 측정 정확도를 극대화 시킬 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템 및 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 임피던스 분광 시스템
110; 하드웨어부 111; 배터리
112; 파워앰프 113; 전류 측정부
114; 전압 측정부 120; 소프트웨어부(마이크로프로세서)
121; 디지털/아날로그 변환기 122; 아날로그/디지털 변환기
123; 디지털 락인 앰프 124; 배터리 내부 임피던스 연산부
125; 배터리 건전 상태 판단부
126; 전압 분배부 127; 섭동 신호 분리부
128; 저주파 통과 필터

Claims (16)

  1. 배터리 팩;
    상기 배터리 팩에 섭동 전류를 인가하는 파워 앰프;
    상기 배터리 팩의 응답 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 전압 측정부에 의해 상기 배터리 팩의 전압 신호로부터 직류 성분을 제거하고 교류 성분만을 분리하여 출력하는 섭동 신호 분리부; 및
    상기 섭동 신호 분리부에 의한 교류 성분에 대한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환기를 포함하고,
    상기 전압 측정부는 분압 저항을 포함하고,
    상기 섭동 신호 분리부는 상기 분압 저항에 연결된 저주파 통과 필터와, 상기 분압저항과 상기 저주파 통과 필터에 연결된 차동 증폭 회로를 포함하고,
    상기 분압 저항의 노드는 상기 저주파 통과 필터를 통하여 상기 차동 증폭 회로의 반전 단자에 연결되고,
    상기 분압 저항의 노드는 상기 저주파 통과 필터의 비반전 단자에 연결된 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분압 저항의 노드를 통하여 교류 신호와 직류 신호가 출력되고,
    상기 저주파 통과 필터를 통하여 직류 신호만 출력되어 상기 차동 증폭 회로의 반전 단자에 입력되고,
    상기 분압 저항의 노드를 통하여 교류 신호와 직류 신호가 상기 차동 증폭 회로의 비반전 단자에 입력됨을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 차동 증폭 회로는 교류 신호만을 상기 아날로그 디지털 변환기에 출력함을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 아날로그 디지털 변환기에 연결된 디지털 락인 앰프를 더 포함하고,
    상기 디지털 락인 앰프는 전압, 전류 각각의 실수와 허수 성분을 분리하여 출력함을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 디지털 락인 앰프에 연결된 배터리 내부 임피던스 연산부를 더 포함하고,
    상기 배터리 내부 임피던스 연산부는 배터리 내부 임피던스를 나타내는 임피던스 실수부, 허수부, 크기 및 위상 정보를 연산함을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 배터리 내부 임피던스 연산부에 연결된 배터리 건전 상태 판단부를 더 포함하고,
    상기 배터리 건전 상태 판단부는 상기 임피던스와 건전 상태 사이의 상관 관계를 이용하여 현재의 배터리 건전 상태를 추정함을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템.
  9. 배터리 팩에 섭동 전류를 인가하는 단계;
    상기 배터리 팩의 응답 전압을 측정하는 단계;
    상기 배터리 팩의 전압 신호로부터 직류 성분을 제거하고 교류 성분만을 분리하여 출력하는 섭동 신호 분리 단계; 및
    상기 섭동 신호 분리 단계에 의한 교류 성분에 대한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 컨버팅 단계를 포함하고,
    상기 배터리 팩의 응답 전압 측정 단계는 분압 저항을 통해 이루어지고,
    상기 섭동 신호 분리 단계는 상기 분압 저항에 연결된 저주파 통과 필터와,
    상기 분압저항과 상기 저주파 통과 필터에 연결된 차동 증폭 회로로 이루어지고,
    상기 분압 저항의 노드는 상기 저주파 통과 필터를 통하여 상기 차동 증폭 회로의 반전 단자에 연결되고, 상기 분압 저항의 노드는 상기 저주파 통과 필터의 비반전 단자에 연결된 것
    을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 분압 저항의 노드를 통하여 교류 신호와 직류 신호가 출력되고,
    상기 저주파 통과 필터를 통하여 직류 신호만 출력되어 상기 차동 증폭 회로의 반전 단자에 입력되고,
    상기 분압 저항의 노드를 통하여 교류 신호와 직류 신호가 상기 차동 증폭 회로의 비반전 단자에 입력됨을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 차동 증폭 회로는 교류 신호만을 아날로그 디지털 변환기에 출력함을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 아날로그 디지털 컨버팅 단계 이후, 상기 교류 성분에 대한 디지털 신호로부터 전압, 전류 각각의 실수와 허수 성분을 분리하여 출력함을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전압, 전류 각각의 실수와 허수 성분으로부터 배터리 내부 임피던스를 나타내는 임피던스 실수부, 허수부, 크기 및 위상 정보를 연산함을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 임피던스와 건전 상태 사이의 상관 관계를 이용하여 현재의 배터리 건전 상태를 추정함을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 방법.
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