KR102522671B1 - 배터리 열폭주 테스트 시스템 - Google Patents

배터리 열폭주 테스트 시스템 Download PDF

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KR102522671B1
KR102522671B1 KR1020220152426A KR20220152426A KR102522671B1 KR 102522671 B1 KR102522671 B1 KR 102522671B1 KR 1020220152426 A KR1020220152426 A KR 1020220152426A KR 20220152426 A KR20220152426 A KR 20220152426A KR 102522671 B1 KR102522671 B1 KR 102522671B1
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temperature
battery
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thermal runaway
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KR1020220152426A
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임준수
김경수
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(주)케이에이치전자
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Abstract

본 발명은 배터리셀이 열폭주되도록 가열하는 계측기; 및 상기 계측기와 접속하여 정보를 입출력하는 단말기;를 포함하고, 상기 계측기는, 상기 배터리셀에 부착되어 열을 가하는 히터; 상기 히터에 전력을 공급하는 파워서플라이; 상기 파워서플라이를 제어하는 컨트롤러; 및 상기 배터리셀 또는 상기 히터의 온도를 측정하는 온도센서;를 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리셀의 시간 대비 온도상승률이 일정하도록, 상기 온도센서에서 측정된 측정온도를 기반으로 상기 히터의 목표온도와 측정온도의 오차에 대한 비례연산을 수행하는 비례제어기 및 상기 오차에 대한 적분 연산을 수행하는 적분제어기를 더 포함하여 배터리셀의 열폭주 온도와 시간, 폭파 전이의 측정 결과를 얻을 수 있어 제품에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 배터리 열폭주 테스트 시스템에 관한 것이다.

Description

배터리 열폭주 테스트 시스템{BATTERY THERMAL RUNAWAY TEST SYSTEM}
본 발명은 배터리 열폭주 테스트 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는 배터리를 가열하여 열폭주를 발생시켜 배터리의 성능을 평가하는 배터리 열폭주 테스트 시스템에 관한 것이다.
모바일 기기, 전기차 하이브리드 자동차, 전력 저장장치 및 무정전 전원장치 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라, 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다앙한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 대표적으로 전지의 형성 면에서는 각형이나 파우치형 이차 전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 에너지 밀도와 단위시간 당 방전 용량이 높은 리튬 계열의 이차 전지에 대한 수요가 높다.
이러한 이차 전지 배터리의 기본 단위를 배터리 셀이라고 일컫는데, 배터리 셀을 단일의 배터리 셀이 사용되거나, 하나 이상의 베터리 셀의 집합체인 배터리 모듈로 사용된다. 특히, 최근에는 전기 자동차 또는 에너지 저장장치와 같은 고출력, 대용량 배터리에 대한 수요가 높아짐에 따라 다수의 배터리 모듈이 서로 연결된 패터리 팩이 사용되고 있다.
이러한 배터리 모듈의 일 단위인 배터리 셀에 대한 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는데 있다. 예를 들어, 리튬 배터리 셀은 내부 단락 등의 셀 내 결함, 과충전 및 과방전 등의 시스템의 고장에 의한 발열로 인해 전해질 분해 반응을 일으켜 열폭주 현상이 발생할 경우, 전지 내부의 압력이 급격히 상승하여 배터리의 폭발이 유발될 수 있다.
일반적으로 배터리 팩에서 배터리 셀의 열 안정성 및 안정성의 결함이 있는 배터리 셀에 의한 열 전파에 따른 주변 셀들로의 연쇄 반응의 위험을 평가하기 위해 배터리 셀을 가열하는 평가 방법을 수행하고 있다. 배터리 평가의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 개선된 배터리 평가 도구들의 개발이 요구된다.
이에 따라 현재 한국공개특허공보 제10-2022-0091156호의 "필름 히터와 이를 이용한 배터리 평가 장치 및 방법" 등의 기술들이 개시되어 있다. 도 1을 참조하면 한국공개특허공보 제10-2022-0091156호에서는 필름 히터(1)가 하우징(3) 내에 배치된 배터리셀(4)에 열을 가하도록 구성된다. 여기서 상기 필름 히터(1)는 단열판(3)과 적어도 하나의 배터리셀(4) 사이에 접촉 배치되거나 배터리 셀(4)들 사이에 배치될 수 있으며 외부 전원의 공급으로 접촉한 배터리 셀(4)을 가열하도록 구성된다.
위와 같이 현재 배터리를 직접 가열하여 배터리 평가의 향상된 신뢰도를 보장하도록 기술들이 개시되어 있지만, 상기 배터리셀이 시간에 따라 균일한 온도로 가열하기가 어려운 문제점이 있다. 특히, 현장에서는 일정 온도까지만 시스템으로 가열한 이후에 숙련된 작업자에 의해서 수기로 온도를 상승시키는 것이 일반적이기 때문에, 열폭주 및 열전파에 대한 세밀한 데이터를 확보하기가 어려운 문제점이 있다.
KR 10-2022-0091156 A (2022.06.30.)
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 PID제어와 안티 와인드업을 이용하여 시간에 따라 균일하게 가열되는 작업이 자동화될 수 있는 배터리 열폭주 테스트 시스템에 관한 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템은, 배터리셀이 열폭주되도록 가열하는 계측기; 및 상기 계측기와 접속하여 정보를 입출력하는 단말기;를 포함하고, 상기 계측기는, 상기 배터리셀에 부착되어 열을 가하는 히터; 상기 히터에 전력을 공급하는 파워서플라이; 상기 파워서플라이를 제어하는 컨트롤러; 및 상기 배터리셀 또는 상기 히터의 온도를 측정하는 온도센서;를 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리셀의 시간 대비 온도상승률이 일정하도록, 상기 온도센서에서 측정된 측정온도를 기반으로 상기 히터의 목표온도와 측정온도의 오차에 대한 비례연산을 수행하는 비례제어기 및 상기 오차에 대한 적분 연산을 수행하는 적분제어기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 컨트롤러는, 제어신호가 포화된 경우 상기 오차의 적분값을 감소시키도록 안티 와인드업(Anti-Windup) 알고리즘을 포함할 수 있다.
또한, 상기 안티 와인드업 알고리즘은, 제어신호가 포화된 경우 상기 적분제어기의 게인 값을 0으로 설정할 수 있다.
또한, 상기 안티 와인드업 알고리즘은, 제어신호가 포화된 경우 제어신호와 파워서플라이의 한계값을 비교하여 그 차이를 적분제어기에 피드백할 수 있다.
또한, 상기 컨트롤러는, 상기 파워서플라이가 시간에 따라 전류의 파고치 평균이 점진적으로 상승되는 펄스파형을 가지도록 출력을 제어할 수 있다.
또한, 상기 컨트롤러는, 상기 파워서플라이에서 출력되는 전류가 일정주기마다 0이 되도록 On/Off제어할 수 있다.
또한, 컨트롤러는, 상기 파워서플라이에서 출력되는 전류가 일정주기마다 0.01A보다 낮아지도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 컨트롤러는, 상기 파워서플라이의 출력전류를 펄스파형으로 제어하기 이전, 상기 파워서플라이의 출력을 설정시간 동안 CC(Constant Current) 모드로 제어하여 상기 배터리셀을 예열할 수 있다.
또한, 상기 계측기는, 상기 배터리셀의 단자에 연결되어 배터리 전압을 측정하는 전압측정부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 계측기는, 상기 배터리셀의 온도를 측정하되 상기 온도센서보다 히터에서 이격되도록 배치된 보조센서; 및 상기 보조센서와 연결되어 측정 데이터를 수신받는 리어측정부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 보조센서는 복수로 이루어져 서로 이격배치되고, 복수의 상기 보조센서가 서로 다른 채널을 가지도록 상기 리어측정부와 연결될 수 있다.
또한, 상기 컨트롤러는, 상기 오차에 대한 미분 연산을 수행하는 미분제어기를 더 포함할 수 있다.
상술한 구성에 의한 본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템은, 가열되는 온도에 대해 PI제어 또는 PID제어를 접목하되 I제어에 대하여 안티 와인드업 알고리즘을 적용함에 따라 시간에 목표온도까지 보다 안정적으로 도달할 수 있는 장점이 있다. 나아가 본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템은 PI제어에 대하여 전류를 상승시키는 On/Off 제어를 적용하여 배터리의 온도 상승률이 균일해지는 효과가 있다.
아울러 본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템은, 히터와 인접한 온도센서를 통해 세밀한 온도제어가 가능해지면서 서로 다른 채널로 구성된 복수의 보조센서를 통해 보다 정밀한 모니터링이 가능해져 신뢰성 높은 데이터를 확보할 수 있는 장점이 있다.
아울러 본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템은, 배터리팩에 장착된 배터리셀이 올바르게 조립되었는지 여부를 원격에서 파악할 수 있는 시스템을 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 배터리 평가 장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 계측기의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 PID 제어기의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 PI 제어기와 안티 와인드업 제어기의 구성도.
도 6은 종래의 P 제어기와 본 발명에 따른 PI 제어기의 제어 결과를 개략적으로 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템을 이용한 온도 상승률 제어방법을 나타낸 플로차트.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템을 적용한 배터리팩을 도시한 도면.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템에 관한 것으로, 도 2는 배터리 열폭주 테스트 시스템의 구성도를, 도 3은 계측기의 구성도를 각각 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 열폭주 시스템(10)은, 배터리셀(20)에 열을 가하여 열폭주 현상을 발생시키는 계측기(100)를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 계측기(100)와 접속되는 단말기(200)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이때 상기 계측기(100)와 단말기(200)는 입출력 인터페이스를 통해 상호 데이터 전달이 가능하도록 연결되거나, 유무선 네트워크를 통해 데이터 통신이 가능하도록 상호 연결될 수도 있다. 이때 상기 단말기(200)는 디지털방송용 단말기, 휴대폰, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 태블릿 PC(tablet PC), 웨어러블 디바이스(wearable device) 및 스마트 글라스(smart glass) 등 다양한 형태의 이동형 단말기 또는, 데스크 탑 PC, 노트북 컴퓨터(laptop computer), 울트라북(ultrabook), 워크스테이션(Workstation) 등과 같이 고정형 단말로 구현되어 본 발명에 따른 계측기(100)와 접속될 수도 있다. 그리고 상호 네트워크 연결된 경우에는 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 네트워크, LTE(Long Term Evolution) 네트워크, WIMAX(World Interoperability for Microwave Access) 네트워크, 인터넷(Internet), LAN(Local Area Network), Wireless LAN(Wireless Local Area Network), WAN(Wide Area Network), PAN(Personal Area Network), 블루투스(Bluetooth) 네트워크, 위성 방송 네트워크, 아날로그 방송 네트워크, DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 네트워크 등으로 구현될 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 계측기(100)는, 히터(110), 파워서플라이(120), 컨트롤러(130) 및 온도센서(140)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때 상기 히터(110)는 상기 배터리셀(20)에 접촉되어 전력에 의해 발열됨에 따라, 상기 배터리셀(20)에 열 에너지를 공급하여 가열할 수 있다. 여기서 상기 히터(110)는 접촉 면적이 넓도록 필름 형태로 구성될 수 있다. 그리고 상기 파워서플라이(120)는 상기 히터(110)에 케이블을 통해 연결됨에 따라 전력을 공급할 수 있다.
상기 컨트롤러(130)는, 상기 온도센서(140)에서 실시간으로 측정되는 상기 배터리셀(20)의 온도를 수신받고 상기 파워서플라이(120)를 제어하여 상기 히터(110)에서의 발열량을 제어하여 상기 배터리셀(20)의 온도 상승률을 제어할 수 있다. 여기서 상기 컨트롤러(130)는 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세스(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 포함하여 구현될 수 있다. 그리고 상기 컨트롤러(130)는 데이터를 저장하는 메모리 또는 데이터베이스를 더 포함하여 구현될 수 있다.
상기 온도센서(140)는 서모커플(Thermocouple, TC) 등으로 구현되어 상기 히터(110)에 인접하도록 배치될 수 있으며, 상기 배터리셀(20)의 온도를 측정하거나 상기 히터(110)에서의 발열량을 측정할 수도 있다. 이때 본 발명에 따른 계측기(100)는 상기 온도센서(140)에서 측정된 온도 데이터를 가공하여 상기 컨트롤러(140)로 전달하는 온도측정부(150)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 계측기(100)는, 상기 배터리셀(20)의 단자(21)에 연결되어 전압을 측정하는 전압측정부(160)와, 상기 배터리셀(20)의 온도를 측정하되 상기 온도센서(140) 보다 상기 히터(110)에서 이격되도록 배치된 적어도 하나의 보조센서(170) 및, 상기 보조센서(170)에서 측정된 온도데이터를 가공하여 상기 컨트롤러(140)로 전달하는 리어측정부(180)를 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 보조센서(170)가 복수인 경우에는 서로 다른 채널을 가지도록 형성되어 상기 컨트롤러(130)에서 각각이 배치된 위치와 채널을 통해 배터리셀(20)의 주변 온도를 보다 정밀하게 측정하되 사용자가 모니터링 할 수 있도록 제공할 수 있다. 그리고 상기 보조센서(170)가 제1보조센서(171), 제2보조센서(172) 및 제3보조센서(173)를 포함하여 셋 이상으로 구성된 경우 상기 배터리셀(20)의 장면(長面)에 보다 많은 보조센서(170)가 배치될 수 있다. 일 예로 상기 배터리셀(20)의 장면에는 제1보조센서(171) 및 제2보조센서(172)가 배치되고 상기 배터리셀(20)의 단면(短面)에는 제3보조센서(173)가 배치되되, 상기 온도센서(140)가 상기 배터리셀(20)의 일측 장면에 배치되고 상기 제1보조센서(171) 및 제2보조센서(172)가 상기 배터리셀(20)의 타측 장면에 배치될 수 있다.
상기 컨트롤러(130)는 상기 파워서플라이(120)의 출력을 조절하여 상기 히터(110)의 발열량을 제어할 수 있으며, CC(Constant Current)모드, CV(Constant Volt)모드, On/Off제어 또는 PID(Proportional Integral Derivation)제어 등을 구현하는 기능을 포함할 수 있다. 여기서 상기 히터(110)와 연결되는 히터 케이블의 저항값은 통상적으로 정해진 수치이므로, 상기 컨트롤러(130)는 히터 케이블의 저항값을 활용하여 상기 히터(110)를 제어할 수 있다. 다만 상술한 바와 같이 상기 배터리셀(20)의 세밀한 정보를 파악하기 위해서는 보조센서(170)와 같은 다른 구성이 추가적으로 부착되고, 현장에서는 히터 케이블의 길이가 길어져 케이블 저항이 높아지면서, 방열제 등의 부자재로 인해 주변 부하가 늘어나 저항값이 올라가는 현상이 발생된다. 이에 따라 본 발명은 상기 온도센서(140)에서 측정된 데이터를 기반으로 상기 컨트롤러(130)가 PID제어에 안티 와인드업(Anti-Windup) 알고리즘을 적용함에 따라 온도 상승률을 제어하도록 구현될 수 있다. 그리고 상기 온도측정부(150), 전압측정부(160) 또는 리어측정부(180)는 멀티미터로 구현되거나 멀티미터와 연결됨에 따라 상기 온도센서(140), 보조센서(170) 또는 배터리셀(20)의 단자(21) 등에서 측정된 데이터를 디스플레이할 수도 있다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템에 관한 것으로, 도 4는 본 발명에 따른 PID 제어기의 구성도를, 도 5는 본 발명에 따른 PI 제어기와 안티 와인드업 제어기의 구성도를, 도 6은 종래의 P 제어기와 본 발명에 따른 PI 제어기의 제어 결과를 개략적으로 나타낸 그래프를 각각 나타낸다.
도 4를 참조하면, 상기 컨트롤러(130)는 PID제어를 수행하는 PID 제어기(131)를 포함할 수 있다. 이때 상기 PID 제어기(131)는, 비례제어기(Proportional Controller), 적분제어기(Integral Controller) 및 미분제어기(derivative Controller)를 포함할 수 있다. 이때 PID 제어기(131)는 상기 온도센서(140)의 측정값을 통해 상기 컨트롤러(130)가 피드백 받아 목표값과의 오차를 계산하는 시스템으로, 아래의 식 1에 따라 산출될 수 있다.
[식 1]
Figure 112022121386964-pat00001
여기서
Figure 112022121386964-pat00002
는 각각 비례제어기, 적분제어기 및 미분제어기의 증폭값인 게인(Gain)으로 기 설정되는 값일 수 있으며, 상기
Figure 112022121386964-pat00003
는 지글러-니콜스 방법 등을 통해 튜닝하여 입력될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 컨트롤러(130)는 PI제어를 수행하는 PI 제어기(132)와 상기 PI 제어기의 적분 제어기에 대하여 오차 적분값을 감소시키는 안티 와인드업 알고리즘을 구현한 안티 와인드업 제어기(133)를 포함하여 구성될 수 있다. 와인드업(Windup)은 플랜트(Plant)가 작용할 수 있는 값의 한계보다 커서 플랜트의 포화(saturation)가 발생하게 되는 경우, 오차의 적분값이 큰 값으로 누적되게 됨에 따라, 정작 출력값이 설정값에 가까워지게 되었을 때, 제어값이 작아져야 함에도 불구하고 계속 큰 값을 출력하게 되어 시스템이 설정값에 도달하는 데 오랜 시간이 걸리게 되는 것으로, 포화 상태가 발생되는 경우에 적분 제어기에 대하여 오차 적분값을 감소시키도록 구현될 수 있다.
상기 와인드업 제어기(133)는 제어 신호가 포화된 경우에 아래의 식 2와 같이 적분기의 작동을 중단시키도록 제어할 수 있으며, 상기 적분 제어기의 게인 값인
Figure 112022121386964-pat00004
을 0으로 설정할 수 있다. 또는 상기 제어 신호와 플랜트의 한계값을 비교하여 아래의 식 2와 같이 그 차이를 적분 제어기에 피드백시킬 수도 있다.
[식 2]
Figure 112022121386964-pat00005
여기서
Figure 112022121386964-pat00006
는 기 설정되는 안티 와인드업 게인이며,
Figure 112022121386964-pat00007
는 출력의 최대값 보다 큰 경우에는 출력의 최대값(
Figure 112022121386964-pat00008
) 으로, 출력의 최소값 보다 작은 경우에는 출력의 최소값(
Figure 112022121386964-pat00009
)으로, 출력의 최대값과 최소값 사이인 경우에는 출력값(
Figure 112022121386964-pat00010
)으로 산출되는 함수이다. 이에 따라 제어 신호가 포화된 경우에는
Figure 112022121386964-pat00011
가 0이 되도록 피드백 루프가 작동하고, 포화되지 않은 경우에는 0이 된 상태이므로 안티 와인드업 제어기(133)의 작동이 중지될 수 있다. 그리고 상기 와인드업 제어기(133)는 출력의 Max, Min, Limit 설정값과
Figure 112022121386964-pat00012
과 비교하여 적분값을 적용하도록 구성될 수 있다. 아울러 본 발명에 따른 안티 와인드업 제어기(133)는 상기 PID 제어기(131)에 적용될 수도 있으며, 단시간에 고출력으로 제어하기 위해서는 상기 PI 제어기(132)에 적용되어 활용되는 것이 바람직할 수 있다.
도 6-(a)를 참조하면, 상기 배터리셀(20)에 대한 열폭주 온도제어 시에 종래의 P 제어기를 접목하는 경우에는 시간(t)에 따른 온도(T)의 상승률이 소정 시간이 경과한 이후에 점차 완만해지는 현상이 발생되어 테스트 시작부터 열폭주까지의 시간을 산출하는 과정에서 신뢰성이 낮은 데이터가 발생되는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템(10)은 위와 같은 문제를 해결하기 위해 도 6-(b) 및 도 6-(c)에서 도시된 바와 같이 PI 제어기(132)에 안티 와인드업 제어기(133)를 적용하고, On/Off 제어를 통해 시간에 따른 온도 상승률이 선형으로 상승할 수 있도록 제어할 수 있다. 이때 본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템(10)은 상기 히터(110)를 상기 배터리셀(20)에 부착하는 등의 준비가 완료되면, 상기 컨트롤러(130)가 파워서플라이(120)를 CC모드로 작동시키는 소프트 바이어스(Soft Bias) 타임을 통해 상기 히터(110)를 통해 상기 배터리셀(20)을 예열할 수 있다. 이때 소프트 바이어스 타임에서의 CC모드는 상기 파워서플라이(120)가 소정전류를 정해진 시간동안 상기 히터(110)로 공급하는 작업일 수 있다. 이때 상기 소프트 바이어스 타임은 파워서플라이(120)의 출력 파워가 전류량에 비례함에 따라 온도 상승률을 제어하기 위한 초기 예열 과정일 수 있다. 이후, 상기 컨트롤러(130)는, 상기 파워서플라이(120)가 시간에 따라 전류의 파고치 평균이 점진적으로 상승되는 펄스파형을 가지도록 출력을 제어할 수 있다. 즉, 전류가 주기적으로 공급되되, 공급되는 주기가 점진적으로 높아지도록 출력이 제어될 수 있다. 이때 상기 컨트롤러(130)는, 전류가 공급되는 제1주기와 전류가 공급되지 않는 제2주기가 반복되도록 상기 파워서플라이(120)를 On/Off 제어할 수 있으며, 상기 배터리셀(20)이 열폭주될때까지 제어가 지속될 수 있다. 여기서 하나의 제1주기에서는 동일한 전류가 공급되거나 전류가 상기 PI제어에 의해서 가변되도록 공급될 수 있으며, 제1주기에서의 전류량이 증가되는 것은 하나의 제1주기의 전류량 평균이 이후 다른 하나의 제1주기의 전류량 평균 보다 작은 것을 의미할 수 있다. 아울러 본 발명은, 소프트 바이어스 타임과 상기 On/Off제어 사이에 상기 컨트롤러(130)가 P제어를 통해 히터(110)의 발열량을 조절하는 단계가 포함될 수도 있다.
본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템(10)은 상기 상술한 바와 같이 PI 제어기(132)에 안티 와인드업 제어기(133)를 적용하고, 소정 주기마다 상기 파워서플라이(120)에서 출력되는 전류가 0.01A 이하가 되도록 제어할 수도 있다. 이때 배터리 열폭주 테스트 시스템(10)은 상기 제1주기에서 상기 파워서플라이(120)가 PI 또는 PID제어될 수 있으며, 제2주기에서는 0.01A 이하로 전류값이 제한되도록 상기 파워서플라이(120)의 출력이 낮아질 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템을 이용한 온도 상승률 제어방법에 관한 것으로, 도 7은 온도 상승률 제어방법의 플로차트를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 온도 상승률 제어방법은, 계측기 접속단계(S1), 기준정보 설정단계(S2), 문턱정보 설정단계(S3), 제어시작단계(S4) 및 작업수행단계(S5)를 포함할 수 있다. 이때 도시된 온도 상승률 제어방법에서의 종료는 가열제어에 대한 종료이므로, 제어종료 이전에 열폭주가 발생되면 전압이 단락되어 종료가 될 수도 있다.
상기 계측기 접속단계(S1)는 상기 계측기(100)에 상기 배터리셀(20)을 설치하는 과정과, 상기 계측기(100)와 상기 단말기(200)를 연결하는 과정으로, USB 등을 통해 상기 계측기(100)와 상기 단말기(200)의 입출력 인터페이스를 연결하거나 네트워크로 연결될 수도 있다.
상기 기준정보 설정단계(S2)는, 상기 파워서플라이(120)의 출력량과 주변 부하를 고려하여 CC모드 혹은 CV모드에서의 전류 및 전압을 설정하고, 열폭주를 위한 목표온도를 설정할 수 있다.
상기 문턱정보 설정단계(S3)는 DAQ(Data acquisition)를 활용하여 수집될 모니터링 전압 혹은 모니터링 전압 및 다채널 온도를 설정하는 것으로, 문턱전압 혹은 문턱온도를 기입력하여 기준 전압 또는 온도를 설정할 수 있다.
상기 제어시작단계(S4)는 상기 컨트롤러(130)가 상기 파워서플라이(120)를 제어하여 상기 히터(110)를 발열시켜 상기 배터리셀(20)을 가열하는 단계로, 상술한 바와 같이 상기 파워서플라이(120)에서 CC모드가 소프트 바이어스 타임 동안에 지속되어 상기 배터리셀(20)을 예열할 수 있다. 여기서 기준정보 설정단계(S2)에서 상기 제어시작단계(S4) 사이에서는 제어정보 세팅(S41) 과정이 포함될 수 있으며, 상기 제어정보 세팅(S41)은 PID의
Figure 112022121386964-pat00013
게인 값과 안티 와인드업의
Figure 112022121386964-pat00014
게인 값을 설정하고, 상기 제1주기 및 제2주기를 변경할 수도 있다.
상기 작업수행단계(S5)는 상기 컨트롤러(130)에서 PI제어 또는 PID제어하여 상기 배터리셀(20)을 가열시키는 단계로, 상기 온도센서(140)에서 측정되는 측정값과 해당 시간에 도달해야 하는 목표값과의 오차에 따른 PID 피드백 제어과 더불어 안티 와인드업을 통한 포화상태 해소와 On/Off 제어과정이 포함될 수 있다. 그리고 상기 작업수행단계(S5)는 상기 배터리셀(20)이 열폭주되어 전압이 단락되는 과정까지 지속될 수 있다.
상기 작업수행단계(S5)에서 상기 배터리셀(20)에 대한 전압 또는 온도를 실시간으로 측정할 수 있으며, 측정된 전압 또는 온도가 상기 문턱정보 설정단계(S3)에서 설정된 문턱전압이나 문턱온도보다 낮은 경우에는 설정 과정에서의 오류로 판단하여 제어가 종료될 수 있으며, 낮지 않은 경우에는 상기 배터리셀(20)의 가열작업이 지속될 수 있다. 그리고 제어 중 상기 제어정보 세팅(S41)이 변경되면, 상기 컨트롤러(130)가 변경된 정보를 반영한 후에 가열작업이 지속되도록 구성될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템에 관한 것으로, 도 8은 본 발명에 따른 열폭주 테스트 시스템을 적용한 배터리팩을 도시한 도면을 나타낸다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 열폭주 테스트 시스템(10)은 복수의 배터리셀(20)이 내장된 배터리팩(30)을 실험대상으로 선정하여 진행할 수도 있으며, 상기 히터(110) 및 온도센서(140)가 복수의 배터리셀(20) 중 적어도 하나의 배터리셀(20)에 부착될 수 있다. 이때 상기 배터리팩(30)에 배터리셀(20)을 장착하는 과정 혹은 서로 부착/연결하는 과정에서 착오로 인해 오조립이 발생될 수 있으며, 상기 컨트롤러(130)가 상기 파워서플라이(120)에 대한 CC모드 제어를 통해 오조립을 발견하도록 구성될 수도 있다. 오조립되는 경우에는 상기 CC모드에서 목표 전압이 아닌 다른 전압이 발생될 수 있으며, 일 예로 10A가 입력되는 과정에서 8V가 발생되어야 하는데, 6V 혹은 10V 등의 다른 수치가 측정되는 경우에 오조립으로 판단하여 제어가 종료될 수 있다. 그리고 제어의 종료와 동시에 상기 컨트롤러(130)는 이를 사용자에게 알려줄 수 있도록 디스플레이 하거나 정보를 전송해줄 수도 있다.
이상 설명된 본 발명에 따른 실시예는 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 실행될 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 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은, 프로그램 명령어를 저장하고 실행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위하여 하나 이상의 소프트웨어 모듈로 변경될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
또한 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술할 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
10 : 배터리 열폭주 테스트 시스템
20 : 배터리셀
21 : 단자
30 : 배터리팩
100 : 계측기
110 : 히터
120 : 파워서플라이
130 : 컨트롤러
131 : PID 제어기
132 : PI 제어기
133 : 안티 와인드업 제어기
140 : 온도센서
150 : 온도측정부
160 : 전압측정부
170 : 보조센서
171 : 제1보조센서
172 : 제2보조센서
173 : 제3보조센서
180 : 리어측정부
200 : 단말기

Claims (12)

  1. 배터리셀에 부착되어 열을 가하는 히터;
    상기 히터에 전력을 공급하는 파워서플라이;
    상기 파워서플라이를 제어하는 컨트롤러; 및
    상기 배터리셀 또는 상기 히터의 온도를 측정하는 온도센서;
    를 포함하고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 배터리셀의 시간 대비 온도상승률이 일정하도록, 상기 온도센서에서 측정된 측정온도를 기반으로 상기 히터의 목표온도와 측정온도의 오차에 대한 비례연산을 수행하는 비례제어기 및 상기 오차에 대한 적분 연산을 수행하는 적분제어기를 더 포함하고,
    제어신호가 포화된 경우 상기 오차의 적분값을 감소시키도록 안티 와인드업(Anti-Windup) 알고리즘을 포함하며,
    상기 파워서플라이가 시간에 따라 전류의 파고치 평균이 점진적으로 상승되는 펄스파형을 가지도록 출력을 제어하고,
    상기 파워서플라이의 출력전류를 펄스파형으로 제어하기 이전, 상기 파워서플라이의 출력을 설정시간 동안 CC(Constant Current) 모드로 제어하여 상기 배터리셀을 예열하며,
    상기 컨트롤러는,
    전류가 공급되는 제1주기와 전류가 공급되지 않는 제2주기가 반복되도록 상기 파워서플라이를 On/Off제어하되,
    하나의 제1주기의 전류량 평균이 이후 다른 하나의 제1주기의 전류량 평균보다 작아지도록 전류의 파고치 평균이 점진적으로 높아지도록 상기 파워서플라이의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 열폭주 테스트 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안티 와인드업 알고리즘은,
    제어신호가 포화된 경우 상기 적분제어기의 게인 값을 0으로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 열폭주 테스트 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 안티 와인드업 알고리즘은,
    제어신호가 포화된 경우 제어신호와 파워서플라이의 한계값을 비교하여 그 차이를 적분제어기에 피드백하는 것을 특징으로 하는 배터리 열폭주 테스트 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배터리셀의 단자에 연결되어 배터리 전압을 측정하는 전압측정부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 열폭주 테스트 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리셀의 온도를 측정하되 상기 온도센서보다 히터에서 이격되도록 배치된 보조센서;
    상기 보조센서와 연결되어 측정 데이터를 수신받는 리어측정부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 열폭주 테스트 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 보조센서는 복수로 이루어져 서로 이격배치되고,
    복수의 상기 보조센서가 서로 다른 채널을 가지도록 상기 리어측정부와 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 열폭주 테스트 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 오차에 대한 미분 연산을 수행하는 미분제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 열폭주 테스트 시스템.
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