KR102528574B1 - 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치 - Google Patents

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Abstract

센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법은, 일정 시간 간격으로 슈퍼캐패시터 팩의 전압을 측정하는 단계; 측정된 전압을 기초로 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC(Electric Double Layer Capacitor, 전기 이중층 캐패시터) 내부저항(Resr)을 계산하는 단계; GPS 센서에 의한 위치 정보를 기초로 외부환경요인에 대한 정보를 수신하는 단계; 및 외부환경요인을 반영한 손실 저항을 기초로, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량에 따라 슈퍼캐패시터 팩의 수명(State of Health, SOH)을 추정하는 단계;를 포함한다. 이에 따라, 외부환경요인을 실시간으로 반영하여 정확한 SOH의 추정이 가능하다.

Description

센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치{METHOD FOR ESTIMATING STATE OF HEALTH OF SUPERCAPACITOR PACK USING SENSOR, RECORDING MEDIUM AND DEVICE FOR PERFORMING THE METHOD}
본 발명은 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부환경을 고려하기 위한 GPS 센서 및 전압 변화량을 측정하기 위한 전압 센서를 이용하여 슈퍼캐패시터 팩의 SOH(State of Health, 기대수명 또는 건전 상태)를 추정하는 기술에 관한 것이다.
슈퍼캐패시터는 활성탄소 표면에 전하를 물리적으로 흡착하고 탈착함으로써, 순간적으로 많은 전기에너지를 저장한 후에 높은 전류를 순간적 또는 연속적으로 공급하는 에너지 저장 소자이다. 슈퍼캐패시터는 리튬 이온 이차 전지와 비교하여, 높은 출력 밀도, 높은 충방전 효율, 넓은 동작 온도 범위, 장수명을 가진다.
슈퍼캐패시터는 주 전원이 끊어졌을 때, 보조로 전력을 공급하는 보조전원장치로 사용되고 있으며, 고출력과 장수명이라는 장점을 바탕으로 다양한 산업에 사용되고 있다.
슈퍼캐패시터 시장은 핸드폰, 소형 가전기기의 메모리 백업용인 소형 제품을 중심으로 성장해 왔으나, 점차 전극재료와 제조기술의 발달로 스마트미터(스마트그리드), SSD(Solid State Drive), GPS 트래킹 시스템, 자동차(전기차), UPS(Uninterruptible Power System, 무정전 전원 장치), 신재생에너지(풍력/태양광에너지, ESS) 등의 중/대형으로 시장성이 확대되고 있다.
한편, 충전이 불가능한 일차 배터리와는 달리, 충전이 가능한 이차 배터리는 스마트 폰, 노트북 컴퓨터, PDA 등의 소형 첨단 전자기기 분야뿐만 아니라 전기 자동차, 에너지 저장 시스템에 이르기까지 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
배터리는 사용 환경, 사용 기간, 충/방전 횟수 등에 따라 그 용량이 감소하게 된다. 이에, 배터리 SOH(State of Health)는 배터리의 사용이나 보관에 따른 초기 용량의 유지 수준을 나타내는 지표로서, 이는 배터리를 평가하는 중요한 파라미터 중 하나이다. 또한, 배터리의 SOH(State of Health)를 통해 배터리의 교체 시기를 추정할 수 있기 때문에 배터리의 SOH(State of Health)를 정확하게 산출하는 것은 보다 안정적인 시스템 운영을 위한 중요한 요소가 된다.
배터리의 SOH(State of Health)는 일반적으로 충/방전 횟수(사용량)이 많거나, 사용 및 보관 온도, 그리고 보관 시 SOC(State of Charge) 상태에 따라 비 선형적으로 용량이 줄어든다.
이에, 배터리의 SOH(State of Health)를 산출하는 하나의 방식으로서, 실험을 통해 상술한 요인들에 의한 배터리의 퇴화 경향을 모델링하여 수식을 도출한 후, 상기 도출된 수식에 의해 배터리의 SOH(State of Health) 값을 계산할 수 있다(모델링 방식).
한편, 다른 방식으로는 배터리의 누적전류 및 SOC(State of Charge) 변화량을 이용하여 배터리의 SOH(State of Health) 값을 계산할 수도 있다(실측 방식).
하지만, 모델링 방식은 배터리의 퇴화 모델 경향에 따른 수식을 도출하기까지 많은 시간과 노력이 필요하고, 실제 배터리의 충/방전 사용 패턴과 정확히 일치하기는 어려운 문제점이 있다. 한편, 실측 방식으로 SOH(State of Health)를 계산하기 위해서는, 배터리의 SOC(State of Charge)의 변동 폭이 충분히 커야 하고, SOC(State of Charge) 및 전류 센서의 오차에 민감하며 온도 별 특성 등을 반영하기는 어렵기 때문에 배터리 상태에 따라 그 정확도가 떨어지는 문제가 있다.
KR 10-2035679 B1 KR 10-1979536 B1 KR 10-1373150 B1
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법을 수행하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법은, 일정 시간 간격으로 슈퍼캐패시터 팩의 전압을 측정하는 단계; 측정된 전압을 기초로 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC(Electric Double Layer Capacitor, 전기 이중층 캐패시터) 내부저항(Resr)을 계산하는 단계; GPS 센서에 의한 위치 정보를 기초로 외부환경요인에 대한 정보를 수신하는 단계; 및 외부환경요인을 반영한 손실 저항을 기초로, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량에 따라 슈퍼캐패시터 팩의 수명(State of Health, SOH)을 추정하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 일정 시간 간격으로 슈퍼캐패시터 팩의 전압을 측정하는 단계는, 슈퍼캐패시터 팩을 구성하는 각각의 슈퍼캐패시터에 연결된 개별 스위치의 온/오프(on/off)를 통해 적어도 하나의 슈퍼캐패시터의 전압을 선택적으로 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법은, 각 슈퍼캐패시터의 전압 변화량에 따라 각 슈퍼캐패시터의 충전 시간을 다르게 설정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 GPS 센서에 의한 위치 정보를 기초로 외부환경요인에 대한 정보를 수신하는 단계는, GPS 센서에 의한 위치 정보를 기초로 기상 자료 OPEN-API를 통해 외부 온도, 습도, 풍속 및 대기 정보 중 적어도 하나를 포함하는 외부환경요인에 대한 정보를 주기적으로 수신할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에는, 상기 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록되어 있다.
상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 장치는, 일정 시간 간격으로 슈퍼캐패시터 팩의 전압을 측정하는 전압 측정부; 측정된 전압을 기초로 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC(Electric Double Layer Capacitor, 전기 이중층 캐패시터) 내부저항(Resr)을 계산하는 용량 및 내부저항 계산부; GPS 센서에 의한 위치 정보를 기초로 외부환경요인에 대한 정보를 수신하는 통신부; 및 외부환경요인을 반영한 손실 저항을 기초로, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량에 따라 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 장치의 수명(State of Health, SOH)을 추정하는 SOH 추정부;를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 전압 측정부는, 슈퍼캐패시터 팩을 구성하는 각각의 슈퍼캐패시터에 연결된 개별 스위치의 온/오프(on/off)를 통해 적어도 하나의 슈퍼캐패시터의 전압을 선택적으로 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 각 슈퍼캐패시터의 전압 변화량에 따라 각 슈퍼캐패시터의 충전 시간을 다르게 설정하는 충전 시간 제어부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 통신부는, GPS 센서에 의한 위치 정보를 기초로 기상 자료 OPEN-API를 통해 외부환경요인에 대한 정보를 주기적으로 수신할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 외부환경요인은 위치에 따른 외부 온도, 습도, 풍속 및 대기 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이와 같은 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법에 따르면, 손실저항에 포함되는 외부환경요소를 측정할 수 있도록 위치정보를 확인하는 GPS 센서에 의해 위치정보를 확인한 후 위치에 따른 외부환경요인 정보를 반영하여 정확한 SOH를 추정할 수 있다.
또한, 전압 센서에 의해 각 슈퍼캐패시터의 전압 변화량을 측정하고, 전압 변화량에 따라 각 전지의 충전시간을 다르게 하도록 개별 스위치 구성하여 슈퍼캐패시터 간의 SOH를 비슷하게 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용된 이동하는 장치에 슈퍼캐패시터 팩이 설치된 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 장치의 블록도이다.
도 3은 도 2의 전압 측정부의 절연 전압 센서의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 슈퍼캐패시터의 전압과 온도 간의 관계에 대한 테이블이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 장치의 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법의 흐름도이다.
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 실시예에 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 발명이 적용된 이동하는 장치에 슈퍼캐패시터 팩이 설치된 경우를 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 이동하는 차량(1)과 같은 장치에 슈퍼캐패시터 팩(2)이 설치된 경우 날씨 등 외부환경에 의해 실시간으로 영향을 받기 때문에 외부환경요인을 SOH(State of Health, 기대수명 또는 건전 상태)의 추정에 반영하여 정확도를 높일 수 있다.
외부환경요인은 차량(1)에 장착된 GPS 센서(3) 등을 통해 위치를 확인하고, 해당 위치에 따른 기상자료 OPEN-API를 사용할 수 있다. 외부환경요인은 예를 들어, 온도, 습도, 풍속, 대기 정보 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 장치(10, 이하 장치)는 GPS 센서 및 전압 센서를 이용하여 슈퍼캐패시터 팩의 SOH(State of Health, 기대수명 또는 건전 상태)를 추정한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 장치(10)는 슈퍼캐패시터 팩(2)에 연결된 전압 측정부(110), 용량 및 내부저항 계산부(130), GPS 센서(3)와 통신하는 통신부(150) 및 SOH 추정부(170)를 포함한다. 일 실시예에 따라, 상기 장치(10)는 상기 SOH 추정부(170)에서 추정된 슈퍼캐패시터의 SOH를 표시하는 SOH 표시부(210)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 장치(10)는 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정을 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)가 설치되어 실행될 수 있으며, 상기 전압 측정부(110), 상기 용량 및 내부저항 계산부(130), 상기 통신부(150) 및 상기 SOH 추정부(170)의 구성은 상기 장치(10)에서 실행되는 상기 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정을 수행하기 위한 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다.
상기 장치(10)는 별도의 단말이거나 또는 단말의 일부 모듈일 수 있다. 또한, 상기 전압 측정부(110), 상기 용량 및 내부저항 계산부(130), 상기 통신부(150) 및 상기 SOH 추정부(170)의 구성은 통합 모듈로 형성되거나, 하나 이상의 모듈로 이루어 질 수 있다. 그러나, 이와 반대로 각 구성은 별도의 모듈로 이루어질 수도 있다.
상기 장치(10)는 이동성을 갖거나 고정될 수 있다. 상기 장치(10)는 디바이스(device), 기구(apparatus), 단말(terminal), UE(user equipment), MS(mobile station), 무선기기(wireless device), 휴대기기(handheld device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다.
상기 장치(10)는 운영체제(Operation System; OS), 즉 시스템을 기반으로 다양한 소프트웨어를 실행하거나 제작할 수 있다. 상기 운영체제는 소프트웨어가 장치의 하드웨어를 사용할 수 있도록 하기 위한 시스템 프로그램으로서, 안드로이드 OS, iOS, 윈도우 모바일 OS, 바다 OS, 심비안 OS, 블랙베리 OS 등 모바일 컴퓨터 운영체제 및 윈도우 계열, 리눅스 계열, 유닉스 계열, MAC, AIX, HP-UX 등 컴퓨터 운영체제를 모두 포함할 수 있다.
상기 전압 측정부(110)는 일정 시간 간격으로 슈퍼캐패시터 팩의 전압을 측정한다. 도 3은 도 2의 전압 측정부의 절연 전압 센서의 예를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 전압측정 회로는 ADC 와 OP 엠프(Amp)로 구성되며, 고전압 특성상 절연회로로 구성된다. 이와 같은 전압측정 회로를 통해 일정 간격(주기)로 전압을 측정하는 경우, 일반적인 교류 전류 및 용량은 다음의 수학식 1 및 수학식 2에 의해 정의된다.
[수학식 1]
Figure 112021036141237-pat00001
[수학식 2]
Figure 112021036141237-pat00002
이전 주기의 전압[V] 및 전류[A]를 V1, i1이라 정의하고, 현재 주기의 전압 및 전류를 V2, i2라고 정의하면, 현재 용량[F]은 아래의 수학식 3으로 정의할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112021036141237-pat00003
상기 용량 및 내부저항 계산부(130)는 상기 전압 측정부(110)에서 측정된 전압을 기초로 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC(Electric Double Layer Capacitor, 전기 이중층 캐패시터) 내부저항(Resr)을 계산한다.
이를 위해 먼저, 상기 용량 및 내부저항 계산부(130)는 슈퍼캐패시터 팩의 용량, EDLC(Electric Double Layer Capacitor, 전기 이중층 캐패시터) 내부저항(Resr) 및 손실저항(Rloss)의 초기값을 설정한다.
슈퍼캐패시터 팩의 EDLC 내부저항(Resr)은 캐패시터에서 전극에 의한 저항 성분, 유전체 재료에 의한 유전 손실이 합해져서 나타나는 기생 직렬 저항 성분으로, 등가 직렬 저항(Equivalent Serial Resistance, ESR)으로 정의된다.
슈퍼캐패시터 팩의 용량과 EDLC 내부저항(Resr) 및 손실저항(Rloss)의 초기값은 각 슈퍼캐패시터의 스펙에 따라 다르게 설정될 수 있다.
수학식 3에서, 저항 R은 EDLC 내부저항(Resr)과 와이어(wire), 버스 바(bus bar) 등에서 손실되는 손실 저항(Rloss)의 합으로 아래의 수학식 4와 같이 정의된다.
[수학식 4]
Figure 112021036141237-pat00004
수학식 4를 대입하여 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)을 재정의하면, 아래의 수학식 5와 같이 정의된다.
[수학식 5]
Figure 112021036141237-pat00005
수학식 5에서 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC 내부저항(Resr)의 초기값을 가지고 있는 경우, 이후부터는 상기 2개 값의 추정이 용이하다. 즉, 각각의 값을 고정 상수로 설정하고 계산하면, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC 내부저항(Resr)이 초기 대비 얼마나 증가 또는 감소했는지 추정할 수 있다. 한편, 손실저항(Rloss)은 외부환경요인을 반영하여 설정할 수 있다.
상기 통신부(150)는 GPS 센서에 의한 위치 정보를 기초로 외부환경요인에 대한 정보를 수신한다.
본 발명은 손실저항(Rloss)에 포함되는 외부환경요소를 측정할 수 있도록 위치 정보를 확인하는 GPS 센서(3)를 통해 위치정보 확인 후 현재 위치에 따른 외부환경요인 정보를 반영하여 정확한 SOH를 추정한다. 이에 따라, 외부환경요인을 손실저항(Rloss)으로 실시간 반영하여 정확한 SOH 추정이 가능하다.
특히, 이동수단에 설치된 슈퍼캐패시터의 경우 실시간으로 변하는 외부환경요소를 반영할 수 있고, 외부환경요소는 온도, 습도, 풍속, 대기정보 등을 포함할 수 있다.
상기 통신부(150)는 GPS 센서(3)를 통해 위치정보를 파악하며, 예를 들어, 기상자료 OPEN-API를 통해 외부환경요소를 판단할 수 있다. 도 4는 슈퍼캐패시터의 전압과 온도 간의 관계에 대한 테이블이다.
도 4를 참조하면, 슈퍼캐패시터의 전압이 동일하더라도 외부 온도에 따라 슈퍼캐패시터의 사용 년수가 다름을 알 수 있다. 예를 들어, 2.7 V의 슈퍼캐패시터를 25도에서 사용하는 경우 약 13년을 사용하지만, 45도에서 사용하는 경우 약 2.4년, 65도에서 사용하는 경우 약 0.4년으로 수명이 매우 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
이러한 온도 등 외부환경요소는 수학식 5에서 손실저항(Rloss)으로 반영할 수 있다. 온도에 따라 손실저항(Rloss)을 다르게 설정할 수 있으며, 예를 들어, 실온에 가까운 경우 손실저항(Rloss)을 0에 가깝게 설정하고, 온도가 높아질수록 손실저항(Rloss)을 증가시킬 수 있다.
또한, 온도 이외의 습도, 풍속, 대기정보 등의 외부환경요소 역시 손실저항(Rloss)으로 반영할 수 있다. 이 경우, 온도가 SOH에 미치는 영향이 가장 크므로, 온도에 대한 가중치를 높게 설정한 후, 외부환경요소들의 가중치 합으로 손실저항(Rloss)을 설정할 수 있다.
상기 SOH 추정부(170)는 외부환경요인을 반영한 손실 저항을 기초로, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량에 따라 슈퍼캐패시터 팩의 수명(State of Health, SOH)을 추정한다.
상기 SOH 추정부(170)는 초기값에 대한 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량을 모니터링하여, 그 변화량에 따라 슈퍼캐패시터 팩의 수명(State of Health, SOH)을 추정한다.
수학식 5에서 손실저항(Rloss)을 외부환경요인을 반영하여 설정하고, 각 주기마다 측정하는 전압을 이용하여 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C) 및 EDLC 내부저항(Resr)의 초기값 대비 변화량을 추정할 수 있다. 일반적으로, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)은 낮아질수록 기대 수명이 낮아지고, EDLC 내부저항(Resr)은 높아질수록 기대 수명이 낮아진다.
일 실시예에서, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)의 변화량의 구간 및 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량의 구간에 따른 룩 업 테이블(Look up table)을 통해 기대 수명을 추정할 수 있다.
예를 들어, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)의 변화량은 초기용량의 0 내지 30%, 30% 내지 60%, 60% 내지 90% 구간으로 나누거나, 0 내지 20%, 20% 내지 40%, 40% 내지 60% 구간, 60% 내지 80%, 80% 내지 100% 구간으로 분류할 수 있다. 또한, 슈퍼캐패시터 팩의 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량은 초기 스펙저항의 0 내지 50%, 50% 내지 100% 등으로 분류할 수 있다.
만약, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)의 변화량이 55%이고, EDLC 내부저항(Resr)의 변화량이 90%인 경우, 해당하는 룩 업 테이블(Look up table)의 요소로부터 슈퍼캐패시터 팩의 수명(State of Health, SOH) 또는 상태를 추정할 수 있다. 룩 업 테이블(Look up table)은 기존 스펙에 따른 실험으로부터 미리 만들어지거나 저장될 수 있다.
다른 실시예에서, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량의 가중치 합을 통해 슈퍼캐패시터 팩의 수명(State of Health, SOH)을 추정할 수 있다. 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)의 변화량과 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량의 중요도에 따라 가중치를 부여하고, 그 가중치 합에 따른 값으로 룩 업 테이블(Look up table)을 통해 슈퍼캐패시터 팩의 수명(State of Health, SOH) 또는 상태를 추정할 수 있다.
이에 따라, 슈퍼캐패시터 팩의 SOH(State of Health, 기대수명 또는 건전 상태)를 파악하여 적절한 교환 시기를 파악할 수 있다. 또한, 각 슈퍼캐패시터에 개별 스위치를 연결하여 슈퍼캐패시터 팩으로부터 문제가 있는 슈퍼캐패시터를 식별하여 일부만 교체할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 장치의 블록도이다.
본 실시예에 따른 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 장치(30, 이하 장치)는 스위치(S1, S2, ... Sn)와 연결된 다는 점과 충전 제어부(190)를 포함한다는 점을 제외하고, 도 2의 실시예에 따른 장치(10)와 동일하므로, 동일한 구성요소에 대하여 중복되는 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 장치(30)는 슈퍼캐패시터 팩의 각 슈퍼캐패시터에 개별 스위치(S1, S2, ... Sn)와 연결되어, 개별 스위치(S1, S2, ... Sn)의 온/오프(on/off)를 통해 전압 측정부(110)는 각 슈퍼캐패시터의 전압을 측정할 수 있다.
예를 들어, 다수의 셀의 전압을 각각 측정하는 회로의 경우, 현재 슈퍼캐패시터 팩의 관리 전용 IC 내부에 ADC와 개별 FET 스위치가 포함되어 1개의 IC로 다수의 셀을 관리할 수 있다.
개별 스위치(S1, S2, ... Sn)의 온/오프(on/off)에 따라, SOH 추정부(170)는 각 슈퍼캐패시터의 수명을 추정하거나, 두 개 이상의 슈퍼캐패시터 조합의 수명을 추정할 수 있다.
충전 제어부(190)는 상기 SOH 추정부(170)에서 추정한 각 슈퍼캐패시터의 수명을 참조하여, 각 슈퍼캐패시터의 전압 변화량에 따라 충전 시간을 다르게 설정할 수 있다.
상기 충전 제어부(190)는 각 슈퍼캐패시터의 충전 시간 역시 개별 스위치(S1, S2, ... Sn)의 온/오프(on/off)을 통해 제어할 수 있다.
제조시점에서 슈퍼캐패시터의 SOH는 100%가 아니며, SOH가 모두 상이하다. 이와 같이, SOH가 다르기 때문에 제대로 충전되지 않은 슈퍼캐패시터가 발생하며, 이로 인해 연결된 전체 배터리 팩 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 스위치의 제어를 통해 각각 슈퍼캐패시터의 충전을 제어하여 슈퍼캐패시터 간 SOH를 비슷하게 유지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법의 흐름도이다.
본 실시예에 따른 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법은, 도 2의 장치(10) 또는 도 5의 장치(30)와 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 2의 장치(10) 또는 도 5의 장치(30)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다.
또한, 본 실시예에 따른 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법은 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정을 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)에 의해 실행될 수 있다.
본 발명은 이동하는 차량과 같은 장치에 슈퍼캐패시터 팩이 설치된 경우 날씨 등 외부환경에 의해 실시간으로 영향을 받기 때문에 SOH(State of Health, 기대수명 또는 건전 상태)의 추정에 대한 정확도를 높이기 위해 외부환경요인을 반영한다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법은, 일정 시간 간격으로 슈퍼캐패시터 팩의 전압을 측정한다(단계 S10).
이 경우, 슈퍼캐패시터 팩을 구성하는 각각의 슈퍼캐패시터에 연결된 개별 스위치의 온/오프(on/off)를 통해 적어도 하나의 슈퍼캐패시터의 전압을 선택적으로 측정할 수 있다.
측정된 전압을 기초로 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC(Electric Double Layer Capacitor, 전기 이중층 캐패시터) 내부저항(Resr)을 계산한다(단계 S20).
이를 위해 먼저, 상기 용량 및 내부저항 계산부(130)는 슈퍼캐패시터 팩의 용량, EDLC(Electric Double Layer Capacitor, 전기 이중층 캐패시터) 내부저항(Resr) 및 손실저항(Rloss)의 초기값을 설정한다.
슈퍼캐패시터 팩의 EDLC 내부저항(Resr)은 캐패시터에서 전극에 의한 저항 성분, 유전체 재료에 의한 유전 손실이 합해져서 나타나는 기생 직렬 저항 성분으로, 등가 직렬 저항(Equivalent Serial Resistance, ESR)으로 정의된다.
슈퍼캐패시터 팩의 용량과 EDLC 내부저항(Resr) 및 손실저항(Rloss)의 초기값은 각 슈퍼캐패시터의 스펙에 따라 다르게 설정될 수 있다.
슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC 내부저항(Resr)의 초기값을 가지고 있는 경우, 이후부터는 상기 2개 값의 추정이 용이하다. 즉, 각각의 값을 고정 상수로 설정하고 계산하면, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC 내부저항(Resr)이 초기 대비 얼마나 증가 또는 감소했는지 추정할 수 있다. 한편, 손실저항(Rloss)은 외부환경요인을 반영하여 설정할 수 있다.
GPS 센서에 의한 위치 정보를 기초로 외부환경요인에 대한 정보를 수신한다(단계 S30).
본 발명은 손실저항(Rloss)에 포함되는 외부환경요소를 측정할 수 있도록 위치 정보를 확인하는 GPS 센서를 통해 위치정보 확인 후 현재 위치에 따른 외부환경요인 정보를 반영하여 정확한 SOH를 추정한다. 이에 따라 외부환경요인을 손실저항(Rloss)으로 실시간 반영하여 정확한 SOH 추정이 가능하다.
특히, 이동수단에 설치된 슈퍼캐패시터의 경우 실시간으로 변하는 외부환경요소를 반영할 수 있고, 외부환경요소는 온도, 습도, 풍속, 대기정보 등을 포함할 수 있다.
GPS 센서에 의한 위치 정보를 기초로 기상 자료 OPEN-API를 통해 외부 온도, 습도, 풍속 및 대기 정보 중 적어도 하나를 포함하는 외부환경요인에 대한 정보를 주기적으로 수신할 수 있다.
이러한 온도 등 외부환경요소는 손실저항(Rloss)으로 반영할 수 있다. 온도에 따라 손실저항(Rloss)을 다르게 설정할 수 있으며, 예를 들어, 실온에 가까운 경우 손실저항(Rloss)을 0에 가깝게 설정하고, 온도가 높아질수록 손실저항(Rloss)을 증가시킬 수 있다.
또한, 온도 이외의 습도, 풍속, 대기정보 등의 외부환경요소 역시 손실저항(Rloss)으로 반영할 수 있다. 이 경우, 온도가 SOH에 미치는 영향이 가장 크므로, 온도에 가중치를 높게 설정한 후, 외부환경요소들의 가중치 합으로 손실저항(Rloss)을 설정할 수 있다.
외부환경요인을 반영한 손실 저항을 기초로, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량에 따라 슈퍼캐패시터 팩의 수명(State of Health, SOH)을 추정한다(단계 S40).
초기값에 대한 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량을 모니터링하여, 그 변화량에 따라 슈퍼캐패시터 팩의 수명(State of Health, SOH)을 추정한다.
수학식 5에서 손실저항(Rloss)을 외부환경요인을 반영하여 설정하고, 각 주기마다 측정하는 전압을 이용하여 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C) 및 EDLC 내부저항(Resr)의 초기값 대비 변화량을 추정할 수 있다. 일반적으로, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)은 낮아질수록 기대 수명이 낮아지고, EDLC 내부저항(Resr)은 높아질수록 기대 수명이 낮아진다.
일 실시예에서, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)의 변화량의 구간 및 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량의 구간에 따른 룩 업 테이블(Look up table)을 통해 기대 수명을 추정할 수 있다.
예를 들어, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)의 변화량은 초기용량의 0 내지 30%, 30% 내지 60%, 60% 내지 90% 구간으로 나누거나, 0 내지 20%, 20% 내지 40%, 40% 내지 60% 구간, 60% 내지 80%, 80% 내지 100% 구간으로 분류할 수 있다. 또한, 슈퍼캐패시터 팩의 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량은 초기 스펙저항의 0 내지 50%, 50% 내지 100% 등으로 분류할 수 있다.
만약, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)의 변화량이 55%이고, EDLC 내부저항(Resr)의 변화량이 90%인 경우, 해당하는 룩 업 테이블(Look up table)의 요소로부터 슈퍼캐패시터 팩의 수명(State of Health, SOH) 또는 상태를 추정할 수 있다. 룩 업 테이블(Look up table)은 기존 스펙에 따른 실험으로부터 미리 만들어지거나 저장될 수 있다.
다른 실시예에서, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량의 가중치 합을 통해 슈퍼캐패시터 팩의 수명(State of Health, SOH)을 추정할 수 있다. 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)의 변화량과 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량의 중요도에 따라 가중치를 부여하고, 그 가중치 합에 따른 값으로 룩 업 테이블(Look up table)을 통해 슈퍼캐패시터 팩의 수명(State of Health, SOH) 또는 상태를 추정할 수 있다.
이에 따라, 슈퍼캐패시터 팩의 SOH(State of Health, 기대수명 또는 건전 상태)를 파악하여 적절한 교환 시기를 파악할 수 있다. 또한, 각 슈퍼캐패시터에 개별 스위치를 연결하여 슈퍼캐패시터 팩으로부터 문제가 있는 슈퍼캐패시터를 식별하여 일부만 교체할 수도 있다.
다른 실시예에서, 각 슈퍼캐패시터의 전압 변화량에 따라 각 슈퍼캐패시터의 충전 시간을 다르게 설정하는 단계(단계 S50)를 더 포함할 수 있다.
추정한 각 슈퍼캐패시터의 수명을 참조하여, 각 슈퍼캐패시터의 전압 변화량에 따라 충전 시간을 다르게 설정할 수 있다. 각 슈퍼캐패시터의 충전 시간 역시 개별 스위치의 온/오프(on/off)을 통해 제어할 수 있다.
제조시점에서 슈퍼캐패시터의 SOH는 100%가 아니며, SOH가 모두 상이하다. 이와 같이, SOH가 다르기 때문에 제대로 충전되지 않은 슈퍼캐패시터가 발생하며, 이로 인해 연결된 전체 배터리 팩 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 스위치의 제어를 통해 각각 슈퍼캐패시터의 충전을 제어하여 슈퍼캐패시터 간 SOH를 비슷하게 유지할 수 있다.
이와 같은, 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법은 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, DVD와 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 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 외부환경을 고려하기 위한 GPS 센서 및 전압 변화량을 측정하기 위한 전압 센서를 이용하여 슈퍼캐패시터 팩의 SOH(State of Health, 기대수명 또는 건전 상태)를 추정하므로, 각기 다른 환경에서 사용되는 슈퍼캐패시터 팩에 유용하게 적용할 수 있다.
10, 30: 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 장치
110: 전압 측정부
130: 용량 및 내부저항 계산부
150: 통신부
170: SOH 추정부
190: 충전 제어부
210: SOH 표시부
1: 차량
2: 슈퍼캐패시터 팩
3: GPS 센서

Claims (10)

  1. 일정 시간 간격으로 슈퍼캐패시터 팩의 전압을 측정하는 단계;
    측정된 전압을 기초로 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC(Electric Double Layer Capacitor, 전기 이중층 캐패시터) 내부저항(Resr)을 계산하는 단계;
    GPS 센서에 의한 위치 정보를 기초로 외부환경요인에 대한 정보를 수신하는 단계; 및
    외부환경요인을 반영한 손실 저항을 기초로, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량에 따라 슈퍼캐패시터 팩의 수명(State of Health, SOH)을 추정하는 단계;를 포함하고,
    상기 GPS 센서에 의한 위치 정보를 기초로 외부환경요인에 대한 정보를 수신하는 단계는,
    GPS 센서에 의한 위치 정보를 기초로 기상 자료 OPEN-API를 통해 외부 온도, 습도, 풍속 및 대기 정보 중 적어도 하나를 포함하는 외부환경요인에 대한 정보를 주기적으로 수신하며,
    상기 슈퍼캐패시터 팩의 수명을 추정하는 단계는,
    외부환경요인 중 외부 온도의 가중치를 높게 설정하여 외부환경요인들의 가중치 합으로 손실 저항을 설정하는, 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 일정 시간 간격으로 슈퍼캐패시터 팩의 전압을 측정하는 단계는,
    슈퍼캐패시터 팩을 구성하는 각각의 슈퍼캐패시터에 연결된 개별 스위치의 온/오프(on/off)를 통해 적어도 하나의 슈퍼캐패시터의 전압을 선택적으로 측정하는, 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    각 슈퍼캐패시터의 전압 변화량에 따라 각 슈퍼캐패시터의 충전 시간을 다르게 설정하는 단계;를 더 포함하는, 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 따른 상기 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체.
  6. 일정 시간 간격으로 슈퍼캐패시터 팩의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    측정된 전압을 기초로 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC(Electric Double Layer Capacitor, 전기 이중층 캐패시터) 내부저항(Resr)을 계산하는 용량 및 내부저항 계산부;
    GPS 센서에 의한 위치 정보를 기초로 외부환경요인에 대한 정보를 수신하는 통신부; 및
    외부환경요인을 반영한 손실 저항을 기초로, 슈퍼캐패시터 팩의 용량(C)과 EDLC 내부저항(Resr)의 변화량에 따라 슈퍼캐패시터 팩의 수명(State of Health, SOH)을 추정하는 SOH 추정부;를 포함하고,
    상기 통신부는,
    GPS 센서에 의한 위치 정보를 기초로 기상 자료 OPEN-API를 통해 위치에 따른 외부 온도, 습도, 풍속 및 대기 정보 중 적어도 하나를 포함하는 외부환경요인에 대한 정보를 주기적으로 수신하며,
    상기 SOH 추정부는,
    외부환경요인 중 외부 온도의 가중치를 높게 설정한 외부환경요인들의 가중치 합으로 손실 저항을 설정하는, 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전압 측정부는,
    슈퍼캐패시터 팩을 구성하는 각각의 슈퍼캐패시터에 연결된 개별 스위치의 온/오프(on/off)를 통해 적어도 하나의 슈퍼캐패시터의 전압을 선택적으로 측정하는, 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    각 슈퍼캐패시터의 전압 변화량에 따라 각 슈퍼캐패시터의 충전 시간을 다르게 설정하는 충전 시간 제어부;를 더 포함하는, 센서를 이용한 슈퍼캐패시터 팩의 수명 추정 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
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