KR102553358B1 - 지능형 배터리 센서 및 이의 배터리 내부 저항 연산방법 - Google Patents

지능형 배터리 센서 및 이의 배터리 내부 저항 연산방법 Download PDF

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Abstract

배터리 내부 저항 연산방법이 개시된다. 이 연산방법은, 프로세서에 의해, 엔진 회전수에 따라 발전하는 발전기로부터 배터리로 입력되는 전류값과 상기 배터리의 전압값을 이용하여 상기 배터리의 내부 저항값(이하, '현재의 내부 저항값')을 연산하는 단계; 상기 프로세서에 의해, 상기 배터리로 입력되는 전류의 주파수를 연산하는 단계; 상기 프로세서에 의해, 상기 연산된 전류의 주파수와 기준 주파수를 비교하는 단계; 상기 연산된 전류의 주파수와 상기 기준 주파수를 비교한 비교 결과에 따라, 이전의 내부 저항값을 상기 현재의 내부 저항값으로 업데이트하는 단계를 포함하고, 상기 기준 주파수는, 상기 배터리로 입력되는 전류의 주파수 변화에 따른 상기 배터리의 내부 저항값 변화를 나타내는 그래프에서 비선형적 반비례 특성이 나타나는 저주파수 영역의 상한치를 나타내는 주파수임을 특징으로 한다.

Description

지능형 배터리 센서 및 이의 배터리 내부 저항 연산방법{INTELLIGENT BATTERY SENSOR AND BATTERY INTERNAL RESISTANCE ESTIMATION METHOD THEREOF}
본 발명은 차량용 배터리의 내부 저항을 연산하는 방법에 관한 것이다.
배터리의 내부저항은 배터리의 노화도, 충전량 등을 나타낼 수 있는 중요한 요소이다. 현재 IBS(Intelligent Battery Sensor)는 배터리의 전압, 전류, 온도를 측정하여 배터리의 충전상태 (SOC:State of Charge), 배터리 건강상태(SOH:State of Health),배터리 액온(BTM:Battery Temperature Model) 값을 연산하여 엔진 ECU로 송출하는 역할을 담당한다. 특히나 배터리의 내부저항은 SOC, SOH를 계산하는 데에 있어 배터리의 상태를 나타내는 지표로 사용되기 때문에, 배터리 내부저항을 정확하게 계산하는 것은 배터리의 상태 계산 알고리즘에 매우 중요한 요소이다.
배터리의 내부저항을 알고리즘적으로 연산하기 위하여 배터리의 내부를 모델링하는 여러 가지 방법들이 이론적으로 제시되어 있지만 전류의 주파수를 고려하고 있지 않기 때문에, 연산 오차가 존재한다.
구체적으로 설명하면, 차량용 배터리는 엔진의 회전을 이용하여 발전하는 발전기의 발전에너지에 의해 충전된다. 즉, 차량용 배터리는 발전기에서 공급되는 충전 전류에 의해 충전된다.
발전기로부터 얻을 수 있는 충전 전류는 엔진의 회전수에 따라 리플 성분을 포함하는데, 이러한 리플 성분의 영향으로 인해 배터리에는 충전 시, 순수한 DC 형태의 전류가 아니라 AC 성분을 포함하는 DC 형태의 전류가 충전된다. 배터리의 방전 시에는, 배터리가 차량 내의 전자 장치의 부하에 의하여 방전되기 때문에, DC 성분으로 방전된다.
충전 과정에서 발생하는 전류의 리플 성분에 따른 전류의 변화량은 전압의 변화를 일으키고, 이러한 전류 및 전압의 변화량은 배터리의 내부저항을 연산하는데 중요한 요소로 작용하게 된다.
배터리에 공급되는 충전 전류의 변화량은 충전 전류의 주파수 성분으로 해석할 수 있으며, 도 1에는 x축이 충전 전류의 주파수이고, y축이 배터리 임피던스(Z_real, 배터리 내부 저항)로 나타내는 그래프가 도시된다.
도 1을 참조하면, 차량에서 발전기를 통해 입력되는 전류의 주파수 영역은 통상 50Hz~1KHz 이내로서, 이 주파수 영역에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 임피던스(Z_real)와 충전 전류의 주파수가 비선형적으로 반비례함을 볼 수 있다.
특히, 50Hz~1KHz 내에서, 저주파수 영역, 즉, 1Hz~100Hz 사이에서는 배터리 임피던스(Z_real)와 충전 전류의 주파수 간이 비선형적 반비례 특성이 강하게 나타난다. 때문에, 저주파수 영역에서는 일정하게 나타나는 배터리의 고유 내부 저항을 정확하게 연산하는 것이 어렵다.
만일, 신뢰할 수 있는 주파수 영역, 즉, 저주파수 영역을 제외한 나머지 영역에서 배터리의 내부 저항을 연산한다면, 그 연산 결과의 신뢰성을 확보할 수 있지만, 아직까지 배터리로 입력되는 전류의 주파수 영역을 고려하여 배터리의 내부 저항을 연산하는 방법은 알려진 바 없다.
본 발명의 목적은 차량용 배터리를 충전하는 충전 전류의 전체 주파수 영역 중에서 신뢰할 수 있는 주파수 영역에서 배터리의 내부저항을 연산하는 지능형 배터리 센서 및 이의 배터리 내부 저항 연산방법을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 배터리 내부 저항 연산방법은, 프로세서에 의해, 엔진 회전수에 따라 발전하는 발전기로부터 배터리로 입력되는 전류값과 상기 배터리의 전압값을 이용하여 상기 배터리의 내부 저항값(이하, '현재의 내부 저항값')을 연산하는 단계; 상기 프로세서에 의해, 상기 배터리로 입력되는 전류의 주파수를 연산하는 단계; 상기 프로세서에 의해, 상기 연산된 전류의 주파수와 기준 주파수를 비교하는 단계; 상기 연산된 전류의 주파수와 상기 기준 주파수를 비교한 비교 결과에 따라, 이전의 내부 저항값을 상기 현재의 내부 저항값으로 업데이트하는 단계를 포함하고, 상기 기준 주파수는, 상기 배터리로 입력되는 전류의 주파수 변화에 따른 상기 배터리의 내부 저항값 변화를 나타내는 그래프에서 비선형적 반비례 특성이 나타나는 저주파수 영역의 상한치를 나타내는 주파수임을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일면에 따른 지능형 배터리 센서는, 엔진 회전수에 따라 발전하는 발전기로부터 배터리로 입력되는 전류값과 상기 배터리의 전압값을 획득하는 배터리 센서부; 상기 전류값과 상기 전압값을 이용하여, 상기 배터리의 내부 저항값(이하, '현재의 내부 저항값')과 상기 배터리로 입력되는 전류의 주파수를 연산하고, 상기 연산된 전류의 주파수와 기준 주파수를 비교한 결과에 따라, 이전의 내부 저항값을 상기 현재의 내부 저항값으로 업데이트하는 프로세서; 및 상기 업데이트된 내부 저항값을 저장하는 메모리를 포함하고, 상기 기준 주파수는,
상기 배터리로 입력되는 전류의 주파수 변화에 따른 상기 배터리의 내부 저항값 변화를 나타내는 그래프에서 비선형적 반비례 특성이 나타나는 저주파수 영역의 상한치를 나타내는 주파수임을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 배터리로 입력되는 전류의 주파수를 고려하여, 배터리의 내부 저항값을 연산하기 때문에, 배터리로 입력되는 전류가 낮은 저주파수를 갖는 상황에서 연산되는 배터리의 내부 저항값을 배제함으로써, 배터리의 내부 저항값의 신뢰성을 개선할 수 있다.
도 1은 배터리로 입력되는 전류의 주파수 변화에 따른 배터리의 임피던스(Z_real 또는 내부저항) 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 배터리 센서를 포함하는 차량용 배터리 시스템의 전체 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시한 지능형 배터리 센서의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 배터리 센서의 배터리 내부 저항 연산방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시 예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시 예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예 들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 배터리 센서를 포함하는 차량용 배터리 시스템의 전체 구성도이다.
도 2를 참조하면, 지능형 배터리 센서 (Intelligent Battery Sensor: IBS) (60)는 차량 배터리 (50, 이하, 배터리)의 음의 단자 (44)에 장착되고, 배터리(50)의 양의 단자(42)와 차량 샤시 그라운드(70, vehicle chassis ground)를 전기적으로 연결한다.
전자 장치(40)는 배터리(50)의 양의 단자(42)와 차량 샤시 그라운드(70)를 전기적으로 연결하여 배터리(50)에 충전된 전기 에너지를 소모하는 부하이다.
발전기(20)는 엔진(10)의 회전에 따라 발전하여, 배터리(50)의 양의 단자(42)로 충전 전류(이하, 전류)를 공급한다.
지능형 배터리 센서(60)는 배터리(50)의 양의 단자(42)로 입력되는 전류와 이 전류에 의한 배터리(50)의 전압을 측정하여 그 측정값(전류값과 전압값)을 로우 데이터(raw data)로 획득하고, 획득된 로우 데이터(전류값과 전압값)을 이용하여 배터리(50)의 내부 저항값(Rdi)을 연산한다. 이때, 지능형 배터리 센서(60)는 배터리(50)의 양의 단자(42)로 입력되는 전류의 주파수를 연산하고, 연산된 주파수가 신뢰할 수 있는 주파수 영역에 속하는지를 판단하여 신뢰할 수 있는 주파수 영역에 속하면, 이전에 연산한 내부 저항값(이하, 이전의 배터리 내부 저항값: 이전의 Rdi)을 현재에 연산한 내부 저항값(이하, 현재의 배터리 내부 저항값: 현재의 Rdi)으로 업데이트하고, 연산된 주파수가 신뢰할 수 있는 주파수 영역을 벗어나면, 이전의 내부 저항값을 유지한다.
이하, 도 3을 참조하여, 지능형 배터리 센서(60)에 대해 상세히 기술한다.
도 3은 도 2에 도시한 지능형 배터리 센서의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 지능형 배터리 센서(60)는 배터리 센서부(110), 프로세서(120) 및 메모리(130)를 포함한다.
배터리 센서부(110)는 배터리(50)의 내부 저항을 연산하기 위한 로우 데이터, 즉, 배터리(50)로 입력되는 전류값(I)과 이 전류값(I)에 의한 배터리(50)의 전압값(V)을 획득하기 위한 구성으로, 배터리(50)로 입력되는 전류값(I)을 실시간으로 센싱하는 배터리 전류센서(112)와 배터리(50)의 전압값(V)을 실시간으로 센싱하는 배터리 전압센서(114)를 포함하도록 구성될 수 있다.
프로세서(120)는 배터리 센서부(110)에 의해 획득된 전류값(I)과 전압값(V)을 이용하여 배터리(50)의 내부 저항(Rdi)을 연산하는 구성으로, 범용의 프로세서일 수 있다. 프로세서(120)는 배터리(50)의 내부 저항(Rdi)을 연산하기 위해, 배터리로 입력되는 전류의 주파수(Ifrq) 및 배터리(50)의 전압값과 전류값 간의 상관 관계를 수치화한 상관계수(CC, Correlation Coefficient)를 연산한다.
메모리(130)는 배터리(50)의 내부 저항값(Rdi)을 연산하기 위한 알고리즘, 배터리(50)의 내부 저항(Rdi)을 연산하는 데 필요한 데이터 및 상기 알고리즘의 실행에 따라 프로세서(120)에 의해 연산된 이전의 배터리 내부 저항값(134)을 저장한다. 배터리(50)의 내부 저항(Rdi)을 연산하는 데 필요한 데이터는 기준 주파수(132, REFfrq)와 기준 상관 계수(CCLimit)를 포함한다.
기준 주파수(132, REFfrq)는 배터리(도 1의 50)의 양의 단자(도 1의 42)로 입력되는 전류가 나타낼 수 있는 전체 주파수 영역에서 배터리 내부 저항값(Rdi)의 정확한 연산을 위해 신뢰할 수 있는 주파수 영역을 구분하는 기준일 수 있다. 예를 들면, 발전기(20)에서 배터리(50)로 입력되는 현재 전류의 주파수가 기준 주파수(132, REFfrq)보다 작으면, 상기 현재의 전류는 배터리 내부 저항값(Rdi)을 연산하는데 신뢰할 수 없는 데이터로 판정하고, 반대로, 기준 주파수(132, REFfrq)보다 크면, 현재의 전류는 배터리 내부 저항값(Rdi)을 연산하는데 신뢰할 수 있는 데이터로 판정한다. 이러한 기준 주파수(132, REFfrq)는 설계에 따라 다양한 값으로 설정될 수 있으며, 예를 들면, 도 1에 도시한 바와 같이, 비선형 반비례 특성이 강한 저주파수 영역 1~100Hz에서 상한치를 나타내는 최대 주파수 100Hz일 수 있다.
기준 상관 계수(CCLimit)는, 프로세서(120)에 의해 연산된 현재의 배터리 내부 저항값(Rdi)의 신뢰성을 더욱 보장하기 위해, 프로세스(120)에서 연산한 현재의 상관 계수(CC, Correlation Coefficient)와 비교되는 값으로, 이러한 비교 과정을 통해 배터리(50)로 입력되는 전류의 주파수로부터 차량 정차 상태(IDLE 상태)를 판별하기 위해, 현재의 상관 계수(CC)와 비교되는 값으로 활용된다.
이하, 전술한 프로세서(120)에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
프로세서(120)는 전류 주파수 연산부(120-1), 내부 저항 연산부(120-3), 상관계수 연산부(120-5), 제1 비교부(120-7), 기준 상관 계수 보상부(120-9), 제2 비교부(120-11), 플래그 생성부(120-13) 및 내부 저항 결정부(120-15)를 포함한다.
각 구성들(120-1~120-15)은 소프트웨어 모듈 또는 하드웨어 모듈로 구현될 수 있으며, 소프트웨어 모듈의 경우, 메모리(130)에 저장된 상태에서 프로세서(120)의 요청에 따라 실행될 수 있으며, 하드웨어 모듈의 경우, 프로세서(120) 내에 임베딩될 수 있다.
전류 주파수 연산부(120-1)는 배터리 전류센서(112)에 의해 측정된 전류의 주파수, 즉, 배터리(50)로 입력되는 전류의 주파수(Ifrq)를 실시간으로 연산한다. 배터리(50)로 입력되는 전류의 주파수(Ifrq)를 연산하는 방법으로, FFT(Fast Fourier Transform) 기법, 제로 크로싱 검출(zero crossing detection) 기법 등이 이용될 수 있으며, 시간 영역에서의 실시간 연산에 따른 프로세서(120)의 부하를 줄이기 위해, 제로 크로싱 검출 기법을 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 제로 크로싱 검출 기법에 따르면, 배터리(50)로 입력되는 전류가 제로(zero) 점을 크로싱하는 횟수를 계산함으로써, 배터리로 입력되는 전류의 주파수(Ifrq)를 적은 연산량으로 간단하게 계산할 수 있다.
내부 저항 연산부(120-3)는 배터리 전류센서(112)에 의해 실시간으로 획득된 전류값(I)과 배터리 전압센서(114)에 의해 실시간으로 획득된 전압값(V)을 이용하여 배터리 내부 저항값(Rdi)을 실시간으로 연산하고, 연산된 내부 저항값(Rdi)을 아래에서 설명하는 내부 저항 결정부(120-15)로 전달한다.
상관 계수 연산부(120-5)는 배터리 내부 저항값(Rdi)의 연산 성능을 높이기 위해, 상기 전류값(I)과 상기 전압값(V) 간의 상관관계를 나타내는 상관계수(CC)를 실시간으로 연산하고, 연산된 상관 계수(CC)를 아래에서 설명하는 제2 비교부(120-11)로 전달한다. 상관계수(CC)를 연산하는 방법으로 최소 자승법(Least Square Method)이 이용될 수 있다.
제1 비교부(120-7)는 전류 주파수 연산부(120-1)에서 연산한 전류의 주파수(Ifrq)와 기준 주파수(REFfrq)를 비교하고, 그 비교 결과를 기준 상관 계수 보정부(120-9)로 전달한다. 여기서, 기준 주파수(REFfrq)는 배터리로 입력되는 현재의 전류의 주파수(Ifrq)가 저주파수 영역에 속하는지를 판별하기 위한 기준값으로서, 상기 저주파수 영역(예를 들면, 1~100Hz)의 상한치(예를 들면, 100Hz)으로 정의할 수 있다.
기준 상관 계수 보정부(120-9)는 제1 비교부(120-7)의 비교 결과에 따라 기준 상관 계수(CCLimit)를 보정하고, 그 보정된 기준 상관 계수(CCLimit')를 제2 비교부(120-11)로 전달한다.
구체적으로, 기준 상관 계수 보정부(120-9)는 제1 비교부(120-7)의 비교 결과에 따라 현재의 전류의 주파수(Ifrq)가 기준 주파수(REFfrq) 보다 크면, 사전에 설정한 기준 상관 계수(CCLimit)를 그대로 유지한다. 반대로, 현재의 전류의 주파수(Ifrq)가 기준 주파수(REFfrq) 보다 작거나 같으면, 기준 상관 계수(CCLimit)를 보정하고, 보정된 기준 상관 계수(CCLimit')를 아래에서 설명하는 플래그 생성부(120-13)로 전달한다.
발전기는 엔진과 기계적인 링크로 연결된다. 때문에, 발전기의 회전과 엔진 회전은 밀접한 연관성을 갖는다. 일반적으로 발전기와 엔진은 3:1의 회전수 비를 갖는다. 이것은 발전기에서 배터리로 입력되는 전류의 주파수가 엔진 회전(rpm)과 밀접한 관련이 있음을 의미한다. 기준 상관 계수(CCLimit)는 차량 정차 상태(IDLE 상태)를 찾기 위해, 상관 계수 연산부(120-5)에서 연산된 현재의 상관 계수와 비교되는 값이다. 차량 상태에 따라 차량 정차 상태에서의 엔진 회전수는 다르기 때문에, 차량 상태에 따라 기준 상관 계수(CCLimit)는 보정될 필요가 있다.
기준 상관 계수(CCLimit)의 보정을 위해, 차량 정차 상태(엔진 rpm), 전류의 주파수 및 기준 상관 계수 간의 관계를 사전에 학습하고, 그 학습 결과를 기반으로, 연산된 현재 전류의 주파수 및/또는 엔진 rpm에 따라, 차량 정차 상태(IDLE 상태)를 구분하는 기준 상관 계수(CCLimit)를 보정한다.
제2 비교부(120-11)는 상관 계수 연산부(120-5)에서 연산된 현재의 상관계수(CC)와 기준 상관 계수 보상부(120-9)에서 보상된 기준 상관 계수(CCLimit')(또는 보상되지 않은 디폴팅된 기준 상관 계수(CCLimit))를 비교하고, 그 비교 결과를 플래그 생성부(120-13)로 전달한다.
플래그 생성부(120-13)는 제2 비교부(120-11)의 비교결과에 따라 내부저항 연산부(120-3)에서 연산된 현재의 내부 저항값(현재의 Rdi)이 유효하거나 유효하지 않음을 지시하는 플래그 신호를 생성하고, 이를 내부저항 결정부(120-15)로 전달한다. 플래그 신호는 '1' 또는 '0'의 값을 가질 수 있으며, 예를 들면, 내부 저항 연산부(120-3)에서 연산된 현재의 내부 저항값(현재의 Rdi)이 유효한 경우, 플래그 신호는 '1'일 수 있고, 반대의 경우, 플래그 신호는 '0'일 수 있다.
내부 저항 결정부(120-15)는 상기 플래그 생성부(120-13)로부터의 플래그 신호에 따라 전술한 내부 저항 연산부(120-3)에 연산한 현재의 내부 저항값(현재의 Rdi)을 메모리(130)에 저장하여, 메모리(130)에 저장된 이전의 내부 저항값(이전의 Rdi)을 내부 저항 연산부(120-3)에 연산한 현재의 내부 저항값(현재의 Rdi)으로 업데이트하거나 메모리(130)에 저장된 이전의 내부 저항값(이전의 Rdi)을 그대로 유지한다. 예를 들면, 플래그 신호 '1'이 입력되면, 내부 저항 결정부(120-15)는 이전의 내부 저항값(이전의 Rdi)을 현재의 내부 저항값(현재의 Rdi)으로 업데이트하고, 플래그 신호 '0'이 입력되면, 이전의 내부 저항값(이전의 Rdi)을 그대로 유지한다.
이와 같이, 본 발명은 배터리로 입력되는 현재의 전류의 주파수가 배터리 내부저항을 연산하는데 신뢰할 수 없는 저주파수 영역에 속하면, 이전의 내부 저항값(이전의 Rdi)을 내부저항 연산부(120-3)에서 연산한 현재의 내부 저항값(현재의 Rdi)을 신뢰할 수 없는 데이터로 판정하여 이전의 내부 저항값(이전의 Rdi)을 유지하고, 배터리로 입력되는 현재의 전류의 주파수가 저주파수 영역의 상한치보다 크면, 내부저항 연산부(120-3)에서 연산한 현재의 내부 저항값(현재의 Rdi)을 신뢰할 수 있는 데이터로 판정하여 이전의 내부 저항값(이전의 Rdi)을 내부저항 연산부(120-3)에서 연산한 현재의 내부 저항값(현재의 Rdi)으로 업데이트한다. 이렇게 함으로써, 본 발명은 배터리 내부저항의 연산 신뢰성을 크게 개선할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 배터리 센서의 배터리 내부 저항 연산방법을 나타내는 순서도이다. 아래의 각 단계의 수행 주체는 도 3에 도시한 프로세서(120)로 가정한다. 설명의 이해를 돕기 위해, 도 2 및 3을 더 참조할 수 있다.
도 4를 참조하면, 먼저, 단계 S411에서, 기준 상관 계수(CCLimit)를 설정하는 과정이 수행된다. 기준 상관 계수(CCLimit)은 전술한 바와 같이, 배터리(50)로 입력되는 전류가 저주파수 영역에 속할 때, 차량의 정차 상태(IDLE 상태)를 찾기 위한 기준으로, 설계에 따라 다양하게 설정될 수 있고, 이렇게 설정된 기준 상관 계수(CCLimit)는 디폴트된 값으로 메모리(도 3의 130)에 저장된다.
이어, 단계 S413에서, 배터리 센서부(도 3의 110)가 발전기(도 2의 20)로부터 배터리(50)로 입력되는 전류와 이 전류에 의한 배터리(50)의 전압을 실시간으로 측정하여, 측정된 전류의 전류값과 측정된 전압의 전압값을 로우 데이터(raw data)로서 실시간으로 획득하는 과정이 수행된다.
이어, 단계 S415에서, 상기 획득된 전류값과 전압값을 이용하여 배터리(50)의 내부 저항값(Rdi)과 상기 획득된 전류값과 전압값 간의 상관 관계를 수치화한 상관계수(CC)를 연산하는 과정이 수행된다. 상관계수(CC)를 연산하는 방법은 전술한 바와 같이 최소 자승법이 이용될 수 있으며, 최소 자승법에 따른 상관계수의 연산식(Correlation)의 일예는 아래의 식으로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018017258736-pat00001
여기서, x는 전류값, y는 전압값,
Figure 112018017258736-pat00002
은 x와 y사이의 공분산,
Figure 112018017258736-pat00003
은 x의 표준편차,
Figure 112018017258736-pat00004
는 y의 표준편차이다.
이어, 단계 S417에서, 배터리(50)로 입력되는 전류의 주파수를 시간 영역에서 실시간으로 연산하는 과정이 수행된다. 전류의 주파수를 연산하는 방법은, 전술한 바와 같이, FFT 기법 및 제로 크로싱 검출 기법을 포함할 수 있으며, 시간 영역에서의 실시간 연산에 따른 프로세서의 연산 부하를 고려한다면, 제로 크로싱 검출 기법을 이용하는 것이 바람직하다. 제로 크로싱 검출 기법에 따르면, 입력되는 전류값의 프로파일이 제로(zero) 점을 크로싱하는 횟수를 계산함으로써, 전류의 주파수(Ifrq)를 적은 연산량으로 간단하게 계산할 수 있다.
이어, 단계 S419에서, 전단계(S417)에서 연산된 전류의 주파수(Ifrq)와 기준 주파수(REFfrq)를 비교하는 과정이 수행된다. 기준 주파수(REFfrq)는 배터리(50)로 입력되는 전류가 가질 수 있는 전체 주파수 영역에서 배터리의 내부 저항값을 연산하는데 신뢰할 수 없는 주파수 영역, 즉, 저주파수 영역(예를 들면, 1Hz~100Hz)을 선별하기 위한 기준으로, 상기 저주파수 영역의 최대 주파수(예를 들면, 100Hz)로 정의할 수 있다. 상기 연산된 전류의 주파수(Ifrq)가 기준 주파수(REFfrq) 보다 크면, 단계 S421로 진행하고, 상기 연산된 전류의 주파수(Ifrq)가 기준 주파수(REFfrq) 보다 작거나 같으면, 단계 S427로 진행한다.
먼저, 단계 S421에서, 상기 연산된 전류의 주파수(Ifrq)가 기준 주파수(REFfrq) 보다 크면, 전술한 단계 S411에서 설정한 기준 상한 계수(CCLimit)와 전술한 단계 S415에서 연산한 현재의 상관 계수(CC)를 비교하는 과정이 수행된다.
이어, 단계 S423에서, 기준 상한 계수(CCLimit)와 현재의 상관 계수(CC)를 비교한 결과에 따라, 현재의 상관 계수(CC)가 기준 상한 계수(CCLimit)보다 큰 경우, 단계 S415에서 연산한 현재의 상관 계수가 유의미함을 지시하는 플래그 신호 '1'을 생성하는 과정이 수행된다.
이어, 단계 S425에서, 플래그 신호 '1'에 따라, 단계 S415에서 연산된 배터리(도 2의 50)의 현재의 내부 저항값(Rdi)을 메모리(130)에 저장하여, 상기 메모리(도 3의 130)에 저장된 이전의 내부 저항값(Rdi)을 현재의 내부 저항값(Rdi)으로 업데이트한다. 업데이트가 완료되면, 다시 단계 S413 이전으로 돌아가 단계 S413 내지 S423을 순차적으로 반복 수행한다.
한편, 단계 S419에서, 배터리(50)로 입력된 전류의 주파수(Ifrq)가 기준 주파수(REFfrq)보다 작거나 같으면, 단계 S427를 수행한다.
단계 S427에서, 단계 S411에서 설정된 기준 상관 계수(CCLimit)를 보정하는 과정이 수행된다. 전술한 바와 같이, 기준 상관 계수(CCLimit)를 보정하는 이유는 차량의 상태에 따라 차량 정차 상태(IDLE 상태)에서의 엔진 회전수가 다르기 때문에, 이러한 엔진 회전수와 밀접한 관계에 있는 전류의 주파수를 기반으로 배터리의 내부 저항값을 연산하기 위한 상관 계수를 다르게 설정할 필요가 있기 때문이다. 즉, 차량 정차 상태(엔진 rpm), 전류의 주파수 및 기준 상관 계수 간의 맵핑 관계를 사전에 학습하고, 그 학습 결과를 기반으로, 연산된 현재의 전류의 주파수에 따라, 차량 정차 상태(IDLE 상태)를 구분하는 기준 상관 계수(CCLimit)를 보정한다.
이어, 단계 S429에서, 단계 S415에서 연산된 현재의 상관 계수(CC)와 보정된 기준 상관 계수(CCLimit')를 비교하는 과정이 수행된다. 현재의 상관 계수(CC)가 보정된 기준 상관 계수(CCLimit')보다 크면, 현재 차량이 정차 상태가 아닌 것으로 판정하여 전술한 단계 S423과 S425를 순차적으로 수행한다. 단계 S423과 S425에 대해서는 전술한 설명으로 대신한다.
반대로, 현재의 상관 계수(CC)가 보정된 기준 상관 계수(CCLimit')보다 작거나 같으면, 단계 S431을 진행한다.
단계 S431에서, 현재의 상관 계수(CC)가 보정된 기준 상관 계수(CCLimit')보다 작거나 같은 경우, 단계 S415에서 연산된 현재의 상관 계수(CC)가 유효하지 않음을 나타내는 플래그 신호 '0'를 생성하는 과정이 수행된다.
이어, 단계 S433에서, 플래그 신호 '0'에 따라, 메모리(130)에 저장된 이전의 내부 저항값(이전의 Rdi)을 단계 s415에서 연산한 현재의 내부 저항값(현재의 Rdi)로 업데이트 하지 않고, 그대로 유지한다. 즉, 단계 S415에서 연산된 현재의 내부 저항값은 배터리로 입력된 전류의 주파수가 비선형 특성이 강한 저주파수 영역 또는 차량의 정차 상태(IDLE 상태)에서 연산된 신뢰할 수 없는 값으로 판단하여, 배터리의 내부 저항값으로 활용하지 않는다. 이후, 단계 S413 이전으로 돌아가, 단계 S413 내지 S431을 순차적으로 반복 수행한다. 이러한 반복은 지능형 배터리 센서(60)의 동작이 종료할 때, 즉, 차량의 시동이 꺼질 때까지 계속된다.
이상에서와같이 본 발명은 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (12)

  1. 프로세서에 의해, 엔진 회전수에 따라 발전하는 발전기로부터 배터리로 입력되는 전류값과 상기 배터리의 전압값을 이용하여 상기 배터리의 내부 저항값(이하, '현재의 내부 저항값')을 연산하는 단계;
    상기 프로세서에 의해, 상기 배터리로 입력되는 전류의 주파수를 연산하는 단계;
    상기 프로세서에 의해, 상기 연산된 전류의 주파수와 기준 주파수를 비교하는 단계;
    상기 연산된 전류의 주파수와 상기 기준 주파수를 비교한 비교 결과에 따라, 이전의 내부 저항값을 상기 현재의 내부 저항값으로 업데이트하는 단계를 포함하고,
    상기 기준 주파수는,
    상기 배터리로 입력되는 전류의 주파수 변화에 따른 상기 배터리의 내부 저항값 변화를 나타내는 그래프에서 비선형적 반비례 특성이 나타나는 저주파수 영역의 상한치를 나타내는 주파수임을 특징으로 하는 배터리 내부 저항 연산방법.
  2. 제1항에서, 상기 업데이트 하는 단계는,
    상기 연산된 전류의 주파수가 상기 기준 주파수보다 큰 경우, 상기 이전의 내부 저항값을 상기 현재의 내부 저항값으로 업데이트 하는 것인 배터리 내부 저항 연산방법.
  3. 제1항에서, 상기 업데이트 하는 단계는,
    상기 연산된 전류의 주파수가 상기 기준 주파수보다 작거나 같은 경우, 상기 이전의 내부 저항값을 유지하는 것인 배터리 내부 저항 연산방법.
  4. 제1항에서, 상기 연산하는 단계는,
    상기 전압값과 상기 전류값 간의 상관관계를 나타내는 현재의 상관 계수를 연산하는 단계를 더 포함하고,
    상기 비교하는 단계와 상기 업데이트하는 단계 사이에,
    상기 현재의 상관 계수와 차량의 정차 상태를 판별하기 위해 사전에 설정된 기준 상관 계수를 비교하는 단계; 및
    상기 현재의 상관 계수와 상기 기준 상관 계수를 비교한 결과에 따라, 상기 현재의 내부 저항값이 유효한지를 판단하는 단계;
    를 더 포함하는 배터리 내부 저항 연산방법.
  5. 제4항에서, 상기 업데이트하는 단계는,
    상기 판단하는 단계에서 현재의 내부 저항값이 유효한 것으로 판단되면, 상기 이전의 내부 저항값을 상기 현재의 내부 저항값으로 업데이트하는 것인 배터리 내부 저항 연산방법.
  6. 제1항에서, 상기 연산하는 단계는,
    상기 전압값과 상기 전류값 간의 상관관계를 나타내는 현재의 상관 계수를 연산하는 단계를 더 포함하고,
    상기 비교하는 단계 이후에,
    상기 연산된 전류의 주파수가 상기 기준 주파수보다 작거나 같은 경우, 차량의 정차 상태를 판별하기 위해 사전에 설정된 기준 상관 계수를 보정하는 단계;
    상기 현재의 상관 계수와 상기 보정된 기준 상관 계수를 비교하는 단계;
    상기 현재의 상관 계수와 상기 보정된 기준 상관 계수를 비교한 결과에 따라, 상기 현재의 내부 저항값이 유효한지를 판단하는 단계; 및
    상기 현재의 내부 저항값이 유효하지 않은 것으로 판단된 경우, 상기 이전의 내부 저항값을 유지하는 단계;
    를 더 포함하는 배터리 내부 저항 연산방법.
  7. 제4항 또는 제6항에서, 상기 상관 계수는,
    전류값과 전압값 사이의 공분산을 전류값의 표준편차와 전압값의 표준편차를 곱한 결과로 나누어 연산되는 것인 배터리 내부 저항 연산방법.
  8. 제1항에서, 상기 전류의 주파수를 연산하는 단계는,
    제로 크로싱 검출 기법에 따라 연산하는 것인 배터리 내부 저항 연산방법.
  9. 엔진 회전수에 따라 발전하는 발전기로부터 배터리로 입력되는 전류값과 상기 배터리의 전압값을 획득하는 배터리 센서부;
    상기 전류값과 상기 전압값을 이용하여, 상기 배터리의 내부 저항값(이하, '현재의 내부 저항값')과 상기 배터리로 입력되는 전류의 주파수를 연산하고, 상기 연산된 전류의 주파수와 기준 주파수를 비교한 결과에 따라, 이전의 내부 저항값을 상기 현재의 내부 저항값으로 업데이트하는 프로세서; 및
    상기 업데이트된 내부 저항값을 저장하는 메모리를 포함하고,
    상기 기준 주파수는,
    상기 배터리로 입력되는 전류의 주파수 변화에 따른 상기 배터리의 내부 저항값 변화를 나타내는 그래프에서 비선형적 반비례 특성이 나타나는 저주파수 영역의 상한치를 나타내는 주파수임을 특징으로 하는 지능형 배터리 센서.
  10. 제9항에서, 상기 프로세서는,
    상기 연산된 전류의 주파수가 상기 기준 주파수보다 큰 경우, 상기 이전의 내부 저항값을 상기 현재의 내부 저항값으로 업데이트 하는 것인 지능형 배터리 센서.
  11. 제9항에서, 상기 프로세서는,
    상기 연산된 전류의 주파수가 상기 기준 주파수보다 작거나 같은 경우, 상기 이전의 내부 저항값을 유지하는 것인 지능형 배터리 센서.
  12. 제9항에서, 상기 프로세서는,
    상기 전압값과 상기 전류값 간의 상관관계를 나타내는 현재의 상관 계수를 연산하고, 상기 현재의 상관 계수와 차량의 정차 상태를 판별하기 위해 사전에 설정된 기준 상관 계수를 비교한 결과에 따라 상기 현재의 내부 저항값이 유효한지를 판단하고, 현재의 내부 저항값이 유효한 것으로 판단되면, 상기 이전의 내부 저항값을 상기 현재의 내부 저항값으로 업데이트하는 것인 지능형 배터리 센서.
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