KR102562103B1 - 재사용 배터리 진단 장치 및 방법 - Google Patents

재사용 배터리 진단 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 기술적 측면에 따른 재사용 배터리 진단 장치는, 재사용 배터리의 건강 상태와 충전 상태를 판단하는 재사용 배터리 진단 장치로서, 입력 전압 및 입력 전류를 입력받고, 상기 입력 전압 및 상기 입력 전류에서 기본파 성분을 검출하는 밴드 패스 필터, 상기 밴드 패스 필터의 출력을 승산하는 곱셈기, 상기 밴드 패스 필터의 출력을 입력받아 피크값을 산출하는 피크값 산출기, 상기 곱셈기의 출력을 입력받아, 최대값 및 최소값을 산출하는 최대 최소 산출기 및 상기 피크값 산출기의 출력 및 상기 최대 최소 산출기의 출력을 입력받고, 전압 피크값과 전류 피크값을 이용하여 전해액 저항 Ri를 산출하고, 입력받은 전류를 유효 성분과 무효 성분으로 분리하여 전해 전달 저항 Rd 및 전하 이중층 커패시터 Cd를 산출하는 계산기를 포함 할 수 있다.

Description

재사용 배터리 진단 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR REUSABLE BATTERY DIAGNOSTIC}
본 발명은 재사용 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
국내 전기차 보급계획이 2016년 12,000대에서 2022년까지 350,000대로 확대됨에 따라 폐 배터리 발생량도 급증할 것으로 예상되나 폐 배터리에 대한 재사용 체계에 대한 어떠한 기준이나 기술도 미비한 실정이다.
이러한 폐 배터리는 처리 시 환경적 위해성도 내포하고 있어 폐 배터리의 성능 검사를 기초로 재사용 가능한 배터리를 진단하는 기술에 대한 니즈가 커지고 있다.
종래의 배터리 진단 기술로는, 2단 전류를 입력하여 DCIR(Direct Current Internal Resistance) 방식으로 진단하는 방법이 있다.
이러한, DCIR(Direct Current Internal Resistance) 방식은 레벨의 전류차가 클수록 측정정도가 정밀하게 되나 충전전류 레벨에 따라 내부저항이 변하게 되는 문제가 있으며, 또한 랜들스 모델 등가회로에서 두 저항의 합에 대한 정보만을 사용함으로 배터리의 잔존 수명 잔존수명 (state-of-health, SOH)에 대한 정밀도를 보장하기가 어려운 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2016-0080802호
본 발명의 일 기술적 측면은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, ACIR(Alternative Current Internal Resistance)를 적용하여 내부저항의 변화를 방지하고 배터리의 잔존 수명 잔존수명 (state-of-health, SOH)을 정밀하게 산출할 수 있는 재사용 배터리 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 일 기술적 측면은, ACIR(Alternative Current Internal Resistance)에 대하여 고주파 및 저주파를 적용함으로써, 수치 연산을 효율적으로 하면서 저주파의 센싱 감도에 대한 난점을 해결하여 보다 정확하게 배터리의 재활용성을 측정할 수 있는 재사용 배터리 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
본 발명의 일 기술적 측면은 재사용 배터리 진단 장치를 제안한다. 상기 재사용 배터리 진단 장치는, 재사용 배터리의 건강 상태와 충전 상태를 판단하는 재사용 배터리 진단 장치로서, 입력 전압 및 입력 전류를 입력받고, 상기 입력 전압 및 상기 입력 전류에서 기본파 성분을 검출하는 밴드 패스 필터, 상기 밴드 패스 필터의 출력을 승산하는 곱셈기, 상기 밴드 패스 필터의 출력을 입력받아 피크값을 산출하는 피크값 산출기, 상기 곱셈기의 출력을 입력받아, 최대값 및 최소값을 산출하는 최대 최소 산출기 및 상기 피크값 산출기의 출력 및 상기 최대 최소 산출기의 출력을 입력받고, 전압 피크값과 전류 피크값을 이용하여 전해액 저항 Ri를 산출하고, 입력받은 전류를 유효 성분과 무효 성분으로 분리하여 전해 전달 저항 Rd 및 전하 이중층 커패시터 Cd를 산출하는 계산기를 포함 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 재사용 배터리 진단 장치는, 용량성 임피던스 값이 제로에 대응되는 고주파를 인가받아 상기 전해액 저항 Ri을 산출 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 재사용 배터리 진단 장치는, 용량성 임피던스 값이 상기 전해 전달 저항 Rd에 대응되는 저주파를 인가받아, 상기 전해 전달 저항 Rd 및 상기 전하 이중층 커패시터 Cd를 산출 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 피크값 산출기는, 상기 밴드 패스 필터의 출력을 입력받아 절대값을 산출하는 절대값 산출기 및 상기 절대값 산출기의 출력을 입력받아 로우 패스 필터링을 수행하는 로우 패스 필터를 포함 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 밴드 패스 필터는, 상기 입력 전압을 입력받는 제1 밴드 패스 필터 및 상기 입력 전류를 입력받는 제2 밴드 패스 필터를 포함 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절대값 산출기는, 상기 제1 밴드 패스 필터의 출력을 입력받아 전압 절대값을 산출하는 제1 절대값 산출기 및 상기 제2 밴드 패스 필터의 출력을 입력받아 전류 절대값을 산출하는 제2 절대값 산출기를 포함하고, 상기 로우 패스 필터는 상기 제1 절대값 산출기의 출력을 입력받아 로우 패스 필터링을 수행하는 제1 로우 패스 필터 및 상기 제2 절대값 산출기의 출력을 입력받아 로우 패스 필터링을 수행하는 제2 로우 패스 필터를 포함 할 수 있다.
본 발명의 다른 일 기술적 측면은 재사용 배터리 진단 방법을 제안한다. 상기 재사용 배터리 진단 방법은, 입력 전압 및 입력 전류를 입력받고, 상기 입력 전압 및 상기 입력 전류에 대해 밴드 패스 필터링을 수행하여 기본파를 검출하는 단계, 상기 기본파를 입력받아 승산하는 단계, 상기 기본파를 입력받아 피크값을 산출하는 단계, 상기 승산하는 단계의 결과를 기초로, 최대값 및 최소값을 산출하는 단계 및 전압 피크값과 전류 피크값을 이용하여 전해액 저항 Ri를 산출하는 단계를 포함 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 재사용 배터리 진단 방법은, 전류를 유효 성분과 무효 성분으로 분리하여 전해 전달 저항 Rd 및 전하 이중층 커패시터 Cd를 산출하는 단계를 더 포함 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전해액 저항 Ri를 산출하는 단계는, 용량성 임피던스 값이 제로에 대응되는 고주파를 인가받아 수행 될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전해 전달 저항 Rd 및 전하 이중층 커패시터 Cd를 산출하는 단계는, 용량성 임피던스 값이 상기 전해 전달 저항 Rd에 대응되는 저주파를 인가받아 수행 될 수 있다.
상기한 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 과제 해결을 위한 다양한 수단들은 이하의 상세한 설명의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, ACIR(Alternative Current Internal Resistance)를 적용하여 내부저항의 변화를 방지하고 배터리의 잔존 수명 잔존수명 (state-of-health, SOH)을 정밀하게 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, ACIR(Alternative Current Internal Resistance)에 대하여 고주파 및 저주파를 적용함으로써, 수치 연산을 효율적으로 하면서 저주파의 센싱 감도에 대한 난점을 해결하여 보다 정확하게 배터리의 재활용성을 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 배터리 내부의 전기화학 반응을 묘?릿? 전기적 모델을 도시하고, 도 2는 배터리의 간소화된 임피던스 모델을 도시한다.
도 3 및 도 4는 배터리의 내부 파라미터 특성을 도시하는 그래프이다.
도 5는 DCIR(direct current internal resistance)을 이용하여 배터리 파라미터를 추정하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 임피던스 모델을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용 배터리 진단 장치를 설명하는 블록 구성도이다.
도 8은 도 7에 도시된 재사용 배터리 진단 장치의 일 구현예를 도시하는 도면이다.
도 9는 목표값 Ri, Rd 및 Cd를 추정하기 위한 임피던스 궤적의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 10은 밴드 패스 필터를 이용한 고주파수 검출을 설명하는 도면이다.
도 11은 고주파 전원에 의한 파라미터의 산출을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 저주파 전원에 의한 파라미터의 산출을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 8에 도시된 최대값 산출기와 최소값 산출기의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 14는 파라미터 Rd, Cd를 계측할 수 있는 계측 블록도이다.
도 15은 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용 배터리 진단 방법을 설명하는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
즉, 전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 이하에서 본 발명에 따른 시스템을 설명하기 위하여 다양한 구성요소 및 그의 하부 구성요소에 대하여 설명하고 있다. 이러한 구성요소 및 그의 하부 구성요소들은, 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합 등 다양한 형태로서 구현될 수 있다. 예컨대, 각 요소들은 해당 기능을 수행하기 위한 전자적 구성으로 구현되거나, 또는 전자적 시스템에서 구동 가능한 소프트웨어 자체이거나 그러한 소프트웨어의 일 기능적인 요소로 구현될 수 있다. 또는, 전자적 구성과 그에 대응되는 구동 소프트웨어로 구현될 수 있다.
본 명세서에 설명된 다양한 기법은 하드웨어 또는 소프트웨어와 함께 구현되거나, 적합한 경우에 이들 모두의 조합과 함께 구현될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 "부(Unit)", "서버(Server)" 및 "시스템(System)" 등의 용어는 마찬가지로 컴퓨터 관련 엔티티(Entity), 즉 하드웨어, 하드웨어 및 소프트웨어의 조합, 소프트웨어 또는 실행 시의 소프트웨어와 등가로 취급할 수 있다. 또한, 본 발명의 시스템에서 실행되는 각 기능은 모듈단위로 구성될 수 있고, 하나의 물리적 메모리에 기록되거나, 둘 이상의 메모리 및 기록매체 사이에 분산되어 기록될 수 있다.
본 발명의 실시형태를 설명하기 위하여 다양한 순서도가 개시되고 있으나, 이는 각 단계의 설명의 편의를 위한 것으로, 반드시 순서도의 순서에 따라 각 단계가 수행되는 것은 아니다. 즉, 순서도에서의 각 단계는, 서로 동시에 수행되거나, 순서도에 따른 순서대로 수행되거나, 또는 순서도에서의 순서와 반대의 순서로도 수행될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 재사용 배터리 진단 장치 및 방법을 설명하도록 한다.
도 1은 배터리 내부의 전기화학 반응을 묘?릿? 전기적 모델을 도시하고, 도 2는 배터리의 간소화된 임피던스 모델을 도시한다.
일반적으로 충전과 방전을 되풀이 하면서 소요되는 시간, 온도, 전압을 측정해 배터리 상태를 평가하는 기준으로 삼는다. 그러나 전압만으로는 배터리 내부의 상세한 특성까지 반영하지 못하는 단점이 있다.
임피던스는 전극에서 화학(산화-환원)반응을 일으킬 때 전기 전달을 방해하는 원인으로 해석되며, 배터리 분석을 정확하고 신속하게 수행하기 위하여 임피던스를 분석할 수 있다.
배터리 내부의 전기화학 프로세스는 도 1과 같은 전기적 모델로 표현 가능하고, 이와 같은 전기적 모델은 여러 개의 구성요소, 즉 저항, 콘덴서(Capacitor), 인덕터(Inductor), 딜레이 타임(Time Delay) 등으로 구성되며 복합적이고 비선형적인 특성을 지니고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배터리에 간소화된 임피던스 모델인 랜들스 모델링을 적용하여 배터리의 상태를 분석한다.
Ri는 전해액 저항으로서, 배터리 내부(예컨대, 전극, 전해질)의 옴(Ohm) 저항을 의미하며, 전압 및 전류의 변화 주기가 클수록 배터리 특성에 지배적인 영향을 미친다. 이러한 특성으로, Ri는 AC 저항이라고도 불린다. Ri 값은 배터리의 노화현상으로 인해 성능이 떨어질수록 상승한다. 따라서 Ri는 배터리의 건강상태 (SOH, State of Health)를 판단하는 기준이 된다.
Rd는 전해 전달 저항(Charge transfer resistance)이고, Cd는 전하 이중층 커패시터(Electric double layer)이다. Rd와 Cd는 배터리의 충전 상태(SoC, State of Charge)를 판단하는 기준이 된다.
도 2에 도시된, 임피던스 모델에서 배터리의 임피던스는 아래의 수학식 1과 같이 표현 가능하다.
[수학식 1]
도 3 및 도 4는 배터리의 내부 파라미터 특성을 도시하는 그래프이다.
도 3의 그림 (a)는, 씨 레이트(C-rate)와 방전심도에 따른 배터리의 열화 특성에 관한 그래프이다. 일반적으로 배터리는 씨 레이트(C-rate)가 높을수록 용량에 대한 감소가 크며, 방전심도(DOD, Depth of discharge)가 클수록 최대 출력 파워의 감소는 크다.
따라서 배터리를 효율적으로 사용하기 위해서는 C-rate와 방전심도를 낮추 수 있도록 하여야 한다.
도 3의 그림 (b)에서 보듯이, 방전심도(DOD)의 증가는 출력파워감소비가 증가하게 된다. 따라서, 배터리의 용도나 시스템 사용목적에 따른 설계가 필요하다. 최대 출력값은 부하의 최대값에 의해 결정되고, 배터리용량은 부하패턴의 적분에 의해 결정된다.
도 4의 그림 (a)에서 보듯이, 배터리의 내부저항은 씨 레이트(C-rate), 온도, SOC(State of charge)에 따라 변하며, 따라서, 내부저항은 SOC 및 SOH를 추정하는 파라미터로 사용 가능하다.
배터리 노후화의 경우, 높은 주의 온도 및 높은 충방전 전류 및 형상에 따라 배터리의 수명 노화(충방전 횟수)가 가속화되며, 노후화가 됨에 따라 배터리 내부 저항은 가파르게 증가함을 알 수 있다.
도 4의 그림 (b)는 가로축에 SOC, 세로축에는 배터리의 OCV(개방상태에서의 단자전압), 즉, 전류가 걸리지 않을 때 전압을 나타내는 곡선이다. 개방상태에서의 단자전압은 개방상태에서의 양극전위와 음극전위의 차이에 해당한다. 그래프는, 배터리에서 사용하는 양-음극 활물질과 양-음극의 균형에 따라 달라질 수 있다.
결국, 배터리를 사용함에 따라 변화되는 상태 값을 기준으로 초기 측정된 상태 값과 비교하여 현재 배터리의 SOH를 결정하게 된다. 배터리 SOH 정의에 대한 표준안은 배터리의 응용되는 분야는 매우 다양하고, 분야 별로 성능 기준이 매우 다르기 때문에 아직 결정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서는, xEV 재사용 배터리의 대표 파라미터(Ri, Rd, Cd)를 새로운 방법으로 추정하여, 재사용 배터리를 신제품과 비교하여 성능을 검증하고 재사용의 타당성을 판단한다.
도 5는 비교예로서, 2레벨 전류를 이용하는 DCIR(Direct Current Internal Resistance)을 이용하여 배터리 파라미터를 추정하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 그림 (a)와 같이 2단 전류를 입력하면 Zc는 무한대가 되고, 그림 (b)와 같이 개방회로로 등가화되어 잰해액 저항과 전하전달저항의 합성이 되며, 아래의 수학식 2를 만족한다.
[수학식 2]
그림 (c)는 DCIR을 측정하기 위한 펄스충전 시, 배터리 단자 전압전류를 나타내고 있다. 2레벨 정전류 모드에서 각각의 단자전압 및 전류에 대한 DCIR은 아래의 수학식 3과 같이 정의 된다.
[수학식 3]
2레벨 정전류 충전모드에서 레벨 1은 기존 정전류 충전과 같으며 레벨 2는 배터리의 파라미터를 실시간으로 추종하기 위해 추가한 모드가 된다.
배터리 내부전압은 아래의 수학식 4와 같이 정의된다
[수학식 4]
결국, 레벨의 전류차가 클수록 측정정도가 정밀하게 되나 충전전류 레벨에 따라 내부저항이 변하게 되며 DCIR은 랜들스 모델 등가회로에서 두 저항의 합에 대한 정보만을 사용하게 된다.
결국, DCIR를 사용하는 경우, SOH에 대한 정밀도를 보장하기가 어려운 문제점이 있다.
본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 2종 주파수를 이용하는 ACIR(Alternative Current Internal Resistance)을 적용하여 배터리를 측정 평가하는 것을 제공한다.
즉, 임피던스의 측정을 위하여 2종의 주파수를 인가한다.
여기에서, 2종 주파수의 선택이 중요하다. 통상적으로 임피던스의 측정을 위하여 사용하는 주파수 대역은 측정은 10mHz 내지 1KHz사이 이나, 이 범위에서 2종의 주파수를 인가하는 경우, 수치적 연산이 복잡하고, 저주파에 센싱감도가 낮아지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명에서는, 2종의 주파수로서, 용량성 임피던스 값이 거의 제로에 가까운, 즉, 용량성 임피던스 값이 제로에 대응되는 고주파(제1 주파수)와, 용량성 임피던스 값이 Rd와 유사한, 즉, 용량성 임피던스 값이 Rd에 대응되는 저주파(제2 주파수)를 사용하여 계측하는 방식을 제안한다.
도 6은 입력단에서 바라본 배터리의 회로도를 도시하는 도면이다.
전술한 바와 같이, DCIR 측정 방법은 랜들스 모델 등가회로에서 시정수(Tc)가 커짐으로 인하여 Rd측정을 위해서는 장시간이 요구되는 문제점이 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에서는, 고주파와 저주파를 이용하는 ACIR를 적용하며, 이는 랜들스 등가회로에서 교류전압 전류에 의해 3개 파라미터를 측정하기 위해서는 두 개 이상의 이종 주파수를 갖은 전압 전류의 정보가 필요하기 때문이다.
도 6에 도시된 등가 회로의 단자에 맥류 전압, 즉, 직류와 교류의 합성 전압을 인가할 수 있다. 배터리에 인가된 맥류 전압전류에서, 교류성분만을 검출하기 위해 밴드 패스 필터(BPF, Band Pass Filter)를 통과시키면 교류주파수 성분만 검출할 수 있다.
한편, PWM(Pulse Width Modulation)에 의해 구동되는 배터리 충전용 전력변환기의 정상상태 출력전압 및 전류에는 직류성분과 스위칭 주파수의 배수인 고주파항을 포함하며, 이를 수식으로 표현하면 아래의 수학식 5로 표현된다.
[수학식 5]
입력 전압 및 입력 전류에 밴드 패스 필터를 적용하여 기본파 성분을 검출하면 아래의 수학식 6과 같이 표현된다
[수학식 6]
결국, 본 발명에서 제안하는 배터리 AC 등가회로에서 임피던스는 다음의 수학식 7과 같이 표현된다.
[수학식 7]
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용 배터리 진단 장치를 설명하는 블록 구성도이다.
도 7을 참조하면, 재사용 배터리 진단 장치(100)는 밴드 패스 필터(110), 피크값 산출기(120), 곱셈기(130), 최대 최소 산출기(140) 및 계산기(150)를 포함한다.
밴드 패스 필터(110)는 입력 전압 및 입력 전류를 입력받고, 상기 입력 전압 및 상기 입력 전류에서 기본파 성분을 검출한다.
곱셈기(130)는 밴드 패스 필터의 출력을 승산한다.
피크값 산출기(120)는 밴드 패스 필터의 출력을 입력받아 피크값을 산출한다.
최대 최소 산출기(140)는 곱셈기의 출력을 입력받아, 최대값 및 최소값을 산출한다.
계산기(150)는 피크값 산출기의 출력 및 최대 최소 산출기의 출력을 입력받고, 전압 피크값과 전류 피크값을 이용하여 전해액 저항 Ri를 산출하고, 입력받은 전류를 유효 성분과 무효 성분으로 분리하여 전해 전달 저항 Rd 및 전하 이중층 커패시터 Cd를 산출한다.
전술한 바와 같이, 재사용 배터리 진단 장치(100)는, 용량성 임피던스 값이 제로에 대응되는 고주파를 인가받아 전해액 저항 Ri을 산출하고, 용량성 임피던스 값이 상기 전해 전달 저항 Rd에 대응되는 저주파를 인가받아 전해 전달 저항 Rd 및 전하 이중층 커패시터 Cd를 산출할 수 있다.
도 8은 도 7에 도시된 재사용 배터리 진단 장치의 일 구현예를 도시하는 도면이다.
도 8을 참조하면, 밴드 패스 필터(100)는 입력 전압을 입력받는 제1 밴드 패스 필터 및 입력 전류를 입력받는 제2 밴드 패스 필터를 포함한다.
피크값 산출기(120)는 밴드 패스 필터의 출력을 입력받아 절대값을 산출하는 절대값 산출기(121) 및 절대값 산출기의 출력을 입력받아 로우 패스 필터링을 수행하는 로우 패스 필터(122)를 포함할 수 있다.
절대값 산출기(121)는, 제1 밴드 패스 필터의 출력을 입력받아 전압 절대값을 산출하는 제1 절대값 산출기 및 제2 밴드 패스 필터의 출력을 입력받아 전류 절대값을 산출하는 제2 절대값 산출기를 포함할 수 있다.
로우 패스 필터(122)는 제1 절대값 산출기의 출력을 입력받아 로우 패스 필터링을 수행하는 제1 로우 패스 필터 및 제2 절대값 산출기의 출력을 입력받아 로우 패스 필터링을 수행하는 제2 로우 패스 필터를 포함할 수 있다.
최대 최소 산출기(140)는 최대값 산출기와 최소값 산출기를 포함할 수 있으며, 도 13은 도 8에 도시된 최대값 산출기와 최소값 산출기의 일 예를 도시하고 있다.
이하, 도 9 내지 도 14를 참조하여, 재사용 배터리 진단 장치(100)에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 9는 목표값 Ri, Rd 및 Cd를 추정하기 위한 임피던스 궤적의 일 예를 도시하는 도면이다.
목표값 Ri를 추정하기 위하여, 용량성 리액턴스가 거의 제로가 되는 높은 주파수 성분을 인가하여 Ri를 추정한다.
또한, 목표값 Rd 및 Cd를 추정하기 위하여, 용량성 임피던스 값이 Rd에 대응되는 저주파를 인가하여 유무효 성분으로 분리하여 Rd와 Cd값을 추정한다.
도 10은 밴드 패스 필터를 이용한 고주파수 검출을 설명하는 도면이다.
그림 (a)는 밴드 패스 필터의 입력 전압 Vin(t)의 파형을, 그림 (b)는 밴드 패스 필터의 출력 전압인 Vb(t) 파형을, 그림 (c)는 전압 피크(Vpeak)와 전류 피크(ipeak)를 각각 나타낸다.
밴드 패스 필터의 입력 전압 Vin(t), 밴드 패스 필터의 출력 전압 Vb(t), 출력 전류 ib(t), 전압 피크 Vpeak와 전류 피크 ipeak 는 다음의 수학식 8 내지 11을 만족한다.
[수학식 8]
[수학식 9]
[수학식 10]
[수학식 11]
도 11은 고주파 전원에 의한 파라미터의 산출을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 고주파 전원을 도시하며, 이는 용량성 임핀던스가 거의 영이되는, 즉, 용량성 임핀던스가 0에 대응되는 고주파 전원에 대한 것이며, 이러한 고주파 전원을 이용하여 Ri를 검출한다.
전원 주파수가 용량성 임핀던스가 거의 영이되는 매우 큰 주파수라 가정하면 기본파 전류는 아래의 수학식 12와 같이 정의된다.
[수학식 12]
밴드패스 필터의 전류가 수학식 12와 같이 정의되면, 배터리 파라미터 Ri는 다음의 수학식 13을 만족한다.
[수학식 13]
여기에서, 전압과 전류가 동위상이 되어야 하는 전력 조건은 아래의 수학식 14 내지 18을 만족한다.
[수학식 14]
[수학식 15]
[수학식 16]
[수학식 17]
[수학식 18]
도 12는 저주파 전원에 의한 파라미터의 산출을 설명하기 위한 도면이다.
도 12의 그림 (a)는 다음의 수학식 19 및 20을 만족한다.
[수학식 19]
[수학식 20]
고주파 전원에서 파라미터 Ri를 측정하였다면, 콘덴서 Cd에서의 전압은 아래의 수학식 21을 만족한다.
[수학식 21]
배터리의 전류(i1)를 콘덴서 전압 위상을 기준으로 퓨리에 급수를 전개하면, 콘덴서 전압과 동상인 저항에 흐르는 유효전류성분과 콘덴서 전압과 90도 위상을 가지는 무효성분으로 분리 가능하다. 그림(b)는 이러한 유효 성분 iq과 무효 성분 id를 도시하고 있다. 이를 수학적으로 서술하면 아래의 수학식 22 내지 24를 만족한다.
[수학식 22]
[수학식 23]
[수학식 24]
도 14는 파라미터 Rd, Cd를 계측할 수 있는 계측 블록도를 도시하고 있으며, 이는 도 7 및 도 8에 도시된 계산기에 대응될 수 있다.
계산기(150)는 필터링 된 전압과 전류를 입력받는다. 고주파를 통하여 산출된 파라미터 Ri와 전압을 감산하여 Vc를 산출하고, 산출된 Vc에 위상동기루프(PLL)와 이산푸리에변환(DFT)를 적용한다. 이산푸리에변환(DFT)의 출력값에 각각 Vc를 반영하여 파라미터 wCd와 Rd를 산출할 수 있다.
이상에서는 도 1 내지 도 14를 참조하여, 재사용 배터리 진단 장치의 다양한 실시예들에 대하여 설명하였다.
이하에서는, 도 15를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용 배터리 진단 방법에 대하여 설명한다.
이하에서 설명할 재사용 배터리 진단 방법은, 도 1 내지 도 14를 참조하여 설명한 재사용 배터리 진단 장치에서 수행되므로, 도 1 내지 도 14를 참조하여 상술한 설명을 참조하여 보다 쉽게 이해할 수 있다.
도 15은 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용 배터리 진단 방법을 설명하는 순서도이다.
도 15를 참조하면, 재사용 배터리 진단 장치(100)는, 입력 전압 및 입력 전류를 입력받고, 입력 전압 및 입력 전류에 대해 밴드 패스 필터링을 수행하여 기본파를 검출할 수 있다(S1510).
재사용 배터리 진단 장치(100)는 기본파를 입력받아 승산 할 수 있다(S1520).
재사용 배터리 진단 장치(100)는, 기본파를 입력받아 피크값을 산출 할 수 있다(S1530).
재사용 배터리 진단 장치(100)는, 승산하는 단계의 결과를 기초로, 최대값 및 최소값을 산출 할 수 있다(S1540).
재사용 배터리 진단 장치(100)는, 전압 피크값과 전류 피크값을 이용하여 전해액 저항 Ri를 산출 할 수 있다(S1550).
재사용 배터리 진단 장치(100)는, 전류를 유효 성분과 무효 성분으로 분리하여 전해 전달 저항 Rd 및 전하 이중층 커패시터 Cd를 산출 할 수 있다(S1560).
일 실시예에서, 재사용 배터리 진단 장치(100)는, 용량성 임피던스 값이 제로에 대응되는 고주파를 인가받아 전해액 저항 Ri를 산출 할 수 있다.
일 실시예에서, 재사용 배터리 진단 장치(100)는, 용량성 임피던스 값이 상기 전해 전달 저항 Rd에 대응되는 저주파를 인가받아 전해 전달 저항 Rd 및 전하 이중층 커패시터 Cd를 산출 할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100 : 재사용 배터리 진단 장치
110 : 밴드 패스 필터 120 : 피크값 산출기
130 : 곱셈기 140 : 최대 최소 산출기
150 : 계산기

Claims (10)

  1. 재사용 배터리의 건강 상태와 충전 상태를 판단하는 재사용 배터리 진단 장치로서,
    입력 전압 및 입력 전류를 입력받고, 상기 입력 전압 및 상기 입력 전류에서 기본파 성분을 검출하는 밴드 패스 필터;
    상기 밴드 패스 필터의 출력 전압과 출력 전류를 승산하는 곱셈기;
    상기 밴드 패스 필터의 출력을 입력받아 피크값을 산출하는 피크값 산출기;
    상기 곱셈기의 출력을 입력받아, 최대값 및 최소값을 산출하는 최대 최소 산출기; 및
    상기 피크값 산출기의 출력 및 상기 최대 최소 산출기의 출력을 입력받고, 전압 피크값과 전류 피크값을 이용하여 전해액 저항 Ri를 산출하고, 입력받은 전류를 유효 성분과 무효 성분으로 분리하여 전해 전달 저항 Rd 및 전하 이중층 커패시터 Cd를 산출하는 계산기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용 배터리 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재사용 배터리 진단 장치는
    용량성 임피던스 값이 제로에 대응되는 고주파를 인가받아 상기 전해액 저항 Ri을 산출하는 것
    을 특징으로 하는 재사용 배터리 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 재사용 배터리 진단 장치는
    용량성 임피던스 값이 상기 전해 전달 저항 Rd에 대응되는 저주파를 인가받아, 상기 전해 전달 저항 Rd 및 상기 전하 이중층 커패시터 Cd를 산출하는 것
    을 특징으로 하는 재사용 배터리 진단 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 피크값 산출기는
    상기 밴드 패스 필터의 출력을 입력받아 절대값을 산출하는 절대값 산출기; 및
    상기 절대값 산출기의 출력을 입력받아 로우 패스 필터링을 수행하는 로우 패스 필터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용 배터리 진단 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 밴드 패스 필터는
    상기 입력 전압을 입력받는 제1 밴드 패스 필터; 및
    상기 입력 전류를 입력받는 제2 밴드 패스 필터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용 배터리 진단 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 절대값 산출기는
    상기 제1 밴드 패스 필터의 출력을 입력받아 전압 절대값을 산출하는 제1 절대값 산출기; 및
    상기 제2 밴드 패스 필터의 출력을 입력받아 전류 절대값을 산출하는 제2 절대값 산출기;
    를 포함하고,
    상기 로우 패스 필터는
    상기 제1 절대값 산출기의 출력을 입력받아 로우 패스 필터링을 수행하는 제1 로우 패스 필터; 및
    상기 제2 절대값 산출기의 출력을 입력받아 로우 패스 필터링을 수행하는 제2 로우 패스 필터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용 배터리 진단 장치.
  7. 입력 전압 및 입력 전류를 입력받고, 상기 입력 전압 및 상기 입력 전류에 대해 밴드 패스 필터링을 수행하여 기본파를 검출하는 단계;
    상기 밴드 패스 필터링에 의한 출력 전압과 출력 전류의 기본파를 입력받아 승산하는 단계;
    상기 기본파를 입력받아 피크값을 산출하는 단계;
    상기 승산하는 단계의 결과를 기초로, 최대값 및 최소값을 산출하는 단계; 및
    전압 피크값과 전류 피크값을 이용하여 전해액 저항 Ri를 산출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용 배터리 진단 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 재사용 배터리 진단 방법은
    전류를 유효 성분과 무효 성분으로 분리하여 전해 전달 저항 Rd 및 전하 이중층 커패시터 Cd를 산출하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용 배터리 진단 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전해액 저항 Ri를 산출하는 단계는,
    용량성 임피던스 값이 제로에 대응되는 고주파를 인가받아 수행되는 것
    을 특징으로 하는 재사용 배터리 진단 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전해 전달 저항 Rd 및 전하 이중층 커패시터 Cd를 산출하는 단계는
    용량성 임피던스 값이 상기 전해 전달 저항 Rd에 대응되는 저주파를 인가받아 수행되는 것
    을 특징으로 하는 재사용 배터리 진단 방법.
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