KR20130057520A

KR20130057520A - 배터리의 내부 저항 추정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20130057520A
Application number: KR1020110123261A
Authority: KR
Inventors: 이성은; 김산선; 장시영; 김형준
Original assignee: 에스케이이노베이션 주식회사
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2013-06-03
Also published as: KR101741183B1; JP2013113847A; EP2597477B1; EP2597477A2; US9846195B2; US20130138373A1; EP2597477A3; JP6027400B2

Abstract

본 발명은 배터리 팩의 내부 저항 추정 장치 및 방법에 관한 것으로 배터리 팩의 전압 값을 측정하는 전압 센싱부; 상기 배터리 팩의 전류 값을 측정하는 전류 센싱부; 상기 배터리 팩의 온도 값을 측정하는 온도 센싱부; 상기 전압 센싱부, 상기 전류 센싱부, 상기 온도 센싱부에서 전달받은 값들을 이용하여 상기 배터리 팩의 내부 저항을 계산하는 MCU부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리의 내부 저항 추정 장치 및 방법{Apparatus and Method for Estimating the Battery Internal Resistance}

본 발명은 배터리 팩의 내부 저항 계산에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 팩에 흐르는 전류의 변화를 관찰하고, 설정한 전류 변화의 조건을 만족하는 전류 값과 이에 따른 전압 값을 이용하여 배터리 팩의 내부 저항을 계산하도록 하는 배터리의 내부 저항 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.

가솔린이나 중유를 주 연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기 오염 등 공해 발생에 심각한 영향을 주고 있다.

따라서 최근에는 공해 발생을 줄이기 위하여, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.

전기 자동차는 배터리에서 출력되는 전기 에너지만을 이용하여 동작하는 자동차이다. 이러한 전기 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지가 하나의 팩으로 형성된 배터리를 주 동력원으로 이용하기 때문에 배기 가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.

한편, 하이브리드 자동차라 함은 내연 엔진을 이용하는 자동차와 전기 자동차의 중간 단계의 자동차로서, 두 가지 이상의 동력원, 예컨대 내연 엔진 및 배터리 엔진을 사용하는 자동차이다.

이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리의 성능이 자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 각 전지 셀의 성능이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 각 전지 셀의 전압, 전체 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 전지 셀의 충방전 및 수명을 효율적으로 관리할 수 있는 배터리 관리 시스템이 절실히 요구되는 실정이다.

한국 특허 공개 2011-0006266는 차량용 고전압 배터리의 셀 내부 저항 측정 방법이 개시된다. 개시된 차량용 고전압 배터리의 셀 내부 저항 측정 방법은, 배터리의 전류 및 전압을 측정하는 단계; 측정된 전류 및 전압값을 입력받아 최소 자승법에 의하여 배터리 저항을 측정하는 단계를 포함한다.

본 발명은 상술한 바와 같이, 배터리 팩이 사용하는 전류의 변화를 관찰하고, 설정한 전류 변화의 조건을 만족하는 전류값과 이에 따른 전압값, 온도값을 이용하여 배터리 팩의 내부 저항을 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

한국 특허 공개 2011-0006266에서 명시한 조건은 본 발명과 조건의 기준 및 성격이 다르고 본 발명에서 명시한 단계의 다음 단계에서의 조건이므로 본 발명과 유사하다고 할 수 없다.

한국 특허 공개 2011-0006266

본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 배터리 팩이 사용하는 전류의 변화를 관찰하고, 설정한 전류 변화의 조건을 만족하는 전류 값과 이에 따른 전압 값을 이용하여 배터리 팩의 내부 저항을 계산하도록 하는 배터리의 내부 저항 추정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 내부 저항 추정 장치는, 배터리 팩의 전압 값을 측정하는 전압 센싱부; 상기 배터리 팩의 전류 값을 측정하는 전류 센싱부; 상기 배터리 팩의 온도 값을 측정하는 온도 센싱부; 상기 전압 센싱부, 상기 전류 센싱부, 상기 온도 센싱부에서 전달 받은 값들을 이용하여 상기 배터리 팩의 내부 저항을 계산하는 MCU부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 MCU부는 상기 전류 센싱부에서 기존 측정된 전류 값을 이용하여 조건 설정을 하기 위해 필요한 조건 변수를 초기화하는 조건 초기화부; 상기 전압, 전류, 온도 센싱부에서 받은 전류, 전압, 온도 값을 임시로 설정한 변수에 저장하는 전류, 전압, 온도 측정부; 상기 측정된 전류 값이 설정된 전류 값 조건에 만족하는지 판단하는 전류 조건 판단부; 상기 전류 조건에 만족하는 전류 값을 추출하여 저장하며, 상기 전류 값 측정 시 같이 측정된 배터리 전압, 온도를 저장하는 전류 값, 전압 값, 온도 값 저장부; 상기 전류 조건에 만족하는 전류 값 추출 및 저장 과정을 두 번 이상 반복해서 저장된 전류 값과 전압 값, 온도 값을 이용하여 배터리 팩의 내부 저항을 추정한다. 상기 전류 조건 판단부는 전류 센싱부에서 센싱된 초기 전류 값의 조건을 판단하여 전류 값 추출하기에 알맞은 조건인지를 판단하는 초기 조건 판단부; 상기 초기 조건 판단부를 만족하면 초기 전류 값을 이용하여 추출하려는 전류 값 구간을 지정하는 조건 범위 설정부; 상기 전류 센싱부에서 상기 초기 전류 값 이후에 측정된 전류 값이 상기 조건 범위 설정부를 통해 설정된 상기 전류 값 구간 내에 포함되면, 시간을 카운트하는 사이클 카운팅부; 상기 사이클 카운팅부에서 카운팅된 상기 시간이 미리 설정된 일정한 시간이 될 때까지 상기 사이클 카운팅 작업을 반복하고, 상기 반복 결과 상기 카운팅된 시간이 상기 일정한 시간이 되는 경우 이 때의 전류 값을 추출하는 전류 값 추출부; 및 상기 전류 값 추출부에서 처음으로 상기 하나의 전류 값을 추출한 이후에 상기 저 전류 구간에 들어가기 전 전류값들은 추출하지 않으며 상기 저전류 구간에 들어가면 리셋시키는 전류 값 리셋부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 조건 초기화부는, 초기 전류 값을 저장하는 변수 값 및 조건 만족을 카운팅하는 변수 값을 0으로 초기화하는 변수 초기화부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 초기 조건 판단부는, 초기 전류 값의 절대값과 이전 전류 값의 절대값을 비교하여 전류 값 추출하기에 알맞은 조건인지를 판단하고 미리 설정된 저 전류 구간 밖에 있는지를 판단하는 초기 조건 판단 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 내부 저항추정 장치이다. 상기 조건 범위 설정부는, 상기 초기 전류 값에 미리 설정된 일정한 비율을 곱하여 상기 전류 값 구간의 상 하한 폭을 계산하는 상 하한 폭 계산부; 및 상기 상 하한 폭 계산부에서 계산된 상기 상하한 폭을 통해 상기 전류 값 구간의 상한과 하한을 정하는 전류 범위 결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 전류 값 리셋부는, 상기 전류 값 리셋부 이전의 상기 작업들을 반복 수행하여 상기 전류 값 추출부에서 처음으로 추출된 상기 전류 값 이외에 상기 다른 전류 값들은 추가 추출하지 않는 추가 전류 값 추출 제한부; 상기 추가 전류 값 추출부에서 추출된 상기 전류 값들이 상기 저 전류 구간 내의 값으로 될 때까지 상기 추가 전류 값 추출 제한 작업을 반복 수행하고, 상기 반복 결과 상기 전류 값들이 상기 저 전류 구간 내의 값이 되는 경우 다시 상기 조건 초기화부부터 시작하는 프로세스 초기화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 내부 저항 추정 장치이다. 상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 내부 저항 추정 방법은, 배터리 팩의 내부 저항을 계산하기 위하여 사용되는 전류 값, 전압 값, 온도 값을 추출하는 전류 값, 전압 값, 온도 값 추출 방법에 있어서, 상기 전류 값 측정 단계 이전에 측정할 전류 값을 이용하여 조건 설정을 하기 위해 필요한 조건 변수를 초기화하는 조건 초기화 단계; 미리 설정된 일정한 주기마다 상기 배터리 팩의 전류 값을 측정하는 전류 값 측정 단계; 상기 전류 값 측정 단계에서 초기 전류 값의 조건을 판단하여 전류 값 추출하기에 알맞은 조건인지를 판단하는 초기 조건 판단 단계; 상기 초기 조건 판단 단계에서 조건을 만족하면 처음으로 측정된 초기 전류 값을 이용하여 추출하려는 전류 값 구간을 지정하는 조건 범위 설정 단계; 상기 전류 값 측정 단계에서 상기 초기 전류 값 이후에 측정된 전류 값이 상기 조건 범위 설정 단계를 통해 설정된 상기 전류 값 구간 내에 포함되어 있는 경우, 시간을 카운트하는 사이클 카운팅 단계; 상기 사이클 카운팅 단계에서 조건을 만족하여 카운팅된 상기 시간이 미리 설정된 일정한 시간이 될 때까지 상기 사이클 카운팅 단계를 반복하고, 상기 반복 결과 상기 카운팅된 시간이 상기 일정한 시간이 되는 경우 이 때의 전류 값과 이에 따른 전압 값. 온도 값을 추출하는 전류 값, 전압 값, 온도 값 추출 단계; 및 상기 전류 값, 전압 값, 온도 값 추출 단계에서 처음으로 상기 하나의 전류 값을 추출한 이후에 상기 저 전류 구간에 들어가기 전 전류 값들은 추출하지 않으며 상기 저 전류 구간에 들어가면 리셋시키고, 다시 상기 전류 값 측정 단계부터 시작하는 전류 값 리셋 단계; 상기 전류 값 추출 단계를 두 번 이상 반복해서 추출된 전류 값과 전압 값, 온도 값을 가지고 상기 배터리 팩의 내부 저항을 계산하는 내부 저항 계산 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 내부 저항 추정 방법에서 상기 조건 초기화 단계는, 초기 전류 값을 저장하는 변수값과 전류 조건을 만족하여 카운팅하는 변수값, 상하한 폭 정하는 변수값을 초기화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 내부 저항 추정 방법에서 상기 초기 조건 판단 단계는, 전류 값이 저 전류 구간에 속해 있는지를 판단하는 단계; 초기 전류 값에 일정 비율을 곱한 값과 한 스텝 이전의 전류 값을 절대치로 비교하여 조건을 만족하는지 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 내부 저항 추정 방법에서 상기 조건 범위 설정 단계는, 상기 초기 전류 값에 미리 설정된 일정한 비율을 곱하여 상기 전류 값 구간의 상 하한 폭을 계산하는 상 하한 폭 계산 단계; 및 상기 상 하한 폭 계산 단계에서 계산된 상기 상 하한 폭을 통해 상기 전류 값 구간의 상한과 하한을 정하는 전류 범위 결정 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 내부 저항 추정 방법에서 상기 전류 값 리셋 단계는, 상기 전류 값 리셋 단계 이전의 상기 단계들을 반복 수행하여 상기 전류 값 추출 단계에서 처음으로 추출된 상기 전류 값 이외에 상기 다른 전류 값들을 추출하는 것을 제한하는 추가 전류 값 추출 제한 단계; 상기 추가 전류 값 추출 제한 단계에서 측정된 상기 전류 값들이 상기 저 전류 구간에 들어가기 전 전류 값들은 추출하지 않으며, 상기 반복 결과 상기 전류 값들이 상기 저 전류 구간 내의 값이 되는 경우 다시 상기 전 류값 측정 단계부터 시작하는 프로세스 초기화 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 내부 저항 추정 방법은 상기 배터리 팩의 내부 저항을 계산하기 위한 전처리 작업으로, 상기 전류 값 추출 단계에서 추출된 상기 전류 값과 이에 따른 전압 값, 온도 값을 이용하여 상기 배터리 팩의 내부 저항을 계산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 내부 저항 추정 장치 및 방법 에 따르면, 배터리 팩에흐르는 전류의 변화를 관찰하고, 설정한 전류 변화의 조건을 만족하는 전류 값과 이에 따른 전압 값, 온도 값을 이용하여 배터리 팩의 내부 저항을 계산해서 해당 값을 하이브리드 전기차나 순수 전기차의 차량 제어기에 보낼 수 있으며, 또한 배터리 교체 시기를 예측하는 데 사용할 수 있고, 배터리 A/S 용으로도 사용할 수 있으며, 배터리 상태 제어 및 진단에도 사용할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 내부 저항 추정 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 내부 저항 추정 방법의 흐름을 개략적으로 도시한 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 내부 저항 추정 방법의 흐름을 상세하게 도시한 세부 순서도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 내부 저항 추정 방법의 전류 값 추출 단계 결과 예를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 내부 저항 계산 방법의 일 예를 나타낸 도면.
도 6는 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 별 배터리의 내부 저항 계산 결과의 예를 나타낸 도면.
도 7는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 내부 저항 및 R2 계산 결과 의 예를 나타낸 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 내부 저항 추정 장치를 개략적으로 도시한 시스템 구성도이다. 이 시스템 구성도에는 크게 배터리 팩(S110), 이 배터리 팩의 전압, 전류 및 온도를 센싱하는 센싱부로 부터 데이터를 수신하여 내부 저항을 추정하는 MCU(Micro Controller Unit)부로 구성되는 내부 저항 추정 장치(S120) 등으로 구성된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 내부 저항 추정 방법은, 배터리 팩의 내부 저항을 계산하기 위한 전처리 작업으로, 매초 또는 일정한 시간마다 전류 값을 추출하기 보다 일정 조건에 만족하는 전류 값을 추출하여 배터리 팩의 내부 저항을 계산하는데 사용하는 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 내부 저항 추정 방법의 흐름을 개략적으로 도시한 순서도이다. 우선배터리 팩의 전류 센싱부에서 기존 측정된 전류 값을 이용하여 내부저항을 계산하기 위해 필요한 조건 변수를 초기화(S210)하고, 배터리 팩의 전류, 전압, 온도 값을 측정(S220)하며, 상기 측정된 전류 값이 설정된 전류 값 조건에 만족하는지 판단(S230)한 다음, 상기 전류 조건에 만족하는 전류 값과 상기 전류 값 측정 시 같이 측정된 배터리 전압, 온도 값을 저장(S240)한다. 상기 전류 조건에 만족하는 전류 값 추출 및 저장 과정을 두 번 이상 반복(S250, N>=2)이 되면 저장된 두 세트 이상 전류 값과 전압 값, 온도 값을 이용하여 배터리 팩의 내부 저항을 추정한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 내부 저항 추정 방법을 상세하게 도시한 세부 순서도이다. 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선 미리 조건 설정을 하기 위해 필요한 초기 전류 값을 저장하는 변수값 I[0], I[1], I[2], I_ini(n)과 전류 값 리셋을 판단하기 위해 사용되는 Reset(n), 전류 조건을 만족하여 카운팅하는 변수값 K(n), 상 하한 폭 정하기 위한 Dev(n)을 0으로 초기화한다(단계(S310).

단계(S310)를 수행하면 설정된 측정 주기마다 배터리 팩의 전류 값을 측정한다(단계(S320)).

단계(S320)에서 측정된 초기 전류 값이 저 전류 구간인 -α_3과 +α_3 사이에 있는지를 판단하고, 저 전류 구간을 벗어나 있는 경우, 저장되어있는 이전 스텝의 전류 값인 I[0]과 I[1]에 일정 비율 α_1을 곱한 값과 절대치로 비교하여 조건을 만족하는지 판단한다(단계(S330).

단계(S330)에서 Reset(n)은 초기값이 0이므로 초기에는 고려하지 않아도 된다.

단계(S330)을 만족하면 단계(S320)에서 측정된 전류 값 Current(n)을 저장한 이전 스텝의 전류 값인 I[1]을 초기 전류 값 I_ini(n)으로 하고, 처음으로 측정된 초기 전류 값을 이용하여 추출하려는 전류 값 구간을 지정한다(단계(S340)).

단계(S340)에서는 저장된 이전 스텝의 전류 값인 I[1]에 미리 설정된 일정한 비율을 곱하여 전류 값 구간의 상 하한 폭을 계산하고, 계산된 상 하한 폭을 통해 전류 값 구간의 상한과 하한을 정할 수 있다. 저장된 이전 스텝의 전류 값 I[1]에 일정 비율 α_2을 곱하여 전류 값 구간의 상 하한 폭 Dev(n)을 계산한다. 예를 들어, 저장된 이전 스텝 전류 값 I[1]이 10A이고, 일정 비율 α_2이 0.3인 경우 전류 값 구간의 상 하한 폭 Dev(n)은 3A와 같다. 이러한 경우 전류 값 구간은 7A 과 13A 사이 값이 될 수 있다.

단계(S320)에서 초기 전류 값 이후에 측정된 전류 값이 단계(S340)를 통해 설정된 전류 값 구간 내에 포함되어 있는 경우, 시간을 카운트한다(단계(S350)). 즉, 저장된 이전 스텝 전류 값 I[1] 이후에 측정된 전류 값 I[2]가 단계(S340)에서 설정된 조건 범위 I_ini(n)-Dev(n)와 I_ini(n)+Dev(n) 사이에 있는지 판단한다. 판단 결과 위에서 말한 조건을 만족하면 초기 시간 K(n)=0에 1을 더하고, 더한 결과 K(n+1)이 일정 시간 α_4가 될 때까지 단계(S350)을 반복한다.

상술한 바와 같이, 단계(S350)을 반복한 결과 카운팅된 시간이 일정 시간이 되는 경우 이 때의 전류 값을 추출한다(단계(S360)). 단계(S360)에서는 일정 시간 K(n+1)의 전류 값과 전압 값, 셀들의 평균 온도를 추출한다.

단계(S360)에서 처음으로 하나의 전류 값을 추출한 이후에 측정된 전류 값이 전류 값 리셋 단계를 만족하면 다시 단계(S330)부터 시작한다(단계(S370)).

단계(S370)에서는 단계(S360) 이전의 단계들(S330 내지 S350)을 반복 수행하여 단계(S360)에서 처음으로 추출된 전류 값 이외에 다른 전류 값들은 추출하지 않고, 전류 값이 저 전류 구간 내의 값으로 들어오면 다시 단계(S330)를 시작할 수 있다. 단계(S350)에서 언급한 조건을 만족하는 전류 값이 여러 개 있을 수 있다. 그러나 처음 추출된 하나의 전류 값을 제외한 나머지 전류 값들에서는 신뢰성은 없다. 따라서 단계(S360)에 단계(S370)을 추가하는 것은 신뢰성이 없는 나머지 전류 값은 추출하지 않고 처음 추출된 전류 값만을 다루기 위한 것으로, 전류 값이 저 전류 구간 내의 값으로 들어오면 전류 값 초기 조건 판단(단계(S330))을 가능케 한다. 단계(S370)에서는 단계(S360)에서 처음으로 전류 값이 추출되면 Reset(n)값이 1로 설정이 된다. 이 후 측정된 전류 값 Current(n)이 저 전류 구간 -α_3와 α_3 사이에 있으면 Reset(n) 값은 0이 되고 다시 맨 처음 단계(S310)로 되돌아간다. 단계(S370)을 통해서 신뢰성이 없는 전류 값 Currnet(n)을 리셋시키면 프로세스 초기화가 수행이 되면서 다시 단계(S320)의 초기 시간 K(n)=0, 초기 전류값 I_ini(n)=0, Dev(n)=0이 된다.

도 2의 단계(S260)에서는 도 3의 단계(S360)를 두 번 이상 반복해서 추출된 전류 값과 전압 값을 가지고 배터리 팩의 내부 저항을 계산한다. 예를 들어, 단계(S260)에서는 J_Pulse 방법을 이용하여 배터리의 내부 저항을 추정할 수 있다. 이를 간략히 설명하면 단계적인 충방전 전류에 따른 일정 기준 시간, 예를 들어, 10초 때의 전압 값을 가지고, 전류 값 변화량에 따른 전압 값 변화량으로 내부 저항을 추정할 수 있다.

또한 추출된 전류 값, 전압 값 외에 셀들의 평균 온도 값을 추출하여 저장하는 이유는 미리 실험을 통해 구한 온도 별 내부 저항 값과 계산된 내부 저항 값을 비교하기 위해서다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 내부 저항 추정 방법의 전류 값 추출 단계 결과 예를 나타낸 도면이다. 도 4는 일정 비율 α_1과 α_2은 0.3이고 저전류 구간의 상한 α_3이 3A이며 카운팅 일정 시간 α_4이 2초인 경우의 결과이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 매초마다 측정되는 전류 값들로부터 지정된 조건에 만족하는 전류 값만을 추출하여 배터리 팩의 내부 저항을 계산하도록 하는 것으로 배터리 팩의 내부 저항을 계산하기 위하여 필요한 전류 값의 추출 주기를 시간 기준이 아닌 추출된 전류 값 기준으로 한다.

도 4에서와 같이 추출된 전류 값과 해당하는 전압 값, 온도 값으로 내부저항을 계산할 수 있다.

도5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩 내부 저항을 계산하는 방법 중 하나 인데, 내부저항을 구하는 기본 접근 방식은 수학식 1과 같다.

예를 들어 설정한 저 전류 구간 이상의 I1값과 이에 따른 V1값을 추출하고, 전류가 흐르지 않는 상태의 전류 값을 I0, 이 때의 전압 값을 V0라고 했을 때 IR값은 수학식 2와 같이 계산할 수 있다.

하지만 데이터 하나로서 신뢰성이 떨어지기 때문에 두 개 이상의 데이터를 추출해서 구할 수 있고, 두 개의 데이터를 추출했을 경우 수학식 3과 같이 계산할 수 있다.

이러한 내부저항을 구하는 기본 개념을 확장시키면 추출된 여러 데이터를 고려한 최적 값을 추측하고, 동시에 신뢰성 평가도 할 수 있는 최소자승법(Method of Least Squares)을 이용할 수 있다.

추출된 전류 값과 전압 값을 바탕으로 구할 수 있는 최적함수를 수학식 4라고 하면 추정된 직선 값인 V와 실제 측정값인 V_i값의 차이가 최소의 값을 가질 것이다.

최소자승법은 이 편차의 제곱을 최소화하기 위한 방법이다. 편차 제곱의 총합을 塔이라고 하면 이는 수학식 5와 같다.

여기서, 데이터에 적합한 직선을 찾기 위해서는 이 오차를 최대한 줄여야 한다. 즉, IR값과 V₀값은 塔를 최소화하는 값이 되어야 한다.

IR값과 V₀값을 구하기 위해서는, 추출된 데이터의 개수를 N이라고 했을 때 IR과 V₀에 대해 각각 편미분한 값이 0이 되면 된다.

이를 만족하는 IR과 V₀를 계산하면 최종 결과는 다음과 같다.

계산된 IR값은 추출된 두 세트 이상 N개의 전류 값과 전압 값을 바탕으로 구해진 최적 값이라고 할 수 있다. 하지만 값의 신뢰성을 판단하는 데에는 다른 방법이 필요하다. 이를 r2 계산을 통해 적합성을 판단 할 수 있는데, r2 계산은 두 데이터간의 상관 관계를 얼마나 잘 표현하고 있는지 나타내는 기준을 수치적인 의미로 표현해준다.

상관계수 r 은 0 과 1 사이의 값을 가진다. 모든 데이터가 직선과 정확히 일치할 경우 r=1 이 된다. 일치하지는 않으나 직선에 근접할 경우 r 은 1 에 가까운 값을 갖고, 그래프 상의 모든 데이터 좌표가 골고루 분포하여 직선에 근접하지 않으면　r=0 이 된다. 이것은 두 데이터 집합 간에 선형적인 관계가 전혀 없음을 뜻한다.

상관계수 r 값을 구하기 위해, 먼저 모든 V 값의 평균을 계산해야 한다. 그래프 상에서 V 의 평균을 나타내는 직선 V_mean는 모든 V 값의 중간 정도 높이를 수평으로 지난다. V_mean을 계산하는 이유는,　평균직선이 해당 데이터를 표현할 수 있는 직선 중 최악의 모델이며, 이를 기준으로 다른 직선을 비교평가 하기 위함이다.

실제값과 평균값의 차이를 구한 후 모두 더하면, 평균의 정의에 의해 값이 0이 된다. 따라서, 이를 해결하기 위해 모든 값을 제곱하여 양수로 만들고 그것을 더한다.

이 값은 위에서 구한 최적함수가 얼마나 적합한지 비교하는 수단으로 사용할 것이다. 이 값이 작으면 작을수록 모든 데이터가 평균에 근접하는 것을 의미하고, 클 경우 데이터가 넓게 산포되어 있음을 뜻한다.

다음으로 데이터에 최적의 직선 방정식을 사용하여, 각 I값에 대응하는 V값을 계산하면 수학식 11과 같다.

동일한 방법으로 측정값과 직선값의 차이 제곱의 총합을 계산한다. 이는 수학식 12와 같다.

수학식 10과 수학식 12의 단순한 차이가, 그 직선의 데이터들을 표현하기에 얼마나 적합한지 검토하는 방법으로 사용될 수 있다. 두 식을 빼면 다음과 같은 식을 구할 수 있다.

수학식 13을 수학식 10으로 나눈 식이 바로 상관계수 r2이며, 이 값을 참조하여 구한 IR값의 신뢰성을 판단할 수 있다.

본 발명이 종래와 동일한 방법으로 배터리 팩의 내부 저항을 계산함에도 불구하고 본 발명이 종래 기술과 차별화되는 점은 본 발명에서는 배터리 팩의 내부 저항을 계산하는데 사용되는 데이터를 추출하는 방식 또한 정의한다는 것이다. 즉, 본 발명에 의하여 추출된 전류 값과 이에 따른 전압 값을 가지고 최소자승법 등을 이용하여 배터리 팩의 내부 저항을 계산할 수 있다.

도 6는 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 별 배터리의 내부 저항 계산 결과의 예를 나타낸 도면이다. 도 3에서 설명된 방법을 이용하여 전류 값을 추출하고, 최소자승법을 이용하여 계산된 온도 별 배터리 팩 내부 저항 값이다.

도 7는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 내부 저항 및 최소자승법을 이용한 R2 계산 결과의 예를 나타낸 도면이다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims

배터리 팩의 전압 값을 측정하는 전압 센싱부;
상기 배터리 팩의 전류 값을 측정하는 전류 센싱부;
상기 배터리 팩의 온도 값을 측정하는 온도 센싱부;
상기 전압 센싱부, 상기 전류 센싱부, 상기 온도 센싱부에서 전달받은 값들을 이용하여 상기 배터리 팩의 내부 저항을 계산하는 MCU부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 내부 저항추정 장치.
제1항에 있어서,
상기 MCU부는
상기 전류 센싱부에서 기존 측정된 전류 값을 이용하여 조건 설정을 하기 위해 필요한 조건 변수를 초기화하는 조건 초기화부;
상기 전압, 전류, 온도 센싱부에서 받은 전류, 전압, 온도 값을 임시로 설정한 변수에 저장하는 전류, 전압, 온도 측정부;
상기 측정된 전류 값이 설정된 전류 값 조건에 만족하는지 판단하는 전류 조건 판단부;
상기 전류 조건에 만족하는 전류 값을 추출하여 저장하며, 상기 전류 값 측정 시 같이 측정된 배터리 전압, 온도를 저장하는 전류 값, 전압 값, 온도 값 저장부;
상기 전류 조건에 만족하는 전류 값 추출 및 저장 과정을 두 번 이상 반복해서 저장된 전류 값과 전압 값, 온도 값을 이용하여 배터리 팩의 내부 저항을 추정하는 배터리 팩 내부 저항 추정 장치.
제2항에 있어서,
상기 전류 조건 판단 부는
전류 센싱부에서 센싱 된 초기 전류값의 조건을 판단하여 전류 값 추출하기에 알맞은 조건인지를 판단하는 초기 조건 판단부;
상기 초기 조건 판단부를 만족하면 초기 전류값을 이용하여 추출하려는 전류값 구간을 지정하는 조건 범위 설정부;
상기 전류 센싱부에서 상기 초기 전류값 이후에 측정된 전류값이 상기 조건 범위 설정부를 통해 설정된 상기 전류값 구간 내에 포함되면 시간을 카운트하는 사이클 카운팅부;
상기 사이클 카운팅부에서 카운팅된 상기 시간이 미리 설정된 일정한 시간이 될 때까지 상기 사이클 카운팅 작업을 반복하고, 상기 반복 결과 상기 카운팅된 시간이 상기 일정한 시간이 되는 경우 이 때의 전류 값을 추출하는 전류 값 추출부; 및
상기 전류값 추출부에서 처음으로 상기 하나의 전류값을 추출한 이후에 상기 저 전류 구간에 들어가기 전 전류 값들은 추출하지 않으며 상기 저 전류 구간에 들어가면 리셋시키는 전류 값 리셋부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 내부 저항추정 장치.
제2항에 있어서,
상기 조건 초기화부는,
초기 전류 값을 저장하는 변수 값 및 조건 만족을 카운팅하는 변수값을 0으로 초기화하는 변수 초기화부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 내부 저항추정 장치.
제3항에 있어서,
상기 초기 조건 판단부는,
초기 전류 값이 미리 설정된 저 전류 구간 밖에 있는지를 판단하고, 초기 전류 값의 절대값과 이전 전류 값의 절대값을 비교하여 전류 값 추출하기에 알맞은 조건인지를 판단하는 초기 조건 판단 계산부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 내부 저항추정 장치.
제3항에 있어서,
상기 조건 범위 설정부는,
상기 초기 전류값에 미리 설정된 일정한 비율을 곱하여 상기 전류 값 구간의 상하한 폭을 계산하는 상하한 폭 계산부; 및
상기 상하한 폭 계산부에서 계산된 상기 상하한 폭을 통해 상기 전류값 구간의 상한과 하한을 정하는 전류 범위 결정부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 내부 저항추정 장치.
제3항에 있어서,
상기 전류값 리셋부는,
상기 전류값 리셋부 이전의 상기 작업들을 반복 수행하여 상기 전류값 추출부에서 처음으로 추출된 상기 전류값 이외에 상기 다른 전류값들은 추가 추출하지 않는 추가 전류값 추출 제한부;
상기 추가 전류값 추출부에서 추출된 상기 전류값들이 상기 저전류 구간 내의 값으로 될 때까지 상기 추가 전류값 추출 제한 작업을 반복 수행하고, 상기 반복 결과 상기 전류값들이 상기 저전류 구간 내의 값이 되는 경우 다시 상기 조건 초기화부부터 시작하는 프로세스 초기화부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 내부 저항 추정 장치.
일정 조건을 만족하는 전류 값과 이에 따른 전압 값, 온도 값을 추출하는 전류, 전압, 온도 값 추출 단계;
상기 전류, 전압, 온도 값 추출 단계를 두 세트 이상 반복하는 반복 단계;
상기 반복 단계에 의해 구해진 값들을 이용하여 상기 배터리 팩의 내부 저항을 계산하는 내부 저항 계산 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 내부 저항 추정 방법.
제8항에 있어서,
상기 전류, 전압, 온도 값 추출 단계는
미리 설정된 일정한 주기마다 상기 배터리 팩의 전류 값을 측정하는 전류 값 측정 단계;
상기 전류 값 측정 단계에서 처음으로 측정된 초기 전류 값을 이용하여 추출하려는 전류 값 구간을 지정하는 조건 범위 설정 단계;
상기 전류 값 측정 단계에서 상기 초기 전류 값 이후에 측정된 전류 값이 상기 조건 범위 설정 단계를 통해 설정된 상기 전류 값 구간 내에 포함 돼있는 경우, 시간을 카운트하는 사이클 카운팅 단계;
상기 사이클 카운팅 단계에서 카운팅된 상기 시간이 미리 설정된 일정한 시간이 될 때까지 상기 사이클 카운팅 단계를 반복하고, 상기 반복 결과 상기 카운팅된 시간이 상기 일정한 시간이 되는 경우 이 때의 전류 값을 추출하는 전류 값 추출 단계; 및
상기 전류 값 추출 단계에서 처음으로 상기 하나의 전류 값을 추출한 이후에 상기 저 전류 구간에 들어가기 전 전류 값들은 추출하지 않으며 상기 저 전류 구간에 들어가면 리셋 시키고, 다시 상기 전류 값 측정 단계부터 시작하는 전류 값 리셋 단계;
상기 전류 값 추출 단계를 두 번 이상 반복해서 추출된 전류 값과 전압 값을 이용하여 상기 배터리 팩의 내부 저항을 계산하는 내부 저항 계산 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 내부 저항 추정 방법.
제9항에 있어서,
상기 조건 범위 설정 단계는,
상기 초기 전류 값에 미리 설정된 일정한 비율을 곱하여 상기 전류 값 구간의 상 하한 폭을 계산하는 상 하한 폭 계산 단계; 및
상기 상 하한 폭 계산 단계에서 계산된 상기 상 하한 폭을 통해 상기 전류 값 구간의 상한과 하한을 정하는 전류 범위 결정 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 내부 저항 추정 방법.
제9항에 있어서,
상기 전류 값 리셋 단계는,
상기 전류 값 리셋 단계 이전의 상기 단계들을 반복 수행하여 상기 전류 값 추출 단계에서 처음으로 추출된 상기 전류 값 이외에 상기 다른 전류 값들을 추출하는 것을 제한하는 추가 전류 값 추출 제한 단계;
상기 추가 전류 값 추출 제한 단계에서 측정된 상기 전류 값들이 상기 저 전류 구간 내의 값으로 될 때까지 상기 추가 전류 값 측정 단계를 반복 수행하고, 상기 반복 결과 상기 전류 값들이 상기 저 전류 구간 내의 값이 되는 경우 다시 상기 전류 값 측정 단계부터 시작하는 프로세스 초기화 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 내부 저항 추정 방법.