KR20140034717A - 전기 차량, 하이브리드 전기 차량 및 다른 적용에서 배터리 모니터링 - Google Patents

전기 차량, 하이브리드 전기 차량 및 다른 적용에서 배터리 모니터링 Download PDF

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KR20140034717A
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KR1020137007504A
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나이젤 브랜든
폴 미체슨
블라드미르 유피트
데이비드 하우에이
그레고리 오퍼
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임페리얼 이노베이션스 리미티드
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Abstract

예를 들면, 전기 또는 하이브리드 전기 차량(10)에서 사용되는 바와 같은 배터리(30)의 적어도 하나의 전지의 상태를 모니터링하는 방법이 개시된다. 배터리(30)는 전기 부하(50)에 전력을 공급하기 위해 파워 컨버터(42)에 연결된다. 방법은 (a) 적어도 하나의 전지로부터 변하는 전류를 인출하도록 파워 컨버터(42)의 입력 임피던스를 변경하기 위해 파워 컨버터(42)를 제어하는 단계; (b) 파워 컨버터(42)의 임피던스를 변경하는 것에 응답하여 적어도 하나의 전지에 걸친 전압과 이로부터 인출된 전류를 감지하는 단계; (c) 감지된 전압과 전류로부터 적어도 하나의 전지의 복소 임피던스를 계산하는 단계; 및 (d) 적어도 하나의 전지의 상태의 지표를 제공하기 위해, (i) 복소 임피던스와 (ii) 적어도 하나의 전지의 상태를 가리키는 정보 사이의 상관 관계를 가리키는 정보와 계산된 복소 임피던스를 비교하는 단계를 포함한다. 변하는 전류는 능동적으로 변경될 수 있거나 수동적으로 변경될 수 있다.

Description

전기 차량, 하이브리드 전기 차량 및 다른 적용에서 배터리 모니터링{BATTERY MONITORING IN ELECTRIC VEHICLES, HYBRID ELECTRIC VEHICLES AND OTHER APPLICATIONS}
본 발명은 배터리 팩과 같은 배터리의 적어도 하나의 전지의 상태를 모니터링하는 방법에 관한 것이다. 몇몇의 실시예들에서, 본 발명은 전기 차량 또는 하이브리드 전기 차량에서 배터리 모니터링에 관한 것이다. 다른 실시예들에서, 본 발명은 다른 적용에서 배터리 모니터링에 관한 것이다.
최근 수년 동안에 주변 환경에 적게 영향을 끼치고 운행하기에 더 경제적인 차량의 형태들에 대한 요구를 증가되어 왔다. 특히, 승용차의 형태의, 전기 차량과 하이브리드 전기 차량은 특히 이 요구를 만족시키는 것에 대한 성공 가능성을 보여 보여주는 차량의 형태로서 증가된 주목을 받고 있다.
이와 같은 차량의 성공적인 상업화는, 지금까지는, 이와 같은 적용에 사용되는 배터리와 관련된 고려에 의해 제한되었다. 현재 사용되는 다양한 배터리 기술들 중에, 리튬-이온 기반 배터리는 단위 질량당 에너지와 단위 체적당 에너지의 관점에서 매우 우수하며, 그래서 배터리와 같은 파워 트레인 구성요소들에 의해 차지된 질량과 체적이 유리하게도 최소화될 수 있는 차량 적용에 매력적이다.
그러나, 사용되는 배터리의 타입과 상관없이, 배터리의 적절한 관리가 매우 중요하다. 이는, 예를 들면, 니켈-금속 하이드라이드(NiMH), 납축전지, 레독스 플로우 배터리, 및, 생각할 수 있는, 전지들을 가지는 임의의 전기화학 장치에 대해 적용된다.
리튬-이온 배터리는, 비록 많은 측면에서 우수하지만, 상대적으로 높은 비용으로 어려움을 겪고 있으며, 과충전되거나 과방전되도록 용납되지 않는다. 사실상, 금속 산화물 음극을 가지는 것들은 만약 과충전된다면 심지어 폭발될 수 있다. 전지들이 차량 적용들에 필요한 전류와 전압을 공급할 수 있는 배터리 팩들을 형성하기 위해 직렬 및 병렬로 연결되는 경우에 이런 특성들을 고려하는 것이 특히 어렵다. 이는 제조의 변동성이 다수의 충전-방전 사이클들 후에, 상이한 충전 상태(SOC)를 가지고 그에 따라 약간 상이한 전압들을 가지는 상이한 전지들을 초래할 수 있는 상이한 내부 저항들을 가지는 상이한 전지들을 초래하기 때문이다. 이는 과충전되거나 과방전되는 하나 이상의 전지들과 극단적인 경우에 개별적인 전지들의 고장의 가능성을 증가시킨다. 이미 언급된 바와 같이, 이와 같은 배터리의 오용은 배터리의 고장을 초래할 수 있으며, 차량의 소유자에게 높은 비용으로 배터리를 교체하도록 요구할 것이다.
그러므로, 사용 중에 배터리의 적절한 관리가 전기 및 하이브리드 전기 차량의 상업적인 성공에 필수적이라는 것이 인정될 것이다.
이 문제점을 해결하기 위한 시도로서, 현존하는 전기 및 하이브리드 전기 차량은 이와 같은 차량에 사용되는 배터리에 있는 개별적인 전지들의 SOC를 모니터링하려고 추구하고 그래서 과충전 또는 과방전을 회피하려고 하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함한다. 이와 같은 시스템은 또한 전지의 건전성 상태, 수명 상태 및 다른 매개변수들을 측정할 수 있으며; 또한 전지의 충전 상태를 균일하게 하는 것을 목표로 할 수 있다.
몇몇의 이런 현존하는 배터리 관리 시스템에서, 두 개의 방법들이 SOC의 추정을 달성하기 위해 조합된다. 이 방법들 중의 첫 번째 방법에서, 전지의 초기 SOC가 개방 회로 전압(OCV)을 측정하고 그 다음에 룩업 테이블을 참고하거나 측정된 OCV로부터 SOC를 제공하기 위해 수학 함수를 사용함으로써 추정된다. SOC가 OCV의 복합 함수이므로, 룩업 테이블이 때때로 선호된다. 초기 SOC를 찾기 위해 이런 방법을 실행할 때, 각각의 전지의 OCV를 안정화시키기 위해 배터리가 대략 4 내지 6 시간 동안 부하로부터 완전히 분리된 직후에 OCV가 측정되는 것이 중요하다. 두 번째로 방법에서, 작동 중에, “쿨롬 카운팅”이라고 불리는 방법이 SOC의 실시간 추정을 제공하는데 사용된다. 이는 각각의 전지의 직접적인 전류 측정을 포함하고, 그 다음에 충전의 증가 또는 감소를 제공하기 위해 전지 충전 및 방전 중에 시간에 대한 전지 전류의 적분을 포함한다. 초기 SOC와 이런 충전의 증가 및 감소로부터, 현재 SOC가 추정될 수 있다. 몇몇의 이런 방법들에서, 전지의 온도와 이의 자체 방전 속도가 또한 고려된다.
이와 같은 현존하는 배터리 관리 시스템은 다음과 같은 몇몇의 이유 때문에 문제가 된다:
· 이미 언급된 바와 같이, 초기 SOC의 결정은 시간이 걸리며,
· 차량 작동 중에 정확한 쿨롬 카운팅을 실행하는 것은 항상 가능하지는 않으며, 정확성은 적분 편차 때문에 시간의 경과에 따라 감소될 수 있으며,
· OCV-SOC 룩업 테이블들에 근거한 초기 SOC 추정은, SOC와 비교한 OCV의 변화가 금속 산화물 음극을 가지는 배터리의 경우보다 훨씬 덜 두드러지기 때문에, (LiFePo4 배터리와 같은) 인산염 음극을 가지는 리튬-이온 배터리에 대해 정확하지 않을 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 양호한 배터리 모니터링이 없이는, 전기 차량 및 하이브리드 전기 차량의 상업적인 실행 가능성이 감소된다. 따라서, 이와 같은 적용에서 배터리의 상태를 모니터링하기 위한 개선된 배열에 대한 필요가 있다.
현존하는 배터리 모니터링 시스템들이 가지는 이런 문제점들은 자동차의 적용들에 국한되지 않는다. 대신에, 재충전 가능한 배터리를 사용하는 거의 모든 장치가 개선된 배터리 모니터링으로부터 이익을 얻을 것이며: 많은 사람들이 배터리가 놀랍도록 빠르게 방전된다는 것을 발견하게 되는 보기에는 가능한 충전량의 3분의 1의 남아 있는 휴대 전화기를 사용하는 좌절감을 경험할 것이다. 따라서, 다른 적용들에서 개선된 배터리 모니터링에 대한 필요가 또한 있다.
본 발명은 전기 차량, 하이브리드 전기 차량 및 다른 적용에서 배터리 모니터링을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 양상에 따르면, 전기 부하에 전력을 공급하기 위해 파워 컨버터에 연결된 배터리의 적어도 하나 전지의 상태를 모니터링하는 방법이 제공되며, 방법은 다음의 단계를 포함한다:
a) 적어도 하나의 전지로부터 변하는 전류를 인출하도록 파워 컨버터의 입력 임피던스를 변경하기 위해 파워 컨버터를 제어하는 단계;
b) 파워 컨버터의 임피던스를 변경하는 것에 응답하여 적어도 하나의 전지에 걸친 전압과 이로부터 인출된 전류를 감지하는 단계;
c) 감지된 전압과 전류로부터 적어도 하나의 전지의 복소 임피던스를 계산하는 단계; 및
d) 적어도 하나의 전지의 상태의 지표를 제공하기 위해, (i) 복소 임피던스와 (ii) 적어도 하나의 전지의 상태를 가리키는 정보 사이의 상관 관계를 가리키는 정보와 계산된 복소 임피던스를 비교하는 단계.
단계(c)는 감지된 전압과 전류로부터 상이한 주파수들에서 적어도 하나의 전지의 복소 임피던스를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
따라서, 더 일상적인 용어로, 현존하는 전력 기기를 사용함으로써 현장에서 - 즉 전지 또는 배터리가 전력을 공급하는, 적용의 유용한 부하와 전력 기기에 전지 또는 배터리가 연결될 때 - 전지 또는 배터리의 상태를 모니터링하기 위해 전기화학 임피던스 분광법(EIS)을 사용하는 방법이 제공된다. 이는 EIS를 실행하기 위한 전용 설비에 대한 필요를 회피하며 이와 같은 전용 설비의 추가적인 비용, 크기, 중량 및 복잡성을 회피한다. 비용, 크기, 중량 및 복잡성의 감소는 차량과 더 작은 전기 장치의 설계와 상업적인 성공의 중요한 인자들이다.
EIS는 개별 전지의 매우 정확한 측정을 하기 위해 실험실에서 때때로 사용되는 과정이다. 이는 전지로부터 작은 정현파 AC 전류를 인출하거나 상이한 주파수들에서 전지 터미널들에 걸쳐 작은 AC 전압을 가하기 위해 크고 값비싼 디지털 신호 발생기를 사용하는 것에 의존한다. 주파수 응답 분석기를 사용하여 전지의 복소 임피던스의 주파수 응답을 확인함으로써, 전지의 건전성 상태 및 충전 상태와 관련된 필수적인 정보가 확인될 수 있다. EIS에서, 전지의 이력의 지식은 (쿨롬 카운팅과 대조적으로) 필요하지 않으며, 그래서 전지의 상태에 관한 추론의 정확성을 감소시키는 에러가 시간이 경과해도 축적되지 않는다.
본 발명의 실시예들에서, EIS는 실험실로부터 획득되며, 현장에서 - 즉, 전지들이 부하에 공급하기 위해 유용한 전력을 제공하는데 사용되는 적용들에서 - 작동하도록 만들어진다. 이의 예들은 전기 차량 또는 하이브리드 전기 차량에서 사용되는 전지들, 또는 심지어 휴대용 전화기 또는 휴대용 컴퓨터와 같은 더 작은 장치에 사용되는 전지들일 수 있다. 입력 임피던스가 변경되도록 파워 컨버터를 종래와 다르게 제어함으로써, 변하는 전류가 전지로부터 인출될 수 있으며 그 다음에 전지의 복소 임피던스가 계산되도록 허용하기 위해 전지에 걸친 전압과 함께 감지될 수 있다. 알려지거나, 감지되거나 또는 계산된 주파수 또는 주파수들에서의 복소 임피던스는 그 다음에 전지의 건전성 상태 및 충전 상태를 확인하는데 사용될 수 있다.
[파워 컨버터에 관련된 특징들]
파워 컨버터는 DC → DC 컨버터를 포함할 수 있으며; 이는 인버터와 같은 DC → AC 컨버터를 포함할 수 있다. 방법의 단계(a)는 인버터의 입력 임피던스를 변경하기 위해 인버터를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 파워 컨버터는 모터 제어기의 형태일 수 있으며 부하는 모터일 수 있다. 이런 배열은 전기 차량 또는 하이브리드 전기 차량과 같은 차량의 구동 트레인의 적어도 일부분으로서 사용될 수 있다. 방법의 단계(a)는 인버터의 입력 임피던스를 변경하기 위해 모터 제어기의 인버터를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
[예시적인 적용들]
파워 컨버터는 휴대용 전자 장치, 예를 들면, 휴대용 전화기와 휴대용 컴퓨터와 같은 전자 장치, 또는 생각할 수 있는 바와 같이 재충전 가능한 배터리에 의해, 또는 심지어 전지들을 가지는 임의의 다른 전기화학 장치에 의해 전력을 공급받을 수 있는 임의의 다른 전자 장치의 파워 컨버터일 수 있다. 본 발명의 실시예들은, 예를 들면, 리튬 이온 배터리, 니켈-금속 하이드라이드(NiMH) 배터리, 납축전지 및 레독스 플로우 배터리; 및 또한, 생각할 수 있는, 광전지, 배터리와 인버터를 포함하는 것들과 같은 휴대폰 베이스 스테이션 및 오프-그리드 파워 공급장치와 함께 사용될 수 있다고 예상된다. 이들 모두는 오직 예들일 뿐이다.
[변하는 전류]
변하는 전류는 부하에 유용하게 전력을 공급하기 위해 전지로부터 인출되는 전류를 포함할 수 있다. 변하는 전류는 부하에 유용하게 전력이 공급되기 위해 전지로부터 인출되는 전류를 포함하지 않을 수 있다.
변하는 전류는 주기적으로 변하는 전류를 포함할 수 있으며; 이는 리플 전류를 포함할 수 있으며; 이는 정현파 교류 전류를 포함할 수 있다. 변하는 전류는 주기적이든 아니든 간에 임의의 파형을 가지는 전류를 포함할 수 있다. 변하는 전류는 단지 작은 양으로 변경될 수 있다. 전류의 변동의 양은 배터리 응답의 선형 가정이 정당화될 정도로 충분히 작을 수 있다. 변하는 전류는 전지당 5와 20 mV 사이의 배터리 전압 변화를 초래할 수 있다. 그 결과로 나온 전압 변화는 전지당 10 mV 이하일 수 있다.
[능동적인 접근법]
단계(a)는 부하 수요의 변동을 위해 공급하기 위한 것이 아니고 배터리로부터 인출된 전류를 변경하기 위해 - 즉 이런 전류에 섭동을 도입하기 위해 - 파워 컨버터의 입력 임피던스를 변경하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 “능동적인” 접근법으로서 생각될 수 있다.
[수동적인 접근법]
단계(a)는 부하 수요의 변동을 위해 공급하도록 배터리로부터 인출된 전류를 변경하기 위해 - 즉 이런 전류에 섭동을 도입하기 위해 - 파워 컨버터의 입력 임피던스를 변경하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 “수동적인” 접근법으로서 생각될 수 있다. 이 방식으로 파워 컨버터를 제어하는 것은 이 방법이 부하에 공급하기 위한 파워 컨버터의 통상적인 제어 중에 특히 전지에 의해 보여지는 임피던스를 변경하기 위해 파워 컨버터를 제어하지 않고 전지의 상태를 모니터링하도록 허용할 수 있다. 단계(a)는 모터를 가속시키거나 감속시키기 위해 이런 방식으로 파워 컨버터를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 이 배열은, 예를 들면, 가속기의 위치를 변경하는 것과 같은 것에 의해 운전자가 토크 수요를 변경하는 것의 결과로서 요구되는 전류인 변하는 전류와 함께, 예를 들면, 자동차의 통상적인 작동 중에 사용될 수 있다.
[다양한 섭동 방법들]
이 방법은 제1 주파수의 변하는 전류로 단계들을 실행하고 상이한 주파수의 변하는 전류로 이 단계들을 반복하는 것을 포함할 수 있다. 단계들은, 매번 상이한 각각의 주파수의 변하는 전류로, 여러 번 반복될 수 있다. 단계들은 10mHz와 10kHz의 범위에 있는 상이한 변하는 전류들로 반복될 수 있다. 범위는 10mHz와 500Hz 사이일 수 있다. 방법은 동시에 복수의 상이한 주파수들의 변하는 전류로 단계들을 실행하는 것을 포함할 수 있다. 복수의 상이한 주파수들은 위에 언급된 범위에 있을 수 있다. 변하는 전류는 정현파로 변경될 수 있다. 이런 접근법은 능동적인 접근법의 특징일 수 있다.
이 방법은 최대 길이 시퀀스와 같이 의사-랜덤 이진 시퀀스의 형태를 가지는 변하는 전류를 포함할 수 있다. 이런 접근법은 능동적인 접근법의 특징일 수 있다.
변하는 전류는 주기적이지 않게 변경될 수 있다. 단계(a)는 임의의, 선택적으로 비주기적인, 부하가 적어도 하나의 전지에 가해지도록 임피던스를 변경하고, 그에 따라 상응하는 변하는 전류를 변경하기 위해 파워 컨버터를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같은 임의의, 선택적으로 비주기적인, 부하는 여기서 편의성을 위해 “파동” 부하로 언급된다. 파동 부하는, 예를 들면, 구형파, 스텝, 임펄스, 램프, 톱니 및 기타 등등의 형태를 가질 수 있다. 이런 접근법은 능동적이고/능동적이거나 수동적인 접근법의 특징일 수 있다. 수동적인 접근법의 특징일 때, 파동 부하는, 예를 들면, 사용자가 가속기를 누르는 것과 같이 부하 수요의 갑작스런 변화의 결과로서 존재한다고 이해될 것이다.
단계(b)에서 감지되고 단계(d)에서 계산되는 복소 임피던스를 계산하는데 사용되는 전압과 전류는 통상적인 작동의 결과로서 존재하는 노이즈 및/또는 다른 스펙트럼 성분일 수 있다.
[조합들 및 대안들]
이 방법은 주기적으로 변하는 전류를 인출하기 위해 파워 컨버터를 제어하고, 또한 파동 부하 변동을 가하기 위해 파워 컨버터를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 이들은 동시에 일어날 수 있고; 이들은 동시가 아닌 시간에 일어날 수 있다. 주기적으로 변하는 전류는 차량이 정지 상태에 있을 때 사용될 수 있다. 예를 들면, 통상적인 운전의 일부분으로서 요구되는 토크 수요의 변화의 결과로서 가해질 수 있는 임의의 비주기적인 부하 변동과 같은 - 파동 부하 변동은 차량이 모터에 의해 전력을 공급받을 때 사용될 수 있다. 어느 하나 상황 또는 두 가지 모두의 상황에서, 이 방법은 위에서 기술된 임의의 선택적인 특징들 또는 모든 선택적인 특징들을 포함할 수 있다. 파동 부하는 주기적으로 가해질 수 있다고 또한 예상된다.
이에 대한 몇 가지 이유가 있다. 첫째로, 주기적으로 변하는 전류 접근법은, 특히 각각이 상이한 주파수를 가지는 복수의 전류들에 대해 반복될 때, 상당한 시간을 필요로 한다. 그러므로, 이런 접근법은 차량이 운행 중일 때 사용하기에 최적일 수 없으며, 운행 시간 중에 배터리의 작동 모드가 변할 수 있으며, 그에 의해 낮은 주파수 응답에 영향을 끼칠 수 있다.
게다가, 파동 부하 변동은 또한 (인덕턴스에 따라) 낮거나 높은 주파수 응답을 반드시 제공하지는 않는 것, 감소된 신호 대 잡음비 및 배터리가 선형 시스템으로서 작동한다는 가정과 같은 몇몇의 결점들을 가지고 있다. 따라서, 몇몇의 실시예들에서, 두 가지 모두의 배열들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 전류가 주기적으로 변경되는 접근법은 차량이 정지 상태에 있고/있거나 대체로 일정한 속도로 운행 중일 때 사용될 수 있으며; 파동 부하 변동이 사용되는 접근법은 차량이 가속되거나 감속될 때 사용될 수 있다.
[모델에 대한 피팅]
단계(d)에서, 상관 관계를 가리키는 정보는 저장된 정보일 수 있다. 단계(d)는 (i) 이 양들과 (ii) 적어도 하나의 전지의 상태를 가리키는 정보 사이의 상관 관계를 가리키는 정보와 계산된 복소 임피던스 및 변하는 전류의 주파수를 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 전지의 상태를 가리키는 정보는, 예를 들면, (전체 복소 임피던스가 수명의 상태를 가리키는) 전지의 수명상태, 전지의 충전 상태 및/또는 전지의 열화 속도를 가리키는 정보를 포함할 수 있다. 전지의 충전 상태를 가리키는 정보는 전극과 전해질의 계면들에서 일어나는 전하 이동 과정들을 가리키는 정보일 수 있다. 열화 속도를 가리키는 정보는 전지의 고체 전해질 계면(SEI)의 저항을 가리키는 정보일 수 있다. 열화를 가리키는 정보는 복소 임피던스 스펙트럼(나이퀴스트 플롯(Nyquist plot))에 대한 고주파수 인터셉트를 가리키는 정보를 포함할 수 있다. 이는 Li-폴리머 전지들에 특히 유용하며 - (HF 인터셉트에 의해 표시되는) 이들의 “벌크” 저항은 사이클들에 걸쳐 심하게 변할 수 있다.
복소 임피던스와 적어도 하나의 전지의 상태 사이의 상관 관계를 가리키는 정보는 등가 회로의 구성요소 사이의 상관 관계를 가리키는 정보일 수 있으며, 등가 회로는 전지와 관련된 경험적인 데이터에 대한 수학적 알고리즘의 적용에 의해 획득된다. 경험적인 데이터는 충전의 상이한 상태들에서 EIS 데이터를 포함할 수 있다.
온도가 임피던스 응답에 영향을 끼칠 수 있기 때문에, 적어도 하나의 전지의 온도가 온도의 영향을 보정하기 위해 감지되고 사용될 수 있다고 또한 예상된다. 따라서, 저장된 정보일 수 있는 정보는 또한 전지 온도를 고려할 수 있다. 예를 들면, 이런 정보는 적어도 부분적으로 온도의 함수일 수 있거나, 각각의 온도에 대해 각각 별도의 세트들의 정보가 존재할 수 있다.
[다른 양상들]
본 발명의 제2 양상에 따르면, 파워 컨버터에 대한 처리 및 제어 수단이 제공되며, 처리 및 제어 수단은 프로그래밍되고 위에서 한정된 방법에 따라 파워 컨버터를 제어하기 위해 작동 가능할 수 있다.
처리 및 제어 수단은 배터리로부터 인출된 변하는 전류가 대체로 부하로 흐르지 않고 배터리를 통해 흐르게 하게 하기 위한 전류 유도 수단을 포함할 수 있다. 전류 유도 수단은 하나 이상의 H-브리지 회로들을 포함할 수 있다.
처리 및 제어 수단이 위에서 한정된 감지 단계들에서 감지된 양을 가리키는 감지 수단으로부터의 정보를 수신하도록 추가로 배치될 수 있다.
처리 및 제어 수단이 단계(d)를 실행하기 위해 추가로 배치될 수 있다.
본 발명의 제3 양상에 따르면, 처리 및 제어 수단을 포함하고 감지 수단을 더 포함하는 제어 시스템이 제공된다.
본 발명의 제4 양상에 따르면, 처리 및 제어 수단이 위에서 한정된 바와 같이 작동되게 하기 위해 처리 및 제어 수단에 의해 실행 가능한 코드 부분들을 가지는 컴퓨터 프로그램이 제공된다.
본 발명의 제5 양상에 따르면, 이의 위에 또는 이의 내부에 코드 부분들의 기록을 포함하는 기록 캐리어가 제공된다. 기록 캐리어는, 예를 들면, 컴퓨터 판독 가능한 디스크, 예컨대 CD-ROM 또는 DVD-ROM과 같은 광학 저장 매체를 포함할 수 있다. 기록 캐리어는, 예를 들면, 휘발성 메모리 및/또는 비휘발성 메모리와 같은 고체 상태 저장 매체를 포함할 수 있으며; 이는, 예를 들면, EPROM, 및 EEPROM 및/또는 플래시 메모리를 포함할 수 있다. 기록 캐리어는 신호일 수 있으며; 이는 무선 신호일 수 있다.
본 발명의 제6 양상에 따르면, 위에서 한정된 바와 같은 제어 시스템을 포함하는 차량이 제공된다.
본 발명의 제7 양상에 따르면, 위에서 한정된 바와 같은 제어 시스템을 포함하는 배터리 전원식 장치가 제공된다. 이와 같은 장치는 무정전 전원장치(UPS)를 포함할 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시예들이 첨부한 도면들을 참조하여 단지 예로서 아래에서 설명된다.
도 1은 전기 구동 트레인을 가지는 차량의 개략도이다.
도 2는 구동 트레인의 구성요소들의 개략적인 회로도이다.
도 3은 이런 구성요소들에 의해 실행되는 방법의 흐름도이다.
도 4는 제1 개량 구동 트레인의 구성요소들의 개략적인 회로도이다.
도 5는 충전의 다양한 상태에서 복소 임피던스의 경험적인 선도이다.
도 6은 등가 회로의 개략적인 형태를 도시한다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 등가 회로의 구성요소들과 충전 상태 사이의 관계를 도시한다.
도 8은 제2 개량 구동 트레인의 구성요소들의 개략적인 회로도이다.
도 1은 차량(10)을 도시한다. 차량(10)은 전기 구동 트레인(20)을 가지는 타입의 전기 차량이다. 구동 트레인(20)은 차량(10)이 재충전 가능한 배터리로부터 전력을 인출하는 전기 모터에 의해만 동력을 공급받게 하기 위한 것이다(전기 모터 또는 재충전 가능한 배터리는 도 1에 도시되지 않음). 이 실시예에서, 차량(10)은 저장된 전력에 의해만 동력을 공급받지만, 다른 실시예들에서, 차량(10)은 내연 엔진이 차량에 동력을 공급하기 위해 적어도 부분적으로 사용되는 하이브리드 전기 차량일 수 있다고 예상된다. 이 실시예에서, 하이브리드 차량은 엔진과 모터가 바퀴들에 기계적 구동을 제공하기 위해 개별적으로 또는 함께 사용될 수 있는 “병렬” 구동 트레인 구성을 가지는 차량이다. 그러나, 다른 실시예들에서, 엔진이 바퀴들에 기계적 구동을 제공하도록 결합된 모터에 전력을 공급하기 위해 발전기를 구동시키도록 작동되는 “직렬” 구성이 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 두 구성들의 조합이 사용될 수 있다.
다음의 설명으로부터 명백해지는 바와 같이, 이 실시예에서 구동 트레인의 적어도 특정한 구성요소들은 재충전 가능한 배터리의 상태를 모니터링하기 위한 개선된 배열을 제공하기 위해 배치되고 작동 가능하다.
도 2는 전기 구동 트레인(20)의 특정한 구성요소들을 더 상세하게 도시한다. 도 2를 계속하여 참조하면, 전기 구동 트레인(20)은 일반적으로 재충전 가능한 리튬-이온 배터리(30), 모터 제어기(40) 및 전기 모터(50)로 구성된다. 비록 리튬-이온 배터리가 본 실시예에서 사용되지만, 다른 배터리 화학들이 다른 실시예들에서 사용될 수 있다는 것이 예상된다. 배터리(30)는 모터 제어기(40)의 인버터(42)의 입력부들에 연결되며; 모터는 모터 제어기(40)의 인버터(42)의 출력부들에 연결된다. 모터 제어기(40)는, 인버터(42)의 작동을 제어하고 그에 의해 전기 모터(50)의 작동을 제어하기 위해 배치되고 제어 전자 기기에 저장된 명령들의 제어 하에 작동 가능한 제어 전자 기기(44)를 추가로 포함한다. 제어 전자 기기(42)는 마이크로프로세서(도시되지 않음)의 형태의 처리 수단과 고체 상태 메모리(도시되지 않음)의 형태의 저장 수단을 포함한다. 처리 수단은 제어 전자 기기의 작동과 그에 따른 인버터(42)와 모터(50)의 작동을 제어하도록 메모리에 저장된 명령들을 실행하기 위해 배치된다.
커패시턴스(35)가 배터리(30)와 모터 제어기(40)의 인버터(42)의 입력부 사이에 연결된다. 기술자는 이와 같은 커패시턴스가 때로는 신속하게 그리고 짧은 시간 동안에 인버터(42)에 전력을 공급하고 그에 따라, 예를 들면 빠른 가속의 짧은 시간 동안에 모터(50)에 전력을 공급하기 위해 전기 차량의 구동 트레인에 제공된다는 것을 이해할 것이다. 커패시터는 그 다음에 더 낮은 수요의 기간 동안에 재충전될 수 있다. 커패시턴스는 또한 인버터 구동장치의 고주파수 스위칭으로부터 초래되는 리플 전류를 위한 경로를 제공하는데 유용하다.
전기 구동 트레인(20)은 (비록 전류 감지가 도시의 단순화를 위해 도면들에서 도시되지 않지만) 배터리(30)의 각각의 전지(32)에 걸친 전압과 이를 통과하는 전류를 감지하기 위해 차동 계측 증폭기들(62)을 통해 연결되는, 각각의 입력 채널에 대해 각각의 아날로그 → 디지털 컨버터(도시되지 않음)를 포함하는 디지털 신호 프로세서(61)의 형태의 감지 수단(60)을 더 포함한다. 이 예시적인 실시예에서, 설명의 단순화를 위해 단지 네 개의 전지들을 가지는 배터리(30)가 도시된다. 배터리(30)는, 실제로, 서로 병렬 및/또는 직렬로 배치되는 더 많은 전지들을 포함할 것이다. 도 2의 차동 계측 증폭기들(62)과 배선의 배열도, 또한, 설명의 단순화를 위해 개략적이다. 기술자인 독자는 배터리(30)의 각각의 전지(32)에 걸친 전압과 이를 통과하는 전류를 감지하기 위해 이와 같은 배열이 실제로 어떻게 실시될 것인지를 이해할 것이다. 모터 제어기(40)의 제어 전자 기기(44)는 인버터(42)를 제어하고 그에 따라 모터(50)를 제어하는데 사용하기 위한 다양한 입력들을 수신하도록 연결된다. 이 입력들 중에서, 단지 두 개만이 이 실시예를 이해하는데 필요하며 그래서 이들만이 도 2에 도시된다. 이들은 디지털 신호 프로세서(61)로부터의 입력(63)과 요구되는 모터 속도를 가리키는 운전자로부터의 입력(64)이다(그러나, 엄격히 말해서, 모터 제어기(40)는 전류 또는 토크 수요의 형태의 신호 입력만을 수신할 수 있고, DSP로부터의 변조가 전류/토크 수요에 추가된다고 이해될 것이다). 이 마지막 입력(64)이, 예를 들면, 운전자에 의해 작동될 수 있는 가속기 페달에 의해 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
위에서 설명되는 적어도 몇몇의 구성요소들은 현존하는 전기 및 하이브리드 차량들의 구동 트레인들에서 발견되는 것이다. 적어도 배터리(30), 커패시턴스(35), 모터 제어기(40) 및 모터(50)는 종래의 것이다.
그러나, 이런 구성요소들의 작동, 및 특히 이들의 작동을 결정하는 제어 전자 기기(44)에 저장된 명령들은 종래의 것이 아니다. 이 작동이 이제 설명될 것이다.
구동 트레인(20)의 작동은 구동 트레인(20)이 배터리(30)의 상태를 모니터링하는 방식에 대한 것을 제외하고 현존하는 전기 차량들에 대한 작동과 일반적으로 동일하다. 이 실시예들에서, 제어 전자 기기(44)의 메모리는 배터리 모니터링 루틴(100)을 실행하기 위한 명령들의 기록을 포함한다. 이 루틴은 본 발명을 구현하는 예시적인 방법이다. 배터리 모니터링 루틴이 도 3을 참조하여 이제 설명될 것이다.
[주파수 스윕 방법:]
도 3을 계속하여 참조하면, 배터리 모니터링 루틴(100)은 단계(110)에서 시작되며, 그 다음에 제어 전자 기기(44)가 배터리(30)에 의해 경험되는 바와 같이 인버터(44)의 입력 임피던스에서 작은 정현파 변동을 생성하기 위해 인버터(42)를 제어하는 단계(120)로 진행한다. 인버터(44)의 입력 임피던스에서의 이런 작은 변동은 모터(50)에 전력을 공급하는데 사용되는 배터리(30)로부터 인버터(42)에 의해 인출된 전류에서 작은 정현파 변동을 야기한다. 다시 말해서, 인버터는 모터(50)에 전력을 공급하기 위해 배터리(30)로부터 인출된 전류에 작은 정현파 AC 리플 전류를 도입하기 위해 제어된다. 인버터가 이런 방식으로 제어되는 동안에, 루틴은 디지털 신호 프로세서(61)가 배터리(30)의 각각의 전지(32)에 걸친 전압과 이를 통과하는 전류를 감지하는 단계(130)로 진행한다. 각각의 전지(32)에 걸친 전압과 이를 통과하는 전류를 가리키는 정보는 그 다음에 제어 전자 기기(44)에 입력(63)을 통해 통신된다.
루틴은 그 다음에 제어 전자 기기(44)의 마이크로프로세서가 각각의 전지에 걸친 감지된 전압과 이를 통과하는 감지된 전류로부터 각각의 전지의 복소 임피던스를 계산하는 단계(140)로 진행한다.
방법은 그 다음에 루틴이 되돌아와서 단계들(120 내지 140)을 반복하지만, 인버터(42)가 입력 임피던스가 이전에 변경되었던 주파수와 상이한 주파수에서 이의 입력 임피던스를 변경하기 위해 제어되는 단계(150)로 진행한다. 이 루프는, 미리 결정된 범위의 주파수들 사이에서 그리고 이런 범위의 내에 있는 미리 결정된 수의 상이한 주파수들에서, 매번 상이한 주파수의 임피던스 변동으로, 반복된다. 이 실시예에서, 이 범위는 대략 10mHz와 10kHz 사이에 있어야 한다고 예상되며, 상이한 주파수들의 수는 대략 20일 것이라고 예상된다. 다른 실시예들에서, 이 단계들은 다소간의 상이한 주파수들에 대해 반복될 수 있다. 단계들(120 내지 140)이 각각의 미리 결정된 주파수들에 대해 반복되면, 루틴은 단계(160)로 진행한다.
단계(160)에서, 처리 수단은 이 두 개의 양들과 충전 상태 및 배터리 열화 속도 사이의 미리 결정된 상관 관계의 메모리에 있는 기록과, 이런 계산을 생성하는데 사용되는 인버터(42)의 입력 임피던스의 변동의 주파수와, 각각의 전지의 계산된 복소 임피던스를 비교한다. 예를 들면, 10Hz와 100Hz 사이에 있는 상업적인 리튬-이온 배터리의 복소 임피던스의 주파수 응답은 배터리의 고체 전해질 계면(SEI)의 임피던스에 상응하고 그래서 배터리의 열화의 속도에 대한 정보를 제공한다는 것이 발견되었다. 또한, 10mHz와 10Hz 사이의 주파수 응답은 전극-전해질 계면들에서 일어나는 전하 이동 과정에 상응하고 그래서 배터리의 충전 상태에 관한 지표를 제공한다는 것이 발견되었다. 따라서, 측정된 주파수 응답을 저장된 주파수 응답들과 비교하는 것은 각각의 전지의 충전 상태와 각각의 전지의 열화 속도에 관한 추론이 되도록 허용한다. 저장된 주파수 응답들은 또한 배터리의 수명 사이클 및/또는 상이한 방전 전류 속도들에서 각각의 다양하고 상이한 작동 온도들 및/또는 단계들에 대한 룩업 테이블들을 가지는 것에 의해서와 같이 다른 인자들을 고려하는 몇몇의 룩업 테이블들의 형태로 존재한다고 예상된다. 또는, 측정된 주파수 응답은 계산된 주파수 응답과 비교될 수 있으며, 이런 다양한 인자들을 고려하는 알고리즘을 사용하여 계산될 수 있다.
루틴은 그 다음에 이런 추론들이 이에 의해 실행되는 다른 루틴들에 대해, 그리고 또한 효과적으로 배터리(30)를 관리하는데 사용하기 위한 다른 구성요소들에 대해 제어 전자 기기의 처리 수단에 의해 이용 가능하게 되는 단계(170)로 진행한다.
배터리 모니터링 루틴(100)은 그 다음에 단계(180)에서 종료된다.
이 실시예에서, 배터리 모니터링 루틴(100)은 차량(10)의 작동 중에 배터리(30)의 상태에 관한 정보를 제공하고 그래서 배터리(30)의 효과적인 관리를 허용하기 위해 차량(10)의 통상적인 작동 중에 주기적으로 실행된다고 예상된다. 그러나, 적어도 몇몇의 상황에서, 위에서 설명된 바와 같이 이의 입력 임피던스가 변경되도록 인버터(42)를 제어하는 것은 바람직하지 않은 방식으로 차량(10)의 성능에 영향을 끼칠 것이라고 생각될 수 있다. 예를 들면, 배터리(30)로부터 인출된 통상적인 전류에 리플 전류를 가하는 것은 모터(50)에서 토크 리플을 초래할 수 있고 차량(10)의 객실에 그 결과로 나온 진동과 음향 노이즈를 초래할 수 있다는 것이 생각될 수 있다. 이를 회피하기 위해, 적어도 몇몇의 실시예들에서, 위에서 설명된 배터리 관리 루틴(100)은 차량이 정지하고 있을 때만 실행된다고 예상된다. 이와 같은 상황에서, 리플 전류는 배터리(30)로부터 인출되는 대체로 유일한 전류일 것이다. 그러나, 다른 실시예들에서, 이미 이해된 바와 같이, 배터리 모니터링 루틴(100)은 차량이 모터(50)의 동력 하에 움직일 때 실행된다고 예상된다.
도 3을 참조하여 위에서 설명된 배터리 모니터링 루틴(100)이 일정한 주파수 범위내에 있는 복수의 상이한 주파수들 각각에서 인버터(42)의 입력 임피던스를 변경하는 것을 포함하기 때문에, 이는 배터리(30)의 상태를 모니터링하기 위한 “정현파 주파수-스윕” 방법으로서 불릴 수 있다. 배터리(30)로부터 리플 전류를 인출하기 위해 인버터(42)의 입력 임피던스를 제어하는 것에 반드시 의존할 필요가 없고, 그 대신에 변하는 도로 상태들이나 차량 운전자로부터의 입력의 변화에 응답하여 모터(50)를 가속하거나 감속하기 위해 형성된 제어기의 입력 임피던스의 변동을 사용하는 것에 의존할 수 있는 대안의 방법이 이제 아래에서 설명될 것이다. 이 대안의 방법은 이제 상세하게 설명되는 제2 실시예의 일부분을 형성한다.
[파동 방법:]
도시되지 않은 제2의 상세한 실시예에서, 제어 전자 기기(44)의 프로세서는 인버터(42)의 입력 임피던스가 배터리(30)에 구형파 부하 전류 변동을 부여하기 위해 변하도록 인버터(42)가 제어되었을 때 디지털 신호 프로세서(61)로부터 각각의 전지(32)에 걸친 전압과 이를 통과하는 전류를 가리키는 정보를 수신한다. 이와 같은 구형파 부하 변동은, 예를 들면, 제어 전자 기기(44)가 모터의 빠른 가속 또는 감속이 요구된다는 것을 알려주기 위해 운전자로부터의 입력(64)에서 신호를 수신할 때 배터리에 부여될 것이다. 제어 전자 기기(44)의 마이크로프로세서는 그 다음에, 이전과 같이, 각각의 전지(32)의 단계 응답 복소 임피던스를 계산한다. 또한, 이는 SOC를 포함하는 배터리(30)의 상태에 대해 추론을 하기 위해 메모리에 저장된 값들과 비교될 수 있다. 이런 추론은 그 다음에 이전과 같이 이용 가능하게 될 수 있다. 이 접근법은 차량(10)의 통상의 작동으로부터 일어나는 부하의 비정현파에 의존하기 때문에, 이는 “파동 방법”으로 불릴 수 있다. 이 파동 방법은 좁은 파동이, 원칙적으로, 무한하고 상이한 주파수들을 포함하고, 그래서, 만약 시스템이 선형으로 응답하는 가정이 정당화된다면, 하나의 파동 응답으로부터 필요한 모든 정보를 획득하는 것이 이론적으로 가능하다는 전제에 근거한다. 그러나, 실제로, 이런 방식으로 필요한 모든 정보를 획득하는 것이 불가능할 수 있으며, 그래서, 아래에서 언급된 바와 같이, 적어도 몇몇의 실시예들에서, 주파수 스윕 방법과 파동 방법 모두가 사용될 수 있다.
구형파는 위에서 설명된 배열에서 사용된다. 그러나, 다른 실시예들에서, 파동 부하는 구형일 필요가 없다. 그 대신에, 파동은, 생각할 수 있는 바로는, 임의의 비주기적 파형일 수 있다. 이는, 예를 들면, 스텝, 임펄스, 램프 등 일 수 있다. 그러나, 구형파는 “가장 많은” 주파수들을 포함하므로 선호될 수 있다. 다른 형태의 파동으로부터 추출될 수 있는 주파수 정보의 양은 특정한 형태의 파동에 따라 변경될 것이다.
정현파 주파수 스윕 방법과 파동 방법의 몇몇의 이점과 단점이 있다. 주파수 스윕 방법은 배터리 상태의 포괄적이고 정확한 판단을 제공한다. 그러나, 이는 실행하는데 시간이 걸리는 방법이며, 위에서 언급된 바와 같이, 이것은 차량 성능의 몇몇의 양상에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 파동 방법은 실행하기가 주파수 스윕 방법보다 훨씬 더 빠르며(이는 단일의 파동 부하 이벤트 중에 실행될 수 있거나, 또는 통상의 운전 중에 연속적으로 실행될 수 있으며), 이는 차량의 통상의 작동에 의해 결정된 부하 변동을 사용하여 실행될 수 있기 때문에, 차량 성능에 악영향을 끼치지 않는 경향이 있다. 그럼에도 불구하고, 파동 방법은 잠재적으로 더 복잡한 신호 처리 및 신호 대 노이즈 비와 응답의 선형성 사이의 절충의 결점을 안고 있다.
[양쪽 모두가 사용될 수 있음:]
이런 다양한 이점과 단점의 결과로서, 몇몇의 실시예들에서, 두 방법 모두가 사용될 수 있다고 예상된다. 예를 들면, 파동 방법은 가속 또는 감속 중에 사용될 수 있으며; 주파수 스윕 방법은 차량이 정지해 있을 때(예를 들면, 교차점에서) 또는 사용되지 않고 재충전 중일 때 완전한 분석을 실행하는데 사용될 수 있다. 이 방식에서, 최선의 사용이 각각의 방법의 이점으로 행해질 수 있으며, 적어도 몇몇의 단점은 회피되거나 완화된다.
[H-브리지를 가지는 제1 변형:]
이제 상세하게 설명되고, 도 4에 도시된 제3 실시예에서, 개량된 전기 구동 트레인(200)이 제공된다. 도 4를 계속하여 참조하면, 개량된 구동 트레인은 도 2를 참조하여 위에서 설명된 제1 실시예의 구동 트레인(20)과 동일한 구성요소들을 포함한다. 그러므로, 동일한 참조 번호는 이 실시예에서 이 공통의 구성요소들을 확인하는데 사용된다. 그러나, 이 실시예는 개량된 구동 트레인(200)이 배터리(30)에 걸쳐 연결되는 H-브리지(210)의 형태의 추가적인 회로를 포함한다는 점에서 상이하다(하나의 이와 같은 H-브리지가 각각의 배터리 팩에 대해 제공되어야 한다고 예상된다). 디지털 신호 프로세서에 의해 제어되기 위해 연결되는 H-브리지(210)는 도 4에 도시된다. 그러나, 다른 실시예들에서, H-브리지는 마이크로프로세서에 의해 실행되는 명령의 작동 하에서 제어 전자 기기(44)에 의한 제어를 위해 연결될 것이라고 예상된다. 이런 두 가지의 접근법 중의 어느 하나가 H-브리지(210)를 제어하는데 사용되더라도, H-브리지(210)는, 도 3을 참조하여 설명된 주파수 스윕 방법(또는 파동 방법)에서, 모터 제어기(40)의 인버터(42)에 의해 가해지는 부하를 배터리(30)에 가하기 위해 제어된다. 나머지의 방법은 동일한 방식으로 실행된다. 이 실시예에서, H-브리지(210)는 주기적인 톱니 변동을 제공하기 위해 배치된다.
변하는 부하를 가하고 그래서 리플 전류를 인출하기 위해 전용 H-브리지(210)를 제공하는 이유는 이를 위해 모터 제어기(40)의 인버터(42)를 사용할 때 경험할 수 있는 위에서 언급된 문제를 회피하기 위한 것이다: 모터에서의 토크 리플 및 관련된 진동과 음향 노이즈. 이는 인버터(42)를 사용하는 것과 같은 명쾌한 해결책은 아니지만, H-브리지(210)의 추가적인 하드웨어가 모터(50)를 구동시키는데 사용되는 전류보다 오히려 리플 전류만을 처리할 필요가 있으며, 그래서 간단하고, 저렴하고, 작고 가벼울 수 있다.
다른 실시예들에서, 파동 방법은 위에서 설명된 방식과 유사한 방식으로 개량된 구동 트레인(200)에서 주파수 스윕 방법과 함께 사용될 수 있다고 예상된다.
[H-브리지를 가지는 제2 변형]
도 8은 도 2에 도시되고 이를 참조하여 설명된 실시예의 변형인 제4 실시예(300)를 도시한다. 이 실시예는 도 2의 실시예의 모든 구성요소들을 보유한다. 그러므로, 도 8은 도 2의 실시예의 인버터(42), 커패시터(35) 및 배터리(30)를 도시한다. 제어 전자 기기(44)와 감지 수단(60)은 설명의 단순화를 위해 도 8로부터 생략되지만, 또한 이 실시예에서 보유된다. 이 실시예는 전용 섭동 회로(310), 즉, 제3 실시예의 H-브리지와 상이한 설계의 다른 H-브리지를 포함함으로써 도 2의 실시예와 상이하다. 이 전용 회로(310)는 배터리(30)로부터 커패시터(C2)로 또는 그 반대로 전하를 이동시킬 수 있는 ‘동기 컨버터’의 형태를 가진다. 이것이 기능을 하는 방식은 커패시터(C2)가 먼저 (다이오드들을 통해) 배터리와 동일한 전압으로 미리 충전되는 것이다. 그 다음에, 컨버터가 배터리보다 더 높은 전압으로(말하자면 약 두 배로) C2에 대한 전압을 상승시키기 위해 제어된다. 그 다음에, 배터리를 통과하는 정현파 양극성 전류 변동이 컨버터의 듀티 사이클을 조절하고 인덕터를 통해 흐르는 배터리의 전류를 모니터링하고 제어함으로써 달성될 수 있다.
섭동 회로(310), 즉, 이 실시예의 H-브리지는 정현파를 포함하는 임의의 형상의 주기적인 파형을 제공하기 위해 배치되고 작동 가능할 수 있음으로써 제3 실시예의 것과 상이하다.
이 실시예는 여기에서 설명된 섭동에 대한 임의의 “능동적인” 접근법들에 따라, 그리고 주파수 응답을 검출하며 이로부터 배터리의 SOC에 관한 정보를 획득하기 위한 임의의 설명된 기술에 따라 작동될 수 있다고 예상된다.
여전히 다른 실시예들에서, 배터리로부터 인출된 전류를 섭동시키는 다음의 방법들 중 하나 하나 또는 둘 다 사용될 수 있다. 이들은 주파수 스윕 방법 및/또는 파동 방법이 함께, 또는 이를 대체하여 사용될 수 있다. 작용 가능한 것으로서 본 발명으로부터 기술자인 독자들에게 명백한 경우에, 이들은 여기에서 설명된 H-브리지 배열들 중의 어느 하나와 함께 사용될 수 있다.
[복수 주파수 방법:]
이 두 가지의 대안의 방법들 중의 첫 번째 방법은 “복수 주파수 방법”이다. 이는 위에서 설명된 주파수 스윕 방법과 유사하지만, 인버터(42)는 AC 리플 전류가 주파수 스윕 방법에 사용되는 모든 다양한 주파수들이 동시에 존재하는 배터리(30)로부터 인출된 전류에 도입되도록 제어된다는 점에서 상이하다. 따라서, 주파수 스윕 방법으로 확인되는 결점들 중의 하나가 -이것이 실행되는데 시간이 걸리는 결점이 - 해결된다.
이런 복수 주파수 방법을 실행하는 중에, 배터리의 주파수 응답을 측정하는 문제를 회피하기 위해 중첩된 고조파를 가지지 않는 AC 리플 전류를 위한 주파수들을 선택하는 것이 이 실시예에서 바람직하다. 분석은 응답의 푸리에 변환을 취하고 관심의 대상인 주파수들을 선택함으로써 실행된다.
[의사-랜덤 이진 시퀀스:]
이 두 가지의 대안의 방법들 중의 두 번째 방법은 의사-랜덤 이진 시퀀스가 사용되는 방법이다. 주파수 영역에서, 최대 길이 시퀀스와 같은 의사-랜덤 이진 시퀀스는 대략 화이트 노이즈(white noise)처럼 보인다. 이 접근법의 두 개의 이점은 (섭동 하드웨어와 소프트웨어가 아주 간단하기 때문에) 이 방식으로 신호를 발생시키고 시스템을 섭동시키는 것이 상대적으로 쉬우며, 복수 주파수 성분 때문에, 얼마나 많은 스펙트럼 평균화가 요구되는가에 따라, 이것이 위에서 설명된 주파수 스윕 방법보다 더 빠른 방법일 수 있다는 것이다.
[수동적인 접근법:]
“파동 방법”의 몇몇의 예를 제외하고, 위에서 설명된 방법들 각각은 의도적으로 이런 섭동을 야기하기 위해 인버터(42)(또는 여기에서 설명된 H-브리지들 중의 하나와 같은 추가적인 회로)를 제어함으로써 배터리(30)로부터 인출된 전류의 능동적인 섭동에 의존한다. 그러므로, 이들은 “능동적인” 접근법으로 간주될 수 있다. (비록, 위에서 언급된 바와 같이, 몇몇의 상황들에서, “파동 방법”이 차량의 통상의 가속 이벤트들과 함께 사용될 수 있다고 예상되지만), 실시예들은 추가적으로, 또는 그 대신으로, “수동적인 접근법”을 사용할 수 있다고 또한 예상된다. 이와 같은 접근법에서, 인버터(42)는 배터리(30)로부터 인출된 전류를 섭동시키도록 명확하게 제어되지 않는다. 그 대신에, 이런 접근법은 이의 통상적인 작동의 결과로서 시스템에 이미 존재하는 노이즈 및 다른 스펙트럼 성분을 사용한다. 수동적인 접근법에서, 주파수 응답의 분석은 더 어렵고, 그래서, 분명해질 것이라는 이유로, 아래에서 설명되는 “확률적인 접근법”이 선호된다.
[측정된 주파수 응답을 검출:]
몇몇의 실시예들의 위의 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 다수의 선택 사항이 배터리(30)를 섭동시키기 위해 존재한다. 다수의 선택 사항은 또한 측정된 주파수 응답을 검출하기 위해 존재하며, 이들 중의 몇몇은 섭동의 몇몇의 방법들에 더 적합하다. 다음은 측정된 주파수 응답을 검출하는 다양한 방법의 설명이다.
맨 먼저, 기술자인 독자는 우리가 전류와 전압 모두를 측정함으로써, 주파수 영역에서, 배터리의 임피던스(Z(s) = v(s)/i(s))로서 측정되고 있는 것에 대해 생각할 수 있다는 것을 상기하게 된다. ‘구동(driving)’ 섭동은 인출된 전류(i(s))이다. 이는 또한 전압일 수 있지만, 전류가 제어하기가 가장 쉽다. 이 섭동은, 위에서 언급된 바와 같이, 능동적으로 또는 수동적으로 생성될 수 있다.
[위상 검출기]
“주파수 스윕” 방법과 같은 단일 주파수 섭동의 경우에, 크기의 검출이 RMS 전압 섭동을 RMS 전류 섭동으로 나눔으로써 달성된다. 위상의 검출은 ‘위상 검출기’를 사용하여 달성될 수 있다. 이는 구동 섭동으로서 동일한 주파수에 있는 동상 정현파와 직각 위상 기준 정현파 둘 다와 측정된 신호를 곱하는 것을 포함한다. 그 결과는 그 다음에 저역 통과 필터링된다. 이는 측정된 신호와 기준 신호 사이의 위상 차이의 여현과 정현에 각각 비례하는 두 개의 신호를 제공한다. 이는 전류와 전압 모두에 대해 각각 행해지며, 이들은 그 다음에 임피던스의 위상을 획득하기 위해 뺄셈이 된다.
[푸리에 변환들]
만약 “복수 주파수” 방법, 의사-랜덤 이진 시퀀스를 사용하는 방법, 또는 “파동” 방법과 같은 것으로, 둘 이상의 주파수를 동시에 검출하기를 원한다면, 전압과 전류의 푸리에 변환들을 취하는 것이 가능하다. 그러나, 이를 작동하기 위해, 양호한 신호 대 노이즈 비가 (섭동 시스템에 의해 구동되는 것들인) ‘원하는’ 주파수들과 임피던스 결과들을 무의미하게 만드는 (바람직하지 않은 노이즈가 측정된 전압에 추가되는) ‘노이즈’ 주파수들 사이에 요구된다. 만약 시스템이 설정된 주파수들에서 능동적으로 구동된다면, 이들은 푸리에 변환들이 단지 이런 주파수들에서만 취해질 수 있도록 규칙적인 간격으로 이격되게 배치될 수 있다. 그러나, 아래에서 설명되는 확률적인 접근법을 취하는 것이 바람직하다.
[확률적인 접근법]
위의 접근법들 대신에, 임피던스 스펙트럼을 측정하기 위해 통계적인 접근법을 사용하는 것이 가능하다. 비결정성 섭동이 적용되고(또는 위에서 설명된 “수동적인” 접근법에서와 같이 이미 존재하고 그에 따라 능동적으로 적용될 필요가 없으며), 존재하는 주파수들의 랜덤 특성과 광역 스펙트럼을 가진다. 비결정성 신호는 (y = sinωt와 같이) 시간의 특정한 양함수로서 정의될 수 없지만, 오히려 이의 통계적 특성에 의해 정의될 수 있다.
간단히 말해서, 복소 임피던스가 다음과 같이 주어진다는 것이 발견되었다:
여기서 Фiv는 전류와 전압 사이의 크로스-스펙트럼 밀도이며(이는 복소수임), Фii는 전류의 파워-스펙트럼 밀도이다. 크로스-스펙트럼은 전압과 전류의 상호 상관 관계의 푸리에 변환을 취함으로써 획득되며, 파워 스펙트럼은 전류의 자기 상관 관계의 푸리에 변환으로부터 나온다.
여기에서 설명된 실시예들에서, 다음과 같은 것이 예상된다:
(1) 스펙트럼 평균화가 결과들을 개선하는데 사용되며
(2) 기여도 함수가 출력에서 원하지 않은 노이즈에 의해 야기되는 출력(전압)의 왜곡을 추정함으로써 신호의 품질을 추정하는데 사용된다. 이는 전류와 전압 사이에 양호한 상관 관계가 있는 주파수들을 받아들이는 데만 사용될 수 있다.
[측정된 주파수 응답을 모델에 피팅함]
일단 주파수 응답이 위에서 언급된 바와 같이 확인되었다면, 이런 응답은 배터리의 충전 상태(SOC)를 판단하는데 사용된다. 위에서 설명된 방법들과 함께 사용되는 것으로 예상되는, 이를 실행하기 위한 접근법이 이제 설명될 것이다.
다양한 SOC에서 배터리 임피던스 응답의 변동의 예는 도 5에 도시된다. 도시된 바와 같이, 모든 SOC는 (또한 온도와 사이클 수명의 함수인) 독특한 임피던스 응답에 의해 특징지어질 수 있다. 배터리 SOC와 SOH에 관한 가치 있는 정보를 임피던스 응답으로부터 추출하기 위해, 수학적인 피팅 알고리즘이 경험적이거나 물리적인 모델에 근거하여 적용된다. 이 접근법에서, 커패시터들, 인덕터들, 저항기들, 상수 위상, 확산 위상 및 다른 위상 요소들의 등가 회로에 근거하는 임피던스 응답에 대한 경험적인 모델이 사용된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 이 예에서, 등가 회로는 하나의 인덕터, 두 개의 상수 위상 요소들, 세 개의 저항기들 및 일반화된 워버그(Warburg) 확산 요소를 포함한다. 그러므로, 이 예에서, 임피던스는 다음과 같이 주어진다:
Figure pct00002
상이한 SOC에서 예시적인 배터리 임피던스 응답에 피팅하기 위한 등가 회로 모델의 적용은 SOC의 함수로서 회로 요소들의 값들을 제공한다. 이 관계가 도 7a, 도 7b 및 도 7c의 그래프들에서 도시된다. 이 그래프들에 도시된 바와 같이, 상이한 회로 요소들의 변동은 배터리 SOC의 지표일 수 있다. 그러나, 모든 요소들이 양호한 지표로서 역할을 할 수 있는 것은 아니다. 이 예에서, 저항기 요소들(RHF, R1 및 R2)이 배터리 SOC를 판단하는데 매우 유용한 것은 아니다는 것이 보여질 수 있다. 동일한 것이 요소들(CPE-T2, CPE-P2, Warburg-P 및 Warburg-T)에 대해서 적용된다. 그러나, 요소들(CPE-T1, CPE-P1 및, 어느 정도까지, Warburg-R)은 이들이 SOC의 함수로서 증가 또는 감소의 경향을 명확히 보여주기 때문에 SOC를 판단하는데 유용하다.
이 경우에, 특정한 배터리 화학, 제조업자 및 사용되는 특정한 배터리 시리즈들(나노미터 리튬 인산철 음극을 이용하는 A123 Systems A26650M1A 3.3V 2.3 Ah 전지)에 대해, CPE-T1만이 SOC와 가장 현저한 상관 관계를 가지는 것처럼 보인다. 그러므로, 이런 상관 관계가 사용될 것이다. 그러나, 이런 상관 관계는 금속 산화물 음극들을 실행시키는 리튬-이온 배터리와 같은 다른 배터리들에 적용될 수 없을 것이다. 따라서, 다른 상관 관계가 사용되어야 한다. 임의의 이벤트에서, SOC에 따른 매개변수의 변동이 확인되면, 이런 매개변수와 SOC 사이의 직접적인 상관 관계를 가능하게 하는 룩업 테이블이 구성된다.
추가적인 배경으로서, 상이한 전기화학을 가지거나, 아마도 동일한 전기화학을 가지지만 상이한 제조업자에 의해 제조되거나, 심지어 약간 상이한 조성이나 특성을 가지지만 동일한 제조업자에 의해 제조되는 임의의 배터리 시스템은 독특한 주파수 응답 스펙트럼을 가질 것이다. 배터리 팩을 조립하기 전에, 개별적인 전지들은 상이한 SOC들에서 EIS 데이터를 생성하기 위해 시험되어야 한다. 그 다음에, 수학적인 알고리즘이 회로 구성요소들에 대한 수치 데이터를 추출하도록 경험적인 데이터를 적당한 등가 회로에 피팅하기 위해 실행된다. 다음의 단계는 SOC의 함수로서 이 데이터의 플롯들을 구성하고, 그들의 변동의 관점에서 가장 적합한 하나(또는 그 이상)를 발견하려고 시도하는 것이다. 사용하는 최상의 매개변수들은 갑작스런 불연속이 없이 단조롭게(증가되거나 감소되게) 변하는 것들이다.

Claims (22)

  1. 전기 부하에 전력을 공급하기 위해 파워 컨버터에 연결되는 배터리의 적어도 하나의 전지의 상태를 모니터링하는 방법으로서,
    a) 상기 적어도 하나의 전지로부터 변하는 전류를 인출하도록 상기 파워 컨버터의 입력 임피던스를 변경하기 위해 상기 파워 컨버터를 제어하는 단계;
    b) 상기 파워 컨버터의 임피던스를 변경하는 것에 응답하여 상기 적어도 하나의 전지에 걸친 전압과 이로부터 인출된 전류를 감지하는 단계;
    c) 상기 감지된 전압과 전류로부터 상기 적어도 하나의 전지의 복소 임피던스를 계산하는 단계; 및
    d) 상기 적어도 하나의 전지의 상태의 지표를 제공하기 위해, (i) 상기 복소 임피던스와 (ii) 상기 적어도 하나의 전지의 상태를 가리키는 정보 사이의 상관 관계를 가리키는 정보와 상기 계산된 복소 임피던스를 비교하는 단계를 포함하는, 배터리의 적어도 하나의 전지의 상태를 모니터링하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파워 컨버터는 모터 제어기이고 상기 부하는 전기 모터인, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방법의 단계(a)는 상기 인버터의 상기 입력 임피던스를 변경하기 위해 상기 모터 제어기의 인버터를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파워 컨버터는 휴대용 전자 장치, 예를 들면, 휴대용 전화기, 휴대용 컴퓨터와 같은 전자 장치를 위한 파워 컨버터인, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    단계(a)는 상기 변하는 전류가 상기 부하에 유용하게 전력을 공급하기 위한 전류를 포함하도록 상기 변하는 전류를 인출하기 위해 상기 임피던스를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    단계(a)는 상기 변하는 전류가 상기 부하에 유용하게 전력을 공급하기 위한 전류를 포함하지 않도록 상기 변하는 전류를 인출하기 위해 상기 임피던스를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 변하는 전류는 정현파 교류 전류와 같이 주기적으로 변하는 전류인, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전지의 상기 상태를 가리키는 상기 정보는, 예를 들면, 상기 전지의 충전 상태 및/또는 상기 전지의 열화 속도를 가리키는 정보; 선택적으로 전극-전해질 계면들에서 발생하는 전하 이동 과정을 가리키는 정보인 상기 전지의 충전 상태를 가리키는 상기 정보; 및 선택적으로 상기 전지의 고체 전해질 계면(SEI)의 저항을 가리키는 정보인 상기 열화 속도를 가리키는 상기 정보를 포함하는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,
    제1 주파수의 변하는 전류로 상기 단계들을 실행하고 그 다음에 상이한 주파수의 변하는 전류로 이런 단계들을 반복하는 단계를 더 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단계들은, 매번 상이한 각각의 주파수의 변하는 전류로, 여러 번 반복되는, 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서,
    단계(a)는 상기 변하는 전류가 복수의 상이한 주파수들로 동시에 구성되도록 상기 임피던스를 변경하기 위해 상기 파워 컨버터를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서,
    단계(a)는 파동 부하 변동이 상기 적어도 하나의 전지에 적용되도록 상기 임피던스를 변경하기 위해 상기 파워 컨버터를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서,
    주기적으로 변하는 전류를 인출하기 위해 상기 파워 컨버터를 제어하고 또한 파동 부하 변동을 적용하기 위해 상기 파워 컨버터를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    단계(a)는 상기 변하는 전류가 최대 길이 시퀀스와 같은 의사-랜덤 이진 시퀀스의 형태를 취하도록 상기 임피던스를 변경하기 위해 상기 파워 컨버터를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서,
    단계(b)에서 감지되고 단계(d)에서 계산되는 상기 복소 임피던스를 계산하는데 사용되는 상기 전압과 전류는 통상의 작동의 결과로서 존재하는 노이즈 및/또는 다른 스펙트럼 성분인, 방법.
  16. 파워 컨버터를 위한 처리 및 제어 수단으로서,
    상기 처리 및 제어 수단은 제1항 내지 제15항 중의 어느 한 항에 따른 방법에 따라 파워 컨버터를 제어하기 위해 프로그래밍되고 작동 가능한, 파워 컨버터를 위한 처리 및 제어 수단.
  17. 제16항에 있어서,
    제1항 내지 제15항에 따른 상기 감지 단계들에서 감지된 양을 가리키는 감지 수단으로부터의 정보를 수신하기 위해 더 배치되는 처리 및 제어 수단.
  18. 제17항에 따른 처리 및 제어 수단을 포함하고 상기 감지 수단을 더 포함하는 제어 시스템.
  19. 처리 및 제어 수단이 제16항과 제17항 중의 어느 하나에서 한정된 바와 같이 작동되게 하기 위해 제16항 또는 제17항에 따른 처리 및 제어 수단에 의해 실행 가능한 코드 부분들을 가지는 컴퓨터 프로그램.
  20. 제17항에서 한정된 코드 부분들의 기록을 위에 또는 내부에 포함하는 기록 캐리어.
  21. 제18항에 따른 제어 시스템을 포함하는 차량.
  22. 제18항에 따른 제어 시스템을 포함하는 배터리 전원식 장치.
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