KR20160048221A - 배터리의 모니터링 방법, 평가 장치 및 측정 시스템 - Google Patents

배터리의 모니터링 방법, 평가 장치 및 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 장치, 특히 자동차 내 제 1 배터리(1, 21)의 모니터링 방법에 관한 것이며, 제 1 자력계(2, 23)는 배터리(1, 21) 내의 및/또는 배터리(1, 21)에 인접하게 자속 밀도를 측정하고, 제 2 자력계(4, 24)는 장치 내에서 제 1 배터리(1, 21)로부터 떨어져 자속 밀도를 측정하며, 제 1 배터리(1, 21)로부터 전력 공급 또는 전력 인출이 제공되지 않는 시간 간격 동안 상기 제 1 및 제 2 자력계(2, 23, 4, 24)의 측정이 이루어지고, 제 1 자력계(2, 23)에 의해 측정된 자속 밀도가 제 2 자력계(4, 24)에 의해 측정된 배경 자속 밀도를 미리 정해진 정도만큼 초과하는 경우 평가 유닛(3, 25)은 상기 제 1 배터리(1, 21)의 에러 상태를 검출하여 출력한다.

Description

배터리의 모니터링 방법, 평가 장치 및 측정 시스템{METHOD FOR MONITORING A BATTERY, EVALUATION DEVICE AND MEASUREMENT SYSTEM}
본 발명은 배터리의 모니터링 방법, 이를 위해 제공된 평가 장치, 및 상기 평가 장치를 구비한 측정 시스템에 관한 것이다.
DE 10 2009 000 225 A1에는 통합된 전류 센서를 포함하는 배터리가 이미 개시되어 있다. 상기 전류 센서는 배터리의 부하 전류 회로에 배치되고, 적어도 상기 전류 센서가 배터리의 하우징 내에 통합되며, 측정 라인을 통해 전자 평가 회로와 접촉한다. 상기 전류 센서는 예컨대 자계 센서로서 구현될 수 있다. 상기 전류 센서에 의해, 배터리로부터 송출된 전류가 측정될 수 있다. 따라서, 배터리에 접속된 장치의 단락시 증가한 전류 흐름을 측정하고, 이에 대한 적합한 조치를 개시하는 것이 가능하다.
본 발명의 과제는 배터리의 내부 단락을 간단히 검출할 수 있는 배터리의 모니터링 방법, 평가 장치 및 측정 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항들에 따른 배터리의 모니터링 방법, 평가 장치 및 측정 시스템에 의해 달성된다.
배터리는 이하에서 병렬로 및/또는 직렬로 접속된 배터리들 또는 셀 들의 집합을 의미한다. 단일 셀은 이하에서 배터리, 배터리 셀 또는 셀이라 한다.
본 발명이 셀 들의 집합 및 단일 셀에 적용될 수 있기 때문에, 여기서 적용은 2가지 경우를 포함한다.
독립 청구항의 특징들을 포함하는 본 발명에 따른 방법은 배터리의 내부 단락이 간단히 검출될 수 있다는 장점을 갖는다. 추가의 전류가 배터리 셀의 내부에서 전극들 사이로 직접 흐르고, 배터리에 접속된 부하를 통해 흐르지 않아서, 배터리의 내부 방전이 나타나면, 배터리의 내부 단락이 주어진다. 상기 내부 단락은 바람직하지 않은데, 그 이유는 한편으로 그로 인해 배터리가 방전되고 다른 한편으로는 전류 흐름에 의해 야기되는 열 발생에 의해 배터리가 가열될 수 있고 손상될 수 있기 때문이다. 이런 내부 단락은 셀 내부의 전극들을 결합시키는 예컨대 금속 입자 또는 탄소 입자에 의해 야기될 수 있다. 또한, 셀 내부의 이런 단락은 배터리에 대한 높은 열에 의해서도 야기될 수 있다. 2개의 전극 사이의 분리기 내의 균열도 상기 단락을 야기할 수 있다.
장치 내의 배터리를 모니터링하기 위한 본 발명에 따른 방법에서, 배터리 내의 또는 배터리에 바로 인접해서 자속 밀도를 측정하는 제 1 자력계가 제공된다. 여기서, 셀 내부의 과정에 의해 야기되는 자계는 하우징의 외부에서 바로 근처에서 검출될 수 있다. 또한, 제 2 자력계가 제 1 배터리로부터 떨어져 배치됨으로써, 제 1 배터리 내의 자속이 제 2 자력계에 영향을 미치지 않을 수 있다. 제 1 배터리로부터 전력 공급 또는 전력 인출이 제공되지 않는 시간 간격 동안, 제 1 및 제 2 자력계에 의해 자속의 측정이 이루어진다. 이 경우, 2개의 자력계는 지자계와 같은 간섭 변수에 의해 또는 장치 근처의 자기 소자 또는 전류 흐름 소자에 의해 야기되는 자속만을 측정한다. 따라서 2개의 자력계에 의해 측정된 자속은 대략 동일하다. 그러나 제 1 배터리 내의 내부 단락이 나타나면, 이제 제 1 배터리 내부에서 흐르는 전류도 자계를 야기한다. 이 자계는 제 1 자력계에 의해 측정되고 제 2 자력계에 의해 측정되지 않는다. 따라서 제 1 자력계와 제 2 자력계 간의 자속의 편차가 나타난다. 상기 편차가 미리 정해진 정도를 초과하면, 제 1 배터리의 내부 단락이 존재하는 것이 검출될 수 있다. 따라서 적합한 조치가 취해질 수 있다. 한편으로는 경고가 장치의 사용자에게 출력될 수 있다. 또한, 제 1 배터리가 차단됨으로써, 외부의 전력 인출에 의해 배터리 내의 온도가 더 상승하지 않는 것도 가능하다. 또한, 제 1 배터리의 냉각을 위한 적합한 냉각 조치가 개시될 수도 있다. 따라서, 제 1 장치 내의 배터리의 작동이 더 안전하게 설계된다. 2개의 자력계에 의한 측정에 의해 간단한 방식으로 제 1 배터리 내의 내부 단락에 대한 확실한 정보가 주어질 수 있다.
종속 청구항들에 제시된 조치들에 의해, 독립 청구항에 제시된 방법의 바람직한 개선이 가능하다. 제 2 자력계가 반복해서 자속 밀도를 측정함으로써, 배경 자속 밀도의 평균값이 차량의 위치 또는 특정 주행 구간에 대한 상기 값으로서 결정되는 것이 바람직하다. 따라서, 배경 자계에 대한 더 정확한 값이 제공되므로, 상기 배경 자계와의 편차에 대한 정보가 더 확실하게 주어질 수 있다.
또한, 외부 영향에 의한 자계의 시간적 변동을 측정값으로부터 빼내어 상기 간섭 영향을 배제하기 위해, 제 1 자력계에 의한 측정과 동시에 제 2 자력계에 의한 배경 자속 밀도의 측정이 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 전형적인 산업적 장애를 예컨대 레일 차량의 현수선 또는 트랜스포머에 의한 예컨대 고전압 전류 교번장에 의해 식별하기 위해, 시간 및 주파수 도메인에서 2개의 자력계의 자계 데이터의 신호 기술적 평가가 중요하다.
상응하는 장점들이 제 1 자력계, 제 2 자력계, 및 에러 메시지를 출력하기 위한 출력 유닛에 대한 인터페이스를 포함하는 제 1 배터리의 모니터링을 위한 본발명에 따른 평가 장치에 대해 주어진다.
또한, 상응하는 장점들이 평가 장치와 더불어 2개의 상응하는 자력계를 포함하는 본 발명에 따른 측정 시스템에 대해 주어진다.
자력계를 홀 센서로서, GMR 센서로서 또는 SQID 센서로서 구현하는 것이 특히 바람직한데, 그 이유는 상기 센서들이 경제적이고 확실하게 작동될 수 있기 때문이다. 이 경우 자계 센서들은 특별한 실시예에서 전기 화학 셀 또는 전극 와인딩의 내부에 배치될 수 있다.
또한, 자계를 상응하게 강화시키고 간섭 영향을 배제하기 위해, 자력계들 중 적어도 하나의 자력계에 자속 유도기 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
또한, 자력계의 과부하, 예컨대 자계의 너무 강한 영향에 의한 영구적 변동이 방지될 수 있도록, 자기 차폐 장치를 장착하는 것이 바람직하다. 이는, 특히 배터리로부터 전력 인출에 의해 생긴 큰 자속 밀도가 자력계로부터 차폐되어야 하는 경우에 유용하다.
또한, 제 2 배터리에 제 2 자력계를 배치하는 것이 바람직하다. 그에 따라, 2개의 배터리 중 하나의 배터리에서만 에러가 발생하는 경우 제 1 자력계에 의해 제 1 배터리 내의 내부 단락을 검출하는 것이 가능한 한편, 제 2 배터리에 배치된 자력계는 기준 신호 발생기로서 사용된다. 또한, 이런 배치에서, 제 2 배터리에 배치된 제 2 자력계에 의해 제 2 배터리 내의 내부 단락을 검출하는 것도 가능한 한편, 제 1 배터리에 배치된 제 1 자력계는 이제 상기 측정을 위해 기준 신호 발생기로서 사용된다. 상응하는 측정 시스템은 다수의 배터리로 업스케일링될 수 있다. 이 경우 배터리로부터 떨어져, 추가의 자력계가 배경 자속 밀도의 측정을 위한 자력계로서 제공될 수 있다. 그러나 배터리 상에 직접 배치된 다른, 인접한 자력계들 중 하나가 배경 자속 밀도를 측정하기 위해 사용되는 것도 가능하다.
또한, 다수의 자력계가 제 1 자력계로서 작동되고 하나의 배터리에, 바람직하게는 여러 측면에 배치되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 배터리 내의 여러 지점에서 나타날 수 있는 간섭이 더 양호하게 검출될 수 있다.
또한, 배터리에 속하지 않는 외부 자계가 전체 배터리를 둘러싸는 박판에 의해 차폐될 수 있다.
시스템에서, 배터리의 작동 중에도 자계 및 경우에 따라 더 강한 단락 결함이 측정되어야 하는 경우, 상기 장은 배터리 전류 데이터 및 셀 기하학의 지원을 받는 모델 기반 평가 방법에 의해 위치에 대해 모델링된 값을 이용해서 2개의 자력계의 자력계 신호로부터 빼내짐으로써, 적어도 더 강한 단락의 측정이 가능해질 수 있다.
본 발명의 실시예들이 도면들에 도시되며, 이하에서 상세히 설명된다.
독립 청구항의 특징들을 포함하는 본 발명에 따른 방법은 배터리의 내부 단락이 간단히 검출될 수 있다는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 평가 장치를 구비한 본 발명에 따른 측정 시스템의 제 1 실시예.
도 2는 본 발명에 따른 평가 장치를 구비한 본 발명에 따른 측정 시스템의 제 2 실시예.
도 3은 다수의 배터리에 자력계들이 배치된 다른 실시예.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 과정을 나타낸 실시예.
본 발명은 임의의 장치 내의 배터리들에 사용될 수 있다. 특히 자동차에 사용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 자동차에서 배터리의 내구성에 대한 요구, 상기 장치의 작동 동안 안전성에 대한 높은 요구, 및 매우 심한 사용 조건, 예컨대 높은 온도 및 강한 진동이 주어지기 때문이다. 배터리가 배치된 장치는 예컨대 자동차일 수 있다.
도 1에는 단일 배터리(1)의 모니터링을 위한 제 1 실시예가 도시되어 있다. 배터리에는 자력계(2)가 배터리의 외부면 상에 배치된다. 배터리의 케이싱은 바람직하게 비자성 재료로 형성되거나 또는 비전도성 재료, 예컨대 플라스틱으로 형성된다. 따라서, 배터리의 내부에 흐르는 전류는 자력계에 의해 쉽게 검출될 수 있다. 자력계는 그 측정 결과를 평가 유닛(3)에 공급한다. 제 1 실시예에서 제 1 자력계(2)는 측정된 자속 밀도의 값만을 공급한다. 그러나 다른 실시예에서 진폭 및 자속의 방향에 대한 벡터 정보가 측정되어 평가 유닛(3)으로 전송되는 것도 가능하다. 제 1 실시예에서 제 1 자력계(2)는 상기 정보를 연속해서 공급할 수 있다. 다른 실시예에서 평가 유닛(3)이 상응하는 측정을 활성화시키는 것도 가능하다.
제 1 자력계(2)는 제 1 인터페이스(11)를 통해 평가 유닛(3)에 접속된다. 제 2 인터페이스(12)에서 제 2 자력계(4)가 평가 유닛(3)에 접속된다. 바람직하게는 제 2 자력계(4)가 제 1 자력계와 동일한 구성으로 구현된다. 제 2 자력계(4)는 배터리(1) 내부에 흐르는 전류의 간섭이 배제되거나 또는 거의 배제될 수 있도록 장치 내에, 예컨대 자동차 내에 배치된다.
평가 유닛(3)은 계산 장치(5)를 포함하고, 상기 계산 장치(5)는 자력계(2, 4)의 측정된 자속 밀도를 평가한다. 다른 실시예에서, 측정 결과가 평가 유닛(3) 내의 저장 유닛(6) 내에 후속 평가를 위해 저장되는 것도 가능하다. 예컨대, 제 2 자력계(4)에 의해 측정된 자속 밀도들의 평균 형성을 통해 배경 자속 밀도가 평균화에 의해 결정되는 것도 가능하다. 통과한 간섭 소스를 식별하기 위해, 주파수 분석이 벡터 형성과 결합해서 이루어질 수도 있다. 자속 밀도들은 그 진폭 및/또는 그 배향과 관련해서 평가 유닛(3)에 의해 비교된다. 편차가 검출되는 것으로 나타나면, 평가 유닛(3)은 제 3 인터페이스(13)를 통해 출력 유닛(7)을 액세스한다. 출력 유닛(7)에는 예컨대 경고등(8)이 접속될 수 있고, 상기 경고등(8)은 장치의 사용자에게, 예컨대 차량의 운전자에게 배터리(1) 내의 내부 단락을 경고한다. 또한, 출력 유닛(7)은 추가의 시스템, 예컨대 배터리(1)용 전기 조절 유닛 또는 배터리(1)의 냉각 시스템을 제어할 수 있다.
바람직하게 자력계들(2, 4)에 의한 자속 밀도의 측정은 배터리(1)의 충전이 이루어지지 않을 때 및 방전이 이루어지지 않을 때 실시된다. 이를 위해, 평가 유닛은 단자(14, 15)를 통해 배터리(1)의 2개의 극(16, 17)을 액세스하고, 전압 및 전류 측정을 실시한다. 배터리가 전력을 송출하거나 수용하지 않는 것이 검출되면, 상기 시간 간격 동안 자력계(2, 4)에 의한 자속 밀도의 측정이 실시된다. 일 실시예에서, 상기 측정은 동시에 이루어진다. 그러나 제 1 자력계(2)의 측정 결과가 제 2 자력계(4)의 평균화된 결과에 의해 유도되는 것도 가능하다. 또한, 더 오랜 시간 간격에 걸쳐 2개의 자력계의 측정 결과들이 평균화될 수도 있다.
다른 실시예에서, 제 1 자력계는 보호 장치(18)에 의해 너무 높은 자속으로부터 보호될 수 있다. 보호 장치(18)는 예컨대 모넬(Monel)로 형성된다.
다른 실시예에서, 자속 유도기 장치(19)가 제공될 수 있고, 상기 자속 유도기 장치(19)는 예컨대 철, 니켈, 또는 자속선이 단락으로부터 더 양호하게 제 1 자력계(2)로 안내되게 하는 기하학적 구조를 가진 합금으로 이루어진다. 특히, 자속 유도기(19)는 셀의 내부에 놓인 전극 와인딩의 와인딩 방향 및 그 기하학적 구조에 부합될 수 있다.
또한, 환경으로부터의 자계의 변동을 측정 신호로부터 필터링하기 위해, 평가 유닛(3)에서 아날로그로 또는 디지털 필터 장치 및 주파수 분석기가 제공될 수도 있다.
다른 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 이 경우, 제 1 배터리(21) 및 제 2 배터리(22)가 제공된다. 제 1 배터리(21)에 제 1 자력계(23)가 배치되며, 제 2 배터리(22)에 제 2 자력계(24)가 배치된다. 2개의 자력계(23, 24)는 배터리들(21, 22) 내의 자속 밀도를 측정하는 평가 유닛(25)에 접속된다. 배터리들(21, 22)의 작동을 모니터링하기 위해, 평가 유닛(25)은 배터리(21, 22)의 작동을 측정하기 위한, 특히 인가된 전압 및 배터리로부터 송출된 전류를 측정하기 위한 측정 장치를 포함한다. 평가 유닛(25)은 출력 유닛(27)에 접속된다. 2개의 배터리가 충전 또는 방전 작동 중이 아니면, 자력계(23, 24)는 배경 자계만을 측정해야 한다. 그러나 배터리들(21, 22) 중 하나 내에 내부 단락이 존재하면, 관련 자력계는 현저히 더 높은 자속 밀도를 측정한다. 이는 평가 유닛(25)에 의해 검출되므로, 상기 평가 유닛(25)은 에러 메시지를 출력 유닛(27)으로 송출할 수 있다.
도 3에는 하나의 장치(30) 내에 3개의 배터리(31, 32, 33)가 배치된 실시예가 도시되어 있다. 배터리(31, 32, 33)의 모든 측면에 자력계(40)가 배치되며, 상기 자력계들(40)은 각각 할당된 배터리의 자속 밀도를 측정한다. 배터리들 사이에 자력계들이 배치되며, 상기 자력계들은 적어도 2개의 배터리로부터 자속 밀도를 측정할 수 있다. 배터리 모듈(30)의 외부에 바람직하게는 기준 자력계가 제공되고, 상기 기준 자력계는 배경 자속 밀도를 측정한다.
도 4에는 본 발명에 따른 방법의 과정에 대한 예가 도시되어 있다. 방법은 초기화 단계(50)로 시작된다. 이러한 측정은 미리 정해진 시간 간격 후에 이루어질 수 있다. 그러나, 이는 진단 프로그램에 의해서도 트리거될 수 있다.
측정 단계(51)에서 자속 밀도가 적어도 2개의 자력계에 의해 실시된다. 후속하는 평가 단계(52)에서 2개의 자력계의 측정 결과들이 실질적으로 일치하는지의 여부 또는 미리 정해진 정도만큼 서로 편차를 갖는지의 여부가 검출된다. 상기 측정 결과가 불분명하면, 제 1 측정 단계(51)로 다시 분기된다. 측정 결과들이 실질적으로 일치하면, 배터리의 내부 단락은 제거되어야 하고 방법은 종료 단계(53)로 종료된다. 측정 결과들이 미리 정해진 정도만큼 서로 편차를 가지면, 에러 단계(54)로 분기된다. 에러 단계(54)에서 편차가 검출되고 상응하게 출력 유닛으로 출력된다. 후속해서, 제 2 평가 단계(55)에서 상기 편차가 제 2의, 더 큰 차이 값을 초과하는지의 여부가 검사된다. 초과하지 않는 경우, 방법은 종료 단계(56)로 종료된다. 에러의 경우는 출력 유닛에 의해 처리된다. 경우에 따라 측정 방법의 반복을 위해 제 1 측정 단계(51)로 다시 분기될 수 있다. 그러나 미리 정해진 정도가 특정 한계를 초과하면, 차단 단계(57)로 분기되고, 상기 차단 단계(57)에서 배터리가 차단된다. 후속해서 방법이 종료 단계(58)에서 끝난다.
1, 21 배터리
2, 23 제 1 자력계
3, 25 평가 유닛
4, 24 제 2 자력계
7, 27 출력 유닛
11 인터페이스
19 자속 유도기 장치

Claims (9)

  1. 장치, 특히 자동차 내 제 1 배터리(1, 21)의 모니터링 방법으로서, 제 1 자력계(2, 23)는 상기 배터리(1, 21) 내의 및/또는 상기 배터리(1, 21)에 인접해서 자속 밀도를 측정하고, 제 2 자력계(4, 24)는 상기 장치 내에서 상기 제 1 배터리(1, 21)로부터 떨어져 자속 밀도를 측정하며, 상기 제 1 배터리(1, 21)로부터 전력 공급 또는 전력 인출이 제공되지 않는 시간 간격 동안 상기 제 1 및 제 2 자력계(2, 23, 4, 24)의 측정이 이루어지고, 상기 제 1 자력계(2, 23)에 의해 측정된 자속 밀도가 상기 제 2 자력계(4, 24)에 의해 측정된 배경 자속 밀도를 미리 정해진 정도만큼 초과하는 경우 평가 유닛(3, 25)은 상기 제 1 배터리(1, 21)의 에러 상태를 검출하여 출력하는 것을 특징으로 하는, 모니터링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 자력계(4, 24)는 반복해서 자속 밀도의 측정을 수행하고, 상기 평가 유닛(8, 25)은 배경 자속 밀도들의 평균값을 결정하며, 상기 평균값은 상기 제 1 자력계(2, 23)에 의해 측정된 자속 밀도와의 비교를 위해 사용되는 것을 특징으로 하는, 모니터링 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 배경 자속 밀도는 상기 제 1 자력계(2, 23)에 의한 측정과 동시에 상기 제 2 자력계(4, 24)에 의한 측정에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 모니터링 방법.
  4. 제 1 배터리(1)의 모니터링을 위한 평가 장치로서, 상기 제 1 배터리(1) 내의 또는 상기 제 1 배터리(1)에 인접해서 자속 밀도를 측정하기 위한 제 1 자력계(2)의 접속을 위한 제 1 인터페이스(11); 장치 내에서 상기 제 1 배터리(1)로부터 떨어져 배치된 제 2 자력계(4)의 접속을 위한 제 2 인터페이스(12); 및 상기 제 1 배터리(1)로부터 전력 공급 또는 전력 인출이 제공되지 않는 시간 간격 동안, 평가 유닛(7, 8)이 상기 제 1 자력계(2) 및 상기 제 2 자력계(4)로부터 자속 밀도의 측정의 결과를 받으며, 상기 제 1 자력계(2)에 의해 측정된 자속 밀도가 상기 제 2 자력계(4)에 의해 측정된 배경 자속 밀도를 미리 정해진 정도만큼 초과하는 경우 모니터링된 제 1 배터리(1)용 에러 메시지를 출력하기 위한 출력 유닛(7, 8)을 제어하기 위한 제 3 인터페이스(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 평가 장치.
  5. 제 4 항에 따른 평가 장치를 구비한 측정 시스템으로서, 제 1 배터리(1, 21) 내의 또는 제 1 배터리(1, 21)에 인접해서 자속 밀도를 측정하기 위해 상기 제 1 배터리(1, 21)에 배치된 적어도 하나의 자력계(2, 23); 및 장치 내에서 상기 제 1 배터리(1, 21)로부터 떨어져 배치된 추가의 자력계(4, 24)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 측정 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 자력계들(2, 23, 4, 24)은 홀 센서로서, GMR 센서로서 또는 SQID 센서로서 구현되는 것을 특징으로 하는, 측정 시스템.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 측정 시스템은 자속 유도기 장치(19)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 측정 시스템.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정 시스템은 특히 상기 제 1 배터리(1)로부터 전력 인출시 적어도 하나의 자력계(2)에 의해 자속 밀도를 제한하기 위한 자기 차폐 장치(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 측정 시스템.
  9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 자력계(24)는 제 2 배터리(22)에 배치되는 것을 특징으로 하는, 측정 시스템.
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