KR20170052835A

KR20170052835A - 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 방법

Info

Publication number: KR20170052835A
Application number: KR1020150154851A
Authority: KR
Inventors: 서용석; 김흥일
Original assignee: 주식회사 에스피엠
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2017-05-15
Also published as: KR101759532B1

Abstract

본 발명에 따른 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 방법은 상기 배터리의 양극 및 음극 단자에 제1주파수의 입력 전압을 인가하는 입력 전압 인가 과정; 상기 입력 전압에 응답하는 상기 배터리의 응답 전압을 상기 양극 및 음극 단자에서 측정하는 응답 전압 측정 과정; 상기 입력 전압의 주파수를 상기 제1주파수보다 일정 주파수 간격만큼 증가된 제2주파수로 증가시키는 주파수 증가 과정; 및 상기 제2주파수가 기설정된 주파수 이상인지 여부를 판단하는 주파수 판단 과정를 포함하고, 상기 제2주파수가 상기 기설정된 주파수 이하이면, 상기 제2주파수의 입력 전압에 대하여 상기 입력 전압 인가 과정 및 상기 응답 전압 측정 과정을 반복수행하여, 주파수의 변화에 따라 배터리의 응답 전압을 측정하여, 배터리의 내부 저항을 정확히 측정할 수 있다.

Description

배터리의 내부 임피던스를 추정하는 방법{A METHOD FOR ESTIMATING AN INTERNAL IMPEDANCE OF A BATTERY}

본 발명은 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 내부 임피던스를 추정하여 배터리의 상태를 판단하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

이동 단말기 및 전기 자동차 등에 있어서, 배터리(battery)의 충전 용량 및 상태를 파악하는 것은 무엇보다도 중요하다.

배터리에 의한 전기 에너지를 이용하는 이동 단말기 및 전기 자동차는 배터리의 성능이 이동 단말기 및 전기 자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 배터리 셀의 성능이 뛰어나야 한다. 뿐만 아니라, 각 배터리 셀의 전압, 전체 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 배터리 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 BMS)이 절실히 요구되는 실정이다.

일반적으로, 배터리는 사용에 따라 충전 용량이 감소하거나 또는 출력 전압이 감소하게 된다. 이러한 충전 용량 또는 출력 전압의 감소는 배터리 내부의 내부 임피던스가 증가함에 기인할 수 있다.

따라서, 이러한 내부 임피던스를 측정하고, 이에 따라 배터리의 충전 용량을 산출하는 방법이 요구된다.

이와 관련하여, 배터리의 내부 저항 측정은 교류 1KHz를 이용하는 4단자 측정법에 의해 수행 가능하다. 하지만, 이러한 4단자 측정법은 대용량 배터리와 같은 경우에는 저항이 극히 작아 검출이 어렵다는 문제점이 있다.

또한, 특히, 배터리의 내부 임피던스는 외부조건(온도, SOC, 전류, SOH)에 따라 계속 변한다. 따라서 이러한 외부조건에 따라 변화하는 내부 임피던스를 실시간 또는 준실시간으로 구하기 위한 방법이 요구된다.

본 발명은 이러한 종래의 배터리의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배터리의 내부 저항을 정확하게 측정하는 데에 일 목적이 있다.

또한, 본 발명은 외부조건에 따라 변화하는 내부 임피던스를 실시간 또는 준실시간으로 구하기 위한 방법을 제공하는 데에 다른 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 방법은, 상기 배터리의 양극 및 음극 단자에 제1주파수의 입력 전압을 인가하는 입력 전압 인가 과정; 상기 입력 전압에 응답하는 상기 배터리의 응답 전압을 상기 양극 및 음극 단자에서 측정하는 응답 전압 측정 과정; 상기 입력 전압의 주파수를 상기 제1주파수보다 일정 주파수 간격만큼 증가된 제2주파수로 증가시키는 주파수 증가 과정; 및 상기 제2주파수가 기설정된 주파수 이상인지 여부를 판단하는 주파수 판단 과정를 포함하고, 상기 제2주파수가 상기 기설정된 주파수 이하이면, 상기 제2주파수의 입력 전압에 대하여 상기 입력 전압 인가 과정 및 상기 응답 전압 측정 과정을 반복수행하여, 주파수의 변화에 따라 배터리의 응답 전압을 측정하여, 배터리의 내부 저항을 정확히 측정할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 입력 전압의 주파수 변화에 따른 상기 입력 전압 및 상기 응답 전압에 기반하여 상기 배터리의 내부 임피던스를 연산하는 임피던스 연산 과정을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 주파수 변화에 따른 상기 내부 임피던스의 변화율을 연산하는 임피던스 변화율 판단 과정을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제1주파수 및 상기 기설정된 주파수는 각각 1KHz 및 100KHz이고, 상기 일정 주파수 간격은 100Hz인 것을 특징으로 할 수 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 장치는, 상기 배터리의 양극 및 음극 단자에 제1주파수의 입력 전압을 인가하는 전원부; 및 상기 입력 전압에 응답하는 상기 배터리의 응답 전압을 상기 양극 및 음극 단자에서 측정하는 전압 측정부; 및 상기 입력 전압의 주파수를 상기 제1주파수보다 일정 주파수 간격만큼 증가된 제2주파수로 증가되도록 제어하고, 상기 제2주파수가 기설정된 주파수 이상인지 여부를 판단하고, 상기 제2주파수가 상기 기설정된 주파수 이하이면, 상기 제2주파수의 입력 전압을 인가하고 응답 전압을 측정하도록 상기 전원부 및 상기 전압 측정부를 제어하는 제어부를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 입력 전압의 주파수 변화에 따른 상기 입력 전압 및 상기 응답 전압에 기반하여 상기 배터리의 내부 임피던스를 연산하는 임피던스 연산모듈을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 주파수 변화에 따른 상기 내부 임피던스의 변화율을 연산하는 임피던스 변화율 판단 모듈을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 임피던스 변화율에 기반하여 상기 배터리의 상태를 판단하는 배터리 상태 판단 모듈을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 주파수의 변화에 따라 배터리의 응답 전압을 측정하여, 배터리의 내부 저항을 정확히 측정할 수 있는 장점이 있다

또한, 본 발명에 따르면, 외부 조건에 따라 변화하는 배터리의 내부 저항을 실시간 또는 준실시간으로 측정하여, 배터리의 상태를 실시간 또는 준실시간으로 구분할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 배터리의 기본 모델을 등가회로(Equivalent Circuit)로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 기본 모델을 등가회로로 나타낸 또 다른 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 장치의 블록도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 내부 임피던스 추정 장치의 제어부의 상세 블록도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 주파수의 변화에 따른 내부 임피던스를 실수부와 허수부로 표시되는 복소 좌표에 표시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 배터리의 내부 임피던스 추정 방법의 흐름도를 도시한다.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

본 발명은 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 방법 및 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 장치를 제안한다. 여기서, 내부 임피던스 추정은 배터리의 사용에 따른 배터리의 상태를 구분하기 위한 실시간 또는 준실시간 추정 방법을 포함한다.

이하, 본 발명에 따른 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 방법 및 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 장치를 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 배터리의 기본 모델을 등가회로(Equivalent Circuit)로 나타낸 도면이다. 도 1에서, Vocv는 개방 회로 전압(open circuit voltage : OCV)을 나타내고, Rs는 직렬등가저항으로 배터리 내부의 전해질의 저항성분과 극판의 저항성분을 표시한 것이다. 저항(Rs)의 값은 충전시에는 높은 SOC에서, 방전시에는 낮은 SOC에서 큰 값을 가지고 그 외 영역의 SOC에서는 일정한 값을 가진다. R-C 병렬 연결로 구성된 과도전위(Overpotential) 부분은 배터리의 충방전시 분극현상을 회로적으로 나타낸 것이다.

한편, 도 1에서 도시된 바에 한정되는 것은 아니고, 상기 R-C 병렬 연결은 경우에 따라 R-C 직렬 연결, R-L 병렬 연결, R-L 직렬 연결 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 기본 모델을 등가회로로 나타낸 또 다른 도면이다. 예를 들어, 도 2에서, 내부 임피던스는 직렬 등가 저항인 R1, R2-Q2 병렬 임피던스 및 Q3, R3-Q4 병렬 임피던스를 모두 포함한다. 여기서, Q2 및 Q3, Q4는 배터리의 특성 또는 특정 주파수에 따라 인덕턴스 또는 커패시턴스에 해당하는 L 또는 C일 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 장치의 블록도를 도시한다. 한편, 도 4는 본 발명에 따른 내부 임피던스 추정 장치의 제어부의 상세 블록도를 도시한다.

도 3을 참조하면, 내부 임피던스 추정 장치(100)는 전원부(110), 전압 측정부(120), 제어부(130) 및 메모리(140)를 포함한다.

한편, 도 4를 참조하면, 상기 제어부(130)는 임피던스 연산모듈(131), 임피던스 변화율 판단 모듈(132) 및 배터리 상태 판단 모듈(133)을 더 포함한다.

상기 내부 임피던스 추정 장치(100)의 각 구성부분에 대해 살펴보면 다음과 같다.

상기 전원부(110)는 상기 배터리의 양극 및 음극 단자에 제1주파수의 입력 전압을 인가한다.

상기 전압 측정부(120)는 상기 입력 전압에 응답하는 상기 배터리의 응답 전압을 상기 양극 및 음극 단자에서 측정한다.

상기 제어부(130)는 상기 입력 전압의 주파수를 상기 제1주파수보다 일정 주파수 간격만큼 증가된 제2주파수로 증가되도록 제어한다. 또한, 상기 제어부(130)는 상기 제2주파수가 기설정된 주파수 이상인지 여부를 판단한다.

예를 들어, 상기 제1주파수 및 상기 기설정된 주파수는 각각 1KHz 및 100KHz이고, 상기 일정 주파수 간격은 100Hz일 수 있다.

또한, 상기 제어부(130)는 상기 제2주파수가 상기 기설정된 주파수 이하이면, 상기 제2주파수의 입력 전압을 인가하고 응답 전압을 측정하도록 상기 전원부 및 상기 전압 측정부를 제어한다.

또한, 상기 제어부(130)는 상기 제2주파수가 상기 기설정된 주파수 이상이면, 다음과 같은 동작을 수행할 수 있다.

상기 임피던스 연산모듈(131)은 상기 입력 전압의 주파수 변화에 따른 상기 입력 전압 및 상기 응답 전압에 기반하여 상기 배터리의 내부 임피던스를 연산한다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 상기 입력 전압이 Vocv이고, 상기 응답 전압이 Vt이면 상기 내부 임피던스는 Z=Vt/ Vocv에 해당한다. 여기서, 상기 입력 전압과 상기 응답 전압의 위상이 다른 경우, 상기 내부 임피던스 Z는 복소수의 값으로 연산된다.

상기 임피던스 변화율 판단 모듈(132)은 상기 주파수 변화에 따른 상기 내부 임피던스의 변화율을 연산한다. 또한, 상기 임피던스 변화율 판단 모듈(132)은 주파수 또는 시간의 변화에 따른 임피던스 변화율을 디스플레이부(미도시)에 표시할 수 있다.

상기 배터리 상태 판단 모듈(133)은 상기 임피던스 변화율에 기반하여 상기 배터리의 상태를 판단한다.

상기 메모리(140)는 입력 전압, 응답 전압, 주파수 및 내부 임피던스에 관한 값들을 저장한다. 여기서, 상기 저장된 값들은 시간에 따라 서로 다른 값을 가질 수 있다.

이와 관련하여, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 주파수의 변화에 따른 내부 임피던스를 실수부와 허수부로 표시되는 복소 좌표에 표시한 것이다.

도 5a를 참조하면, 제1주파수에서 제2주파수까지는 임피던스의 변화가 작은 반면에, 상기 제2주파수 이상에서 임피던스의 변화가 크다면, 상기 배터리는 제2주파수 이하에서 정상 동작하는 것으로 판단할 수 있다.

한편, 도5b를 참조하면, 제1주파수에서 제2주파수까지는 임피던스의 절대값이 특정 값 이하인 반면에, 상기 제2주파수 이상에서는 임피던스의 절대값이 특정 값 이상이면, 상기 배터리는 제2주파수 이하에서 정상 동작하는 것으로 판단할 수 있다. 여기서, 임피던스의 절대값은 임피던스의 실수부와 허수부인 저항과 리액턴스 값으로부터 결정된다.

따라서, 이러한 임피던스의 변화 또는 임피던스의 절대값에 기반하여, 배터리의 상태를 구분할 수 있다.

한편, 상기 임피던스 추정 장치에서 전술된 사항들은 아래에서 기술된 임피던스 추정 방법에도 적용될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 배터리의 내부 임피던스 추정 방법의 흐름도를 도시한다. 내부 임피던스 추정 방법은 입력 전압 인가 과정(S610), 응답 전압 측정 과정(S620), 주파수 증가 과정(S630) 및 주파수 판단 과정(S640)을 포함한다. 또한, 상기 내부 임피던스 추정 방법은 임피던스 연산 과정(S650), 임피던스 변화율 판단 과정(S660) 및 배터리 상태 판단 과정(S670)을 더 포함할 수 있다.

상기 입력 전압 인가 과정(S610)은 상기 배터리의 양극 및 음극 단자에 제1주파수의 입력 전압을 인가한다.

상기 응답 전압 측정 과정(S620)은 상기 입력 전압에 응답하는 상기 배터리의 응답 전압을 상기 양극 및 음극 단자에서 측정한다.

상기 주파수 증가 과정(S630)은 상기 입력 전압의 주파수를 상기 제1주파수보다 일정 주파수 간격만큼 증가된 제2주파수로 증가시킨다.

상기 주파수 판단 과정(S640)은 상기 제2주파수가 기설정된 주파수 이상인지 여부를 판단한다.

한편, 상기 주파수 판단 과정(S640)에서 상기 제2주파수가 상기 기설정된 주파수 이하이면, 상기 제2주파수의 입력 전압에 대하여 상기 입력 전압 인가 과정 (S610) 및 상기 응답 전압 측정 과정(S620)을 반복수행한다.

상기 임피던스 연산 과정(S650)은 상기 입력 전압의 주파수 변화에 따른 상기 입력 전압 및 상기 응답 전압에 기반하여 상기 배터리의 내부 임피던스를 연산한다.

상기 임피던스 변화율 판단 과정(S660)은 상기 주파수 변화에 따른 상기 내부 임피던스의 변화율을 연산한다.

상기 배터리 상태 판단 과정(S670)은 상기 임피던스 변화율에 기반하여 상기 배터리의 상태를 판단한다.

한편, 상기 임피던스 추정 장치 및 임피던스 추정 방법에서 기술된 사항들은 상호 참조하여 활용될 수 있음은 물론이다.

전술된 본 발명의 실시예들에 따르면, 주파수의 변화에 따라 배터리의 응답 전압을 측정하여, 배터리의 내부 저항을 정확히 측정할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 외부 조건에 따라 변화하는 배터리의 내부 저항을 실시간 또는 준실시간으로 측정하여, 배터리의 상태를 실시간 또는 준실시간으로 구분할 수 있다는 장점이 있다.

한편, 본 발명에서 제시된 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 장치는 주파수의 변화에 따라 배터리의 응답 전압을 측정하여 내부 임피던스의 차이를 구하고, 이에 기반하여 배터리의 상태를 판단할 수 있다. 이러한 내부 임피던스의 차이를 구하고, 이에 기반하여 배터리의 상태의 판단은 제어부 또는 프로세서에 의해 생성될 수 있다. 또한, 이러한 제어부 또는 프로세서는 하드웨어, 소프트웨어 및 이들의 조합에 의해 구현될 수 있다.

소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능 뿐만 아니라 각각의 구성 요소들은 별도의 소프트웨어 모듈로도 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고, 제어부(controller) 또는 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다.

100: 내부 임피던스 추정 장치 110: 전원부
120: 전압 측정부 130: 제어부

Claims

배터리의 내부 임피던스를 추정하는 방법에 있어서,
상기 배터리의 양극 및 음극 단자에 제1주파수의 입력 전압을 인가하는 입력 전압 인가 과정;
상기 입력 전압에 응답하는 상기 배터리의 응답 전압을 상기 양극 및 음극 단자에서 측정하는 응답 전압 측정 과정;
상기 입력 전압의 주파수를 상기 제1주파수보다 일정 주파수 간격만큼 증가된 제2주파수로 증가시키는 주파수 증가 과정; 및
상기 제2주파수가 기설정된 주파수 이상인지 여부를 판단하는 주파수 판단 과정를 포함하고,
상기 제2주파수가 상기 기설정된 주파수 이하이면, 상기 제2주파수의 입력 전압에 대하여 상기 입력 전압 인가 과정 및 상기 응답 전압 측정 과정을 반복수행하는, 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 입력 전압의 주파수 변화에 따른 상기 입력 전압 및 상기 응답 전압에 기반하여 상기 배터리의 내부 임피던스를 연산하는 임피던스 연산 과정을 더 포함하는, 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 방법.
제2항에 있어서,
상기 주파수 변화에 따른 상기 내부 임피던스의 변화율을 연산하는 임피던스 변화율 판단 과정을 더 포함하는, 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 방법.
제3항에 있어서,
상기 임피던스 변화율에 기반하여 상기 배터리의 상태를 판단하는 배터리 상태 판단 과정을 더 포함하는, 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1주파수 및 상기 기설정된 주파수는 각각 1KHz 및 100KHz이고,
상기 일정 주파수 간격은 100Hz인 것을 특징으로 하는, 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 방법.
배터리의 내부 임피던스를 추정하는 장치에 있어서,
상기 배터리의 양극 및 음극 단자에 제1주파수의 입력 전압을 인가하는 전원부; 및
상기 입력 전압에 응답하는 상기 배터리의 응답 전압을 상기 양극 및 음극 단자에서 측정하는 전압 측정부; 및
상기 입력 전압의 주파수를 상기 제1주파수보다 일정 주파수 간격만큼 증가된 제2주파수로 증가되도록 제어하고, 상기 제2주파수가 기설정된 주파수 이상인지 여부를 판단하고, 상기 제2주파수가 상기 기설정된 주파수 이하이면, 상기 제2주파수의 입력 전압을 인가하고 응답 전압을 측정하도록 상기 전원부 및 상기 전압 측정부를 제어하는 제어부를 포함하는, 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 장치.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 입력 전압의 주파수 변화에 따른 상기 입력 전압 및 상기 응답 전압에 기반하여 상기 배터리의 내부 임피던스를 연산하는 임피던스 연산모듈을 더 포함하는, 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 장치.
제7항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 주파수 변화에 따른 상기 내부 임피던스의 변화율을 연산하는 임피던스 변화율 판단 모듈을 더 포함하는, 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 장치.
제8항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 임피던스 변화율에 기반하여 상기 배터리의 상태를 판단하는 배터리 상태 판단 모듈을 더 포함하는, 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 장치.
제6항에 있어서,
상기 제1주파수 및 상기 기설정된 주파수는 각각 1KHz 및 100KHz이고,
상기 일정 주파수 간격은 100Hz인 것을 특징으로 하는, 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 장치.