KR20180031537A - 배터리 충방전 시험 장치 - Google Patents

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Abstract

본 실시예에 의한 배터리 충방전 시험 장치는, 상호 전기적으로 연결된 복수의 테스트 모듈로, 각각의 테스트 모듈은 직류 전압 형성부 및 직류 전압 형성부를 제어하는 제어부를 포함하며, 직류 전압을 제공하는 테스트 모듈 및 복수의 테스트 모듈들이 제공하는 직류 전압들의 평균 전압값을 연산하여 제공하는 연산부를 포함하며, 제어부는 연산부가 제공한 평균 전압값과 직류 전압의 차이에 상응하는 전압 오프셋을 연산하여 직류 전압의 전압값이 평균 전압값에 상응하도록 제어한다.

Description

배터리 충방전 시험 장치{Battery Charging Discharging Test Apparatus}
본 발명은 배터리 충방전 시험 장치에 관한 것이다.
최근 배터리의 사용은 휴대폰에서부터 전기 자동차 시스템에 이르기까지 다양한 형태의 배터리가 개발되고 있다. 다양하게 개발되는 배터리들은 구성된 화학적 및 물리적 특성에 따라 충전 및 방전 특성이 다르며, 이러한 특성은 SOC(State Of Charger)를 통해 배터리의 잔량을 확인 할 수 있다. 배터리의 특성 파악을 위해서는 화학적 또는 수학적인 모델링도 사용되지만, 실제 제품의 특성 파악은 일반적으로 배터리의 정격용량 충전 및 방전 시험을 통해 이루어지는 경우가 대부분이다.
배터리의 정격용량 충전 및 방전 시험은 배터리보다 정격전압 및 정격전류가 높은 시험 장치를 필요로 하는데, 이에 따라 보다 높은 정격전압 및 정격전류를 갖는 배터리의 정격용량 시험을 위해서는, 이보다 더 높은 정격의 시험 장치를 필요로 한다.
시험하고자 하는 배터리의 정격에 비해 너무 높은 정격의 시험 장치를 통해 시험할 경우, 배터리 특성 시험의 정확도가 낮아질 수 있다. 때문에 다양한 정격을 갖는 배터리에 대한 충전 및 방전 시험을 위해서는 각각의 배터리에 알맞은 정격의 시험 장치를 필요로 하게 되었다. 이는 다양한 정격의 배터리 개발 및 특성 파악을 위한 비용증가의 원인이 되었다.
본 실시예는 상기한 점을 해결하기 위한 것으로, 각각 일정한 정격 전압, 정격 전류를 가지는 테스트 모듈을 전기적으로 연결하여 시험하고자 하는 배터리에 목적하는 전압과 전류를 제공할 수 있는 배터리 시험 장치를 제공하기 위한 것이다. 또한, 본 실시예의 주된 목표 중 하나는 복수개의 배터리 테스트 모듈을 연결하여 배터리를 시험하는 과정에서 테스트 모듈에 포함된 수동 소자 값의 오차에 의하여 발생하는 전압 편차(voltage deviation)를 줄일 수 있는 배터리 시험 장치를 제공하는 것이다.
본 실시예에 의한 배터리 충방전 시험 장치는, 상호 전기적으로 연결된 복수의 테스트 모듈로, 각각의 테스트 모듈은 직류 전압 형성부 및 직류 전압 형성부를 제어하는 제어부를 포함하며, 직류 전압을 제공하는 테스트 모듈 및 복수의 테스트 모듈들이 제공하는 직류 전압들의 평균 전압값을 연산하여 제공하는 연산부를 포함하며, 제어부는 연산부가 제공한 평균 전압값과 직류 전압의 차이에 상응하는 전압 오프셋을 연산하여 직류 전압의 전압값이 평균 전압값에 상응하도록 제어한다.
본 실시예에 의하면, 정격 전류와 정격 전압을 제공하는 복수의 테스트 모듈들을 이용하여 여러 출력 전류, 출력 전압을 형성하고, 이를 이용하여 배터리의 충방전 시험을 수행할 수 있어 종래 기술에 비하여 경제적으로 배터리 테스트 장치를 구현할 수 있다는 장점이 제공된다.
도 1은 본 실시예에 의한 충방전 시험 장치의 개요를 도시한 블록도이다.
도 2는 테스트 모듈에 포함된 제어부(110)의 기능을 개요적으로 도시한 블록도이다.
도 3(a)는 네 개의 테스트 모듈들 병렬로 연결하여 배터리 테스트 장치를 설정한 상태를 도시한 도면이고, 도 3(b)는 직렬로 연결된 두 개의 테스트 모듈들을 서로 병렬로 연결하여 배터리 테스트 장치를 설정한 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시예에 의한 배터리 시험 장치에 대한 모의 시험 결과를 도시한 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
본 명세서는 신호 선로의 종류를 구분하지 않는다. 따라서, 데이터 버스는 단일단 신호(single ended signal)를 전송하는 단일 선로일 수 있으며, 차동 신호(differential signal)를 전송할 수 있는 선로쌍일 수 있다. 또한 도면으로 도시된 각 선로는 단일 신호 또는 하나 이상의 아날로그 신호 또는 디지털 신호로 구성된 버스 신호로 해석될 수 있으며, 필요한 경우에는 그 설명을 부가할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 의한 배터리 충방전 시험 장치를 설명한다. 도 1은 본 실시예에 의한 충방전 시험 장치의 개요를 도시한 블록도이다. 복수의 테스트 모듈(100)들은 직렬 연결되거나, 병렬로 연결될 수 있다. 도 1은 각각의 테스트 모듈들이 제공하는 전압이 더해지도록 복수의 테스트 모듈(100)들이 직렬로 연결된 상태를 도시한다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 충방전 시험 장치(1)는, 상호 전기적으로 연결된 복수의 테스트 모듈(100)로, 각각의 테스트 모듈은 직류 전압 형성부(110) 및 직류 전압 형성부(110)를 제어하는 제어부(120)를 포함하며, 직류 전압을 제공하는 테스트 모듈(100) 및 복수의 테스트 모듈들이 제공하는 직류 전압들의 평균 전압값을 연산하여 제공하는 연산부(200)를 포함하며, 제어부(110)는 연산부(200)가 제공한 평균 전압값과 직류 전압의 차이에 상응하는 전압 오프셋을 연산하여 직류 전압의 전압값이 평균 전압값에 상응하도록 제어한다.
제어부(110)는 연산부(200)로부터 복수의 테스트 모듈들이 제공하는 직류 전압의 평균 전압값(Vmodule,avg, 도 2 참조)을 제공받는다. 제어부(110)는 평균 전압값과 테스트 모듈이 출력하는 전압의 차이에 상응하는 전압 오프셋을 연산하여 테스트 모듈이 출력하는 직류 전압이 평균 전압값에 상응하도록 직류 전압 형성부(120)를 제어한다.
직류 전압 형성부(120)는 테스트 모듈(100)이 제공하는 직류 전압과 직류 전류를 형성한다. 직류 전압 형성부(120)는 펄스 폭 변조(PWM, Pulse Width Modulation)를 수행하는 직류-직류 변환기(DC-DC Converter)로 구현되며, 제어부(110)는 펄스폭 변조에서의 듀티비를 제어하여 직류 전압 형성부(120)가 출력하는 직류 전압 및 직류 전류를 제어한다.
일 실시예에서, 테스트 모듈(100)은 직류 전압 형성부(120)가 출력하는 직류 전압, 직류 전류에 포함된 노이즈를 제거하는 필터(filter)를 더 포함한다. 필터는 저항, 인덕터 및 커패시터를 포함하는 수동 필터로 구현될 수 있다.
또한, 테스트 모듈(100)은 테스트 모듈이 출력하는 직류 전압을 검출하여 전압값을 연산부(200) 및 제어부(110)에 제공하는 전압 센서(미도시)와 직류 전압 형성부(120)가 제공하는 직류 전류를 검출하는 전류 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 연산부(200)는 테스트 모듈(100)들이 출력하는 전압들을 제공받고 이들의 평균값을 연산하여 각 테스트 모듈에 포함된 제어부(110)에 제공한다.
이하에서는 상기한 구성을 가지는 배터리 충방전 시험 장치의 동작을 설명한다. 도 2는 테스트 모듈에 포함된 제어부(110)의 기능을 개요적으로 도시한 블록도이다. 이하에서는 k번째 테스트 모듈(100k)을 기준으로 설명한다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 연산부(200)는 각 테스트 모듈(100)들에 포함된 전압 센서(미도시)로부터 테스트 모듈(100)이 출력한 전압(Vmodule,1, Vmodule,2, ..., Vmodule,n)의 전압값을 제공받고, 이들에 대한 평균 전압값(Vmodule_avg)을 연산하여 제어부(110)에 제공한다. 제어부(110)는 평균 전압값(Vmodule,avg)과 각 테스트 모듈(100)이 출력한 직류 전압을 전압 센서가 측정한 전압값(Vmodule,k)를 제공받고, 이들의 차로부터 전압 오프셋을 연산한다. 전압 오프셋은 각 테스트 모듈이 출력하는 전압과 평균 전압값(Vmodule,avg)과의 차이로, 각 테스트 모듈 별로 상이한 값일 수 있다.
아래의 수학식 1을 참조하면, 평균 전압값(Vmodule,avg)은 식 ①로 표시된 바와 같이 테스트 모듈(100k)이 출력한 전압(Vmodule,k)에 전압 오프셋(Voffset,k)을 더하여 얻을 수 있다. 또한, 테스트 모듈(100k)이 출력한 전압(Vmodule,k)은 테스트 모듈들을 흐르는 전류(Ibatt)와 테스트 모듈 임피던스(Zmodule,k)의 곱으로 표시될 수 있다. 평균 전압값(Vmodule,avg)과 테스트 모듈(100)이 출력한 전압이 일치하도록 제어하는 경우에는 테스트 모듈(100)에 흐르는 전류를 더하거나, 빼서 조절하는 것처럼 제어할 수 있다.
수학식 1의 ② 식과 같이 전압을 제어 하기 위하여 가산되거나 감산되는 인자를 전압 오프셋이라고 하며, 일 실시예로, 전압 오프셋은 테스트 모듈(100)의 임피던스에 의하여 전압의 형태로 변환되므로 전류의 차원을 가질 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
도 2(a)를 참조하면, 발란스 제어기(112)는 평균 전압값(Vmodule_avg)과 출력 전압값(Vmodule_k)과의 차이값을 제공받아 전압 오프셋(Ioffset,k)를 형성한다. 일 실시예로, 발란스 제어기(112)는 평균 전압값(Vmodule_avg)과 출력 전압값(Vmodule_k)과의 차이값을 해당 모듈(100k)의 등가 임피던스로 나누어 전압 오프셋(Ioffset,k)를 형성한다.
도 2(b)를 참조하면, 전류 제어기(114)는 테스트 모듈(100)이 제공하도록 지정된 전류값인 지령 전류(I*module,k)와 전압 오프셋(Ioffset,k)를 합산하고, 테스트 모듈(100)이 제공하는 전류를 센서가 측정하여 제공한 전류값(Imodule,k)이 감산된 전류값을 제공받고, 지령 전압(V*module,k)을 출력한다. 지령 전압(V*module,k)는 전압 형성부(120)가 출력하는 전압값을 지시하는 전압값이다.
제어부(110)는 지령 전압(V*module,k)을 이용하여 전압 형성부(120)가 출력하는 전압을 제어한다. 일 실시예로, 제어부(110)는 지령 전압(V*module,k)을 제공받고, 전압 형성부(120)가 이에 상응하는 전압을 출력하도록 펄스 폭 변조를 수행한다.
따라서, 본 실시예에 의한 제어부(110)는 테스트 모듈이 실제로 제공하는 전압이 각 테스트 모듈이 제공하는 전압의 평균값으로 수렴하도록 제어할 수 있으며, 각 테스트 모듈이 제공하는 전압의 평균값으로부터 일정한 범위 내에 있도록 제어하는 것도 가능하다. 나아가, 본 실시예에 의한 제어부(110)는 지령 전류와 테스트 모듈이 제공하는 전류의 차이로부터 발생하는 전압 차이의 영향도 극복할 수 있다는 장점이 제공된다.
도 3(a)는 네 개의 테스트 모듈들 병렬로 연결하여 배터리 테스트 장치를 설정한 상태를 도시한 도면이고, 도 3(b)는 직렬로 연결된 두 개의 테스트 모듈들을 서로 병렬로 연결하여 배터리 테스트 장치를 설정한 상태를 도시한 도면이다. 도 3(a)를 참조하면, 각각의 테스트 모듈들을 병렬로 연결하여 개별 모듈의 전류 정격보다 높은 전류 정격을 갖고 있는 배터리의 정격 시험을 수행할 수 있다. 도 3(b)는 개별 테스트 모듈을 직병렬로 구성하여 통해 대전압, 대전류 배터리팩을 시험하는 방법할 수 있다.
모의 시험예
도 4는 본 실시예에 의한 배터리 시험 장치에 대한 모의 시험 결과를 도시한 도면이다. 모의 시험은 Psim 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 수행하였으며, 각 모듈의 정격 전압은 100V로 하였고, 정격 전류는 100A로 설정하여 수행하였다. 모듈은 10개의 모듈을 직렬로 연계하였고, 각 모듈의 출력단 필터에 포함된 수동소자의 소자값은 5%의 오차가 나타나도록 구성하였다.
도 4(a)는 제어부(110)가 동작하지 않도록 설정한 상태에서 배터리 방전 시뮬레이션 파형을 도시한 도면이다. 각 모듈의 전류는 동일하게 흐르는 것을 확인할 수 있지만 각 모듈의 전압은 제각각 나타나며 점점 차이가 벌어지는 것을 확인할 수 있다.
도 4(b)는 본 실시예에 의한 배터리 방전 시뮬레이션 파형이다. 도 4(b)를 참조하면. 도 4(a)에서와 마찬가지로 각 모듈의 전류는 동일하게 흐르나, 각 모듈의 전압 차이가 형성되지 않고 동일한 전압 차이 특성을 갖고 방전되는 것을 볼 수 있다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 테스트 모듈 110: 제어부
112: 균형 제어기 114: 전류 제어기
120: 직류 전압 형성부 130: 필터
200: 연산부

Claims (7)

  1. 상호 전기적으로 연결된 복수의 테스트 모듈로, 각각의 테스트 모듈은 직류 전압 형성부 및 상기 직류 전압 형성부를 제어하는 제어부를 포함하며, 직류 전압을 제공하는 테스트 모듈 및
    상기 복수의 테스트 모듈들이 제공하는 상기 직류 전압들의 평균 전압값을 연산하여 제공하는 연산부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 연산부가 제공한 상기 평균 전압값과 상기 직류 전압의 차이에 상응하는 전압 오프셋을 연산하여 상기 직류 전압의 전압값이 상기 평균 전압값에 상응하도록 제어하는 배터리 충방전 시험 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 직류 전압 형성부는 직류-직류 변환기(DC-DC converter)로,
    상기 제어부는 펄스폭 변조(PWM, Pulse Width Modulation)를 수행하여 상기 직류-직류 변환기의 출력을 제어하는 배터리 충방전 시험 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 테스트 모듈은 상기 직류 전압 형성부가 제공하는 직류 전압에서 노이즈를 제거하는 필터(filter)를 더 포함하는 배터리 충방전 시험 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 테스트 모듈은 상기 직류 전압의 전압값을 측정하여 상기 연산부에 제공하는 전압 센서를 더 포함하는 배터리 충방전 시험 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 테스트 모듈의 지령 전류값과, 출력 전류와의 차이인 전류 오프셋(current offeset)을 연산하고, 상기 전류 오프셋과 상기 전압 오프셋을 이용하여 상기 직류 전압의 전압값이 상기 평균 전압값에 상응하도록 제어하는 배터리 충방전 시험 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 테스트 모듈들은 상기 배터리 충방전 시험 장치가 목적하는 전압을 출력하도록 직렬로 연결되는 배터리 충방전 시험 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 테스트 모듈들은 상기 배터리 충방전 시험 장치가 목적하는 전류를 출력하도록 병렬로 연결되는 배터리 충방전 시험 장치.


KR1020160132170A 2016-09-20 2016-10-12 배터리 충방전 시험 장치 KR101854247B1 (ko)

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