KR20200017367A - 배터리 진단 장치 - Google Patents

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KR20200017367A
KR20200017367A KR1020190096679A KR20190096679A KR20200017367A KR 20200017367 A KR20200017367 A KR 20200017367A KR 1020190096679 A KR1020190096679 A KR 1020190096679A KR 20190096679 A KR20190096679 A KR 20190096679A KR 20200017367 A KR20200017367 A KR 20200017367A
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impedance analyzer
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KR1020190096679A
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명희경
이영재
홍영진
이성근
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주식회사 민테크
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Abstract

배터리의 상태를 진단하기 위한 배터리 진단 장치는, 배터리를 충전 또는 방전하기 위한 충방전기, 배터리의 교류 임피던스를 측정하기 위한 교류 임피던스 분석기, 충방전기 또는 교류 임피던스 분석기의 동작을 제어하기 위한 제어부, 및 배터리의 용량값, 직류 저항값 또는 교류 임피던스에 기초하여 배터리의 상태를 진단하기 위한 진단부를 포함할 수 있다.

Description

배터리 진단 장치{APPARATUS FOR BATTERY DIAGNOSIS}
본 발명은 배터리 진단 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배터리의 상태를 측정하고 진단하기 위한 배터리 진단 장치에 관한 것이다.
자동차 및 기타 휴대용 전자기기의 수요가 증가함에 따라 이들 장치들의 전력원으로 이차전지 등의 배터리가 많이 사용되고 있다. 특히, 리튬 이온 배터리는 종래 전지에 대하여 에너지 밀도가 높고 작동 전압이 높으며, 충전 용량이 상대적으로 크고 휴대가 편리하여 폭넓게 사용되고 있다.
이러한 배터리는 충전 및 방전을 지속적으로 수행함에 따라 내구성이 감소하여 폭발 등의 사고 발생의 위험이 존재한다. 또한, 충전 및 방전을 반복함에 따라 충전 용량이 감소하여 사용시간이 줄어드는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 배터리의 SoC(State of Charge), SoH(State of Health), SoP(State of Power), SoE(State of Energy), 및 SoB(State of Balance) 등의 상태를 측정함으로써 배터리 내부의 이상 여부 및 수명 예측이 요구되고 있다.
본 발명은 배터리의 교류 임피던스를 검출함으로써, 효율적이고 정확하게 배터리의 상태를 진단할 수 있는 배터리 진단 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여
배터리의 상태를 진단하기 위한 배터리 진단 장치에 있어서,
상기 배터리를 충전 또는 방전하기 위한 충방전기,
상기 배터리의 교류 임피던스를 측정하기 위한 교류 임피던스 분석기,
상기 충방전기 또는 상기 교류 임피던스 분석기의 동작을 제어하기 위한 제어부,
상기 배터리의 용량, 직류 저항, 및 교류 임피던스 중 적어도 하나에 기초하여 상기 배터리의 상태를 진단하기 위한 진단부를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 배터리 진단 장치에 있어서, 상기 교류 임피던스 분석기는, 완전 충전 상태의 상기 배터리의 교류 임피던스, 완전 방전 상태의 상기 배터리의 교류 임피던스, 및 부분 충전 또는 부분 방전 상태의 상기 배터리의 교류 임피던스를 측정할 수 있다.
본 발명에 의한 배터리 진단 장치에 있어서, 상기 교류 임피던스 분석기는, 기준 주파수 또는 기준 주파수 범위에서의 저항, 인덕터, 및 커패시터 중 적어도 하나를 측정함으로써 교류 임피던스를 측정할 수 있다.
본 발명에 의한 배터리 진단 장치에 있어서, 상기 교류 임피던스 분석기는, 기준 주파수 또는 기준 주파수 범위에서의 저항, 인덕터, 및 커패시터 중 적어도 하나를 측정하고, 상기 측정된 상기 저항, 상기 인덕터, 및 상기 커패시터에 대응되는 등가회로를 구성함으로써 상기 교류 임피던스를 측정할 수 있다.
본 발명에 의한 배터리 진단 장치에 있어서, 상기 교류 임피던스 분석기는, 상기 배터리의 온도를 측정하는 온도 측정기를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 배터리 진단 장치에 있어서, 상기 진단부는, 상기 충방전기 또는 교류 임피던스 분석기로부터 수신되는 데이터에 연산을 수행함으로써 상기 배터리의 SoC(State of Charge), SoH(State of Health), SoP(State of Power), 및 상기 배터리의 SoB(State of Balance) 중 적어도 하나를 결정할 수 있다.
본 발명에 의한 배터리 진단 장치에 있어서, 상기 진단부는, 상기 배터리의 식별 정보를 수신하기 위한 정보 수신부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 배터리 진단 장치에 있어서, 상기 진단부는, 상기 정보수신부를 통해 수신한 상기 식별 정보에 대응하는 기준 데이터와 상기 교류 임피던스 분석기로부터 수신되는 데이터를 비교함으로써 상기 배터리의 상태를 진단할 수 있다.
본 발명에 의한 배터리 진단 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 용량 및 상기 직류 저항을 측정하도록 상기 충방전기를 제어할 수 있다.
본 발명에 의한 배터리 진단 장치에 있어서, 상기 제어부 및 상기 배터리의 단자와 연결되고, 상기 배터리의 온도 및 전압을 측정하기 위한 배터리 인터페이스를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 배터리 진단 장치는 상기 제어부 및 상기 충방전기에 연결되고, 상기 제어부의 제어 하에, 상기 충방전기가 상기 배터리를 충전 또는 방전시키기 위한 회로인 제1연결부를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 배터리 진단 장치에 있어서, 상기 충방전기 및 상기 제1연결부 중 적어도 하나와 상기 배터리와의 연결 여부, 및 상기 배터리가 MSD로부터 분리 여부를 확인하기 위해 연결 회로의 전압을 측정하기 위한 전압측정기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 배터리 진단 장치에 있어서, 상기 배터리의 배터리 관리 시스템에 전원을 공급하기 위한 전원 공급기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 배터리 진단 장치는 상기 제어부 및 상기 전원 공급기에 연결되고, 상기 제어부의 제어하에, 상기 전원 공급기가 상기 배터리 관리 시스템에 전원을 공급하기 위한 연결회로를 제공하는 제2연결부를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한,
배터리를 충전 또는 방전하기 위한 충방전기;
상기 배터리의 온도를 고려하여 교류 임피던스를 측정하기 위한 교류 임피던스 분석기;
상기 충방전기 또는 상기 교류 임피던스 분석기의 동작을 제어하기 위한 제어부;
상기 제어부 및 상기 충방전기에 연결되고, 상기 제어부의 제어 하에, 상기 충방전기가 상기 배터리를 충전 또는 방전시키기 위한 회로를 포함하는 제1연결부;
상기 배터리의 용량, 직류 저항, 및 교류 임피던스 중 적어도 하나에 기초하여 상기 배터리의 상태를 진단하기 위한 진단부;
외부의 전원을 상기 배터리의 배터리 관리 시스템에서 요구하는 전압 및 전류로 변환하여 상기 배터리 관리 시스템에 전원을 공급하기 위한 전원 공급기;
상기 제어부 및 상기 전원 공급기에 연결되고, 상기 제어부의 제어 하에, 상기 전원 공급기가 상기 배터리 관리 시스템에 전원을 공급하기 위한 회로인 제2연결부;
상기 제어부 및 상기 배터리의 단자와 연결되고, 상기 배터리의 온도 및 전압을 측정하기 위한 배터리 인터페이스;
상기 배터리의 전압을 측정하기 위한 전압측정기;
상기 배터리의 절연 저항을 측정하기 위한 절연 저항기; 및
상기 배터리의 상기 배터리 관리 시스템과 통신을 수행하기 위한 BMS 통신부를 포함하고,
상기 진단부는, 상기 배터리의 식별 정보를 수신하도록 구성되고,
상기 진단부는, 상기 충방전기 또는 교류 임피던스 분석기로부터 수신되는 데이터에 연산을 수행하고, 상기 배터리의 식별 정보에 대응하는 기준 데이터를 참조함으로써 상기 배터리의 SoC(State of Charge), SoH(State of Health), SoP(State of Power), 및 상기 배터리의 SoB(State of Balance) 중 적어도 하나를 결정하고,
상기 제1연결부는 상기 배터리의 단자와 연결되고,
상기 제2연결부는 상기 배터리 관리 시스템과 연결되는 배터리 진단 장치를 제공한다.
본 발명에 의한 배터리 진단 장치는 상기 배터리의 외관 또는 배터리의 전해액 누수 여부를 검사하기 위한 제 2 진단부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
개시된 배터리 진단 장치는 효율적이고 정확하게 SoC(State of Charge), SoH(State of Health), SoP(State of Power), 및 상기 배터리의 SoB(State of Balance) 등의 배터리 상태를 진단할 수 있다. 또한, 부피 및 무게를 최소화하여 쉽게 이동할 수 있다. 또한, 외부의 전원 공급이 어려운 환경에서도 구동할 수 있다. 또한, 배터리 관리시스템(BMS)이 작동하지 않는 상태에서도 효율적이고 정확하게 배터리의 상태를 진단할 수 있다.
도1은 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치의 사시도이다.
도2는 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치를 배터리에 연결한 것을 도시한 것이다.
도3은 일 실시예를 따른 배터리 진단 장치의 블록도이다.
도4는 배터리의 전기화학적 특성을 모사한 등가회로의 예시이다.
도5는 일 실시예를 따른 배터리 진단 장치의 블록도이다.
도6은 일 실시예를 따른 배터리 진단 장치의 블록도이다.
도7은 일 실시예를 따른 배터리 진단 장치의 블록도이다.
도8은 일 실시예를 따른 배터리 진단 장치의 블록도이다.
도9는 일 실시예를 따른 배터리 진단 장치의 블록도이다.
아래에서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들(이하, 통상의 기술자들)이 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록, 첨부되는 도면들을 참조하여 몇몇 실시 예가 명확하고 상세하게 설명될 것이다.
이하, 배터리는 하나의 배터리 셀을 지칭하거나, 복수의 배터리 셀이 전기적으로 연결되어 모듈화된 것을 지칭할 수 있다. 또한, 배터리는 복수의 배터리 모듈들을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 모듈들 각각은 복수의 셀을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 모듈 상호 간은 직렬 및 병렬로 혼합 연결될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 복수의 배터리 모듈은 리튬 이온 배터리와 같은 2차 전지일 수 있다. 또한, 복수의 배터리 모듈의 용량은 서로 동일할 수도 있고 서로 상이할 수도 있다.
또한, 명세서에서 사용되는 "부" 라는 용어는 FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소 또는 회로를 의미할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치(100)의 사시도를 나타내고, 도 2는 일 실시 예를 따른 배터리 진단 장치(100)가 배터리에 연결된 상태를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 배터리 진단 장치(100)는 배터리(10)와 연결되어 배터리(10)의 상태를 진단할 수 있다. 배터리(10)는 단자(12)와 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(11)을 포함할 수 있다. 배터리 진단 장치(100)는 단자(12)와 배터리 관리 시스템(11) 중 적어도 하나와 연결될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치의 블록도이다.
도 3의 배터리 진단 장치(3000)는 도2의 배터리 진단 장치(100)에 대응될 수 있다. 따라서, 이하 구체적인 설명이 없어도 도2의 배터리 진단 장치(100)에 관하여 상술된 내용은 도3의 배터리 진단 장치(3000) 에도 적용될 수 있다. 또한, 도3의 배터리는 도2를 참조하여 설명한 단자와 배터리 관리 시스템을 포함할 수 있다.
도3을 참조하면, 배터리 진단 장치(3000)는 제어부(3100), 제 1 진단부(3200), 교류 임피던스 분석기(AC Impedance Analyzer, 3300), 및 충방전기(3400)를 포함할 수 있다.
제어부(3100)는 교류 임피던스 분석기(3300)의 동작을 제어할 수 있다. 제어부(3100)는 사용자의 명령 또는 외부로부터 수신된 명령에 따라 교류 임피던스 분석기(3300)가 동작할 수 있도록 제어할 수 있다. 이를 위해, 제어부(3100)는 교류 임피던스 분석기(3300)와 회로 기판 상의 회로, 전선, 또는 통신선으로 연결되어 배치될 수 있다.
또한, 제어부(3100)는 제 1 진단부(3200)와 충방전기(3400)의 동작을 제어할 수 있다. 배터리 진단 장치(3000)는 제어 대상들을 각각 제어하는 복수의 제어 회로들을 물리적으로 구별하여 배치할 수 있다. 즉, 하나의 제어부(3100)가 교류 임피던스 분석기(3300), 제 1 진단부(3200), 및 충방전기(3400)를 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 제어부(3100)는 교류 임피던스 분석기(3300)를 제어하기 위한 제1제어부, 제 1 진단부(3200)를 제어하기 위한 제2제어부, 및 충방전기(3400)를 제어하기 위한 제3제어부를 포함할 수도 있다.
제어부(3100)는 제어 대상을 제어하기 위한 프로그램이 저장된 메모리 및 저장된 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함할 수 있다. 제어부(3100)는 필요에 따라 하나의 프로세서를 포함할 수도 있고, 복수의 프로세서를 포함할 수도 있다. 또한, 복수의 프로세서가 하나의 칩 상에 집적될 수도 있고, 물리적으로 분리될 수도 있다.
교류 임피던스 분석기(3300)는 배터리의 교류 임피던스를 검출할 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 교류 임피던스 분석기(3300)는 배터리(10)의 셀 단자(12)에 연결되어 배터리의 교류 임피던스를 검출하기 위한 정보를 측정할 수 있다.
교류 임피던스 분석기(3300)는 기준 주파수 또는 기준 주파수 범위에서의 배터리의 저항(R), 인덕터(L) 및 커패시터(C) 로부터 저항(R), 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C)중 적어도 하나를 측정하여 배터리 교류 임피던스를 검출할 수 있다. 이 경우, 저항(R), 인덕터(L) 및 커패시터(C) 로부터 저항(R), 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C)중 적어도 하나를 측정하여 등가회로를 구성함으로써 배터리 교류 임피던스를 검출할 수 있다.
도 4는 배터리의 전기화학적 특성을 모사한 등가회로의 예시이다. 도 4를 참조하면 등가회로는 RS(배터리 내부저항), RCT(배터리 전기화학 반응속도), CDL(배터리 이중층 커패시터) 및 Zw(분산 임피던스)로 표현될 수 있다. 교류 임피던스를 검출하는 방법은 필요에 따라 브리지 방법, 공진 방법, I-V 방법, RF I-V 방법 및 네트워크 분석 방법 등 다양한 방법을 선택적으로 수행할 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 이를 위해 교류 임피던스 분석기(3300)는 저항, 인덕턴스, 및 커패시턴스를 측정하는 구성 및, 이를 이용하여 임피던스 값을 산출하기 위한 연산 처리 회로 또는 장치를 포함할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따라, 교류 임피던스 분석기(3300)는 배터리의 온도를 측정하는 온도 측정기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
온도 측정기에서 배터리의 온도를 측정함으로써, 교류 임피던스 분석기(3300)는 배터리 온도 의존성을 고려하여 다양한 상태의 배터리에 대한 교류 임피던스를 검출할 수 있다. 일 실시 예에서, 교류 임피던스 분석기(3300)에서 측정 시 전압의 범위는 5 내지 500V, 저항의 범위는 100 μΩ 내지 1Ω, 주파수의 범위는 1Hz 내지 1kHz, 온도의 범위는 -40 내지 80℃일 수 있다.
교류 임피던스 분석기(3300)는 제어부(3100)의 제어 명령에 따라 다양한 상태의 배터리의 교류 임피던스를 검출할 수 있다. 구체적으로, 교류 임피던스 분석기(3300)는 완전 충전 상태의 배터리에 대한 교류 임피던스, 완전 방전 상태의 배터리에 대한 교류 임피던스, 및 완전 부분 충방전 상태의 배터리에 대한 교류 임피던스를 검출할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 제어부(3100)는 진단부(3200)로부터 교류 임피던스 분석기(3300)의 측정 여부, 측정 주파수 범위 등에 대한 정보를 전달받고 이에 기반하여 교류 임피던스 분석기(3300)를 제어할 수 있다. 교류 임피던스 분석기(3300)에서 측정된 저항(R), 인덕턴스(L), 커패시턴스(C), 및 교류 임피던스에 대한 정보는 진단부(3200)로 전달될 수 있다.
충방전기(3400)는 배터리를 충전 또는 방전할 수 있다. 충방전기(3400)는 제어부(3100)의 제어 명령에 따라, 배터리를 충전 또는 방전시킴으로써, 배터리를 완전 충전 상태, 완전 방전 상태, 부분 충전 상태로 만들 수 있다. 충방전기(3400)는 제어부(3100)의 제어 하에, 배터리의 용량 또는 직류 저항을 측정할 수 있다. 일 실시예에 따라, 충방전기(3400)는 배터리의 온도를 측정하는 온도 측정기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 온도 측정기에서 배터리의 온도를 측정함으로써, 충방전기(3400)는 배터리 온도 의존성을 고려하여 다양한 충방전 상태의 배터리에 대한 교류 임피던스를 검출할 수 있다.
진단부(3200)는 배터리의 용량, 직류 저항, 및 상기 교류 임피던스 분석기(3300)로부터 측정된 교류 임피던스 중 적어도 하나에 기초하여 배터리의 상태를 진단할 수 있다. 진단부(3200)는 수신된 저항(R), 인덕턴스(L), 커패시턴스(C), 및 교류 임피던스를 분석함으로써 SoC(State of Charge), SoH(State of Health), SoP(State of Power), 및 상기 배터리의 SoB(State of Balance) 와 같은 배터리의 상태 정보를 결정할 수 있다.
또한, 진단부(3200)는 충방전기(3400)를 통해 획득한 배터리의 용량 정보, 직류 저항에 대한 정보를 더 활용하여 배터리의 상태를 진단할 수 있다.
일 실시예에서 상기 충전량(SoC; State of Charge)은 Qc/Qi 혹은 Qc/Qt로 정의한다. 여기서 Q는 용량 혹은 전하량이며, I는 initial, t는 total을 의미한다.
일 실시예에서 상기 수명(SoH; State of Health)은 Qm/Qi 혹은 Em/Ei = [Qm*Vm]/[Qi*Vi] = SoC*Qi/Qa로 정의하며, 여기서 Q는 용량 혹은 전하량, E는 에너지, V는 전압, m은 측정량, I는 initial, a는 인가량을 의미한다.
일 실시예에서 상기 진단부에서 에너지 저장장치의 수명(SoH; State of Health)을 예측하는 방법은 등가회로모델을 이용하여 식을 도출하는 1단계; 반복 연산 과정인 피팅(fitting) 과정을 통하여 상기 모델식의 파라미터를 구하는 2단계; 에너지 저장장치의 충·방전 거동의 결과값과 직류저항 또는 교류임피던스를 활용하여 모델식에 적용하는 3단계; 및 상기 데이터로 에너지 저장장치의 수명을 연산하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서 상기 등가회로모델(ECM; Equivalent Circuit Model)은 랜달 회로(Randle circuit) 등 다양한 등가회로를 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에서 상기 피팅(fitting)은 선형 피트(Linear fit), 비선형 최소자승법 피트(Non-linear least square fit) 등 리튬이온배터리를 포함하는 에너지 저장장치의 충·방전 거동을 보이는 전기화학적 데이터의 다양한 피팅 (fitting) 방법 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
따라서, 진단부(3200)는 등가회로를 분석하기 위한 프로그램 코드 및 알고리즘을 저장하기 위한 메모리(미도시)를 포함할 수 있으며, 이에 따라 프로그램을 실행하거나 알고리즘을 수행하기 위한 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 배터리 진단 장치는 배터리 충방전 상태를 측정하기 위한 제 1 진단부(3200) 외에 비전 검사, 전해액 누출 검사, 절연 검사, 전기흐름 이상 검사를 실시하기 위한 제 2 진단부(미도시)를 더 구비할 수 있다. 본 발명에 의한 배터리 진단 장치는 상기 제 1 진단부(3200)에서 배터리 수명, 충방전 상태 등을 측정함과 동시에 제 2 진단부에 비전 측정기, 전해액 누출검사기, 전기흐름 이상 검사기를 포함하여 외관 이상, 전해액 누수 여부 및 내부 변형등을 동시에 진단할 수 있게 된다.
도5는 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 블록도를 나타낸다.
도5를 참조하면, 배터리 진단 장치(3000)는 전원 공급기(5200)를 더 포함할 수 있다.
전원 공급기(5200)는 배터리의 배터리 관리시스템(BMS)에 전원을 공급할 수 있다. 이를 위해 전원 공급기(5200)는 배터리 관리시스템(BMS)에 전기적으로 연결될 수 있다. 전원 공급기(5200)는 배터리 관리시스템(BMS)에 전원을 공급함으로써 배터리 관리시스템(BMS)을 구동하도록 함으로써 배터리를 제어하고 배터리와 관련된 정보를 획득할 수 있도록 할 수 있다. 전원 공급기(5200)는 외부의 전원을 인가 받은 후 이를 배터리 관리시스템(BMS)에서 요구하는 전압 및 전류로 변환하여 배터리 관리시스템(BMS)에 전원을 제공하기 위한 장치일 수 있다. 전원 공급기(5200)는 제어부(3100)와 연결되어 제어부(3100)의 제어에 따라 전원 공급 및 차단을 수행할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 전원 공급기(5200)의 동작 제어는 제어부(3100)에 의해 수행될 수 있으며, 교류 임피던스 분석기(3300)를 제어하기 위한 제어부(3100) 내의 제1제어부와 물리적으로 구별되는 별도의 제2제어부에 의해 제어될 수도 있다.
전원 공급기(5200)의 출력 전압 및 전류는 배터리 관리시스템(BMS)에서 요구하는 전압 및 전류의 크기에 따라 선택될 수 있으며 특별히 제한되지 않는다.
도6은 일 실시예를 따른 배터리 진단 장치의 블록도이다.
도6을 참조하면, 일 실시예를 따르는 배터리 진단 장치(3000)는 배터리와의 연결을 위한 제1연결부(6200) 및 제2연결부(6400)를 더 포함할 수 있다. 배터리 진단 장치(3000)의 구성 및 기능에 따라 연결부를 구별함으로써 배터리의 정보를 효율적으로 수득할 수 있다.
제1연결부(6200)는 교류 임피던스 분석기(3300)에 연결되어, 교류 임피던스 분석기(3300)가 배터리의 교류 임피던스를 검출하는 연결 회로를 제공할 수 있다. 또한, 제2연결부(6400)는 전원 공급기(5200)에 연결되고, 전원 공급기(5200)가 배터리 관리시스템(BMS)에 전원을 공급하는 연결 회로를 제공할 수 있다. 일 실시 예에서, 제1연결부(6200) 및 제2연결부(6400)는 각각 제어부(3100)에 연결되어 제어부(3100)에 의해 동작이 제어될 수 있다.
제1연결부(6200)는 배터리의 단자에 연결되어 교류 임피던스 분석기(3300)가 배터리의 교류 임피던스를 검출할 수 있도록 구성될 수 있다. 또한, 배터리 진단 장치(3000)의 다른 구성들 역시 제1연결부(6200)를 통해 배터리의 단자 또는 몸체에 연결함으로써, 배터리의 전압 및 저항 등을 측정할 수 있다. 제1연결부(6200)는 배터리 진단 장치(3000)의 구성들 각각을 배터리의 단자 또는 몸체에 연결하기 위해, 배터리 진단 장치(3000)의 구성들과 각각 대응하는 회로를 포함할 수 있다. 회로는, 전기적 신호를 연결 또는 단락하기 위한 스위치를 포함할 수 있다. 배터리 진단 장치(3000)의 구성들 각각은, 제1연결부(6200)를 통해 배터리의 단자 또는 몸체에 필요에 따라 개별적으로 연결 또는 단락될 수 있다.
제2연결부(6400)는 배터리 관리시스템(BMS)에 연결될 수 있다. 제2연결부(6400)는 배터리 관리시스템(BMS)과 전원 공급기(5200) 사이를 연결함으로써, 전원 공급기(5200)의 전원이 배터리 관리시스템(BMS)으로 공급되도록 구성될 수 있다. 또한, 제2연결부(6400)는 배터리 관리시스템 및 BMS 통신부(미도시)를 연결하여 상호간의 데이터가 이동하기 위한 통신 회로로서 구성될 수 있다.
도7은 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 블록도를 나타낸다.
도7을 참조하면, 배터리 진단 장치(3000)는 배터리 인터페이스(7200)를 더 포함할 수 있다.
배터리 인터페이스(7200)는 배터리 단자와 연결되어 배터리의 온도 및 전압을 측정할 수 있다. 배터리 인터페이스(7200)는 배터리 관리시스템(BMS)이 고장 등에 의해 작동하지 않는 경우 배터리의 전압 및 온도를 측정하는 기능을 수행할 수 있다. 배터리 인터페이스(7200)는 배터리의 단자에 연결될 수 있으며, 제어부(3100) 및 교류 임피던스 분석기(3300)에 연결되어, 제어부(3100) 및 교류 임피던스 분석기(3300)가 배터리와 연결되도록 중계자로서의 역할을 수행할 수 있다.
도8은 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 블록도이다.
도8을 참조하면, 배터리 진단 장치(3000)는 전압 측정기(8200)와 절연 저항기(8400)를 더 포함할 수 있다.
전압 측정기(8200)는 제1연결부(6200) 및 배터리와의 연결관계를 확인하고, 배터리가 MSD(Manual Service Disconnect)로부터 분리 여부를 확인하기 위해 연결회로의 전압을 측정할 수 있다. MSD는 점검 또는 관리 시 사용자의 감전 사고를 방지하기 위해 배터리를 전기적 연결을 차단하는 기능을 하는 것이다. 전압 측정기(8200)는 배터리의 단자에 연결되어 배터리의 전압을 측정함으로써 배터리가 MSD로부터 안정적으로 분리되었는지 여부를 판단할 수 있어 배터리 진단 시 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 배터리 진단 장치(3000)의 다른 구성들이 제1연결부(6200)를 통해 배터리와 연결될 수 있으므로, 전압 측정기(8200)는 배터리 진단 장치(3000)의 다른 구성들 및 배터리가 정상적으로 연결되어 있는지 여부를 확인할 수 있다.
절연 저항기(8400)는 배터리의 절연 저항을 측정할 수 있다. 절연 저항기(8400)는 배터리의 (+)단자 또는 (-)단자 중 어느 하나, 및 배터리의 몸체에 연결되어 배터리의 절연 저항을 측정할 수 있다. 이를 통해 배터리의 몸체가 절연되어 있는지 여부를 확인할 수 있기 때문에 사용자가 배터리의 몸체에 흐르는 전류에 의해 감전되는 사고가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 절연 저항기(8400)는 배터리 몸체의 저항을 측정할 수 있는 소자 또는 장치이면 특별히 제한되지 않는다.
도9는 일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치의 블록도를 나타낸다.
도9를 참조하면, 배터리 진단 장치(3000)는 BMS 통신부(9200)를 더 포함할 수 있다. BMS 통신부(9200)는 배터리의 배터리 관리시스템(BMS)과 통신을 수행할 수 있다. BMS 통신부(9200)는 배터리 관리시스템(BMS)으로부터 배터리에 관한 정보를 수신할 수 있다. 일반적으로 자동차용 배터리의 경우 CAN(Controller Area Network)을 이용하여 제어용 실시간 네트워크 통신을 수행한다. 따라서, BMS 통신부(9200)는 배터리의 CAN 통신망에 대응하는 CAN 통신 부재를 포함할 수 있다. 또한, BMS 통신부(9200)는 배터리의 CAN 통신망 및 BMS 통신부(9200)의 CAN 통신부재와의 네트워크 연결을 위해 블루투스 통신 부재를 더 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, BMS 통신부(9200)의 동작 제어는 제어부(3100)에 의해 수행될 수 있으며, 교류 임피던스 분석기(3300)를 제어하는 제어부(3100)와 물리적으로 구별되는 별도의 제어부에 의해 제어될 수도 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치(3000)는 배터리로부터 배터리의 고유 정보(또는, 식별 정보)를 수신하는 정보수신부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 정보수신부는 진단부(3200)에 포함되어, 배터리의 외부에 표시되어 있는 바코드 등의 정보를 인식하여 배터리의 일련번호 등의 데이터를 인식하도록 구성될 수 있다. 일 실시 예에서, 정보수신부는 배터리 상에 표시된 바코드 정보를 읽는 바코드 리더기일 수 있다. 배터리 진단 장치(3000)는 정보수신부를 통해 배터리의 정보(배터리 아이디, 적용 차량 모델명, 용량, 배터리 셀의 수, 전압 등)를 확인할 수 있으며, 배터리의 정보에 기반하여 배터리를 진단할 수 있다. 예를 들어, 진단부(3200)는 정보수신부를 통해 수신한 배터리 정보에 대응하는 기준 데이터와 교류 임피던스 분석기(3300)로부터 수신되는 데이터를 비교함으로써 배터리의 상태를 진단할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 배터리 진단 장치(3000)는 정보수신부를 통해 확인된 배터리의 정보를 디스플레이 장치(미도시)에 표시하여 사용자가 확인하도록 할 수 있다. 사용자는 배터리 진단 장치(3000)에 표시된 배터리 정보가 진단 대상 배터리에 대응하는 것인지를 확인함으로써, 진단 명령 및 배터리 불일치에 따른 안전 사고 및 진단 오류를 방지할 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 진단 장치(3000)는 배터리 진단 장치(3000)에 전원을 공급하는 보조 전원부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 보조 전원부는 사용자가 외부의 전원의 공급이 어려운 장소에서 배터리 진단 장치(3000)를 작동하는 경우 교류 임피던스 분석기(3300) 등의 구성에 전원을 공급하는 역할을 수행할 수 있다. 보조 전원부는 배터리, AC 인버터 및 DC 컨버터를 포함할 수 있으나, 특별히 한정되지 않는다.
이하, 배터리 진단 장치(3000)를 이용하여 배터리를 진단하는 방법을 설명한다.
일 실시 예를 따른 배터리를 진단하는 방법은, 배터리 진단 장치(3000)를 배터리에 연결하는 단계, 배터리 진단 장치(3000)의 교류 임피던스 분석기(3300)를 이용하여 배터리의 교류 임피던스를 검출하고, 검출된 교류 임피던스에 기초하여 진단부(3200)가 배터리의 상태를 진단하는 단계, 및 배터리 진단을 종료하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 배터리 진단 장치(3000)를 배터리에 연결하는 단계 이전에, 정보 수신부를 이용하여 배터리의 정보를 읽는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 배터리를 진단하는 단계 이전에 배터리를 초기 점검하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 배터리 진단을 종료하는 단계 이전에 배터리를 후기 점검하는 단계를 더 포함할 수 있다.
정보 수신부를 이용하여 배터리의 정보를 읽는 단계에서, 배터리 정보는 배터리를 식별하기 위한 일련번호일 수 있으며, 일련 번호에 대한 정보는 진단부(3200)로 전달될 수 있다. 배터리 진단 장치(3000)는 배터리의 식별 정보에 대응하는 정보(배터리 아이디, 적용 차량 모델명 등)를 제어부(3100) 또는 별도의 저장장치에 저장할 수 있고 표시 장치에 표시하여 사용자가 이를 확인할 수 있도록 할 수 있다. 사용자는 배터리에 표시된 정보와 표시된 정보를 비교하여 정보가 일치하는 지 여부를 판단할 수 있다. 만일, 정보가 일치하지 않는 경우에는, 사용자는 배터리 진단을 수행하지 않고 불일치 원인을 찾음으로써 안전사고를 방지할 수 있다.
배터리 진단 장치(3000)를 배터리에 연결하는 단계에서 전원 공급기(5200)는 배터리 관리시스템(BMS)에 연결되고, 교류 임피던스 분석기(3300)는 배터리의 단자에 연결될 수 있다. 또한, 절연 저항기(8400)는 배터리의 (+)단자 및 (-)단자 중 하나 및 배터리 몸체에 연결될 수 있다. 또한, 전압 측정기(8200)는 배터리의 단자에 연결될 수 있다.
배터리를 초기 점검하는 단계는 배터리를 진단하기에 앞서 배터리가 MSD와 분리되어 있는 지 여부 및 배터리 진단 장치(3000)의 각 구성이 배터리와 제대로 연결되어 있는지 여부를 점검하는 단계이다. 본 단계는 MDS 분리 여부를 확인하는 단계 및 배터리 진단 장치(3000) 연결 상태를 확인하는 단계를 포함할 수 있다. MDS 분리 여부를 확인하는 단계를 수행하기 위해 절연 저항기(8400) 및 전압 측정기(8200)만을 배터리의 단자 및 몸체에 연결하여 저항 및 전압을 측정하도록 구성할 수 있다. 다음으로, 교류 임피던스 분석기(3300), 전원 공급기(5200), BMS 통신부(9200) 및 배터리 인터페이스(7200)를 연결하여 배터리 진단 장치(3000) 연결 상태를 확인하는 단계를 수행하도록 할 수 있다.
MDS 분리 여부를 확인하는 단계는 절연 저항기(8400) 및 전압 측정기(8200)의 측정 값을 점검함으로써 수행될 수 있다. 배터리 진단 장치(3000)는 절연 저항기(8400) 및 전압 측정기(8200)로부터 획득된 측정 값에 기초하여, 배터리 진단을 수행할지 여부를 판단할 수 있다. 초기 점검 결과 이상이 없는 경우에는 다음 단계를 수행한다. 만일 초기 점검 결과 이상이 있는 것으로 판단된 경우에는 이상 원인을 제거한 후 해당하는 단계를 반복 수행할 수 있다. 이를 통해 감전 등의 안전사고를 방지할 수 있으며 정확한 배터리 진단을 수행할 수 있다.
배터리를 진단하는 단계는 교류 임피던스 분석기(3300)를 이용하여 배터리의 교류 임피던스를 검출하는 단계 및 검출된 데이터에 기초하여 배터리의 상태를 진단하는 단계를 포함할 수 있다. 본 단계에서 교류 임피던스 분석기(3300)는 기준 주파수 또는 기준 주파수 범위에서의 저항(R), 인덕터(L), 및 커패시터(C) 중 적어도 하나를 측정하여 배터리 교류 임피던스를 검출할 수 있다. 이와 같이, 배터리 진단 장치(3000)는 측정된 데이터를 이용하여 등가회로를 구성함으로써 배터리 교류 임피던스를 검출할 수 있다. 교류 임피던스 분석기(3300)에서 측정 및 검출된 데이터는 진단부(3200)로 전달될 수 있다. 진단부(3200)는 수신된 데이터를 기초로 연산을 수행하여, 배터리의 SoC, SoH, SoB, 및 SoH 등과 같은 배터리 상태 정보를 결정하고 배터리 등급을 결정할 수 있다.
배터리를 후기 점검하는 단계는 배터리 진단 장치(3000)를 배터리로부터 정상적으로 분리하고 배터리 진단을 안정적으로 종료하기 위한 단계이다. 본 단계는 배터리 진단 장치(3000)의 각 구성의 정상 여부를 점검하는 단계, 배터리 진단 장치(3000) 및 배터리의 정상 분리 여부를 점검하는 단계, 및 배터리를 배터리 진단 장치(3000)로부터 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
배터리 진단 장치(3000)의 각 구성의 정상 여부를 점검하는 단계에서, 배터리 진단 장치(3000)는 교류 임피던스 분석기(3300)를 이용하여 전압, 온도 및 저항을 측정하고 측정된 값에 기초하여 각 구성들이 정상 상태인지 여부를 판단할 수 있다.
다음으로, 배터리 진단 장치(3000) 및 배터리의 정상 분리 여부를 점검하는 단계에서, 배터리 진단 장치(3000)는 절연 저항기(8400), 전압 측정기(8200), BMS 통신부(9200), 및 전원 공급기(5200)로부터 획득된 측정 값을 기초로 배터리 진단 장치(3000)의 각 구성의 연결 관계의 정상 여부를 판단할 수 있다.
다음으로, 배터리의 단자, 몸체 및 배터리 관리시스템으로부터 배터리 진단 장치(3000)를 분리할 수 있다.
배터리 진단을 종료하는 단계는, 최종 진단 결과를 표시 장치에 표시하거나 제어부(3100) 또는 별도의 저장장치에 저장함으로써 수행될 수 있다. 진단부(3200)는 배터리의 사용 이력, 진단 이력 및 동종 모델의 경향성 등의 데이터를 기초로 배터리의 상태를 진단하고, 진단 결과에 따라 배터리의 등급 및 과금 정보를 산출하고 저장할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구 범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구 범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 배터리와 연결되는 배터리 진단 장치에 있어서,
    상기 배터리를 충전 또는 방전하기 위한 충방전기;
    상기 배터리의 온도를 고려하여 교류 임피던스를 측정하기 위한 교류 임피던스 분석기;
    상기 충방전기 또는 상기 교류 임피던스 분석기의 동작을 제어하기 위한 제어부;
    상기 제어부 및 상기 충방전기에 연결되고, 상기 제어부에 의하여 제어되는 상기 충방전기가 상기 배터리를 충전 또는 방전시키기 위한 회로를 포함하는 제1연결부;
    상기 배터리의 용량, 직류 저항, 및 교류 임피던스 중 적어도 하나에 기초하여 상기 배터리의 상태를 진단하기 위한 진단부;
    외부의 전원을 상기 배터리의 배터리 관리 시스템에서 요구하는 전압 및 전류로 변환하여 상기 배터리 관리 시스템에 전원을 공급하기 위한 전원 공급기; 및
    상기 제어부 및 상기 전원 공급기에 연결되고, 상기 제어부의 제어 하에, 상기 전원 공급기가 상기 배터리 관리 시스템에 전원을 공급하기 위한 회로인 제2연결부를 포함하고,
    상기 진단부는,
    상기 배터리의 식별 정보를 수신하고,
    상기 충방전기 또는 교류 임피던스 분석기로부터 수신되는 데이터에 연산을 수행하고, 상기 배터리의 식별 정보에 대응하는 기준 데이터와 대비하여 상기 배터리의 SoC(State of Charge), SoH(State of Health), SoP(State of Power), 및 상기 배터리의 SoB(State of Balance) 중 적어도 하나를 결정하는 배터리 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충방전기는, 상기 배터리의 온도를 측정하기 위한 온도 측정기를 포함하는 배터리 진단 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 교류 임피던스 분석기는, 기준 주파수 또는 기준 주파수 범위에서의 저항, 인덕터, 및 커패시터 중 적어도 하나를 측정하고,
    상기 측정된 상기 저항, 상기 인덕터, 및 상기 커패시터에 대응되는 등가회로를 구성함으로써 상기 교류 임피던스를 측정하는 배터리 진단 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 교류 임피던스 분석기는, 상기 배터리의 온도를 측정하는 온도 측정기를 포함하는 배터리 진단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 진단부는, 상기 식별 정보에 대응하는 기준 데이터와 상기 교류 임피던스 분석기로부터 수신되는 데이터를 비교함으로써 상기 배터리의 상태를 진단하는 배터리 진단 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 용량 및 상기 직류 저항을 측정하도록 상기 충방전기를 제어하는 배터리 진단 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부 및 상기 배터리의 단자와 연결되고, 상기 배터리의 온도 및 전압을 측정하기 위한 배터리 인터페이스를 더 포함하는 배터리 진단 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 충방전기, 상기 제1연결부, 및 MSD 중 적어도 하나와 상기 배터리와의 연결 여부를 확인하기 위해 연결 회로의 전압을 측정하기 위한 전압측정기를 더 포함하는 배터리 진단 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 외관 또는 배터리의 전해액 누수 여부를 검사하기 위한 제 2 진단부를 더 포함하는 배터리 진단 장치
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