KR20210026102A - 배터리 수명 예측 장치 및 그것의 동작 방법 - Google Patents

배터리 수명 예측 장치 및 그것의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 수명 예측 장치는, 배터리에 연결된 벅-부스트 컨버터 회로, 및 상기 벅-부스트 컨버터 회로를 제어함으로써 상기 배터리의 임피던스를 측정하고, 상기 측정된 임피던스와 기준 임피던스를 비교함으로써 상기 배터리의 수명을 예측하는 제어 로직을 포함하고, 상기 제어 로직은, 상기 벅-부스트 컨버터 회로의 부스트 컨버터 기능에 의해 상기 배터리를 방전하고, 상기 벅-부스트 컨버터 회로의 벅 컨버터 기능에 의해 상기 배터리를 충전하면서 상기 배터리의 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 수명 예측 장치 및 그것의 동작 방법{APPARATUS FOR PREDICTING BATTERY LIFETIME AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 배터리 수명 예측 장치 및 그것의 동작 방법에 관한 것이다.
배터리는 모바일 기기 및 전기자동차 등의 전력원으로 사용되는데, 최적의 배터리 운용을 위해서는 배터리 상태를 정확히 추정하는 것이 중요하다. 예를 들어, 배터리의 SOC(State Of Charge) 또는 SOH(State Of Health)의 정확한 추정은 배터리의 사용 가능 영역을 확장시키고, 배터리의 안정적인 사용을 가능하게 하여 배터리 수명 성능을 개선시킬 수 있다. 또한, 배터리의 상태가 부정확하게 추정된다면 배터리의 충방전 시 과충전 또는 과방전이 발생할 수 있다. 동력으로 이용하는 배터리의 상태를 확인하는 것은 중요하다. 2차 전지인 배터리를 이용할수록 배터리의 수명은 줄어들고, 배터리의 수명이 줄어듦에 따라 배터리의 초기 커패시티(Capacity)가 보전되지 못하고 점차 감소될 수 있다. 배터리의 커패시티가 지속적으로 감소되어 운전자가 원하는 출력, 운용 시간 및 안전성을 제공하지 못하게 된다. 배터리의 교체 시점을 결정하기 위해 배터리의 수명, 즉 노화 정도를 판단하는 것은 중요하다.
등록특허 10-1516419, 등록일: 2015년 4월 22일, 제목: 연료전지용 전력변환장치 및 그 제어 방법. 일본등록특허: 10-1815306, 공개일: 2010년 8월 12일, 제목: 배터리의 내부 저항 성분 측정 방법 및 충전 용량 추정 방법.
본 발명의 목적은 간단하게 배터리의 수명을 예측하는 배터리 수명 예측 장치 및 그것의 동작 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 손실없이 충방전 전류를 발생시켜서 배터리 소모를 최소화하면서도 간단하게 배터리의 수명 예측을 위한 임피던스를 측정하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 수명 예측 장치는, 배터리에 연결된 벅-부스트 컨버터 회로; 및 상기 벅-부스트 컨버터 회로를 제어함으로써 상기 배터리의 임피던스를 측정하고, 상기 측정된 임피던스와 기준 임피던스를 비교함으로써 상기 배터리의 수명을 예측하는 제어 로직을 포함하고, 상기 제어 로직은, 상기 벅-부스트 컨버터 회로의 부스트 컨버터 기능에 의해 상기 배터리를 방전하고, 상기 벅-부스트 컨버터 회로의 벅 컨버터 기능에 의해 상기 배터리를 충전하면서 상기 배터리의 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제어 로직은 상기 벅-부스트 컨버터 회로의 교류 전류와 교류 전압을 측정하고, 상기 교류 전류와 상기 교류 전압을 이용하여 상기 임피던스를 계산하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 벅-부스트 컨버터 회로는, 상기 배터리의 음전압단에 대응하는 제 1 노드에 연결된 일단을 갖는 저항; 상기 배터리의 양전압단에 대응하는 제 2 노드와 제 3 노드 사이에 연결된 리액터; 상기 저항의 타단과 상기 제 2 노드 사이에 연결된 제 1 커패시터; 상기 제 1 노드에 연결된 제 2 커패시터; 상기 제 3 노드에 연결된 소스, 상기 제 2 커패시터에 연결된 드레인, 및 제 1 게이트 신호를 수신하는 게이트를 갖는 제 1 트랜지스터; 및 상기 제 1 노드에 연결된 소스, 상기 제 3 노드에 연결된 드레인, 및 제 2 게이트 신호를 수신하는 게이트를 갖는 제 2 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제 1 게이트 신호 및 상기 제 2 게이트 신호는 듀티비(Duty Ratio) 50%로 서로 교번하는 신호들인 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제 2 커패시터는 상기 배터리의 전압의 2배에 대응하는 전압을 충전하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제어 로직은 상기 저항과 상기 제 1 커패시터 사이의 전압을 교류 전압으로 감지하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제어 로직은 상기 리액터에 흐르는 전류를 교류 전류로 감지하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제어 로직은 상기 교류 전압 및 상기 교류 전압을 아날로그 디지털 변환기를 통하여 디지털 값들로 변환하고, 상기 변환된 값들을 이용하여 상기 임피던스를 계산하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제어 로직은 상기 기준 임피던스를 저장하는 기준 임피던스 저장기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제어 로직은 상기 제 1 및 제 2 게이트 신호들의 한 주기 동안에 여러 번 샘플링 함으로써 교류 전압들 및 교류 전류들을 검출하고, 상기 검출된 교류 전압들의 평균값과 상기 검출된 교류 전류들의 평균값을 계산하고, 상기 교류 전압 평균값과 상기 교류 전류 평균값을 이용하여 상기 임피던스를 계산하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제어 로직은 배터리 수명 예측이 필요할 때 상기 제 1 및 제 2 게이트 신호들을 발생하는 게이트 신호 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 수명 예측 장치의 동작 방법은, 배터리에 연결된 벅-부스트 컨버터 회로에서 교류 전압 및 교류 전류를 감지하는 단계; 상기 교류 전압 및 상기 교류 전류를 이용하여 임피던스를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 임피던스와 기준 임피던스를 비교함으로써 상기 배터리의 노화 정도를 계산하는 단계를 포함하고, 상기 벅-부스트 컨버터 회로의 부스트 컨버터 기능에 의해 상기 배터리가 방전되고, 상기 벅-부스트 컨버터 회로의 벅 컨버터 기능에 의해 상기 배터리를 충전되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 벅-부스트 컨버터 회로는 적어도 하나의 트랜지스터의 스위칭 교번 동작에 의해 상기 교류 전압 및 상기 교류 전류를 발생하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 교류 전압 및 상기 교류 전류를 감지하는 단계는, 상기 스위칭 교번 동작의 한 주기에서 여러 번 샘플링하여 교류 전압들 및 교류 전류들을 감지하는 단계; 및 상기 교류 전압들 및 상기 교류 전류들의 각각의 평균값을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 임피던스를 계산하는 단계는, 상기 교류 전압들의 평균값과 상기 교류 전압들의 평균값을 이용하여 상기 임피던스를 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 수명 예측 장치 및 그것의 동작 방법은, 손실없이 충방전 전류를 발생시켜서 간단하게 임피던스를 측정함으로써 배터리의 수명을 예측할 수 있다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 실시 예에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 실시예의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 수명 예측 장치(100)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 수명 예측 장치(100)에서 제 1 및 제 2 게이트 신호들(G1 및 G2)의 교번으로 스위칭함으로써 부스트 컨버터 특성이 나타날 때, 리액터(L)에 흐르는 교류 전류를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 제어 로직(120)을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 교류 전압(Vac)을 샘플링하는 방법을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 수명 예측 장치(100)의 동작 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 시스템을 포함하는 기기를 설명하기 위한 도면이다.
아래에서는 도면들을 이용하여 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 내용을 명확하고 상세하게 기재할 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 혹은 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 혹은 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 혹은 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 혹은 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 혹은 이들을 조합한 것들의 존재 혹은 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 수명 예측 장치(100)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 배터리 수명 예측 장치(100)는 벅-부스트 컨버터 회로(110) 및 제어 로직(120)을 포함할 수 있다.
벅-부스트 컨버터 회로(110)는 제어 로직(120)의 제어에 따라 부스트 컨버터 기능 혹은 벅 컨버터 기능을 수행할 수 있다. 실시 예에 있어서, 부스트 컨버터 기능에 따라 배터리(200)가 방전되고, 벅 컨버터 기능에 따라 배터리(200)가 충전될 수 있다. 부스트 컨버터 기능에 따라 배터리(200)가 방전될 때 제 2 커패시터(C2)는 충전될 수 있고, 벅 컨버터 기능에 따라 배터리(200)가 충전될 때 제 2 커패시터(C2)는 방전될 수 있다. 이 때, 충방전 전류는 손실 없이 발생될 수 있다.
벅-부스트 컨버터 회로(110)는 저항(R), 리액터(L), 제 1 커패시터(C1), 제 2 커패시터(C2), 제 1 트랜지스터(TR1) 및 제 2 트랜지스터(TR2)를 포함할 수 있다.
저항(R)은 배터리(200)의 음전압단에 대응하는 제 1 노드(N1)에 연결된 일단을 가질 수 있다. 리액터(L)은 배터리(200)의 양전압단에 대응하는 제 2 노드(N2)와 제 3 노드(N3) 사이에 연결될 수 있다.
제 1 커패시터(C1)는 제 2 노드(N2)와 저항(R)의 타단 사이에 연결될 수 있다. 한편, 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 직렬 연결된 저항(R)과 제 1 커패시터(C1)는, 도 1에 도시된 연결 순서와 다르게 배치될 수도 있다. 예를 들어, 저항(R)는 제 2 노드(N2)에 연결되고, 제 1 커패시터(C1)는 제 1 노드(N1)에 연결될 수 있다. 제 2 커패시터(C2)는 제 1 트랜지스터(TR1)의 드레인과 제 2 트랜지스터(TR2)의 소스 사이에 연결될 수 있다.
제 1 트랜지스터(TR1)는 제 3 노드(N3)에 연결된 소스와 제 1 게이트 신호(G1)을 수신하는 게이트를 포함할 수 있다. 제 2 트랜지스터(TR2)는 제 3 노드(N3)에 연결된 드레인과 제 2 게이트 신호(G2)을 수신하는 게이트를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 제 1 및 제 2 트랜지스터들(TR1 및 TR2)의 각각은 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)일 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 트랜지스터들(TR1 및 TR2)의 각각은 N 채널 MOSFET일 수 있다. 한편, 본 발명의 제 1 및 제 2 트랜지스터들(TR1 및 TR2)이 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다. 본 발명의 제 1 및 제 2 트랜지스터들(TR1 및 TR2)는IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT), BJT(Bipolar Junction Transistor), 및 SiC(Silicon Carbide) 트랜지스터 등과 같은 전력 반도체로 구현될 수도 있다.
제어 로직(120)은 벅-부스트 컨버터 회로(110)를 제어함으로써 배터리 임피던스(ZB)를 측정하고, 측정된 배터리 임피던스(ZB)를 이용하여 배터리(200)의 수명을 예측하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 제어 로직(120)은 벅-부스트 컨버터 회로(110)의 부스트 컨버터 기능에 의해 배터리(200)를 방전하고, 벅-부스트 컨버터 회로(110)의 벅 컨버터 기능에 의해 배터리(200)를 충전하면서, 배터리 임피던스(ZB)를 실시간으로 측정하고, 측정된 임피던스(ZB)와 기준 임피던스를 비교함으로써 배터리(200)의 수명을 예측할 수 있다.
구체적으로, 배터리 수명 예측 장치(100)의 동작은 다음과 같이 진행될 수 있다. 제 1 게이트 신호(G1)과 제 2 게이트 신호(G2)에 응답하여 제 1 및 제 2 트랜지스터들(TR1, T2)을 온/오프시킴으로써 제 2 커패시터(C2)가 충전 혹은 방전될 수 있다. 이 때, 제 2 노드(N2)에 흐르는 교류 전류(Iac) 및 저항(R)과 제 1 커패시터(C1) 사이의 교류 전압(Vac)이 감지될 수 있다. 여기서 교류 전류(Iac)는 리액터(L)에 흐르는 전류(IL)이다. 감지된 교류 전류(Iac)과 교류 전압(Vac)을 이용하여 배터리(200)의 배터리 임피던스(ZB)이 계산될 수 있다. 계산된 배터리 임피던스(ZB)와 사전에 저장된 기준 임피던스를 비교함으로써 배터리(200)의 수명이 예측될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 수명 예측 장치(100)는 부스트 컨버터 기능에 의해 배터리를 방전하여 제 2 커패시터(C2)를 충전하고, 벅 컨버터 기능에 의해 배터리(200)를 충전할 수 있다.
한편, 제 1 및 제 2 게이트 신호들(G1 및 G2)의 듀티비(Duty Ratio) 50%로 교번으로 스위칭함으로써 부스트 컨버터 특성이 나타날 수 있다. 이때 제 2 커패시터(C2)의 전압은 배터리 전압(VBat)의 두 배(2VBat)가 될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 수명 예측 장치(100)는 간단한 구조의 벅-부스트 회로(110)의 교류 전류(Iac)과 교류 전압(Vac)을 측정함으로써, 배터리 임피던스(ZB)를 계산하고, 이에 따른 배터리 수명을 예측할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 수명 예측 장치(100)에서 제 1 및 제 2 게이트 신호들(G1 및 G2)의 교번으로 스위칭함으로써 부스트 컨버터 특성이 나타날 때, 리액터(L)에 흐르는 교류 전류를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 제 1 및 제 2 게이트 신호들(G1, G2)은 제 1 및 제 2 트랜지스터들(TR1 및 TR2)이 서로 교번하여 턴온시키도록 제 1 및 제 2 트랜지스터들(TR1 및 TR2)의 게이트들에 인가될 수 있다. 이에 따라, 리액터(L)에 흐르는 전류(IL)는 도 2에 도시된 바와 같이 교류 전류 형태로 출력될 수 있다.
한편, 교류 전류(Iac)는 리액터(L)에 흐르는 전류(IL)와 동일하다. 실시 예에 있어서, 교류 전류(Iac)는 CT(Current Trans), Hall CT, 및 Shunt 저항 등과 같은 전류 센싱 방식으로 검출될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 제어 로직(120)을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 제어 로직(120)은 게이트 신호 발생기(121), 교류 전류 검출기(122), 교류 전압 검출기(123), 임피던스 계산기(124), 기준 임피턴스 저장기(125), 및 배터리 수명 계산기(126)를 포함할 수 있다.
게이트 신호 발생기(121)는 배터리(200)의 수명 예측이 필요할 때 사전에 결정된 주기로 교번 동작하는 제 1 및 제 2 게이트 신호들(G1 및 G2)을 발생할 수 있다.
교류 전류 검출기(122)는 벅-부스트 컨버터 회로(110)의 리액터(L)에 흐르는 교류 전류(Iac)를 감지하도록 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, 감지된 교류 전류(Iac)는 아날로그 디지털 변환기에 의해 디지털 값으로 변환될 수 있다.
교류 전압 검출기(123)는 벅-부스트 컨버터 회로(110)의 저항(L)과 제 1 커패시터(C1) 사이의 교류 전압(Vac)을 감지하도록 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, 감지된 교류 전압(Vac)은 아날로그 디지털 변환기에 의해 디지털 값으로 변환될 수 있다.
임피던스 계산기(124)는 교류 전류 검출기(122) 및 교류 전압 검출기(123)로부터 출력된 디지털 값들을 수신하고, 배터리(200)의 임피던스(ZB)를 측정할 수 있다. 실시 예에 있어서, 임피던스의 측정은 한 주기 동안에 여러번 시행될 수 있다.
기준 임피던스 저장기(125)는 배터리(200)의 초기 임피던스 값을 저장하도록 구현될 수 있다.
배터리 수명 계산기(126)는 임피던스 계산기(124)로부터 계산된 임피던스와 기준 임피던스 저장기(125)의 저장된 임피던스를 비교함으로써 배터리(200)의 수명을 계산하도록 구현될 수 있다.
한편, 제어 로직(120)은 IC(Integrated Circuit)으로 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 교류 전압(Vac)을 샘플링하는 방법을 예시적으로 보여주는 도면이다.
실시 예에 있어서, 스위칭 동작에서 교류 전압(Vac)은 시정수(Time Constant)가 매우 큰 저항(R)과 제 1 커패시터(C1)를 이용할 수 있다. 시정수가 매우 크기 때문에, 즉 저항(R)과 제 1 커패시터(C1)가 매우 크다. 이에, 교류 전압(Vac)은 저항(R)의 양단에 나타날 것이다. 또한 배터리(200)의 직류 전압만이 제 1 커패시터(C1)의 전압을 형성할 것이다. 결론적으로 저항(R)의 양단 전압이 배터리 임피던스(ZB)에 대응하는 교류 전압(Vac)이 된다.
실시 예에 있어서, 교류 전압(Vac)과 교류 전류(Iac)는 아날로그 디지털 컨버터를 통해 1주기 동안에 수회 혹은 수십회에 걸쳐 샘플링함으로써 감지할 수 있다.
한편, 배터리(200)의 임피던스(ZB)는 리액터(LB)와 저항(RB)을 포함할 수 있다. 따라서, 교류 전압(Vac)은 배터리(200)의 리액터 성분 전압(VLB)과 배터리(200)의 저항 성분 전압(VRB)을 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 배터리(200)의 리액터 성분 전압(VLB)은 전류 상승시 전압 평균과 전류 하강시의 전압 평균의 차이로 나타날 수 있다. 이때, VLB : 2VBat = LB : L 을 만족하기 때문에, 배터리 리액터(LB)는 아래의 수학식을 만족한다.
Figure pat00001
실시 예에 있어서, 배터리(200)의 저항 성분 전압(VRB)은 교류 전압(Vac)에서 배터리 임피던스의 저항 성분(RB)에 의해 나타나는 전압이다. 저항 성분 전압(VRB)에서 교류 전류(Iac)의 진폭을 나누면, 저항 성분(RB)이 계산될 수 있다.
한편, 실제 교류 전압(Vac)의 센싱 동작은 미세 전압에서 high 임피던스 성분을 검출하는 것으로, 노이즈의 영향을 많이 받게 된다. 따라서 센싱 동작의 정확도를 높이기 위해서 샘플링 횟수를 증가시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 수명 예측 장치(100)의 동작 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 배터리 수명 예측 장치(100)의 동작은 다음과 같이 진행될 수 있다.
게이트 신호들(G1, G2)을 교번함으로써, 교류 전압(Vac)/교류 전류(Iac)가 감지될 수 있다. 이때 한 주기 동안에 여러번 이러한 샘플링이 수행될 수 있다(S110). 여러번 샘플링함으로써 감지된 교류 전압(Vac)/교류 전류(Iac)을 이용하여 배터리(200)의 평균적인 임피던스가 계산될 수 있다(S120). 계산된 평균 임피던스와 사전에 저장된 임피던스(기준 임피던스)를 비교함으로써 배터리의 노화 정도가 계산될 수 있다(S130).
실시 예에 있어서, 벅-부스트 컨버터 회로는 적어도 하나의 트랜지스터의 스위칭 교번 동작에 의해 교류 전압 및 교류 전류를 발생할 수 있다. 실시 예에 있어서, 교류 전압 및 교류 전류를 감지하는 것은, 스위칭 교번 동작의 한 주기에서 여러 번 샘플링하여 교류 전압들 및 교류 전류들을 감지하는 것과 교류 전압들 및 교류 전류들의 각각의 평균값을 계산하는 것을 더 포함할 수 있다. 실시 예에 있어서, 임피던스를 계산하는 것은, 교류 전압들의 평균값과 교류 전압들의 평균값을 이용하여 임피던스를 계산하는 것을 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(Arithmetic Logic Unit), 디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor), 마이크로컴퓨터, FPA(Field Programmable Array), PLU(Programmable Logic Unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(Instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS; Operating System) 및 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(Processing Element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(Parallel Processor)와 같은, 다른 처리 구성(Processing Configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(Computer Program), 코드(Code), 명령(Instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(Collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(Component), 물리적 장치, 가상 장치(Virtual Equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(Signal Wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(Embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 및 롬(ROM; Read Only Memory), 램(RAM; Random Access Memory), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 수명 예측 장치는 차량용 배터리의 배터리 관리 장치에 포함될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 시스템을 포함하는 기기를 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 참조하면, 배터리 시스템(1020)을 포함하는 기기(1010)는 배터리를 전력원으로 이용하는 자동차일 수 있다. 예를 들어, 자동차는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차일 수 있다.
배터리 시스템(1020)은 배터리 팩(1030) 및 배터리 관리 시스템(1040)을 포함할 수 있다. 배터리 팩(1030)은 복수의 배터리 모듈(1031, 1032, 및 1033)을 포함한다. 복수의 배터리 모듈(1031, 1032, 및 1033)의 각각은 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다.
배터리 관리 시스템(1040)은 상술된 배터리 수명 예측 장치(100)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 배터리 관리 시스템(1040)은 복수의 배터리 모듈(1031, 1032, 및 1033) 각각에 포함된 배터리 셀의 셀 데이터, 복수의 배터리 모듈(1031, 1032, 및 1033) 각각의 모듈 데이터, 및 배터리 팩(1030)의 팩 데이터 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 수집할 수 있다. 셀 데이터는 배터리 셀의 전압 데이터 등을 나타내고, 모듈 데이터는 복수의 배터리 모듈(1031, 1032, 및 1033) 각각의 전압 데이터 등을 나타내며, 팩 데이터는 배터리 팩(1030)의 전압 데이터 등을 나타낼 수 있다.
배터리 관리 시스템(1040)은 충전 중인 배터리 팩(1030)의 상태를 추정할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(1040)은 방전 중인 배터리 팩(1030)의 상태를 추정할 수 있다. 도시되지 않았으나, 배터리 관리 시스템(1040)은 추정된 상태를 사용자 단말로 전송할 수 있다. 사용자 단말의 디스플레이에는 배터리 팩(1030)의 추정된 상태가 시각적으로 출력될 수 있다.
한편, 배터리의 상태는 차량의 계기판에 출력될 수 있다. 배터리 관리 시스템은 기기가 주행 중인 경우에도 상태를 추정할 수 있다. 배터리 관리 시스템은 상태에 대한 정보를 ECU(Electronic Control Unit)에 전송할 수 있고, ECU는 계기판에 상태를 출력할 수 있다. 또한, ECU는 기기 내의 다른 디스플레이에 상태를 출력할 수 있다. 또한, 시각적 피드백뿐 아니라 "배터리 수명이 얼마 남지 않았다"는 알림음 등의 청각적 피드백이 출력될 수 있다.
한편, 상술 된 본 발명의 내용은 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들에 불과하다. 본 발명은 구체적이고 실제로 이용할 수 있는 수단 자체뿐 아니라, 장차 기술로 활용할 수 있는 추상적이고 개념적인 아이디어인 기술적 사상을 포함할 것이다.
100: 배터리 수명 예측 장치
110: 벅-부스트 컨버터 회로
120: 제어 로직
121: 게이트 신호 발생기
122: 교류 전류 검출기
123: 교류 전압 검출기
124: 임피던스 계산기
125: 기준 임피던스 저장기
126: 배터리 수명 계산기

Claims (15)

  1. 배터리에 연결된 벅-부스트 컨버터 회로; 및
    상기 벅-부스트 컨버터 회로를 제어함으로써 상기 배터리의 임피던스를 측정하고, 상기 측정된 임피던스와 기준 임피던스를 비교함으로써 상기 배터리의 수명을 예측하는 제어 로직을 포함하고,
    상기 제어 로직은, 상기 벅-부스트 컨버터 회로의 부스트 컨버터 기능에 의해 상기 배터리를 방전하여 제2 커패시터를 충전하고, 상기 벅-부스트 컨버터 회로의 벅 컨버터 기능에 의해 상기 제2 커패시터로부터 상기 배터리를 충전하면서 손실없이 충방전 전류를 발생시켜서 상기 배터리의 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 로직은 상기 벅-부스트 컨버터 회로의 교류 전류와 교류 전압을 측정하고, 상기 교류 전류와 상기 교류 전압을 이용하여 상기 임피던스를 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 벅-부스트 컨버터 회로는,
    상기 배터리의 음전압단에 대응하는 제 1 노드에 연결된 일단을 갖는 저항;
    상기 배터리의 양전압단에 대응하는 제 2 노드와 제 3 노드 사이에 연결된 리액터;
    상기 저항의 타단과 상기 제 2 노드 사이에 연결된 제 1 커패시터;
    상기 제 1 노드에 연결된 상기 제 2 커패시터;
    상기 제 3 노드에 연결된 소스, 상기 제 2 커패시터에 연결된 드레인, 및 제 1 게이트 신호를 수신하는 게이트를 갖는 제 1 트랜지스터; 및
    상기 제 1 노드에 연결된 소스, 상기 제 3 노드에 연결된 드레인, 및 제 2 게이트 신호를 수신하는 게이트를 갖는 제 2 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 게이트 신호 및 상기 제 2 게이트 신호는 서로 교번하는 신호들인 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 커패시터는 상기 배터리의 전압의 2배에 대응하는 전압을 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어 로직은 상기 저항과 상기 제 1 커패시터 사이의 전압을 교류 전압으로 감지하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어 로직은 상기 리액터에 흐르는 전류를 교류 전류로 감지하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 로직은 상기 교류 전압 및 상기 교류 전압을 아날로그 디지털 변환기를 통하여 디지털 값들로 변환하고, 상기 변환된 값들을 이용하여 상기 임피던스를 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 로직은 상기 기준 임피던스를 저장하는 기준 임피던스 저장기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 로직은 상기 제 1 및 제 2 게이트 신호들의 한 주기 동안에 여러 번 샘플링 함으로써 교류 전압들 및 교류 전류들을 검출하고, 상기 검출된 교류 전압들의 평균값과 상기 검출된 교류 전류들의 평균값을 계산하고, 상기 교류 전압 평균값과 상기 교류 전류 평균값을 이용하여 상기 임피던스를 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어 로직은 배터리 수명 예측이 필요할 때 상기 제 1 및 제 2 게이트 신호들을 발생하는 게이트 신호 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 예측 장치.
  12. 배터리 수명 예측 장치의 동작 방법에 있어서,
    배터리에 연결된 벅-부스트 컨버터 회로에서 교류 전압 및 교류 전류를 감지하는 단계;
    상기 교류 전압 및 상기 교류 전류를 이용하여 임피던스를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 임피던스와 기준 임피던스를 비교함으로써 상기 배터리의 노화 정도를 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 벅-부스트 컨버터 회로의 부스트 컨버터 기능에 의해 상기 배터리가 방전되고, 상기 벅-부스트 컨버터 회로의 벅 컨버터 기능에 의해 상기 배터리를 충전되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 벅-부스트 컨버터 회로는 적어도 하나의 트랜지스터의 스위칭 교번 동작에 의해 상기 교류 전압 및 상기 교류 전류를 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 교류 전압 및 상기 교류 전류를 감지하는 단계는,
    상기 스위칭 교번 동작의 한 주기에서 여러 번 샘플링하여 교류 전압들 및 교류 전류들을 감지하는 단계; 및
    상기 교류 전압들 및 상기 교류 전류들의 각각의 평균값을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 임피던스를 계산하는 단계는,
    상기 교류 전압들의 평균값과 상기 교류 전압들의 평균값을 이용하여 상기 임피던스를 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023129410A1 (en) * 2021-12-28 2023-07-06 Texas Instruments Incorporated Voltage converter with average input current control and input-to-output isolation

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101516419B1 (ko) 2013-11-14 2015-05-04 숭실대학교산학협력단 연료전지용 전력변환장치 및 그 제어방법
KR101815306B1 (ko) 2016-03-08 2018-01-04 주식회사 홀로랩 렌티큘러렌즈가 부착된 두 개의 디스플레이 패널을 통한 3차원 영상 출력방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101516419B1 (ko) 2013-11-14 2015-05-04 숭실대학교산학협력단 연료전지용 전력변환장치 및 그 제어방법
KR101815306B1 (ko) 2016-03-08 2018-01-04 주식회사 홀로랩 렌티큘러렌즈가 부착된 두 개의 디스플레이 패널을 통한 3차원 영상 출력방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023129410A1 (en) * 2021-12-28 2023-07-06 Texas Instruments Incorporated Voltage converter with average input current control and input-to-output isolation
US11881770B2 (en) 2021-12-28 2024-01-23 Texas Instruments Incorporated Voltage converter with average input current control and input-to-output isolation

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