KR20220039484A - 배터리 저항 산출 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 저항 산출 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치는 배터리 팩의 (+) 단자 및 (-) 단자 중 하나의 단자와, 샤시 사이에 연결되는 측정 회로, 상기 측정 회로로부터 전압을 측정하는 전압 측정부 및 상기 전압 측정부에서 측정된 전압에 기초하여 상기 배터리 팩의 절연 저항을 산출하는 절연 저항 산출부를 포함하고, 상기 절연 저항 산출부는 산출된 절연 저항이 미리 설정된 임계치 미만인 경우, 상기 배터리 팩의 시간에 따른 전압 변화량에 기초하여 상기 절연 저항을 재산출할 수 있다.

Description

배터리 저항 산출 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CALCULATING RESISTOR}
본 발명은 배터리의 절연 저항을 산출하기 위한 배터리 저항 산출 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
최근 이차 전지에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 여기서 이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등과 최근의 리튬 이온 전지를 모두 포함하는 의미이다. 이차 전지 중 리튬 이온 전지는 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다, 또한, 리튬 이온 전지는 소형, 경량으로 제작할 수 있어서, 이동 기기의 전원으로 사용된다. 또한, 리튬 이온 전지는 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
또한, 이차 전지는 일반적으로 복수 개의 배터리 셀들이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩으로 이용된다. 그리고 배터리 팩은 배터리 관리 시스템에 의하여 상태 및 동작이 관리 및 제어된다.
특히, 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS), 전기 차량 등에 사용되는 고전압 배터리 팩은 배터리 팩의 방전이나 사용자의 감전 등을 방지하기 위해 배터리 팩과 샤시 간에 일정 수준 이상의 절연이 유지되어야 한다. 따라서, 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)에서는 절연 저항 측정 회로를 통해 배터리 팩과 샤시 간의 절연 저항 측정 기능을 수행한다.
기존에는 절연 저항을 측정하기 위해 배터리 팩의 양극(+, -)과 샤시 사이에 측정 저항을 각각 연결하고 스위치를 통해 순차적으로 배터리 팩 양극과 샤시 간을 연결한 후 전압을 측정하여 절연 저항을 계산하는 방법을 사용하였다. 그러나, 절연 저항의 측정 회로에 포함되는 측정 저항이나 스위칭 소자는 고전압 배터리와 샤시 간에 연결되어 클리런스(clearance)나 크리피지(creepage) 등을 고려해야 하기 때문에 대부분 부피가 크고 가격이 비싼 부품이 사용된다. 특히, 배터리 팩의 전압이 증가할수록 고사양의 부품이 필요하다.
배터리 관리 시스템의 부피와 가격이 점차적으로 낮아지는 추세를 고려할 때 이러한 절연 저항 측정 회로 역시 크기와 비용을 절감할 수 있는 방안이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 고안된 것으로서, 배터리 팩의 (+) 또는 (-) 단자 중 하나의 단자와 샤시 사이에만 측정 회로를 연결함으로써, 배터리 관리 시스템의 크기를 축소시키고 비용을 절감할 수 있는 배터리 저항 산출 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 저항 산출 장치 및 방법은 측정 회로 중 하나의 구간을 제거하더라도 기존의 측정 회로와 실질적으로 동등한 성능을 구현하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치는 배터리 팩의 (+) 단자 및 (-) 단자 중 하나의 단자와, 샤시 사이에 연결되는 측정 회로, 상기 측정 회로로부터 전압을 측정하는 전압 측정부 및 상기 전압 측정부에서 측정된 전압에 기초하여 상기 배터리 팩의 절연 저항을 산출하는 절연 저항 산출부를 포함하고, 상기 절연 저항 산출부는 산출된 절연 저항이 미리 설정된 임계치 미만인 경우, 상기 배터리 팩의 시간에 따른 전압 변화량에 기초하여 상기 절연 저항을 재산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 방법은 배터리 팩의 (+) 단자 및 (-) 단자 중 하나의 단자와, 샤시 사이에 측정 회로를 연결하여 전압을 측정하는 단계 및 측정된 전압에 기초하여 상기 배터리 팩의 절연 저항을 산출하는 단계를 포함하고, 상기 배터리 팩의 절연 저항을 산출하는 단계는 산출된 절연 저항이 미리 설정된 임계치 미만인 경우, 상기 배터리 팩의 시간에 따른 전압 변화량에 기초하여 상기 절연 저항을 재산출할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 저항 산출 장치 및 방법에 의하면, 배터리 팩의 (+) 또는 (-) 단자 중 하나의 단자와 샤시 사이에만 측정 회로를 연결함으로써, 배터리 관리 시스템의 크기를 축소시키고 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 저항 산출 장치 및 방법에 의하면, 측정 회로 중 하나의 구간을 제거하더라도 기존의 측정 회로와 실질적으로 동등한 성능을 구현할 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리 팩의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3a는 종래의 배터리 팩에서 절연 저항을 산출하는 것을 나타내는 도면이다.
도 3b는 종래의 배터리 팩에서 절연 저항을 산출하기 위한 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치를 이용하여 배터리 팩의 절연 저항을 산출하는 것을 나타내는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치를 이용하여 배터리 팩의 절연 저항을 산출하기 위한 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치에서 절연 저항을 산출하기 위한 배터리 팩의 OCV-SOC 테이블(그래프)을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치의 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 문서에서 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 문서에 개시되어 있는 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예들은 여러 가지 형태로 실시될 수 있으며 본 문서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
다양한 실시 예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 발명의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
도 1은 일반적인 배터리 팩의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(1)과 상위 시스템에 포함되어 있는 상위 제어기(2)를 포함하는 배터리 제어 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(1)은 하나의 이상의 배터리 셀로 이루어지고 충방전 가능한 복수의 배터리 모듈(10)과, 복수의 배터리 모듈(10)의 (+) 단자 측 또는 (-) 단자 측에 직렬로 연결되어 배터리 모듈(10)의 충방전 전류 흐름을 제어하기 위한 스위칭부(14)와, 배터리 팩(1)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하여, 과충전 및 과방전 등을 방지하도록 제어 관리하는 배터리 관리 시스템(20)(예를 들면, BMS)을 포함한다.
여기서, 스위칭부(14)는 복수의 배터리 모듈(10)의 충전 또는 방전에 대한 전류 흐름을 제어하기 위한 반도체 스위칭 소자로서, 예를 들면, 배터리 팩(1)의 사양에 따라서 적어도 하나의 MOSFET이나 릴레이, 마그네틱 접촉기 등이 이용될 수 있다.
또한, 배터리 관리 시스템(20)은, 배터리 팩(1)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하기 위해서, 반도체 스위칭 소자의 게이트, 소스 및 드레인 등의 전압 및 전류를 측정하거나 계산할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(20)은 반도체 스위칭 소자에 인접해서 마련된 센서(12)를 이용하여 배터리 팩(1)의 전류를 측정할 수 있다. 여기서, 센서(12)는 후술하는 전압 측정부에 해당할 수 있다.
배터리 관리 시스템(20)은 상술한 각종 파라미터를 측정한 값을 입력받는 인터페이스로서, 복수의 단자와, 이들 단자와 연결되어 입력받은 값들의 처리를 수행하는 회로 등을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(20)은, 스위칭부(14) 예를 들어 MOSFET의 ON/OFF를 제어할 수도 있으며, 배터리 모듈(10)에 연결되어 배터리 모듈(10) 각각의 상태를 감시할 수 있다.
한편, 본 발명의 배터리 관리 시스템(20)에서는 이하에서 후술하는 바와 같이 배터리 팩(1)에 연결된 측정 회로를 이용하여 측정된 데이터에 기초하여 저항 산출 프로그램을 통해 배터리 팩(1)의 절연 저항을 산출할 수 있다.
상위 제어기(2)는 배터리 관리 시스템(20)으로 배터리 모듈(10)에 대한 제어 신호를 전송할 수 있다. 이에 따라, 배터리 관리 시스템(20)은 상위 제어기로부터 인가되는 신호에 기초하여 동작이 제어될 수 있을 것이다. 한편, 본 발명의 배터리 셀은 차량이나 ESS(Energy Storage System)에 이용되는 배터리 모듈(10)에 포함된 구성일 수 있다. 예를 들면, 상위 제어기(2)는 ESS 제어기일 수 있을 것이다. 다만, 배터리 팩(1)이 이러한 용도에 반드시 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 배터리 팩(1)의 구성 및 배터리 관리 시스템(20)의 구성은 공지된 구성이므로, 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치(200)는 측정 회로(210), 전압 측정부(220), 절연 저항 산출부(230) 및 저장부(240)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 2에 나타낸 배터리 저항 산출 장치(200)는 배터리 팩의 배터리 관리 시스템(BMS)에 포함된 구성일 수 있다.
측정 회로(210)는 배터리 팩의 (+) 단자 및 (-) 단자 중 하나의 단자와, 샤시 사이에 측정 회로를 연결될 수 있다. 예를 들면, 측정 회로(210)와 연결되는 샤시는 차량에 구비된 샤시를 포함할 수 있다.
또한, 측정 회로(210)는 직렬 연결된 측정 저항과 스위치를 포함하고, 배터리 팩의 절연 저항에 병렬로 접속될 수 있다. 또한, 측정 회로(210)는 측정 저항과 스위치에 병렬로 접속된 전압 분배용 저항을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 전압 측정부(220)의 측정 저항과 스위치는 배터리 팩의 절연 저항 각각 병렬로 연결될 수 있으며, 전압 분배용 저항은 절연 저항 중 하나에 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 전압 분배용 저항은 측정 회로(210)의 전압을 분배하여 측정 가능한 레벨로 조정하는 역할을 할 수 있다.
전압 측정부(220)는 측정 회로로부터의 전압을 측정할 수 있다. 예를 들면, 전압 측정부(220)는 측정 회로(210)의 전압 분배용 저항 측에 연결되는 배터리 관리 시스템의 센서일 수 있다.
절연 저항 산출부(230)는 전압 측정부(220)에서 측정된 전압에 기초하여 배터리 팩의 절연 저항을 산출할 수 있다. 이 경우, 절연 저항 산출부(230)는 측정 회로(210)에 포함된 스위치의 스위칭 상태에 따른 적어도 하나의 등가 회로를 이용하여 배터리 팩의 절연 저항을 산출할 수 있다. 이에 관해서는 도 4b에서 후술한다.
또한, 절연 저항 산출부(230)는 산출된 절연 저항이 미리 설정된 임계치(예를 들면, 100kΩ) 미만인 경우, 배터리 팩의 시간에 따른 전압 변화량에 기초하여 절연 저항을 재산출할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치(200)와 같이 배터리 팩의 (+) 또는 (-) 단자 중 하나의 단자에만 측정 회로(210)가 마련된 경우, 비대칭성에 의해 일정한 값 미만의 절연 저항에 대해서는 정확도가 떨어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치(200)에서는 이러한 한계점을 고려하여 임계치 미만의 절연 저항 산출치에 대해서는 별도의 방법을 통해 절연 저항을 다시 산출하도록 하고 있다.
구체적으로, 절연 저항 산출부(230)는 산출된 절연 저항이 미리 설정된 임계치 미만인 경우, 배터리 팩의 시간에 따른 전압 변화량을 이용하여 배터리 팩의 용량 변화량을 계산함으로써 절연 저항을 재산출할 수 있다. 이 때, 절연 저항 산출부(230)는, 예를 들면 저장부(240)에 사전 저장된 OCV-SOC 테이블에 기초하여 배터리 팩의 용량 변화량을 산출할 수 있다.
또한, 절연 저항 산출부(230)는 배터리 팩의 용량 변화량으로부터 누설 전류를 계산하고, 배터리 팩의 시간에 따른 전압 변화량과 누설 전류에 기초하여 절연 저항을 재산출할 수 있다.
예를 들면, 절연 저항 산출부(230)는 산출된 절연 저항이 미리 설정된 임계치 미만인 경우, 배터리 팩의 이전 구동 완료 시점(예를 들어, 차량의 이전 시동 오프 시점)의 전압과 배터리 팩의 구동 시작 전 시점(예를 들면, 차량의 시동 온 시점)의 전압 차이값에 기초하여 절연 저항을 재산출할 수 있다.
또한, 절연 저항 산출부(230)는 산출된 절연 저항이 미리 설정된 임계치 미만인 경우, 배터리 팩의 이전 구동 완료 시점의 전압과 배터리 팩의 이전 구동 완료 시점으로부터 미리 설정된 시간 경과 후 배터리 관리 시스템 등에 의해 웨이크업되는 배터리 팩의 전압의 차이값에 기초하여 절연 저항을 재산출할 수 있다. 이 때, 배터리 팩의 이전 구동 완료 시점으로부터의 미리 설정된 시간은 RTC(real-time clock)을 통해 측정될 수 있다.
이상에서 설명한 것과 같이, 절연 저항 산출부(230)가 절연 저항이 미리 설정된 임계치 미만인 경우에 대해 절연 저항을 재산출하는 방법은 다양할 수 있으며, 그 예시적인 과정에 관해서는 도 5에서 자세하게 후술한다.
저장부(240)는 전압 측정부(220)에 의해 측정된 전압 데이터, 이에 기초하여 산출된 절연 저항 데이터, 배터리 팩의 용량 변화량 및 누설 전류값 등의 각종 데이터들을 저장할 수 있다. 또한, 저장부(240)는 OCV-SOC 테이블을 저장할 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치(200)가 반드시 저장부(240)를 포함해야 하는 것은 아니며, 통신부(미도시)를 포함하고 이를 통해 외부 서버의 데이터베이스로부터 데이터를 송수신하도록 구성될 수 있을 것이다.
한편, 도 2에는 나타내지 않았으나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치는 알람부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 알람부는 절연 저항 산출부(230)에 의해 산출된 절연 저항이 미리 설정된 기준 범위를 벗어난 경우 사용자에게 경고 알람을 제공할 수 있다. 예를 들어, 알람부는 램프를 통해 시각 신호로 경고 알림을 제공하거나, 스피커를 통해 경고 알림음 또는 메시지를 생성하는 등 다양한 방식으로 사용자에게 경고 알람을 제공할 수 있다. 따라서, 사용자를 절연 저항으로 인해 발생하는 감전 사고 등의 위험으로부터 보호할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치에 의하면, 배터리 팩의 (+) 또는 (-) 단자 중 하나의 단자와 샤시 사이에만 측정 회로(210)를 연결함으로써, 배터리 관리 시스템의 크기를 축소시키고 비용을 절감할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치에 의하면, 측정 회로(210) 중 하나의 구간을 제거하더라도 기존의 측정 회로와 실질적으로 동등한 성능을 구현할 수 있다.
도 3a는 종래의 배터리 팩에서 절연 저항을 산출하는 것을 나타내는 도면이다. 또한, 도 3b는 종래의 배터리 팩에서 절연 저항을 산출하기 위한 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 3a를 참조하면, Rp 및 Rn(10)은 배터리 팩의 절연 저항을 나타내고, R1 및 R2는 측정 회로의 측정 저항 및 스위치(110a)를 나타내며, Rm1 및 Rm2는 전압 분배용 저항(110b)을 나타낸다. 또한, 저항 Rm1과 Rm2 사이에는 측정용 단자(110c)가 마련되어 있다.
도 3a에 나타낸 것과 같이, 종래에는 배터리 팩의 (+) 단자와 (-) 단자 양측 모두에 측정 저항 및 스위치(110a)를 연결하고, 양 단자의 스위치를 교대로 온/오프 제어하여 R1과 R2를 순차적으로 연결함으로써 배터리 팩의 전압을 측정하였다.
구체적으로, 도 3b를 참조하면, 도 3a의 측정 저항 R1 측 스위치와 R2 측 스위치를 교대로 온 또는 오프로 하여 전압을 측정하기 위한 등가 회로를 나타내고 있다. 이처럼 도 3b의 (a)와 (b)에 대해 전압 측정용 단자(110c)에서 측정된 값과 절연 저항의 산출식은 다음과 같이 정리하여 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
(여기서, Rp, Rn은 각각 배터리 팩의 (+) 및 (-) 측 절연 저항, R1, R2는 측정 회로의 측정 저항, E는 Rm1+Rm2, C는 배터리 팩 전압, D는 Rm2/(Rm1+Rm2), A는 등가 회로 (a)의 측정용 단자 측 전압, B는 등가 회로 (b)의 측정용 단자 측 전압을 나타냄)
상기 수학식 1 및 수학식 2를 정리하면, 절연 저항은 다음과 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
이처럼, 종래의 절연 저항 산출 방식에 따르면, 비교적 절연 저항을 정확하게 산출할 수는 있으나 측정 저항과 스위치 등으로 인해 측정 회로의 크기가 증가하고 비용이 많이 소요될 수 밖에 없다. 따라서, 이하에서 설명하는 것과 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치에서는 배터리 팩의 일단에 마련된 측정 저항과 스위치를 생략하여 절연 저항을 산출할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치를 이용하여 배터리 팩의 절연 저항을 산출하는 것을 나타내는 도면이다. 또한, 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치를 이용하여 배터리 팩의 절연 저항을 산출하기 위한 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 4a를 참조하면, 도 3a와 마찬가지로 Rp 및 Rn(20)은 배터리 팩의 절연 저항을 나타내고, R1 및 R2는 측정 회로의 측정 저항 및 스위치(210a)를 나타내며, Rm1 및 Rm2는 전압 분배용 저항(210b)을 나타낸다. 또한, 저항 Rm1과 Rm2 사이에는 측정용 단자(210c)가 마련되어 있다.
도 4a에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치에서는 배터리 팩의 (+) 단자와 (-) 단자 중 하나의 단자에만 측정 저항 및 스위치(210a)를 연결하고, 이러한 스위치를 온/오프 제어하여 R1을 연결 또는 차단함으로써 배터리 팩의 전압을 측정할 수 있다.
구체적으로, 도 4b를 참조하면, 도 4a의 측정 저항 R1 측 스위치를 온/오프 제어함으로써 전압을 측정하기 위한 등가 회로를 나타내고 있다. 이처럼 도 4b의 (a)와 (b)에 대해 전압 측정용 단자(210c)에서 측정된 값과 절연 저항의 산출식은 다음과 같이 정리하여 나타낼 수 있다.
Figure pat00005
Figure pat00006
(여기서, Rp, Rn은 각각 배터리 팩의 (+) 및 (-) 측 절연 저항, R1, R2는 측정 회로의 측정 저항, E는 Rm1+Rm2, C는 배터리 팩 전압, D는 Rm2/(Rm1+Rm2), A는 등가 회로 (a)의 측정용 단자 측 전압, B는 등가 회로 (b)의 측정용 단자 측 전압을 나타냄)
상기 수학식 1 및 수학식 2를 정리하면, 절연 저항은 다음과 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00007
Figure pat00008
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치에 의하면, 배터리 팩의 (+) 또는 (-) 단자 중 하나의 단자와 샤시 사이에만 측정 회로를 연결함으로써, 배터리 관리 시스템의 크기를 축소시키고 비용을 절감할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 방법에 의하면, 측정 회로 중 하나의 구간을 제거하더라도 기존의 측정 회로와 실질적으로 동등한 성능을 구현할 수 있다.
다만, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치는 배터리 팩의 (+) 또는 (-) 단자 중 하나의 측정 회로를 생략하였으므로 회로의 비대칭성으로 인해 종래의 방식에 비해 측정 정확도가 떨어지는 문제가 있다. 이러한 문제는 주로 산출된 절연 저항값이 작아질수록 두드러지는데, 이처럼 절연 저항이 작은 경우에 대해 측정 정확도를 향상시키기 위해 산출된 절연 저항이 임계치(예를 들면, 100kΩ) 미만이 되는 경우 배터리 팩의 전압을 일정 시간 동안 측정하고, 누설 전류를 계산하여 절연 저항을 재산출할 수 있다. 이에 관해서는 이하에서 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치에서 절연 저항을 산출하기 위한 배터리 팩의 OCV-SOC 테이블(그래프)을 나타내는 도면이다. 도 5에서 x축은 SOC(state of charge)(%)를 나타내고, y축은 OCV(open circuit voltage)(V)를 나타낸다.
도 5에서는 산출된 절연 저항이 미리 설정된 임계치보다 미만인 경우에 관하여 설명한다. 예를 들어, 차량에 탑재된 배터리 팩의 경우라면 도 5에서 차량의 시동을 오프시켰을 시점에 측정된 배터리 팩 전압(V1)이 500V이고, 차량의 시동을 다시 온으로 하였을 시점에 측정된 배터리 팩의 전압(V2)이 400V라고 가정한다.
이러한 경우, 도 5에 나타낸 OCV-SOC 테이블을 참조하면 배터리 팩의 용량 변화량은 총 500Ah에 대해 100Ah임을 알 수 있다. 또한, 차량이 주차되어 있던 시간(Δt)이 100시간이라고 하면, 배터리의 누설 전류(i)는 배터리 용량 변화량/시간 변화량이므로, 100Ah/100h = 1A임을 알 수 있다. 이처럼, 배터리 팩의 전압 변화량(V1-V2)과 누설 전류(i)에 기초하여 계산하면, 절연 저항은 100V/1A= 100Ω으로 산출될 수 있다.
한편, 도 5에서는 차량의 시동이 오프된 시점과 다시 온으로 된 시점에서의 배터리 팩 전압 차이를 산출하였으나, 시동이 온으로 되기 전에 차량이 주차 중인 경우에 대해서도 RTC를 이용하여 일정 시간 경과 후 배터리 팩을 웨이크업한 경우에도 이상에서 설명한 것과 동일한 방법으로 절연 저항을 산출해낼 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 먼저 배터리 팩의 (+) 단자 및 (-) 단자 중 하나의 단자와 샤시 사이에 측정 회로를 연결하여 전압을 측정한다(S110). 예를 들면, 단계 S110에서의 측정 회로는 측정 저항과 스위치를 포함할 수 있고, 추가적으로 전압 분배용 저항을 더 포함할 수 있다.
그리고, 측정된 전압에 기초하여 배터리 팩의 절연 저항을 산출한다(S120). 이 경우, 단계 S120에서는 측정 회로에 포함된 스위치의 스위칭 상태에 따른 적어도 하나의 등가 회로를 이용하여 배터리 팩의 절연 저항을 산출할 수 있다. 이에 관해서는 도 4a 및 4b에서 설명하였으므로, 자세한 설명은 생략한다.
다음으로, 산출된 절연 저항이 미리 설정된 임계치(예를 들면, 10kΩ) 미만인지 판단한다(S130). 만약, 절연 저항이 임계치 이상인 경우(NO), 산출된 절연 저항을 최종값으로 결정한다.
반면, 산출된 절연 저항이 미리 설정된 임계치 미만인 경우(YES), 배터리 팩의 시간에 따른 전압 변화량에 기초하여 절연 저항을 재산출할 수 있다. 구체적으로, 먼저 배터리 팩의 시간에 대한 전압 변화량을 측정한다(S140). 이 때, 배터리 팩의 시간에 대한 전압 변화량은 배터리 팩의 이전 구동 완료 시점으로부터 다음 구동 시작 시점 사이의 전압 변화량 또는 배터리 팩의 이전 구동 완료 시점으로부터 일정 시간 후에 배터리 팩이 웨이크업되는 시점 사이의 전압 변화량 등을 측정할 수 있다.
그리고, 배터리 팩의 시간에 대한 전압 변화량에 기초하여 배터리 팩의 용량 변화량을 산출한다(S150). 이 때, 단계 S150에서는 사전 저장된 OCV-SOC 테이블에 기초하여 배터리 팩의 용량 변화량을 산출할 수 있다.
또한, 산출된 배터리 팩의 용량 변화량에 기초하여 누설 전류를 계산한다(S160). 그리고, 단계 S140에 산출된 배터리 팩의 전압 변화량과 단계 S160에서 산출된 누설 전류에 기초하여 절연 저항을 재산출한다(S170).
이처럼, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치는 배터리 팩의 (+) 또는 (-) 단자 중 하나의 단자에만 측정 회로가 마련되어 있어, 비대칭성에 의해 일정한 값 미만의 절연 저항에 대해서는 정확도가 떨어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 방법에서는 이러한 한계점을 고려하여 임계치 미만의 절연 저항 산출치에 대해서는 단계 S140 내지 S170에 나타낸 방법을 통해 보다 정확한 절연 저항을 다시 산출할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 방법에 의하면, 배터리 팩의 (+) 또는 (-) 단자 중 하나의 단자와 샤시 사이에만 측정 회로를 연결함으로써, 배터리 관리 시스템의 크기를 축소시키고 비용을 절감할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 방법에 의하면, 측정 회로 중 하나의 구간을 제거하더라도 기존의 측정 회로와 실질적으로 동등한 성능을 구현할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치의 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 저항 산출 장치(300)는 MCU(310), 메모리(320), 입출력 I/F(330) 및 통신 I/F(340)를 포함할 수 있다.
MCU(310)는 메모리(320)에 저장되어 있는 각종 프로그램(예를 들면, 배터리 전압 측정 프로그램, 배터리 절연 저항 산출 프로그램 등)을 실행시키고, 이러한 프로그램들을 통해 배터리 팩의 절연 저항 산출 등을 위한 각종 데이터를 처리하며, 전술한 도 2의 기능들을 수행하도록 하는 프로세서일 수 있다.
메모리(320)는 배터리 셀의 전압 측정, 절연 저항 산출 등에 관한 각종 프로그램을 저장할 수 있다. 또한, 메모리(720)는 배터리의 측정 전압, 절연 저항 데이터, 용량 변화량, 누설 전류값, OCV-SOC 테이블 등 각종 데이터를 저장할 수 있다.
이러한 메모리(320)는 필요에 따라서 복수 개 마련될 수도 있을 것이다. 메모리(320)는 휘발성 메모리일 수도 있으며 비휘발성 메모리일 수 있다. 휘발성 메모리로서의 메모리(320)는 RAM, DRAM, SRAM 등이 사용될 수 있다. 비휘발성 메모리로서의 메모리(320)는 ROM, PROM, EAROM, EPROM, EEPROM, 플래시 메모리 등이 사용될 수 있다. 상기 열거한 메모리(320)들의 예를 단지 예시일 뿐이며 이들 예로 한정되는 것은 아니다.
입출력 I/F(330)는, 키보드, 마우스, 터치 패널 등의 입력 장치(미도시)와 디스플레이(미도시) 등의 출력 장치와 MCU(310) 사이를 연결하여 데이터를 송수신할 수 있도록 하는 인터페이스를 제공할 수 있다.
통신 I/F(340)는 서버와 각종 데이터를 송수신할 수 있는 구성으로서, 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있는 각종 장치일 수 있다. 예를 들면, 통신 I/F(340)를 통해 별도로 마련된 외부 서버로부터 배터리 팩의 전압 측정과 절연 저항 산출을 위한 프로그램이나 각종 데이터 등을 송수신할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴퓨터 프로그램은 메모리(320)에 기록되고, MCU(310)에 의해 처리됨으로써, 예를 들면 도 2에서 도시한 각 기능 블록들을 수행하는 모듈로서 구현될 수도 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 배터리 팩 2: 상위 제어기
10: 복수의 배터리 모듈 12: 센서
14: 스위칭부 20: BMS
110a, 110b, 110c: 측정 회로 150, 250: 절연 저항
200: 배터리 저항 산출 장치 210: 측정 회로
210a, 210b, 210c: 측정 회로 220: 전압 측정부
230: 절연 저항 산출부 240: 저장부
300: 배터리 저항 산출 장치 310: MCU
320: 메모리 330: 입출력 I/F
340: 통신 I/F

Claims (10)

  1. 배터리 팩의 (+) 단자 및 (-) 단자 중 하나의 단자와, 샤시 사이에 연결되는 측정 회로;
    상기 측정 회로로부터 전압을 측정하는 전압 측정부; 및
    상기 전압 측정부에서 측정된 전압에 기초하여 상기 배터리 팩의 절연 저항을 산출하는 절연 저항 산출부를 포함하고,
    상기 절연 저항 산출부는 산출된 절연 저항이 미리 설정된 임계치 미만인 경우, 상기 배터리 팩의 시간에 따른 전압 변화량에 기초하여 상기 절연 저항을 재산출하는 배터리 저항 산출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 측정 회로는 직렬 연결된 측정 저항과 스위치를 포함하고, 상기 측정 저항과 상기 스위치는 상기 절연 저항에 병렬로 접속된 배터리 저항 산출 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 측정 회로는 상기 배터리 팩의 절연 저항 중 하나에 병렬로 접속된 전압 분배용 저항을 더 포함하는 배터리 저항 산출 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연 저항 산출부는 산출된 절연 저항이 미리 설정된 임계치 미만인 경우, 상기 배터리 팩의 시간에 따른 전압 변화량을 이용하여 상기 배터리 팩의 용량 변화량을 계산함으로써 상기 절연 저항을 재산출하는 배터리 저항 산출 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 절연 저항 산출부는 상기 배터리 팩의 용량 변화량으로부터 누설 전류를 계산하고, 상기 배터리 팩의 시간에 따른 전압 변화량과 상기 누설 전류에 기초하여 상기 절연 저항을 재산출하는 배터리 저항 산출 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 절연 저항 산출부는 사전 저장된 OCV-SOC 테이블에 기초하여 상기 배터리 팩의 용량 변화량을 산출하는 배터리 저항 산출 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연 저항 산출부는 산출된 절연 저항이 미리 설정된 임계치 미만인 경우, 상기 배터리 팩의 이전 구동 완료 시점의 전압과 상기 배터리 팩의 구동 시작 전 시점의 전압 차이값에 기초하여 상기 절연 저항을 재산출하는 배터리 저항 산출 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연 저항 산출부는 산출된 절연 저항이 미리 설정된 임계치 미만인 경우, 상기 배터리 팩의 이전 구동 완료 시점의 전압과 상기 배터리 팩의 이전 구동 완료 시점으로부터 미리 설정된 시간 경과 후 웨이크업되는 상기 배터리 팩의 전압의 차이값에 기초하여 상기 절연 저항을 재산출하는 배터리 저항 산출 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 배터리 팩의 이전 구동 완료 시점으로부터의 미리 설정된 시간은 RTC(real-time clock)을 통해 측정되는 배터리 저항 산출 장치.
  10. 배터리 팩의 (+) 단자 및 (-) 단자 중 하나의 단자와, 샤시 사이에 측정 회로를 연결하여 전압을 측정하는 단계; 및
    측정된 전압에 기초하여 상기 배터리 팩의 절연 저항을 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 배터리 팩의 절연 저항을 산출하는 단계는 산출된 절연 저항이 미리 설정된 임계치 미만인 경우, 상기 배터리 팩의 시간에 따른 전압 변화량에 기초하여 상기 절연 저항을 재산출하는 배터리 저항 산출 방법.
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