KR20230055178A - 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 충방전 가능한 배터리; 전류 센서를 포함하여 상기 배터리의 상태를 센싱하기 위한 센싱부; 상기 센싱부로부터 입력된 상기 배터리의 상태 정보를 이용하여 상기 전류 센서의 이상을 진단하기 위한 이상 진단부; 및 상기 배터리의 관리 및 제어를 위한 다양한 데이터를 저장하는 데이터 저장부를 포함하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 및 방법을 제시한다.
Description
본 발명은 배터리의 전류 측정 장치에 관한 것으로, 특히 배터리의 전류를 측정하기 위한 전류 센서의 이상 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지(이하, 배터리)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 배터리의 전력 공급 시스템에는 일반적으로 전류를 측정하기 위한 전류 센서가 존재할 수 있다. 전류 센서는 배터리의 충방전 경로에 흐르는 전류를 측정하여 배터리의 상태를 모니터링하고, 배터리에 흐르는 과전류 등을 감지한다. 그리고, 전류 센서를 통해 측정된 전류는 SOC를 계산하는 정보로 활용되거나 충방전 과정이 정상적으로 이루어지고 있는지 여부 등을 판단하는 기초로 활용될 수 있다.
배터리에 흐르는 전류를 측정하기 위한 부품으로 션트 저항을 사용하고, 션트 저항 양단의 전압을 측정하여 전류를 측정할 수 있다. 그런데, 션트 저항이 정상 동작을 하지 않으면 배터리에 흐르는 전류를 제대로 측정할 수 없게 된다. 그 결과, 과전류가 흐르는 등의 이상 상황이 발생되더라도 이를 적절하게 차단하지 못하여 배터리의 고장이나 폭발과 같은 심각한 문제가 야기될 수 있다.
종래에는 션트 저항의 이상 상황으로서, 션트 저항의 오픈(open) 상태만 진단이 가능하였다. 그런데, 션트 저항의 이상 상황으로는 션트 저항의 쇼트(short), 션트 저항의 저항값 변화 등이 있을 수 있다. 즉, 종래에는 션트 저항의 오픈 상태만 진단 가능하고 션트 저항의 쇼트 상태나 저항값 변화 등 기타 상태의 진단이 어렵다. 따라서, 오픈 이외의 쇼트 등의 고장 발생 시 션트 저항의 오류를 검출하지 못해 배터리의 전류를 제대로 감지하지 못하게 되고, 그에 따라 배터리의 고장과 폭발 등과 같은 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 배터리의 전류 측정을 위한 전류 센서의 이상 진단 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 션트 저항을 전류 센서로 이용하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 션트 저항의 오픈 상태 뿐만 아니라 쇼트 상태, 저항값 변화 등의 오류를 검출할 수 있는 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치는 충방전 가능한 배터리; 전류 센서를 포함하여 상기 배터리의 상태를 센싱하기 위한 센싱부; 상기 센싱부로부터 입력된 상기 배터리의 상태 정보를 이용하여 상기 전류 센서의 이상을 진단하기 위한 이상 진단부; 및 상기 배터리의 관리 및 제어를 위한 다양한 데이터를 저장하는 데이터 저장부를 포함한다.
상기 전류 센서는 션트 저항을 포함한다.
상기 이상 진단부는 상기 배터리의 전압 변화량과 온도를 바탕으로 상기 션트 저항에서 측정된 전류값과 비교하여 상기 션트 저항의 이상을 진단한다.
상기 이상 진단부는, 상기 션트 저항의 양단 전압을 이용하여 상기 배터리의 전류를 계산하는 전류 측정부와, 상기 배터리의 전압을 측정하고 이를 내부 저항으로 나누어 전류 예측값을 계산하는 전류 예측부와, 상기 전류 예측값과 상기 전류 측정값을 비교하여 션트 저항의 상태를 판단하는 판단부를 포함한다.
상기 전류 측정부는 상기 션트 저항 양단의 전압을 션트 저항의 저항값으로 나누어 배터리의 전류를 계산한다.
상기 전류 예측부는 상기 배터리의 전압값을 배터리의 내부 저항으로 나누어 전류 예측값을 계산한다.
상기 전류 예측부는 상기 배터리의 온도에 따른 상기 배터리의 내부 저항을 상기 데이터 저장부로부터 탐색하고, 상기 배터리의 전압을 상기 배터리의 내부 저항으로 나누어 상기 배터리의 전류 예측값을 계산한다.
상기 판단부는 상기 전류 측정부에 의한 측정 전류값이 소정의 최대 측정값인 경우 션트 저항의 오픈 상태로 판단한다.
상기 판단부는 전류 측정값과 전류 예측값을 이용한 [수학식 1]의 에러율에 따라 션트 저항의 쇼트 및 드래프트를 판단한다.
[수학식 1]
여기서, Current Measure는 션트 저항의 측정 전류값이고, Current Estimation은 전류 예측부로부터 계산된 전류 예측값이다.
상기 에러율이 100%인 경우 션트 저항이 쇼트 상태로 판단하고, 에러율이 100% 미만의 소정 범위인 경우 드래프트 상태로 판단한다.
또한, 본 발명의 다른 양태에 따른 배터리의 전류 센서 이상 진단 방법은 션트 저항을 포함하는 전류 센서를 포함한 센싱부를 이용하여 배터리의 상태를 센싱하는 과정과, 상기 션트 저항을 통해 측정된 상기 배터리의 전류 측정값을 계산하는 과정과, 상기 배터리의 전압과 온도를 이용하여 상기 배터리의 전류 예측값을 계산하는 과정과, 상기 배터리의 전류 측정값이 최대값인지 판단하는 과정과, 상기 배터리의 전류 측정값이 최대값인 경우 션트 저항의 오픈으로 판단하는 과정과, 상기 배터리의 전류 측정값이 최대값이 아닌 경우 전류 측정값과 전류 예측값을 이용하여 에러율을 계산하는 과정과, 상기 에러율에 따라 션트 저항의 쇼트, 드래프트 또는 정상인지를 판단하는 과정을 포함한다.
상기 전류 측정값 계산과 상기 전류 예측값 계산은 동시에 이루어지거나 어느 하나가 먼저 실시하여 순차적으로 이루어진다.
상기 전류 측정값은 상기 션트 저항 양단의 전압을 션트 저항의 저항값으로 나누어 계산한다.
상기 전류 예측값은 상기 배터리의 전압값을 배터리의 내부 저항으로 나누어 계산한다.
상기 전류 예측값은 상기 배터리의 온도에 따른 상기 배터리의 내부 저항을 데이터 저장부로부터 탐색하고, 상기 배터리의 전압을 상기 배터리의 내부 저항으로 나누어 계산한다.
상기 에러율은 전류 측정값과 전류 예측값을 이용한 [수학식 1]에 따라 계산한다.
[수학식 1]
여기서, Current Measure는 션트 저항의 측정 전류값이고, Current Estimation은 전류 예측값이다.
상기 에러율이 100%인 경우 션트 저항이 쇼트 상태로 판단하고, 에러율이 100% 미만의 소정 범위인 경우 드래프트 상태로 판단한다.
본 발명에 따른 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치 및 방법은 배터리의 전압과 배터리의 온도에 따라 예측된 전류 예측값과 션트 저항을 이용하는 전류 센서의 전류 측정값을 비교하여 션트 저항의 오픈, 쇼트 및 저항값 변화 등을 판단할 수 있다. 예컨데, 전류 측정값이 최대값 이상이면 션트 저항이 오픈 상태로 판단하고, 전류 측정값과 전류 예측값을 이용한 에러율에 따라 션트 저항의 쇼트 및 저항값 변화 등을 판단할 수 있다. 따라서, 오픈 이외의 쇼트 등의 고장 발생 시 션트 저항의 오류를 정확하게 검출할 수 있어 션트 저항의 오류에 따른 배터리의 고장과 폭발 등과 같은 문제를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치의 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치의 상세 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 전류 센서 이상 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치의 상세 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 전류 센서 이상 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치의 구성을 설명하기 위한 블럭도이다. 또한, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치의 상세 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치는 충방전 가능하며 전력 소모 장치에 에너지를 제공하는 배터리(100)와, 전류 센서(210), 전압 센서(220) 및 온도 센서(230)를 포함하여 배터리(100)의 상태를 센싱하기 위한 센싱부(200)와, 센싱부(200)로부터 입력된 배터리(100)의 상태 정보를 이용하여 전류 센서(210)의 이상을 진단하기 위한 이상 진단부(300)와, 배터리(100)의 관리 및 제어를 위한 다양한 데이터를 저장하는 데이터 저장부(400)를 포함할 수 있다. 여기서, 전류 센서(210)는 션트 저항을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명은 배터리에 흐르는 전류를 검출하기 위한 션트 저항의 이상 여부를 진단하기 위한 장치를 제공하며, 도 1 및 도 2는 본 발명의 구성을 설명하기 위한 블럭도이다. 이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
1. 배터리
배터리(100)는 전력 소모 장치에 에너지를 제공하여 전력 소모 장치를 구동시키는 전기 에너지원이다. 여기서, 전력 소모 장치는 스마트폰 등의 모바일 기기와, 전기 스쿠터, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등 이송 수단을 포함할 수 있다. 배터리(100)는 적어도 하나의 배터리 팩을 포함할 수 있다. 이때, 적어도 하나의 패터리 팩은 각각 복수의 배터리 모듈을 포함할 수 있으며, 배터리 모듈은 충방전 가능한 복수의 배터리 셀 포함할 수 있다. 즉, 배터리(100)는 복수의 배터리 셀을 포함하고, 복수의 배터리 셀을 소정 단위로 묶어 배터리 모듈을 이룰 수도 있으며, 복수의 배터리 모듈이 하나의 배터리 팩을 이룰 수 있다. 한편, 복수의 배터리 셀은 전력 소모 장치의 스펙(specification)에 부합되도록 다양한 방법으로 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 물론, 복수의 배터리 셀을 각각 포함하는 복수의 배터리 팩 또한 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 여기서, 배터리 셀의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리 등으로 구성할 수 있다.
2. 센싱부
센싱부(200)는 배터리(100)의 상태를 센싱하기 위해 마련될 수 있다. 예를 들어, 센싱부(200)는 배터리(100)의 전류, 전압, 온도 등을 센싱할 수 있다. 또한, 센싱부(200)는 배터리 팩, 배터리 모듈 및 배터리 셀의 상태를 센싱할 수 있다. 즉, 센싱부(200)는 복수의 배터리 셀 각각의 상태를 센싱할 수도 있고, 복수의 배터리 셀이 묶인 배터리 모듈의 상태를 센싱할 수도 있으며, 복수의 배터리 모듈이 묶인 배터리 팩의 상태를 센싱할 수도 있다. 이를 위해 센싱부(200)는 복수의 센서를 포함할 수 있다. 즉, 센싱부(20)는 적어도 하나의 전류 센서(210), 적어도 하나의 전압 센서(220) 및 적어도 하나의 온도 센서(230)를 포함할 수 있다. 전류 센서(210), 전압 센서(220) 및 온도 센서(230)는 배터리(100)의 전류, 전압 및 온도를 주기적으로 측정하고 측정 결과를 이상 진단부(300)로 제공할 수 있다. 한편, 측정 결과는 아날로그 신호 또는 디지털 신호로서 이상 진단부(300)에 제공될 수 있다.
여기서, 전류 센서(210)는 충전 전류의 크기에 상응하는 신호를 생성하여 이상 진단부(300)로 제공한다. 물론, 전류 센서(210)는 충전 전류 뿐만 아니라 방전 전류의 크기도 측정할 수 있다. 이를 위해 전류 센서(210)는 예를 들어 배터리(100)에서 충방전 전류가 흐르는 경로인 충방전 경로 상에 설치될 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 전류 센서는 션트 저항을 포함할 수 있다. 션트 저항을 포함하는 전류 센서(210)가 이상 진단부(300)와 연결되므로 이상 진단부(300)는 션트 저항 양단의 전압값을 측정하여 배터리(100)의 충방전 경로에 흐르는 전류값을 계산할 수 있다. 즉, 션트 저항의 저항값은 미리 알려진 값이므로 션트 저항 양단의 전압값이 측정되면, 이상 진단부(300)는 션트 저항에 흐르는 전류값을 계산할 수 있으며, 이러한 전류값은 곧 배터리(100)의 충방전 경로에 흐르는 전류값이라고 할 수 있다.
또한, 전압 센서(220)는 배터리(100)의 양극과 음극 사이에 인가되는 전압에 상응하는 신호를 생성하여 이상 진단부(300)에 제공한다. 전압 센서(220)는 일 예시로서 배터리(100)의 양극 및 음극 단자 사이의 전압 차이에 상응하는 전압 신호를 출력하는 차동 증폭 회로를 포함할 수 있다.
그리고, 온도 센서(230)는 온도 측정에 사용되는 일 예로 써머 커플러일 수 있다. 온도 센서는 배터리(100)의 온도에 상응하는 신호를 생성하여 이상 진단부(300)로 제공한다. 또한, 온도 센서(230)는 배터리(100)의 온도를 측정하는 온도 센서 이외에 배터리(100)의 열이 발산되는 외부의 온도를 측정하는 외부 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 외부 온도 센서는 온도 센서와 동일한 센서류로 구성될 수 있고, 외부의 온도에 상응하는 신호를 생성하여 이상 진단부(300)로 제공할 수 있다.
3. 이상 진단부
이상 진단부(300)는 센싱부(200)로부터 입력된 배터리(100)의 상태 정보를 이용하여 전류 센서(210), 즉 션트 저항의 상태를 진단한다. 즉, 이상 진단부(300)는 배터리(100)의 전압 변화량을 모니터링하고 이를 바탕으로 션트 저항에서 측정된 전류값과 비교하여 션트 저항의 오류를 검출한다. 이를 위해 이상 진단부(300)는 션트 저항을 이용한 전류 센서(210)의 양단 전압을 이용하여 배터리(100)의 전류를 계산하는 전류 측정부(310)와, 배터리의 전압을 측정하고 이를 내부 저항으로 나누어 전류 예측값을 계산하는 전류 예측부(320)와, 계산된 전류 예측값과 션트 저항의 전류 측정값을 비교하여 션트 저항의 상태를 판단하는 판단부(330)를 포함할 수 있다. 이러한 이상 진단부(300)의 각 구성을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
3.1. 전류 측정부
전류 측정부(310)는 션트 저항을 이용한 전류 센서(210)에서 측정된 전압을 전류로 환산하여 배터리(100)의 전류를 측정한다. 즉, 션트 저항의 저항값은 미리 알려진 값이므로 션트 저항 양단의 전압값이 측정되면, 전류 측정부(310)는 션트 저항에 흐르는 전류값을 계산할 수 있으며, 이러한 전류값은 곧 배터리(100)의 충방전 경로에 흐르는 전류값, 즉 전류 측정값이라고 할 수 있다. 전류의 측정 방법은 오옴의 법칙(V=IR)을 근거로 하며 전압이 전류에 비례하여 변하는 법칙을 이용하여 정확한 전류값을 측정할 수 있다.
3..2 전류 예측부
전류 예측부(320)는 배터리 셀의 전압을 측정하고 이를 내부 저항으로 나누어 전류 예측값을 계산한다. 즉, 전류 예측부(320)는 전압 센서(220)로부터 측정된 전압값을 배터리(100)의 내부 저항으로 나누어 전류 예측값을 계산한다. 이를 위해 전압 센서(220)는 배터리(100)의 전압을 실시간으로 측정하여 전류 예측부(320)로 전달하고, 온도 센서(230)는 배터리(100)의 온도를 실시간으로 측정하여 전류 예측부(320)로 전달한다. 전류 예측부(320)는 데이터 저장부(400)에 저장된 배터리(100)의 온도에 따른 배터리(100)의 내부 저항과 전압 센서(220)로부터 측정된 배터리(100)의 전압을 이용하여 배터리(100)의 전류값을 예측한다. 즉, 전류 예측부(320)는 온도 센서(230)로부터 측정된 배터리(100)의 온도에 따른 배터리(100)의 내부 저항을 데이터 저장부(400)로부터 탐색하고, 전압 센서(220)로부터 측정된 배터리(100)의 전압을 배터리(100)의 내부 저항으로 나누어 배터리(100)의 전류 예측값을 계산할 수 있다.
3.3. 판단부
판단부(330)는 전류 예측부(320)로부터 계산된 전류 예측값과 전류 센서(210), 즉 션트 저항으로부터 측정되고 전류 측정부(310)에서 계산된 전류값을 비교하여 전류 센서(210), 즉 션트 저항의 상태를 판단한다. 즉, 판단부(330)는 전류 예측부(320)로부터 계산된 전류 예측값과 션트 저항의 측정 전류값을 비교하여 션트 저항의 오픈(open) 상태, 쇼트(short) 상태 및 저항값의 변화, 즉 드래프트(draft) 상태를 판단할 수 있다. 먼저, 판단부(330)는 션트 저항의 측정 전류값(current measure)이 소정의 기준값 이상인 경우, 즉 최대 측정값인 경우 션트 저항의 오픈 상태로 판단할 수 있다. 즉, 션트 저항이 오픈 상태일 경우 션트 저항의 저항값이 커지게 되므로 측정 가능 범위의 최대값을 측정 전류로 계측하게 된다. 또한, 판단부(320)는 측정 전류와 예측 전류를 이용하여 션트 저항의 쇼트 및 드래프트 상태를 판단할 수 있는데, 이를 위해 판단부(320)는 다음의 수학식 1에 따라 에러율을 계산할 수 있다.
여기서, Current Measure는 전류 센서(210), 즉 션트 저항의 측정 전류값이고, Current Estimation은 전류 예측부(320)로부터 계산된 전류 예측값이다. 즉, 에러율(Error Rate)은 션트 저항의 측정 전류값에서 전류 예측부(320)로부터 계산된 전류 예측값을 뺀값을 전류 예측값으로 나눈값이 된다.
션트 저항이 쇼트 상태일 경우 전류 측정은 0이 되므로 에러율이 100%일 수 있다. 즉, 에러율이 100%일 경우 션트 저항이 쇼트 상태로 판단할 수 있다. 그리고, 전류 측정값과 전류 예측값의 차이가 소정의 기준값 이상이 되면 션트 저항의 저항값이 변경된 것으로 진단할 수 있다. 예를 들어, 에러율이 20% 이상, 예컨데 20% 내지 99%인 경우 션트 저항의 저항값이 변경된 드래프트 상태로 진단할 수 있다. 그러나, 에러율이 20% 미만인 경우 션트 저항의 저항값이 변경되지 않은 것으로 진단할 수 있다. 즉, 에러율이 소정 범위(예컨데 20%) 이내일 경우 션트 저항이 정상적으로 동작하는 것으로 판단할 수 있고, 에러율이 설정된 기준값 이상이 되면 션트 저항의 저항값이 변경된 것으로 판단할 수 있다.
4. 데이터 저장부
데이터 저장부(400)는 이상 진단부(300)에 의해 생성되는 데이터를 기록, 소거 및 갱신할 수 있고, 배터리(100)의 제어를 위한 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 데이터 저장부(400)는 배터리(100)의 충방전을 위한 전압, 전류 및 그에 따른 SOC, SOH 등의 데이터가 저장될 수 있다. 따라서, 데이터 저장부(400)의 이러한 데이터를 이용하여 이상 진단부(300)는 배터리(100)의 충방전을 제어할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 데이터 저장부(400)는 배터리(100)의 온도와 그에 따른 내부 저항이 저장될 수 있다. 이때, 배터리(100)의 온도가 증가하면 내부 저항 또한 증가할 수 있다. 예를 들어, 배터리(100)의 온도가 30℃일 때 내부 저항은 약 100mΩ일 수 있고, 배터리(100)의 온도가 40℃일 때 내부 저항은 약 180mΩ일 수 있으며, 배터리(100)의 온도가 50℃일 때 내부 저항은 약 330mΩ일 수 있다. 이러한 배터리(100)의 온도 및 그에 따른 내부 저항은 룩업 테이블 형태로 데이터 저장부(400)에 저장될 수 있다. 즉, 배터리(100)의 저항과 내부 저항은 매칭되어 룩업 테이블 형태로 저장될 수 있다. 이러한 데이터 저장부(640)는 플래시 메모리, EEPROM(Electrically erasable programmable read-only memory), SRAM(Static RAM), FRAM (Ferro-electric RAM), PRAM (Phase-change RAM), MRAM(Magnetic RAM) 등과 같은 비휘발성 메모리가 이용될 수 있다.
한편, 상기 본 발명의 이상 진단부(300)는 배터리(100)를 관리하기 위한 BMS의 일부일 수 있다. 즉, BMS는 배터리(100)의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리(100)을 관리한다. 예컨대, BMS는 배터리(100)의 전압, 전류 및 온도 등의 상태를 측정하고, 상태 정보를 이용하여 State of Charge(SOC), State of Health(SOH), State of Power(SOP)를 추정한다. 또한, BMS는 이러한 상태 정보를 이용하여 BMS는 배터리(100)의 충전 또는 방전을 제어한다. 즉, 본 발명의 BMS은 배터리(100)의 상태를 측정하고, 상태 정보를 이용하여 SOC, SOH, SOP를 추정하여 배터리(100)의 충방전을 제어하는 기능에 더하여 션트 저항의 상태를 진단할 수 있다. 여기서, SOC는 배터리의 잔여 용량을 나타내며, SOC의 정확한 예측은 앞으로의 주행 거리를 예측할 수 있게 해준다. SOH는 배터리의 용량을 나타내는데, 이는 배터리의 노화 상태를 의미하며 배터리의 충전 및 방전 횟수에 영향을 미친다. SOP는 배터리가 지원할 수 있는 최대한의 전력을 의미한다. 최대 전력에 대한 예측은 배터리의 과충전이나 열 손실 등을 방지하는데 도움을 준다. 이러한 상태 정보를 이용하여 BMS는 배터리(100)의 충전 또는 방전을 제어한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치는 배터리의 전압과 배터리의 온도에 따라 예측된 전류 예측값과 션트 저항을 이용하는 전류 센서(210)의 전류 측정값을 비교하여 션트 저항의 오픈, 쇼트 및 저항값 변화 등을 판단할 수 있다. 예컨데, 전류 측정값이 최대값 이상이면 션트 저항이 오픈 상태로 판단하고, 전류 측정값과 전류 예측값을 이용한 에러율에 따라 션트 저항의 쇼트 및 저항값 변화 등을 판단할 수 있다. 따라서, 오픈 이외의 쇼트 등의 고장 발생 시 션트 저항의 오류를 정확하게 검출할 수 있어 션트 저항의 오류에 따른 배터리의 고장과 폭발 등과 같은 문제를 방지할 수 있다.
도 3은 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 전류 센서 이상 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 전류 센서 이상 진단 방법은 배터리(100)의 상태를 센싱하는 과정(S110)과, 배터리(100)의 전류를 측정하는 과정(S120)과, 배터리(100)의 전압과 온도를 이용하여 배터리(100)의 전류를 예측하는 과정(S130)과, 배터리(100)의 전류 측정값이 최대값인지 판단하는 과정(S140)과, 배터리(100)의 전류 측정값이 최대값인 경우 션트 저항의 오픈으로 판단하는 과정(S150)과, 배터리(100)의 전류 측정값이 최대값이 아닌 경우 전류 측정값과 전류 예측값을 이용하여 에러율을 계산하는 과정(S160)과, 에러율에 따라(S170 및 S180) 션트 저항의 쇼트, 드래프트 또는 정상인지를 판단하는 과정(S190, S200 및 S210)을 포함할 수 있다. 또한, 도시되지 않았지만, 션트 저항의 오픈, 쇼트 및 드래프트 중 어느 하나로서 션트 저항의 이상으로 판단된 경우 사용자에게 알람 등을 이용하여 전달하는 과정을 더 포함할 수 있다. 이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 전류 센서 이상 진단 방법을 각 과정별로 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명은 배터리(100)를 관리 및 제어하기 위해 다양한 데이터를 데이터 저장부(400)에 저장한다. 예를 들어, 데이터 저장부(400)는 배터리(100)의 충방전을 위한 전압, 전류 및 그에 따른 SOC, SOH 등의 데이터가 저장될 수 있다. 이러한 데이터 저장부(400)는 데이터를 기록, 소거 및 갱신할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 데이터 저장부(400)는 배터리(100)의 온도와 그에 따른 내부 저항이 저장될 수 있다. 이러한 배터리(100)의 온도 및 내부 저항은 룩업 테이블 형태로 데이터 저장부(400)에 저장될 수 있다. 예를 들어, 배터리(100)의 온도가 30℃일 때 내부 저항은 약 100mΩ일 수 있고, 배터리(100)의 온도가 40℃일 때 내부 저항은 약 180mΩ일 수 있으며, 배터리(100)의 온도가 50℃일 때 내부 저항은 약 330mΩ일 수 있다.
S110 : 배터리(100)의 운용중, 즉 배터리(100)로부터 전력 소모 장치에 전류가 공급되고 배터리(100)의 충방전 동작이 진행되는 동안 센싱부(200)는 배터리(100)의 상태를 센싱한다. 센싱부(200)는 전류 센서(210), 전압 센서(220) 및 온도 센서(230)를 포함하여 배터리(100)의 전류, 전압, 온도 등을 센싱할 수 있다. 또한, 센싱부(200)는 배터리(100)의 전압, 전류 및 온도를 주기적으로 측정하고 측정 결과를 이상 진단부(300)로 제공할 수 있다. 이때, 본 발명의 전류 센서(210)는 션트 저항을 포함할 수 있다. 션트 저항을 포함하는 전류 센서(210)가 이상 진단부(300)와 연결되므로 이상 진단부(300)는 션트 저항 양단의 전압값을 측정하여 배터리(100)의 충방전 경로에 흐르는 전류값을 계산할 수 있다.
S120 : 전류 측정부(310)는 션트 저항을 이용한 전류 센서(210)에서 측정된 전압을 전류로 환산하여 배터리(100)의 전류를 측정한다. 즉, 션트 저항의 저항값은 미리 알려진 값이므로 션트 저항 양단의 전압값이 측정되면, 전류 측정부(310)는 션트 저항에 흐르는 전류값을 계산할 수 있으며, 이러한 전류값은 곧 배터리(100)의 충방전 경로에 흐르는 전류값, 즉 전류 측정값이라고 할 수 있다. 전류의 측정 방법은 오옴의 법칙(V=IR)을 근거로 하며 전압이 전류에 비례하여 변하는 법칙을 이용하여 정확한 전류값을 측정할 수 있다.
S130 : 전류 예측부(320)는 배터리의 전압을 측정하고 이를 내부 저항으로 나누어 전류 예측값을 계산한다. 즉, 전류 예측부(320)는 전압 센서(220)로부터 측정된 전압값을 배터리(100)의 내부 저항으로 나누어 전류 예측값을 계산한다. 이를 위해 전압 센서(220)는 배터리(100)의 전압을 실시간으로 측정하여 전류 예측부(320)로 전달하고, 온도 센서(230)는 배터리(100)의 온도를 실시간으로 측정하여 전류 예측부(320)로 전달한다. 전류 예측부(320)는 데이터 저장부(400)에 저장된 배터리(100)의 온도에 따른 배터리(100)의 내부 저항과, 전압 센서(220)로부터 측정된 배터리(100)의 전압을 이용하여 배터리(100)의 전류값을 예측한다. 즉, 전류 예측부(320)는 온도 센서(230)로부터 측정된 배터리(100)의 온도에 따른 배터리(100)의 내부 저항을 데이터 저장부(400)로부터 탐색하고, 전압 센서(220)로부터 측정된 배터리(100)의 전압을 배터리(100)의 내부 저항으로 나누어 배터리(100)의 전류 예측값을 계산할 수 있다. 한편, 배터리의 전류를 측정하는 과정(S120)과, 배터리의 전류를 예측하는 과정(S130)은 동시에 실시될 수도 있다. 물론, 배터리의 전류를 측정하는 과정(S120)과, 배터리의 전류를 예측하는 과정(S130)은 순차적으로 실시될 수도 있다. 즉, 전류 측정 과정(S120) 후 전류 예측 과정(S130)이 실시될 수도 있고, 이와 반대로 전류 예측 과정(S130) 후 전류 측정 과정(S120)이 실시될 수도 있다.
S140 및 S150: 판단부(330)는 션트 저항의 측정 전류값(current measure)이 소정의 기준값 이상인 경우, 즉 최대 측정값인 경우 션트 저항의 오픈 상태로 판단할 수 있다. 즉, 션트 저항이 오픈 상태일 경우 션트 저항의 저항값이 커지게 되므로 측정 가능 범위의 최대값을 측정 전류로 계측하게 된다.
S160 : 판단부(330)는 션트 저항의 측정 전류값(current measure)이 소정의 기준값 이하인 경우 전류 예측부(320)로부터 계산된 전류 예측값과 전류 센서(210), 즉 션트 저항으로부터 측정되고 전류 측정부(310)에서 계산된 전류값을 비교하여 전류 센서(210), 즉 션트 저항의 상태를 판단한다. 즉, 판단부(330)는 전류 예측부(320)로부터 계산된 전류 예측값과 션트 저항의 측정 전류값을 비교하여 션트 저항의 오픈(open) 상태, 쇼트(short) 상태 및 저항값의 변화, 즉 드래프트(draft) 상태를 판단할 수 있다. 이를 위해 판단부(320)는 상기 수학식 1에 따라 에러율을 계산할 수 있다.
S170 및 S180 : 션트 저항이 쇼트 상태일 경우 전류 측정은 0이 되므로 에러율이 100%일 수 있다. 즉, 에러율이 100%일 경우 판단부(330)는 션트 저항이 쇼트 상태로 판단할 수 있다.
S190, S200 및 S210 : 그리고, 전류 측정값과 전류 예측값의 차이가 소정의 기준값 이상이 되면 션트 저항의 저항값이 변경된 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어, 에러율이 20% 이상, 예컨데 20% 내지 99%인 경우 션트 저항의 저항값이 변경된 드래프트 상태로 판단할 수 있다. 그러나, 에러율이 20% 미만인 경우 션트 저항의 저항값이 변경되지 않은 정상 상태인 것으로 진단할 수 있다. 즉, 에러율이 소정 범위(예컨데 20%) 이내일 경우 션트 저항이 정상적으로 동작하는 것으로 판단할 수 있고, 에러율이 설정된 기준값 이상이 되면 션트 저항의 저항값이 변경된 것으로 판단할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 배터리
200 : 센싱부
300 : 이상 진단부 400 : 데이터 저장부
210 : 전류 센서 220 : 전압 센서
230 : 온도 센서 310 : 전류 측정부
320 : 전류 예측부 330 : 판단부
300 : 이상 진단부 400 : 데이터 저장부
210 : 전류 센서 220 : 전압 센서
230 : 온도 센서 310 : 전류 측정부
320 : 전류 예측부 330 : 판단부
Claims (17)
- 충방전 가능한 배터리;
전류 센서를 포함하여 상기 배터리의 상태를 센싱하기 위한 센싱부;
상기 센싱부로부터 입력된 상기 배터리의 상태 정보를 이용하여 상기 전류 센서의 이상을 진단하기 위한 이상 진단부; 및
상기 배터리의 관리 및 제어를 위한 다양한 데이터를 저장하는 데이터 저장부를 포함하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 전류 센서는 션트 저항을 포함하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치.
- 청구항 2에 있어서, 상기 이상 진단부는 상기 배터리의 전압 변화량과 온도를 바탕으로 상기 션트 저항에서 측정된 전류값과 비교하여 상기 션트 저항의 이상을 진단하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치.
- 청구항 3에 있어서, 상기 이상 진단부는,
상기 션트 저항의 양단 전압을 이용하여 상기 배터리의 전류를 계산하는 전류 측정부와,
상기 배터리의 전압을 측정하고 이를 내부 저항으로 나누어 전류 예측값을 계산하는 전류 예측부와,
상기 전류 예측값과 상기 전류 측정값을 비교하여 션트 저항의 상태를 판단하는 판단부를 포함하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치.
- 청구항 4에 있어서, 상기 전류 측정부는 상기 션트 저항 양단의 전압을 션트 저항의 저항값으로 나누어 배터리의 전류를 계산하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치.
- 청구항 5에 있어서, 상기 전류 예측부는 상기 배터리의 전압값을 배터리의 내부 저항으로 나누어 전류 예측값을 계산하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치.
- 청구항 6에 있어서, 상기 전류 예측부는 상기 배터리의 온도에 따른 상기 배터리의 내부 저항을 상기 데이터 저장부로부터 탐색하고, 상기 배터리의 전압을 상기 배터리의 내부 저항으로 나누어 상기 배터리의 전류 예측값을 계산하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치.
- 청구항 7에 있어서, 상기 판단부는 상기 전류 측정부에 의한 측정 전류값이 소정의 최대 측정값인 경우 션트 저항의 오픈 상태로 판단하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치.
- 청구항 8에 있어서, 상기 판단부는 전류 측정값과 전류 예측값을 이용한 [수학식 1]의 에러율에 따라 션트 저항의 쇼트 및 드래프트를 판단하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치.
[수학식 1]
여기서, Current Measure는 션트 저항의 측정 전류값이고, Current Estimation은 전류 예측부로부터 계산된 전류 예측값이다.
- 청구항 9에 있어서, 상기 에러율이 100%인 경우 션트 저항이 쇼트 상태로 판단하고, 에러율이 100% 미만의 소정 범위인 경우 드래프트 상태로 판단하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 장치.
- 션트 저항을 포함하는 전류 센서를 포함한 센싱부를 이용하여 배터리의 상태를 센싱하는 과정과,
상기 션트 저항을 통해 측정된 상기 배터리의 전류 측정값을 계산하는 과정과,
상기 배터리의 전압과 온도를 이용하여 상기 배터리의 전류 예측값을 계산하는 과정과,
상기 배터리의 전류 측정값이 최대값인지 판단하는 과정과,
상기 배터리의 전류 측정값이 최대값인 경우 션트 저항의 오픈으로 판단하는 과정과,
상기 배터리의 전류 측정값이 최대값이 아닌 경우 전류 측정값과 전류 예측값을 이용하여 에러율을 계산하는 과정과,
상기 에러율에 따라 션트 저항의 쇼트, 드래프트 또는 정상인지를 판단하는 과정을 포함하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 방법.
- 청구항 11에 있어서, 상기 전류 측정값 계산과 상기 전류 예측값 계산은 동시에 이루어지거나 어느 하나가 먼저 실시하여 순차적으로 이루어지는 배터리의 전류 센서 이상 진단 방법.
- 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서, 상기 전류 측정값은 상기 션트 저항 양단의 전압을 션트 저항의 저항값으로 나누어 계산하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 방법.
- 청구항 13에 있어서, 상기 전류 예측값은 상기 배터리의 전압값을 배터리의 내부 저항으로 나누어 계산하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 방법.
- 청구항 14에 있어서, 상기 전류 예측값은 상기 배터리의 온도에 따른 상기 배터리의 내부 저항을 데이터 저장부로부터 탐색하고, 상기 배터리의 전압을 상기 배터리의 내부 저항으로 나누어 계산하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 방법.
- 청구항 15에 있어서, 상기 에러율은 전류 측정값과 전류 예측값을 이용한 [수학식 1]에 따라 계산하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 방법.
[수학식 1]
여기서, Current Measure는 션트 저항의 측정 전류값이고, Current Estimation은 전류 예측값이다.
- 청구항 16에 있어서, 상기 에러율이 100%인 경우 션트 저항이 쇼트 상태로 판단하고, 에러율이 100% 미만의 소정 범위인 경우 드래프트 상태로 판단하는 배터리의 전류 센서 이상 진단 방법.
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| KR101012769B1 (ko) | 2008-11-07 | 2011-02-08 | 한국표준과학연구원 | 펄스 계수를 이용한 션트저항의 위상각 오차 측정장치 및 이를 이용한 오차 측정방법 |
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