WO2023048408A1 - 과도응답분석을 이용한 실시간 배터리 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents

과도응답분석을 이용한 실시간 배터리 모니터링 장치 및 방법 Download PDF

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WO2023048408A1
WO2023048408A1 PCT/KR2022/012659 KR2022012659W WO2023048408A1 WO 2023048408 A1 WO2023048408 A1 WO 2023048408A1 KR 2022012659 W KR2022012659 W KR 2022012659W WO 2023048408 A1 WO2023048408 A1 WO 2023048408A1
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real
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internal resistance
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정붕익
정인석
오승찬
임건표
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(주) 테크윈
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
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    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3842—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC combining voltage and current measurements
    • G—PHYSICS
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    • G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Embodiments relate to real-time battery monitoring devices and methods using transient response analysis.
  • Internal resistance of the secondary battery may increase depending on the degree of deterioration, which may cause a loss of capacity of the secondary battery and an increase in internal heat generation during use.
  • Thermal stress can be a direct cause of this phenomenon, and deterioration progresses gradually depending on the number of times of repeated use, and in some cases, accidents that lead to fire due to thermal runaway, such as ESS (Energy Storage System) fire, Electric vehicle fires are frequent. Therefore, various technologies for detecting and preventing the degree of deterioration and thermal runaway of a battery in advance have been proposed.
  • a conventional internal resistance measurement method is to measure impedance through repetitive charging and discharging operations for all SOC sections. It measures the OCV (Open Circuit Voltage, hereinafter referred to as OCV) in the resting state and the rising and falling voltage during charging and discharging. Since the internal resistance of a secondary battery varies by SOC due to electrochemical reasons, it is necessary to measure the internal resistance in the section between the charge limit voltage and discharge limit voltage of the secondary battery, and measurement is required to measure the entire section. A separate charge/discharge control is required for this measurement, and there is a disadvantage that the secondary battery cannot be used during this measurement time.
  • OCV Open Circuit Voltage
  • Electrochemical Impedance Spectroscopy measures the change in output according to variable frequency input and projects it on the Nyquist diagram to measure the impedance. It measures the internal resistance of the battery to determine the degree of deterioration. . This enables precise measurement of AC and DC impedance, and the degree of deterioration in a normal state can be determined.
  • the measurement time is rather long, from several seconds to several minutes, and that a frequency control input circuit and a complicated calculation process for frequency measurement and spectrum analysis are required, and the control circuit is complex, difficult to miniaturize, and expensive. .
  • the off-gas detection method detects when the secondary battery internal gas is generated in the process of reaching a thermal runaway situation, and the internal gas is released to the outside after swelling, blocking the battery connection to prevent fire. is to prevent
  • This is a C2H4 (ethylene gas) detection method that detects and blocks physical phenomena that appear before a fire occurs, and installs and detects sensors around secondary batteries. This has problems in that undetected cases may occur depending on the structure of the internal air circulation, the installation cost is expensive, and the degree of deterioration cannot be determined in a normal state.
  • Embodiments are intended to solve the above-mentioned problems of the prior art, by analyzing the response characteristics for the temporary transient condition of the battery output, that is, by analyzing the current / voltage response pattern, the circuit is simpler and more chargeable than the conventional EIS spectroscopy.
  • a device and method for real-time battery monitoring using transient response analysis which can be measured even in discharge conditions.
  • measurements can be made regardless of the charging/discharging/idling state of the battery, and the time required for measurement is tens of thousands of seconds (100usec), minimizing the measurement time and power consumption required for impedance measurement.
  • a real-time battery monitoring device using transient response analysis includes a monitoring circuit connected to a battery; and controlling the monitoring circuit to measure voltage and current of the battery, estimate an internal resistance of the battery based on the measured voltage and current, and compare the estimated internal resistance with a preset threshold, and a processor determining deterioration of the battery.
  • the monitoring circuit may include a switch element connected to one end of the battery, an inductor connected in series with one end of the switch element, and a diode connected in series with the inductor; a capacitor connected in series with the diode; and a resistor connected in parallel with the capacitor.
  • the processor in order to analyze the response characteristics of the battery in the process of charging the output of the battery to the capacitor in a discharged state, turns off the switch element to discharge the voltage charged in the capacitor through the resistor, , After a lapse of a predetermined time, the switch element is turned on to charge the capacitor with power of the battery, and the current and voltage of the battery are measured during the charging period.
  • the processor estimates the internal resistance of the battery based on the change in the peak value of the current and the peak value of the voltage, normalizes the internal resistance according to the following equation, [Equation]
  • a switching time including turn-off and turn-on of the switch may be within several milliseconds.
  • a control method of a real-time battery monitoring device including a monitoring circuit connected to a battery includes controlling the monitoring circuit to measure voltage and current of the battery; estimating internal resistance of the battery based on the measured voltage and current; and determining deterioration of the battery by comparing the estimated internal resistance with a preset threshold.
  • the measuring step turns off the switch element of the monitoring circuit, discharges the voltage charged in the capacitor of the monitoring circuit through a resistor, and turns on the switch element after a predetermined time has elapsed to obtain power of the battery. is charged in the capacitor, and during the charging period, the current and voltage of the battery may be measured.
  • the normalized internal resistance exceeds the threshold value, it may be determined that the battery is deteriorated.
  • a switching time including turn-off and turn-on of the switch may be within several milliseconds.
  • a recording medium recording a program for executing a control method of a real-time battery monitoring device according to another embodiment in a computer.
  • the real-time battery monitoring device and method using transient response analysis analyzes the response characteristics for the temporary transient condition of the battery output, that is, analyzes the current / voltage response pattern, so that the circuit is simpler than conventional EIS spectroscopy. Measurement is possible even under charging and discharging conditions.
  • measurements can be made regardless of the charging/discharging/idling state of the battery, and the measurement time is about tens of thousands of seconds (100usec), minimizing the measurement time and power consumption required for impedance measurement.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a battery monitoring device 100 according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a detailed schematic diagram of the battery monitoring device 100 shown in FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a battery monitoring device 100 according to another embodiment.
  • 4 to 6 are exemplary diagrams for analyzing transient response characteristics of the battery shown in FIG. 3 .
  • FIG. 7 is a circuit diagram illustrating a battery monitoring device 100 according to another embodiment.
  • 8 to 12 are simulation result diagrams for explaining battery internal resistance.
  • the battery refers to a rechargeable secondary battery, and may be, for example, a lithium ion battery.
  • the terms “battery” or “secondary battery” are used in the same meaning.
  • the battery may be a battery used in an energy storage system (ESS).
  • ESS refers to a device that can store and use electric energy produced by frequency adjustment for frequency stabilization of the power system, thermal power, nuclear power, and renewable energy generation using solar and wind power.
  • An energy storage device that stores chemically is composed of a battery, a battery management system (BMS), a power conversion system (PCS), and a power management system (PMS) operating software. Batteries serve to store electrical energy in the form of chemical energy.
  • the BMS can be divided into a cell (or module) BMS in charge of controlling individual battery cells and a pack BMS in charge of overall management and control of the battery pack.
  • the real-time battery monitoring device may work in conjunction with the ESS system or as a functional module within the ESS system.
  • the real-time battery monitoring device may be implemented in conjunction with the battery BMS or combined as a circuit function module of the BMS.
  • the real-time battery monitoring device is applicable not only to the aforementioned ESS system, but also to all applications using secondary batteries or batteries, such as electric vehicles, drones, industrial mobile robots, and service mobile robots.
  • an Intermittent Current Interruption (ICI) method is improved to analyze the aging behavior of a commercial lithium ion battery.
  • ICI Intermittent Current Interruption
  • an instantaneous change in battery output is measured by connecting a battery output line to a discharged capacitor load through an ON-OFF control circuit.
  • it is suitable for real-time online monitoring because it can measure faster than the existing ICI method without blocking control for measurement.
  • the implementation circuit is very simple, the cost can be minimized.
  • the method is very effective through simulation analysis using a battery equivalent circuit model and actual measurement experiment results for a commercial battery module.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a battery monitoring device 100 according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a detailed schematic diagram of the battery monitoring device 100 shown in FIG. 1 .
  • the battery monitoring device 100 is connected to the battery 10 .
  • the battery monitoring device 100 may be some functional modules of an ESS or some functional modules of a battery management system (BMS).
  • BMS battery management system
  • the battery monitoring device 100 controls the monitoring circuit 120 to measure the voltage and current of the battery 10, and estimates the internal resistance of the battery 10 based on the measured voltage and current.
  • the battery monitoring device 100 includes a processor 110 that determines deterioration of the battery 10 by comparing the estimated internal resistance with a preset threshold.
  • the processor 110 includes a switching control unit 111, a voltage detection unit 112, a current detection unit 113, and a degradation determination unit 114.
  • the switching control unit 111 includes a battery 10 and a monitoring circuit ( 120) and controls on/off of the switch connected between them.
  • the voltage detector 112 measures the output voltage of the battery 10 or a change in the output voltage when the switch is turned on/off. ) measures the output current of the battery 10 or the peak value of the output current, etc. at the time of switch-on.
  • the degradation determination unit 114 estimates the internal resistance of the battery 10 based on the measured voltage and current, Deterioration of the battery is determined by comparing the internal resistance with a threshold value, wherein the threshold value is a preset internal resistance value that can be set differently depending on battery characteristics, applications, and the like.
  • FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a battery monitoring device 100 according to another embodiment.
  • the battery 10 is connected to the monitoring circuit 120 .
  • the monitoring circuit 120 includes a switch (S) turned on/off by the switching controller 111, an inductor (L2) connected to one end of the switch (S), a diode (D1), a capacitor (CL), and a capacitor (CL). and a resistor RL connected in parallel with
  • Inductor L2 serves to limit transient current peaks from battery 10 .
  • Diode D1 performs a reverse voltage protection function.
  • Capacitor (CL) performs the function of a load to create a transient transient response condition.
  • a resistor RL connected in parallel with the capacitor CL serves as a resistor for initial discharging of the capacitor CL.
  • 4 to 6 are exemplary diagrams for analyzing transient response characteristics of the battery shown in FIG. 3 .
  • the voltage of the capacitor CL gradually increases from 0V and is charged up to the battery voltage VB.
  • the voltage output of the battery voltage VB changes in the form of a voltage drop in proportion to the current output of the battery according to the transient input with respect to the transient input with respect to the internal resistance changes Rs and Rp of the battery.
  • the battery current decreases from reaching a peak value at a time when the battery voltage is minimum to a time when the capacitor is completely charged.
  • the change in the internal resistance of the battery that is, the change that is the criterion for determining deterioration can be divided into a DC component and an AC component.
  • the DC component is a series resistance component
  • the AC component is a component for changes in the transfer characteristics of internal ions.
  • the transient response current/voltage
  • the transient response causes a difference between the peak value of the current and the variation of the voltage output. Therefore, by measuring and analyzing these output patterns, it is possible to diagnose changes in internal resistance of the battery.
  • FIG. 7 is a circuit diagram illustrating a battery monitoring device 100 according to another embodiment.
  • FIG. 7 it is a circuit diagram in which the battery 10 is modeled as the following battery equivalent circuit and the monitoring circuit shown in FIG. 4 is combined.
  • v and i are the battery terminal voltage and current, respectively
  • the circuit for transient state control is the switch element (SW1, MOSFET) and the RC load.
  • Rs, Rp, C1, and L1 are inductance components resulting from battery resistance, charge transfer, double layer effect, and battery module structure that occur on a time scale of less than 1 ms. This time can be thought of as a transient period.
  • the load capacitor CL plays a role of generating voltage and current changes of the battery including a transient state while the capacitor is charged from a discharge state to a fully charged state using the control of the switch S.
  • the transient response of a battery in a transient state can be expressed in two modes as follows. First, in mode 0, the switch S is turned off, the load capacitor CL is discharged through the resistor RL, and the potential VCL between the terminals of the load capacitor CL is maintained at 0V. In mode 1, the state of SW1 changes from off to on and the battery starts charging into the load capacitor (CL). Then, the charging current i(t) is changed until the level of potential VCL is equal to VB.
  • the voltage of the RLC circuit according to the battery model at time t and the battery internal voltage vi(t) are expressed in Equations 1 and 2 below.
  • Equation 3 The load-side potential vL changed by the battery current i(t) is expressed in Equations 3 and 4 below.
  • 8 to 12 are simulation result diagrams for explaining battery internal resistance.
  • the experiment process measures the voltage and current of the battery terminal in the battery charging interval, the discharging period, the control circuit generating the transient state, and the transient state to set the no-load state output voltage (OCV, Open Circuit Voltage) condition of the battery.
  • OCV Open Circuit Voltage
  • the experiment process measures the voltage and current of the battery terminal in the battery charging interval, the discharging period, the control circuit generating the transient state, and the transient state to set the no-load state output voltage (OCV, Open Circuit Voltage) condition of the battery.
  • OCV Open Circuit Voltage
  • the lithium ion battery sample used in this experiment is a commercial product used in the actual ESS field. did Each of the three samples was aged to battery module aging conditions as follows.
  • the test procedure for measuring the internal impedance of a commercial battery module is as follows. First, each battery module sample is charged under the same OCV condition. Then, after discharging is performed until reaching the next step specified in the test procedure, the internal impedance in the idle state at each step specified in the test procedure and the voltage in the transient state through the charge/discharge control to the capacitor load. /Measure the current curve.
  • the internal resistance of each battery module as a result of measurement is as shown in FIG. 9 . It can be seen that the internal resistance measurement result tends to increase proportionally according to the degree of aging of the battery. However, it was confirmed that the width of the internal resistance change of each battery module appeared differently depending on the OCV level condition. Therefore, these results indicate that online monitoring of internal resistance is necessary for battery safety at all levels of SOC.
  • the voltage peak change in the normal operating state of each module under the same OCV level condition increases in proportion to the cause of the internal impedance according to aging progress. Also, the change in peak current output during transients is linearly proportional to the OCV level. Therefore, a normalization process is required to extract internal resistance information for each OCV level using the measured information on the peak current and voltage change in the transient state of the battery.
  • FIGS. 11 and 12 it is a normalization result for measurement data of three battery modules having different degrees of aging.
  • FIG. 11 is a measurement result of peak current (ipeak) of battery modules in a transient condition according to an OCV step
  • FIG. 12 is a normalization result of voltage and peak current in a transient condition according to an OCV step. This result shows that the normalization result of the voltage and current measurement values according to the internal impedance change of the lithium-ion battery module is proportional to the degree of aging of each battery module.
  • the simulation analysis using the battery circuit equivalent model is as follows. First, a battery equivalent model including the internal inductance parameter was applied to analyze the transient response characteristics of the lithium ion battery output in a transient state according to the change in the internal impedance of the lithium ion battery.
  • the parameters for the battery internal resistance (Rs, Rp) applied to the battery circuit model use values based on the measurement results of three battery modules with different degrees of aging used in the measurement test to compare the measurement results and simulation results. did
  • the real-time battery monitoring device and method according to the embodiment can measure the internal impedance within hundreds of microseconds without temporarily stopping battery operation, and is very effective in online monitoring the change in internal impedance. .
  • the real-time battery monitoring apparatus and method determines deterioration information of all battery cells of a battery or ESS, and then sends an alarm indicating that a specific battery or battery cell has deteriorated so that a user or system operator can check. It can be printed out or displayed as a warning on the display panel.
  • a device includes a processor, a memory for storing and executing program data, a permanent storage unit such as a disk drive, a communication port for communicating with an external device, a user interface such as a touch panel, a key, and a button. interface devices and the like.
  • Methods implemented as software modules or algorithms may be stored on a computer-readable recording medium as computer-readable codes or program instructions executable on the processor.
  • the computer-readable recording medium includes magnetic storage media (e.g., read-only memory (ROM), random-access memory (RAM), floppy disk, hard disk, etc.) and optical reading media (e.g., CD-ROM) ), and DVD (Digital Versatile Disc).
  • a computer-readable recording medium may be distributed among computer systems connected through a network, and computer-readable codes may be stored and executed in a distributed manner. The medium may be readable by a computer, stored in a memory, and executed by a processor.
  • an embodiment may be presented as functional block structures and various processing steps. These functional blocks may be implemented with any number of hardware or/and software components that perform specific functions.
  • an embodiment is an integrated circuit configuration such as memory, processing, logic, look-up table, etc., which can execute various functions by control of one or more microprocessors or other control devices. can employ them.
  • embodiments may include various algorithms implemented as data structures, processes, routines, or combinations of other programming constructs, such as C, C++ , Java (Java), can be implemented in a programming or scripting language such as assembler (assembler).
  • Functional aspects may be implemented in an algorithm running on one or more processors.
  • the embodiment may employ conventional techniques for electronic environment setting, signal processing, and/or data processing.
  • Terms such as “mechanism”, “element”, “means” and “composition” may be used broadly and are not limited to mechanical and physical components. The term may include a meaning of a series of software routines in association with a processor or the like.

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Abstract

실시 예들은 과도응답분석을 이용한 실시간 배터리 모니터링 장치 및 방법에 관한 것으로, 일 실시 예에 따른 실시간 배터리 모니터링 장치는 배터리와 접속된 모니터링회로 및 모니터링 회로를 제어하여, 배터리의 전압 및 전류를 측정하고, 측정된 전압 및 전류를 기초로 배터리의 내부 저항을 추정하고, 추정된 내부 저항과 미리 설정된 임계값을 비교하여, 배터리의 열화를 판단하는 프로세서를 포함한다.

Description

과도응답분석을 이용한 실시간 배터리 모니터링 장치 및 방법
실시 예들은 과도응답분석을 이용한 실시간 배터리 모니터링 장치 및 방법에 관한 것이다.
이차전지는 열화정도에 따라 내부저항이 증가할 수 있으며 이는 이차전지의 용량손실과 사용시 내부발열 증가의 원인으로 작용할 수 있다. 이러한 현상은 열적스트레스가 직접적인 원인으로 작용될 수 있으며 반복적인 사용횟수에 따라 열화는 점진적으로 진행되며 경우에 따라 열폭주현상에 따른 화재발생으로 이어지는 사고, 예를 들면 ESS(Energy Storage System) 화재, 전기차 화재 등이 빈번히 발생하고 있다. 따라서 배터리의 열화정도 및 열폭주 현상을 발생 전 미리 감지하고 방지하기 위한 다양한 기술이 제안되고 있다.
종래의 내부저항 측정방식은 SOC 전구간에 대하여 반복적인 충방전 운전을 통한 임피던스 측정하는 것이다. 휴지 상태의 OCV(Open Circuit Voltage, 이하 OCV)와 충방전 시 상승 및 하강하는 전압을 측정하는 것이다. 이차전지의 내부저항은 전기화학적 이유 등으로 SOC별 편차가 있기 때문에 이차전지의 충전한계전압 및 방전한계전압 사이의 구간에 대한 내부저항 측정이 필요하다는 점과, 전 구간에 대한 측정을 위해서는 측정을 위한 별도의 충방전 제어가 필요하며 이러한 측정 시간동안 이차전지 사용이 불가하다는 단점이 있다.
전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, 이하 EIS)은 가변주파수 입력에 따른 출력의 변화를 측정하여 나이퀴스트 선도상에 투영하여 임피던스를 측정하는 방법으로 배터리 내부저항을 측정하여 열화정도를 판단하는 것이다. 이는 AC, DC임피던스에 대한 정밀 측정이 가능하고, 정상상태에서의 열화정도 판단 가능하다. 하지만, 측정시간이 수초 내지 수분으로 다소 오래 걸린다는 점과, 주파수 제어입력 회로와 주파수 측정 및 스펙트럼 분석에 대한 복잡한 연산과정이 필요하고, 제어회로가 복잡하고, 소형화가 어려우며, 고비용이라는 단점이 있다.
Off-gas 감지 방법은 이차전지가 열폭주 상황에 이르는 과정에서 이차전지 내부 가스가 발생하고, 스웰링 현상, 즉 부풀어오른 후 내부 가스가 외부로 방출되었을 때 이를 감지하여 배터리 연결을 차단하여 화재를 방지하는 것이다. 이는 C2H4(에틸렌가스) 검출방식으로 화재발생 전 나타나는 물리적인 현상을 검출하여 차단하는 방식으로 이차전지 주변에 센서를 설치하고 감지하는 것이다. 이는 내부 공기순환의 구조에 따라 미검출 사례가 발생할 수 있으며, 설치비용이 고가이고, 정상상태에서의 열화정도 판단 불가하다는 문제점이 있다.
실시 예들은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배터리 출력의 일시적인 과도상태조건에 대한 응답특성을 분석, 즉 전류/전압 응답 패턴을 분석함으로써, 종래의 EIS분광법에 비해 회로가 간편하고 충방전 조건에서도 측정이 가능한, 과도응답분석을 이용한 실시간 배터리 모니터링 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 배터리의 충전/방전/휴지 상태와 상관없이 측정이 가능하며 측정 시 소요되는 시간이 수만분의 1초(100usec)로 측정시간과 임피던스 측정에 필요한 전력소모를 최소화할 수 있다.
또한, 각각 이차전지 또는 배터리의 운용 중 실시간 변화추이 분석으로 열화상태진단 가능하다.
실시 예에 따른 과도응답분석을 이용한 실시간 배터리 모니터링 장치는 배터리와 접속된 모니터링회로; 및 상기 모니터링 회로를 제어하여, 상기 배터리의 전압 및 전류를 측정하고, 상기 측정된 전압 및 전류를 기초로 상기 배터리의 내부 저항을 추정하고, 상기 추정된 내부 저항과 미리 설정된 임계값을 비교하여, 상기 배터리의 열화를 판단하는 프로세서를 포함한다.
상기 모니터링 회로는, 상기 배터리의 일단과 연결된 스위치 소자, 상기 스위치 소자의 일단과 직렬 연결된 인덕터, 상기 인덕터와 직렬 연결된 다이오드; 상기 다이오드와 직렬 연결된 커패시터; 및 상기 커패시터와 병렬 연결된 저항을 포함할 수 있다.
상기 프로세서는, 배터리의 출력을 방전된 상태의 상기 커패시터로 충전하는 과정에서의 배터리의 응답특성을 분석하기 위하여, 상기 스위치 소자를 턴 오프시켜, 상기 커패시터에 충전된 전압을 상기 저항을 통해 방전시키고, 소정의 시간 경과 후, 상기 스위치 소자를 턴 온시켜, 상기 배터리의 전력을 상기 커패시터에 충전시키고, 상기 충전기간 동안에, 상기 배터리의 전류 및 전압을 측정하는 방식으로 구성된다.
상기 프로세서는, 상기 전류의 피크치 및 상기 전압의 피크치의 변화를 기초로 상기 배터리의 내부 저항을 추정하고, 다음 수학식에 따라 상기 내부 저항을 정규화하고, [수학식]
Figure PCTKR2022012659-appb-img-000001
상기 정규화된 내부 저항이 상기 임계값을 벗어난 경우, 상기 배터리가 열화되었다고 판단할 수 있다.
상기 스위치의 턴 오프 및 턴 온을 포함하는 스위칭 시간은 수 msec 이내일 수 있다.
다른 실시 예에 따른 배터리와 접속된 모니터링회로를 포함한, 실시간 배터리 모니터링 장치의 제어 방법은 상기 모니터링 회로를 제어하여, 상기 배터리의 전압 및 전류를 측정하는 단계; 상기 측정된 전압 및 전류를 기초로 상기 배터리의 내부 저항을 추정하는 단계; 및 상기 추정된 내부 저항과 미리 설정된 임계값을 비교하여, 상기 배터리의 열화를 판단하는 단계를 포함한다.
상기 측정 단계는, 상기 모니터링 회로의 스위치 소자를 턴 오프시켜, 상기 모니터링 회로의 커패시터에 충전된 전압을 저항을 통해 방전시키고, 소정의 시간 경과 후, 상기 스위치 소자를 턴 온시켜, 상기 배터리의 전력을 상기 커패시터에 충전시키고, 상기 충전기간 동안에, 상기 배터리의 전류 및 전압을 측정할 수 있다.
상기 전류의 피크치 및 상기 전압의 피크치의 변화를 기초로 상기 배터리의 내부 저항을 추정하고, 다음 수학식에 따라 상기 내부 저항을 정규화하고,
[수학식]
Figure PCTKR2022012659-appb-img-000002
상기 정규화된 내부 저항이 상기 임계값를 벗어나는 경우, 상기 배터리가 열화되었다고 판단할 수 있다.
상기 스위치의 턴 오프 및 턴 온을 포함하는 스위칭 시간은 수 msec 이내일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 실시간 배터리 모니터링 장치의 제어 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체를 포함한다.
실시 예에 따른 과도응답분석을 이용한 실시간 배터리 모니터링 장치 및 방법은 배터리 출력의 일시적인 과도상태조건에 대한 응답특성을 분석, 즉 전류/전압 응답 패턴을 분석함으로써, 종래의 EIS분광법에 비해 회로가 간편하고 충방전 조건에서도 측정이 가능하다.
또한, 배터리의 충전/방전/휴지 상태와 상관없이 측정이 가능하며 측정 시 소요되는 시간이 약 수만분의 1초(100usec)로 측정시간과 임피던스 측정에 필요한 전력소모를 최소화할 수 있다.
또한, 각각 이차전지의 운용 중 실시간 변화추이 분석으로 열화상태진단 가능하다.
도 1은 일 실시 예에 따른 배터리 모니터링 장치(100)의 개략 도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 모니터링 장치(100)의 상세 개략 도이다.
도 3은 다른 실시 예에 따른 배터리 모니터링 장치(100)를 설명하기 위한 회로 도이다.
도 4 내지 6은 도 3에 도시된 배터리의 과도응답특성을 분석하는 예시 도들이다.
도 7은 또 다른 실시 예에 따른 배터리 모니터링 장치(100)를 설명하기 위한 회로도이다.
도 8 내지 12는 배터리 내부 저항을 설명하기 위한 시뮬레이션 결과 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시 예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시 예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 해당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
실시 예에서, 배터리는 재충전가능한 이차전지를 의미하는 것으로, 예를 들면 리튬이온전지일 수 있다. 실시 예에서, 용어 “배터리” 또는 “이차전지”는 동일한 의미로 사용한다.
실시 예에서, 배터리는 에너지 저장 장치(Energy Storage System, 이하 ESS)에 사용되는 전지일 수 있다. ESS는 전력계통의 주파수안정을 위한 주파수조정과, 화력이나 원자력, 그리고 태양광 및 풍력을 이용한 신재생 에너지 발전 등으로 생산된 전기 에너지를 저장하고 필요할 때 사용할 수 있는 장치를 말한다. 화학적으로 저장하는 에너지 저장 장치는 배터리와 BMS(Battery Management System), 전력 변환장치인 PCS(Power Conversion System), 운영 소프트웨어인 PMS(Power Management System)로 구성된다. 배터리는 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 저장하는 역할을 수행한다. BMS는 개별 배터리 셀의 제어를 담당하는 셀(혹은 모듈) BMS와 배터리 팩의 총괄적인 관리 및 제어 역할을 수행하는 팩 BMS로 구분할 수 있다.
실시 예에서, 실시간 배터리 모니터링 장치는 ESS 시스템과 연동하여, 또는 ESS 시스템 내의 기능모듈로서 역할을 할 수 있다. 또한, 실시간 배터리 모니터링 장치는 배터리 BMS와 연동하여, 또는 BMS의 회로 기능 모듈로서 결합하여 구현할 수도 있다.
실시 예에서, 실시간 배터리 모니터링 장치는, 전술한 ESS 시스템뿐만 아니라, 전기차, 드론, 산업용 이동 로봇, 서비스용 이동 로봇 등 이차전지 또는 배터리를 사용하는 모는 응용에 적용가능함은 물론이다.
실시 예에서, 상용 리튬 이온 배터리의 노화 거동을 분석하기 위해 ICI(Intermittent Current Interruption) 방법을 개선한다. 종래의 ICI 방법으로 배터리의 내부 임피던스를 측정하기 위해서는 측정하고자 하는 시점에서 인위적으로 정해진 충전 또는 방전 제어과정을 수행해야 한다. 따라서 ICI 방법을 적용하기 위해서는 실제 시스템에서 배터리를 정상적인 목적으로 사용할 수 없다는 문제점이 있다. 실시 예에 따른 배터리 모니터링 장치의 회로 모델은 ON-OFF 제어 회로를 통해 방전된 커패시터 부하에 배터리 출력 라인을 연결하여 배터리 출력의 순간적인 변화를 측정한다. 또한, 측정을 위한 차단 제어 없이 기존의 ICI 방법보다 빠르게 측정할 수 있어 실시간 온라인 모니터링에 적합하다. 또한, 구현 회로가 매우 간단하기 때문에 비용을 최소화할 수 있다.
실시 예에서, 배터리 등가회로 모델을 적용한 시뮬레이션 분석과 상용 배터리 모듈에 대한 실제 측정 실험 결과 등을 통해 매우 효과적인 방법임을 확인할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 배터리 모니터링 장치(100)의 개략 도이다. 도 2는 도 1에 도시된 배터리 모니터링 장치(100)의 상세 개략 도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 배터리 모니터링 장치(100)는 배터리(10)와 연결된다. 배터리 모니터링 장치(100)는 ESS의 일부 기능 모듈 또는 배터리 관리 시스템(BMS)의 일부 기능 모듈일 수 있다. 배터리 모니터링 장치(100)는 모니터링 회로(120)를 제어하여, 배터리(10)의 전압 및 전류를 측정하고, 측정된 전압 및 전류를 기초로 배터리(10)의 내부 저항을 추정한다. 또한, 배터리 모니터링 장치(100)는 추정된 내부 저항과 미리 설정된 임계값을 비교하여, 배터리(10)의 열화를 판단하는 프로세서(110)를 포함한다.
프로세서(110)는 스위칭 제어부(111), 전압 감지부(112), 전류 감지부((113) 및 열화 판단부(114)를 포함한다. 스위칭 제어부(111)는 배터리(10)와 모니터링 회로(120)사이에 접속된 스위치의 온/오프를 제어한다. 전압 감지부(112)는 스위치의 온/오프 시에 배터리(10)의 출력 전압 또는 출력 전압의 변화를 측정한다. 전류 감지부(112)는 스위치 온시에 배터리(10)의 출력 전류 또는 출력 전류의 피크치 등을 측정한다. 열화 판단부(114)는 측정된 전압 및 전류를 기초로 배터리(10)의 내부 저항을 추정하고, 추정된 내부 저항과, 임계값을 비교하여 배터리의 열화를 판단한다. 여기서, 임계값은 미리 설정된 내부 저항값으로, 배터리의 특성, 응용 등에 따라 다르게 설정할 수 있는 값이다.
도 3은 다른 실시 예에 따른 배터리 모니터링 장치(100)를 설명하기 위한 회로 도이다.
도 3을 참조하면, 배터리(10)는 모니터링 회로(120)와 접속된다. 모니터링회로(120)는 스위칭 제어부(111)에 의해 온/오프되는 스위치(S)와, 스위치(S)의 일단과 연결된 인덕터(L2), 다이오드(D1), 커패시터(CL), 커패시터(CL)와 병렬로 연결된 저항(RL)을 포함한다.
인덕터(L2)는 배터리(10)로부터 과도전류 피크를 제한하는 기능을 수행한다. 다이오드(D1)는 역전압 방지 기능을 수행한다. 커패시터(CL)는 일시적 과도응답조건을 생성하기 위한 부하의 기능을 수행한다. 커패시터(CL)와 병렬로 연결된 저항(RL)는 커패시터(CL)의 초기 방전용 저항의 기능을 수행한다.
도 4 내지 6은 도 3에 도시된 배터리의 과도응답특성을 분석하는 예시 도들이다.
도 4를 참조하면, 스위치(S)가 오프 상태인 경우, 배터리 전압(VB)은 일정하게 유지되고, 커패시터(CL)의 충전 전압(VCL)은 저항(RL)을 통해 방전되어, 시간이 지나면 O V가 된다.
도 5 및 6을 참조하면, 스위치(SW1)가 온 상태로 천이된 경우, 커패시터(CL)의 전압은 0V에서 서서히 증가하여, 배터리 전압(VB)까지 충전된다. 한편, 배터리 전압(VB)는 배터리 내부 저항변화(Rs, Rp)에 대하여 과도입력에 대하여 과도입력에 따른 배터리의 전류출력에 비례하여 전압강하 형태로 전압출력의 변화가 생기게 된다. 또한, 배터리 전류는 배터리 전압이 최소가 되는 시점에 피크값이 된 후로 커패시터 충전 완료시점까지 감소하게 된다.
여기서, 배터리 내부저항의 변화, 즉 열화 판단의 기준이 되는 변화는 DC 성분과 AC 성분으로 구분할 수 있다. DC성분은 직렬저항성분이며 AC성분은 내부 이온의 전달특성의 변화에 대한 성분이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 배터리의 내부저항이 변화됨에 따라 과도응답(전류/전압)은 전류의 피크값과 전압출력의 변동에 차이가 발생하게 된다. 따라서 이러한 출력패턴을 측정 및 분석함으로써 배터리의 내부저항의 변화추이에 대한 진단이 가능하다.
도 7은 또 다른 실시 예에 따른 배터리 모니터링 장치(100)를 설명하기 위한 회로 도이다.
도 7을 참조하면, 배터리(10)를 다음과 같은 배터리 등가회로로 모델링하고, 도 4에 도시된 모니터링 회로를 결합한 회로도이다. 여기서 v, i는 각각 배터리 단자 전압 및 전류이고, 과도 상태 제어를 위한 회로는 스위치 소자(SW1, MOSFET) 및 RC 부하이다. vj, j=0,1,2는 각각 Rs, Rp 및 L1에 걸친 과전위 전압(overpotential voltage)이다. 여기서, Rs, Rp, C1 및 L1는 1㎳ 미만의 시간 스케일에서 발생하는 배터리 저항, 전하 이동, 이중층 효과, 배터리 모듈 구조상에 기인한 인덕턴스 성분이다. 이러한 시간은 일시적 과도 기간(transient period)으로 생각할 수 있다. 또한, 회로 모델에서 부하 커패시터(CL)는 스위치(S)의 제어를 이용하여 커패시터가 방전 상태에서 완전 충전 상태로 충전되는 동안 과도 상태를 포함하는 배터리의 전압 및 전류 변화를 발생시키는 역할을 한다. 과도 상태에서 배터리의 과도 응답은 다음과 같이 두 가지 모드로 표현할 수 있다. 먼저 모드 0에서는 스위치(S)가 턴-오프 상태이고 부하 커패시터(CL)이 저항(RL)을 통해 방전되고, 부하 커패시터(CL) 단자 사이의 전위 VCL이 0V로 유지된다. 모드 1에서 SW1 상태가 오프에서 온으로 변경되고 배터리가 부하 커패시터(CL)로 충전을 시작한다. 그후, 충전 전류 i(t)는 전위 VCL 레벨이 VB와 같을 때까지 변경된다.
다시 도 7을 참조하면, 시간 t를 기준으로 배터리 모델에 따른 RLC회로의 전압, 배터리내부전압 vi(t)은 다음 수학식 1 및 2와 같다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2022012659-appb-img-000003
[수학식 2]
Figure PCTKR2022012659-appb-img-000004
배터리 전류, i(t)에 의해 변화되는 부하측 전위 vL은 다음 수학식 3 및 4와 같다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2022012659-appb-img-000005
[수학식 4]
Figure PCTKR2022012659-appb-img-000006
따라서, 과도상태에서의 배터리 출력단자전압, VT의 변화는 다음 수학식 5 및 6과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 5]
Figure PCTKR2022012659-appb-img-000007
[수학식 6]
Figure PCTKR2022012659-appb-img-000008
도 8 내지 12는 배터리 내부 저항을 설명하기 위한 시뮬레이션 결과 도면들이다.
실시 예에 따른 실험과정은 배터리의 무부하상태 출력전압(OCV, Open Circuit Voltage)조건을 설정하는 배터리 충전기간, 방전기간, 과도 상태를 생성하는 제어 회로, 과도 상태에서 배터리 단자의 전압과 전류를 측정하는 디지털 오실로스코프로 구성할 수 있다.
도 8에 도시된 것처럼, 본 실험에 사용된 리튬이온 배터리 샘플은 실제 ESS 현장에서 사용되는 상용 제품으로 노화 정도에 따른 배터리 내부 임피던스의 변화를 시험하기 위해, 총 3가지 노화정도를 각는 샘플을 사용하였다. 세 가지 샘플 각각은 다음과 같이 배터리 모듈 열화 조건에 대해 노화되었다.
2개의 배터리 모듈(M1, M2)은 정상 작동 온도 23℃, 가속 노화 온도 50℃의 조건에서 300 사이클 동안 열화되었으며, 나머지 배터리 모듈(M3)은 정상 조건에서 단 1 사이클 동안 열화되었다. 배터리의 가속 노화 조건은 다음 수학식 7과 같이 정의할 수 있다.
[수학식 7]
Figure PCTKR2022012659-appb-img-000009
상용 배터리 모듈의 내부 임피던스를 측정하기 위한 시험 절차는 다음과 같다. 먼저 각 배터리 모듈 샘플을 동일한 OCV 조건으로 충전한다. 그후 시험 절차에서 규정한 다음 단계에 도달할 때까지 방전을 수행한 후 시험 절차에서 규정한 각 단계마다 아이들(idle) 상태의 내부 임피던스와 상기 커패시터 부하로의 충방전 제어를 통한 과도상태에서의 전압/전류 곡선을 측정한다.
각 배터리 모듈의 측정 결과에 대한 내부 저항은 도 9에 도시된 바와 같다. 내부 저항 측정 결과는 배터리의 노화 정도에 따라 비례적으로 증가하는 경향이 있음을 알 수 있다. 하지만, 각각의 배터리 모듈의 내부 저항 변화의 폭은 OCV 레벨 조건에 따라 서로 다르게 나타남을 확인하였다. 따라서 이러한 결과는 내부 저항의 온라인 모니터링이 SOC의 모든 수준에서 배터리 안전을 위한 온라인 모니터링이 필요함을 나타낸다.
도 10에 도시된 바와 같이, 동일한 OCV 레벨 조건에서 각 모듈의 정상 동작 상태에서의 전압 피크 변화는 노화 진행에 따른 내부 임피던스 원인에 비례하여 증가한다. 또한, 과도 상태에서 피크 전류 출력의 변화는 OCV 레벨에 선형적으로 비례한다. 따라서 배터리의 과도 상태에서 피크 전류 및 전압 변화에 대한 측정 정보를 이용하여 각 OCV 레벨에 대한 내부 저항 정보를 추출하기 위해서는 정규화 과정이 필요하다.
배터리 내부 임피던스의 과도 응답 특성에 대한 정규화는 다음 수학식 8과 같이 정의할 수 있다.
[수학식 8]
Figure PCTKR2022012659-appb-img-000010
도 11 및 12에 도시된 바와 같이, 노화 정도가 다른 3개의 배터리 모듈의 측정 데이터에 대한 정규화 결과이다. 도 11은 OCV 단계에 따라 과도조건에서의 배터리 모듈들의 피크 전류(ipeak)의 측정 결과이고, 도 12는 OCV 단계에 따라 과도 조건에서의 전압과 피크 전류의 정규화 결과이다. 이 결과는 리튬이온 배터리 모듈의 내부 임피던스 변화에 따른 전압 및 전류 측정값의 정규화 결과가 각 배터리 모듈의 노화 정도에 비례함을 보여준다.
실시 예에 따른 시뮬레이션에서, 배터리 회로 등가모델을 이용한 시뮬레이션 분석은 다음과 같다. 먼저, 리튬 이온 배터리의 내부 임피던스 변화에 따른 과도 상태에서 리튬 이온 배터리 출력의 과도 응답 특성을 분석하기 위해 내부 인덕턴스 파라미터를 포함한 배터리 등가 모델을 적용하였다. 배터리 회로모델에 적용되는 배터리 내부저항(Rs,Rp)에 대한 파라메터는 측정결과와 시뮬레이션결과와 비교하기 위하여 측정시험에 사용된 노화정도가 다른 3개의 배터리모듈의 측정결과를 기준으로 한 값을 사용하였다.
각 상용 배터리 모듈의 노화 상태에 따른 내부 임피던스 변화를 측정한 결과, 각 배터리 모듈의 노화 상태에 비례하여 내부 저항이 증가함을 알 수 있었다. 그러나 이러한 결과는 배터리 모듈의 OCV 레벨에 따라 내부 임피던스 증가 패턴이 다른 것으로 나타났다. 따라서 이러한 결과는 배터리의 노화에 따른 내부 임피던스의 변화를 온라인으로 모니터링하기 위해서는 배터리의 전체 동작 범위를 측정하고 분석할 필요가 있음을 보여준다. 또한, 측정된 배터리 모듈별 내부 임피던스 정보를 이용한 시뮬레이션 분석 결과, 과도 배터리의 전압 및 전류 출력 특성이 상용 배터리 모듈의 실험 결과와 매우 유사한 것을 확인하였다.
따라서, 실시 예에 따른 실시간 배터리 모니터링 장치 및 방법은 배터리 동작을 일시적으로 중단하지 않고 수백 마이크로초 이내에 내부 임피던스를 측정할 수 있으며, 내부 임피던스의 변화를 온라인으로 모니터링하는 데 매우 효과적이라는 것을 알 수 있다.
도시되지는 않았지만, 실시 예에 따른 실시간 배터리 모니터링 장치 및 방법은 배터리 또는 ESS의 모든 배터리 셀의 열화 정보를 판단한 후, 사용자 또는 시스템 운용자가 확인할 수 있도록, 특정 배터리 또 배터리 셀이 열화되었음을 알리는 알람을 출력하거나, 디스플레이 패널에 경고 표시를 할 수 있다.
일 실시 예에 따른 장치는 프로세서, 프로그램 데이터를 저장하고 실행하는 메모리, 디스크 드라이브와 같은 영구 저장부(permanent storage), 외부 장치와 통신하는 통신 포트, 터치 패널, 키(key), 버튼 등과 같은 사용자 인터페이스 장치 등을 포함할 수 있다. 소프트웨어 모듈 또는 알고리즘으로 구현되는 방법들은 상기 프로세서상에서 실행 가능한 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드들 또는 프로그램 명령들로서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체 상에 저장될 수 있다. 여기서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로 마그네틱 저장 매체(예컨대, ROM(read-only memory), RAM(random-access memory), 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예컨대, 시디롬(CD-ROM), 디브이디(DVD: Digital Versatile Disc)) 등이 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템들에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 판독 가능한 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 매체는 컴퓨터에 의해 판독가능하며, 메모리에 저장되고, 프로세서에서 실행될 수 있다.
도면에 도시된 실시 예들에서 참조 부호를 기재하였으며, 실시 예들을 설명하기 위하여 특정 용어들을 사용하였으나, 특정 용어에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 실시 예는 당업자에 있어서 통상적으로 생각할 수 있는 모든 구성 요소들을 포함할 수 있다.
실시 예는 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시 예는 하나 이상의 마이크로프로세서들의 제어 또는 다른 제어 장치들에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩 업 테이블(look-up table) 등과 같은 직접 회로 구성들을 채용할 수 있다. 본 발명에의 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 실시 예는 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적인 측면들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 실시 예는 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. “매커니즘”, “요소”, “수단”, “구성”과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.
실시 예에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 실시 예의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
실시 예의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 실시 예에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 실시 예에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 실시 예들이 한정되는 것은 아니다. 실시 예에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 실시 예를 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시 예의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.

Claims (10)

  1. 배터리와 접속된 모니터링회로; 및
    상기 모니터링 회로를 제어하여, 상기 배터리의 전압 및 전류를 측정하고, 상기 측정된 전압 및 전류를 기초로 상기 배터리의 내부 저항을 추정하고, 상기 추정된 내부 저항과 미리 설정된 임계값을 비교하여, 상기 배터리의 열화를 판단하는 프로세서를 포함하는, 실시간 배터리 모니터링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모니터링 회로는,
    상기 배터리의 일단과 연결된 스위치 소자,
    상기 스위치 소자의 일단과 직렬 연결된 인덕터,
    상기 인덕터와 직렬 연결된 다이오드;
    상기 다이오드와 직렬 연결된 커패시터; 및
    상기 커패시터와 병렬 연결된 저항을 포함하는, 실시간 배터리 모니터링 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 스위치 소자를 턴 오프시켜, 상기 커패시터에 충전된 전압을 상기 저항을 통해 방전시키고,
    소정의 시간 경과 후, 상기 스위치 소자를 턴 온시켜, 상기 배터리의 전력을 상기 커패시터에 충전시키고,
    상기 충전 기간 동안에, 상기 배터리의 전류 및 전압을 측정하는, 실시간 배터리 모니터링 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 전류의 피크치 및 상기 전압의 피크치의 변화를 기초로 상기 배터리의 내부 저항을 추정하고,
    다음 수학식에 따라 상기 내부 저항을 정규화하고,
    [수학식]
    Figure PCTKR2022012659-appb-img-000011
    상기 정규화된 내부 저항이 상기 임계값을 벗어나는 경우, 상기 배터리가 열화되었다고 판단하는, 실시간 배터리 모니터링 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 스위치의 턴 오프 및 턴 온을 포함하는 스위칭 시간은 수 msec 이내인, 실시간 배터리 모니터링 장치.
  6. 배터리와 접속된 모니터링회로를 포함한, 실시간 배터리 모니터링 장치의 제어 방법으로서,
    상기 모니터링 회로를 제어하여, 상기 배터리의 전압 및 전류를 측정하는 단계;
    상기 측정된 전압 및 전류를 기초로 상기 배터리의 내부 저항을 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 내부 저항과 미리 설정된 임계값을 비교하여, 상기 배터리의 열화를 판단하는 단계를 포함하는, 실시간 배터리 모니터링 장치의 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 측정 단계는,
    상기 모니터링 회로의 스위치 소자를 턴 오프시켜, 상기 모니터링 회로의 커패시터에 충전된 전압을 저항을 통해 방전시키고,
    소정의 시간 경과 후, 상기 스위치 소자를 턴 온시켜, 상기 배터리의 전력을 상기 커패시터에 충전시키고,
    상기 충전 기간 동안에, 상기 배터리의 전류 및 전압을 측정하는, 실시간 배터리 모니터링 장치의 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전류의 피크치 및 상기 전압의 피크치의 변화를 기초로 상기 배터리의 내부 저항을 추정하고,
    다음 수학식에 따라 상기 내부 저항을 정규화하고,
    [수학식]
    Figure PCTKR2022012659-appb-img-000012
    상기 정규화된 내부 저항이 상기 임계값을 벗어나는 경우, 상기 배터리가 열화되었다고 판단하는, 실시간 배터리 모니터링 장치의 제어 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 스위치의 턴 오프 및 턴 온을 포함하는 스위칭 시간은 수 msec 이내인, 실시간 배터리 모니터링 장치의 제어 방법.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 실시간 배터리 모니터링 장치의 제어 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010034541A1 (en) * 1997-09-15 2001-10-25 Cardiac Pacemakers, Inc. Method for monitoring end of life for battery
KR20150029204A (ko) * 2013-09-09 2015-03-18 삼성에스디아이 주식회사 배터리 팩, 배터리 팩을 포함하는 장치, 및 배터리 팩의 관리 방법
KR20170052937A (ko) * 2015-11-05 2017-05-15 영화테크(주) 배터리 센서를 이용한 자동차 배터리의 건강상태 추정방법
KR20190095754A (ko) * 2018-02-07 2019-08-16 주식회사 엘지화학 배터리를 위한 등가 회로 모델의 파라미터 추정 방법 및 배터리 관리 시스템
KR20210011235A (ko) * 2019-07-22 2021-02-01 주식회사 엘지화학 배터리 셀 진단 장치 및 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010034541A1 (en) * 1997-09-15 2001-10-25 Cardiac Pacemakers, Inc. Method for monitoring end of life for battery
KR20150029204A (ko) * 2013-09-09 2015-03-18 삼성에스디아이 주식회사 배터리 팩, 배터리 팩을 포함하는 장치, 및 배터리 팩의 관리 방법
KR20170052937A (ko) * 2015-11-05 2017-05-15 영화테크(주) 배터리 센서를 이용한 자동차 배터리의 건강상태 추정방법
KR20190095754A (ko) * 2018-02-07 2019-08-16 주식회사 엘지화학 배터리를 위한 등가 회로 모델의 파라미터 추정 방법 및 배터리 관리 시스템
KR20210011235A (ko) * 2019-07-22 2021-02-01 주식회사 엘지화학 배터리 셀 진단 장치 및 방법

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