KR20020064998A

KR20020064998A - 배터리 성능 측정 시스템 및 측정방법

Info

Publication number: KR20020064998A
Application number: KR1020027009076A
Authority: KR
Inventors: 싱하모반; 허비윌리엄씨; 후이크만리챠드비; 파라니사미티루말라이
Original assignee: 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
Priority date: 2000-01-12
Filing date: 2001-01-11
Publication date: 2002-08-10
Also published as: JP2003519900A; WO2001051947A1; US6469512B2; EP1247113A1; US20010033169A1; AU2001227818A1; CA2397420A1

Abstract

충전 배터리의 성능상태에 대한 인자들을 정확하고 실시간으로 판단하고 시스템 및 방법이 개시된다.

이 시스템은 배터리 온도(5), 전압(4) 및 배터리의 출입전류(3) 값들을 측정한다.

이 데이타는 컴퓨터내로 다중화(20)되고, 배터리의 내부저항(IR), 분극저항(PR), 충전상태(SCO), 및 그 냉크랭킹 앰프(CCA)용량이 비교되고 표시된다(6).

단락 및 부정합셀의 존재역시 판단되고 표시된다. 배터리의 성능상태는 표시된 측정값들 및 계산된 인자들에 관련도며 이들은 배터리의 사용자에게 알려지게 된다.

Description

배터리 성능 측정 시스템 및 측정방법{SYSTEM AND METHOD FOR DETERMINING BATTERY STATE-OF-HEALTH}

자동차, 비행기, 선박에 장착되거나 무정전 전원장치(uninterruptible power supply, UPS)와 같은 특수목적용으로 사용하는 배터리의 성능상태(state-of-health, SOH)를 아는 것은 자동차등이나 배터리에 의해 작동되는 전기 시스템의 작동신뢰도를 확고히 한다는 점에서 필요한 것이다.

배터리 성능 상태의 인자로는 무엇보다도 부하취급능력(load handling capability), 충전상태(state-of-charge, SOC) 및 저온시동한계(low temperature starting limit)를 들수 있다.

배터리 성능 상태(SOH)를 나타내는 인자를 측정하기 위한 현재의 접근방법은 배터리를 자동차나 기타 시스템에 장착하기 전에 배터리 SOC 및 기타 인자들을 측정하기 위한 실험실이나 정비공장에서 필요한 실험을 수행하는 것이다.

이같은 접근방법은 시간이 많이 소요되며, 시간을 줄이기 위하여 종종 장착전기 배터리 전압만을 측정하게 된다. 그러나 배터리의 전압만을 측정하는 것은 배터리의 충전상태(SOC)나, 배터리가 장착되는 자동차나 기타 시스템에서 배터리의 신뢰성 있는 작동을 확고히하기 위해 측정이 필요한 여러가지 작동조건하에서 부하 취급능력의 진정한 상태를 나타낸다고 볼수 없는 것이다.

또한 이들 기능은 자동차나 시스템에서 부하하에 작동될때 배터리 SOH에 관련된 인자들을 측정할 수 없는 것이다.

따라서 자동차나 시스템에 장착된 배터리의 모든 작동조건하에서 배터리 SOH를 보다 신뢰성 있고 보다 의미있게 제공하기 위해 간단하고도 신뢰성있는 방법으로 이들 배터리 인자를 실시간 감시할 필요가 있는 것이다.

또한 이들 인자의 상태를 배터리가 장착되는 자동차나 시스템의 조작자가 쉽게 이용할 수 있는 방법으로 표시하는 것이 바람직한 것이다.

본 발명은 여러가지 배터리인자의 상태나 조건을 측정함으로써 그 배터리의 사용자에게 그 배터리의 성능상태를 실시간으로 감시하고 표시하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 보다 완전한 이해를 위하여 본 발명을 첨부도면에 따라 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 배터리 모니터 시스템의 개락 다이어그램

도 2는 본 발명에 의한 시스템의 일실시예의 개략도 블록이다

본 발명은 배터리의 SOH에 관한 여러가지 인자를 정확히 측정하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다.

이 시스템은 자동차내부나 다른 위치에 있는 원격지점에도 위치될 수 있으나 바람직하게는 배터리와 일체로 설치되는 본 발명의 회로를 포함한다.

본 발명에 의하면, 배터리 온도측정, 배터리 전압 및 배터리의 출입 전류측정이 배터리가 하중하에 작동동안에 행해진다.

이 데이타를 이용하여 상기 시스템은 배터리의 내부저항(IR, internalresistance)을 계산한다.

측정된 전압 및 온도 파라메터 그리고 계산된 IR 과 PR을 이용하며, 상기 회로는 배터리 용량, SOC 및 CCAs(Cold Cranking Amperes)같은 다른 인자들을 계산한다.

배터리의 성능 및 상태에 관한 이들 인자들은 그 배터리에 직접 또는 원격지에서 표시될 수 있다.

이들 데이타의 이용은 배터리의 품질을 높이고 사용자에게 실제성능조건하에 그 유효성을 나타낸다.

즉, 사용자는 그 배터리가 그 용도에 적합하게 작동되는지 아니면 교체될 필요가 있는지 여부를 작동조건하에 실시간으로 쉽게 판단할 수 있는 것이다.

본 발명의 목적은 배터리의 모든 동작상태하에 그 SOH에 관한 배터리의 여러가지 성능 인자들을 측정하고, 계산하고 표시하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 배터리가 장착된 시스템에서 그 배터리가 작동되는 동안 그 성능상태(SOH)에 관한 여러가지 인자들을 실시간으로 측정하고, 계산하고 표시하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

나아가 본 발명의 다른 목적은 부하하에 배터리가 사용될 때 실시간으로 그 성능상태에 관한 여러가지 인자들은 모니터하고 표시하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부 도면에 따라 설명한다.

본 발명은 재충전형 배터리에 특히 유용하다.

본 발명은 예를들어 니켈-카드뮴, 리튬-이온 등과 같은 다른 재충전형 배터리에도 적용가능하나 예시적으로 납산 배터리(lead acid battery)에 대하여 설명한다.

도 1에 도시된 바와같이, 시스템은 배터리 1, 전자회로모듈 2, 전류센서 3, 전압센서 4, 온도센서 5, 및 디스플레이 6를 포함한다.

배터리 1은 예시적으로 (+) 및 (-) 단자를 갖는 하우징을 갖는 납산 형태의 것으로 도시되어 있다.

이 배터리는 자동차등에 장착되며 케이블에 의해 자동차의 전기 시스템에 그 (+) 및 (-) 단자가 연결되어 예를들어 시동모터, 조명, 에어 컨디셔닝, 계기등의 여러 사용처에 전력을 공급한다.

이 배터리는 또한 UPS 같은 특수목적용도(mission critical system)에도 장착될 수 있다.

전자회로 2는 아나로그 회로일수 있으나, 바람직하게는 후술되는 바와 같이 필요한 입력 및 출력 성분들을 갖는 디지탈 전자 마이크로 프로세서 30을 포함한다.

이같이 전자회로 2는, 도2를 참조하면, 마이크로프로세서 30과 멀티플렉서 20 및 아나로그-디지탈(A/D) 컨버트 22 형태로된 컴퓨터 입력 인터페이스를 포함한다.

센서 성분 3,4 및 5에 의해 측정된 전압, 전류 및 온도는 다중순서로 멀티플렉서 20을 통해 A/D 컨버터 22로 인가된다.

디지탈 형태의 측정 데이타는 마이크로 프로세서 30으로 인가된다.

마이크로 프로세서 30은 통상의 형태이며 여러가지 계산을 수행하기 위한 산술 논리 유니트의 통상적인 섹션, 멀티플렉서 20으로부터의 가변데이타 입력을 저장하는 랜덤 액세스 메모리(RAM)24, 응용 프로그램이 저장되는 고정기억 장치(Read On Memory, ROM), CPU(감시회로)27, 및 통신용 입력부/출력부 28 (필요하면 외부 호스트 프로세서와 함께)를 포함한다.

ROM은 EPROM(소거거능 PROM)이나 응용프로그램이 변형될 수 있는 비슷한 형태의 것일 수 있다.

이들 모두는 알려져 있는 것들이다.

마이크로 프로세서 30은 IR 및 PR과 같은 배터리 파라메터의 값을 계산하고, 이들로부터 저항(capacity), SOC 및 CCA같은 여러가지 배터리 인자를 판단하기 위하여 측정된 온도, 전압 및 전류 파라메터의 디지탈 값을 이용하도록 프로그램 된다.

전자회로 2는 도시된 바와 같이 배터리 상에 탑재되거나 원격위치에서 사용될 수 있다.

Amp/Hours로된 등급용량과 명목전압과 같은 배터리 1의 사양은 그 배터리가 제조될때 알려져 있으며, 그 정보는 마이크로 프로세서 30의 ROM 부위에 저장될 수 있다. 이들 값은 여러가지 계산에 이용된다.

전류센서 성분 3은 하중하에, 즉 충전 및 방전동안 배터리를 통해 전류를 측정한다. 이 전류 센서는 후술되는 바와 같은 여러가지 방법으로 설치 될 수 있다.

이들 각각의 기술은 A/D 컨버터 22에 의해 디지탈 형태로 변환시키기 위해 멀티플렉서 20을 통해 인가되는 아나로그 출력을 생성한다.

상기 전류 센서의 특정구형화는 그 적용처에 좌우되며 가격과 같은 인자를 고려하게 된다.

한가지 기술의 예는 배터리의 내부로 그리고 외부로 흐르는 전류를 검출하기 위해 배터리 단자 주위에 홀(Hall)전류 센서를 사용하는 것이다. 이는 설치하기는 쉬우나 전압강하로서 전류를 측정하는 저항요소를 사용할 때보다 가격이 비싸게 된다.

바람직한 구현화는 배터리 단자들(+ 혹은 -)중 어느 하나와 연결한, 주어진 값의 저항요소인 전류분로(current shunt)이다.

저항요소를 가로질러 측정된 전압은 배터리의 현재 출입 전류를 정확히 나타낸다.

상기 분로레지스터(shunt resistor)설치는 특정범위내에서 작동되어야 하는 배터리의 셀을 보호하기 위해 과충전 및 과방전을 방지하는데 시리즈 컷오프 스위치가 요구되는 리튬 이온 및 니켈 메탈 하이브리드 같은 배터리 화학품에 특히 바람직하다.

상기 스위치는 어떠한 사용배열에 연속하여 부가되어야 하기 때문에 낮은 값(오옴)의 보정된 레지스터를 부가하는 것이 다른 제조단계와 호환적이다.

납산 배터리는 상기 컷옵 스위치가 외부적이나 내부적으로 통상적으로 설치되지 않도록 고전류 및 고압스윙을 견딘다.

이같은 컷옵 스위치의 기능은 전형적으로 납산 배터리용 배터리 보다는 배터리 충전기내에 설치된다.

여기에서 케이블의 어느 하나도 분로레지스터가 직렬로 연결될 수 있다.

여러가지 전류 검출 수행 각각은 필요한 스케일링 및 필터링 회로를 가지며(미도시됨) 전류에 상응하는 전압으로 변환되는 출력을 생성한다.

이는 마이크로 프로세서 30에 의해 사용되도록 A/D 컨넥터 22에 의해 디지탈 데이타로 변환된다.

전압 검출 성분 4는 무부하(개방회로전압-OCV) 및 부하 조건하에서 배터리 1을 가로지르는 전압을 측정하는 전압계이다. 이는 증폭기로서 전압을 스케일링하고 버퍼링하고(도시되지 않음) 멀티플렉서 20을 통해 그 전압을 A/D 컨버터 22로 다중화함으로서 행해진다.

A/D 변환 단계를 생략하기 위해 디지탈 전압계가 또한 사용될 수 있다.

상기 전압계는 또한 전류를 측정하기 위해 상기 분도(shunt)를 가로지르는 전압을 측정하기 위해 사용될 수 있다.

후술하는 바와 같이 배터리 SOC를 판단하기 위해 상기 배터리 단자 전압 측정값을 이용한 수 있다.

배터리의 단자 전압 변동은 배터리 내부 저항(IR)을 계산하기 위하여 전류 측정값 변동과 함께 마이크로 프로세서 30에 의해 사용된다. 이에 대하여 후술하는 온도 센서 5는 공지의 반도체 소자나 열전대라고 부르는 RTDs(resistive temperature devices, 저항온도디바이스)로 구현화된다.

이같은 형태의 소자는 배터리내에 매설될 수 있다.

이같은 센서는 이미 리튬 배터리용 가스게이지 칩의 부품이다.

기본적으로, 상기 센서는 온도변화를 측정하고 센서를 통한 혹은 센서를 가로지르는 전압변화를 생성한다.

상기 전압출력은 멀티플렉서 20을 통해 A/D 컨버터 22로 다중화되고 마이크로 프로세서 30에 의해 처리되어 그 온도를 바로 표시하거나 그리고/또는 배터리 인자를 계산하게 된다.

표시 성분 6은 통상의 LCD, LED 혹은 기타 어떠한 필요한 증폭기를 이용하는 마이크로 프로세서 30으로 구동되는 통상의 디스플레이 일 수 있다.

디스플레이 6은 전압, 전류 및 온도 같은 측정값의 출력을 표시한다. 이는 또한 IR, PR, SOC, CCA(cold cranking hours) 및 저항 값과 같은 계산값들을 표시하고 이들은 배터리 SOH에 관련된 인자들이다. 여러가지 측정되고 계산된 값들을 표시함은 타임 베이스와 같이 자동적으로 행히질수 있다.

이 표시는 또한 예를들어 전압, IR, 변동과 같은 배터리 상태와 같은 이벤트 구동 베이스(event driven basis)로 될 수 있다.

또한 바람직하게는 그 값들은 온-콜(on-coll)디스플레이 하는 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 디스플레이는 케이스위에 재치하는 것과 같이 배터리상에 직접일체화 될 수 있다. 또한 그 배터리와 원격되게 배치할수도 있다. 디스플레이 6은 또한 전자회로 2와 함께 배치하거나 그로부터 원격하여 배치할 수 있다.

상기 회로는 다중화베이스로 연속적으로 측정된 배터리 온도, 전류 및 전압 파라메터를 개방회로(무부하), 충전이나 방전같은 모든 배터리 작동조건하에 마이크로 프로세서 30으로 공급하도록 동작한다. 이들 측정된 파라메터들은 디스플레이 6에 의해 표시될 수 있다. 이들 측정된 파라메터를 이용하여 마이크로 프로세서 30은 배터리 SOH에 관한 여러가지 인자들을 판단할 계산값을 만든다.

이들 인자들 역시 표시될 수 있다.

상기 마이크로 프로세서 30이 계산한 여러가지 배터리 인자들에 대하여 기술한다.

내부저항(Internal Reaitance, IR)

배터리 SOH에 관한 여러가지 인자를 판단하는데 필요한 한가지 값이 그 내부저항(IR이다).

배터리 IR은 SOH에 관한 판단요소중 한가지이다.

배터리가 출력할 수 있는 최대 순간 전력은 그 내부전압에 반비례하는 것으로 알려져 있다.

또한 높은 IR을 갖는 배터리는 황산화 상태, 즉 배터리가 열화된 상태인 것을 나타낸다.

만일 황산화원 상태가 적절한, 통상적으로 초기상태에 검출되면 이같은 배터리는 재생가능성이 있는 것이다.

낮은 IR의 배터리는 양호한 SOC상태를 나타내며 이는 양호한 배터리 SOH상태를 나타내는 인자이다.

배터리 IR은 전자회로 2로 부터 신호를 배터리내로 통과시키고 그 배터리 출력을 분석함으로써 결정될 수 있다.

이 신호는 배터리 IR을 DC저항값으로 결정하기 위한 일연의 전압펄스 일 수 있다.

상기 IR의 DC값을 다른 배터리 인자들을 계산하는데 이용된다.

마이크로 프로세서 30은 IR의 계산값을 산출할 뿐만 아니라 샘플링 펄스를 생성하고 인가하는 것을 제어한다.

예를들어, DC 베이스도 배터리 IR을 결정하기 위하여, 1.0 kHz 같은 낮은 주파수 발진기가 알려진 전압값의 펄스를 제공하고 이 펄스에 응답하여 배터리 전류 출력 값을 제어 샘플링한다.

배터리의 내부저항을 계산하기 위해 배터리 단자 전압 변동과 함께 정밀측정된 전류수준이 사용된다.

이 계산은 마이크로 프로세서 30에 의해 수행된다.

내부 발진기를 사용할때, 배터리 IR은 그 배터리가 보관되어 있을 때와 같이 저부하이거나 무부하 상태에 있을때 측정될 수 있다.

DC 펄스를 이용하여 배터리 IR을 결정하는 방법이 미국 특허 4,937,528 및 5,049,803에 기술되어 있다.

배터리 IR은 또한 주어진 전류 변화에 대한 배터리 전압 변화를 이용하는 것과 같은 다른 방법으로도 결정 될 수 있다.

예를 들어, 주어진 값의 큰 전류 전하 펄스를 인가하거나 생성된 펄스를 배출하고, 그 전류 펄스량과 그 전류 펄스에 응답하는 배터리 단자 전압 측정값 변화로 부터 IR을 계산할 수 있다.

분극저항(Polarization Resistorce, PR)

배터리 PR은 배터리 전극판 사이의 전해질 용적에 대한 배터리 전극판에 있어서의 전해질 농도의 비-균일화로 부터 야기되며, 또한 배터리 전력 출력에 영향을 미친다.

배터리 PR은 PR=IR(DC)-IR(AC)이다.

여기서 IR(AC)는 AC 베이스로 측정된 배터리의 내부 저항(IR)이다. 예를들어, 회로 2는 배터리에 인가되는 적절한 주파수의 싸인파 형의 전압을 생성하고 그 전류 응답이 측정된다. IR(AC)는 마이크로프로세서를 이용하여 이로부터 계산된다.

배터리 DC 내부저항과 AC 내부저항은 비교되고 그 차이가 분극저항(PR)이다.

이 계산은 마이크로 프로세서에 의해 이루어진다.

상기 PR은 배터리 SOH 인자중 하나를 나타내며 전해질 수준이다. PR이 미리 정해진 수준을 초과하면 마이크로 프로세서는 다스플레이로 하여금 배터리 전해질 수준이 모자란다고 보여주도록 작동하게 프로그래밍될 수 있다.

용량(Capacing)

배터리의 용량은 amp/hours로 나타낸다.

이는 그 배터리가 일정시간동안 운반할 수 있는 전류의 량이다.

이 배터리 용량은 예를들어 전극의 수, 크기 및 연결에 의해 결정되는 것이다.

이는 각 배터리에 대하여 알려진 것이다.

상기 용량 값은 마이크로 프로세서내에서 프로그램 될 수 있다.

이는 필요한 경우 디스플레이 될 수 있다.

충전상태(State of Charge; SOC). 일반적으로, 배터리의 충전상태는 정격 배터리 용량에 대한 사용 가능한 실제 배터리 용량의 백분율로 정의된다. 즉, 배터리는 정격 용량의 0%(방전된 상태)에서 100%(완충 상태)까지 충전될 수 있다. 상기 컴퓨터는 하기의 식(3)에 기초하여 충전상태를 결정한다.

(3)

식(3)에서 OCV는 부하가 없는 또는 개방 회로에서의 배터리의 출력 전압이다. 상기 식(3)에 대한 근거리는 미국특허 4,937,528 및 미국특허 5,049,803에 나타나 있다. (상기한 두개의 특허는 본 발명의 양수인에게 양도된 것임.)

충전상태를 계산하는 다른 방법은, 마이크로프로세서(30)가 소정의 시간(예를 들어, 8시간) 이상 개방 회로 상태에서 배터리가 유지되는 시간을 카운트하는 것이다. 상기 배터리 충전상태(SOC)는 측정되는 개방회로 전압(OCV)을 사용하는 시간에서 상기 식(3)으로 계산된다. 상기 충전상태는 필요에 따라 디스플레이될 수 있다.

단락 셀(shorted cell). 상기 배터리의 전압이 완전히 충전된 후 일정 시간 내에 소정의 전압레벨 이하로 떨어지고 전류센서에 의해 감지되는 어떠한 방전 전류도 존재하지 않는다면, 상기 회로(2)는 단락된 셀이 발생함을 나타낸다. 상기 마이크로프로세서(30)는 배터리가 완충상태(SOC=100%)에 이르렀음을 최초에 결정하고 배터리 전압을 측정함에 의해 이것을 감지하도록 프로그램된다. 필요한 시간의 클럭루프(clock loop)(예를 들어 60초)가 시작되고 그 동안 배터리의 방전전류를 측정된다. 배터리의 전압은 이 시간루프의 마지막에 측정된다. 배터리 전압이 상기 루프의 마지막에 기결정된 수준 이하로 떨어지고, 루프시간동안 검출된 전류방전이 없었다면 단락 셀의 표시가 디스플레이된다.

부정합 셀(mismatched cell). 배터리가 사용될 때, 방전되는 동안 배터리 전압이 두개의 평탄역(plateau)을 통과하거나 또는 충전동안 전압 곡선의 기울기가 최대에 이르면, 이것은 부정합 셀이 발생함을 표시한다. 본 발명의 회로에서, 배터리는 내부에 부하가 설치된 시스템의 상기 부하에 의해 방전된다. 배터리는 일반적으로 알터네이터에 의해 충전된다.

상기 마이크로프로세서(30)는 연속적으로 측정된 배터리 전압 데이터를 수신한다. 두번의 떨어짐이 있는지를 판단하기 위해 전압이 부하적용시 하나의 평탄역으로 정상적으로 떨어질(감소할) 때, 상기 마이크로프로세서(30)는 방전되는 동안 배터리 전압을 모니터하도록 프로그램된다. 그러면, 상기 디스플레이(6)는 부정합 셀 경고를 생성하는 작동을 한다. 즉, 부하가 배터리에 부과되는 회로 전류센서로부터 데이터를 받는 동안 상기 마이크로프로세서는 이 계산을 수행한다.

유사하게, 상기 마이크로프로세서는 또한 방전되는 동안 배터리 전압을 측정하고 기울기를 계산한다.

연속적인 기울기의 측정값은 비교되며, 그 기울기가 최대값을 통과했다고 판단되면, 상기 부정합 셀 경고가 디스플레이된다. 상기 마이크로프로세서는 전류센서에 의해 정보를 제공받음으로서 배터리가 전류센서에 의해 제공되는 정보에 의해 충전됨을 알려준다.

온도. 상기 마이크로프로세서의 제어에 의해 작동하는 본 시스템은 배터리의 온도를 연속적으로 또는 필요에 따라 주기적으로 측정한다. 충전되는 동안, 배터리의 온도가 기설정된 한계에 이르면 충전이 자동으로 차단되거나 사이렌과 같은 소기 경보가 작동자에게 경고를 하기 위해 작동한다. 이것은 배터리의 온도가 급격히 상승하는 위험을 제거한다.

저온 크랭킹 암페어(Cold Cranking Amps; CCA). 배터리 저온 크랭킹 암페어는 자동차용 납 산성 배터리에 대해, 배터리가 최대 부하 상태에서 30초 동안 전송할 수 있고 12.6V의 정격전압에서 7.2V 아래까지 떨어지지 않는 암페어로 정의된다. 높은 CCA 배터리 규격(rating)은 추운 날씨에서 배터리를 사용하기 위해 요구된다. 자동차의 시동과 같이 어떠한 결정적인 응용처을 위해 주변 온도의 함수로서 배터리의 출력용량 표시가 필요하다면, 본 발명의 회로는 이러한 가능출력을 결정할 수 있다.

상술한 바와 같이 직류 충전 또는 방전 펄스에 의해 측정되는 배터리 내부저항(IR)은 배터리 CCA와 반비례 관계임이 알려져있다. 즉, 배터리 내부저항이 점점 더 커지면 CCA는 점점 작아진다. 내부저항을 측정하는 데 사용되는 직류 펄스 전류는 차량을 시동하기 위한 전류이거나 배터리가 사용되는 모든 장소로부터 제공될 수 있다. 그것은 충전기, 알터네이터/레귤레이터 또는 전원으로부터의 충전 펄스 전류일 수 있다.

다른 CCA 규격(rating)을 갖는 새로운 배터리가 사용되고 상기 배터리의 내부저항이 결정되었다. CCA와 내부저항 사이의 관계는 하기의 식(4)에 의해 표현될 수 있음이 발견되었다.

(4)

모든 자동차의 배터리(납 산성 배터리)는 상기 식(4)를 따른다. 일반적으로, 산업용 배터리는 CCA규격에 의한 특성을 띄지 않는다.

본 발명의 스마트 배터리에서는, 상기 회로는 부하전류의 변화에 대응하는전압의 변화를 측정하고, IR은 데이터를 이용하여 마이크로 프로세서로 계산한다. 이어, CCA는 식(4)를 이용하여 계산된다. 전자회로(2)는 항상 배터리에 연결되어 있으므로, 그 수명의 함수로서 배터리 IR의 경향을 추종할 것이며, 그 용량의 변화는 디스플레이(6)에 의해 표시되어 전조/진단지시를 사용자에게 제공한다.

또한, CCA는 산업용 배터리의 중요한 인자일 것이다. 이 경우에는, 이렇ㄴ 산업용 배터리의 CCA와 내부저항 사이의 관계에 대해서, 다른 상관계수를 갖는 유사한 식이 유도될 수 있다.

통신/표시기.

정격용량(rated capacity)과 같은 상기 배터리 인자와 응용프로그램 또는 그 변경형태는 직렬 통신링크를 통해 마이크로 프로세서(30) ROM에 프로그램될 수 있다. SM버스, RS232 또는 12C 버스 프로토콜과 같은 다른 다양한 통신버스가 존재한다.

상기 시스템은 단일 칩 또는 여러 상용화된 칩부품의 조합으로 구현될 수 있다. 또한, 배터리상태와 관련된 정보가 보다 적게 허용될 수 있다면, 상기 시스템은 설명된 모든 부품보다 작은 부품으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 특정 응용형태에서, 스마트 배터리 회로가 온도센서를 포함할 필요없거나 요구되지 않으면, 온도센서가 제거될 수 있다. 이와 유사하게, 상기 시스템으로부터 단지 충전상태만이 요구되는 경우에는, 전류센서도 제거할 수 있다. 이런 경우에는, 개방회로전압으로부터 SOC표시를 제공할 수 있다.

본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고, 대체적인 실시형태가 고안될 수 있다. 상기 설명된 실시형태는 본 발명을 제조하고 실행하는데 있어서 본 발명자에 의해 실시되고 고안된 방법 및 장치를 개시한다. 특히, 본 발명은 그 바람직한 실시형태를 참조하여 설명되고 도시되었으나, 그 실시형태는 본 명세서에 개시된 정확한 형태로 본 발명을 한정하려는 것은 아니다. 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 형태와 세부사항에서 다양하게 변경할 수 있다는 것은 이해할 것이다. 수많은 균등한 방법, 장치 및 기술이 동일한 결과를 얻기 위해 채용될 수 있다. 이와 유사하게, 동일한 결과를 얻기 위해 다른 단계로 임의의 처리단계를 변경할 수도 있다. 아래의 청구범위와 그 균등물로 본 발명의 범위를 정의하고자 한다.

Claims

배터리에 대해 부하 상태 및 무부하 상태 중에서 하나의 상태에서 배터리의 전압 및 전류를 측정하는 단계;

상기 측정된 배터리 전압 및 전류로부터 배터리의 내부 저항 및 분극(polarization) 저항을 계산하는 단계;

상기 측정된 배터리 전압과 전류, 및 상기 계산된 배터리 내부 저항 및 분극 저항으로부터 복수개의 배터리의 충전 상태, 냉 크랭킹 시간(cold cranking hours), 단락 셀의 존재, 및 부정합 셀의 존재에 관한 복수의 인자들을 판단하는 단계; 및

배터리의 사용자에게 상기 판단된 팩터들을 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,

운송수단 또는 시스템에 사용되는 충전 배터리의 성능 상태(state of health; SOH)를 실시간으로 모니터하여 상기 운송수단 또는 시스템의 사용자에게 표시하는 방법.
1항에 있어서, 상기 판단하는 단계는 모든 상기 모든 인자들은 판단하는 단계를 포함하고, 상기 표시하는 단계는 모든 상기 판단된 인자들 모두를 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2항에 있어서, 상기 배터리의 사용자에게 상기 측정된 배터리 전압, 배터리 전류, 및 계산된 내부 저항 중에서 적어도 하나를 표시하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
상기 1항에 있어서, 상기 배터리의 내부 저항을 계산하는 단계는 DC 베이스로 행하여지고,

이미 알려진 크기의 전압(V) 및 전류(I) 중에서 하나를 상기 배터리에 인가하는 단계;

상기 알려진 기지 크기의 전압에 응답하여 배터리 전류의 변화량(dI)을 판단하고, 및 상기 알려진 크기의 전류에 응답하여 배터리 전압의 변화량(dV)을 판단하는 단계; 및

식 dV/dI 를 사용하여 배터리 내부 저항(R)을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
상기 1항에 있어서, 상기 배터리의 내부 저항을 계산하는 단계는 AC 베이스로 행하여지고,

교류 전압 또는 전류를 상기 배터리에 인가하는 단계;

대응되는 배터리 전류 및 전압 응답값을 측정하는 단계; 및

인가된 전압 또는 전류값, 및 측정된 전류 또는 전류 응답값으로부터 저항값을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
상기 1항에 있어서, 분극(polarization) 저항을 계산하는 단계는,

직류 베이스로 배터리 내부 저항을 계산하는 단계, 교류 베이스로 배터리 내부 저항을 계산하는 단계, 및 상기 직류 베이스로 계산된 내부 저항으로부터 교류 베이스로 계산된 내부 저항을 감산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
상기 1항에 있어서, 충전 상태(SOC)를 판단하는 단계는 다음의 공식을 인가하는 것을 특징으로 하는 방법.

여기서, OCV는 개방 회로(open circuit) 상태에서 측정된 배터리 전압임
상기 1항에 있어서, 상기 배터리는 납 산성(lead acid) 충전 배터리이고, 상기 냉 크랭킹(CCA) 인자를 판단하는 단계는 배터리 내부 저항을 계산하는 단계 및 다음 식을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
상기 8항에 있어서, 상기 배터리 내부 저항을 계산하는 단계는 알려진 전류값의 펄스를 인가하는 단계 및 상기 전류 펄스에 응답하여 전압값의 변화를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
상기 1항에 있어서, 상기 단락된 셀의 인자를 판단하는 단계는,

배터리를 최고 용량까지 충전하는 단계;

배터리 단자 전압이 특정 레벨로 저하되는 시점까지의 기간 동안에 배터리 단자 전압을 측정하는 단계; 및

상기 기간 동안에 배터리의 용량을 측정하여 배터리의 용량에 변화가 있는지 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
상기 1항에 있어서, 부정합 셀의 인자를 판단하는 단계는;

배터리를 방전시키고, 방전하는 동안에 배터리 전압이 두 개의 전압 평탄역(plateaus)을 통과하는지를 판단하는 단계; 및

배터리를 충전시키고, 정점 시간(top time)에 대한 배터리 전압 충전의 비율이 최고값을 통과하는지 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
운송수단이 사용하는 저장 배터리의 성능 상태(state of health; SOH)를 실시간으로 모니터 하여 상기 운송수단의 사용자에게 표시하는 시스템에 있어서,

상기 시스템은 상기 배터리의 적어도 하나의 단자에 연결되어 배터리에 탑재된 회로 모듈을 포함하고, 상기 회로 모듈은:

배터리에 대해 부하 상태 및 무부하 상태 중에서 하나의 상태에서 배터리의 전압 및 전류를 측정하여 디지털 형태로 전압 및 전류 데이터 값을 산출하는 수단;

상기 측정된 배터리 전압 및 전류의 데이터 값으로부터 배터리의 내부 저항 및 극성(polarization) 저항을 계산하고, 상기 배터리 전압, 전류, 상기 배터리 내부 저항(IR), 및 극성 저항으로부터 배터리의 충전 상태, 냉 크랭킹 시간(cold cranking hours), 단락 셀의 존재, 및 부정합 셀의 존재에 관한 팩터들 중에서 적어도 하나의 팩터를 계산하는 수단; 및

상기 계산된 팩터들 각각을 상기 배터리의 사용자에게 표시하는 디스플레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
상기 12항에 있어서, 상기 디스플레이는 상기 배터리 상에 탑재되는 것을 특징으로 하는 시스템
상기 12항에 있어서, 상기 배터리는 납 산성 충전 배터리이고, 상기 냉 크랭킹 시간(CCAS)팩터를 계산하는 수단은, 식

에 기초하여 계산하는 것을 특징으로하는 시스템.