KR20200102466A - 쌍형 샘플 상관을 사용한 센서 결함 검출 - Google Patents
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Abstract
배터리 시스템 및 배터리 시스템에서 전류 센서 결함 검출을 위한 쌍형 샘플 상관 방법이 개시된다. 방법은 배터리의 배터리 전압을 측정하도록 구성된 전압 센서로부터 배터리 전압 샘플들의 시퀀스 및 배터리의 배터리 전류를 측정하도록 구성된 전류 센서로부터 배터리 전류 샘플들의 시퀀스를 수신하는 단계; 미리 정해진 수의 샘플들에 대한 배터리 전압 샘플들의 변화 및 미리 결정된 수의 샘플들에 대한 배터리 전류 샘플들의 변화를 결정하는 단계; 배터리 전압 샘플들의 변화와 배터리 전류 샘플들의 변화의 비율이 (ⅰ) 배터리의 저항 및 (ⅱ) 배터리의 전도도 중 하나에 대한 예상 범위 내에 있는지 여부를 검사하는 단계; 및 상기 비율이 예상 범위 내에 있는지의 여부에 기초하여 전류 센서의 결함을 검출하는 단계를 포함한다.
Description
본 명세서에 개시된 장치 및 방법은 배터리 시스템들에 관한 것이고, 특히, 배터리 시스템들의 센서 결함 검출에 관한 것이다.
배터리 시스템들은 종종 작동 동안 전류 및 전압과 같은 배터리의 파라미터들을 모니터링하도록 구성된 하나 이상의 센서들을 포함한다. 많은 응용들에서, 배터리 시스템의 안전하고 효율적인 작동을 위해서 배터리 파라미터들의 신뢰성 있는 모니터링이 중요하다. 특정 자동차 애플리케이션들에서, 온-보드-진단(OBD) 규정들은 전류 센서 결함들을 검출하기 위해 양측 합리성 검사(two-sided ratonality check)를 필요로 한다. 배터리 시스템의 전류 센서에서 결함들을 검출하기 위한 현재 최신 기술은 일반적으로 제 2 리던던트 전류 센서의 포함을 필요로 한다. 시스템은 두 개의 상이한 전류 센서들의 값들을 비교한다. 센서들의 값들이 너무 큰 경우, 시스템에 의한 결함이 의심될 것이다. 따라서, 하나의 전류 센서를 갖는 배터리 시스템에서 전류 센서 결함들을 검출하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이 유리할 것이다.
본 발명의 목적은 배터리 시스템 및 쌍형 샘플 상관을 사용한 센서 결함 검출을 위한 방법을 제공하는 것이다.
전류 센서 결함 검출의 방법이 개시된다. 방법은 배터리의 배터리 전압을 측정하도록 구성된 전압 센서로부터 배터리 전압 샘플들의 시퀀스 및 배터리의 배터리 전류를 측정하도록 구성된 전류 센서로부터 배터리 전류 샘플들의 시퀀스를 수신하는 단계; 미리 결정된 수의 샘플들에 대한 배터리 전압 샘플들의 변화 및 미리 결정된 수의 샘플들에 대한 배터리 전류 샘플들의 변화를 결정하는 단계; 배터리 전압 샘플들의 변화와 배터리 전류 샘플들의 변화의 비율이 (ⅰ) 배터리의 저항 및 (ⅱ) 배터리의 전도도(conductance) 중 하나에 대해 예상 범위 내에 있는지 여부를 검사하는 단계; 및 비율이 예상 범위 내에 있는지의 여부에 기초하여 전류 센서의 결함을 검출하는 단계를 포함한다.
배터리 시스템이 개시된다. 배터리 시스템은: 적어도 하나의 부하에 전력을 제공하도록 동작 가능하게 연결된 배터리; 배터리의 배터리 전압을 측정하도록 구성된 전압 센서; 배터리의 배터리 전류를 측정하도록 구성된 전류 센서; 및 전압 센서 및 전류 센서에 동작 가능하게 연결된 제어기를 포함한다. 제어기는: 전압 센서로부터 배터리 전압 샘플들의 시퀀스 및 전류 센서로부터 배터리 전류 샘플들의 시퀀스를 수신하고; 미리 결정된 수의 샘플들에 대한 배터리 전압 샘플들의 변화 및 미리 결정된 수의 샘플들에 대한 배터리 전류 샘플들의 변화를 결정하고; 배터리 전압 샘플들의 변화와 배터리 전류 샘플들의 변화의 비율이 (ⅰ) 배터리의 저항 및 (ⅱ) 배터리의 전도도 중 하나에 대한 예상 범위 내에 있는지의 여부를 검사하고; 비율이 예상 범위 내에 있는지의 여부에 기초하여 전류 센서의 결함을 검출하도록 구성된다.
배터리 시스템에서 센서 결함을 검출하기 위한 시스템 및 방법의 전술한 양태들 및 다른 특징들은 첨부 도면들과 관련하여 취해진 다음의 상세한 설명에서 설명된다.
도 1은 본 개시에 따른 배터리 시스템을 도시하는 도면.
도 2는 배터리 시스템에서 전류 센서 결함을 검출하는 방법을 도시하는 도면.
도 3은 배터리 전압 샘플들 및 배터리 전류 샘플들의 예시적인 시퀀스를 도시하는 도면.
도 1은 본 개시에 따른 배터리 시스템을 도시하는 도면.
도 2는 배터리 시스템에서 전류 센서 결함을 검출하는 방법을 도시하는 도면.
도 3은 배터리 전압 샘플들 및 배터리 전류 샘플들의 예시적인 시퀀스를 도시하는 도면.
본 개시의 원리들의 이해를 증진시키기 위해, 지금 도면들에 도시되고 다음의 기재된 명세서에 설명된 실시예들을 참조할 것이다. 본 개시의 범위에 대한 제한이 이에 의해 의도되지 않는 것이 이해된다. 본 개시가 예시된 실시예들에 대한 임의의 변경들 및 수정들을 포함하고, 본 개시가 속하는 기술의 당업자에게 일반적으로 발생하는 본 개시의 원리들의 추가 적용들을 포함하는 것이 또한 이해된다.
도 1은 본 개시에 따른 배터리 시스템(100)을 도시한다. 적어도 하나의 실시예에서, 배터리 시스템(100)은 전기 차량 또는 완전/경량/마이크로 하이브리드-전기 차량과 같은 차량으로 통합된다. 배터리 시스템(100)은 부하(104)에 전력을 제공하도록 동작 가능하게 연결되고 구성된 배터리(102)를 포함한다. 적어도 하나의 실시예에서, 배터리(102)는 양극 배터리 단자(108)와 음극 배터리 단자(110) 사이의 배터리(102)의 출력 전압(예를 들면, 12 Volts, 48 Volts, 200+ Volts)을 제공하기 위해 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 개별 배터리 셀들(106)을 포함한다. 배터리 셀들(106)은 니켈-금속 수소화물 또는 리튬-이온과 같은 다양한 유형들의 배터리 셀들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
부하들(104)은 배터리(102)에 연결되고 동작 동안 배터리(102)로부터 전력을 수신하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 부하들(104)은 하이-사이드 스위치(112)를 통해 양극 배터리 단자(108)에 연결되고 로우-사이드 스위치(114)를 통해 음극 배터리 단자(110)에 연결된다. 스위치들(112, 114)은 중계기들 또는 접촉기들과 같은 전자 기계 스위치들, 또는 전력 금속-산화물-반도체 전계-효과 트랜지스터들(전력 MOSFET) 또는 절연-게이트 바이폴라 트랜지스터들(IGBT)과 같은 전자 스위치들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 부하들(104)은 차량의 트랙션 모터 또는 차량 전기 시스템을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 배터리 시스템(100)은 배터리(102)와 부하들(104)의 일부 또는 전부 사이에 연결된 다양한 전력 전자 장치(도시되지 않음)를 포함할 수 있고, 이러한 DC/DC 컨버터는 배터리 전압을 차량 전기 시스템의 전압으로 강하시키도록 구성된다.
배터리 시스템(100)은 전류 센서(116), 전압 센서(118), 및 온도 센서(120)를 더 포함한다. 전류 센서(116)는 배터리(102)를 통해 흐르는 배터리 전류(I)를 측정하도록 구성된다. 일 실시예에서, 전류 센서(116)는 배터리 전류(I)에 비례하는 전압을 제공하는 배터리(102)와 직렬로 배열된 션트 저항기(shunt resistor)를 포함한다. 일 실시예에서, 전류 센서(116)는 배터리(102)와 직렬로 배열되고 배터리 전류(I)를 측정하도록 구성된 홀 효과 센서를 포함한다. 전압 센서(118)는 배터리(102)와 병렬로 연결되고 배터리(102)의 양극 및 음극 배터리 단자들(108, 110)에 걸쳐 배터리 전압(U)을 측정하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 전압 센서(118)는 배터리(102)의 개별 셀들(106)의 전압들을 측정하도록 또한 구성된다. 온도 센서(120)는 배터리(102)의 배터리 온도(T)를 측정하도록 구성된다. 일 실시예에서, 온도 센서(120)는 여러 개의 개별 온도 센서들을 포함하고, 측정된 배터리 온도(T)는 상이한 센서들로부터의 여러 측정들의 최소, 최대, 또는 평균일 수 있다.
배터리 시스템(100)은 전류 센서(116), 전압 센서(118), 및 온도 센서(120)에 동작 가능하게 연결된 제어기(122)를 더 포함한다. 제어기(122)는 전류 센서(116) 및 전압 센서(118)로부터 배터리 전압(U) 및 배터리 전류(I)의 측정값들을 수신하도록 구성된다. 제어기(122)는 적어도 전류 센서(116)의 센서 결함들을 검출하도록 구성된다. 제어기(122)는 일반적으로 적어도 하나의 프로세서 및 그 위에 저장된 프로그램 명령들을 갖는 적어도 하나의 관련 메모리를 포함하고, 프로그램 명령들은 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행되어 설명된 기능들을 달성한다. "제어기" 또는 "프로세서"는 데이터, 신호들, 또는 다른 정보를 처리하는 임의의 하드웨어 시스템, 하드웨어 메커니즘 또는 하드웨어 구성요소를 포함한다는 것이 당업자에 의해 인식될 것이다. 제어기(122)는 중앙 처리 장치, 다중 처리 장치들, 또는 특정 기능을 달성하기 위한 전용 회로를 구비한 시스템을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기(122)는 배터리 관리 시스템, 또는 그의 구성요소이고, 이는 센서 결함 검출 외에 다른 기능들을 제공하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제어기(122)는 스위치들(112, 114)에 동작 가능하게 연결되고 스위치들(112, 114)에 개방 및 폐쇄할 것을 명령하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제어기(122)는 출력 장치(124)에 동작 가능하게 연결되고, 출력 장치(124)가 가청 또는 시각 경보를 생성하게 동작하도록 구성된다. 출력 장치(124)는 스피커, 조명, 디스플레이 스크린 등을 포함할 수 있다.
배터리 시스템에서 센서 결함을 검출하는 다양한 방법들이 이하에 설명된다. 방법들의 설명에서, 방법이 일부 태스크 또는 기능을 수행하고 있다는 진술들은 제어기 또는 범용 프로세서가, 데이터를 조작하거나 태스크 또는 기능을 수행하기 위해 시스템(100)의 하나 이상의 구성요소들을 동작시키기 위해 제어기 또는 프로세서에 동작 가능하게 연결된 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체들에 저장된 프로그램된 명령들을 실행하는 것을 말한다. 특히, 상기 제어기(122)는 그러한 제어기 또는 프로세서일 수 있고, 실행된 프로그램 명령들은 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 방법들의 단계들은 도면들에 도시된 순서 또는 단계들이 설명되는 순서에 관계없이 임의의 실현 가능한 시간 순서로 수행될 수 있다.
도 2는 배터리 시스템(100)과 같은 배터리 시스템에서 센서 결함을 검출하기 위한 방법(200)을 도시한다. 본 명세서에서 "쌍형 샘플 상관(Paired Sample Correlation)" 방법으로 지칭되는 방법(200)은 두 개의 센서 신호들 사이의 상관도를 평가하고, 그의 관계는 이들의 상대적 거동(즉, 상대 크기와 반대로서, 시간에 걸친 신호들의 상대적 변화)의 비교에 의해 작은 영역들 내에서 대략 선형이다. 이러한 방식으로, 방법은 센서들 중 하나에서 이득 결함을 검출하기에 가장 유용하다. 또한, 방법(200)은 단일 전류 센서 및 전압 센서를 갖는 배터리 시스템에 적용되고 전류 센서에서 이득 결함을 검출하기 위한 것으로서 본 명세서에서 설명된다. 그러나, 방법은 상관된 신호들을 측정하는 센서들을 갖는 다른 응용들에 유사하게 적용될 수 있다.
방법(200)은 배터리 전압 샘플들의 시퀀스 및 배터리 전류 샘플들의 시퀀스를 수신하는 단계로 시작한다(블록(210)). 특히, 본 명세서에서 상세히 설명된 실시예들에 관하여, 전류 센서(116)는 배터리(102)를 통해 흐르는 배터리 전류(I)에 관한 측정 샘플들의 시퀀스를 생성하도록 구성된다. 유사하게, 전압 센서(118)는 배터리(102)의 배터리 단자들(108, 110)을 거쳐 배터리 전압(U)에 관한 측정 샘플들의 시퀀스를 생성하도록 구성된다. 제어기(122)는 전류 센서(116)로부터 배터리 전류 샘플들의 시퀀스 및 전압 센서(118)로부터 배터리 전압 샘플들의 시퀀스를 수신하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 전류 센서(116) 및 전압 센서(118)는 대신 배터리 전류 샘플들의 시퀀스 및 배터리 전압 샘플들의 시퀀스를 제공하기 위해 제어기(122)에 의해 샘플링되는 아날로그 측정 신호들을 생성하도록 구성될 수 있다.
도 3은 배터리 전압 및 배터리 전류 샘플들의 예시적인 시퀀스들을 도시한다. 특히, 그래프(302)는 전압 센서(118)에 의해 생성되고 제어기(122)에 의해 수신된 배터리 전압 샘플들(304)의 시퀀스를 도시한다. 유사하게, 그래프(306)는 전류 센서(116)에 의해 생성되고 제어기(122)에 의해 수신된 배터리 전류 샘플들(308)의 시퀀스를 도시한다. 도시된 바와 같이, 배터리 전압 샘플들(304) 및 배터리 전류 샘플들(308)은 t=0에서 t=18까지의 복수의 시간 단계들에 걸쳐 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 각각의 시간 단계 사이의 특정 지속 시간은 전류 센서(116) 및 전압 센서(118)의 샘플링 레이트의 함수이다. 일부 실시예들에서, 전류 센서(116) 및 전압 센서(118)는 공통 샘플링 레이트로 구성되고 시간 단계들은 전류 센서(116) 및 전압 센서(118)의 공통 샘플 주기와 일치한다. 다른 실시예들에서, 센서들(116, 118) 중 하나는 센서들(116, 118) 중 다른 것의 배수인 샘플링 레이트를 가지고 시간 단계는 센서들(116, 118)의 샘플링 기간들 중 더 긴 시간과 일치할 수 있거나, 그렇지 않으면 최소 공배수와 같은 샘플링 주기들의 공배수와 일치한다.
도 2로 돌아가면, 방법(200)은 배터리 전압 샘플들의 변화 및 배터리 전류 샘플들의 변화를 결정하는 단계로 계속한다(블록(220)). 특히, 본 명세서에서 상세하게 설명된 실시예들과 관련하여, 제어기(122)는 미리 결정된 수의 샘플들에 대한 배터리 전압(ΔU)의 변화 및 미리 결정된 수의 샘플들에 대한 배터리 전류(ΔI)의 변화를 결정하도록 구성된다. 특히, 적어도 하나의 실시예에서, 제어기(122)는 식 ΔU = Us - Us-w에 기초하여 배터리 전압(ΔU)의 변화를 계산하도록 구성되고, s는 현재 시간 단계에 대한 인덱스이고, w는 샘플링 윈도우의 미리 결정된 폭이고, 이는 1 이상의 양의 정수이다. 유사하게, 적어도 하나의 실시예에서, 제어기(122)는 식 ΔI = Is-d - Is-w-d에 기초하여 배터리 전류(ΔI)의 변화를 계산하도록 구성되고, 여기서 d는 배터리 전류(I)와 배터리 전압(U) 사이의 임의의 위상차를 보상하기 위해 전압에 관한 전류의 지연이고, 이는 양 또는 음의 정수 또는 0이다. 예를 들면, d = 1은 전압 샘플(Us)을 이전 전류 샘플(Is-1)과 상관시킬 것이고, d = -2는 전압 샘플(Us)을 후속 전류 샘플(Is+2)과 상관시킬 것이다. 배터리 전류(I)와 배터리 전압(U) 사이의 위상차는 전류 센서(116)와 전압 센서(118) 사이의 레이턴시의 작은 차이들의 결과, 뿐만 아니라 배터리 회로의 임의의 리액턴스들일 수 있다. 도 3은 예시적인 배터리 전압 윈도우(310) 및 배터리 전류 윈도우(312)를 도시하고, 여기서 현재 시간 단계 s = t = 10 및 윈도우 폭 w = 2이다. 또한, 도시된 바와 같이, 배터리 전압(U)에 대한 3개의 시간 단계들만큼 배터리 전류(I)의 지연을 보상하기 위해 d = -3이다.
방법(200)은 배터리 전압 샘플들의 변화와 배터리 전류 샘플들의 변화의 비율이 (ⅰ) 배터리의 저항 및 (ⅱ) 배터리의 전도도 중 하나에 대한 예상 범위 내에 있는지의 여부를 검사하는 단계로 계속한다(블록(230)). 특히, 본 명세서에서 상세하게 설명된 실시예들과 관련하여, 제어기(122)는 배터리 전압(ΔU)의 변화와 배터리 전류(ΔI)의 변화의 비율을 계산하도록 구성된다. 적어도 하나의 실시예에서, 제어기(122)는 식 
에 따라 비율을 계산하도록 구성되고, 또한 식 
에 따라 역비율을 계산할 수도 있다.
제어기(122)는 비율을, 비율 
이 형성된 경우 배터리(102)의 추정된 저항(R), 또는 비율 
이 형성된 경우 배터리(102)의 추정된 전도도(
)와 비교하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제어기(122)는 온도 센서(120)로부터 온도 측정(T)을 수신하고, 관련 메모리에 저장된 저항 대 온도 룩업 테이블 또는 배터리(102)의 수학적 모델을 사용하여 측정된 온도(T)에 기초하여 배터리(102)의 추정된 저항(R)을 결정하도록 구성된다.
비율이 배터리(102)의 추정된 저항 또는 전도도와 충분히 유사하지 않은 경우, 센서들(116, 118) 중 하나의 결함이 의심될 수 있다. 특히, 배터리 전류와 배터리 전압의 상대적인 거동은 옴의 법칙에 의해 크게 통제된다. 따라서, 센서들(116, 118)이 적절하게 기능하고 있을 때, 비율은 배터리(102)의 내부 저항 또는 내부 전도도에 대응할 것으로 예상된다. 일부 실시예들에서, 제어기(122)는 비율 
이 미리 결정된 범위의 추정된 저항(R) 내에 있는지의 여부, 또는 대안적으로, 비율 
이 미리 결정된 범위의 추정된 전도도(
) 내에 있는지의 여부를 결정하도록 구성된다. 특히, 일 실시예에서, 제어기(122)는 비율이 식 
에 따라 저항(R)에 대한 추정된 범위 내에 있는지의 여부를 결정하도록 구성되고, 
는 음의 방향으로의 추정된 저항(R)의 에러이고(예를 들면, -50%), 
는 양의 방향으로의 추정된 저항(R)의 에러이다(예를 들면, 59%). 대안적으로, 비율 
이 형성되는 경우, 제어기(122)는 비율이 식 
에 따라 전도도(
)에 대한 추정된 범위 내에 있는지 여부를 결정하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제어기(122)는 측정된 온도(T), 온도 센서(120)의 성능, 배터리(102)의 셀 노화, 펄스 프로파일, 배터리(102)의 충전 상태, 배터리 전류(7)의 극성, 및/또는 배터리 전압(U)과 배터리 전류(7) 사이의 보상되지 않은 위상차의 함수로서 에러(
) 및/또는 에러(
)를 시간에 따라 주기적으로 조정하도록 구성된다. 또한, 일부 실시예들에서, 제어기(122)는 배터리(102)의 제조 변동성의 함수로서 에러(
) 및/또는 에러(
)를, 일정한 또는 1회 조정으로서, 조정하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 제어기(122)는 비율이 저항(R) 또는 전도도(
)에 대한 추정된 범위 밖에 있다는 것에 응답하여 전류 센서(116) 및 전압 센서(118) 중 하나에서 결함을 검출하도록 구성된다. 적어도 하나의 실시예에서, 전압 센서(118)의 결함들은 다른 검출 프로세스들을 사용하여 검출되고, 제어기(122)는 비율이 저항(R) 또는 전도도(
)에 대한 추정된 범위 밖에 있다는 것에 응답하여 전류 센서(116)의 결함을 검출하도록 구성된다. 이러한 실시예들에서, 제어기(122)는 센서 결함을 검출하는 것에 응답하여 일부 유형의 개선 동작을 수행하도록 또한 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제어기(122)는 결함을 검출하는 것에 응답하여 스위치들(112, 114)을 개방하도록 동작시켜, 그에 의해 부하들(104)로부터 배터리(102)의 단자들(108, 110)을 분리하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제어기(122)는 결함을 검출하는 것에 응답하여 가청 또는 시각적 경보를 생성하도록 출력 장치(124)를 동작시켜, 그에 의해 검출된 센서 결함을 사용자에게 경보하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제어기(122)는 사용 중 모니터링 성능비(IUMPR) 또는 다른 실시간 모니터링 기술들을 사용하는 온-보드-진단(OBD) 평가들과 같은 추가 처리를 위해 검출된 센서 결함을 나타내는 신호를 상위 레벨 제어기로 송신하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제어기(122)는 센서 결함의 검출에 기초하여 온-보드-진단(OBD) 평가들 자체를 수행하도록 구성된다.
그러나, 많은 실시예들에서, 방법(200)은 대신에 비율이 (ⅰ) 배터리의 저항 및 (ⅱ) 배터리의 전도도 중 하나의 예상 범위 밖에 있는지의 여부를 저장하는 단계로 계속한다(블록(240)). 특히, 본 명세서에서 상세하게 설명된 실시예들과 관련하여, 제어기(122)는 비율이 저항(R) 및 전도도(
)에 대해 추정된 범위 밖에 있는지의 여부를 저장하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제어기(122)는 비율이 저항(R) 또는 전도도(
)에 대해 추정된 범위 밖에 있다는 것에 응답하여 카운터를 증가시키도록 (또는 카운터를 증가시키는 단계를 생략하도록) 구성된다. 이런 방식으로, 제어기(122)는 검사 실패들 및/또는 통과들의 횟수를 카운트하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제어기(122)는 각각의 시간 단계와 관련하여 비교의 결과(예를 들면, 통과 또는 실패, 내부 또는 외부)를 저장하도록 구성된다.
방법(200)은 배터리 전압 샘플들의 변화 및 배터리 전류 샘플들의 변화를 결정하는 단계(블록(220)), 배터리 전압 샘플들의 변화와 배터리 전류 샘플들의 변화의 비율이 (ⅰ) 배터리의 저항 및 (ⅱ) 배터리의 전도도 중 하나에 대한 예상 범위 내에 있는지의 여부를 검사하는 단계(블록(230)), 및 비율이 (ⅰ) 배터리의 저항 및 (ⅱ) 배터리 전압 및 배터리 전류 샘플들의 연속적인 시간 단계들에 대한 배터리의 전도도 중 하나의 예상 범위 밖에 있는지의 여부를 저장하는 단계(블록(240))를 반복함으로써 계속한다. 특히, 복수의 연속적인 반복들에 대해, 제어기(122)는 적어도 하나의 시간 단계만큼 시간 단계(s)를 증가시키고, 배터리 전압의 변화와 배터리 전류의 변화의 비율을 알려진 저항 또는 전도도와 비교하도록 구성된다. 특히, 적어도 하나의 실시예에서, 복수의 연속적인 반복들에 대해, 제어기(122)는 시간 단계(s)를 1씩 증가시키고 상기에 논의된 바와 같이 식 
또는 그의 역을 재평가하도록 구성된다. 각각의 반복 후에, 제어기(122)는 결과에 기초하여 카운터를 증가시키거나 그렇지 않으면 각각의 시간 단계와 관련하여 결과를 저장하도록 구성된다.
미리 결정된 수의 반복들 후에, 방법(200)은 미리 결정된 수의 반복들 동안 비율이 예상 범위를 밖에 있는 횟수를 결정하는 단계로 계속한다(블록(250)). 특히, 미리 결정된 수의 연속적인 반복들 후에, 제어기(122)는 미리 결정된 수의 연속적인 반복들 동안 비율이 저항(R) 또는 전도도(
)에 대한 추정된 범위 밖에 있는 횟수를 결정하도록 구성된다. 비율이 저항(R) 또는 전도도(
)에 대한 추정된 범위 밖일 때마다 그에 응답하여 카운터가 증가된 실시예들에서, 제어기(122)는 횟수를 결정하기 위해 카운터로부터 값을 판독하도록 구성된다. 다른 실시예들에서, 제어기(122)는 미리 결정된 수의 연속적인 반복들의 이전 시간 단계들과 관련된 결과들을 메모리로부터 판독하고 비율이 저항(R) 또는 전도도(
)에 대한 추정된 범위 밖인 횟수들을 카운트하도록 구성된다.
결정된 횟수가 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우, 방법(200)은 이에 응답하여 전류 센서의 결함을 검출하는 단계로 계속한다(블록(260)). 특히, 제어기(122)는 비율이 미리 결정된 임계값(예를 들면, 20%)을 초과하는 저항(R) 또는 전도도(
)에 대한 추정된 범위 밖인 결정된 횟수에 응답하여 전류 센서(116) 및 전압 센서(118) 중 하나에서 결함을 검출하도록 구성된다. 적어도 하나의 실시예에서, 전압 센서(118)의 결함들은 다른 검출 프로세스들을 사용하여 검출하고, 제어기(122)는 미리 결정된 임계값(예를 들면, 20%)을 초과하는 결정된 횟수에 응답하여 전류 센서(116)의 결함을 검출하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제어기(122)는 측정된 온도(T), 온도 센서(120)의 성능, 배터리(102)의 셀 노화, 펄스 프로파일, 배터리(102)의 충전 상태, 배터리 전류(I)의 극성, 및/또는 배터리 전압(U)과 배터리 전류(I) 사이의 보상되지 않은 위상차의 함수로서 미리 결정된 임계값을 시간에 따라 주기적으로 조정하도록 구성된다. 또한, 일부 실시예들에서, 제어기(122)는 배터리(102)의 기능 제조 변동성으로서 미리 결정된 임계값을 일정한 또는 1회 조정으로서 조정하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 센서 결함을 검출하는 것에 응답하여, 제어기(122)는 일부 유형의 개선 동작을 수행하도록 또한 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제어기(122)는 결함의 검출에 응답하여 스위치들(112, 114)을 개방하도록 동작시켜서, 그에 의해 부하들(104)로부터 배터리(102)의 단자들(108, 110)을 분리시키도록 구성된다. 일 실시예에서, 제어기(122)는 결함을 검출하는 것에 응답하여 가청 또는 시각적 경보를 생성하도록 출력 장치(124)를 동작시켜서, 그에 의해 검출된 센서 결함을 사용자에게 경보하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제어기(122)는 사용 중 모니터링 성능비(IUMPR) 또는 다른 실시간 모니터링 기술들을 사용하는 온-보드-진단(OBD) 평가와 같은 추가 처리를 위해 검출된 센서 결함을 나타내는 신호를 상위 레벨 제어기로 송신하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제어기(122)는 센서 결함의 검출에 기초하여 온-보드-진단(OBD) 평가들 자체를 수행하도록 구성된다.
전류 센서의 결함을 검출 또는 검출하지 않은 후, 방법(200)은 배터리 전압 샘플들의 변화 및 배터리 전류 샘플들의 변화를 결정하는 단계(블록(220)), 배터리 전압 샘플들의 변화와 배터리 전류 샘플들의 변화의 비율이 (ⅰ) 배터리의 저항 및 (ⅱ) 배터리의 전도도 중 하나에 대한 예상 범위 내에 있는지의 여부를 검사하는 단계(블록(230)), 및 또 다른 미리 결정된 수의 반복들이 수행될 때까지, 비율이 배터리 전압 및 배터리 전류 샘플들의 연속적인 시간 단계들에 대한 (ⅰ) 배터리의 저항 및 (ⅱ) 배터리의 전도도 중 하나의 예상 범위 밖인지의 여부를 저장하는 단계를 반복하는 프로세스로 리턴한다.
일부 실시예들에서, 방법(200)은 다음 경계 조건들이 만족되는지의 여부를 결정하는 단계를 더 포함한다: (1) 배터리 온도가 최소 온도 임계값을 초과하고, (2) 배터리 전압 샘플들의 변화가 최소 전압 변화 임계값을 초과하고, 및/또는 (3) 배터리 전류 샘플들의 전류값이 최소 전류 임계값을 초과한다(블록(270)). 특히, 비율이 저항(R) 또는 전도도(
)에 대한 추정된 범위 밖인지의 여부를 검사하기 전에, 제어기(122)는 특정 경계 조건이 만족되는지의 여부를 결정하도록 구성된다. 경계 조건들이 만족되지 않는 경우, 제어기(122)는 비율이 저항(R) 또는 전도도(
)에 대한 추정된 범위 밖인지의 여부를 검사하는 단계를 건너뛰고 그냥 프로세스의 다음 시간 단계로 이동한다. 일 실시예에서, 경계 조건은 현재 배터리 온도(T)가 최소 온도 임계값(Tmin)보다 큰 것이고, 즉, 식 T > Tmin은 저온에서 셀 내부 저항의 큰 변화로 인한 에러를 피하기 위해 만족되어야 한다. 일 실시예에서, 경계 조건은 배터리 전압의 변화(ΔU)가 배터리 전압 임계값의 최소 변화(ΔUmin)보다 큰 것이고, 즉, 다시 말해서, 식 ΔU > ΔUmin는 배터리 전압의 최소 변화들로 검사들을 피하기 위해 만족되어야 한다. 일 실시예에서, 경계 조건은 현재 배터리 전류(Is)가 최소 배터리 전류 임계값(Imin)보다 큰 것이고, 즉, 다시 말해서, 식 Is > Imin은 필요하다면 저전류들에서 검사들을 피하기 위해 만족되어야 한다. 일 실시예에서, 제어기(122)는 경계 조건들 T > Tmin, ΔU > ΔUmin, 및 Is> Imin의 각각이 만족되는지의 여부를 결정하고 단지 모든 경계 조건들이 만족되는 것에 응답하여 비율이 저항(R) 또는 전도도(
)의 추정된 범위 밖인지의 여부를 검사하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제어기(122)는 시간에 따라 최소 온도 임계값(Tmin), 배터리 전압 임계값의 최소 변화(ΔUmin), 및/또는 최소 배터리 전류 임계값(Imin)을 측정된 온도(T), 온도 센서(120)의 성능, 배터리(102)의 셀 노화, 펄스 프로파일, 배터리(102)의 충전 상태, 배터리 전류(I)의 극성, 및/또는 배터리 전압(U)과 배터리 전류(I) 사이의 보상되지 않은 위상차의 함수로서 주기적으로 조정하도록 구성된다. 또한, 일부 실시예들에서, 제어기(122)는 최소 온도 임계값(Tmin), 배터리 전압 임계값의 최소 변화(ΔUmin), 및/또는 배터리(102)의 기능 제조 변동성으로서 최소 배터리 전류 임계값(Imin)을, 일정한 또는 1회 조정으로서, 조정하도록 구성된다.
본 명세서에 설명된 쌍형 샘플 상관 방법은 제어기(122)가 2차 전류 센서의 필수적인 포함 없이 전류 센서(116)의 결함들을 검출할 수 있게 함으로써 배터리 시스템(100)의 기능을 향상시킨다. 또한, 2차 전류 센서를 포함하는 배터리 시스템들에서, 쌍형 샘플 상관 방법은 제어기(122)가 전류 센서(116)에서 결함들, 특히 이득 결함들을 검출함으로써 추가의 중복성을 제공할 수 있게 한다. 다른 방법들과 달리, 본 명세서에 개시된 쌍형 샘플 상관 방법은 결과들을 생성하기 시작하기 위해 소량의 데이터만을 필요로 하고(예를 들면, 2개의 샘플들), 이는 배터리 시스템에서의 결함 검출과 같은 실시간 응용들에 유리하다. 또한, 각각의 상관 검사의 낮은 계산 비용은 방법이 저성능이고 저비용인 하드웨어에 계속 실행하게 한다. 쌍형 샘플 상관 방법은 교정 변수들의 직관적 특성(예를 들면, 미리 결정된 통과/실패 임계값 또는 상기에 논의된 파라미터들(
, 
, Tmin, ΔUmin, 및/또는 Imin)에 대한 값들) 및 교정 변수들간의 낮은 상호 의존성에 인해 쉽게 교정된다. 쌍형 샘플 상관 방법은 유리하게는 로직을 가지고, 이는 각각의 유형의 계산이 새로운 샘플마다(경계 조건들이 만족되는 경우) 또는 고레벨 평가가 수행될 때마다 수행되기 때문에 더욱 쉽게 구현된다. 이는 다른 계산들의 결과에 따라 일부 계산들이 수행되거나 수행되지 않는 알고리즘과 대조된다.
본 개시가 도면들 및 전술한 설명에서 상세하게 도시되고 설명되었지만, 동일한 것은 특성상 제한적이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 바람직한 실시예들만이 제시되었고 본 개시의 정신 내에 속하는 모든 변경들, 수정들, 및 다른 응용들이 보호되는 것이 바람직하다는 것이 이해된다.
Claims (20)
- 전류 센서 결함 검출의 방법에 있어서,
배터리의 배터리 전압을 측정하도록 구성된 전압 센서로부터의 배터리 전압 샘플들의 시퀀스 및 배터리의 배터리 전류를 측정하도록 구성된 전류 센서로부터의 배터리 전류 샘플들의 시퀀스를 수신하는 단계;
미리 결정된 수의 샘플들에 대한 배터리 전압 샘플들의 변화 및 미리 결정된 수의 샘플들에 대한 배터리 전류 샘플들의 변화를 결정하는 단계;
상기 배터리 전압 샘플들의 변화와 상기 배터리 전류 샘플들의 변화의 비율이 (ⅰ) 배터리의 저항 및 (ⅱ) 배터리의 전도도(conductance) 중 하나에 대한 예상 범위 내에 있는지의 여부를 검사하는 단계; 및
상기 비율이 예상 범위 내에 있는지의 여부에 기초하여 상기 전류 센서의 결함을 검출하는 단계를 포함하는, 전류 센서 결함 검출의 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 배터리 전압 샘플들의 변화 및 상기 배터리 전류 샘플들의 변화를 결정하는 단계는:
상기 배터리 전압 샘플들의 변화를 제 1 시간 단계에서 배터리 전압 샘플들의 값과 제 2 시간 단계에서 상기 배터리 전압 샘플들의 값 사이의 차이로서 결정하는 단계로서, 상기 제 2 시간 단계는 상기 제 1 시간 단계 후 제 1 미리 결정된 수의 시간 단계들인, 상기 배터리 전압 샘플들의 변화를 결정하는 단계; 및
상기 배터리 전류 샘플들의 변화를 제 3 시간 단계에서 배터리 전압 샘플들의 값과 제 4 시간 단계에서 배터리 전류 샘플들의 값 사이의 차이로서 결정하는 단계로서, 상기 제 4 시간 단계는 상기 제 3 시간 단계 후 제 1 미리 결정된 수의 시간 단계들이고, 상기 제 3 시간 단계는 상기 제 1 시간 단계 전 또는 후의 제 2 미리 결정된 수의 시간 단계들인, 상기 배터리 전류 샘플들의 변화를 결정하는 단계를 더 포함하는, 전류 센서 결함 검출의 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 배터리의 온도를 측정하도록 구성된 온도 센서로부터 배터리 온도 측정을 수신하는 단계; 및
상기 배터리 온도 측정에 기초하여 예상 범위를 결정하는 단계를 더 포함하는, 전류 센서 결함 검출의 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 검출 단계는, 상기 비율이 상기 예상 범위 밖에 있는 것에 기초하여 상기 결함을 검출하는 단계를 더 포함하는, 전류 센서 결함 검출의 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 배터리 전압 샘플들 및 상기 배터리 전류 샘플들의 연속적인 시간 단계들을 결정하는 단계 및 검사하는 단계를 반복하는 단계;
검사의 각각의 반복에 대하여, 상기 비율이 예상 범위 밖에 있는지의 여부를 저장하는 단계;
검사의 미리 결정된 수의 반복들 후에, 상기 미리 결정된 수의 반복들 중 상기 비율이 예상 범위 밖에 있는 횟수를 결정하는 단계; 및
상기 횟수가 미리 결정된 임계값을 초과하는 것에 응답하여 결함을 검출하는 단계를 더 포함하는, 전류 센서 결함 검출의 방법. - 제 5 항에 있어서,
(ⅰ) 상기 배터리의 셀 노화, (ⅱ) 상기 배터리의 충전 상태, (ⅲ) 상기 배터리 전류의 극성, 및 (ⅳ) 상기 배터리 전류와 배터리 전압 사이의 위상차 중 적어도 하나에 기초하여 상기 예상 범위 및 상기 미리 결정된 임계값 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 더 포함하는, 전류 센서 결함 검출의 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 검사 단계는: 단지 (ⅰ) 상기 배터리의 배터리 온도가 최소 온도 임계값을 초과하고, (ⅱ) 상기 배터리 전압 샘플들의 변화가 최소 전압 변화 임계값을 초과하고, (ⅲ) 상기 배터리 전류 샘플들의 전류값이 최소 전류 임계값을 초과하는 것 중 적어도 하나인지의 검사를 수행하는 단계를 더 포함하는, 전류 센서 결함 검출의 방법. - 제 7 항에 있어서,
(ⅰ) 상기 배터리의 셀 노화, (ⅱ) 상기 배터리의 충전 상태, (ⅲ) 상기 배터리 전류의 극성, 및 (ⅳ) 상기 배터리 전류와 배터리 전압 사이의 위상차 중 적어도 하나에 기초하여 상기 최소 온도 임계값, 상기 최소 전압 변화 임계값, 및 상기 최소 전류 임계값 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 더 포함하는, 전류 센서 결함 검출의 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 결함을 검출하는 것에 응답하여, (ⅰ) 가청 경보 및 (ⅱ) 시각적 경보 중 하나를 생성하도록 출력 장치를 동작시키는 단계를 더 포함하는, 전류 센서 결함 검출의 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 결함을 검출하는 것에 응답하여, 적어도 하나의 부하로부터 상기 배터리를 분리하도록 적어도 하나의 스위치를 동작시키는 단계를 더 포함하는, 전류 센서 결함 검출의 방법. - 배터리 시스템에 있어서:
적어도 하나의 부하에 전력을 제공하도록 동작 가능하게 연결된 배터리;
상기 배터리의 배터리 전압을 측정하도록 구성된 전압 센서;
상기 배터리의 배터리 전류를 측정하도록 구성된 전류 센서; 및
상기 전압 센서 및 상기 전류 센서에 동작 가능하게 연결된 제어기를 포함하고, 상기 제어기는:
상기 전압 센서로부터 배터리 전압 샘플들의 시퀀스 및 상기 전류 센서로부터 배터리 전류 샘플들의 시퀀스를 수신하고;
미리 결정된 수의 샘플들에 대한 배터리 전압 샘플들의 변화 및 미리 결정된 수의 샘플들에 대한 배터리 전류 샘플들의 변화를 결정하고;
상기 배터리 전압 샘플들의 변화와 상기 배터리 전류 샘플들의 변화의 비율이 (ⅰ) 상기 배터리의 저항 및 (ⅱ) 상기 배터리의 전도도 중 하나에 대한 예상 범위 내에 있는지의 여부를 검사하고;
상기 비율이 상기 예상 범위 내에 있는지의 여부에 기초하여 상기 전류 센서의 결함을 검출하도록 구성되는, 배터리 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 제어기는 또한:
제 1 시간 단계에서 상기 배터리 전압 샘플들의 값과 제 2 시간 단계에서 상기 배터리 전압 샘플들의 값 사이의 차이로서 상기 배터리 전압 샘플들의 변화를 결정하고, 상기 제 2 시간 단계는 상기 제 1 시간 단계 후 제 1 미리 결정된 수의 시간 단계들이고;
상기 배터리 전류 샘플들의 변화를 제 3 시간 단계에서 상기 배터리 전류 샘플들의 값과 제 4 시간 단계에서 상기 배터리 전류 샘플들의 값 사이의 차이로서 결정하고, 상기 제 4 시간 단계는 상기 제 3 시간 단계 후 제 1 미리 결정된 수의 시간 단계들이고, 상기 제 3 시간 단계는 제 1 시간 단계 후 제 2 미리 결정된 수의 시간 단계들이도록 구성되는, 배터리 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 배터리의 온도를 측정하도록 구성된 온도 센서를 더 포함하고,
상기 제어기는:
상기 온도 센서로부터 배터리 온도 측정을 수신하고;
상기 배터리 온도 측정에 기초하여 예상 범위를 결정하도록 또한 구성되는, 배터리 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 비율이 상기 예상 범위 밖에 있는 것에 응답하여 결함을 검출하도록 또한 구성되는, 배터리 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 제어기는 또한:
상기 배터리 전압 샘플들 및 배터리 전류 샘플들의 연속적인 시간 단계들에 대한 결정 및 검사를 반복하고;
상기 검사의 각각의 반복에 대하여, 상기 비율이 예상 범위 밖에 있는지의 여부를 저장하고;
상기 검사의 미리 결정된 수의 반복들 후, 미리 결정된 수의 반복들 중 상기 비율이 예상 범위 밖인 횟수를 결정하고;
상기 횟수가 미리 결정된 임계값을 초과하는 것에 응답하여 결함을 검출하도록 구성되는, 배터리 시스템. - 제 15 항에 있어서,
상기 제어기는 또한:
(ⅰ) 상기 배터리의 셀 노화, (ⅱ) 상기 배터리의 충전 상태, (ⅲ) 상기 배터리 전류의 극성, 및 (ⅳ) 상기 배터리 전류와 배터리 전압 사이의 위상차 중 적어도 하나에 기초하여 상기 예상 범위 및 상기 미리 결정된 임계값 중 적어도 하나를 조정하도록 구성되는, 배터리 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 제어기는 또한:
단지 (ⅰ) 상기 배터리의 배터리 온도가 최소 온도 임계값을 초과하고, (ⅱ) 상기 배터리 전압 샘플들의 변화가 최소 전압 변화 임계값을 초과하고, (ⅲ) 상기 배터리 전류 샘플들의 전류값이 최소 전류 임계값을 초과하는 것 중 적어도 하나인지 검사를 수행하도록 구성되는, 배터리 시스템. - 제 17 항에 있어서,
상기 제어기는 또한:
(ⅰ) 상기 배터리의 셀 노화, (ⅱ) 상기 배터리의 충전 상태, (ⅲ) 상기 배터리 전류의 극성, 및 (ⅳ) 상기 배터리 전류와 배터리 전압 사이의 위상차 중 적어도 하나에 기초하여 상기 최소 온도 임계값, 상기 최소 전압 변화 임계값, 및 상기 최소 전류 임계값 중 적어도 하나를 조정하도록 구성되는, 배터리 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 제어기는 또한, 상기 결함을 검출하는 것에 응답하여, (ⅰ) 가청 경보 및 (ⅱ) 시각적 경보 중 하나를 생성하도록 출력 장치를 동작시키도록 구성되는, 배터리 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 제어기는 또한, 상기 결함을 검출하는 것에 응답하여, 상기 적어도 하나의 부하로부터 상기 배터리를 분리하도록 적어도 하나의 스위치를 동작시키도록 구성되는, 배터리 시스템.
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