KR100759706B1 - 하이브리드 차량용 배터리의 충전상태 추정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주행중이 아닌 초기시에는 온도 변화 및 OCV를 참조하여 SOC를 추정하고, 주행시에는 충방전에 따른 배터리의 용량 감소를 반영하여 SOC를 추정함으로써, 정확한 SOC를 추정할 수 있는 방법 및 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 SOC 추정방법은, 초기 SOC 추정시 온도를 측정하는 단계; OCV를 측정하는 단계; 온도 변화에 따른 OCV의 변화를 나타내는 파라메터들을 획득하는 단계; 상기 획득된 파라메터에 따라 측정된 OCV와 상기 파라메터들을 이용하여 SOC를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 방법은, 초기 이후의 SOC 추정시 전류 적산을 위해 전류를 측정하는 단계; 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율을 산출하는 단계; 상기 전류를 적산한 값을 상기 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율로 나누어 SOC를 추정하는 단계를 더 포함함을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 차량용 배터리의 충전상태 추정 방법{METHOD OF ESTIMATING SOC OF BATTERY FOR HYBRID ELECTRIC VEHICLE}

도 1은 SOC와 OCV의 상관관계를 나타낸 그래프.

도 2는 S자형 커브를 나타낸 그래프.

도 3은 온도 변화에 따른 SOC와 OCV의 상관관계의 변화를 나타낸 그래프.

도 4 내지 도 7는 온도별 파라메터들을 도시한 도면.

도 8은 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율을 나타낸 그래프.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 SOC 추정장치의 구성도.

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 SOC 추정방법의 흐름도.

도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 SOC를 추정한 결과를 도시한 도면.

본 발명은 배터리의 잔존 용량(SOC; State of Charge)을 추정하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 차량의 주행시와 비주행시에 각각 SOC에 미치는 파라미터들의 변화를 고려하여 더욱 정확하게 배터리의 잔존 용량을 추정할 수 있 는 하이브리드 차량용 배터리의 충전 상태 추정 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기 차량은 구동 연료로서 일반적으로 2차 전지인 리튬-이온 전지를 사용하고 있으며, 상기 전지에서 출력되는 전원으로 동력 발생 장치를 구동시키고, 이를 동력 전달 장치를 통해 구동휠로 전달하여 구동휠을 회전시킴으로써 차량을 구동시키게 된다.

상기 전지에 있어서, 방전이 진행됨에 따라 양극과 음극 간의 단자 전압은 점차 감소하다가 어느 한도에 이르게 되면, 급격히 저하하여 방전 종지 전압에 이르게 되며, 그 이후부터는 방전 능력이 없어진다. 방전 종지 전압 이하에서까지 방전하게 되면, 전해액과 화학적 반응을 일으켜 전류를 생성하는 극판이 손상되어, 축전지로서의 기능이 상실된다.

따라서, 전기 차량은 배터리에 충전되어 있는 용량만큼 주행할 수 있고, 주행 중 구동휠의 회전력을 역이용하여 발전을 한 후 다시 재충전시키면서 사용할 수 있도록 하고 있으며, 배터리가 완전히 방전될 정도까지 차를 운행하다 주행 중 정지하게 되면, 재충전에 어려움이 있어 곤란하므로 주행 중 배터리의 잔존 용량(SOC; State of Charge)을 정확하게 파악하는 것이 중요하다. 그러나, 배터리의 불규칙성(온도, 방전 등에 따라 변함) 때문에, 기존 차량의 연료 게이지처럼 충전량을 정확히 측정하는 것은 곤란하다.

배터리의 잔존 용량을 체크하는 방법으로서, 전지 전압으로 잔존 용량을 확인하는 방법과 방전 용량으로 잔존 용량을 확인하는 방법 등이 상용화되어 있다.

그러나, 첫번째 방법의 경우 방전량에 따라 전압이 감소, 즉 급가속시 잔존 용량에 무관하게 전압이 순간적으로 감소하므로 그 한계가 있고, 두 번째 방법의 경우 몇 Km로 정속 주행했는지 또는 시내 주행을 했는지 등과 같은 부하 조건에 따라 전지가 사용할 수 있는 용량이 다르므로, 잔존 용량을 확인하기 위한 알고리즘이 무척 까다롭게 되는 문제점이 있다.

한편, 차량의 주행에 앞서 배터리의 잔존 용량을 추정할 때 개회로 전압(OCV)을 참조하여 설정되고 있는데, 이러한 방법에 있어서 전제가 되는 것은 OCV가 환경에 따라 변하지 않는다는 것인데, 실제 OCV는 온도에 따라서 변하기 때문에 정확한 배터리 잔존 용량을 추정할 수 없는 문제가 있다.

또한, 하이브리드 전기 차량에서는 고전류로 충·방전을 반복하게 되는데, 일정시간 동안의 충방전 전류를 적산하고 그 값을 배터리의 전체 용량으로 나눈 값이 변화된 SOC의 양이 된다. 이때, 배터리의 충방전 출력의 퇴화율과 배터리의 전체 용량이 충방전 사이클에 따라 감소하여 그에 따라 배터리의 잔존 용량도 변하게 되지만, 이를 고려하여 SOC를 추정하는 방법은 아직 개발되고 있지 않다.

본 발명은 주행중이 아닌 초기시에는 온도 변화 및 OCV를 참조하여 SOC를 추정하고, 주행시에는 충방전에 따른 배터리의 용량 감소를 반영하여 SOC를 추정함으로써, 정확한 SOC를 추정할 수 있는 방법 및 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 SOC 추정방법은, 초기 SOC 추정시 온도를 측정하는 단계; OCV를 측정하는 단계; 온도 변화에 따른 OCV의 변화를 나타내 는 파라메터들을 획득하는 단계; 상기 획득된 파라메터에 따라 측정된 OCV와 상기 파라메터들을 이용하여 SOC를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 방법은, 초기 이후의 SOC 추정시 전류 적산을 위해 전류를 측정하는 단계; 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율을 산출하는 단계; 상기 전류를 적산한 값을 상기 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율로 나누어 SOC를 추정하는 단계를 더 포함함을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 따르는 SOC 추정장치는, 온도를 측정하는 온도센서; 온도 변화에 따른 OCV의 변화를 나타내는 파라메터들을 저장하는 메모리부; OCV를 측정하는 OCV 측정부; 초기 SOC 추정시 상기 온도센서 및 OCV 측정부를 통해 온도 및 OCV를 측정하고, 온도 변화에 따른 OCV의 변화를 나타내는 파라메터들을 상기 메모리부로부터 획득하고, 상기 획득된 파라메터에 따라 측정된 OCV와 상기 파라메터들을 이용하여 SOC를 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 장치는 전류를 측정하는 전류 측정부를 더 구비하고, 상기 제어부가, 초기 이후의 SOC 추정시 전류 적산을 위해 전류 측정부를 통해 전류를 측정하고, 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율을 산출하고, 상기 전류를 적산한 값을 상기 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율로 나누어 SOC를 추정함을 특징으로 한다.

전술한 본 발명의 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조로 한 이하의 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명을 통해 더욱 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

배터리의 잔존 용량은 실질적으로 정확한 검출은 불가능하고 단지 간접적인 전압, 전류, 임피던스 등의 측정에 의한 추정이 가능하다.

통상적으로, 배터리의 SOC는 OCV를 통해 추정하는데, OCV는 온도에 따라 변화함에도 불구하고 종래 기술에 따르면 이를 전혀 고려하지 않은 채 OCV가 고정된 값을 갖는다는 전제하에 SOC 추정을 수행하였다.

또한, 충방전을 반복하는 하이브리드 전기 자동차의 경우에는 충방전 사이클에 따라 배터리의 전체 용량이 감소하고 이를 감안하여 SOC를 추정하여야 함에도 불구하고, 이러한 파라미터들을 고려되지 않은 채 SOC를 추정하고 있기 때문에 정확한 SOC 추정을 할 수 없다는 한계를 갖고 있다.

이에 본 발명은 배터리의 SOC를 보다 정확하게 추정하기 위하여, 배터리의 충전 상태에 영향을 미치는 온도와 그 온도 변화에 따른 OCV를 이용하여 초기 SOC를 추정하고, 충방전 사이클에 따른 배터리의 전체 용량 감소를 감안하여 주행중의 SOC를 추정함으로써, 보다 정확한 SOC를 추정할 수 있게 한다.

먼저, 초기 SOC를 산출하기 위해 OCV와 SOC의 상관관계를 측정하여 도 1과 같은 그래프를 획득한다.

상기 도 1에 도시한 OCV와 SOC의 상관관계를 나타내는 곡선은 도 2에 도시한 상하측의 두개의 점근선을 가지는 S자형 커브(Sigmoidal Curve)와 유사성을 가진다.

이에, 상기 도 1의 곡선은 하기 수학식 1과 같이 모델링될 수 있다.

상기 수학식 1에서 y는 SOC가 되고, x는 OCV가 되고, a는 상위 점근선, b는 굴절점을 간접적으로 정하는 파라미터, c는 스케일링 펙터, d는 x축에 대한 굴절점의 위치를 나타낸다.

상기한 과정을 통해 OCV에 따른 SOC 산출식이 획득된다.

그런데, 상술한 바와 같이 OCV가 온도에 따라 변화하므로, 상기 온도 변화에 따른 OCV와 SOC의 변화를 측정하면, 도 3과 같은 그래프를 획득할 수 있다.

상기 도 3을 참조하면, 상기 OCV와 SOC의 상관관계를 나타내는 그래프는 온도 변화에 따라 상위 점근선(a), 굴절점(b,d), 스케일링 펙터(c)가 변화된다.

이에 온도 변화에 따라 변화되는 상위 점근선(a), 굴절점(b,d), 스케일링 펙터(c)를 측정하여 도 4 내지 도 7과 같은 그래프를 획득한다.

상기 도 4는 온도 변화에 따른 상위 점근선(a)의 변화를 도시한 것이고, 상기 도 5는 온도 변화에 따른 굴절점(b)의 변화를 도시한 것이고, 상기 도 6은 온도 변화에 따른 스케일링 펙터(c)의 변화를 도시한 것이고, 상기 도 7은 온도 변화에 따른 굴절점(d)의 변화를 도시한 것이다.

상기 도 4 내지 도 7에 도시한 온도 변화에 따른 상위 점근선(a), 굴절점(b,d), 스케일링 펙터(c)는 온도별로 테이블화되어 메모리에 저장되어, SOC의 산 출시 이용된다.

또한 상기한 바와 다르게 상기 온도 변화에 따른 상위 점근선(a), 굴절점(b,d), 스케일링 펙터(c)는 상기 도 4 내지 도 7에 도시한 그래프를 이용하여 수학식으로 구현될 수 있다.

그리고 주행중에는 충방전 전류를 적산하여 SOC를 추정하며, 상기 SOC 추정식은 수학식 2에 따른다.

상기 수학식 2에서, SOC_k-1은 이전 SOC로서 수학식 1에 의한 초기 SOC의 산출후에는 상기 초기 SOC가 적용되고, 그 다음부터는 이전 SOC가 적용된다. 또한 상기 수학식 2에서, E_cha는 충전 효율, E_dch는 방전 효율, I_cha는 적산된 충전 전류, I_dch는 적산된 방전 전류, t는 충전 또는 방전 전류를 적산한 시간, C_init는 배터리의 초기용량, F_c(cycle)은 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율이다.

상기 수학식 2는 일반적인 충방전 전류의 적산 방식에 따른 SOC를 사이클에 따른 배터리 용량 감소율 F_c(cycle)로 나눈 것으로, 사이클에 따른 배터리 용량 감소율 F_c(cycle)에 따른 SOC가 감소되도록 한다.

이와 같이 본 발명은 반복되는 충방전 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율 을 보상함으로써, 배터리의 잔존 용량 추정의 정확성을 한층 더 높인다.

상기 사이클에 따른 배터리 용량 감소율 F_c(cycle)은 도 8에 도시한 바와 같이 누적 방전 용량과 배터리 용량의 퇴화율에 대한 실험 데이터를 토대로 그래프화될 수 있다. 상기 도 8의 그래프를 이용하여 상기 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율은 다음의 수학식 3로 표현될 수 있다.

F_c(cycle) = D₅×d⁵ + D₄×d⁴ + D₃×d³ + D₂×d² + D₁×d + D₀(D₀~D₅은 상수)

상기 수학식 3에서 d는 누적 방전 용량으로서, [0,33330]의 범위에 있고, 함수에 입력값으로 입력되는 경우, d = [-1, 1]의 범위의 값으로 바뀌어 입력된다.

상기 수학식 3은 다음 수학식 4와 같이 구체화되어 표현될 수 있다.

F_c(cycle) = -0.82345d⁵ + 0.4097d⁴ + 0.82345d³ -0.082476d² -0.80103d + 6.2177

이제, 상기한 수학식들을 이용하여 SOC를 산출하는 배터리 관리 장치의 구성을 도 9를 참조하여 설명한다.

제어부(100)는 배터리를 전반적으로 제어함은 물론이며, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 초기 SOC 및 주행중 SOC를 산출한다.

메모리부(102)는 상기 제어부의 처리 프로그램을 포함하는 다양한 정보를 저장하며, 특히 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 산출된 SOC 및, 온도별 파라메터(a,b,c,d)를 저장하며, 누적 방전 용량(d), 충전 효율(E_cha), 방전 효율(E_dch), 충전 전류(I_cha), 방전 전류(I_dch), 시간(t), 배터리의 초기용량(C_init)을 저장한다.

전류 측정부(104)는 주행중 SOC의 산출을 위해 전류를 측정하여 BMS(100)에 제공한다.

온도 센서(106)는 초기 SOC 산출을 위해 온도를 센싱하고, 그 결과를 제어부(100)에 제공한다.

OVC 측정부(108)는 초기 SOC 산출을 위해 OCV를 측정하고, 그 결과를 제어부(100)에 제공한다.

이제 상기한 배터리 관리 장치에 적용 가능한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 SOC 추정방법을 도 10을 참조하여 설명한다.

제어부(100)는 외부기기 또는 배터리 관리를 위해 SOC의 추정이 요청되면(200단계), 현재 주행중인지를 체크한다(202단계). 여기서, 주행중은 차량 제어장치로부터 제공되거나 배터리의 이용상태를 토대로 체크될 수 있다.

현재 주행중이 아니면, 제어부(100)는 초기 상태로 판단하여 초기 SOC 추정을 위한 프로세스를 시작한다.

초기 SOC 추정을 위해 제어부(100)는 온도 센서(106)를 통해 온도를 측정하고, 상기 측정된 온도에 대응되는 파라메터들을 메모리부(102)로부터 독출한다(204단계). 상기 파라메터들은 수학식 1에 따른 SOC 추정을 위한 상위 점근선(a), 굴절 점(b,d), 스케일링 펙터(c)이다.

상기 측정된 온도에 대응되는 파라메터들의 독출이 완료되면, 제어부(100)는 OCV 측정부(108)를 통해 OCV를 측정한다(206단계).

상기 OCV의 측정이 완료되면, 제어부(100)는 온도에 대응되는 파라메터들과 상기 측정된 OCV를 통해 상기 수학식 1에 따라 초기 SOC를 산출한다(208단계).

상기 초기 SOC의 산출이 완료되면, 제어부(100)는 상기 산출된 초기 SOC를 메모리부(102)에 저장한다(210단계).

상기 202단계에서 주행중이면, 제어부(100)는 전류 측정부(104)를 통해 전류를 측정한다(212단계).

상기 전류 측정이 완료되면, 제어부(100)는 메모리부(102)에서 누적 방전 용량(d)을 독출하여, 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율을 수학식 3에 따라 산출한다(214단계).

상기 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율이 산출되면, 제어부(100)는 메모리부(102)에 저장된 초기 또는 이전 SOC와 측정된 전류 및 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율을 이용하여, 수학식 2에 따라 주행중 SOC를 산출하고, 상기 산출된 SOC를 메모리부(102)에 저장한다(216단계).

상기한 본 발명에 따른 배터리 잔존 용량 추정 방법의 정확성을 검증하기 위한 실험을 실시한 결과, 도 11에 도시한 것과 같은 결과를 얻었다.

즉, 도 11는 상기한 SOC 추정식을 통해서 온도가 25℃일 때의 OCV 대비 SOC의 예를 나타낸 그래프로서, SOC의 최대 오차는 약 3.6% 정도로 나타났다. 이 정 도의 오차는 실제 배터리의 충전 상태를 추정함에 있어서, 허용 가능한 범위의 오차로서, 거의 실제와 정확하게 배터리의 잔존 용량을 추정할 수 있음을 보여준다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 전술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 방식으로 변경, 수정될 수 있다는 것은 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 후술하는 특허 청구의 범위 및 그 등가물에 의해서만 제한된다.

상기한 본 발명은 차량이 비주행중인 초기시에는 OCV를 이용한 SOC를 추정함에 있어서 온도 변화를 보상함으로써 임의의 온도에서 SOC 추정이 가능하고, 주행중인 경우에는 온도 보상뿐만 아니라 충방전 사이클에 따라서 감소되는 배터리의 용량 감소율도 보상함으로써 보다 정확한 SOC 추정을 할 수 있다.

Claims (12)

1. SOC 추정방법에 있어서,

   초기 SOC 추정시 온도를 측정하는 단계;

   OCV를 측정하는 단계;

   온도 변화에 따른 OCV의 변화를 나타내는 파라메터들을 획득하는 단계;

   상기 획득된 파라메터에 따라 측정된 OCV와 상기 파라메터들을 이용하여 SOC를 산출하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOC 추정방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 온도 변화에 따른 OCV의 변화를 나타내는 파라메터들은 온도별 파라메터들이 맵핑되어 있는 테이블로부터 획득됨을 특징으로 하는 SOC 추정방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 온도 변화에 따른 OCV의 변화로부터 획득된 수학식에 따라 산출됨을 특징으로 하는 SOC 추정방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 SOC는 수학식 5에 따라 산출됨을 특징으로 하는 SOC 추정방법.

   

   상기 수학식 5에서 y는 SOC이고, x는 OCV이고, a,b,c,d는 온도에 따라 상이한 파라메터들로서, 상기 a는 상위 점근선, b는 굴절점을 간접적으로 정하는 파라미터, c는 스케일링 펙터, d는 x축에 대한 굴절점의 위치를 나타냄.
5. SOC 추정방법에 있어서,

   SOC 추정시 전류 적산을 위해 전류를 측정하는 단계;

   사이클에 따른 배터리 용량의 감소율을 산출하는 단계;

   상기 전류를 적산한 값을 상기 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율로 나누어 SOC를 추정하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOC 추정방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율은 수학식 6에 따라 산출됨을 특징으로 하는 SOC 추정방법.

   F_c(cycle) = D₅×d⁵ + D₄×d⁴ + D₃×d³ + D₂×d² + D₁×d + D₀

   D₀~D₅은 상수이고, d는 누적 방전 용량임.
7. 제5항에 있어서,

   상기 SOC는 수학식 7에 따라 산출됨을 특징으로 하는 SOC 추정방법.

   

   SOC_k-1은 이전 SOC, E_cha는 충전 효율, E_dch는 방전 효율, I_cha는 적산된 충전 전류, I_dch는 적산된 방전 전류, t는 충전 또는 방전 전류를 적산한 시간, C_init는 배터리의 초기용량, F_c(cycle)은 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율임.
8. 제1항에 있어서,

   초기 이후의 SOC 추정시 전류 적산을 위해 전류를 측정하는 단계;

   사이클에 따른 배터리 용량의 감소율을 산출하는 단계;

   상기 전류를 적산한 값을 상기 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율로 나누어 SOC를 추정하는 단계

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SOC 추정방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율은 수학식 8에 따라 산출됨을 특징으로 하는 SOC 추정방법.

   F_c(cycle) = D₅·d⁵ + D₄·d⁴ + D₃·d³ + D₂·d² + D₁·d + D₀

   D₀~D₅은 상수이고, d는 누적 방전 용량임.
10. 제8항에 있어서,

    상기 SOC는 수학식 9에 따라 산출됨을 특징으로 하는 SOC 추정방법.

    

    SOC_k-1은 이전 SOC, E_cha는 충전 효율, E_dch는 방전 효율, I_cha는 적산된 충전 전류, I_dch는 적산된 방전 전류, t는 충전 또는 방전 전류를 적산한 시간, C_init는 배터리의 초기용량, F_c(cycle)은 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율임.
11. SOC 추정장치에 있어서,

    온도를 측정하는 온도센서;

    온도 변화에 따른 OCV의 변화를 나타내는 파라메터들을 저장하는 메모리부;

    OCV를 측정하는 OCV 측정부;

    초기 SOC 추정시 상기 온도센서 및 OCV 측정부를 통해 온도 및 OCV를 측정하고, 온도 변화에 따른 OCV의 변화를 나타내는 파라메터들을 상기 메모리부로부터 획득하고, 상기 획득된 파라메터에 따라 측정된 OCV와 상기 파라메터들을 이용하여 SOC를 산출하는 제어부

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOC 추정장치.
12. 제11항에 있어서,

    전류를 측정하는 전류 측정부를 더 구비하고,

    상기 제어부가,

    초기 이후의 SOC 추정시 전류 적산을 위해 전류 측정부를 통해 전류를 측정하고, 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율을 산출하고, 상기 전류를 적산한 값을 상기 사이클에 따른 배터리 용량의 감소율로 나누어 SOC를 추정함을 특징으로 하는 SOC 추정장치.

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