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KR20090129212A - 고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법 - Google Patents

고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법 Download PDF

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KR20090129212A
KR20090129212A KR1020080055354A KR20080055354A KR20090129212A KR 20090129212 A KR20090129212 A KR 20090129212A KR 1020080055354 A KR1020080055354 A KR 1020080055354A KR 20080055354 A KR20080055354 A KR 20080055354A KR 20090129212 A KR20090129212 A KR 20090129212A
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현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 배터리의 전압 및 전류의 특성을 이용하여 전류값이 변하지 않는데 전압값이 일정값 이상 변하거나, 전압값이 변하지 않는데 전류값이 일정값 이상 변하는 경우에 전류센서 라인의 단선 및 단락 이외의 고장을 판단함으로써, 고전압 배터리 상태를 예측함에 있어 신뢰성을 높이고 하이브리드 차량의 상품성을 향상시킬 수 있도록 한 고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 위해, 본 발명은 BMS가 전류센서의 출력전압값을 받아 계산한 전류값이 양전압 설정값보다 크거나 음전압 설정값 보다 작은지를 판단하는 단계; 상기 BMS가 계산한 전류값이 양전압 설정값보다 크거나 음전압 설정값보다 작은 경우 전류센서의 전원라인이 단선 또는 단락된 것으로 판단하는 단계; 및 상기 BMS가 계산한 전류값이 음전압 설정값보다 크고 양전압 설정값보다 작은 경우 배터리의 전압변화량이 제1기준전압값 미만이고, BMS가 계산한 전류변화량이 제1기준전류값을 초과하는지를 판단하는 단계를 포함하고, 상기 배터리의 전압변화량이 제1기준전압값 미만이고, BMS가 계산한 전류변화량이 제1기준전류값을 초과하는 경우 전류센서가 고장인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법을 제공한다.
고전압 배터리, 전류센서, 단선, 단락

Description

고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법{Trouble diagnosis method of current sensor for high voltage battery system}
본 발명은 고전압 배터리시스템에서 전류센서의 단선 및 단락 이외의 고장에 대한 고장진단방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량에는 비교적 고전압(예를 들면, 500V 정도)의 주행용 고전압 배터리가 구비되고, 또 이와는 별도로 비교적 저전압(예를 들면, 12V 정도)의 직류 전력을 축적하는 차량 탑재 전장품용 저전압 배터리가 구비된다.
여기서, 상기 고전압 배터리의 경우에는 연속적으로 충전(회생제동)과 방전이 번갈아 가면서 발생한다.
이때, 고전압 배터리는 실제 방전 가능한 최대 전류를 출력하고, 또한 발전 및 회생 제동시 충전 가능한 최대 전류를 받는 것이 차량 전체 효율 및 연비를 개선하는 측면에서 중요하다.
도 1은 하이브리드 차량의 일반적인 구동 계통을 나타내는 개략도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 엔진(1)과, 엔진(1)의 보조를 위한 구동모터(2)와, 충방전을 위한 고전압배터리(3)가 구비되고, 구동모터(2)와 고전압배터리(3)는 모터 인버터(4) 및 메인 릴레이(5)에 의해 전기적으로 연결된다.
이에 따라, 상기 구동모터(2)와 고전압배터리(3)는 모터 제어기(MCU)(6) 및 배터리 제어기(BMS)(7)와, 그리고 엔진 제어기(EMS)(8), 차량 제어기(HCU)(9) 등의 협조적인 제어에 의해 상호 연계적으로 작동하고, 결국 배터리측의 충전 및 방전 작용이 일어날 수 있다.
한편, 전류센서(10)가 고전압 배터리(3)에 설치되어 고전압배터리(3)에 흐르는 전류를 감지하고, 배터리제어기(7)가 전류센서(10)를 통해 감지된 전류값을 읽어 배터리의 충전상태(State Of Charge;SOC)를 계산하는데 주요 인자로 사용한다.
차량제어기(9)는 배터리제어기(7)의 SOC를 참조하여 차량의 동력을 분배하는데 주요 인자로 사용한다. 즉, HCU(9)는 BMS(7) SOC를 참조하여 운전자 요구조건에 따라 동력보조(ASSIST)량을 결정하는데, 같은 운전자 요구 조건 하에서 SOC가 높으면 동력보조량을 증가시키고, SOC가 낮으면 동력보조량을 감소시킨다(도 2).
여기서, 상기 전류센서(10)의 고장은 배터리제어기(7)와 전류센서(10) 사이의 하드 와이어(전원라인)의 단선, 단락, 그 이외의 고장으로 구분할 수 있다.
종래기술에 의한 전류센서(10) 전원라인의 단선, 단락 검출 방법을 설명하면 다음과 같다.
BMS(7)는 전류센서(10)의 출력 전압 값으로 전류값을 계산한다. 이때, 배터리(3)를 기준으로 -는 충전방향, +는 방전방향이라고 할때, 배터리가 최대로 충방 전이 일어날 수 있는 전류는 -150A ~ +150A 이다.
그리고, 전류센서(10) 자체의 특성상 전류센서(10)의 전원라인이 단선되면 -225A에 해당하는 전압이 출력되며, 전류센서(10)의 전원라인이 단락(쇼트)되면 +225A에 해당하는 전압이 출력된다.
따라서, 전류센서(10)의 출력전압값이 ±200A을 벗어날 경우 전류센서(10) 라인이 단선 또는 단락되었음을 검출하게 된다. 미설명부호 11은 프리차지 릴레이, 12은 LDC, 13은 저전압 배터리이다.
그런데, 종래에는 전류센서의 단선 및 단락으로 인한 고장 외에 센서의 전원공급이 충분하지 않거나 전류값이 이상할 경우에 센서의 고장판단이 불가능하였다.
즉, 전류센서의 고장이 발생했으나, BMS가 측정한 전류값이 -150A ~ +150A 영역 내에 있으면 BMS는 전류센서의 고장을 감지하지 못하고 SOC 계산에 오류가 발생하게 된다.
이와 같이, 전류센서의 단선 및 단락 외의 고장으로 배터리 SOC를 잘 못 계산하는 경우가 발생하면, 예를 들어 실제 SOC가 낮으나 SOC가 높다고 잘 못 계산되게 되면, HCU가 운전자 요구조건에 의해 SOC가 낮을 때 보다 상대적으로 큰 동력보조량을 요구하게 되며, 그에 해당하는 에너지를 배터리에서 공급받는다.
이때, 실제 배터리의 SOC가 낮은 상황에서 큰 에너지를 공급받게 되므로 배터리가 과방전되어 배터리의 고장을 초래할 수 있다. 물론 BMS 자체에서 과방전을 방지하기 위해 HCU에서 요구한 동력보조량보다 더 작은 양만 공급하게 되는데, 이는 HCU에서 원하는 동력보조량이 아니므로 특히 등판 및 가속 시 차량의 운전성 및 상품성을 저하시키는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 배터리의 전압 및 전류의 특성을 이용하여 전류값이 변하지 않는데 전압값이 일정값 이상 변하거나, 전압값이 변하지 않는데 전류값이 일정값 이상 변하는 경우에 전류센서 라인의 단선 및 단락 이외의 고장을 판단함으로써, 고전압 배터리 상태를 예측함에 있어 신뢰성을 높이고 하이브리드 차량의 상품성을 향상시킬 수 있도록 한 고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법에 있어서,
BMS가 전류센서의 출력전압값을 받아 계산한 전류값이 양전압 설정값보다 크거나 음전압 설정값 보다 작은지를 판단하는 단계;
상기 BMS가 계산한 전류값이 양전압 설정값보다 크거나 음전압 설정값보다 작은 경우 전류센서의 전원라인이 단선 또는 단락된 것으로 판단하는 단계; 및
상기 BMS가 계산한 전류값이 음전압 설정값보다 크고 양전압 설정값보다 작은 경우 배터리의 전압변화량이 제1기준전압값 미만이고, BMS가 계산한 전류변화량이 제1기준전류값을 초과하는지를 판단하는 단계를 포함하고, 상기 배터리의 전압변화량이 제1기준전압값 미만이고, BMS가 계산한 전류변화량이 제1기준전류값을 초 과하는 경우 전류센서가 고장인 것으로 판단한다.
바람직한 구현예로서, 상기 배터리의 전압변화량이 제1기준전압값을 초과하거나, 상기 배터리의 전압변화량이 제1기준전압값 미만 및 BMS가 계산한 전류변화량이 제1기준전류값 미만인 경우 전류센서가 정상인 것으로 판단한다.
본 발명의 다른 측면은 고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법에 있어서,
BMS가 전류센서의 출력전압값을 받아 계산한 전류값이 양전압 설정값보다 크거나 음전압 설정값보다 작은지를 판단하는 단계;
상기 BMS가 계산한 전류값이 양전압 설정값보다 크거나 음전압 설정값보다 작은 경우 전류센서의 전원라인이 단선 또는 단락된 것으로 판단하는 단계; 및
상기 BMS가 계산한 전류값이 음전압 설정값보다 크고 양전압 설정값보다 작은 경우 BMS가 계산한 전류변화량이 제2기준전류값 미만이고, 배터리의 전압변화량이 제2기준전압값을 초과하는지를 판단하는 단계를 포함하고, 상기 BMS가 계산한 전류변화량이 제2기준전류값 미만이고, 배터리의 전압변화량이 제2기준전압값을 초과하는 경우 전류센서가 고장인 것으로 판단한다.
바람직한 구현예로서, 상기 BMS가 계산한 전류변화량이 제2기준전류값을 초과하거나, 상기 BMS가 계산한 전류변화량이 제2기준전류값 미만 및 배터리의 전압변화량이 제2기준전압값미만인 경우 전류센서가 정상인 것으로 판단한다.
이에 따라 본 발명에 따른 고전압 배터리시스템 전류센서 고장진단방법에 의하면, 배터리의 전압 및 전류의 특성을 이용하여 전류값이 변하지 않는데 전압값이 일정값 이상 변하거나, 전압값이 변하지 않는데 전류값이 일정값 이상 변하는 경우에 전류센서 라인의 단선 및 단락 이외의 고장을 판단함으로써, 전류센서의 단선 및 단락은 물론 그 이외의 고장도 판단하여 고전압 배터리 상태 예측의 신뢰도를 높이고, 하이브리드 차량의 상품성 및 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 단선 및 단락 외의 고장을 판별하기 위해 전류센서의 전원전압 측정을 위한 별도의 하드 와이어 및 A/D 컨버터가 필요없으므로 원가를 절감할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 3은 하이브리드 자동차의 일반적인 배터리 시스템의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 4는 전류에 대한 배터리 전압의 거동을 나타내는 개략도이고, 도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법의 유형을 설명하기 위한 개략도이다.
하이브리드 자동차의 일반적인 배터리 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 다수의 배터리로 구성되는 고전압배터리부(100), 상기 배터리 라인을 연결하는 릴레이 등을 포함하여 구성되는 고전압 릴레이부(101), 상기 고전압배터리부(100)와 고전압 릴레이부(101)를 제어하는 BMS(Battery Management System)(102)를 포함하여 구성된다.
상기 고전압 릴레이부(101)는 프리차지 릴레이(precharge relay)와 메인 릴레이(main relay), 전류 센서, 퓨즈 및 안전 스위치등을 포함하여 구성된다.
상기 BMS(102)는 배터리의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링, 배터리 냉각 제어, 셀밸런싱, 고전압 릴레이 제어, 고장 진단 등의 기능을 수행한다.
한편, 전류센서(10)의 고장은 BMS(102)와 전류센서(10) 간의 하드 와이어(전원라인) 단선, 단락, 및 기타 3가지 유형으로 구분할 수 있다.
또한, 전류센서(10)의 단선 및 단락 외의 고장은 전류센서(10)의 전류값이 0A로 홀딩, 특정 전류값으로 홀딩, 및 전류값의 변동(FLUCTUATION) 3가지 유형으로 구분할 수 있다.
일반적으로 전류에 대한 배터리의 전압 거동은 도 4에 도시한 바와 같이 전류가 인가되지 않으면 전압값은 변하지 않다가(ⓐ구간) 전류가 인가되면서 전압이 변하고(ⓑ구간), 다시 전류가 인가되지 않으면 전압값이 안정화되는 특성을 갖는다(ⓒ구간).
이러한 배터리의 특성을 이용하여 실제로 전압값이 변하지 않았는데 전류값이 변한 경우(도 4 ⓐ구간 특성 이용, 로직 1 참조)이거나, 전류값이 변하지 않았는데 전압이 변할 경우(도 4 ⓑ구간 특성 이용, 로직 2 참조)에 전류센서의 이상을 판단한다.
즉, 전류변화(ΔIb)가 없는데(전류값이 0A(도 5a) 또는 특정값(도 5b)으로 고정됨) 전압 변화(ΔV)가 큰 경우, 또는 전압변화가 없는데 전류변화가 큰 경우 (도 5c)에 전류센서의 이상(고장)을 검출하게 된다.
이와 같은 원리에 의한 본 발명의 고전압 배터리 시스템 전류센서 고장진단방법을 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따른 고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법을 나타내는 순서도이다.
먼저, BMS는 전류센서의 출력전압 값으로 전류값을 계산한다. 전류센서 자체의 특성상 전류센서 전원라인이 단선되면 -225A에 해당하는 전압이 출력되고, 전류센서 전원라인이 단락되면 +225A에 해당하는 전압이 출력된다. 이때, 배터리에 최대로 충방전될 수 있는 전류는 ±150A 이내 이기 때문에 BMS가 측정한 전류값이 -200A미만이거나 +200A를 초과할 경우 전류센서의 전원라인이 단선 또는 단락된 것으로 진단한다.
여기서, 전류센서의 단선 및 단락 고장진단방법은 종래기술과 대동소이하고, 본 발명은 전류센서의 단선 및 단락 이외의 고장진단방법을 제공한다.
즉, 상기 BMS가 측정한 전류값이 -200~+200A 이고, 전압변화가 20mV 미만 및 전류변화가 30A를 초과하는 경우에 전류센서가 고장인 것으로 판단하고(로직 1), 또한 BMS가 측정한 전류값이 -200~+200A 이고, 전류변화가 1A 미만 및 전압변화가 100mV를 초과하는 경우에 전류센서가 고장인 것으로 판단한다(로직 2).
그러나, 도 4 ⓒ구간에 도시한 바와 같이, ⓐ,ⓑ구간과 달리 전류가 변하지 않았는데 전압이 변하는 구간이 있다. 이러한 경우 전류센서가 고장인 것으로 판단하면 않된다.
따라서 배터리의 전류 및 전압 곡선의 특성을 이용하여 ②~⑤의 값을 선정하게 된다. 이 값은 배터리의 특성에 따라 계산되어져야 하는 값이다.
또한, BMS가 측정한 전류값이 -200~+200A 이고 상기 조건을 만족하지 않거나, BMS가 측정한 전류값이 -200~+200A 이고 전압변화가 20mV를 초과, 또는 BMS가 측정한 전류값이 -200~+200A 이고 전압변화가 20mV 미만 및 전류변화가 30A미만인 경우에 전류센서가 정상인 것으로 판단한다.
그리고, BMS가 측정한 전류값이 -200~+200A 이고 전류변화가 1A를 초과하거나, BMS가 측정한 전류값이 -200~+200A 이고 전류변화가 1A 미만 및 전압변화가 100mV 미만인 경우에 전류센서가 정상인 것으로 판단한다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 하이브리드 차량의 일반적인 구동 계통을 나타내는 개략도,
도 2는 배터리 SOC에 따른 HCU의 동력보조 맵을 나타내는 개략도,
도 3은 하이브리드 자동차의 일반적인 배터리 시스템의 구성을 나타내는 블록도,
도 4는 전류에 대한 배터리 전압의 거동을 나타내는 개략도,
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법의 유형을 설명하기 위한 개략도,
도 6은 본 발명에 따른 고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법을 나타내는 순서도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 고전압 배터리부 101 : 고전압 릴레이부
102 : BMS 103 : HCU

Claims (4)

  1. 고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법에 있어서,
    BMS가 전류센서의 출력전압값을 받아 계산한 전류값이 양전압 설정값보다 크거나 음전압 설정값 보다 작은지를 판단하는 단계;
    상기 BMS가 계산한 전류값이 양전압 설정값보다 크거나 음전압 설정값보다 작은 경우 전류센서의 전원라인이 단선 또는 단락된 것으로 판단하는 단계; 및
    상기 BMS가 계산한 전류값이 음전압 설정값보다 크고 양전압 설정값보다 작은 경우 배터리의 전압변화량이 제1기준전압값 미만이고, BMS가 계산한 전류변화량이 제1기준전류값을 초과하는지를 판단하는 단계를 포함하고, 상기 배터리의 전압변화량이 제1기준전압값 미만이고, BMS가 계산한 전류변화량이 제1기준전류값을 초과하는 경우 전류센서가 고장인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리의 전압변화량이 제1기준전압값을 초과하거나, 상기 배터리의 전압변화량이 제1기준전압값 미만 및 BMS가 계산한 전류변화량이 제1기준전류값 미만인 경우 전류센서가 정상인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법.
  3. 고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법에 있어서,
    BMS가 전류센서의 출력전압값을 받아 계산한 전류값이 양전압 설정값보다 크거나 음전압 설정값보다 작은지를 판단하는 단계;
    상기 BMS가 계산한 전류값이 양전압 설정값보다 크거나 음전압 설정값보다 작은 경우 전류센서의 전원라인이 단선 또는 단락된 것으로 판단하는 단계; 및
    상기 BMS가 계산한 전류값이 음전압 설정값보다 크고 양전압 설정값보다 작은 경우 BMS가 계산한 전류변화량이 제2기준전류값 미만이고, 배터리의 전압변화량이 제2기준전압값을 초과하는지를 판단하는 단계를 포함하고, 상기 BMS가 계산한 전류변화량이 제2기준전류값 미만이고, 배터리의 전압변화량이 제2기준전압값을 초과하는 경우 전류센서가 고장인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 BMS가 계산한 전류변화량이 제2기준전류값을 초과하거나, 상기 BMS가 계산한 전류변화량이 제2기준전류값 미만 및 배터리의 전압변화량이 제2기준전압값미만인 경우 전류센서가 정상인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리시스템 전류센서의 고장진단방법.
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