KR100460893B1

KR100460893B1 - 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리장치 및 방법

Info

Publication number: KR100460893B1
Application number: KR10-2002-0050045A
Authority: KR
Inventors: 이상돈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-12-09
Also published as: KR20040017629A

Abstract

하이브리드 전기 자동차에서 주 동력원인 메인 배터리 팩의 배터리간의 충전 전압에 불균형이 발생된 상태에서 구동 모터가 발전기로 동작하는 경우 충전 전류의 제한 제어를 통해 배터리 충전 전압의 불균형을 보상하여 수명 연장과 효율성을 높이도록 한 것으로,

배터리의 충/방전 상태에서 각 배터리간 충전 전압에 불균형이 검출되는지를 판단하는 과정과, 각 배터리간 충전 전압에 불균형이 검출되지 않으면 충전 모드시 통상적인 전류값으로 배터리 충전을 수행하고, 충전 전압 불균형이 검출되면 발전 동작 제어 모드로 진입하여 충전 여자 전류를 제한하는 과정과, 충전 여자 전류의 제한으로 배터리 간 전압 평활화가 이루어지면 여자 전류 제한 제어를 해제하고, 통상 전류값으로 배터리 충전을 수행하는 과정을 포함한다.

Description

하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리장치 및 방법{THE BATTERY MANAGEMENT METHOD OF HYBRID ELECTRIC VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 하이브리드 전기 자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 주 동력원인 메인 배터리 팩의 배터리간의 충전 전압에 불균형이 발생된 상태에서 구동 모터가 발전기로 동작하는 경우 충전 전류의 제한 제어를 통해 배터리 충전 전압의 불균형을 보상하여 수명 연장과 효율성을 높이도록 한 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 하이브리드 전기 자동차는 내연기관인 엔진과 전기를 동력원으로 하는 구동 모터로 구성되며, 엔진과 CVT의 사이에 장착되는 구동 모터는 탑재된 메인 배터리의 전원을 받아 작동되도록 구성하여 각각의 주행상황에 대응하여 엔진의 연비가 가장 높게 운전되도록 제어되고 제동시와 감속시에 운동 에너지를 전기 에너지로 회수함으로써 기존 가솔린 엔진에 비해 연비 향상을 이룰 수 있으며 시내구간에서 엔진 시동을 오프한 상태로 탑재된 메인 배터리의 전기로 주행할 수 있어 무공해 차량으로 사용되는 특징이 있다.

이와 같은 엔진 하이브리드 전기 자동차의 경우 구동 모터에 전원을 공급하는 메인 배터리를 충전함에 있어 별도의 충전장치가 구비되어 있지 않고, 단지 구동 모터가 엔진의 동력이나 제동시에 발전 모드로 작동하도록 하여 구동 모터에서 발전되는 전원을 메인 배터리의 충전 전압으로 공급하고 있다.

따라서, 메인 배터리 팩을 구성하는 각 배터리의 충전 전압 상태를 고려하여 충전하기 보다는 탑재된 구동 모터가 엔진의 상황에 따라 불연속적으로 충전하도록 되어 있어 배터리는 안정된 충전 전류로 충전되지 못하는 현상이 발생한다.

이러한 상황이 누적되는 경우 배터리의 수명 단축은 물론 출력 파워의 제한으로 자기 용량만큼 출력을 하지 못하는 경우가 발생한다.

하이브리드 전기 자동차에서 메인 배터리는 대략 12V의 배터리 12개가 직렬로 연결되어 있는데 12개의 배터리 중에서 상기와 같은 불연속적인 충전으로 인하여, 일예를 들어 첨부된 도 4에서 알 수 있는 바와 같이 7번 배터리의 충전 전압이 배터리 팩의 전체 평균 전압인 12.8V 보다 규정값 이상 낮은 12.4V로 되고, 10번 배터리의 충전 전압이 배터리 팩의 전체 평균 전압인 12.8V 보다 규정값 이상 높은13.1V로 되는 경우, 즉 12개의 배터리 중에서 하나 이상의 배터리 충전 전압이 전체 평균 전압 보다 규정값 이상으로 높거나 규정값 이하로 낮게 되는 불균형 현상이 발생되면 해당 배터리는 충전시 다른 배터리 보다 빠르게 충전되고, 방전시에는 다른 배터리 보다 빠르게 방전된다.

이러한 현상이 누적되면 해당 배터리는 물론 직렬로 연결되어 있는 전후의 배터리 또한 수명이 단축되는 문제점이 발생하게 된다.

그러나, 현재의 하이브리드 전기 자동차에는 상기와 같이 배터리의 충전 전압 불균형 발생에 대하여 대응하고 있지 않아 배터리의 충전 전압 불균형을 가속화시켜 배터리 수명 단축과 모터 구동에 대한 효율성을 저하시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 배터리 팩내의 각 배터리 간 충전 전압에 불균형이 발생된 상태에서 구동 모터가 발전기로 동작하는 경우 충전 전류의 제한 제어를 통해 배터리에 공급되는 충전 전류를 1 내지 2A의 저전류로 공급되도록 함으로써 배터리간 충전 전압의 불균형을 보상하여 수명 연장과 모터 구동에 효율성을 높이도록 한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리장치에 대한 구성 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차에서 배터리 관리를 수행하는 일 실시예의 흐름도.

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차에서의 배터리 전압 상태도.

도 4는 종래의 하이브리드 전기 자동차에서의 배터리 전압 상태도.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 하이브리드 전기 자동차에 있어서, 배터리의 충/방전 상태에서 각 배터리간 충전 전압에 불균형이 검출되는지를 판단하는 과정과; 상기에서 각 배터리간 충전 전압에 불균형이 검출되지 않으면 충전 모드시 통상적인 전류값으로 배터리 충전을 수행하는 과정과; 상기에서 각 배터리 간 충전 전압에 불균형이 검출되면 발전 동작 제어 모드로 진입하여 충전 여자 전류를 제한하는 과정과; 상기 충전 여자 전류의 제한으로 배터리 간 전압 평활화가 이루어지면 여자 전류 제한 제어를 해제하고, 통상 전류값으로 배터리 충전을 수행하는 과정을 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리장치는 배터리 팩(10)과 BMS(20), SDU(30), HCU(40), MCU(50), 인버터(60), 모터(70), 엔진(80) 및 ECU(90)로 구성되는데, 배터리 팩(10)은 하이브리드 전기 자동차의 주 동력원으로, 통상적으로 12V의 배터리 12개가 직렬로 연결되어 구성되며 모터(70)에 의한 주행 모드에서 모터(70)측에 구동 전원을 공급하고 모터(70)로 발전기로 동작하는 경우 발전되는 전압에 의해 충전을 수행한다.

BMS(Battery Management System ; 20)는 모터(70)의 순간적인 높은 출력 요구에 충분한 전력을 공급할 수 있도록 배터리 팩(10)내의 각 배터리 작동 영역내에서 배터리의 관리와 충전상태 예측, 전류 전압 감시 등을 수행하여 배터리의 각 상태를 최적의 조건으로 유지시키는 기능을 담당한다.

또한, 각 배터리 간의 충전 전압에 불균형이 발생되는지의 여부를 검출하고, 충전 전압에 불균형이 검출되면 전체 배터리의 평균 전압 보다 규정값 이상 혹은 이하인지를 판단하여 충전 전류 제한 제어를 수행한다.

SDU(Safety Disconnect Unit ; 30)은 부하단에서 갑작스런 서지의 발생으로시스템이 정지되는 경우 혹은 이상이 상위 제어기인 HCU(40)에 검출되는 경우 HCU(40)의 제어신호에 따라 스위칭되어 부하측에 공급되는 배터리 팩(10)의 전원을 차단시키는 기능을 수행한다.

HCU(Hybrid Control Unit ; 40)는 상위 제어기로 하이브리드 전기 자동차에 구비되는 각 제어기와 소정의 방식으로 통신하여 전반적인 동작을 제어 및 모니터링 한다.

MCU(Motor Control Unit ; 50)는 HCU(40)의 지시에 따라 모터(70)의 구동 토크 및 속도를 제어하고, 모터(70)가 발전기로 동작하는 경우 최적의 발전 전압을 출력할 수 있도록 제어한다.

인버터(60)는 MCU(50)에서 인가되는 제어신호에 따라 PWM 스위칭을 통해 모터(70)에 3상 구동 전압을 공급한다.

ECU(Engine Control Unit ; 90)는 엔진의 기동 및 엔진 출력을 제어한다.

상기한 구성 이외에 하이브리드 전기자동차에서 최적의 제어를 위한 다양한 기능들의 구성요소가 구비되는 바, 구체적인 구성 및 기능에 대한 설명은 본 발명과 관련이 없는 관계로 생략한다.

상기한 구성의 본 발명에서 배터리 관리를 수행하는 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.

하이브리드 전기 자동차에서 배터리 팩(10)의 각 배터리가 충/방전 모드를 수행하게 되면 BMS(20)는 배터리의 제반적인 상태 정보를 검출하여(S101) 배터리 간 충전 전압이 SOC(State Of Charge) 40% 이상인 상태에서 전압 불균형이 발생되고 있는지를 판단한다(S102).

상기 S102의 판단에서 배터리 충전 전압간에 불균형이 발생되고 있는 것으로 판단되면 그에 대한 정보를 HCU(40)를 통해 MCU(50)측에 통보한다(S103).

이때, MCU(50)는 모터(70)가 발전기로 동작할 시 동작 제한 모드로 시작되도록 제어시켜(S104) 배터리 팩(10)에 공급되는 충전 여자 전류의 제한 제어를 수행하여 준다(S105).

이와 같이 충전 여자 전류의 제어가 수행되면 엔진 속도와 무관하게 발전기에서 출력되는 전류는 1A 내지 2A로 배터리 팩(10)을 구성하고 있는 각 배터리에 충전 전류로 공급한다(S105).

따라서, 배터리 팩(10)을 구성하고 있는 각 배터리는 저 전류의 충전으로 인하여 등전위가 형성되어 각 배터리간 전압의 평활화가 이루어진다.

즉, 1A 내지 2A의 저 충전 전류가 공급되면 평균 전압 이하를 유지하고 있는 배터리의 충전 전압은 상승되고, 평균 전압 이상을 유지하고 있는 배터리의 충전 전압은 전압의 평활화에 의하여 자연스럽게 낮아진다.

상기한 과정을 통한 배터리의 충전 동작은 각 배터리간의 전압차가 설정된 소정 V 이하, 바람직하게는 0.3V 이하가 되는 시점까지 반복하여 각 배터리 간 전압 평활화를 수행하여 첨부된 도 3과 같이 각 배터리 간 평균 전압을 기준으로 하는 전압의 범위내에서 충전 전압을 유지한다.

상기와 같은 충전 동작에 의해 각 배터리 간 전압 평활화가 진행되어 전압 불균형이 해제되는지를 판단하여(S106) 불균형이 지속적으로 검출되면 상기한 과정을 반복하고, 불균형이 해제된 것으로 판단되면 이를 MCU(50)측에 통보하여(S107) 여자 전류 제한 제어를 해제하고, 통상적인 충전 전류, 대략 20A내지 100A의 전류로 배터리의 충전이 진행되도록 한다(S108).

따라서, 배터리간 전압 불균형으로 인하여 평균 전압 이하를 유지하는 배터리는 심방전으로 떨어져 기능이 상실되는 것을 방지하고 평균 전압 이상을 유지하는 배터리는 과충전으로 인한 배터리 폭발 및 수명 단축을 방지하여 준다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 하이브리드 전기 자동차에서 배터리간의 전압에 불균형이 발생되는 경우 충전 전류의 제어를 통해 배터리 간 전압 불균형을 평활화함으로써 배터리의 수명 단축을 방지하고, 전압 출력 효율성을 높여 모터의 구동에 안정성 및 신뢰성이 제공된다.

또한, 배터리 간 충전 전압의 평활화를 위한 별도의 동작이 배제된다.

Claims

하이브리드 전기 자동차에 있어서,

복수개가 직렬로 연결되어 모터측에 구동 전압을 공급하는 배터리와;

상기 충전상태 예측, 전류 전압 감시 등을 수행하여 배터리를 최적의 조건으로 유지시키는 BMS와;

시스템 정지 혹은 과부하 발생시 부하측에 공급되는 배터리 전원을 차단시키는 SDU와;

하이브리드 전기 자동차에 구비되는 각 제어기와 소정의 방식으로 통신하여 전반적인 동작을 제어 및 모니터링하는 HCU와;

상기 모터의 구동 토크 및 속도를 제어하고, 배터리간 충전 전압에 불균형이 검출되는 상태에서 모터가 발전기로 동작하는 경우 배터리에 공급되는 여자 전류를 제한 제어하는 MCU를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리장치.
제1항에 있어서,

상기 BMS는 각 배터리 간의 충전 전압에 불균형이 발생되는지를 검출하여 그에 대한 정보를 상위 제어기에 제공하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리장치.
제1항에 있어서,

상기 MCU는 배터리 간 전압 불균형시 배터리에 공급되는 여자 전류를 1A 내지 2A로 제한하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리장치.
하이브리드 전기 자동차에 있어서,

배터리의 충/방전 상태에서 각 배터리간 충전 전압에 불균형이 검출되는지를 판단하는 과정과;

상기에서 각 배터리간 충전 전압에 불균형이 검출되지 않으면 충전 모드시 통상적인 전류값으로 배터리 충전을 수행하는 과정과;

상기에서 각 배터리 간 충전 전압에 불균형이 검출되면 발전 동작 제어 모드로 진입하여 충전 여자 전류를 제한하는 과정과;

상기 충전 여자 전류의 제한으로 배터리 간 전압 평활화가 이루어지면 여자 전류 제한 제어를 해제하고, 통상 전류값으로 배터리 충전을 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리방법.
제4항에 있어서,

상기에서 배터리 간 충전 전압의 불균형 여부는 SOC 40% 이상의 조건에서 행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리방법.
제4항에 있어서,

상기에서 배터리간 전압 불균형에 따른 충전 여자 전류 제한 모드가 진입되면 충전 전류를 1A 내지 2A의 전류로 공급하여 배터리 간 전압 평활화를 형성시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리방법.
제4항에 있어서,

상기 각 배터리간 충전 전압의 평활화는 전체 배터리의 평균 전압을 기준으로 배터리 간 전압차가 0.25 ~0.35V 이하를 유지하는 조건으로 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리방법.