KR100505382B1 - 하이브리드 전기자동차의 배터리 잔존용량 산출시기결정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 전기자동차의 배터리 잔존용량 산출시기 결정방법에 관한 것으로, 하이브리드 전기자동차의 SOC를 산출하거나 그 산출된 값으로 SOC를 보정할 경우 key-on시 OCV를 측정하여 OCV 대 SOC 관계로서 배터리 잔존용량의 산출시기를 결정하는 방법에 있어서, 1) Key-off 직전의 일정시간 동안 하이브리드자동차의 SOC 변화량을 측정하고, 2) 측정된 SOC 변화량에 대하여 미리 테이블맵화 또는 수식화되어 있는 전압안정화 시간관계를 이용하여 key-on시 OCV측정에 의한 SOC산출 가능시간을 결정하는 것을 그 기술적 방법상의 기본 특징으로 한다.

Description

하이브리드 전기자동차의 배터리 잔존용량 산출시기 결정방법{METHOD FOR DECIDING BATTERY SOC AMOUNTING TIME OF HEV}

본 발명은 하이브리드 전기자동차의 배터리 잔존용량 산출시기 결정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Ah법의 장시간 사용으로 인해 누적된 SOC 오차를 보정함과 동시에 심각한 SOC의 오차발생을 방지하기 위하여 전압을 측정하여 OCV 대 SOC 관계에서 산출된 SOC를 적용함에 있어 전압측정 가능시기를 정확하게 결정할 수 하이브리드 전기자동차의 배터리 잔존용량 산출시기 결정방법에 관한 것이다.

일반적으로 상용화되고 있는 배터리의 잔존용량 산출방법은 잔존 용량판단의 기준으로 어떤 값을 이용하느냐에 따라 몇 가지 방법으로 분류되고 있다.

첫 번째는 Ah법으로 사용 전류(Ampere)와 시간(hour)의 관계에서 사용된 용량을 구하여 SOC(State Of Charge)에 반영하는 방법이고, 두 번째는 전압측정법으로 전지단자의 전압(OCV; Open Circuit Voltage)을 측정하여 미리 측정된 OCV와 SOC 관계에서 잔존용량을 계산하는 방법이며, 세 번째는 저항측정법으로 배터리의 내부저항(IR-drop; Internal Resistance - drop)과 SOC의 관계에서 잔존용량을 계산하는 방법이다.

그러나, Ah법은 부하조건에 따른 사용 가능한 용량의 표시가 불가능하고 충전 또는 방전시 전류센싱 오차에 의하여 SOC값 또한 오차가 누적되어 특히 EV(Electric Vehicles)에 비교해 상대적으로 전류의 크기와 방향의 변화가 매우 잦은 하이브리드자동차(HEV; Hybrid Electric Vehicles) 등에 단독으로 사용하기에는 부적합하며, 전압측정법의 경우 순간적인 전류, 온도 및 노화 등과 같이 다른 요인들에 의하여 변화가 심한 문제점이 있어 왔다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적으로 하는 바는 Ah법의 장시간 사용으로 인해 누적된 SOC 오차를 보정함과 동시에 심각한 SOC의 오차발생을 방지하기 위하여 전압(Open Circuit Voltage)을 측정하여 OCV 대 SOC 관계에서 산출된 SOC를 적용함에 있어 SOC의 예측 정밀도를 높일 수 있는 전압측정 가능시기를 정확하게 결정하기 위한 하이브리드 전기자동차의 배터리 잔존용량 산출시기 결정방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

하이브리드 전기자동차의 SOC를 산출하거나 그 산출된 값으로 SOC를 보정할 경우 key-on시 OCV를 측정하여 OCV 대 SOC 관계로서 배터리 잔존용량의 산출시기를 결정하는 방법에 있어서,

1) Key-off 직전의 일정시간 동안 하이브리드자동차의 SOC 변화량을 측정하고,

2) 측정된 SOC 변화량에 대하여 미리 테이블맵화 또는 수식화되어 있는 전압안정화 시간관계를 이용하여 key-on시 OCV측정에 의한 SOC산출 가능시간을 결정하는 것을 그 기술적 방법상의 기본 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 배터리 잔존용량 산출시기 결정방법의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예는 다수 개가 존재할 수 있으며, 이들 실시예를 통하여 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 더 잘 이해할 수 있게 된다.

배터리의 전압은 개방상태일 때의 OCV에서 전류가 인가되기 시작하면 내부저항성분(IR-drop)과 분극성분(Polarization)에 의하여 과전압을 띄게 되고, 다시 전류가 끊기게 되면 내부저항성분은 순간 회복하게 된다.

그러나, 배터리의 분극은 농도분극, 활성화분극 및 전극표면저항분극에 기인하여 전류가 끊긴 후에도 상당기간 지속되면서 배터리의 OCV를 변화시킨다.

분극의 크기는 앞선 충방전시의 전류크기, 전류방향, 전류지속시간과 현재의 온도, 노화정도, 배터리의 종류에 따라 달라질 수 있고 개방회로 상태에서 분극의 영향이 지속되는 시간 또한 달라질 수 있다.

이러한 요인들에 의해 충방전 전류가 끊긴 직후 OCV에 의한 SOC 예측값은 오차가 커질 수밖에 없으며, 개방회로 상태에서 안정화 시간이 충분히 길어야만 SOC 예측값은 정확하게 될 수 있다.

도 1은 하이브리드 전기자동차에 있어서 방전직후의 배터리 분극영향을 나타내는 그래프이다.

한편, 하이브리드자동차(HEV)에 적용시 key-off 상태에서 수일 이상 방치하여 OCV를 측정할 수 있는 것은 의미가 없다.

왜냐하면, 전류측정오차누적의 보상은 가능한 자주, 적시에 이루어져야 함에도 불구하고 일반적으로 출퇴근용 자동차는 1일 이상 방치하는 경우가 거의 없으므로 장시간 전류오차가 누적되어 계산된 SOC의 오차 또한 누적되기 쉽기 때문이다.

본 발명에서는 하이브리드 전기자동차의 key-on시 배터리 분극이 해소된 최적의 시간을 제공하고자 한다.

따라서, HEV의 key-off 후 key-on시까지 일정한 시간이 만족되면 key-on시 OCV 측정에 의한 SOC 예측을 수행하게 되며 예측값의 정확성은 높아지게 된다.

도 2는 하이브리드 전기자동차에 있어서 배터리의 주행 중/주행 후 전류 및 전압변화를 나타내는 그래프로서, HEV의 전형적인 전류 profiles를 적용하여 충전/방전을 11분 동안 행한 후 시작시 SOC에 대하여 종료시 SOC의 변화량에 따른 분극해소시간을 측정한 것을 보여주고 있다.

본 발명에서 배터리의 분극해소시간을 측정하기 위해 인가된 전류는 전형적인 HEV 전류 profiles를 적용하였으며 도 3과 같이 나타났다.

도 3은 하이브리드 전기자동차에 있어서 배터리의 주행 중 전류 및 전압변화를 나타내는 그래프이다.

HEV의 경우 분극의 크기에 영향을 미치는 전류방향과 크기, 전류지속시간 등이 EV나 기타 휴대용 전원의 전류양상과는 상당히 다르다.

즉, HEV는 충전 후 방전, 방전 후 충전이 곧바로 행해지며 전류지속시간이 짧다는 특징이 있다.

도 4는 하이브리드 전기자동차에 있어서 배터리의 주행 후(key-off상태) 시간에 따른 전압변화를 그래프로 보여주고 있다.

도 4에 도시된 바와 같이 충전과 방전이 교대로 진행되어 분극의 영향이 줄어들지라도 일정한 시간동안 SOC의 변화량이 얼마나 큰가에 따라 분극의 크기는 달라지며, 결국 OCV 전압이 안정화되는 시간도 틀려짐을 알 수 있다.

도 5는 하이브리드 전기자동차에 있어서 SOC 변화에 대한 방치시간별 OCV 변화를 나타내는 그래프이며, 이는 실제 양산중인 하이브리드 전기자동차의 6Ah급 니켈-수소 전지의 시험결과를 보여주고 있는 것이다.

도 5에서와 같이 배터리 사용시 단위시간동안 SOC의 변화량에 차이를 주었을 때 방치시간대별 OCV의 변화량에 차이가 있음을 알 수 있으며, 단위시간당 SOC의 변화량이 적을수록 전압이 안정화되는데 걸리는 시간은 짧고 SOC 변화량이 클수록 그 반대가 되고 있음을 확인할 수 있다.

전지의 이러한 특성을 이용하여 본 발명에서는 단위시간동안 SOC의 변화에 대해 전압의 안정화시간, 즉 OCV 측정에 의한 SOC 예측법을 사용할 수 있는 시기를 정확하게 제공할 수 있게 된다.

이에 따라, 하이브리드자동차의 SOC를 산출 또는 산출된 값으로 SOC의 보정에 이용하기 위하여 key-on시 OCV를 측정하여 OCV 대 SOC 관계로서 SOC를 산출할 경우, Key-off 직전의 일정시간 동안 하이브리드자동차의 SOC 변화량을 측정하고, 측정된 SOC 변화량에 대하여 미리 테이블맵화 또는 수식화되어 있는 전압안정화 시간관계를 이용하여 key-on시 OCV측정에 의한 SOC산출 가능시간을 정확히 결정할 수 있게 된다.

이때, 수식은 y = A ×(1-exp(-k ×(x-xc))으로 할 수 있으며, 여기서 y값은 key-on시 OCV측정에 의한 SOC산출 가능시간, x는 단위시간당 SOC 변화량을 적용하는 방식이다.

도 6은 하이브리드 전기자동차에 있어서 Key-off 직전 단위시간당 SOC 변화에 대한 key-off 후의 전압측정법 사용가능 시간을 나타내는 그래프이며, 이는 실제 양산중인 하이브리드 전기자동차의 6Ah급 니켈-수소 전지의 시험결과를 보여주고 있는 것이다.

전압안정화의 기준은 배터리 전압에 따라 단위시간당 전압의 변화량(△V/hr)이 0 ~ 수십 ㎷로 정할 수 있으며 그 결과는 도 6과 같이 나타났다.

더욱 구체적으로, 하이브리드자동차의 전류 profiles를 일정시간 인가한 후 OCV 상태에서 전압의 변화량이 단위시간당 0∼50㎷일 때를 전압안정화의 기준으로 하여 단위시간당 SOC 변화량별 안정화 시간을 구하고 이를 테이블맵화 또는 수식화하는 것이 바람직하고, 이때 도 6을 참조하면 상기 수식에서 A는 9.0476이고, xc는 -1.016668이며, k는 0.48823으로 할 수 있음을 하나의 실시예로서 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 배터리 잔존용량 산출시기 결정방법에 의하면, Ah법의 장시간 사용으로 인해 누적된 SOC 오차를 보정함과 동시에 심각한 SOC의 오차발생을 방지하기 위하여 전압을 측정하여 OCV 대 SOC 관계에서 산출된 SOC를 적용함에 있어 SOC의 예측 정밀도를 높일 수 있는 전압측정 가능시기를 정확하게 결정할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

도 1은 하이브리드 전기자동차에 있어서 방전직후의 배터리 분극영향을 나타내는 그래프.

도 2는 하이브리드 전기자동차에 있어서 배터리의 주행 중/주행 후 전류 및 전압변화를 나타내는 그래프.

도 3은 하이브리드 전기자동차에 있어서 배터리의 주행 중 전류 및 전압변화를 나타내는 그래프.

도 4는 하이브리드 전기자동차에 있어서 배터리의 주행 후(key-off상태) 시간에 따른 전압변화를 나타내는 그래프.

도 5는 하이브리드 전기자동차에 있어서 SOC 변화에 대한 방치시간별 OCV 변화를 나타내는 그래프.

도 6은 하이브리드 전기자동차에 있어서 Key-off 직전 단위시간당 SOC 변화에 대한 key-off 후의 전압측정법 사용가능 시간을 나타내는 그래프.

Claims (3)

1. 하이브리드 전기자동차의 SOC를 산출하거나 그 산출된 값으로 SOC를 보정할 경우 key-on시 OCV를 측정하여 OCV 대 SOC 관계로서 배터리 잔존용량의 산출시기를 결정하는 방법에 있어서,

   1) Key-off 직전의 일정시간 동안 하이브리드자동차의 SOC 변화량을 측정하고,

   2) 측정된 SOC 변화량에 대하여 미리 테이블맵화 또는 수식화되어 있는 전압안정화 시간관계를 이용하여 key-on시 OCV측정에 의한 SOC산출 가능시간을 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 배터리 잔존용량 산출시기 결정방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 2)단계에서 하이브리드자동차의 전류 profiles를 일정시간 인가한 후 OCV 상태에서 전압의 변화량이 단위시간당 0∼50㎷일 때를 전압안정화의 기준으로 하여 단위시간당 SOC 변화량별 안정화 시간을 구하고 이를 테이블맵화 또는 수식화하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 배터리 잔존용량 산출시기 결정방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 2)단계에서 사용하는 수식은 y = A ×(1-exp(-k ×(x-xc))이며, 여기서 y값은 key-on시 OCV측정에 의한 SOC산출 가능시간, x는 단위시간당 SOC 변화량을 적용하는 방식인 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 배터리 잔존용량 산출시기 결정방법.