KR100736995B1

KR100736995B1 - 하이브리드차량의 배터리 노후화 계수 산출 방법

Info

Publication number: KR100736995B1
Application number: KR1020050110941A
Authority: KR
Inventors: 구재승
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2005-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2007-07-09
Also published as: KR20070053018A; US7317299B2; US20070114972A1

Abstract

본 발명은 하이브리드차량의 배터리 노후화 계수(aging factor) 산출 방법으로서, 각 단계는 차량의 주행 중 배터리의 제1 실제 충전상태(SOC) 검출 단계; 상기 제1 충전상태 값 저장 단계; 충전 누적 전류량 및 방전 누적 전류량 초기화 단계; 상기 충전 누적 전류량이 제1 설정값 이상인지 여부 판단 단계; 상기 제1 설정값 이상으로 충전 전류량이 누적되지 않은 경우 방전 누적 전류량이 제2 설정값 이상인지 여부 판단 단계; 상기 제2 설정값 이상으로 방전 전류량이 누적된 경우 배터리의 제2 실제 충전상태(SOC) 검출 단계; 상기 제2 충전상태 값 저장 단계; 상기 제1,2 충전상태(SOC) 값을 이용하여 이론 누적 전류량 산출 단계; 상기 충,방전 누적 전류량을 이용하여 실제 누적 전류량 산출 단계; 및 상기 이론 누적 전류량과 실제 누적 전류량을 이용하여 배터리 노후화 계수 산출 단계로 이루어진다.

하이브리드, 배터리, 노후화, 충전, 방전

Description

하이브리드차량의 배터리 노후화 계수 산출 방법 {A method for calculation battery aging factor of hybrid vehicle}

도 1은 본 발명에 따른 배터리 노후화 계수 산출 방법 흐름도.

도 2a ~ 도 2c는 본 발명에 따른 배터리 충전상태 검출을 위한 등가 회로도.

도 3a는 상기 도 2c의 등가회로에서 충전시 전압 및 내부 저항 검출 도면.

도 3b는 상기 도 2c의 등가회로에서 방전시 전압 및 내부 저항 검출 도면.

본 발명은 하이브리드차량의 배터리 노후화 계수 산출 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 배터리마다 서로 다른 동작 조건하에서 노후화 진행정도가 다른 특성을 고려하여 정확한 배터리의 노후화 계수를 산출하기 위한 하이브리드차량의 배터리 노후화 계수 산출 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 하이브리드차량용 배터리제어기(BMS)는 직렬로 연결된 고전압 배터리를 차량에 적용하기 위하여 배터리의 전압, 전류 및 온도 등을 측정하고, 차량 제어기(HCU)가 필요로 하는 배터리 정보 예측 및 배터리의 제어 기능을 수행한다.

종래 전류량 누적에 의한 배터리의 충전상태(SOC) 연산은 아래 수학식 1을 통해 산출된다.

여기서, I : 배터리의 충,방전 전류

SOC : 배터리의 충전상태

Ah_basic : 배터리의 기준 용량(정격 용량)

Efficiency_n : 온도에 따른 배터리의 효율

AgingFactor_n : 배터리의 노후화 계수

상기 수학식 1에서 보는 바와 같이, 배터리의 충전상태(SOC[n])는 이전 충전상태(SOC[n-1])를 참조하여 단위시간에 충,방전된 누적전류량과 배터리의 SOH(State Of Health) 효율(Efficiency) 즉, 온도에 따른 효율, 배터리의 노후화 계수 및 배터리의 초기 기준용량(정격 용량)을 고려하여 산출하게 된다. 하지만, 상기에서 배터리의 노후화 계수는 소모성 부품인 배터리의 수명 및 실제 사용가능한 용량 정도를 표시하여 주는 인자로서, 차량에 탑재된 후 주행되는 구간에서 노후화계수를 정확히 알 수가 없다.

즉, 종래에는 새로운 배터리를 차량에 탑재한 후 총 사용 시간 및 총 누적전류량 등을 고려하여 노후화 계수를 추정하였으나, 배터리의 동작 온도, 충,방전되 는 전류 크기, 사용자의 운전조건 등에 따라 특성이 변하는 배터리의 노후화 계수를 일률적으로 적용함에 따라 배터리 제어의 신뢰성이 크게 저하되는 문제점을 갖고 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 배터리마다 서로 다른 동작 조건하에서 노후화 진행정도가 다른 특성을 고려하여 정확한 배터리의 노후화 계수를 산출하기 위해 두 번 이상 실제 배터리의 충전상태(SOC)를 검출한 후 이론적인 누적 전류량과 실제 누적 전류량의 검출비를 통해 노후화 계수를 산출토록 한 하이브리드차량의 배터리 노후화 계수 산출 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 이루기 위한, 본 발명에 따른 배터리 노후화 계수 산출 방법은, 차량의 주행 중 배터리의 제1 실제 충전상태(SOC) 검출 단계; 상기 제1 충전상태 값 저장 단계; 충전 누적 전류량 및 방전 누적 전류량 초기화 단계; 상기 충전 누적 전류량이 제1 설정값 이상인지 여부 판단 단계; 상기 제1 설정값 이상으로 충전 전류량이 누적되지 않은 경우 방전 누적 전류량이 제2 설정값 이상인지 여부 판단 단계; 상기 제2 설정값 이상으로 방전 전류량이 누적된 경우 배터리의 제2 실제 충전상태(SOC) 검출 단계; 상기 제2 충전상태 값 저장 단계; 상기 제1,2 충전상태(SOC) 값을 이용하여 이론 누적 전류량 산출 단계; 상기 충,방전 누적 전류량을 이용하여 실제 누적 전류량 산출 단계; 및 상기 이론 누적 전류량과 실제 누적 전류량을 이용하여 배터리 노후화 계수 산출 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

삭제

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

본 실시예에 따른 하이브리드차량의 배터리 노후화 계수 산출 방법을 흐름도인 도 1을 참조하여 설명한다.

본 실시예에서는 배터리의 실제 충전상태(Real SOC) 값을 산출 후 충,방전 누적 전류량을 설정된 기준치(제1,2 설정값)와 비교하여 일정시간 이상으로 배터리가 사용된 경우 배터리의 실제 충전상태 값을 다시 산출하여, 상기 두 번의 실제 충전상태 값을 이용하여 산출된 이론 누적 전류량과 상기 충,방전 누적 전류량을 이용하여 산출된 실제 누적 전류량을 통해 배터리의 노후화 계수(aging factor)를 산출하는 방법이다. 상기에서, 배터리의 실제 충전상태(SOC) 값의 산출 및 배터리의 충,방전 상태 리셋 방법은 선출원된 본 출원인의 발명(국내출원번호 10-2000-0082936호 및 국내출원번호 10-2001-0080519호)을 참조하기 바란다.

즉, 도 1에서 보는 바와 같이, 차량의 주행 중 배터리의 제1 실제 충전상태(SOC) 값을 검출한 후 검출된 값을 저장한다[S10, S20]. 상기에서, 배터리의 실제 충전상태 값 산출은 전류 대 전압 특성을 이용하여 산출되는데, 이를 위한 등가회 로는 도 2a ~ 2c에 도시된 회로도와 같다. 상기에서, 도 2a는 배터리 방전시 배터리 셀의 특성을 나타낸 도면이며, 도 2b는 배터리 방전시 방전 커패시턴스를 고려한 등가회로도이며, 도 2c는 배터리 방전시 정상상태(Steady-State)에서의 등가회로도이다. 참고로, 상기 도 2a ~ 2c에서, R_{dch_e} 는 정상상태의 방전 내부 저항(즉, 순시저항(R_{dch_h}) + 지연저항(R_{dch_d}))이며, C_dch 는 방전 커패시턴스를 의미한다.

도면에서 보는 바와 같이, 본 실시예에서는 도 2c에 도시된 정상상태(steady state)의 배터리 등가회로를 이용하여 충,방전 등가전압의 산출이 이루어진다(참고로, 상기 도 2c는 방전시의 등가 회로도임). 이는, 아래 수학식 2와 같이 산출된다.

방전 등가 전압 : V_b(t) = V_{dch_oc} - (I_{dch_avg} × R_{dch_e})

여기서, V_{dch_oc} 는 방전(discharge)시 무부하 전압, I_{dch_avg}는 방전시 평균 전류, R_{dch_e}는 방전시 내부 저항을 의미한다.

또한, 본 실시예의 도면상에 등가회로를 도시하지는 않았지만, 상기 수학식 2를 통해 알 수 있듯이 충전 등가 전압은 아래 수학식 3과 같이 산출된다.

충전 등가 전압 : V_b(t) = V_{cha_oc} + (I_{cha_avg} × R_{cha_e})

여기서, V_{cha_oc} 는 충전(charge)시 무부하 전압, I_{cha_avg}는 충전시 평균 전류이며, R_{cha_e}는 충전시 내부 저항을 의미한다.

상기에서, 정상상태에서의 충,방전시 무부하 전압과 내부 저항은 도 3a와 3b에 도시된 바와 같은 관계를 갖는다. 상기 도 3a는 정상상태의 등가회로에서 충전시 검출된 무부하 전압 및 내부 저항 관계를 도시한 도면이며, 도 3b는 정상상태의 등가회로에서 방전시 검출된 무부하 전압 및 내부 저항 관계를 도시한 도면이다.

상기 도 3a와 3b 각각에서, 배터리의 충전상태(SOC)는 10%로 이루어진 경우로서 충,방전시 무부하 전압과 내부 저항은 아래 수학식 4와 5와 같이 산출된다.

R_{cha_e} = (V_{cha_2} - V_{cha_1}) / (I_{cha_2} - I_{cha_1}) [Ω]

V_{cha_oc} = V_{cha_2} + (I_{cha_2} × R_{cha_e}) [V]

여기서, R_{cha_e}는 충전시 내부 저항, I_{cha_1}, I_{cha_2}는 충전시 특정 전류, V_{cha_1}, V_{cha_2}는 각각 I_{cha_1}, I_{cha_2}로 충전한 전압이며, V_{cha_oc}는 충전시 무부하 전압을 의미한다.

R_{dch_e} = (V_{dch_2} - V_{dch_1}) / (I_{dch_2} - I_{dch_1}) [Ω]

V_{dch_oc} = V_{dch_2} - (I_{dch_2} × R_{dch_e}) [V]

여기서, R_{dch_e}는 방전시 내부 저항, I_{cha_1}, I_{cha_2}는 방전시 특정 전류, V_{cha_1}, V_{cha_2}는 각각 I_{cha_1}, I_{cha_2}로 방전한 전압이며, V_{dch_oc}는 방전시 무부하 전압을 의미한다.

다시 도 1의 흐름도로 돌아가서, 상기 도 2c의 등가회로를 통해 도 3a 및 3b 에서 살펴 본 바와 같이, 제1 충전상태 값을 산출한 후 현 시점에서 배터리의 노후화 검출을 위해 충전 누적 전류량 및 방전 누적 전류량 값을 '0'으로 초기화시킨다[S30].

상기 S30 단계에서 충,방전 누적 전류량의 초기화를 이룬 후, 현 충전 누적 전류량이 기설정된 제1 설정값 이상인지 여부를 판단한다[S40].

상기 S40 단계에서 충전 전류량이 제1 설정값 이상으로 누적되지 않은 경우 방전 누적 전류량이 기설정된 제2 설정값 이상인지 여부를 판단한다[S50].

상기 S50 단계에서 방전 전류량이 제2 설정값 이상으로 누적되지 않은 경우에는 상기 S40 단계로 리턴하지만, 방전 전류량이 제2 설정값 이상으로 누적된 경우 또는 상기 S40 단계에서 충전 전류량이 제1 설정값 이상으로 누적된 경우에 방전 누적 전류량을 고려치 않고 충,방전 누적 전류량의 초기화 후 배터리 사용에 따른 배터리의 제2 실제 충전상태(SOC) 값을 검출하여 저장한다[S60, S70]. 참고로, 상기에서 제1,2 설정값의 설정은 제1 충전상태(SOC) 값 검출 후 제2 충전상태(SOC) 값 검출이 이루어지기 전까지 충분한 배터리의 사용이 이루어져야 산출되는 배터리 노후화 계수를 신뢰할 수 있으므로, 제1 충전상태 값 검출 후 일정시간 이상으로 배터리가 사용될 수 있도록 제1,2 설정값을 설정하는 것이 바람직할 것이다.

상기 S70 단계에서 제2 충전상태 값의 검출이 이루어진 후에는, 상기 제1,2 충전상태 값을 이용하여 이론 누적 전류량을 산출하고[S80], 상기 제1 충전상태 값 산출 후 사용된 배터리의 충,방전 누적 전류량을 이용하여 실제 누적 전류량을 산출한다[S90]. 이는, 아래 수학식 6과 7을 통해 각각 산출된다.

이론 누적 전류량 = (제1 충전상태 값 - 제2 충전상태 값) × 배터리 기준용량(Ah_basic)

실제 누적 전류량 = 방전 누적 전류량 - 충전 누적 전류량

상기에서와 같이, 이론 누적 전류량과 실제 누적 전류량을 각각 산출한 후에는, 이를 이용하여 배터리의 노후화 계수(aging factor)를 산출한다[S100]. 이는, 아래 수학식 8을 통해 산출된다.

노후화 계수(aging factor) = 실제 누적 전류량 / 이론 누적 전류량

이와 같이, 본 발명에서는 정확한 배터리의 노후화 계수 산출을 위해 시간 차를 두고 두 번 이상 배터리의 실제 충전상태 값을 각각 산출한 후 산출된 충전상태(SOC) 값을 이용하여 산출한 이론 누적 전류량과, 제1 충전상태 값 검출 후 제2 충전상태 값 검출하기까지의 충,방전 누적 전류량을 이용하여 산출한 실제 누적 전류량을 이용하여 배터리의 노후화 계수를 산출토록 함으로써, 차량의 주행중 배터리의 특성을 고려하여 노후화 계수를 산출한 후 적용토록 한 것이다.

본 발명의 기술적 범위를 해석함에 있어서는, 상기에서 설명된 실시예에 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 범위는 특허청구범위에 기재된 사항의 합리적 해석에 의해 결정되어져야 한다.

본 발명의 하이브리드차량의 배터리 노후화 계수 산출 방법에 따르면, 차량에 탑재 후 서로 다른 환경조건 하에서 배터리의 특성 변화에 따른 배터리의 노후화 계수를 정확히 산출할 수 있으므로 배터리의 수명 단축을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

하이브리드차량의 배터리 노후화 계수(aging factor) 산출 방법에 있어서,

차량의 주행 중 배터리의 제1 실제 충전상태(SOC) 검출 단계;

상기 제1 충전상태 값 저장 단계;

충전 누적 전류량 및 방전 누적 전류량 초기화 단계;

상기 충전 누적 전류량이 제1 설정값 이상인지 여부 판단 단계;

상기 제1 설정값 이상으로 충전 전류량이 누적되지 않은 경우 방전 누적 전류량이 제2 설정값 이상인지 여부 판단 단계;

상기 제2 설정값 이상으로 방전 전류량이 누적된 경우 배터리의 제2 실제 충전상태(SOC) 검출 단계;

상기 제2 충전상태 값 저장 단계;

상기 제1,2 충전상태(SOC) 값을 이용하여 이론 누적 전류량 산출 단계;

상기 충,방전 누적 전류량을 이용하여 실제 누적 전류량 산출 단계; 및

상기 이론 누적 전류량과 실제 누적 전류량을 이용하여 배터리 노후화 계수 산출 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드차량의 배터리 노후화 계수 산출 방법.
제 1항에 있어서,

상기 충전 누적 전류량이 제1 설정값 이상인 경우 방전 누적 전류량에 상관 없이 배터리의 제2 실제 충전상태(SOC) 검출 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드차량의 배터리 노후화 계수 산출 방법.
제 1항에 있어서,

상기 방전 누적 전류량이 제2 설정값보다 작은 경우 충전 누적 전류량을 제1 설정값과 비교하는 단계로의 리턴 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드차량의 배터리 노후화 계수 산출 방법.
제 1항에 있어서,

상기 충,방전 누적 전류량의 제1,2 설정값은 제1 충전상태 값 검출 후 배터리가 일정시간 이상 사용되었을 때의 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드차량의 배터리 노후화 계수 산출 방법.
제 1항에 있어서,

상기 이론 누적 전류량은 아래의 수식과 같이 산출되는 것을 특징으로 하는 하이브리드차량의 배터리 노후화 계수 산출 방법.

이론 누적 전류량 = (제1 충전상태 값 - 제2 충전상태 값) * 배터리 기준용량
제 1항에 있어서,

상기 실제 누적 전류량은 아래의 수식과 같이 산출되는 것을 특징으로 하는 하이브리드차량의 배터리 노후화 계수 산출 방법.

실제 누적 전류량 = 방전 누적 전류량 - 충전 누적 전류량
제 1항에 있어서,

상기 배터리 노후화 계수는 아래의 수식과 같이 산출되는 것을 특징으로 하는 하이브리드차량의 배터리 노후화 계수 산출 방법.

노후화 계수(aging factor) = 실제 누적 전류량 / 이론 누적 전류량