KR100836343B1 - 하이브리드 전기 차량의 배터리 입/출력 전력 제한 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하이브리드 전기 차량에서 배터리의 입/출력 전력을 제한하는 방법에 관한 것으로서, 배터리 방전용량, 즉 Ah값에 따라 입/출력 전력 제한값을 소정의 기울기로 선형적으로 변화시켜 산출하되, 특히 SOC 기준영역에서 Ah값을 변수로 하여 기울기에 의해 결정된 전력 상승분을 기존의 정격 제한값에 추가하여 현재의 전력 제한값을 산출 및 제공하도록 함으로써, SOC에 따른 전력 출력이 매우 상이한 리튬 배터리 등 적용시에 기존의 정격 제한값이 적용될 경우 전력량이 너무 많이 제한되었던 종래의 문제점을 효과적으로 해결할 수 있는 하이브리드 전기 차량의 배터리 입/출력 전력 제한 방법에 관한 것이다.
하이브리드, 차량, 배터리, 입출력, 전력제한, SOC, 방전용량
Description
도 1은 본 발명에 따라 배터리 입/출력 전력 제한값을 산출하는 전체 단계를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 배터리 입/출력 전력 제한 상태의 일 예를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 제1산출수단 2 : 제2산출수단
3 : 제3산출수단
본 발명은 하이브리드 전기 차량에서 배터리 입/출력 전력를 제한하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 방전용량, 즉 Ah값에 따라 입/출력 전력 제한값을 소정의 기울기로 선형적으로 변화시켜 산출하되, 특히 SOC 기준영역에 서 Ah값을 변수로 하여 기울기에 의해 결정된 전력 상승분을 기존의 정격 제한값에 추가하여 현재의 전력 제한값을 산출 및 제공하도록 함으로써, 종래와 같이 SOC에 따라 전력 출력이 매우 상이한 리튬 배터리 등 적용시에 기존의 정격 제한값이 적용될 경우 전력량이 너무 많이 제한되었던 문제점을 효과적으로 해결할 수 있는 하이브리드 전기 차량의 배터리 입/출력 전력 제한 방법에 관한 것이다.
오늘날 환경문제가 범세계적인 관심사가 되면서, 특히 배기가스 저감과 연비 향상 등 환경을 생각하는 자동차 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 대표적인 예로 하이브리드 차량을 들 수가 있다.
넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우 연료를 사용하여 동력을 얻는 엔진과 배터리의 전력으로 구동되는 전기 모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 의미하며, 이를 하이브리드 전기 차량, 즉 HEV(Hybrid Electric Vehicle)라 부르고 있다.
최근 연비를 개선하고 보다 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 하이브리드 전기 차량에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.
알려진 바와 같이, 배터리의 전력을 동력원으로 사용하는 하이브리드 전기 차량에서 배터리는 차량의 품질을 결정하는 주요한 부품 중의 하나이다.
따라서, 전기자동차나 하이브리드 전기자동차에는 배터리에 대한 제반적인 상태를 총괄 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)이 구비되는데, BMS는 수동적인 요소로서 단지 배터리의 상태를 모니터링하고, 배터리 입/출력 전력 제한값을 산출하여 상위 제어기인 HCU(Hybrid Control Unit)에 통지만을 하는 기능을 수행한다.
즉, BMS는 입/출력 전력 제한값을 상위 제어기인 HCU측에 통지함으로써, HCU로 하여금 입/출력 전력 제한값 영역 내에서 모터 구동 및 하이브리드 전기 차량의 전반적인 상태를 제어하도록 하는 것이다.
하이브리드 전기 차량의 모터/배터리 관련 시스템은 주동력원인 배터리와, 상기 배터리의 온도, 전류, 전압을 검출하여 충전상태, 즉 SOC(State Of Charge)를 산출하고 배터리에 대한 제반적인 상태를 총괄 관리하는 BMS와, 하이브리드 전기 차량의 제반적인 동작을 총괄 제어하며 상기 BMS로부터 인가되는 배터리 입/출력 전력 제한값에 따라 모터의 구동 및 발전 토크량을 결정하여 모터의 토크를 제어하는 HCU와, 상기 HCU에서 제어되는 모터의 토크 요구에 따라 모터의 구동 및 발전 토크량을 PWM(Pulse Width Modulation) 듀티 제어하는 MCU(Motor Control Unit)와, 상기 MCU의 PWM 듀티 제어신호에 따라 모터의 구동에 필요한 3상 전류를 출력하는 모터 구동회로인 인버터로 구성된다.
상기한 구성에서 상위 제어기인 HCU는 운전자의 주행요구에 따라 모터의 구동 토크 및 발전 토크량을 결정한 다음 MCU측에 모터 토크 요구신호를 출력하면, MCU는 HCU의 요구신호에 따라 모터의 구동 및 발전 토크량을 결정하여 PWM 듀티 제어신호를 모터 구동회로인 인버터측에 출력하여 모터의 구동을 수행한다.
한편, 하이브리드 전기 차량의 배터리 관련 시스템의 입/출력 전력 제한 로직은 정격 전력에 의한(10초 기준) 전력 제한값을 HCU에 제공하여 HCU로 하여금 원 하는 전력을 제한값 영역 내에서 운용하도록 제한하게 된다.
그런데, 종래의 전력 제한 방법에서는 어느 일정 온도 기준하에 SOC와 관계없이 일정한 제한값을 제공하였으며, 이는 배터리 특성상 SOC에 따라 전력 출력이 매우 상이한 배터리 적용시에는 문제가 발생한다.
예를 들면, 리튬 배터리의 경우 SOC에 따라 전력 출력이 매우 상이하여 기존의 정격 전력 제한에 의하면 SOC 기준영역에서 전력량이 너무 많이 제한되는 문제점이 있게 되는 것이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 배터리 방전용량, 즉 Ah값에 따라 입/출력 전력 제한값을 소정의 기울기로 선형적으로 변화시켜 산출하되, 특히 SOC 기준영역에서 Ah값을 변수로 하여 기울기에 의해 결정된 전력 상승분을 기존의 정격 제한값에 추가하여 현재의 전력 제한값을 산출 및 제공하도록 함으로써, SOC에 따라 전력 출력이 매우 상이한 리튬 배터리 등 적용시에 기존의 정격 제한값이 적용될 경우 전력량이 너무 많이 제한되었던 종래의 문제점을 효과적으로 해결할 수 있는 하이브리드 전기 차량의 배터리 입/출력 전력 제한 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 하이브리드 전기 차량의 배터리 입/출력 전력 제한 방법에 있어서,
BMS가 배터리의 SOC 및 온도에 따라 입/출력 전력 제한값을 산출하는 단계를 포함하고, 상기 단계에서 배터리 방전용량 Ah값을 입력변수로 하면서 소정의 기울기로 정의되는 1차 선형식을 이용하여 입/출력 전력 제한값을 산출함으로써 상기 입/출력 전력 제한값을 현재 배터리 Ah값에 따라 선형적으로 증가 또는 감소시키는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 입/출력 전력 제한값 산출 단계에서, 입력 전력 제한값과 출력 전력 제한값에 대하여 각각 현재 배터리 Ah값을 입력변수로 하여 상기 기울기에 의해 결정되는 전력 상승분을 미리 정해진 정격 제한값에 추가함으로써 산출하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따라 배터리 입/출력 전력 제한값을 산출하는 전체 단계를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 배터리 입/출력 전력 제한 상태의 일 예를 나타낸 도면이다.
우선, 도 1은 본 발명을 적용한 배터리 관리 시스템(이하, BMS라 함)에서의 배터리 입/출력 제한값 산출 과정을 보여주고 있으며, 도시한 바와 같이 BMS에서 입/출력 제한값 산출은 배터리 충전상태(이하, SOC라 함) 및 온도에 따라 입/출력 전력 제한값을 산출하는 제1산출수단(11)과, 전압에 따라 입/출력 제한값을 산출하 는 제2산출수단(12)과, 배터리 고장진단 상태에 따라 입/출력 제한값을 산출하는 제3산출수단(13)에 의해 이루어진다.
여기서, 상기 제1산출수단(11)은 SOC로서 배터리 방전용량(Ah값) 및 배터리 온도(Temp)에 따른 입/출력 전력 제한값(Pin/out by SOC & Temp)을 산출하며, 상기 제2산출수단(12)은 제1산출수단(11)에 의해 산출된 전력 제한값을 제공받아 그로부터 셀 전압(V1:배터리 1번 셀의 전압, Vn:n번 셀의 전압, 즉 1 ~ n개의 셀에 대한 것임)에 따른 제한값, 즉 전압에 의한 입/출력 전력 제한값(VPin/out by Voltage control)을 산출한다.
또한 상기 제3산출수단(13)은 제2산출수단(12)에 의해 산출된 전력 제한값을 제공받아 그로부터 배터리 고장진단(Diagnosis) 상태에 따른 제한값, 즉 배터리 고장진단에 의한 입/출력 전력 제한값(DPin/out by Diagnosis)을 산출하며, 이 최종 산출된 값을 BMS가 HCU(Hybrid Control Unit)에 송신하면, HCU는 BMS로부터 수신된 배터리 입/출력 전력 제한값 영역 내에서 모터 구동 및 하이브리드 전기 차량의 전반적인 상태를 제어하게 된다.
이러한 배터리 입/출력 전력 제한 방법에서, 이전의 전력 제한값으로부터 셀 전압에 따라 입/출력 전력 제한값을 산출하는 과정과, 여기서 산출된 입/출력 전력 제한값으로부터 배터리 고장진단 상태에 따라 입/출력 전력 제한값을 산출하는 과정은, 종래에 이미 적용되고 있는 것으로서, 종래의 전력 제한값 산출 과정에 포함되어 있는 공지의 과정이므로, 추가적인 설명은 생략하기로 한다.
단, 본 발명에서는 제1산출수단(11)에 의해 입/출력 전력 제한값이 산출됨에 있어서 후술하는 바와 같이 배터리 방전용량, 즉 Ah값에 따른 입/출력 전력 제한값이 산출되며, 특히 Ah값을 입력 변수로 하는 소정 기울기의 선형식(1차식)에 의해 입/출력 전력 제한값이 산출되어진다.
이와 같이 본 발명은 제1산출수단(11)에 의하여 SOC(Ah값) 및 배터리 온도(Temp)에 따른 입/출력 전력 제한값이 산출되는 점에 주안점이 있는 것이다.
특히, 본 발명에서 SOC 및 온도에 의한 입/출력 전력 제한값 산출은, 특정 온도에서의 입력 전력 제한값 및 출력 전력 제한값에 대하여, 각각 기존에 적용되던 특정 온도(배터리 온도)에서의 정격 제한값(이는 해당 온도에 대해 특정하게 정해진 일정 제한값임)에 배터리 방전용량(Ah값)에 따라 달라지는 전력 상승분을 추가하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 특정 온도의 예에서 배터리 방전용량(Ah값)에 따른 본 발명의 산출되는 입/출력 전력 제한값(Pin,Pout) 변화와 동일 온도에서 기존에 적용되던 정격 제한값(Pin_Limit,Pout_Limit)을 함께 나타낸 선도로서, 이를 설명하면, 선 'A'는 기존의 입/출력 전력 제한값을 나타내며, 이와 같이 특정 온도에서 기존의 입/출력 제한값은 SOC(배터리 방전용량)에 상관없이 일정하게 미리 정해진 값이 된다.
따라서, 본 발명에서는, 리튬 배터리와 같이 SOC에 따라 전력 출력이 매우 상이한 배터리의 경우에 적용하여 SOC 기준영역에서 입/출력 전력이 과도하게 제한되지 않도록, 제1산출수단(11)에서 미리 정해진 기존의 입/출력 전력 제한값, 즉 정격 제한값(선 A)(Pin_Limit,Pout_Lmit)에 현재 배터리 Ah값에 따른 추가 상승분을 더한 값으로 입/출력 전력 제한값(Pin,Pout)을 산출하여 제공한다.
다시 도 2를 참조하면, 본 발명에서 SOC 및 온도에 의한 입/출력 전력 제한값(Pin,Pout)은 Ah값에 따라 구분된 소정 구간(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ) 별로 Ah값에 따라 선형적으로 증가 또는 감소되는 바, 입력 전력 제한값(Pin)은 Ⅰ구간에서 최대값(Pinmax)으로 설정되고, Ⅱ 구간에서는 소정의 감소율(slope)(Pinslope)로 감소하며, Ⅲ 구간에서는 또 다른 소정의 감소율(Pin_limit_slope)로 감소한 후 0으로 설정된다.
그리고, 출력 전력 제한값(Pout)은 반대로 Ⅰ구간에서 0으로부터 소정의 상승률(Pout_limit_slope)로 증가하고, Ⅱ 구간에서 또 다른 소정의 상승률(slope)(Poutslope)로 증가하며, Ⅲ 구간에서는 최대값(Poutmax)으로 설정된다.
이와 같이 Ah값에 따라 구분된 각 구간별로 소정의 상승률 및 감소율을 적용하여 제한값이 산출되는 바, I 구간에서는 출력 전력 제한값(Pout)의 경우 기존의 정격 제한값(Pout_Limit)에서 선도의 미리 정해진 기울기(Pout_limit_slope)에 의해 결정되는 값만큼 차감된 값이 되고, 입력 전력 제한값(Pin)의 경우 최대값(Pinmax)이 적용된다.
또한 Ⅱ 구간에서는 기존의 정격 제한값(Pin_Limit,Pout_Limit)에서 Ah값을 변수로 하여 미리 정해진 선도의 기울기(Pinslope,Poutslope)에 의해 결정되는 값만큼 추가된 값이 전력 제한값(Pin,Pout)이 되며, 이때 입력 전력 제한값(Pin) 변화는 전술한 바와 같이 Ah값이 증가함에 따라 해당 기울기(Pinslope)로 감소되고, 출력 전력 제한값(Pout) 변화는 Ah값이 증가함에 따라 해당 기울기(Poutslope)로 증가하는 형태가 된다.
결국, 산출되는 입/출력 전력 제한값(Pin,Pout)은 Ⅱ 구간에서 다음과 같이 정리할 수 있다.
Pin = Pin_Limit + Pin(Δ)
Pout = Pout_Limt + Pout(Δ)
여기서, Pin과 Pout은 각각 최종 산출되는 입력 전력 제한값과 출력 전력 제한값이고, Pin_Limit과 Pout_Limit은 기존 적용되던 정격 입/출력 제한값이며, Pin(Δ)와 Pout(Δ)는 Ah값에 따른 추가 전력 상승분으로, 이는 Ah값을 입력변수로 하여 기울기(Pinslope,Poutslope)에 의해 결정되는 값이 된다.
그리고, Ⅲ 구간에서는 출력 전력 제한값(Pout)의 경우 최대값(Pmax)이 되고, 입력 전력 제한값(Pin)의 경우 기존의 정격 제한값(Pin_Limit)에서 선도의 미리 정해진 기울기(Pin_limit_slope)에 의해 결정되는 값만큼 차감된 값이 된다.
이와 같이 본 발명에서는 Ah값에 따라 입/출력 전력 제한값(Pin,Pout)을 선형적으로 변화시켜 산출하며, 이때 전력 제한값은 해당 구간에서 정해진 바의 기울기로 증가 또는 감소하는 바, 특히 SOC 기준영역에서는 Ah값을 변수로 하여 기울기(Pinslope,Poutslope)에 의해 결정된 전력 상승분을 기존의 정격 제한값(Pin_Limit,Pout_Limit)에 추가하여 전력 제한값(Pin,Pout)을 산출 및 제공함으로써 종래와 같이 과도하게 전력이 제한되는 것을 막을 수 있게 된다.
상기 전력 상승분은 앞서 설명한 바대로 Ah값을 변수로 하면서 해당 기울기의 선형식(1차식)에 의해 구해진 값이 된다.
상기와 같은 본 발명에서 기울기(Ah에 따른 상승률 또는 감소율)는 실험에 의해 미리 얻어진 값으로 하며, 예컨대 도 2에서 Ⅱ 구간에서의 기울기는 1kW/0.001Ah, Ⅰ, Ⅲ 구간에서의 기울기는 2kW/0.001Ah가 될 수 있다.
이와 같이 상기 감소율 및 상승률, 즉 Ah값에 대한 기울기는 각 구간별로 달리 설정될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량의 배터리 입/출력 전력 제한 방법에 의하면, 배터리 방전용량, 즉 Ah값에 따라 입/출력 전력 제한값을 소정의 기울기로 선형적으로 변화시켜 산출하되, 특히 SOC 기준영역에서 Ah값을 변수로 하여 기울기에 의해 결정된 전력 상승분을 기존의 정격 제한값에 추가하여 현재의 전력 제한값을 산출 및 제공하게 됨으로써, SOC에 따라 전력 출력이 매우 상이한 리튬 배터리 등 적용시에 기존의 정격 제한값이 적용될 경우 전력량이 너무 많이 제한되었던 문제점을 효과적으로 해결할 수 있게 된다.
Claims (2)
- 하이브리드 전기 차량의 배터리 입/출력 전력 제한 방법에 있어서,BMS가 배터리의 SOC 및 온도에 따라 입/출력 전력 제한값을 산출하는 단계를 포함하고, 상기 단계에서 배터리 방전용량 Ah값을 입력변수로 하면서 소정의 기울기로 정의되는 1차 선형식을 이용하여 입/출력 전력 제한값을 산출함으로써 상기 입/출력 전력 제한값을 현재 배터리 Ah값에 따라 선형적으로 증가 또는 감소시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 배터리 입/출력 전력 제한 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 입/출력 전력 제한값 산출 단계에서, 입력 전력 제한값과 출력 전력 제한값에 대하여 각각 현재 배터리 Ah값을 입력변수로 하여 상기 기울기에 의해 결정되는 전력 상승분을 미리 정해진 정격 제한값에 추가함으로써 산출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 배터리/입출력 전력 제한 방법.
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