KR100901559B1 - 하이브리드 차량의 ｓｏｃ 초기화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량의 배터리 제어 기술로서, 배터리 온도 특성을 이용하여 초기 시동시 배터리의 잔존 용량을 예측할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 시동시 배터리의 분극전압값과 온도 편차를 측정하고, 이미 저장된 값인 주행 종료시의 배터리 분극전압값과, 온도 편차값을 획득하는 단계와; 측정된 배터리의 분극전압값과, 배터리 모듈(셀)간의 온도 편차값을 기반으로 초기 SOC를 산출하는 단계와; 추후 초기 SOC 산출을 위하여 상기 분극전압값을 갱신하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법을 제공한다.

하이브리드, 배터리, SOC, 분극전압, 온도 편차

Description

하이브리드 차량의 ＳＯＣ 초기화 방법{Method for Initialization State of Charge of HEV}

본 발명은 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량의 배터리 제어 기술로서, 배터리 온도 특성을 이용하여 초기 시동시 배터리의 잔존 용량을 예측할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 하이브리드(Hybrid) 자동차란 두 개의 동력원을 이용하여 구동되는 차량을 말하며, 하이브리드 차량의 에너지 저장 장치로는 고전압 배터리를 사용하고 있다.

하이브리드 차량은 주행 구동원으로서 엔진 및 모터가 직결되어 있고, 동력 전달을 위한 클러치 및 변속기(CVT), 엔진 및 모터 등의 구동을 위한 인버터, DC/DC컨버터, 고전압배터리 등을 포함하며, 또한 이들의 제어수단으로서 서로 캔 통신에 의하여 통신 가능하게 연결되는 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Control Unit)), 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit), 배터리 제어기(BMS: Battery Management System) 등을 포함하고 있다.

이러한 구성들 중, 본 발명과 관련된 고전압배터리는 하이브리드 차량의 모터 및 DC/DC 컨버터를 구동하는 에너지원이며, 그 제어기인 배터리 제어기는 고전압배터리의 전압, 전류, 온도를 모니터링하여, 고전압배터리의 충전상태량(SOC[%](State of Charge))을 조절하는 기능을 한다.

소형 이동식 전자 기기의 발달에 따라 배터리 제어 기술의 중요성이 증대되고 있는 바, 주로 전압에 의해 배터리 제어가 가능하고, 대부분 소용량의 배터리를 사용하기 때문에 배터리 제어에 고도의 기술이 필요한 정도는 아니다.

반면에, 자동차에 배터리가 장착되기 시작하면서 정확도 높은 배터리 제어 기술이 필요하며, 이는 배터리가 차량의 2차적인 에너지원으로서 출력을 보조하거나 전담하게 되어, 차량 시스템의 효율적인 운용을 가능하게 하는 중요 시스템으로 자리 잡고 있기 때문이다.

그 중 배터리의 SOC 제어 기술이 가장 큰 화두에 있으며, 고전압/대용량의 배터리를 안전하고 효율적으로 운용하기 위한 첫 번째 척도로서 그 중요성이 크기 때문이다.

하이브리드 차량용 배터리의 SOC는 대개 초기값에서부터 전류 적산 등의 방법으로 계산하게 되는데, 이때 초기값 설정이 중요한 작용을 하게 되며, 그 이유는 최초의 시작값이 크게 틀어졌을 경우, 계산되는 SOC는 큰 오차를 가진 채 계산될 수 밖에 없기 때문이다.

최근에는 초기에 SOC차가 크더라도, 일정 시간 안에 실제 값을 추적할 수 있는 방법들이 많이 제안 되고 있으나, 이것은 실제 값을 추적하는 시간 이상 주행을 해야 한다는 의미를 가지기 때문에 추적 시간 이하의 단시간 주행이 많은 운전자의 경우에는 배터리의 상태를 최적으로 유지하기가 어렵다.

또한, 짧은 시간 안에 실제 값을 추적한다 하더라도 보정을 위한 계산 속도 때문에 계산된 SOC가 전 범위에서 사인(sine) 파와 같이 스윙(Swing)하는 현상을 보이는 문제점이 있다.

기존의 초기 SOC 설정 방법은 초기값을 항상 일정하게 하거나, 최초 측정한 전압과 용량과의 관계로부터 SOC를 예측하는 OCV 측정 방법, 그리고 하이브리드 차량의 주행 종료 시점부터 시동 시점까지 시간을 측정한 후 그 배터리의 분극 변화량을 고려하여 기전력을 계산하는 방법 등이 있다.

그러나, 위의 첫 번째 방법의 경우, 배터리 사용 후 용량이 항상 초기 설정된 용량과 같지 않기 때문에 주행 중 용량 보정 능력에 따라 그 정확도가 달라질 수 있으며, 보정이 이루어지는 않은 경우에는 오차가 계속해서 커질 수 있다.

또한, 두번째의 방법은 배터리의 특성으로 분극전압이 발생한다는 것인데, 정차 시간이 길수록 분극전압은 소멸되므로 정확할 수 있으나, 그렇지 않은 경우에는 분극전압에 의한 오차가 크게 발생할 수 있어 두 번째 방법의 경우도 문제가 될 수 있다.

또한, 배터리의 분극전압을 갱신함으로 초기 SOC 정확도를 높여 줄 수 있으나, 시간을 측정해야 하기 때문에 RTC(Real Time Clock)를 적용하여 로직 구현의 복잡성이 따르는 제약이 있다.

본 발명은 상기한 제반 문제점들을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 하이브리드 차량의 주행 종료 시점에서의 배터리 전압, 온도, SOC 등을 기억하고, 시동 시 이들 값들을 비교하여 초기 SOC를 산출하여 분극전압을 갱신함으로서, 배터리 SOC 추정 정밀도를 높여줄 수 있도록 한 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 시동시 배터리의 분극전압값과 온도 편차를 측정하고, 이미 저장된 값인 주행 종료시의 배터리 분극전압값과, 온도 편차값을 획득하는 단계와; 측정된 배터리의 분극전압값과, 배터리 모듈(셀)간의 온도 편차값을 기반으로 초기 SOC를 산출하는 단계와; 추후 초기 SOC 산출을 위하여 상기 분극전압값을 갱신하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법을 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 배터리의 온도 편차가 기준값 이상의 편차 값을 갖는 경우, 상기 초기 SOC 산출 단계는: 하이브리드 차량의 최종 종료 시점부터 시동까지의 시간을 단시간 경과로 판단하여, 분극 전압 잔존으로 배터리 용량 변화가 없는 것으로 판단하는 단계와; 초기 SOC를 최종 종료 시점의 SOC와 동일한 값으로 정하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 배터리의 온도 편차가 기준값이내에 들었을 경우, 상기 초기 SOC 산출 단계는: 하이브리드 차량의 최종 종료 시점부터 시동까지의 시간을 장시간 경과로 판단하여, 분극전압의 소멸과 자가 방전으로 배터리 단자 전압을 기전력으로 정하는 단계와; 상기 배터리 모듈(셀)간의 온도 편차값과 배터리 단자 전압으로 정해진 기전력으로 맵 테이블로부터 초기 SOC를 산출하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 분극전압값을 갱신하는 단계는: 최종 종료시의 배터리 전류 조건이 충전 또는 방전 조건이었는지 판단하되, 시동시 측정된 전압에서 이미 최종 종료시 저장된 전압 차의 부호를 통해서 최종 종료 시점의 충/방전 여부를 판단하는 단계와; 전압 차(측정 전압 - 저장 전압)가 음의 부호를 갖는 경우, 충전후 종료 조건으로, 양의 부호를 갖는 경우 방전 후 종료 조건으로 판단하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 충전후 종료 조건시, 상기 전압차의 절대값이 해당 온도에서의 최대 분극전압보다 클 경우, 장기 분극전압은 최대 장기 분극전압으로, 단기 분극전압은 전압 차와 최대 분극전압과의 차로 판단하고; 전압차의 절대값이 해당온도에서의 최대 분극전압보다 작을 경우, 장기 분극전압은 전압차의 절대값으로, 단기 분극전압은 0으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 방전후 종료 조건시, 장기 분극전압은 0으 로, 단기 분극전압은 상기 전압 차와 동일한 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

초기 SOC를 정확한 값으로 계산함을 가능하게 하고, 분극전압 변화를 측정하여 주행중 SOC 추적 정밀도를 높일 수 있으며, 별도의 RTC없이 SOC 초기화 및 분극전압 갱신을 가능하며, 추가적으로 로직의 단순화 및 하드웨어를 줄여주어 원가 절감의 효과를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

실질적으로는, 하이브리드 차량의 배터리 잔존용량을 측정하기 위해서는 배터리를 충/방전 장비에 연결하여 배터리 하한 전압까지 방전시켜야만 정확한 값을 구할 수 있다.

그러나, 하이브리드 차량에 탑재된 배터리를 매번 초기 용량 산출을 위하여 위와 같이 하한 전압까지 방전하는 것을 할 수 없으므로 차량 상태에서는 그 정확한 값을 측정하는 것은 불가능하다.

따라서, 초기 SOC, 즉 고전압배터리의 초기 충전상태량 예측을 위해 전술한 바와 같이 기존의 여러 방식이 사용하게 되는 바, 본 발명은 기존 방식의 문제점들을 극복하여 간단하고 정확하게 초기 SOC를 계산할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

여기서, 본 발명의 SOC 초기화 방법을 구체적으로 살펴보기로 하며, 용어중 최종 종료 시점, 주행 종료 등은 하이브리드 차량의 주행 종료를 의미한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법을 설명하는 순서도이다.

먼저, 첨부한 도 1에 설명된 바와 같이 측정부에서 배터리의 전압과 온도를 측정하고, 이미 저장된 값인 주행 종료시의 배터리 전압, 온도, SOC를 획득한다.

이렇게 획득된 데이터들은 초기 SOC 산출 제어부에서 측정된 전압과 이미 저장되어 있던 배터리 전압을 비교하여 SOC를 산출하며, 분극전압 갱신 제어부에서 분극전압 변화율을 계산하게 된다.

여기서, 분극전압이란 첨부한 도 2의 그래프에서 보는 바와 같이 배터리에 전류를 인가하였을 때 발생하는 전압 상승분과, 전류를 끊었을 때 전압 하강분의 합으로 나타나게 된다.

즉, 전류를 끊은 후 시간의 추이에 따라 전압의 하강 정도가 달라지면서 최종적으로 일정 전압으로 수렴하게 되는데, 이 수렴하기 전까지의 전압을 분극전압이라 한다.

그리고, 상기 분극전압이 모두 소멸되고, 수렴된 일정 전압을 기전력이라 한다.

이때, 상기 분극전압에는 두 가지 성분이 있는데, 단시간에 소멸되는 단기 분극전압과, 소멸되는데 장시간이 소요되는 장기 분극전압이 있다.

여기서, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법중 초기 SOC를 산출하는 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법중 초기 SOC를 산출하는 과정을 설명하는 순서도이다.

도 3에서와 같이, 초기 SOC 산출 제어부에서는 측정부에서 측정된 배터리의 분극전압값과 배터리 모듈(셀)간의 온도 편차값을 기반으로 초기 SOC를 산출하게 된다.

이때, 분극전압은 상기와 같이 시간의 흐름에 따라 변화하기 때문에, 하이브리드 차량의 주차 시간 즉, 하이브리드 차량의 시동이 오프되는 최종 종료 시점부터 다시 시동이 온되는 시점까지의 시간(예를 들어, 아이들 스탑 모드시, 또는 주행 종료(시동 오프)후 다시 주행 시작(시동 온) 시점)과, 이 시간 동안의 배터리 온도 편차를 예측해야만 한다.

이는, RTC를 적용할 경우 쉽게 계산할 수 있으나, 본 발명의 로직에서는 RTC 없이 초기 SOC를 구하기 때문에 다른 방법을 이용하고자 한다.

배터리 온도는 시간이 지남에 따라, 동작 온도로부터 일정 온도로 낮아지면서 수렴하게 되는데, 이때 각 배터리 모듈(셀)간의 온도 편차도 줄어들어 장시간이 지난 후에는 결국 편차가 없어지게 된다.

NiMH 배터리의 경우, 배터리 사용에 따른 온도 변화가 많아 모듈(셀)간 온도 편차가 크고, 발열량도 많아 모든 모듈이 일정한 온도 편차를 유지하는데에 장시간이 소요된다.

또한, 분극 특성 역시 상술한 바와 같이 장기 분극전압의 완전 소멸에 대략 1주일의 시간이 필요한 것으로 알려져 있다.

반면, Li이온 전지의 경우, NiMH에 비해 배터리 동작시 온도 변화가 크지 않으며, 분극 영향 역시 상대적으로 작다.

이러한 배터리 온도 특성을 이용하여, 최종 종료 시점부터 시동까지의 시간을 단시간 및 장시간으로 구분지을 수 있으며, 배터리의 종류에 따라 온도 편차를 조절하여 그 시간을 가늠할 수 있다.

여기서, 시간의 의미는 단시간은 분극이 모두 소멸하지 않고 남아있는 시간을 말하며, 장시간은 분극이 모두 소멸하였으며 약간의 자가 방전의 영향도 있을 수 있음을 말한다.

그러므로, 배터리에 따른 일정 온도 편차를 기준으로 그 이상의 편차 값을 가진 경우, 하이브리드 차량의 최종 종료 시점부터 시동까지의 시간을 단시간 경과로 판단할 수 있고, 단시간의 경우 분극전압이 남아있게 되므로 배터리 용량 변화는 없다는 것을 알 수 있다.

따라서, 초기 SOC는 최종 종료 시점의 SOC와 동일한 값을 사용 할 수 있으며, 기전력은 이때의 배터리 온도와 SOC와의 관계에서 맵 테이블로부터 구할 수 있다.

또한, 배터리가 일정 온도 편차 이내에 들었을 경우, 하이브리드 차량의 최 종 종료 시점부터 시동까지의 시간을 장시간 경과로 판단할 수 있고, 이 경우 분극전압이 소멸됨과 함께 약간의 자가 방전의 영향도 있을 수 있으므로, 배터리 단자 전압을 기전력으로 간주할 수 있으며, 이때의 배터리 모듈(셀)간의 온도 편차값과 배터리 단자 전압으로 간주된 기전력을 이용하여 맵 테이블로부터 초기 SOC를 산출할 수 있게 된다.

여기서, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법중 분극전압 갱신에 대하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법중 분극전압 갱신을 설명하는 순서도이다.

상기와 같이, 배터리 온도 특성으로 주차 시간을 예측하고, 측정된 전압과 데이터 메모리부에 최종 주행 종료 시점에서 저장된 전압과의 차를 이용하여 초기 분극전압을 산출할 수 있다.

상기한 초기 SOC 산출 방법과 같이, 배터리의 온도편차를 통해 하이브리드 차량의 최종 종료 시점부터 시동까지의 시간을 장시간 경과 및 단시간 경과로 구분하여 판단한다.

장기 및 단시간 경과시에는 앞서 설명한 것과 같이, 분극 성분의 차이가 남아 있으므로 이를 장기 및 단기 분극전압 성분으로 나누어야 한다.

이를 위해, 최종 종료시의 전류 조건이 충전 또는 방전 조건이었는지가 중요하다.

왜냐하면, 도 5에서와 같이 충/방전 시의 전압 거동이 반대로 나타나기 때문 이며, 다시 말해서 충전 상태로 종료 되었을 경우 전압은 분극전압을 포함하여 상승하였다가 전류인가가 멈추면 분극전압이 서서히 빠져나가면서 전압은 점점 낮아지면서 수렴해 가게 되며, 방전 상태로 종료 되었을 경우 전압은 역시 분극전압을 포함하여 하강하였다가 전류인가가 멈추면 분극전압은 상승하면서 수렴해가는 현상을 보이며, 따라서 시동시 측정된 전압에서 이미 최종 종료시 저장된 전압 차의 부호를 통해서 종료 시점의 충/방전 여부를 알 수 있다.

즉, 전압 차(측정 전압 - 저장 전압)가 음의 부호를 갖는 경우, 충전 후 종료 조건으로, 양의 부호를 갖는 경우 방전 후 종료 조건임을 알 수 있다.

ⅰ) 충전후 종료 조건시, 상기 분극전압은 전압차의 절대값과 해당 온도에서의 최대 분극전압과의 비교를 통해 성분을 나눌 수 있다.

전압차의 절대값이 해당 온도에서의 최대 분극전압보다 클 경우, 장기 분극전압은 최대 장기 분극전압이며, 단기 분극전압은 전압 차와 최대 분극전압과의 차가 될 것이다.

반대로, 전압차의 절대값이 해당온도에서의 최대 분극전압보다 작을 경우, 장기 분극전압은 전압차의 절대값이며, 단기 분극전압은 0이 된다.

ⅱ) 방전후 종료 조건시, 장기 분극전압은 0이며, 단기 분극전압은 전압 차가 된다.

상기 ⅰ)의 제어 방식은 첨부한 도 4의 분극전압 갱신 1에 해당하며, ⅱ) 의 제어 방식은 도 4의 분극전압 갱신 2에 해당한다.

또한, 장시간 경과시에는 분극전압은 모두 소멸되었으므로, 단기 및 장기 분 극전압은 모두 0이 되고, 이는 도 4의 분극전압 갱신 3에 해당한다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법을 설명하는 순서도,

도 2는 하이브리드 차량용 배터리에 대한 분극전압을 설명하는 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법중 초기 SOC를 산출하는 과정을 설명하는 순서도,

도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법중 분극전압 갱신을 설명하는 순서도,

도 5는 하이브리드 차량의 배터리 충방전 특성을 설명하는 그래프.

Claims (6)

1. 시동시 배터리의 분극전압값과 온도 편차를 측정하고, 이미 저장된 값인 주행 종료시의 배터리 분극전압값과, 온도 편차값을 획득하는 단계와;

   측정된 배터리의 분극전압값과, 배터리 모듈(셀)간의 온도 편차값을 기반으로 초기 SOC를 산출하는 단계와;

   추후 초기 SOC 산출을 위하여 상기 분극전압값을 갱신하는 단계;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 배터리의 온도 편차가 기준값 이상의 편차 값을 갖는 경우, 상기 초기 SOC 산출 단계는:

   하이브리드 차량의 최종 종료 시점부터 시동까지의 시간을 단시간 경과로 판단하여, 분극 전압 잔존으로 배터리 용량 변화가 없는 것으로 판단하는 단계와;

   초기 SOC를 최종 종료 시점의 SOC와 동일한 값으로 정하는 단계;

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 배터리의 온도 편차가 기준값이내에 들었을 경우, 상기 초기 SOC 산출 단계는:

   하이브리드 차량의 최종 종료 시점부터 시동까지의 시간을 장시간 경과로 판단하여, 분극전압의 소멸과 자가 방전으로 배터리 단자 전압을 기전력으로 정하는 단계와;

   상기 배터리 모듈(셀)간의 온도 편차값과 배터리 단자 전압으로 정해진 기전력으로 맵 테이블로부터 초기 SOC를 산출하는 단계;

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 분극전압값을 갱신하는 단계는:

   최종 종료시의 배터리 전류 조건이 충전 또는 방전 조건이었는지 판단하되, 시동시 측정된 전압에서 이미 최종 종료시 저장된 전압 차의 부호를 통해서 최종 종료 시점의 충/방전 여부를 판단하는 단계와;

   전압 차(측정 전압 - 저장 전압)가 음의 부호를 갖는 경우, 충전후 종료 조건으로, 양의 부호를 갖는 경우 방전 후 종료 조건으로 판단하는 단계;

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 충전후 종료 조건시,

   상기 전압차의 절대값이 해당 온도에서의 최대 분극전압보다 클 경우, 장기 분극전압은 최대 장기 분극전압으로, 단기 분극전압은 전압 차와 최대 분극전압과의 차로 판단하고;

   전압차의 절대값이 해당온도에서의 최대 분극전압보다 작을 경우, 장기 분극전압은 전압차의 절대값으로, 단기 분극전압은 0으로 판단하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법.
6. 청구항 4에 있어서, 상기 방전후 종료 조건시,

   장기 분극전압은 0으로, 단기 분극전압은 상기 전압 차와 동일한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 SOC 초기화 방법.

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