KR100901594B1 - 전기 차량의 배터리 충전상태 추정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 차량의 배터리 충전상태 추정방법에 관한 것으로서, 정전압을 충전하는 동안 그로부터 구해지는 충전량 전류곡선의 초기 기울기를 이용하여 충전초기 충전상태(SOC)를 추정한 뒤 리셋하고 그 후로부터의 전류량을 적산하여 현재의 충전상태를 추정 및 갱신하는 전기 차량의 배터리 충전상태 추정방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 배터리 충전상태 추정방법은 종래의 만충전과 같은 리셋 조건이 요구되지 않으므로 상용 마일드 하이브리드 차량과 같이 대용량의 배터리가 장착된 전기 차량에 유용하게 적용될 수 있으며, 정전압 충전시마다 SOC를 리셋할 수 있는 장점이 있다.

하이브리드, 전기 차량, 배터리, 충전상태, SOC, 상용 차량

Description

전기 차량의 배터리 충전상태 추정방법{Method for calculating battery SOC of electronic vehicle}

본 발명은 전기 차량의 배터리 충전상태 추정방법에 관한 것으로서, 특히 상용 마일드 하이브리드 차량에서 유용하게 적용될 수 있는 배터리 충전상태 리셋 및 추정방법에 관한 것으로, 정전압을 충전하는 동안 그로부터 구해지는 충전량 전류곡선의 초기 기울기를 이용하여 충전초기 충전상태(SOC)를 추정한 뒤 리셋하고 그 후로부터의 전류량을 적산하여 현재의 충전상태를 추정 및 갱신하는 전기 차량의 배터리 충전상태 추정방법에 관한 것이다.

일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료로 구동되는 엔진과 배터리 전력으로 구동되는 전기모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 의미하며, 이를 하이브리드 전기 차량, 즉 HEV(Hybrid Electric Vehicle)라 부르고 있다.

이러한 하이브리드 전기 차량에는 전기모터의 구동전력을 제공하는 고전압 배터리가 필수적으로 장착되며, 이는 차량 운행 중에 충/방전을 반복하면서 필요한 전력을 공급하게 된다.

하이브리드 전기 차량에서는 고전압 배터리의 충전상태(State Of Charge; 이하, 'SOC'라 칭함)에 따라 모터 구동 및 엔진 구동을 하는 알고리즘을 기반으로 연비 저하 및 동력 성능을 향상시킨다.

한편, 알려진 바대로, 배터리를 에너지원으로 사용하는 순수 전기 차량과 에너지 버퍼로 사용하는 엔진 하이브리드 전기 차량 및 연료 전지 하이브리드 전기 차량에서 배터리는 차량의 품질을 결정하는 주요한 부품 중의 하나이다.

따라서, 이러한 배터리에 대한 제반적인 상태를 총괄하여 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)은 배터리 수명의 조기 단축을 방지하고, 총합제어를 수행하는 차량 제어기에 배터리의 SOC 정보를 알려줌으로써 발전제어와 주행제어를 지원해 준다.

상기 배터리 관리 시스템(BMS)의 주요 기능은 배터리의 SOC 추정과 만충전 감지, 각 셀 모듈간 전압의 균형 유지, 배터리의 SOC에 따른 최대 충전 및 방전 전압의 제어, 안전 관리 및 냉각 제어 등을 수행한다.

이와 같이 하이브리드 전기 차량이나 고전압 배터리를 사용하는 전기 차량에서는 배터리의 SOC를 파악하는 것이 매우 중요하며, 또한 주행 중에 배터리의 잔존 용량을 파악하여 운전자에게 알려주는 기술도 필요하다.

주행 중에 배터리의 SOC를 계산하는 방법으로는 충전 및 방전 전류량을 측정 하여 현재의 SOC를 계산하는 것이 통상적으로 이용되고 있는데, 기준이 되는 특정 SOC에서 측정되고 있는 충/방전 전류량을 적산하여 현재의 SOC를 추정 및 갱신하게 된다.

이와 같이 SOC를 계산하는 과정에서는 충/방전 전류량을 적산하기 위한 기준이 되는 SOC를 적절하게 설정, 즉 주행에 앞서 배터리의 SOC(잔존 용량) 초기값(이하, '초기 SOC'라 칭함)을 적절하게 설정하는 기술이 필요하며, 초기 SOC는 보통 오픈회로전압(Open Circuit Voltage; 이하, 'OCV'라 칭함)을 이용하여 설정되고 있다.

다시 말해, 차량의 시동키를 온(key on)시킨 직후 OCV를 측정하여 그로부터 SOC를 추정하고, 이때의 추정된 SOC를 적산 기준이 되는 초기 SOC로 설정하여 그 이후의 충/방전 전류량을 적산함으로써 현재의 SOC를 갱신하게 되는 것이다.

이와 같이 초기 SOC에 충/방전되는 전류량을 측정하여 이를 적산함으로써 현재의 SOC를 갱신하는 방법을 전류적산법이라 하며, 도 1은 상기한 종래의 SOC 추정방법을 나타낸 순서도이다.

도시된 바와 같이, 차량의 시동키가 온(key on) 되고 나면, 이때 측정되는 OCV로부터 초기 SOC를 추정하고, 이후 충/방전되는 전류량을 적산하는 전류적산법에 의해 현재의 SOC를 갱신한다.

이는 모든 배터리 SOC 추정과정에서 사용되는 가장 기본적인 방법으로, 전류적산법에 의한 SOC를 계산하는 식은 하기 식(1)과 같다.

(1)

그러나, 여러 실험 및 논문에 따르면 OCV는 온도, 시간 경과에 따라 변하므로 단순히 OCV 값을 측정하여 SOC를 추정하는 것은 신뢰성이 떨어진다고 할 수 있다.

또한 OCV는 배터리가 충/방전되는 상황에서는 알 수가 없을 뿐만 아니라, 충/방전이 완료되고 나서 일정 시간(보통 2 ~ 3시간 이상)이 지나지 않으면 배터리 내부의 화학작용이 안정화되지 않으므로 그동안에는 SOC를 OCV 기반으로 추정할 수가 없다.

따라서, 충분한 시간 동안 충/방전이 정지되어 있었다는 가정(배터리 내부의 화학작용이 안정화됨을 가정)하에 시동 키 온 직후 OCV를 측정한 뒤 그로부터 초기 SOC를 추정하고 이후 충/방전 전류량을 적산하여 현재의 SOC를 갱신하고 있다.

그러나, 승용차의 경우 화학작용의 안정화 시간이 상대적으로 쉽게 확보될 수 있으나, 상용 차량의 경우에는 잦은 운행으로 인해 안정화 시간의 확보가 쉽지 않으므로 OCV 기반으로 SOC를 추정하는 것은 어느 정도의 오차가 발생한다.

또한 전류적산법은 SOC 추정에 매우 유용한 방법이긴 하지만, 시동 직후 OCV로부터 얻은 초기 SOC를 사용하여 차량이 운행되는 충/방전 동안의 전류량을 계속해서 적산하기 때문에, 배터리 충/방전효율, 온도, 사용기간(배터리 노후상태 등) 등으로 인해 오차가 점차 발산하거나 0으로 수렴한다.

특히, 충/방전이 반복되는 동안 배터리에서 실제 충/방전효율의 변화가 있게 되고, 주행 중에 충/방전이 빈번하게 발생하는 상황이 지속되면 시동 직후 초기 SOC로부터 적산하여 갱신되는 SOC는 충/방전이 진행될수록 실제 값과 점차 차이가 나게 된다.

따라서, 이러한 문제를 해결하고자, 도 2에 나타낸 바와 같이 누적 기준이 되는 SOC를 중간에 리셋시키는 다양한 SOC 리셋 알고리즘을 적용하고 있는데, 예를 들어 정전압으로 100% 만충전을 한 후 기준 SOC를 리셋하거나, 정전압으로 충전하여 일정 충전 전류량에서 미리 정해둔 SOC 값으로 리셋하는 방법이 있다.

그러나, 승용의 하이브리드 차량에서는 배터리의 용량이 작기 때문에 정전압으로 만충전시키는 시간이 짧은데 비하여, 상용 마일드 하이브리드 차량에서는 납 축전지를 사용하고 승용(약, 6 ~ 7AH)에 비해 그 용량(약, 400AH)이 매우 크기 때문에, 승용 차량에서 적용하고 있는 만충전 리셋 방법을 적용하기는 수 시간이 소요된다.

도 3은 정전압 충전시 전류곡선을 나타낸 것으로, 정전압을 충전할 경우에 충전 전류량은 시간이 지남에 따라 점차 0으로 수렴하는데, 이때 배터리 SOC 상태에 따라 충전량 전류곡선의 차이가 있으며, 상용 하이브리드 차량에서는 리셋 전류(RESET CURRENT)에 도달하기까지 정전압을 만충전하는 데는 배터리 대용량으로 인해 상당한 시간이 소요된다.

더욱이, 상기한 시간적 한계와 더불어, 정전압 충전 동안 마일드 하이브리드 차량의 주요 기능 중 하나인 아이들 스톱(Idle Stop)을 수행할 수 없기 때문에 상 용 마일드 하이브리드 차량에 적용하기에는 많은 어려움이 있다.

이하, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 만충전과 같은 리셋 조건이 불필요하여 상용 마일드 하이브리드 차량과 같은 대용량의 배터리가 장착된 전기 차량에 유용하게 적용될 수 있는 전기 차량의 배터리 충전상태 추정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 전기 차량에서 배터리 충전상태(이하, SOC라 함)를 추정하는 방법에 있어서,
(a) 시동 직후, 현재의 SOC가 충전이 필요한 SOC 임계값 이상이면, 시동 직후 측정된 오픈회로전압(OCV)을 토대로 초기 SOC를 추정하고, 이 초기 SOC를 기준으로 충전 또는 방전 전류량을 적산하여 현재의 SOC를 갱신하되,
시동 직후, 현재의 SOC가 충전이 필요한 SOC 임계값 미만이면, 정전압으로 배터리를 충전하는 동시에 정전압 충전 개시 시점부터 미리 설정된 기준시간 t 동안의 충전 전류량을 모니터링하는 단계와;
(b) 상기 기준시간 t 동안의 충전 전류량 변화 기울기와 미리 측정된 측정데이터를 비교하여, 정전압 충전 개시 시점의 SOC를 추정하는 단계와;
(c) 추정된 정전압 충전 개시 시점의 SOC를 기준으로, 그 이후의 배터리 충전 전류량을 적산하여 현재의 SOC를 갱신하는 단계;
(d) 상기 (c)단계에서 갱신된 현재의 SOC가 상기 (c)단계 이후에 미리 설정된 SOC 임계값 이상이 되면, 배터리의 정전압 충전을 중지하는 동시에 이 중지시점의 SOC를 기준으로 충전 또는 방전 전류량을 적산하여, 현재의 SOC를 갱신하는 단계;

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를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 배터리 충전상태 추정방법을 제공한다.

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또한, 상기 측정 데이터는 상기 정전압 충전 조건과 동일한 조건하에서 미리 실험을 통해 얻은 SOC데이터로서, 정전압 충전 개시 시점부터 미리 설정된 t 시간 동안의 충전 전류량 변화 기울기에 따른 SOC를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 특징을 갖는 본 발명의 배터리 충전상태 추정방법에 의하면, 정전압을 충전하는 동안 그로부터 구해지는 전류곡선의 초기 기울기를 이용하여 역으로 초기 충전상태를 추정한 뒤 리셋하고 그 후로부터의 전류량을 적산하여 현재의 충전상태를 추정 및 갱신하도록 구성됨으로써, 만충전과 같은 리셋 조건이 불필요하여 상용 마일드 하이브리드 차량과 같은 대용량의 배터리가 장착된 전기 차량에 유용하게 적용될 수 있으며, 정전압 충전시마다 SOC를 리셋할 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 대용량의 배터리가 장착되는 상용 마일드 하이브리드 차량에 유용하게 적용될 수 있는 것으로, 정전압을 충전하는 동안 그로부터 구해지는 충전량 전류곡선의 초기 기울기를 이용하여 충전초기 충전상태(SOC)를 추정한 뒤 리셋하고 그 후로부터의 전류량을 적산하여 현재의 충전상태를 추정 및 갱신하는 것에 주된 특징이 있는 것이다.

도 4는 시간에 따른 충전 전류량을 나타내는 SOC별 전류곡선으로서, 본 발명에서 정전압이 충전되는 초기 기준시간 t 시간 동안의 전류량 변화 기울기가 표시되어 있으며, 도 5는 본 발명에 따른 SOC 추정방법을 나타낸 순서도이다.

배터리는 기본적으로 정전압을 충전할 때 충전되는 전류량이 배터리 내부저항에 의해 시간에 따라 점차 감소하여 0으로 수렴되며, 특히 충전초기 SOC에 따라 정전압 충전시의 전류곡선(시간에 따른 충전 전류량을 나타내는 곡선)이 다름은 물론 0으로 수렴하는 기울기에도 차이가 있다.

도 4는 정전압 충전시 충전초기 SOC에 따라 차이가 있는 전류곡선을 각 SOC별로 보여주고 있는 바, 본 발명에서는 이를 이용하여, 장시간 동안 충전하여 특정 SOC에 리셋하는 방법이 아닌, 실시간 측정되는 전류곡선의 초기 기울기를 이용하여 리셋 SOC로 활용될 충전초기 SOC를 추정하게 된다.

단, 시동 직후에는 기존의 알고리즘대로 초기 OCV로부터 추정된 초기 SOC에 충/방전 전류량을 적산하여 현재의 SOC를 계산하며, 이후 다른 전장부하로 여분의 용량을 사용하다가 충전 필요 SOC에 다다르면, 정전압을 충전하는 동시에 시간에 따른 충전 전류량을 나타내는 전류곡선의 초기 기울기를 모니터링하여 충전 개시 시점에서의 SOC(충전초기 SOC)를 추정 및 리셋한다.

이와 같이 추정된 충전초기 SOC로 리셋을 한 뒤에는 충전초기 SOC에 그 이후의 전류량을 적산하여 현재의 SOC를 실시간 계산한다.

여기서, 전류곡선의 초기 기울기는 도 4에 나타낸 바와 같이 정전압 충전 개시 시점과 미리 설정된 기준시간 t 시간 후 시점 사이의 충전 전류 변화량으로부터 산출되며, 이렇게 산출된 기울기는 각 SOC별로 실험을 통해 얻은 측정 데이터와 비교하여 그로부터 해당하는 SOC를 찾아 이를 충전초기 SOC로 리셋을 한다.

여기서, 기준시간 t는 실험치에 따라 2 ~ 3분 정도로 하며, 바람직하게는 정전압 충전시 노이즈를 대비하여 필터링이 필요하다.

도 5를 참조하여 SOC 추정 과정을 단계별로 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 시동 직후 초기 SOC를 추정하는 단계(STEP1)가 수행되며, 종래와 동일하게 시동키 온(key on) 직후 배터리 OCV(Open Circuit Voltage)를 이용하여 SOC를 구하게 된다.

이때, SOC는 실험을 통해 얻은 측정 데이터, 즉 도 6에 나타낸 바와 같은 OCV Vs. SOC 맵으로부터 계산된다.

다음 단계로서, 추정된 초기 SOC를 기준으로 종래와 같이 전류적산법을 이용해 SOC를 갱신하는 단계(STEP2)가 수행되며, 배터리의 충/방전이 이루어지는 동안 DC/DC에서 입출력 전류를 측정하여 상기 식(1)에 따라 SOC가 추정되어 갱신된다.

이후, 현재의 SOC로부터 정전압 충전 여부를 결정하는데(STEP3), 현재의 SOC가 충전이 필요한 SOC 임계값, 예컨대 60% 미만으로 내려가면 정전압 충전을 수행한다(STEP4).

그리고, 정전압 충전이 개시된 후 기준시간 t 시간 동안 충전 전류의 변화량을 가지고 전류곡선의 초기 기울기를 산출하고, 이 기울기를 SOC별로 실험을 통해 얻은 측정 데이터와 비교하여 정전압 충전을 시작한 시점에서의 SOC, 즉 충전초기 SOC를 구한다(STEP5).

여기서, 상기 측정 데이터는 동일 정전압이 충전되는 조건에서 실험을 통해 측정, 입력된 데이터로서, 동일 정전압 충전 개시 시점부터 동일 t 시간 동안 측정된 충전 전류량 변화 기울기와, 이 충전 전류량 변화 기울기에 따라 정의되는 충전 개시 시점의 SOC 데이터이다.

이후, 상기와 같이 구해진 충전초기 SOC를 기준으로 하기 식(2)에 따라 충전되는 전류량을 적산하여 현 시점의 SOC를 실시간으로 구하여 갱신을 하게 되는데, 이때 전류적산을 하는 시간은 정전압 충전 개시 시점을 '0'으로 하여 '현재시간'까지 적산을 하여 SOC를 갱신한다(STEP6).

(2)

이후, 상기 단계에서 구한 SOC를 가지고 미리 설정된 SOC 임계값, 예컨대 60% 이상시를 판단하는데(STEP7), 여기서 현재의 SOC가 60% 이상이 되면 정전압 충전을 정지하고(STEP8), 중지 시점의 SOC, 즉 SOC 60%를 기준으로 전류적산법을 수행한다.

즉, SOC 60%에서 그 이후의 배터리의 충/방전상태에 따라 충/방전되는 전류량을 적산하여 현재의 SOC를 갱신한다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 정전압을 충전하는 동안 그로부터 구해지는 충전량 전류곡선의 초기 기울기(기준시간 t 시간 동안의 기울기)를 이용하여 충전초기 충전상태를 추정한 뒤 리셋하고, 그 후로부터 전류량을 적산하여 현재의 충전상태를 추정 및 갱신하게 된다.

이러한 SOC 추정방법은 만충전과 같은 리셋 조건이 요구되지 않으므로 대용량 배터리가 장착된 전기 차량에 유용하게 적용될 수 있으며, 매번 정전압 충전시마다 SOC를 리셋할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 SOC 추정방법을 나타낸 순서도,

도 2는 리셋 알고리즘이 적용된 SOC 추정방법의 순서도,

도 3은 정전압 충전시 전류곡선,

도 4는 본 발명에서 정의되는 초기 충전 전류량 변화 기울기가 표시된 SOC별 충전량 전류곡선,

도 5는 본 발명에 따른 SOC 추정방법을 나타낸 순서도.

도 6은 OCV로부터 SOC를 추정하기 위한 맵의 예를 나타낸 도면.

Claims (4)

1. 전기 차량에서 배터리 충전상태(이하, SOC라 함)를 추정하는 방법에 있어서,

   (a) 시동 직후, 현재의 SOC가 충전이 필요한 SOC 임계값 이상이면, 시동 직후 측정된 오픈회로전압(OCV)을 토대로 초기 SOC를 추정하고, 이 초기 SOC를 기준으로 충전 또는 방전 전류량을 적산하여 현재의 SOC를 갱신하되,

   시동 직후, 현재의 SOC가 충전이 필요한 SOC 임계값 미만이면, 정전압으로 배터리를 충전하는 동시에 정전압 충전 개시 시점부터 미리 설정된 기준시간 t 동안의 충전 전류량을 모니터링하는 단계와;

   (b) 상기 기준시간 t 동안의 충전 전류량 변화 기울기와 미리 측정된 측정데이터를 비교하여, 정전압 충전 개시 시점의 SOC를 추정하는 단계와;

   (c) 추정된 정전압 충전 개시 시점의 SOC를 기준으로, 그 이후의 배터리 충전 전류량을 적산하여 현재의 SOC를 갱신하는 단계;

   (d) 상기 (c)단계에서 갱신된 현재의 SOC가 상기 (c)단계 이후에 미리 설정된 SOC 임계값 이상이 되면, 배터리의 정전압 충전을 중지하는 동시에 이 중지시점의 SOC를 기준으로 충전 또는 방전 전류량을 적산하여, 현재의 SOC를 갱신하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 배터리 충전상태 추정방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 측정 데이터는 상기 정전압 충전 조건과 동일한 조건하에서 미리 실험을 통해 얻은 SOC데이터로서, 정전압 충전 개시 시점부터 미리 설정된 t 시간 동안의 충전 전류량 변화 기울기에 따른 SOC를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 배터리 충전상태 추정방법.

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