KR101394867B1 - 친환경 차량의 주행가능거리 산출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리의 가용에너지를 연산하고, 이를 이용하여 주행가능거리를 보다 정확하게 산출할 수 있도록 한 가용에너지 기반의 친환경 차량의 주행가능거리 산출 시스템 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 기존에 배터리 SOC만을 기반으로 주행가능거리를 연산하던 방식을 탈피하고, 배터리 SOC 대 OCV 테이블과, 배터리 온도 대 에너지 효율과, 에너지 효율 대 에너지 테이블 등을 이용하여 배터리로부터 공급되는 가용에너지를 연산하여, 가용에너지를 기반으로 주행가능거리를 연산하는 방식을 채택함으로써, 외란요소인 배터리 온도가 고려됨에 따라 주행가능거리를 보다 정확하게 산출할 수 있도록 한 친환경 차량의 주행가능거리 산출 시스템 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

친환경 차량의 주행가능거리 산출 방법{Method for DTE computation of green car}

본 발명은 친환경 차량의 주행가능거리 산출 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리의 가용에너지를 연산하고, 이를 이용하여 주행가능거리를 보다 정확하게 산출할 수 있도록 한 가용에너지 기반의 친환경 차량의 주행가능거리 산출 방법에 관한 것이다.

친환경 차량은 배기가스 등을 배출하지 않는 미래형 차량으로서, 모터 동력을 이용하여 주행하는 순수 전기자동차, 모터 및 엔진의 동력을 조합하여 주행하는 하이브리드 차량, 연료전지에서 생성된 전기를 이용한 모터 동력으로 주행하는 연료전지 차량 등을 포함한다.

이러한 친환경 차량에는 모터 및 컨버터 등를 구동하는 전기 동력원으로 고전압 배터리가 탑재되며, 이 배터리의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하여 배터리의 충전상태량(SOC[%](State of Charge))을 비롯한 배터리 온도 및 열화 정도를 추정하여, 배터리의 현상태를 전기 공급을 위한 양호한 수준으로 유지해야 한다.

따라서, 친환경 차량에는 일종의 제어기인 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)이 탑재되어, 배터리에 대한 제반적인 상태를 총괄하여 관리하고, 배터리 내구성 저하에 따른 수명 단축을 방지하는 한편, 배터리의 SOC를 추정하는 등의 역할을 한다.

이렇게, 고전압 배터리를 사용하는 친환경 차량에서는 배터리 SOC를 파악하는 것도 매우 중요하며, 특히 주행 중에 배터리 SOC 등을 파악하여 클러스터를 매개로 주행가능거리(DTE, Driving to Empty)를 운전자에게 알려주는 기술이 필요하다.

대체로, 가솔린 및 디젤 차량은 연료탱크내의 연료량을 센서 등을 이용하여 측정하고, 연료 잔여량을 누적연비에 승산하는 등의 방법을 통하여, 현재로부터의 주행가능거리를 예측하는 방안이 적용되고 있지만, 친환경 차량의 경우에는 단위 시간 당 사용되는 배터리의 방전 전류량을 측정하고, 이를 통해 현재의 배터리 SOC를 추정하는 방식 등을 통하여 주행가능거리를 예측하는 방법이 적용되고 있다.

여기서, 친환경 차량의 주행가능거리(DTE, Driving to Empty)를 연산하는 종래의 방법을 첨부한 도 1 및 도 2를 참조로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, SOC 연산부(10)에서 현재의 SOC를 추정하는 단계가 선행된다.

현재의 SOC 추정 단계는 단위 시간 당 사용되는 배터리의 방전 전류량을 측정하여 적산하는 과정과, 전류적산 데이터에 외란요소(배터리 온도, 열화) 데이터 및 전압 보상을 위한 배터리의 개방회로전압(OCV: Open Circuit Votage)을 가감하여 SOC를 보정하는 과정을 통하여 이루어진다.

다음으로, DTE 연산부(40)에서 추정된 SOC를 기반으로 현재의 주행가능거리를 연산하는 단계가 진행된다.

이때, 상기와 같이 추정된 SOC와, 연산된 주행가능거리는 메모리부(60)에 저장된다.

따라서, 추정된 SOC를 기반으로 계산된 주행가능거리에 학습 로직에 의한 주행가능거리 초기값을 가감해주는 방식으로 현재의 주행가능거리가 최종 연산된 후, 운전자가 볼 수 있도록 클러스터 표시부(50)에 표시된다.

그러나, 주행가능거리를 연산함에 있어서, 외란요소 중 배터리의 온도를 고려하지 않음에 따라, 동절기 실내 주차상태에서 시동을 걸고 옥외로 나가거나 옥외에 주차를 하는 경우에 외부온도가 낮아진 상태이므로, 배터리 온도도 낮아지게 되어 주행가능거리가 정확하게 연산 표시되지 않고 과대 표시되는 단점이 있고, 또한 장거리 주행시 낮은 SOC에서 급격하게 주행가능거리가 줄어드는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기존에 배터리 SOC만을 기반으로 주행가능거리를 연산하던 방식을 탈피하고, 배터리 SOC 대 OCV 테이블과, 배터리 온도 대 에너지 효율과, 에너지 효율 대 에너지 테이블 등을 이용하여 배터리로부터 공급되는 가용에너지를 연산하여, 가용에너지를 기반으로 주행가능거리를 연산하는 방식을 채택함으로써, 외란요소인 배터리 온도가 고려됨에 따라 주행가능거리를 보다 정확하게 산출할 수 있도록 한 친환경 차량의 주행가능거리 산출 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 배터리 에너지 효율(η)과, 에너지 효율 대 에너지 테이블로부터 추출된 SOC 100%에서의 가용에너지(E_{@SOC = 100%})와, 실시간 SOC(%) 정보를 기반으로, 현재의 배터리 가용에너지를 연산하는 단계와; 연산된 가용에너지를 기반으로 주행가능거리를 산출하는 단계와; 산출된 주행가능거리를 클러스터에 표시하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 주행가능거리 산출 방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 배터리 에너지 효율(η)은: 배터리의 방전에 따른 부하 상태에서, SOC를 추정하는 단계와; 배터리 SOC 대 OCV 테이블로부터 추정된 현재의 SOC와 일치하는 개방회로전압 및 전류를 추출하는 단계와; 추출된 개방회로전압 및 전류를

에 대입하여 배터리 에너지 효율을 계산하는 단계; 를 통하여 산출되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 SOC 추정 단계에서 추정된 현재의 SOC는 가용에너지 산출시 사용되도록 SOC 메모리에 저장되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 다른 구현예에 따르면, 상기 배터리 에너지 효율은: 배터리 방전이 없는 무부하 상태에서, 배터리 온도를 측정하는 단계와; 측정된 배터리 온도를 배터리 온도 대 에너지 효율 테이블에 대입하여, 계측된 배터리 온도와 일치하는 에너지 효율을 추출하는 단계; 를 통하여 산출되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 가용에너지는: 배터리 에너지 효율을 에너지 효율 대 에너지 테이블에 대입하여, SOC 100%에서의 가용에너지(E_{@SOC = 100%})를 추출하는 단계와; 배터리 에너지 효율(η)과, 추출된 SOC 100%에서의 가용에너지(E_{@SOC = 100%})와, SOC 메모리로부터 추출된 SOC(%) 정보를

에 대입하여 가용에너지를 계산하는 단계; 를 통하여 산출되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주행가능거리는 전비(km/kwh)와 가용에너지의 곱으로 산출되는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 배터리 SOC 대 OCV 테이블과, 배터리 온도 대 에너지 효율과, 에너지 효율 대 에너지 테이블 등을 이용하여 배터리로부터 공급되는 가용에너지를 연산하고, 이 가용에너지를 기반으로 주행가능거리를 연산하는 방식을 채택함으로써, 외란요소인 배터리 온도 등이 고려됨에 따라 동절기시에도 주행가능거리를 정확하게 산출하여 클러스터에 표시할 수 있다.

따라서, 기존에 외란요소 중 배터리의 온도를 고려하지 않고 배터리 SOC만을 기반으로 주행가능거리를 연산함에 따라, 특히 동절기시 실내 및 실외에 따른 온도 차이로 인해 배터리 온도가 변화하여, 주행가능거리가 정확하게 연산되지 않던 문제점을 해결할 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 친환경 차량의 주행가능거리 산출 방법을 설명하는 제어도 및 순서도,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 친환경 차량의 주행가능거리 산출 방법을 설명하는 제어도 및 순서도,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 친환경 차량의 주행가능거리를 산출할 때 사용되는 가용에너지의 정의 및 그 연산 과정을 설명하는 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 친환경 차량의 주행가능거리 산출 방법을 구체적으로 설명하는 상세 제어도
도 8은 본 발명에 따른 친환경 차량의 주행가능거리를 산출할 때 사용되는 에너지 효율 대 온도 테이블을 설명하는 도면.

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

본 발명은 배터리의 가용에너지를 기반으로 주행가능거리를 연산하는 방식을 채택하여, 외란요소인 배터리 온도가 고려됨에 따라 주행가능거리를 보다 정확하게 산출할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 배터리의 가용에너지에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

상기 가용에너지는 배터리온도, 열화, SOC 등을 변수 인자로 하는 함수(function)로 표현되는 것으로서, 도 5에 도시된 바와 같이 배터리로부터 공급되는 가용에너지는 배터리 온도에 따라 달라짐을 알 수 있고, 배터리 온도가 올라갈수록 배터리가 가지고 있는 에너지효율이 증가하여 가용에너지도 증가하는 것을 알 수 있다.

이때, 상기 에너지 효율은 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.

위의 수학식 1에서, i는 전류, Vt는 배터리 단자전압, Ve는 배터리의 개방회로전압을 나타내고, 또한

및

는 배터리 충전 및 방전 에너지(이하, 충방전 에너지라 칭함),

는 배터리 충전 및 방전시 발생되는 열손실 에너지를 나타낸다.

여기서, 첨부한 도 3 내지 도 8을 참조로 하여, 위와 같은 배터리의 에너지 효율을 기반으로 가용에너지를 연산한 후, 주행가능거리를 산출하는 일련의 과정을 배터리 부하 및 무부하 상태로 구분하여 순서대로 설명하면 다음과 같다.

배터리 부하 상태

차량의 시동 온 후, 배터리의 방전이 이루어지는 부하 상태가 되면, 먼저 SOC 연산부(10)에서 현재의 SOC를 추정하는 단계가 선행된다.

현재의 SOC 추정 단계는 단위 시간 당 사용되는 배터리의 방전 전류량을 측정하여 적산하는 과정과, 전압 보상을 위한 배터리의 개방회로전압(OCV: Open Circuit Votage)을 가감하여 SOC를 보정하는 과정을 통하여 이루어진다.

다음으로, 추정된 현재의 SOC를 OCV 연산부(20)의 맵 테이블 즉, 시험을 통해 맵 데이타화된 배터리 SOC 대 OCV 테이블에 대입하여, 추정된 현재의 SOC와 일치하는 OCV 테이블의 개방회로전압이 추출된다.

이때, 추정된 현재의 SOC는 SOC 메모리(60)에 저장되어 가용에너지 산출시 추출되도록 한다.

다음으로, 가용에너지 연산부(30)에서 배터리의 가용에너지를 연산하는 단계가 진행되는 바, 이를 위한 선행 단계로서 배터리의 에너지 효율을 산출하는 과정이 진행된다.

즉, 배터리 SOC 대 OCV 테이블로부터 현재의 SOC와 일치하는 개방회로전압과 전류가 추출되어 가용에너지 연산부(30)로 입력되면, 상기의 수학식 1에 의하여 배터리 에너지 효율이 산출된다.

이어서, 위와 같이 산출된 배터리 에너지 효율을 시험을 통해 맵 데이타화시킨 에너지 효율 대 에너지 테이블에 대입하여, SOC가 100%일 때의 배터리 에너지(E_{@SOC = 100%})를 추출한 후, 가용에너지를 연산하는 단계가 진행된다.

첨부한 도 6은 1C-rate(1시간동안 사용할 수 있는 배터리 용량)에서의 배터리 온도 및 SOC별 가용에너지를 나타내며, 배터리 온도에 따라 에너지효율 및 가용에너지가 달라짐을 알 수 있다.

예를 들어, 도 6의 (b)도면에서 보듯이 배터리 온도가 25 ℃일때와 -30 ℃일때 에너지 효율 대비 가용에너지가 달라짐을 알 수 있고, 또한 도 6의 (a) 도면에서 보듯이 온도별(25 ℃, 10 ℃, -10 ℃, -30 ℃)별로 에너지 효율 및 이에 대응되는 SOC 100%에서의 가용에너지를 추출할 수 있으므로, 도 6의 (c)에 도시된 그래프와 같은 방식으로 에너지 효율 대 에너지 테이블을 맵 데이타화시킬 수 있다.

따라서, 상기와 같이 수학식 1에 의하여 산출된 배터리 에너지 효율을 에너지 효율 대 에너지 테이블에 대입하면, SOC 100%에서의 가용에너지(E_{@SOC = 100%})를 추출할 수 있다.

이어서, 상기의 수학식 1에 의하여 배터리 에너지 효율(η)과, 에너지 효율 대 에너지 테이블로부터 추출된 SOC 100%에서의 가용에너지(E_{@SOC = 100%})와, 상기 SOC메모리로부터 추출된 실시간 SOC(%) 정보를 기반으로, 현재의 배터리 가용에너지를 아래의 수학식 2를 이용하여 산출할 수 있다.

다음으로, DTE 연산부(40)에서 위와 같이 산출된 배터리 가용에너지를 기반으로 주행가능거리를 연산하는 단계가 진행된다.

상기 주행가능거리(DTE)는 전비(km/kwh)와 가용에너지의 곱으로 구해지며, 전비는 아래의 수학식 3에 의하여 산출된 것이다.

위의 수학식 3에서, A, B, C는 조정 가능한 가중치(계수)이다.

최종적으로, 전비(km/kwh)와 가용에너지의 곱으로 구해진 주행가능거리가 운전자 확인이 가능하도록 클러스터(cluster) 표시부(50)에 표시된다.

한편, 상기와 같이 연산된 주행가능거리를 비롯하여 연산시 사용된 인자 즉, 실시간 SOC, 가용에너지 등은 메모리부에 저장된 후, 추후 차량 시동 온(IG ON)후의 무부하상태 초기값으로 활용된다.

배터리 무부하 상태

차량의 시동 온 후, 배터리의 방전이 이루어지지 않는 무부하 상태가 되면, 부하상태에서 추정되어 SOC 메모리에 저장된 SOC값을 SOC 초기값으로 활용한다.

다음으로, 배터리 온도에 따른 배터리의 에너지 효율을 산출하는 과정이 진행된다.

첨부한 도 7에 도시된 바와 같이, 배터리 온도가 낮아질수록 에너지 효율도 익스포넨셜(exponential)하게 떨어지고, 배터리 온도가 높아질수록 에너지 효율도 익스포넨셜하게 증가하는 점을 감안하여, 시험을 통해 배터리 온도 대 에너지 효율에 대한 맵 테이블 데이타를 구축할 수 있다.

이에, 온도센서 등으로부터 계측된 배터리 온도를 배터리 온도 대 에너지 효율 테이블에 대입하면, 계측된 배터리 온도와 일치하는 에너지 효율이 추출된다.

다음으로, 추출된 배터리 에너지 효율을 시험을 통해 맵 데이타화시킨 가용에너지 연산부(30)의 에너지 효율 대 에너지 테이블에 대입하여, SOC가 100%일 때의 배터리 에너지(E_{@SOC = 100%})를 추출한 후, 가용에너지를 연산하는 단계가 상기한 배터리 부하상태와 동일하게 진행된다.

이어서, 배터리 온도 대 에너지 효율 테이블로부터 추출된 배터리 에너지 효율(η)과, 에너지 효율 대 에너지 테이블로부터 추출된 SOC 100%에서의 가용에너지(E_{@SOC = 100%})와, 상기 부하상태에서 SOC 메모리에 저장된 SOC(%) 초기값 정보를 현재의 배터리 가용에너지를 상기의 수학식 2를 이용하여 산출할 수 있다.

다음으로, DTE 연산부(40)에서 위와 같이 산출된 배터리 가용에너지를 기반으로 주행가능거리를 연산하는 단계가 상기한 배터리 부하상태와 동일하게 진행되므로, 그 설명은 생략하기로 한다.

최종적으로, 배터리 무부하 상태에서도 전비(km/kwh)와 가용에너지의 곱으로 구해진 주행가능거리가 운전자 확인이 가능하도록 클러스터(cluster) 표시부(50)에 표시된다.

이와 같이, 배터리로부터 공급되는 가용에너지를 연산하고, 이 가용에너지를 기반으로 주행가능거리를 연산하는 방식을 채택함으로써, 외란요소인 배터리 온도가 고려됨에 따라 동절기 등에도 주행가능거리를 보다 정확하게 산출하여 표시할 수 있다.

10 : SOC 연산부
20 : OCV 연산부
30 : 가용에너지 연산부
40 : DTE 연산부
50 : 클러스터 표시부
60 : 메모리부

Claims (6)

1. 배터리가 부하 상태인지 무부하 상태인지 감지되는 단계;
   상기 배터리가 부하 상태이면, 배터리의 방전에 따른 부하 상태에서 SOC가 추정되는 단계;
   배터리 SOC 대 OCV 테이블로부터 추정된 현재의 SOC와 일치하는 개방회로전압 및 전류가 추출되는 단계;
   추출된 개방회로전압 및 전류를

   

   에 대입함으로써, 배터리 에너지 효율(η)이 계산되는 단계;
   상기 배터리 에너지 효율을 에너지 효율 대 에너지 테이블에 대입하여, SOC 100%에서의 가용에너지(E_{@SOC = 100%})를 추출되는 단계;
   상기 배터리 에너지 효율과, 추출된 SOC 100%에서의 가용에너지(E_{@SOC = 100%})와, SOC 메모리로부터 추출된 SOC(%) 정보를

   

   에 대입하여 가용에너지가 계산되는 단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 주행가능거리 산출 방법.
   
2. 배터리가 부하 상태인지 무부하 상태인지 감지되는 단계;
   상기 배터리가 무부하 상태이면, 배터리의 온도가 측정되는 단계;
   측정된 배터리 온도를 배터리 온도 대 에너지 효율 테이블에 대입하여, 계측된 배터리 온도와 일치하는 에너지 효율이 추출되는 단계;
   상기 에너지 효율을 에너지 효율 대 에너지 테이블에 대입하여 SOC 100%에서의 가용에너지(E_{@SOC = 100%})를 추출되는 단계;
   상기 추출된 SOC 100%에서의 가용에너지(E_{@SOC = 100%})와, SOC 메모리로부터 추출된 SOC(%) 정보를

   

   에 대입하여 가용에너지가 계산되는 단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 주행가능거리 산출 방법.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가용에너지를 기반으로 주행가능거리가 산출되는 단계;
   산출된 주행가능거리가 클러스터에 표시되는 단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 주행가능거리 산출 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 SOC 추정 단계에서 추정된 현재의 SOC는 가용에너지 산출시 사용되도록 SOC 메모리에 저장되는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 주행가능거리 산출 방법.
   
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 주행가능거리는 전비(km/kwh)와 가용에너지의 곱으로 산출되는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 주행가능거리 산출 방법.
   
   
6. 삭제

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