KR101509745B1

KR101509745B1 - 공조장치 소비전력 산출방법

Info

Publication number: KR101509745B1
Application number: KR1020130156681A
Authority: KR
Inventors: 유재석; 현바로
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-04-07
Also published as: US20150170426A1; US9333861B2

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 공조장치 소비전력 산출방법은 공조장치의 과거 초기 온도 및 목표 온도 데이터를 자동 회귀 이동 평균(ARMA) 모델의 입력 변수로 사용하고, 공조장치의 과거 누적 소비전력 데이터를 자동 회귀 이동 평균 모델의 출력 변수로 사용하여 자동 회귀 이동 평균 모델의 파라미터를 연산하는 단계, 공조장치의 현재 목표 온도를 설정하는 단계, 공조장치가 설치되는 차량의 실내 온도를 검출하는 단계 및 자동 회귀 이동 평균 모델에 현재 목표 온도, 실내 온도 및 파라미터를 대입하여, 공조장치의 현재 누적 소비전력을 예측하는 단계를 포함한다.

Description

공조장치 소비전력 산출방법{METHOD FOR ESTIMATING POWER CONSUMPTION OF AIR CONDITIONER}

본 발명은 공조장치 소비전력 산출방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공조장치에 의해 소비되는 전력을 정확하게 산출할 수 공조장치 소비전력 산출방법에 관한 것이다.

지구의 환경오염 문제가 날로 심각해지고 있는 요즈음 무공해 에너지의 사용은 날로 중요성을 더해가고 있다. 특히, 대도시의 대기오염 문제는 날로 심각해지고 있는데, 차량의 배기가스는 그 주요원인 중의 하나이다.

이와 같은 상황에서 무공해 에너지인 전기를 동력원으로 사용하는 하이브리드 자동차(HEV, hybrid electric vehicles), 배터리 전기 자동차(BEV, battery electric vehicles) 또는 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(PHEV, plug-in hybrid electric vehicles)와 같은 전기 차량을 실용화하기 위한 연구가 근래 들어 활발하게 진행되고 있다.

전기 차량은 외부로부터 전기 에너지를 공급받아 이를 배터리에 충전한 후, 배터리에 충전된 전압으로 차륜과 결합된 모터를 통해 기계적 에너지인 동력을 얻는다.

따라서, 전기 차량에서는 현재의 배터리 온도와 배터리 충전 상태(SOC, state of charge) 등에 관한 배터리 상태를 확인하고, 이러한 배터리 상태가 일정한 수준 이상을 유지할 수 있도록 관리하는 것이 매우 중요하다.

이에 배터리에 대한 전반적인 상태를 총괄하여 관리하는 배터리 관리 시스템(BMS, battery management system)은 배터리 내구성 저하에 따른 수명 단축을 방지하는 한편, 총합제어를 수행하는 차량 제어기에 배터리의 SOC 정보를 알려줌으로써 배터리 상태를 고려한 차량 주행이 이루어질 수 있도록 보조한다.

그러므로, 고전압 배터리를 사용하는 전기 차량에서는 배터리 SOC를 파악하는 것이 매우 중요하며, 또한 주행 중에 배터리의 잔존 용량을 파악하여 운전자에게 알려주는 기술도 필요하다.

이와 관련하여, 내연기관 자동차에서 현재의 연료 상태로부터 주행 가능한 거리(DTE, distance to empty)를 예측하여 운전자에게 알려주는 것과 마찬가지로, 전기 차량에서도 현재의 배터리 에너지 상태로부터 주행가능거리(잔존주행거리)를 추정하여 클러스터 등에 표시하는 기능을 제공하고 있다.

종래기술에 따른 전기 차량의 주행가능거리 산출 방법으로는 고전압 배터리의 잔존 에너지인 SOC(%)와 차량의 거리당 에너지 소모 비율의 관계를 이용하여 주행가능거리를 추정하는 방법이 이용되고 있다.

이때, 주행가능거리를 산출함에 있어서, 과거 주행 사이클의 에너지 소모량을 반영해야 하고, 이때 배터리 총 소모량을 반영하여 연산하게 되는데, 배터리 총 소모량은 과거 주행 사이클에서 공조장치가 소모한 에너지를 포함하고 있으므로, 공조장치의 에너지 소모 부분이 배제된 정확한 주행가능거리를 산출하는 것이 불가하다.

따라서, 주행가능거리를 보다 정확하게 예측하기 위해서는 공조장치의 에너지 소모를 정확하게 예측하는 방법이 요구된다.

본 발명은 전술한 필요성을 충족하기 위해 제안되는 것으로서, 공조장치가 작동할 때, 공조장치에 의해 소비되는 전력을 정확하게 산출하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공조장치 소비전력 산출방법은 공조장치의 과거 초기 온도 및 목표 온도 데이터를 자동 회귀 이동 평균(ARMA) 모델의 입력 변수로 사용하고, 공조장치의 과거 누적 소비전력 데이터를 자동 회귀 이동 평균 모델의 출력 변수로 사용하여 자동 회귀 이동 평균 모델의 파라미터를 연산하는 단계, 공조장치의 현재 목표 온도를 설정하는 단계, 공조장치가 설치되는 차량의 실내 온도를 검출하는 단계 및 자동 회귀 이동 평균 모델에 현재 목표 온도, 실내 온도 및 파라미터를 대입하여, 공조장치의 현재 누적 소비전력을 예측하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 공조장치 소비전력 산출방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 공조장치의 소모전력을 정확하게 예측하여 전기 차량의 주행가능거리를 보다 정확하게 연산할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행가능거리 산출 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공조장치 소비전력 예측 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공조장치 소비전력 예측 방법에서 사용되는 과거 데이터의 시간에 따른 초기 온도 및 목표 온도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공조장치 소비전력 예측 방법에서 사용되는 과거 데이터의 시간에 따른 누적 소비전력을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공조장치 소비전력 예측 방법에 따라 예측된 시간에 따른 누적 소비전력 및 실제로 측정된 시간에 따른 누적 소비전력을 나타낸 그래프이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행가능거리 산출 방법을 나타내는 순서도이다. 도시된 바와 같이, 주행가능거리(DTE) 산출 방법은 과거 주행 평균 연비를 연산하는 단계(S1), 현재의 주행 연비를 연산하는 단계(S2), 과거 주행 평균 연비와 현재의 주행 연비를 블렌딩(blending)하여 최종의 연비를 연산하는 단계(S3), 및 상기 산출된 최종의 연비로부터 주행가능거리를 연산하는 단계(S4)을 포함하여 이루어진다.

이러한 본 발명에서, 상기한 산출 과정의 주체는 각 과정의 연산을 수행하는 연산블록과 저장수단을 갖는 제어기가 되며, 이때 최종 산출된 주행가능거리를 클러스터에 표시해야 하므로, 상기 제어기는 차량의 트립 컴퓨터이거나, 또는 주행가능거리를 산출하고 트립 컴퓨터에 전송하는 별도의 제어기가 될 수 있다.

또한 상기 제어기는 배터리 SOC 정보를 이용해야 하므로 배터리 관리 시스템으로부터 배터리 SOC 정보를 입력받도록 구비됨은 물론, 공조제어기로부터 공조장치의 온/오프 신호 및 작동상태 등의 정보를 입력도록 구비된다.

여기서, 과거 주행 평균 연비는 과거 주행 사이클(이전 충전 시부터 다음의 충천 시까지를 하나의 주행 사이클로 정의함)의 연비를 평균하여 산출하는데, 매 주행 사이클 종료 시(충전 시에 이전의 주행 사이클 종료)마다 연비(km/%)를 산출하여 저장한 후 저장된 사이클의 연비들을 평균하여 산출한다.

주행 사이클의 연비(km/%)는 '해당 주행 사이클의 누적 주행거리(km)/ΔSOC(%)'로 계산될 수 있다. 여기서, ΔSOC(%)는 이전 충전 직후 SOC(%)와 현재 충전 직전 SOC(%)의 차이 값일 수 있다.

또한, 최종 연비가 산출되면 이를 기반으로 주행가능거리를 산출하여 클러스터 등에 표시하는데, 이때 주행가능거리(DTE)(km)는 '최종 연비(km/%) × 현재의 SOC(%)'로 계산된다.

전기 차량의 주행가능거리를 산출함에 있어서 배터리 SOC가 필요하며, 특히 현재 주행 사이클의 연비를 산출할 때 사이클 동안의 배터리 총 소모량(상기 ΔSOC에 해당함)이 반영된다.

특히, 주행가능거리를 산출함에 있어서, 현재 주행 사이클의 에너지 소모량을 반영해야 하고, 이때 배터리 총 소모량을 반영하여 연산하게 되는데, 배터리 총 소모량은 현재 주행 사이클에서 공조장치가 소모한 에너지를 포함하고 있으므로, 공조장치의 에너지 소모 부분이 배제된 정확한 주행가능거리를 산출하여야 한다.

공조장치에서 소모되는 에너지는 운전자가 공조장치를 작동시켰을 때 공조장치에 의해 소모되는 전력으로, 냉방장치(에어컨 컴프레서 등)와 난방장치(전기히터, PTC 히터)가 소모하는 전력이 될 수 있다.

따라서, 본 발명은 자동 회귀 이동 평균(ARMA, autoregressive moving-average) 모델을 이용하여, 공조장치에서 소비되는 전력을 정확하게 예측할 수 있다.

자동 회귀 이동 평균 모델을 이용하여 공조장치의 구동에 따라 소모되는 전력을 정확하게 산출하는 방법에 대해서는, 이하, 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공조장치 소모전력 예측 방법을 나타내는 순서도이다. 먼저, 제어기는 과거 데이터로 자동 회귀 이동 평균 모델의 파라미터를 연산(S100)한다.

과거 데이터는 과거의 공조장치 구동 시, 차량 내의 초기 온도, 사용자가 설정한 목표 온도에 대한 데이터 및 공조장치 구동에 따라 소비되는 누적 소비전력에 대한 데이터를 포함할 수 있다.

제어기는 자동 회귀 이동 평균 모델의 입력 변수로 과거 데이터의 초기 온도 및 목표 온도를 사용하고, 출력 변수로 과거 데이터의 누적 소비전력을 사용할 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하여, 과거 데이터에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공조장치 소모전력 예측 방법에서 사용되는 과거 데이터의 시간에 따른 초기 온도 및 목표 온도를 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공조장치 소모전력 예측 방법에서 사용되는 과거 데이터의 시간에 따른 누적 소비전력을 나타낸 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 공조장치 구동에 의해, 시간에 따라 차량 내의 온도는 초기 온도(TPi)에서 목표 온도(TPk)로 변경될 수 있다. 이때, T3 시점에서 차량 내의 온도는 목표 온도(TPk)에 도달할 수 있다.

도 3의 그래프를 하기의 수학식 1로 표현할 수 있다.

이때, x는 온도, t는 시간, TPi는 초기 온도 및 TPk는 목표 온도일 수 있다.

그리고, 도 4에는 공조장치가 구동할 때, 시간에 따라 공조장치에 의해 소비되는 전력의 누적 값이 도시된다.

공조장치에서 소비되는 전력은 시간에 따라 그 값이 급격하게 변경될 수 있으므로, 자동 회귀 이동 평균 모델의 출력 변수로는 공조 장치의 누적 소비전력을 사용한다.

입력 변수 및 출력 변수를 사용하여 설계되는 자동 회귀 이동 평균 모델은 하기의 수학식 2로 나타낼 수 있다.

여기서, k-1은 1 delay고, k-2는 2 delay고, k-3은 3 delay를 나타낸다. a1, a2, a3, b1, b2 및 b3는 자동 회귀 이동 평균 모델의 파라미터일 수 있다. 수학식 2는 입력 변수와 출력 변수의 세 번째 delay까지 사용하는 자동 회귀 이동 평균 모델일 수 있다. 그러나, 자동 회귀 이동 평균 모델이 사용하는 입력 변수와 출력 변수의 delay 개수는 이에 제한되지 않는다.

자동 회귀 이동 평균 모델의 파라미터를 연산하기 위해, 상기의 수학식 2를 벡터 형식으로 나타내면 하기의 수학식 3과 같다.

그리고, 파라미터 행렬인 p행렬을 구하기 위해, 상기의 수학식 3을 하기의 수학식 4로 연산할 수 있다.

그러면, 제어기는 과거 데이터를 입/출력 변수로 사용하여 자동 회귀 이동 평균 모델을 설계할 수 있다.

다음으로, 제어기는 사용자의 조작 등에 의해 목표 온도를 설정(S110)한다. 그리고, 제어기는 차량 내부의 초기 온도를 검출(S120)한다.

그리고, 제어기는 설정된 목표 온도와 초기 온도를 입력 변수로 상기 파라미터 행렬을 이용하여 시간에 따른 공조장치의 누적 소비전력을 연산(S130)한다.

이때, 제어기에 의해 연산된 누적 소비전력과 실제 누적 소비전력의 오차에 대해서는 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공조장치 소모전력 예측 방법에 따라 예측된 시간에 따른 누적 소비전력 및 실제로 측정된 시간에 따른 누적 소비전력을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이, 그래프에 실선으로 표현된 실험에 의해 측정되는 누적 소비전력과, 점선으로 표현된 제어기에 의해 연산된 누적 소비전력은 7% 오차를 가진다.

따라서, 자동 회귀 이동 평균 모델을 이용한 공조 소비전력 산출방법으로 계산되는 공조 소비전력을 이용하여 차량주행거리를 정확하게 예측할 수 있다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims

제어기가 공조장치의 과거 초기 온도 및 목표 온도 데이터를 자동 회귀 이동 평균(ARMA, autoregressive moving-average) 모델의 입력 변수로 사용하고, 상기 공조장치의 과거 누적 소비전력 데이터를 상기 자동 회귀 이동 평균 모델의 출력 변수로 사용하여 상기 자동 회귀 이동 평균 모델의 파라미터를 연산하는 단계;
상기 제어기가 상기 공조장치의 도달하려는 제1 목표 온도를 설정하는 단계;
상기 제어기가 상기 공조장치가 설치되는 차량의 실내 온도를 검출하는 단계; 및
상기 제어기가 상기 자동 회귀 이동 평균 모델에 상기 제1 목표 온도, 상기 실내 온도 및 상기 파라미터를 대입하여, 상기 공조장치의 상기 차량의 실내 온도 검출 시점부터 상기 제1 목표 온도 도달 시점까지의 누적 소비전력을 예측하는 단계;
를 포함하는 공조장치 소비전력 산출방법.
제어기가 과거 주행 평균 연비를 연산하는 단계;
상기 제어기가 현재의 주행 연비를 산출하는 단계;
상기 제어기가 상기 과거 주행 평균 연비와 현재의 주행 연비를 블렌딩하는 단계;
상기 제어기가 제1 항의 공조장치 소비전력 산출방법에 따라 연산된 공조장치 소모 전력에 상응하는 연비를 산출하는 단계;
상기 제어기가 상기 블렌딩하여 얻은 주행 연비에 상기 공조장치 소모 전력에 상응하는 연비를 반영한 최종의 연비를 산출하는 단계; 및
상기 제어기가 상기 최종의 연비로부터 주행가능거리를 연산하는 단계;
를 포함하는 전기 차량의 주행가능거리 산출 방법.