KR101558780B1 - 배터리 잔존에너지 추정방법 - Google Patents

Abstract

배터리의 무부하에너지를 산출하는 무부하산출단계; 산출된 무부하에너지에 내부저항 및 분극에 의한 예상소모에너지를 반영하여 추정에너지를 산출하는 추정산출단계; 및 추정된 단자전압과 현재 측정된 단자전압의 차이에 비례하는 보정치를 산출하고, 추정에너지에 보정치를 반영하여 잔존에너지를 산출하는 잔존산출단계;를 포함하는 배터리 잔존에너지 추정방법이 소개된다.

Description

배터리 잔존에너지 추정방법 {METHOD FOR ESTIMATING RESIDUAL ENERGY OF BATTERY}

본 발명은 하이브리드차량 또는 전기자동차 등의 친환경 차량에서 사용되는 고전압배터리의 잔존에너지를 정확하고 빠르게 추정하여 사용자에게 차량의 연비나 잔여 주행거리를 확실히 알려줄 수 있도록 하는 배터리 잔존에너지 추정방법에 관한 것이다.

하이브리드 차량, 전지자동차, 연료전지차량 등의 친환경 차량에서는 적절한 시점에 배터리를 충전하기 위해서 배터리로 주행가능한 거리를 예측하여 운전자에게 알려주는 기술이 필요하고, 이를 위해서는 현재 배터리의 잔량이 얼마인지 정확히 알려줄 수 있는 잔존 에너지 추정이 선행되어야 한다.

배터리의 잔존 에너지는 동일한 초기 배터리 상태라도 사용조건(SOC, 배터리 열화도, 사용 전류, 온도 변화)에 따라 그 값이 변화하므로 운전자의 성향, 교통 환경 등 주행구간의 교통 및 지리 정보가 없다면 예측하는 것이 불가능한 요소가 포함되어 있는 것이 현실이다.

종래의 경우, 배터리의 잔존 에너지를 예측하기 위하여 다양한 온도/SOC 조건 및 열화도 하에서 각 전류별로 많은 양의 시험이 필요한 방법들이 제시되었고, 이는 현실적으로 불가능하다는 문제를 안고 있었다.

예를 들어, 배터리 동작 온도는 -30℃~ 50℃에서 동작하고, SOC는 5% ~ 90%에서 동작하며,전류 또한 -300A ~ 300A 구간에서 동작한다.

따라서, 이를 경우의 수로 하여 모든 시험한다고 가정하면, 필요한 시험은 567 항목(온도 10℃, SOC 10%, 전류 100A 단위 시)에 다다르고, 전체적으로는 천문학적인 시험 숫자가 필요하다는 결론을 얻게 된다.

그리고, 위와 같이 많은 양의 시험을 수행하여도 실제 차량의 주행 조건을 예측하는 것은 불가능하므로 잔존에너지 추정이 부정확하게 되는 문제가 있었다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2010-0063343 A

본 발명은 하이브리드차량 또는 전기자동차 등의 친환경 차량에서 사용되는 고전압배터리의 잔존에너지를 정확하고 빠르게 추정하여 사용자에게 차량의 연비나 잔여 주행거리를 확실히 알려줄 수 있도록 하는 배터리 잔존에너지 추정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 잔존에너지 추정방법은, 배터리의 무부하에너지를 산출하는 무부하산출단계; 산출된 무부하에너지에 내부저항 및 분극에 의한 예상소모에너지를 반영하여 추정에너지를 산출하는 추정산출단계; 및 추정된 단자전압과 현재 측정된 단자전압의 차이에 비례하는 보정치를 산출하고, 추정에너지에 보정치를 반영하여 잔존에너지를 산출하는 잔존산출단계;를 포함한다.

무부하산출단계에서는 배터리의 SOC와 온도를 입력으로 하고 무부하에너지를 출력으로 하는 맵데이터를 통해 배터리의 무부하에너지를 산출할 수 있다.

추정산출단계에서, 내부저항에 의한 예상소모에너지는 평균내부저항, 예상전류, 배터리용량을 곱하여 산출할 수 있다.

평균내부저항은 예상온도에 따른 함수에서 도출하고, 배터리용량은 SOC에 따른 함수에서 도출할 수 있다.

추정산출단계에서, 분극에 의한 예상소모에너지는 평균분극전압과 배터리용량을 곱하여 산출할 수 있다.

평균분극전압은 예상온도에 따른 함수에서 도출하고, 배터리용량은 SOC에 따른 함수에서 도출할 수 있다.

잔존산출단계에서, 보정치는 추정된 단자전압과 현재 측정된 단자전압의 차이에 배터리용량을 곱하여 산출할 수 있다.

추정된 단자전압은 기전력, 내부저항과 전류를 곱한값, 분극전압을 합하여 도출할 수 있다.

기전력은 SOC와 온도에 따른 함수에서 도출할 수 있다.

내부저항은 SOC와 예상온도에 따른 함수에서 도출할 수 있다.

분극전압은 SOC, 온도, 전류에 따른 함수에서 도출할 수 있다.

본 발명의 배터리 잔존에너지 추정방법은, 배터리의 무부하에너지를 산출하고, 산출된 무부하에너지에 내부저항 및 분극에 의한 예상소모에너지를 반영하여 추정에너지를 산출하며, 추정된 단자전압과 현재 측정된 단자전압의 차이에 비례하는 보정치를 산출하고, 추정에너지에 보정치를 반영하여 잔존에너지를 산출한다.

본 발명의 배터리 잔존에너지 추정방법은, 아래의 식에 의해 배터리의 잔존에너지를 추정한다.

상술한 바와 같은 배터리 잔존에너지 추정방법에 따르면, 하이브리드차량 또는 전기자동차 등의 친환경 차량에서 사용되는 고전압배터리의 잔존에너지를 정확하고 빠르게 추정하여 사용자에게 차량의 연비나 잔여 주행거리를 확실히 알려줄 수 있도록 한다.

실시간으로 변화하는 배터리 사용 조건을 예상하여 잔존 에너지를 추정하고 이를 현재값과 비교를 통하여 보정하므로 정확도가 향상되고, 배터리 모델을 통하여 많은 양의 시험을 배제함으로써 개발비 및 개발 시간이 단축된다.

또한, 주행가능거리 예측 정확도 향상을 통하여 친환경 차량의 상품성을 강화할 수 있고, 잔존 에너지 추정값을 참조하는 주행가능거리 예측 정확도가 향상된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 잔존에너지 추정방법의 블록도.
도 2는 온도와 SOC별 배터리의 방전에너지를 나타낸 그래프.
도 3은 온도와 SOC별 배터리의 내부저항을 나타낸 그래프.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 잔존에너지 추정방법의 블록도이고, 도 2는 온도와 SOC별 배터리의 방전에너지를 나타낸 그래프이며, 도 3은 온도와 SOC별 배터리의 내부저항을 나타낸 그래프이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 잔존에너지 추정방법의 블록도로서, 본 발명에 따른 배터리 잔존에너지 추정방법은, 배터리의 무부하에너지를 산출하는 무부하산출단계; 산출된 무부하에너지에 내부저항 및 분극에 의한 예상소모에너지를 반영하여 추정에너지를 산출하는 추정산출단계; 및 추정된 단자전압과 현재 측정된 단자전압의 차이에 비례하는 보정치를 산출하고, 추정에너지에 보정치를 반영하여 잔존에너지를 산출하는 잔존산출단계;를 포함한다.

본 발명의 경우 ① 무부하 에너지 연산 단계에서 저전류 방전 시험 및 배터리 모델을 통하여 추출된 SOC 별 무부하 방전 에너지 테이블을 참조하고, ② 평균 사용 조건 예상 단계에서 주행 시 배터리의 전류, 온도 데이터를 수신하여 평균 예상 사용 조건을 결정하고, ③ 사용 조건에 따른 소모 에너지 연산 단계에서 ② 단계에서 결정된 예상 사용 조건과 배터리 모델을 이용하여 예상 소모 에너지 연산을 수행한 후 ④ 보정량 연산 단계에서 배터리 단자전압을 수신하여 ③단계에서 추정한 모델 전압과 비교 후 그 차이를 현재 온도, SOC에 따라 반영하여 에너지를 보정하고, ⑤ 잔존 에너지 출력 단계에서 보정된 잔존 에너지를 최종적으로 출력하는 과정을 거친다.

구체적으로, 무부하산출단계에서는 배터리의 SOC와 온도를 입력으로 하고 무부하에너지를 출력으로 하는 맵데이터를 통해 배터리의 무부하에너지를 산출할 수 있다.

도 2는 온도와 SOC별 배터리의 방전에너지를 나타낸 그래프로서, 가로축은 SOC를 나타내고, 세로축은 1 C-rate의 방전시험에 따른 방전에너지를 나타낸다. 이 그래프의 경향을 유심히 보면, 특정 온도 하나만 놓고 보면 방전에너지는 SOC에 따라 선형적으로 변화됨을 알 수 있다. 그러나 방전에너지는 특정 SOC에서 보면 그 경향이 온도에는 선형적이지 않음을 알 수 있다. 따라서, 배터리의 무부하에너지는 단순 수식에 의한 계산이 불가하고, SOC와 온도를 입력으로 하는 데이터맵을 통해 도출될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 무부하에너지의 데이터맵의 경우 특정 SOC와 온도에서의 OCV(open circuit voltage)와 1 C-rate값을 곱하고, 이를 적산하여 산출함으로써 마련할 수 있다. 그리고 입력되는 SOC는 현재의 배터리SOC를 사용하고, 온도는 예상온도를 사용하도록 한다. 예상온도는 현재 배터리의 온도가 될 수도 있으며, 누적된 배터리의 온도를 평균하여 사용하거나, 차량의 상태에 따라 맵데이터를 통해 도출하는 것도 가능하다.

한편, 산출된 무부하에너지에 내부저항 및 분극에 의한 예상소모에너지를 반영하여 추정에너지를 산출하는 추정산출단계를 수행한다. 구체적으로, 내부저항에 의한 예상소모에너지는 평균내부저항, 예상전류, 배터리용량을 곱하여 산출할 수 있다. 그리고, 평균내부저항은 예상온도에 따른 함수에서 도출하고, 배터리용량은 SOC에 따른 함수에서 도출할 수 있다. 상기 함수는 데이터맵이나 간단한 수식 등으로 구성될 수 있다.

도 3은 온도와 SOC별 배터리의 내부저항을 나타낸 그래프로서, 가로축은 SOC를 나타내고 세로축은 방전저항을 나타낸다. 그래프의 경향을 살펴보면, 방전저항은 SOC에 따라 상이하고, 온도에는 비선형적인 관계를 갖고 있음을 알 수 있다. 따라서, 평균내부저항은 온도에 따라 선택된 평균적인 실험값을 사용하도록 할 수 있다.

또한, 분극에 의한 예상소모에너지는 평균분극전압과 배터리용량을 곱하여 산출할 수 있다. 그리고, 평균분극전압은 예상온도에 따른 함수에서 도출하고, 배터리용량은 SOC에 따른 함수에서 도출할 수 있다.

예상소모에너지는 다음과 같은 원리에 의해 도출된다.

여기서, ts는 사용시점, te는 에너지가 0인 시점, R_i는 내부저항, soc는 현재SOC, SOC는 예상SOC, T는 예상온도, R_iavg는 ts~te동안 평균내부저항, V_pavg는 ts~te동안 평균분극전압, Cap(SOC)는 배터리용량, I는 예상전류를 의미한다.

예상온도, 예상전류 등의 예상 값들은 앞서 언급한 것과 같이 데이터맵이나 간단한 수식 등을 통하여 종래의 주행상태에 따라 앞으로의 예상 값을 예상하거나 현재의 차량 상태에 따라 선택하여 사용할 수 있도록 한다.

그 후, 추정된 단자전압과 현재 측정된 단자전압의 차이에 비례하는 보정치를 산출하고, 추정에너지에 보정치를 반영하여 잔존에너지를 산출하는 잔존산출단계를 수행한다.

잔존산출단계에서, 보정치는 추정된 단자전압과 현재 측정된 단자전압의 차이에 배터리용량을 곱하여 산출할 수 있다. 그리고, 추정된 단자전압은 기전력, 내부저항과 전류를 곱한값, 분극전압을 합하여 도출할 수 있다.

여기서, 기전력은 SOC와 온도에 따른 함수에서 도출할 수 있다. 또한 내부저항은 SOC와 예상온도에 따른 함수에서 도출할 수 있다. 또한 분극전압은 SOC, 온도, 전류에 따른 함수에서 도출할 수 있다.

요약하면, 본 발명의 배터리 잔존에너지 추정방법은, 배터리의 무부하에너지를 산출하고, 산출된 무부하에너지에 내부저항 및 분극에 의한 예상소모에너지를 반영하여 추정에너지를 산출하며, 추정된 단자전압과 현재 측정된 단자전압의 차이에 비례하는 보정치를 산출하고, 추정에너지에 보정치를 반영하여 잔존에너지를 산출한다.

단자전압의 추정치는 아래의 수식으로 도출할 수 있다.

결론적으로, 본 발명의 배터리 잔존에너지 추정방법은, 아래의 식으로 표현될 수 있다.

상기 식에서 살펴보면, 우선 현재의 SOC와 예상되는 온도를 대입하여 무부하에너지를 데이터맵에서 도출한다. 그리고, 내부저항과 분극전압의 영향을 예상 온도와 전류에 따라 도출하여 에너지에 산입하되, 특히 현재의 단자전압과 예상되는 단자전압의 차이를 보정치로 반영함으로써 비교적 정확한 배터리 잔존에너지를 추정할 수 있다는 장점이 있다.

상술한 바와 같은 배터리 잔존에너지 추정방법에 따르면, 하이브리드차량 또는 전기자동차 등의 친환경 차량에서 사용되는 고전압배터리의 잔존에너지를 정확하고 빠르게 추정하여 사용자에게 차량의 연비나 잔여 주행거리를 확실히 알려줄 수 있도록 한다.

실시간으로 변화하는 배터리 사용 조건을 예상하여 잔존 에너지를 추정하고 이를 현재값과 비교를 통하여 보정하므로 정확도가 향상되고, 배터리 모델을 통하여 많은 양의 시험을 배제함으로써 개발비 및 개발 시간이 단축된다.

또한, 주행가능거리 예측 정확도 향상을 통하여 친환경 차량의 상품성을 강화할 수 있고, 잔존 에너지 추정값을 참조하는 주행가능거리 예측 정확도가 향상된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (13)

1. 배터리의 무부하에너지를 산출하는 무부하산출단계;
   산출된 무부하에너지에 내부저항 및 분극에 의한 예상소모에너지를 반영하여 추정에너지를 산출하는 추정산출단계; 및
   추정된 단자전압과 현재 측정된 단자전압의 차이에 비례하는 보정치를 산출하고, 추정에너지에 보정치를 반영하여 잔존에너지를 산출하는 잔존산출단계;를 포함하고,
   무부하산출단계에서는 배터리의 SOC와 온도를 입력으로 하고 무부하에너지를 출력으로 하는 맵데이터를 통해 배터리의 무부하에너지를 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존에너지 추정방법.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   추정산출단계에서, 내부저항에 의한 예상소모에너지는 평균내부저항, 예상전류, 배터리용량을 곱하여 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존에너지 추정방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   평균내부저항은 예상온도에 따른 함수에서 도출하고, 배터리용량은 SOC에 따른 함수에서 도출하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존에너지 추정방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   추정산출단계에서, 분극에 의한 예상소모에너지는 평균분극전압과 배터리용량을 곱하여 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존에너지 추정방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   평균분극전압은 예상온도에 따른 함수에서 도출하고, 배터리용량은 SOC에 따른 함수에서 도출하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존에너지 추정방법.
7. 청구항 1에 있어서,
   잔존산출단계에서, 보정치는 추정된 단자전압과 현재 측정된 단자전압의 차이에 배터리용량을 곱하여 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존에너지 추정방법.
8. 청구항 7에 있어서,
   추정된 단자전압은 기전력, 내부저항과 전류를 곱한값, 분극전압을 합하여 도출하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존에너지 추정방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   기전력은 SOC와 온도에 따른 함수에서 도출하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존에너지 추정방법.
10. 청구항 8에 있어서,
    내부저항은 SOC와 예상온도에 따른 함수에서 도출하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존에너지 추정방법.
11. 청구항 8에 있어서,
    분극전압은 SOC, 온도, 전류에 따른 함수에서 도출하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존에너지 추정방법.
12. 삭제
13. 아래의 식에 의해 배터리의 잔존에너지를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존에너지 추정방법.
    

    

Images