KR101742340B1 - 배터리의 최대 용량 결정 및/또는 예측 방법 - Google Patents

배터리의 최대 용량 결정 및/또는 예측 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리의 최대 용량을 예측하는 전기 등가 회로도에 기초한 배터리의 모델을 근거로 배터리의 최대 용량을 결정 및/또는 예측하는 방법에 관한 것이다. 배터리의 최대 용량은 규정된 예측 시간 범위에 대해 그리고 충전- 또는 방전 작동과 관련한 상이한 작동 방식에 대해서 최대 허용 작동 전압 및 최대 허용 작동 전류를 고려하여 예측된다.

Description

배터리의 최대 용량 결정 및/또는 예측 방법{METHOD FOR DETERMINING AND/OR PREDICTING THE MAXIMUM PERFORMANCE CAPACITY OF A BATTERY}
본 발명은 등가 회로도를 갖는 배터리 모델을 이용해서 배터리의 최대 용량이 예측되는 배터리의 용량을 결정 및/또는 예측하는 방법에 관한 것이다.
상기 방법은 DE 10 337 064 B4호에 공지되어 있다.
상기 공지된 방법에 의해 배터리, 특히 차량용 스타터 배터리의 고전류 용량이 예측된다. 이러한 시동 기능 예측은 배터리의 그외의 작동에 대한 용량 예측을 불가능하게 한다. 이러한 예측은 전기-및/또는 하이브리드 차량에서 배터리의 작동에 대한 예측하는데 필수적이다. 배터리가 단시간 제공할 수 있는 용량의 예측은 미리 주어진 전압- 및 전류 한계치를 넘지 않고 상기 차량에서 배터리의 사용을 가능하게 한다.
충전된 배터리의 전압에 대한 특성필드(characteristic maps)를 이용해서 배터리의 용량을 결정하는 것이 공지되어 있다. 결정된 충전-또는 방전 용량에서 이러한 전압-특성필드에 대한 입력 파라미터는 각각의 배터리 상태이다(온도, 펄스 지속시간, 충전 상태 및/또는 개회로 전압). 학술 발표 논문 "안전한 배터리 진단을 위한 견고한 알고리즘 - 하이브리드 전기 차량에서 배터리 관리"(Bohlen,O.;Gerschler, J. B.;Sauer, D. U.; Birke, P. & Keller, M.공저, EVS.Internat. Electric. Vehicle Symp., 22, 2006, 2010-2021)이 참조된다. 용량 데이터는 예를 들어 하이브리드- 또는 배터리 차량의 에너지 관리에 이용된다.
공지된 다른 방법은, 미리 주어진 예측 시간 범위에 대한 배터리의 대체 내부 저항값을 특성필드에 저장하거나 작동시 결정하는 것이고(DE 10205120A), 상기 특성필드로부터 현재의 개회로 전압을 고려하여 그리고 정전류에 의해 가정된 부하를 고려하여 전압 강하가 계산되고, 상기 전압 강하는 미리 주어진 한계치와 비교된다.
공지된 방법은 각각의 배터리 모델에 따른, 최대 충전 및 최소 방전 전압의 한계치를 고려하지 않는다.
특성필드(characteristic maps)에 저장된 용량 데이터는 배터리의 다이내믹 거동을 반영하지 않는다. 이로 인해 미리 주어진 예측 시간 범위를 초과해서 너무 낮고 및/또는 높은 용량값이 주어진다. 전자의 경우에 배터리의 과부하가, 후자의 경우에 배터리의 불필요한 오버사이즈를 제공한다. 또한 예측 시간 범위의 분량은 예컨대 마이크로프로세서 계산시 메모리 저장 공간에 정비례한다.
이 경우 예측 시작시 배터리의 이전 히스토리의 영향을 설명하는 모델의 내부 상태는 고려되지 않는다. 마찬가지로 전압 제한된 경우와 전류 제한된 경우들은 서로 구분되지 않는다.
본 발명의 과제는, 실제 진단이 배터리로부터 최대 이용 가능한 용량을 제시하는 전술한 방식의 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구범위 제 1 항에 제시된 수단에 의해 해결된다.
본 발명에서 모두 4개의 경우들이 구분된다:
1) 제한 전압으로 충전
2) 제한 전류로 충전
3) 제한 전압으로 방전
4) 제한 전류로 방전
이 경우 제한 전류/전압은 각각의 전기 부하(전류 또는 전압)에 대한 배터리 모델에 따른 최대값을 고려한 것이다.
본 발명에 따라 전류 제한된 경우와 전압 제한된 경우를 구분함으로써 배터리 모델은 전체 예측 시간 범위에서 예상되는 배터리의 최대 용량에 대한 실제 예측이 이루어진다.
동시에 최대 충전 전류 및 최대 충전 전압을 고려하여 충전 작동 중에 용량을 계산하는 경우에, 일반적으로 최대 용량에 대해 2개의 상이한 값들이 제공된다. 본 발명의 바람직한 개선예는 상기 2개의 값 중 더 작은 값을 이용하는 것이다. 이로써 배터리의 허용 배터리 한계치가 초과되지 않는다. 방전 작동에도 동일하게 적용된다.
본 발명의 다른 개선예는 출력 전압값을 이용하여 배터리의 이전 히스토리를 고려하는 것이다. 더 긴 충전 단계 후에 배터리의 이중층 정전 용량은 극성을 띈다. 충전 전압이 동일한 경우에는 배터리가 앞서 중단되었거나 방전되었을 경우보다 작은 충전 용량이 가정될 수 있다.
배터리의 단시간 용량에 결정적인 다이내믹 거동은 패시브 전기 요소들(저항, 인덕턴스, 커패시턴스)의 조합에 의해 모델화되어 반영된다. 상기 모델은 도 1에 도시되고 하기에서 상세히 설명된다. 모델 파라미터의 값들은 일반적으로 온도, 충전 상태, 전류 방향(충전/방전) 및 전류 강도에도 의존한다. 이러한 값들은 배터리 관리 시스템에서 특성필드에 저장되거나 또는 작동시 상세히 설명되지 않은 공지된 추정 방법에 의해 검출된다.
또한 배터리 모델의 파라미터는 파라미터 추정기에 의해 제공될 수 있고 및/또는 파라미터 특성필드를 이용하여 얻어질 수 있다. 이로써 용량 예측의 정확도가 더욱 개선될 수 있다.
가능한 최대 충전-/방전 용량의 예측시 전기 모델 외에 전류에 대한 한계값 및 부하 상태에서 최대 충전 또는 최소 방전 전압에 대한 한계값이 참고된다.
최소 방전 전압이란 제조자에 의해 규정된, 방전 과정이 종료되는 배터리 단자의 전압이다. 방전 종료를 규정하는 것은 시간 기준이 아니라 전압 기준이다.
예측 시간 범위의 종료는 계산 시작시 정한다. 예컨대 10초 예측이 계산되면, 현재 시점으로부터 10초 동안 계산된 용량값이 제공될 수 있고, 이때 전압 또는 전류 한계치는 초과되지 않는다.
이 경우 전술한 바와 같이, 4개의 경우가 구분된다:
1) 제한 전압으로 충전
2) 제한 전류로 충전
3) 제한 전압으로 방전
4) 제한 전류로 방전
전류 제한된 충전(경우 2)의 경우, 가용 용량은 시간에 따라 증가하고, 최저 용량값은 t=0일 때의 값이다. 다른 경우에(경우 1, 3, 4) 부하 지속 시간이 증가함에 따라 가용 용량은 감소하고, tx초의 시간 범위 내에서 최저 용량값은 t=tx 일 때의 값이다.
전압 또는 전류 한계치에 의해 충전 또는 방전이 제한되는지 여부는, 시작 시에 검출될 수 없고, 따라서 두 경우에 대해 최대 가용 용량 예측이 계산된다. 값이 더 작은 용량이 실제 가용 최대 용량이다. 배터리 작동시 최대 허용 충전 용량 및 방전 용량이 계산되기 때문에, 상기 4개의 경우들이 주어진다.
용량 예측은, 배터리 모델(도 1)을 설명하는 미분방정식의 해답이 이 4개의 경우에 대해 상세히 초기 조건을 고려하여 계산됨으로써 결정된다.
도 1의 모델을 설명하는 미분방정식의 풀이는 다음과 같다:
정전류(경우 2 및 4)에 의한 충전 또는 방전 동안 부하(충전 또는 방전)의 전환 후 전압 응답의 시간에 따른 변화가 나타난다:
Figure 112012031110654-pct00001
상기식에서, OCV는 배터리의 개회로 전압이고, Ilim은 전류 한계치(정전류 충전을 위한 값)이고, Rs는 배터리의 직렬 저항이고, Rp는 배터리 임피던스의 병렬 저항이고, Cp는 배터리 임피던스의 병렬 커패시터이다(도 1 참조). Uc0는 등가 회로도에서 커패시터 Cp의 바이어스 전압이고, 상기 바이어스 전압은 작동시 실시간 모델에 의해 계산될 수 있다.
상기 실시간 모델은 도면에 도시된 전기 등가 회로도일 수 있다. 커패시턴스에 대한 전압 Uc은 각 시점마다 전류 변화들로부터 결정될 수 있다. 시점 t=0에 (예측이 계산되는 시점)Uc의 값은 Uc0이다. Uc0가 고려되지 않고 암묵적으로 Uc0 = 0으로 가정되는 다른 방법과 달리, 상기 전압을 고려함으로써 정확한 예측이 가능한 것이 장점이다.
정전압(경우 1 및 3)으로 충전 또는 방전하는 경우, 다음과 같은 전류값이 얻어진다:
Figure 112012031110654-pct00002
상기식에서 Ulim은 전압 한계치, 즉 최대 허용 정전압으로 충전하기 위한 값이다.
서로 비교되는 각각의 용량값들은 전류와 전압의 적, 즉 전류 제한된 경우(경우 2와 4)에는 Pprog =u(t) * Ilim, 전압 제한된 경우(경우 1과 3)에는 Pprog =i(t) * Ulim와 같다.
현재 작동 상태에 대한 모델 파라미터 Rs, Rp 및 Cp는 공지된 파라미터 추정기(a parameter estimating unit) 및/또는 일반적인 파라미터 특성필드로부터 제공될 수 있다. 공지된 바와 같이 개회로 전압 OCV의 값은 상태 추정기 또는 특성필드로부터 제공된다. 커패시터 Cp의 바이어스 전압의 값 Uc0는 실시간으로 계산된 모델에 의해 결정된다. 그로부터 예측 시점 tprog에 전류-및 전압 제한된 충전 및 방전 경우(경우 1-4)에 대한 전압값과 전류값이 계산된다(특수한 경우에 제한 전류로 충전: tprog= 0에 대해 계산).
전술한 바와 같이, 전류 한계치에서 충전시 다른 3개의 경우와 달리 부하 지속시간이 진행될수록 용량값은 커진다.
따라서 임의의 예측 시간 범위에 대한 최대 용량은 매우 정확하게 계산될 수 있는데, 그 이유는 기본적인 배터리 모델은 배터리의 특성 및 특히 초기 조건(Uc0)과 여러 경계 조건(제한 전류 및 제한 전압)을 명백하게 고려하기 때문이다.
연산 및 메모리 요구는 예측 시간 범위의 분량과 무관하므로, 가능한 배터리 용량은 최소 개수의 적용 파라미터를 이용하는 방법을 제공한다.
용량 예측을 정확히 계산하기 위해 특수한 경우가 고려되어야 한다:
배터리 충전 동안 충전 용량은 전류값이 증가할수록 계속해서 증가하고, 이때 전압도 상응하게 증가한다. 그러나 방전시 전압은 방전 전류값이 증가할수록 감소하므로, 방전 용량이 먼저 증가하고, 부하 상태에서 전압이 배터리의 1/2 개회로 전압보다 작은 경우에 특정 전류 강도부터 다시 감소한다.
경우 4(위를 참조)에 대한 전압 예측이 1/2 개회로 전압(OCV/2)보다 작으면, 해당 용량값은 거부되는데, 그 이유는 이값은 최대 가용 방전 용량보다 작기 때문이다. 그대신 경우 3의 용량 예측만이 계산되고, 이 경우 미리 주어진 전압 한계치는 OCV/2에 의해 대체되고, 그러한 경우에 상기 전압 한계치는 상기 값보다 작다(즉 Uilm >= OCV2).
이것은 실시예를 참고로 설명된다.
도 1은 배터리의 모델을 도시한 도면.
도시되지 않은 배터리 관리 시스템에서 변수인 전압, 전류 및 온도는 항상 측정되고 경우에 따라서 충전 상태 및 노후화 상태와 같은 다른 배터리 변수도 측정된다.
각각의 시점마다 배터리의 전압 및 전류 한계치(Ulim, Ilim)가 결정된다(예를 들어 표에서 충전 상태 및/또는 온도 및/또는 노후화 정도 및/또는 부하 히스토리의 상수 또는 함수로서). 용량 예측에 이용되는 한계값들은 팩터에 의해 또는 오차한계로부터의 오프셋에 의해 계산될 수 있다. 한계값들은 일반적으로 더 좁게 한정되므로(충전시 더 낮고 방전시 더 높음), 예측된 전압 또는 전류가 모델 및/또는 측정 정확성에 의해 실제값과 약간만 차이가 나는 경우에는 오차응답이 이루어지지 않는다.
도 1에 도시된 배터리 모델의 파라미터 Rs, Rp, Cp는 계속해서 검출되고, 예를 들어 상기 배터리 모델에서 상기 파라미터들은 충전 상태 및/또는 온도 및/또는 노후화 정도 및/또는 부하 히스토리의 함수로서 표에서 판독되거나 또는 추정 방법에 의해 또는 상기 두 가지 조합에 의해 검출된다.
전술한 방법에 의해 충전 및 방전 과정에 이용할 수 있는 배터리 용량 Pprog에 대한 예측값이 계산된다. 상기 예측값들은 상이한 예측 구간에 대해 결정될 수 있고, 따라서 예를 들어 항상 단시간 예측(예를 들어 1초 예측 구간) 및 장시간 예측(예를 들어 10초 예측 구간)이 계산될 수 있다.
이러한 용량 예측값들은 도시되지 않은 작동 전략-조절 장치에 전달된다. 작동 전략-조절 장치는 상기 값들을 예를 들어 전기 기계의 조절에, 가속 및/또는 제동시 전기 및 기계적 동력의 분배에 및/또는 전기 부하의 접속 또는 차단에 이용될 수 있다.
특히 용량 흐름의 예측 조절을 위해 용량 예측이 이용될 수 있다. 가용 용량이 먼저 공지되기 때문에, 그밖에 원치 않는 주행 경험을 야기하는(예를 들어 가속시 덜컹거림, 감지하거나 들을 수 있는 성능 저하 등) 용량 흐름에 매우 신속하고 갑작스러운 개입이 필요해지는 것이 저지될 수 있다.
예를 들어 가속 과정 동안 10초 이상 이용 가능한 용량 예측이 단시간 이용 가능한 용량보다 작은 경우에, 용량은 지각 가능한 성능 저하를 방지하기 위해 처음부터 일시적으로 이용 가능한 용량 이하로 제한될 수 있거나 또는 운전자가 감지할 수 없고 따라서 불쾌하다고 느낄 수 없을 정도로 감소된다. 용량 한계치에 도달하기 전에 적절한 시기에 더 작은 목표값에 도달한다.

Claims (5)

  1. 배터리의 최대 용량을 예측하기 위해, 등가 회로에 기초한 배터리 모델을 사용하는, 배터리의 최대 용량 예측 방법에 있어서,
    배터리의 최대 용량은 정해진 예측 시간 범위에 대해서 그리고 충전 또는 방전 동작과 관련한 상이한 동작 모드에 대해서 예측되며, 정해진 예측 시간 범위에 대한 예측이 최대 허용 동작 전압과 최대 허용 동작 전류를 고려하고, 상기 동작 모드가 전압 제한 충전, 전류 제한 충전, 전압 제한 방전 및 전류 제한 방전을 포함하며, 상기 모델이 고정 전압에서 시간의 지수함수인 전류 응답을 포함하고,
    상기 충전 또는 방전 동작 동안 배터리의 용량 Pprog은 (a) 최대 허용 충전 또는 방전 전류 그리고 (b) 최대 허용 충전 또는 방전 전압에 대해 동시에 검출된 최대 용량 값 중 작은 값과 동일하고, 그리고
    계산된 바이어스 전압 값 Uc0을 사용하여 배터리의 부하 히스토리를 고려함을 특징으로 하는 배터리의 최대 용량 예측 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리 모델의 파라미터는 파라미터 추정기(a parameter estimating unit)에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 배터리의 최대 용량 예측 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리 모델의 파라미터는 파라미터 특성필드(parameter characteristic maps)에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 배터리의 최대 용량 예측 방법.
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