KR101755911B1 - 차량용 배터리의 충전상태 추정 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 배터리의 충전상태 추정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 충전전류에 상응하는 SOC가 기록된 맵(map)을 충전전압(LDC의 출력전압)별로 구비하고, 이에 기초하여 리튬이온 배터리의 SOC를 추정함으로써, 리튬이온 배터리의 SOC를 정확도 높게 추정할 수 있는 차량용 배터리의 충전상태 추정 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 차량용 배터리의 충전상태 추정 장치에 있어서, 충전전류에 상응하는 SOC(State Of Charge)가 기록된 맵(map)을 충전전압별로 저장하는 저장부; 리튬이온 배터리를 충전하는 LDC(Low voltage DC-DC Converter); 리튬이온 배터리의 충전전류를 감지하는 전류센서; 및 상기 저장부에서 리튬이온 배터리의 충전전압에 상응하는 맵을 검색하고, 상기 검색된 맵에서 상기 전류센서에 의해 감지된 충전전류에 상응하는 SOC를 추출하여 리튬이온 배터리의 SOC로 추정하는 제어기를 포함한다.

Description

차량용 배터리의 충전상태 추정 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR ESTIMATING SOC OF LITHIUM ION BATTERY AND METHOD THEREOF}
본 발명은 리튬이온 배터리의 충전상태 추정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 전장부하에 전원을 공급하는 배터리(일례로, 12V 리튬이온 배터리)의 충전상태(State Of Charge, SOC)를 추정하는 기술에 관한 것이다.
본 발명은 친환경 차량에 적용될 수 있으며, 친환경 차량은 고전압 배터리를 이용하여 전기 모터를 구동시켜 주행하는 차량으로서, HEV(Hybrid Electric Vehicle), EV(Electric Vehicle), PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle), FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle) 등을 포함한다.
일반적으로, 친환경 차량은 구동용 전원을 공급하기 위한 고전압 배터리와, 내부 전기장치(전장부하)에 동작 전원을 공급하기 위한 보조 배터리를 구비한다. 이때, 보조 배터리 및 전기장치와 연결되어 있는 LDC(Low voltage DC-DC Converter)는 상위 제어기의 제어하에 보조 배터리의 전압이 기준치를 초과하지 않으면, 고전압 배터리의 고전압을 보조 배터리의 충전용 전압으로 낮추어(down converting) 보조 배터리를 충전한다.
이러한 보조 배터리는 차량의 시동은 물론 각종 램프, 시스템, ECU(Electronic Control Units) 등과 같은 전기장치에 동작 전원을 공급하는 역할을 수행한다.
지금까지 차량의 보조 배터리는 완전 방전이 되어도 다시 충전하여 사용할 수 있는 장점으로 인해 납산 축전지(lead-acid storage battery)가 주로 사용되었으나, 이러한 납산 축전지는 무겁고 충전밀도가 낮으며, 특히 납산은 환경오염 물질이기 때문에 최근 친환경 차량에서는 리튬이온 배터리(lithium ion battery)로 대체되고 있다.
리튬이온 배터리(일례로, 전압특성이 평평한 리튬이온 배터리)는 하기의 [표1]과 같이, SOC의 변화에 따른 OCV(Open Circuit Voltage)의 변화가 미미하기 때문에, OCV를 기반으로 SOC를 추정하는 기법은 정확성이 현저히 떨어진다.
SOC (%) 리튬이온 배터리 납산 배터리
100 14.53 13.77
95 13.33 -
90 13.32 13.28
85 13.32 -
80 13.32 12.91
75 13.32 -
70 13.32 12.59
65 13.20 -
60 13.16 12.34
55 13.16 -
50 13.16 12.17
45 13.16 -
40 13.16 12.05
35 13.15 -
30 13.14 11.93
25 13.09 -
20 13.01 11.81
15 12.87 -
10 12.82 11.68
5 12.81 -
0 12.32 11.57
결국, OCV를 이용하여 SOC를 추정하는 종래의 기술은 상술한 리튬이온 배터리의 특성으로 인해 정확한 SOC를 추정할 수 없는 문제점이 있다.
대한민국공개특허 제2009-0077657호
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 충전전류에 상응하는 SOC가 기록된 맵(map)을 충전전압(LDC의 출력전압)별로 구비하고, 이에 기초하여 리튬이온 배터리의 SOC를 추정함으로써, 리튬이온 배터리의 SOC를 정확도 높게 추정할 수 있는 차량용 배터리의 충전상태 추정 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 차량용 배터리의 충전상태 추정 장치에 있어서, 충전전류에 상응하는 SOC(State Of Charge)가 기록된 맵(map)을 충전전압별로 저장하는 저장부; 리튬이온 배터리를 충전하는 LDC(Low voltage DC-DC Converter); 리튬이온 배터리의 충전전류를 감지하는 전류센서; 및 상기 저장부에서 리튬이온 배터리의 충전전압에 상응하는 맵을 검색하고, 상기 검색된 맵에서 상기 전류센서에 의해 감지된 충전전류에 상응하는 SOC를 추출하여 리튬이온 배터리의 SOC로 추정하는 제어기를 포함한다.
여기서, 상기 리튬이온 배터리의 SOC는 충전전압이 클수록 큰 값을 갖는다.
또한, 상기 리튬이온 배터리는 차량의 전장부하에 전원을 공급한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 차량용 배터리의 충전상태 추정 방법에 있어서, 저장부가 충전전류에 상응하는 SOC(State Of Charge)가 기록된 맵(map)을 충전전압별로 저장하는 단계; LDC(Low voltage DC-DC Converter)가 리튬이온 배터리를 충전하는 단계; 전류센서가 리튬이온 배터리의 충전전류를 감지하는 단계; 및 제어기가 상기 저장부에서 리튬이온 배터리의 충전전압에 상응하는 맵을 검색하고, 상기 검색된 맵에서 상기 전류센서에 의해 감지된 충전전류에 상응하는 SOC를 추출하여 리튬이온 배터리의 SOC로 추정하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 본 발명은, 충전전류에 상응하는 SOC가 기록된 맵(map)을 충전전압(LDC의 출력전압)별로 구비하고, 이에 기초하여 리튬이온 배터리의 SOC를 추정함으로써, 리튬이온 배터리의 SOC를 정확도 높게 추정할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 차량용 배터리의 충전상태 추정 장치에 대한 일실시예 구성도,
도 2 는 본 발명에 따른 충전전류에 상응하는 SOC가 기록된 맵의 일예시도,
도 3 은 본 발명에 따른 차량용 배터리의 충전상태 추정 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 차량용 배터리의 충전상태 추정 장치에 대한 일실시예 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 배터리의 충전상태 추정 장치는, 저장부(Storage)(10), 리튬이온 배터리(20), LDC(Low voltage DC-DC Converter)(30), 전류센서(40), 및 제어기(50)를 포함한다.
상기 각 구성요소들에 대해 살펴보면, 먼저 저장부(10)는 충전전류에 상응하는 SOC(State Of Charge)가 기록된 맵(map)을 충전전압(LDC의 출력전압)별로 저장한다. 이러한 맵은, 서로 다른 SOC를 가지는 리튬이온 배터리들을 OCV(Open Circuit Voltage) 이상의 일정전압(Constant Voltage, CV)으로 충전하면, 각 리튬이온 배터리의 충전종료 시점의 SOC는 동일한 값으로 수렴하는 특징에 기초하여 산출된다. 즉, LDC가 CV 충전방식으로 보조 배터리인 리튬이온 배터리(20)를 충전하는 경우, 초기 SOC에 관계없이 충전종료 시점에는 각 리튬이온 배터리의 SOC가 동일한 값으로 수렴한다.
이하, 도 2를 참조하여 LDC(30)의 출력전압이 13.5V인 경우에 충전전류에 상응하는 SOC가 기록된 맵에 대해 살펴보기로 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 충전전류에 상응하는 SOC가 기록된 맵의 일예시도이다.
도 2에서, '210'은 SOC가 서로 다른 리튬이온 배터리를 13.5V로 완전 충전한 경우 최종 수렴하는 SOC로서, 일례로 (90.8±0.5)%가 된다.
다른 예는 하기와 같다.
1) 13.3V로 완전 충전한 경우에 최종 수렴하는 SOC는 (35.4±0.4)%가 된다.
2) 13.4V로 완전 충전한 경우에 최종 수렴하는 SOC는 (78.3±0.2)%가 된다.
3) 13.6V로 완전 충전한 경우에 최종 수렴하는 SOC는 (97.1±0.2)%가 된다.
4) 13.7V로 완전 충전한 경우에 최종 수렴하는 SOC는 (97.8±0.2)%가 된다.
5) 13.8V로 완전 충전한 경우에 최종 수렴하는 SOC는 (98.5±0.2)%가 된다.
이를 통해, 충전전압이 클수록 리튬이온 배터리의 SOC가 커짐을 알 수 있다.
한편, '220'은 충전전류의 최소값으로서 일례로 0.8A가 바람직하다. 이러한 최소 충전전류는 충전전압에 따라 상이하게 설정될 수도 있고, 충전전압에 관계없이 동일하게 설정될 수도 있다.
'230'은 SOC가 85%인 리튬이온 배터리가 13.5V로 충전되는 경우, 시간에 따른 SOC 값의 변화를 나타내는 그래프이다. 이때, 완전 충전된 리튬이온 배터리의 SOC는 (90.8±0.5)%가 된다.
'240'은 SOC가 17%인 리튬이온 배터리가 13.5V로 충전되는 경우, 시간에 따른 SOC 값의 변화를 나타내는 그래프이다. 이때, 완전 충전된 리튬이온 배터리의 SOC는 (90.8±0.5)%가 된다.
'250'은 SOC가 85%인 리튬이온 배터리가 13.5V로 충전되는 경우, 충전전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
'260'은 SOC가 17%인 리튬이온 배터리가 13.5V로 충전되는 경우, 충전전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
'230' 그래프와 '240' 그래프에는 수렴 직전에 변곡점(SOC 기울기가 갑자기 완만해지는 지점)이 발생하는 것을 알 수 있다.
상기 도 2를 통해, 시간이 지날수록 충전전류는 감소하고, SOC는 증가하여 '210'에 수렴하는 것을 알 수 있다.
다음으로, 리튬이온 배터리(20)는 일례로 12V 리튬이온 배터리(저전압 보조 배터리)로서, 차량의 전장부하에 전원을 공급한다.
다음으로, LDC(30)는 고전압 배터리의 전원을 다운 컨버팅하여 리튬이온 배터리(20)를 충전한다. 이때, LDC(30)는 일례로 HCU(Hybrid Control Unit)(미도시)로부터 수신한 충전전압 지령에 기초하여 리튬이온 배터리(20)를 충전한다.
다음으로, 전류센서(40)는 리튬이온 배터리(20)의 충전전류를 감지한다.
다음으로, 제어기(50)는 상기 각 구성요소들이 제 기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 전반적인 제어를 수행한다.
특히 제어기(50)는 저장부(10)에 저장되어 있는 충전전류에 상응하는 SOC가 기록된 맵에 기초하여 리튬이온 배터리(20)의 SOC를 추정한다.
즉, 제어기(50)는 LDC(30)의 출력전압에 상응하는 맵을 저장부(10)에서 검색하고, 상기 검색된 맵에서 전류센서(40)에 의해 감지된 충전전류에 상응하는 SOC를 추출하여 리튬이온 배터리(20)의 SOC로 추정한다.
본 발명에서 제어기(50)의 기능은 BMS(Battery Management System)에 의해 구현될 수도 있다.
도 3 은 본 발명에 따른 차량용 배터리의 충전상태 추정 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 저장부(10)가 충전전류에 상응하는 SOC(State Of Charge)가 기록된 맵(map)을 충전전압별로 저장한다(301).
이후, LDC(30)가 리튬이온 배터리(20)를 충전한다(302).
이후, 전류센서(40)가 리튬이온 배터리(20)의 충전전류를 감지한다(303).
이후, 제어기(50)가 상기 저장부(10)에서 리튬이온 배터리(20)의 충전전압에 상응하는 맵을 검색하고, 상기 검색된 맵에서 상기 전류센서(40)에 의해 감지된 충전전류에 상응하는 SOC를 추출하여 리튬이온 배터리(20)의 SOC로 추정한다(304).
이러한 과정을 통해, 리튬이온 배터리(20)의 SOC를 정확도 높게 추정할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
10 : 저장부
20 : 리튬이온 배터리
30 : LDC
40 : 전류센서
50 : 제어기

Claims (12)

  1. 충전전류에 상응하는 SOC(State Of Charge)가 기록된 맵(map)을 충전전압별로 저장하는 저장부;
    리튬이온 배터리를 충전하는 컨버터;
    리튬이온 배터리의 충전전류를 감지하는 전류센서; 및
    상기 저장부에서 리튬이온 배터리의 충전전압에 상응하는 맵을 검색하고, 상기 검색된 맵에서 상기 전류센서에 의해 감지된 충전전류에 상응하는 SOC를 추출하여 리튬이온 배터리의 SOC로 추정하는 제어기
    를 포함하는 차량용 배터리의 충전상태 추정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬이온 배터리의 SOC는,
    충전전압이 클수록 큰 값을 갖는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 충전상태 추정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전전압은,
    상기 컨버터의 출력전압인 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 충전상태 추정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    LDC(Low voltage DC-DC Converter)인 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 충전상태 추정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    리튬이온 배터리를 CV(Constant Voltage) 방식으로 충전하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 충전상태 추정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬이온 배터리는,
    차량의 전장부하에 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 충전상태 추정 장치.
  7. 저장부가 충전전류에 상응하는 SOC(State Of Charge)가 기록된 맵(map)을 충전전압별로 저장하는 단계;
    컨버터가 리튬이온 배터리를 충전하는 단계;
    전류센서가 리튬이온 배터리의 충전전류를 감지하는 단계; 및
    제어기가 상기 저장부에서 리튬이온 배터리의 충전전압에 상응하는 맵을 검색하고, 상기 검색된 맵에서 상기 전류센서에 의해 감지된 충전전류에 상응하는 SOC를 추출하여 리튬이온 배터리의 SOC로 추정하는 단계
    를 포함하는 차량용 배터리의 충전상태 추정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 리튬이온 배터리의 SOC는,
    충전전압이 클수록 큰 값을 갖는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 충전상태 추정 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 충전전압은,
    상기 컨버터의 출력전압인 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 충전상태 추정 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    LDC(Low voltage DC-DC Converter)인 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 충전상태 추정 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    리튬이온 배터리를 CV(Constant Voltage) 방식으로 충전하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 충전상태 추정 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 리튬이온 배터리는,
    차량의 전장부하에 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 충전상태 추정 방법.
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