KR101758408B1

KR101758408B1 - 배터리 특성 곡선의 범위를 결정하기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101758408B1
Application number: KR1020127020353A
Authority: KR
Inventors: 아르민 다이스
Original assignee: 콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2017-07-14
Also published as: US20130204561A1; EP2531869B1; EP2531869A1; CN102753985A; KR20120124432A; US9857429B2; DE102010006965A1; CN102753985B; WO2011095513A1

Abstract

본 발명은 차량 내의 배터리(2)에 대한 배터리 특성 곡선의 적어도 하나의 범위를 결정하기 위한 장치(1)로서, 배터리 파라미터를 측정하기 위한 측정 장치(3)와, 측정된 배터리 파라미터로부터 배터리(2)의 현재 충전 상태(SOC)를 결정하기 위한 수단, 결정된 충전 상태(SOC)를 고려하여 표준 배터리 특성 곡선으로부터 얻어지는 표준 값과 측정된 배터리 파라미터 사이의 차이로부터 변이 값(VW)을 결정하기 위한 수단, 및 변이 값(VW)을 표준 배터리 특성 곡선에 더함으로써 새로운 배터리 특성 곡선의 적어도 하나의 범위를 결정하기 위한 수단을 포함하는 분석 유닛(4)을 포함하는 장치(1)에 관한 것이다.

Description

배터리 특성 곡선의 범위를 결정하기 위한 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING A RANGE OF A BATTERY CHARACTERISTIC CURVE}

본 발명은 배터리 특성 곡선의 일부분을 결정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

차량의 에너지 관리가 점차 중요해지고 있다. 그 원인은 증가하는 전력 사용(electrification), 즉 에너지를 공급받아야 하는 전기 장치 및 부하의 수의 증가이다. 이 에너지는 특히 차량 배터리에 의해 이용가능해진다. 또한, 개별 부하는 그 공급 면에서 상이한 우선 순위를 갖는다. 예를 들어, 안전-관련 부하가 에너지를 공급받을 수 있는 것을 보장할 필요가 있으며; 이것들은 브레이크, 조명 시스템 및 에어백을 포함한다. 특히 안전-관련 부하의 에너지 공급을 보장하기 위해서, 특히 차량 배터리의 상태 및/또는 특성 변수를 연속하여 검출하고 모니터하는 것이 필요하다. 차량 배터리의 중요한 상태 변수는 충전 상태(state of charge: SOC)이다. 차량 배터리의 다른 특성 변수는 흔히 개로 전압(open circuit voltage: OCV)으로 지칭된다. 차량 배터리의 충전 상태는 이 개로 전압으로 얻어질 수 있다. 이를 수행하기 위해, 특성 OCV/SOC 배터리 특성 곡선이 사용될 수 있다. 예를 들어 배너(Banner), 엑사이드(Exide) 및 JCI와 같은 유럽 제조사의 배터리의 대부분에 대해 균일한 특성 곡선이 사용될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 유럽 제조사의 배터리에 대한 이 OCV/SOC 특성 곡선은 다른 대륙의 제조사의 배터리, 특히 아시아 제조사의 배터리의 특성 곡선과 상이하다.

따라서, 본 발명의 하나의 목적은 지금까지보다 많은 수의 배터리에 대해 OCV/SOC 특성 곡선의 일부분이 결정되도록 허용하는 장치 및 방법을 이용가능하게 하는 것이다.

이 목적은 특허청구범위 제1항에 청구되는 바와 같은 장치, 특허청구범위 제6항에 청구되는 바와 같은 배터리 모니터링 시스템 및 특허청구범위 제7항에 청구되는 바와 같은 방법에 의해 달성된다.

제1 태양에서, 본 발명은, 차량 내의 배터리에 대한 배터리 특성 곡선의 적어도 일부분을 결정하기 위한 장치로서,

- 배터리 파라미터를 측정하기 위한 측정 장치,

- 평가 유닛으로서,

- 측정된 배터리 파라미터로부터 배터리의 현재 충전 상태를 결정하기 위한 수단,

- 결정된 충전 상태를 고려하여 표준 배터리 특성 곡선으로부터 얻어지는 표준 값과 측정된 배터리 파라미터 사이의 차이로부터 변이 값을 결정하기 위한 수단,

- 변이 값을 표준 배터리 특성 곡선에 더함으로써 새로운 배터리 특성 곡선의 적어도 일부분을 얻기 위한 수단

을 포함하는 평가 유닛

을 포함하는 장치를 포함한다.

측정 장치는 편리하게는 전압, 전류, 온도 및 시간을 측정하기 위한 수단을 포함한다. 전류는 예를 들어 션트(shunt)로 지칭되는 표준 저항기에서 측정된다. 전압은 예를 들어 저항 분할기(resistance divider)로 배터리에서 직접 측정된다. 온도는 이 목적을 위해 제공되는 센서 또는 온도-의존성 저항기로 측정될 수 있다. 시간은 장치 내에 배치될 수 있는 발진기에 의해 측정될 수 있다. 결과적으로, 중요한 배터리 파라미터가 측정될 수 있다.

하나의 유리한 개선에서, 평가 유닛은 배터리의 측정된 개로 전압과 표준 개로 전압 사이의 차이로부터 변이 값을 결정하기 위한 수단을 포함하고, 이 차이는 결정된 충전 상태를 갖는 표준 배터리 특성 곡선으로부터 얻어진다. 이는 배터리 특성 곡선의 일부분이 OCV 값을 변이시킴으로써 얻어지는 것을 보장한다.

다른 유리한 개선에서, 평가 유닛은 배터리의 결정된 충전 상태와 표준 충전 상태 사이의 차이로부터 변이 값을 결정하기 위한 수단을 포함하고, 이 차이는 동일한 개로 전압을 갖는 표준 배터리 특성 곡선으로부터 얻어진다. 이는 배터리 특성 곡선의 일부분이 SOC 값을 변이시킴으로써 얻어지는 것을 보장한다.

하나의 유리한 개선에서, 장치는 주문형 집적 회로(Application Specific Integrated Circuit: ASIC) 내에 통합된다.

제2 태양에서, 본 발명은, 차량 내의 배터리의 배터리 특성 곡선의 적어도 일부분을 결정하기 위한 방법으로서,

- 배터리의 현재 충전 상태를 측정된 배터리 파라미터로부터 결정하는 단계,

- 결정된 충전 상태를 고려하여 표준 배터리 특성 곡선으로부터 결정되는 표준 값과 측정된 배터리 파라미터 사이의 차이로부터 변이 값을 결정하는 단계,

- 변이 값을 표준 배터리 특성 곡선에 더함으로써 새로운 배터리 특성 곡선의 적어도 일부분을 얻는 단계

를 갖는 방법을 포함한다.

또한, 배터리 모니터링 장치로서,

- 상기한 장치,

- 배터리 및 장치 둘 모두에 기계적으로 그리고 전기적으로 연결되는 배터리 터미널,

- 배터리 터미널 및 장치에 기계적으로 그리고 전기적으로 연결되는 측정 저항기

를 포함하는 배터리 모니터링 장치가 제시된다.

다른 상세 사항 및 이점이 첨부 도면을 참조하여 설명된다.

본 발명에 의하면, 지금까지보다 많은 수의 배터리에 대해 OCV/SOC 특성 곡선의 일부분이 결정되도록 허용하는 장치 및 방법이 이용가능해진다.

도 1은 배터리 특성 곡선의 일부분을 결정하기 위한 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 배터리 특성 곡선의 일부분을 결정하기 위한 방법을 개략적으로 도시한다.
도 3은 특성 OCV/SOC 특성 곡선을 개략적으로 도시한다.
다음의 설명에서, 동일 도면 부호는 동일 또는 유사 구성요소를 나타낸다.

도 1은 배터리(2)와, 측정 장치(3) 및 평가 유닛(4)을 포함하는 장치(1)를 도시한다. 측정 장치(3)는 전압, 전류 및 이들 측정치의 대응하는 시간과 같은 배터리 파라미터를 측정한다. 배터리 특성 곡선의 적어도 일부분을 결정하기 위해, 평가 유닛(4)은,

- 측정된 배터리 파라미터로부터 배터리(2)의 현재 충전 상태(SOC)를 결정하기 위한 수단,

- 결정된 충전 상태(SOC)를 고려하여 표준 배터리 특성 곡선으로부터 얻어지는 표준 값과 측정된 배터리 파라미터 사이의 차이로부터 변이 값(shift value: VW)을 결정하기 위한 수단, 및

- 변이 값(VW)을 표준 배터리 특성 곡선에 더함으로써 새로운 배터리 특성 곡선의 적어도 일부분을 얻기 위한 수단

을 포함한다.

전류는 예를 들어 션트(shunt)로 지칭되는 표준 저항기에서 측정된다. 전압은 예를 들어 저항 분할기(resistance divider)로 배터리에서 직접 측정된다. 온도는 이 목적을 위해 제공되는 센서 또는 온도-의존성 저항기로 측정될 수 있다. 시간은 장치 내에 배치될 수 있는 발진기에 의해 측정될 수 있다.

배터리의 충전 상태는 배터리(2)의 현재 충전 상태 및 배터리(2)의 최대 충전 상태의 비율(quotient)이며; 따라서 후자는 배터리(2)의 총 가능 충전에 대한 상대 값으로 규정된다. 배터리(2)의 개로 전압은 배터리(2)에서 추가의 화학 반응이 일어나고 있지 않을 때, 즉 경험에 의한 바와 같이 수 시간 후에 측정된다. 개로 전압은 OCV로도 알려져 있고, 충전 상태는 SOC로도 알려져 있다.

배터리(2)의 경우에, 제조사는 어느 정도의 용량이 이용가능한지를 규정한다. 이 용량 지수는 암페어 시간(Ah)으로 주어진다. 이 용량 값은 제조사에 의한 배터리의 충전 직후 100%의 SOC에 대응한다. 인도된 상태의 배터리가 시간에 의해 초래되는 배터리의 작은 정도의 노화를 갖지만, 이러한 노화는 전체 정전 용량 또는 100%의 SOC 값에 결정적인 영향을 미치지 않는다. 이러한 이유로, 제조사의 원래 용량 값이 SOC를 결정하기 위해 사용된다. 이 값은 새로운 배터리가 설치된 때 차량측 메모리 내에 저장되며, 이 메모리는 필요시 장치(1)에 의해 판독될 수 있다. 메모리는 또한 장치(1) 내에 통합될 수 있다. 배터리(2)가 노화 과정으로 인해 원래 용량의 현저한 감소를 가지면, 현재 SOC 값이 100%의 SOC에 대해 결정되어야 한다. 예를 들어, 현재 용량은 완전한 방전이 일어난 때 시간 경과에 따른 전류를 측정함으로써 결정될 수 있다.

현재 SOC 값을 결정하기 위해서, 예를 들어 완전히 충전된 배터리에 기초하여 용량의 추출이 결정된다. 이 목적을 위해, 장치(3)를 측정함으로써 시간 단위당 유출 전류가 측정되고, 평가 유닛(4)에서 시간에 걸쳐 적분된다. 100%의 SOC의 경우 용량 값에 대한 특정 용량 값의 비율이 배터리(2)의 현재 SOC에 해당한다. 예를 들어, 차량 배터리의 용량은 100%의 SOC의 경우 40 Ah인 것으로 가정될 것이다. 10 Ah의 유출이 결정되면, 75%의 SOC가 얻어진다.

배터리의 완전 충전 여부를 결정하기 위해, 배터리의 유입 또는 유출 전류가 분석된다. 충만한 배터리는 단지 소량의 전류만을 소비한다.

대응하는 OCV 값이 전술된 바와 같이 배터리(2)의 비교적 긴 휴지 주기(quiescent period) 후 측정 장치(3)에 의해 측정된다.

동일한 SOC 값이라고 가정하면 표준 특성 곡선의 OCV 값과 측정된 OCV 값 사이의 차이로부터 평가 유닛(4)에서 변이 값(VW)이 결정된다. 예를 들어, 제조사 배너, 엑사이드 및 JCI로부터의 습식 배터리(wet battery), 즉 배터리의 전해질 플레이트 사이의 산이 자유로이 이동가능한 납산 배터리(lead acid battery)로 지칭되는 것의 특성 곡선이 예를 들어 표준 특성 곡선(도 3의 곡선 K1 참조)으로서 사용될 수 있다. 이 변이 값(VW)은 새로운 배터리의 특성 곡선이 표준 배터리에 대해 변이되는 값에 대응한다. 즉, 현재 배터리(2)에 대한 OCV/SOC 특성 곡선을 얻기 위해서 단지 변이 값(VW)이 표준 OCV/SOC 특성 곡선의 OCV 값에 더해지기만 하면 된다. 유사한 방식으로, OCV 값이 동일할 때, 새로운 특성 곡선을 얻기 위해 SOC 값의 차이를 더하는 것도 가능하다. 이러한 맥락에 대해, OCV/SOC 특성 곡선이 선형인 것으로 가정되며, 그 결과 현재 배터리(2)의 특성 곡선이 표준 배터리에 평행하게 변이된다. 이러한 변이는 또한 OCV 값이 동일할 때 SOC 값으로 가능하다. 아주 작은 및 큰 OCV 값의 경우에, 대응하는 SOC 값은 좌표계 밖에 놓일 수 있음에 주목하여야 한다. 이는 특성 곡선이 선형 부분으로부터 시작하여 원하는 부분까지 연장되어 보간된다는 사실에 의해 상쇄될 수 있다.

SOC, OCV 및 배터리 파라미터를 25℃의 온도에서 결정하는 것이 통상적이다. 이러한 이유로, 온도는 모든 측정 중에 각각 측정된다.

또한, 배터리의 유형에 따라, 특성 곡선의 구배가 변할 수 있다. 배터리 특성 데이터는 보통 새로운 배터리가 설치된 때, 차량측 제어 장치, 예를 들어 엔진 컨트롤러로부터 판독된다. 이 데이터는 엔진 컨트롤러로부터 판독되어 본 발명에 따른 장치에 의해 사용될 수 있고, 대응하는 비교 특성 곡선 및 관련 구배가 할당된다. 따라서, 복수의 통상적 표준 배터리 특성 곡선을 본 발명에 따른 장치의 메모리 내에 저장하는 것이 필요하다.

이러한 변이는 또한 선형이지 않은 곡선에 적용될 수 있다. 전제 조건은 곡선이 서로 평행하게 변이된다는 것이다.

이러한 이른바 학습 단계(learning phase)는 보통 차량의 초기 시동 직후, 즉 새로운 배터리로 일어나고, 변이 값 및 특성 곡선이 결정된 후 종료된다. 학습 단계는 또한 새로운 배터리가 설치되어 검출된 때 시작된다. 변이 값의 결정은 변이 값(VW)이 여전히 단지 이전 값으로부터 작은, 즉 이전에 규정된 편차를 가질 때까지 반복된다.

또한, 장치(1), 배터리(2), 배터리 터미널 및 측정 저항기를 포함하는 배터리 모니터링 장치(미도시)가 제공된다. 배터리 터미널은 배터리(2) 및 장치(1) 둘 모두에 기계적으로 그리고 전기적으로 연결된다. 측정 저항기는 배터리 터미널 및 장치(1)에 기계적으로 그리고 전기적으로 연결된다. 전압 및 전류와 같은 배터리 파라미터가 측정 저항기로 측정되어, 배터리 특성 곡선의 적어도 일부분을 결정하기 위해 장치(1)에 의해 사용될 수 있다.

도 2는 배터리 특성 곡선의 일부분을 결정하기 위한 방법을 도시한다.

제1 단계(11)에서, 배터리(2)의 현재 SOC 값이 결정된다. 이러한 결정은 완전히 충전된 배터리의 경우 추출된 용량을 측정함으로써 일어날 수 있다. 이와 관련하여, 측정된 전류는 시간에 걸쳐 적분된다. 이러한 측정 및 적분은 이동 중에 또는 그렇지 않으면 바로 시동 과정 중에 일어날 수 있다.

제2 단계(12)에서, 배터리(2)의 개로 전압이 측정된다. 이는 배터리의 비교적 긴 휴지 단계 후 수행되며, 그 결과 추가의 화학 반응이 더 이상 일어나지 않는다.

표준 배터리의 특성 곡선은 전술한 유럽 제조사의 배터리에 대한 특성 곡선일 수 있다. 표준 배터리의 대응하는 OCV 및 SOC 값은 평가 유닛(4) 내에 또는 평가 유닛(4) 밖의 메모리 내에 저장될 수 있다.

제3 단계(13)에서, 변이 값(VW)이 결정되며, 이 값은 측정된 OCV 값과 표준 특성 곡선의 OCV 값 사이의 차이를 나타내고, 여기에서 두 OCV 값은 동일한 SOC 값에 할당된다. 즉, 현재 배터리(2)의 OCV 값이 측정된 SOC 값은 거기에서 표준 특성 곡선으로부터 OCV 값을 판독하기 위해 사용된다. 그러나, 변이 값(VW)은 또한 결정된 SOC 값과 표준 OCV/SOC 특성 곡선으로부터의 SOC 값 사이의 차이로부터 얻어질 수 있다.

제4 단계(14)에서, 현재의 계산된 변이 값(VW)과 이전의 변이 값(VW) 사이의 차이가 얼마나 큰지가 결정된다. 변이 값(VW)의 계산이 반복되며, 즉 이 방법은 현재 변이 값(VW)이 여전히 단지 이전에 규정된 편차를 가질 때까지 단계(11)에서 재시작된다.

제5 단계(15)에서, 단계(14)에서 확증된 변이 값(VW)이 OCV/SOC 표준 특성 곡선에 더해지며, 그 결과 알려진 특성 곡선에 기초하여 특성 곡선이 결정되었다.

도 3은 예를 들어 배터리(2)의 충전 상태(SOC)에 대한 개로 전압(OCV)의 특성 곡선 K1 및 K2를 도시한다. 곡선 K1은 전술된 바와 같이 표준 특성 곡선이다. 특성 곡선 K2는 특성 곡선 K1으로부터 OCV 변이 값(VW)만큼 변이된다. 양 특성 곡선 K1, K2는 대략 30%-90%의 SOC 부분에서 직선이며, 이들 구배가 비교될 수 있다. 따라서, 30%-90%의 SOC 부분에서 변이 값(VW)을 얻는 것이 특히 유리한데, 왜냐하면 여기에서 특성 곡선이 선형이기 때문이다.

본 발명은 차량 배터리에 대한 배터리 특성 곡선의 일부분을 얻는데 적합하다.

1: 장치 2: 배터리
3: 측정 장치 4: 평가 유닛
SOC: 충전 상태 OCV: 개로 전압
VW: 변이 값 K1, K2: 특성 곡선

Claims

차량 내의 배터리(2)에 대한 배터리 특성 곡선의 적어도 일부분을 결정하기 위한 장치(1)로서,
- 배터리 파라미터를 측정하기 위한 측정 장치(3),
- 평가 유닛(4)으로서,
- 측정된 배터리 파라미터로부터 배터리(2)의 현재 충전 상태(SOC)를 결정하기 위한 수단,
- 결정된 충전 상태(SOC)를 고려하여 표준 배터리 특성 곡선으로부터 얻어지는 표준 값과 측정된 배터리 파라미터 사이의 차이로부터 변이 값(VW)을 결정하기 위한 수단,
- 변이 값(VW)을 표준 배터리 특성 곡선에 더함으로써 새로운 배터리 특성 곡선의 적어도 일부분을 얻기 위한 수단
을 포함하는 평가 유닛(4)
을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(1).
제1항에 있어서,
측정 장치(3)는 배터리(2)의 전압 및 전류와 시간을 측정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
평가 유닛(4)은 배터리(2)의 측정된 개로 전압(OCV)과 표준 개로 전압(OCV 표준) 사이의 차이로부터 변이 값(VW)을 결정하기 위한 수단을 포함하고, 상기 차이는 결정된 충전 상태(SOC)를 갖는 표준 배터리 특성 곡선으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 장치(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
평가 유닛(4)은 배터리(2)의 결정된 충전 상태(SOC)와 표준 충전 상태(SOC 표준) 사이의 차이로부터 변이 값(VW)을 결정하기 위한 수단을 포함하고, 상기 차이는 동일한 개로 전압(OCV)을 갖는 표준 OCV/SOC 배터리 특성 곡선으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 장치(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 장치(1)는 ASIC 내에 통합되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
배터리 모니터링 장치로서,
- 제1항 또는 제2항에 따른 장치(1),
- 배터리(2) 및 장치(1) 둘 모두에 기계적으로 그리고 전기적으로 연결되는 배터리 터미널,
- 배터리 터미널 및 장치(1)에 기계적으로 그리고 전기적으로 연결되는 측정 저항기
를 포함하는 배터리 모니터링 장치.
차량 내의 배터리(2)의 배터리 특성 곡선의 적어도 일부분을 결정하기 위한 방법으로서, 다음의 방법 단계들:
- 배터리(2)의 현재 충전 상태(SOC)를 측정된 배터리 파라미터로부터 결정하는 단계,
- 결정된 충전 상태(SOC)를 고려하여 표준 배터리 특성 곡선으로부터 결정되는 표준 값과 측정된 배터리 파라미터 사이의 차이로부터 변이 값(VW)을 결정하는 단계,
- 변이 값(VW)을 표준 배터리 특성 곡선에 더함으로써 새로운 배터리 특성 곡선의 적어도 일부분을 얻는 단계
를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서,
변이 값(VW)은 배터리(2)의 측정된 개로 전압(OCV)과 표준 개로 전압(OCV 표준) 사이의 차이로부터 결정되고, 상기 차이는 결정된 충전 상태(SOC)를 갖는 표준 배터리 특성 곡선으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서,
변이 값(VW)은 배터리(2)의 결정된 충전 상태(SOC)와 표준 충전 상태(SOC 표준) 사이의 차이로부터 결정되고, 상기 차이는 동일한 개로 전압(OCV)을 갖는 표준 배터리 특성 곡선으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
배터리(2)의 현재 충전 상태(SOC)는 배터리(2)의 최대 용량에 대한 방전된 용량의 비율에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서,
배터리(2)의 방전된 용량은 배터리(2)의 측정된 전류를 시간에 걸쳐 적분함으로써 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,
배터리(2)의 방전 전류는 차량의 시동 과정 중 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
배터리 특성 곡선은 SOC 부분의 30% 내지 90%의 범위에서 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.