KR101776844B1 - 배터리 센서를 이용한 자동차 배터리의 건강상태 추정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리 센서를 이용한 자동차 배터리의 건강상태 추정방법에 관한 것으로서, 건강상태 추정 영역의 전압 파형의 데이터와 전류 파형의 데이터를 이용하여, 보간법과 수치적분을 통한 소프트웨어적인 방법으로 전압면적과 전류면적 및 저항을 산출하고, 이를 배터리 저항 테이블과 비교하는 방식으로 배터리의 건강상태를 추정함으로써, 건강상태 추정에 있어서의 신뢰도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여 본 발명은, 차량의 시동 시 전압과 전류의 측정 데이터를 수집하는 단계와; 샘플링 시간에 따른 전압 파형의 차량 시동 시점부터 일정시간 경과지점까지를 배터리 건강상태 추정을 위한 영역으로 한 후, 보간법을 이용하여 해당 영역의 전압 데이터를 적분 가능한 함수 형태의 다항식 꼴로 수학적인 변환을 하고, 수치 적분을 통하여 전압면적을 구하는 단계와; 보간법을 이용하여 상기 배터리 건강상태 추정을 위한 영역의 전류 데이터를 적분 가능한 함수 형태의 다항식 꼴로 수학적인 변환을 하고, 수치 적분을 통하여 전류면적을 구하는 단계와; 산출된 전압면적과 전류면적을 이용하여 저항을 구하고, 시험을 통해 구해진 온도와 배터리 건강상태에 따른 배터리 저항 테이블과의 비교를 통해 배터리 건강상태를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 센서를 이용한 자동차 배터리의 건강상태 추정방법{Estimation Method of State of Health of Car Battery Using Battery Sensor}

본 발명은 자동차에 장착되어 배터리의 상태에 대한 정보를 자동차의 시스템에 제공하는 배터리 센서를 이용하여 자동차 배터리의 건강상태를 추정하는 방법에 관한 것으로서, 특히 보간법과 수치적분을 통한 소프트웨어적인 방법으로 전압면적과 전류면적 및 저항을 산출하고, 이를 배터리 저항 테이블과 비교하는 방식으로 배터리의 건강상태를 추정함으로써, 건강상태 추정에 있어서의 신뢰도를 향상시킬 수 있도록 한 배터리 센서를 이용한 자동차 배터리의 건강상태 추정방법 관한 것이다.

자동차에는 자동차의 시동 및 전기장치의 작동을 위하여 배터리가 구비되어 있으며, 이 배터리의 상태를 상시적으로 모니터링 하기 위해서 배터리 센서(Battery Sensor, BS)가 사용되고 있다.

상기 배터리 센서는 일반적인 아날로그식 배터리 센서와 지능형 배터리 센서(Intelligent Battery Sensor, IBS)로 구분할 수 있는데, 자동차에는 IBS가 주로 사용되고 있다.

상기 배터리 센서는 자동차의 배터리에 장착되어 배터리 전압, 배터리 전류, 배터리 음극 단자의 온도의 정보를 수집하고, 이를 통해 SOC(State-of-Charge), SOH(State-of-Health) 및 배터리 내부온도를 추정하고, SOF(State-of-Function)를 예측하는 기능을 수행한다.

여기서, 배터리의 건강상태를 나타내는 SOH는, 배터리의 가장 이상적인 상태를 기준으로 배터리의 현재 상태를 비교하여 그 값을 퍼센트(%)로 나타내고 있다.

이러한 SOH는, 용량과 초기 저항을 이용하여 도출하는데, AC 임피던스, 자기 방전율 및 출력밀도 등을 이용하여 도출할 수도 있다.

초기 용량 대비 현재 배터리 용량이 80% 이하일 경우 SOH의 값은 80%가 되고, 이때 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)은 배터리를 교환하라는 경고를 하게 된다.

종래의 배터리 건강상태 추정방법은, 차량의 시동 시 전압과 전류의 측정데이터를 수집하여 각각 두 개의 지점의 값들의 차이를 이용하여 저항값을 구하고, 이를 기존 시험을 통해 구한 온도조건과 배터리 건강상태에 따른 배터리 내부저항 테이블과 비교하여 배터리 건강상태를 추정하였다.

그러나, 상기한 종래의 방법은, 차량의 시동 시 배터리 센서에서 전압과 전류의 측정 데이터를 수집할 때 두 개의 지점을 어느 지점으로 선정하느냐에 따라 저항값의 차이가 크게 발생하게 된다. 이에 따라, 배터리 건강상태의 추정에 있어서 신뢰성이 높지 않다는 문제점이 지적되고 있다.

한편, 배터리의 건강상태를 추정하는 방법과 관련한 선행기술을 조사한 결과 다수의 특허문헌이 검색되었으며, 그 중 일부를 소개하면 다음과 같다.

특허문헌 1은, 일정 시간 간격으로 측정된 배터리 온도를 메모리에 시간에 따른 온도 분포 데이터로 저장하는 배터리 온도 측정 및 저장 단계와, 메모리에 저장된 온도 분포 데이터가 기준기간을 초과하여 저장되었는지 여부를 확인하는 데이터 저장 기간 확인 단계와, 메모리에 저장된 온도 분포 데이터가 기준기간을 초과하는 기간 동안의 데이터이면, 메모리에 저장되어 있는 온도 분포 데이터를 통해서, 온도 변화에 대한 가혹도를 산출하는 가혹도 산출 단계 및 메모리에 저장되어 있는 주행 거리에 대한 열화 맵에 가혹도 산출 단계에서 산출된 가혹도를 적용하여, 주행 거리 및 온도에 따른 열화를 산출하는 열화 산출단계;를 구비하여, 배터리의 열화에 영향을 미치는 가장 큰 요인인 온도 변화와 주행거리를 모두 고려하여 배터리의 열화정도를 추정 가능하고, 이를 통해 배터리의 SOH 및 잔존 주행거리를 정확하게 추정할 수 있도록 한, 차량의 배터리 SOH추정 장치 및 방법에 대하여 기재하고 있다.

특허문헌 2는, 배터리 팩의 복수의 선택된 셀들 각각에 대하여 충전 전압 데이터 또는 방전 전압 데이터 중 적어도 하나를 얻는 단계, 상기 충전 전압 데이터 또는 방전 전압 데이터 중 적어도 하나를 웨이블릿 변환하여 저주파 성분 전압 데이터와 고주파 성분 전압 데이터를 얻는 단계, 상기 충전 전압 데이터 또는 방전 전압 데이터 중 적어도 하나, 상기 저주파 성분 전압 데이터, 및 상기 고주파 성분 전압 데이터 중 적어도 2개의 각 표준 편차들을 계산하는 단계, 및 상기 계산된 표준 편차들에 기초하여 상기 배터리 팩의 SOH를 예측하는 단계를 포함하는 이산 웨이블릿 변환을 이용하여 배터리 팩의 SOH를 예측하는 장치에 대하여 기재하고 있다.

KR 10-2012-0031611 A KR 10-2014-0111920 A

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 건강상태 추정 영역의 전압 파형의 데이터와 전류 파형의 데이터를 이용하여, 보간법과 수치적분을 통한 소프트웨어적인 방법으로 전압면적과 전류면적 및 저항을 산출하고, 이를 배터리 저항 테이블과 비교하는 방식으로 배터리의 건강상태를 추정함으로써, 건강상태 추정에 있어서의 신뢰도를 향상시킬 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 차량의 시동 시 전압과 전류의 측정 데이터를 수집하는 단계와; 샘플링 시간에 따른 전압 파형의 차량 시동 시점부터 일정시간 경과지점까지를 배터리 건강상태 추정을 위한 영역으로 설정한 후, 보간법을 이용하여 해당 영역의 데이터를 적분 가능한 함수 형태의 다항식 꼴로 수학적인 변환을 하고, 수치 적분을 통하여 전압면적을 구하는 단계와; 보간법을 이용하여 상기 배터리 건강상태 추정을 위한 영역의 전류 데이터를 적분 가능한 함수 형태의 다항식 꼴로 수학적인 변환을 하고, 수치 적분을 통하여 전류면적을 구하는 단계와; 산출된 전압면적과 전류면적을 이용하여 저항을 구하고, 시험을 통해 구해진 온도와 배터리 건강상태에 따른 배터리 저항 테이블과의 비교를 통해 배터리 건강상태를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 배터리 센서를 이용한 자동차 배터리의 건강상태 추정방법에 따르면, 상기 전압면적과 전류면적을 이용하여 전력면적을 산출하고, 산출된 전력면적이 허용 전력면적을 초과하는 경우, 배터리 건강상태 추정 값이 유효하지 않은 것으로 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 배터리 센서를 이용한 자동차 배터리의 건강상태 추정방법에 따르면, 추정된 배터리 건강상태 정보는 차량 관리시스템 중의 하나인 EMS(Energy Management System)에 LIN 통신으로 제공되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 차량 시동 시점부터 일정시간 경과지점까지를 배터리 건강상태 추정을 위한 영역으로 설정하고, 해당 영역의 전압 데이터와 전류 데이터를 보간법과 수치적분의 소프트웨어적 방식에 적용하여 전압면적과 전류면적을 구한 후, 이로부터 비롯된 저항값을 배터리 건강상태에 따른 배터리 저항 테이블과의 비교하여 배터리의 건강상태를 추정하게 되므로, 추정값의 신뢰도가 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 적용을 위한 배터리 센서와 차량 시스템 사이의 관계를 나타낸 블록 다이아그램.
도 2는 차량 시동시 수집된 전압 데이터와 전류 데이터를 나타낸 그래프.
도 3은 보간법을 이용하여 보간함수를 구하는 방식을 설명하기 위한 참고도.
도 4는 수치적분을 통한 면적을 구하는 방식을 설명하기 위한 참고도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 배터리 센서를 이용한 자동차 배터리의 건강상태 추정방법의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명에 의한 배터리 센서를 이용한 자동차 배터리의 건강상태 추정방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 센서와 차량 시스템 사이의 관계를 이용하는 것으로, 차량의 시동 시 전압과 전류의 측정 데이터를 수집하는 단계와; 샘플링 시간에 따른 전압 파형의 차량 시동 시점부터 일정시간 경과지점까지를 배터리 건강상태 추정을 위한 영역으로 설정한 후, 보간법을 이용하여 해당 영역의 전압 데이터를 적분 가능한 함수 형태의 다항식 꼴로 수학적인 변환을 하고, 수치 적분을 통하여 전압면적을 구하는 단계와; 보간법을 이용하여 상기 배터리 건강상태 추정을 위한 영역의 전류 데이터를 적분 가능한 함수 형태의 다항식 꼴로 수학적인 변환을 하고, 수치 적분을 통하여 전류면적을 구하는 단계와; 산출된 전압면적과 전류면적을 이용하여 저항을 구하고, 시험을 통해 구해진 온도와 배터리 건강상태에 따른 배터리 저항 테이블과의 비교를 통해 배터리 건강상태를 추정하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

그리고, 상기 전압면적과 전류면적을 이용하여 전력면적을 산출하고, 산출된 전력면적이 허용 전력면적을 초과하는 경우, 배터리 건강상태 추정 값이 유효하지 않은 것으로 결정하는 단계;를 더 포함할 수도 있다.

또한, 이상의 과정을 통해 추정된 배터리 건강상태 정보는 차량 관리시스템 중의 하나인 EMS(Energy Management System)에 LIN 통신으로 제공되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 배터리 센서를 이용한 자동차 배터리의 건강상태 추정방법은, 보간법과 수치적분이라는 소프트웨어적인 방식을 이용하여 일정 영역의 저항값을 구하고, 이를 배터리의 저항 테이블에 비교하여 배터리의 건강상태를 추정하게 된다.

도 2는 차량 시동 시 수집된 배터리 전압과 전류의 데이터를 그래프로 나타나타낸 것이다.

도 2에서 T1은 차량 시동 시 시작 지점이며, T2는 일정시간 경과 지점으로써 T1과 T2사이의 영역이 배터리 건강상태 추정을 위한 영역으로 작용한다.

전압 데이터와 전류 데이터의 수집은, 배터리 센서의 전압, 전류 센서를 통해 측정되는 값을 A/D 컨버터를 통해 디지털화하여 수집하고 10 msec 마다 샘플링한다.

이어서, 수집된 데이터를 라그랑쥬(Lagrange) 보간법을 사용하여 다항식 꼴의 함수로 만든다.

일반적으로, n+1개의 직교좌표계 위의 점 (x₀, y₀), (x₁, y₁), … ,(x_n, y_n)을 지나는 n차 함수의 형태는 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, L_{n ,k}(x)는 라그랑쥬 선형 보간자이며, n은 다항식의 차수, k는 주어진 정보의 순서를 의미한다.

이에 따라 차량 시동시 수집된 전압 데이터와 전류 데이터에 따른 보간하여 각각의 다항식을 구하고, 이를 이용하여 다항식을 보간함수로 변환시키면 다음의 [수학식 2]와 같이 나타난다. 도 3에는 보간법을 적용하여 보간함수를 찾는 방법이 도시되어 있다.

이어서, 상기 [수학식 2]의 함수에 사다리꼴 수치적분법을 적용하면 면적을 구할 수 있다.

도 4를 참조하여 사다리꼴 수치적분법을 설명하면 다음과 같다.

보간법에 의해 구해진 다항식 꼴의 함수는 구간 [a, b]에서 연속이고, 구간 [a, b]를 x = (b-a)/n의 길이를 갖는 n개의 부분 구간으로 분할할 수 있으므로, 다항식 꼴의 함수 ≥ 0인 구간에서의 적분값은 이 사다리 꼴의 면적의 합으로 근사값을 추정할 수 있다. 이를 수식으로 나타내면 다음의 [수학식 3]과 같다.

이상의 과정을 통해 건강상태 추정 영역의 전압면적과 전류면적을 구할 수 있게 되며, 산출된 전압면적과 전류면적을 통해 하기의 [수학식 4]와 같이 해당 영역의 저항값을 구할 수 있다.

이후, 상기 [수학식 4]에 따라 산출된 저항값을 시험을 통해 구해진 온도와 배터리 건강상태에 따른 배터리 저항 테이블과의 비교하여 배터리의 건강상태를 추정하고, 추정된 배터리 건강상태 정보는 LIN 통신을 통해 차량 관리시스템 중의 하나인 EMS(Energy Management System)에 제공한다.

이때, 전압면적과 전류면적을 곱하면 전력면적을 구할 수 있으며, 산출된 전력면적이 허용 전력면적을 초과하는 경우에는, 배터리 건강상태 추정 값이 유효하지 않은 것으로 결정하고, 배터리의 건강상태를 다시 추정한다.

본 발명에 따르면, 차량 시동 시점부터 일정시간 경과지점까지를 배터리 건강상태 추정을 위한 영역으로 설정하고, 해당 영역의 전압 데이터와 전류 데이터를 보간법과 수치적분의 소프트웨어적 방식에 적용하여 전압면적과 전류면적을 구한 후, 이로부터 비롯된 저항값을 배터리 건강상태에 따른 배터리 저항 테이블과의 비교하여 배터리의 건강상태를 추정하게 되므로, 추정값의 신뢰도를 향상시킬 수가 있다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 실시예를 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 통상의 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (3)

1. 배터리 센서를 이용하여 차량 배터리의 건강상태(SOH: State of Health)를 추정하는 자동차 배터리의 건강상태 추정방법에 있어서,
   차량의 시동 시 전압과 전류의 측정 데이터를 수집하는 단계와;
   샘플링 시간에 따른 전압 파형의 차량 시동 시점(T1)부터 일정시간 경과시점(T2)까지를 배터리 건강상태 추정을 위한 영역으로 설정하고, 보간법을 이용하여 해당 영역의 전압 데이터를 적분 가능한 함수 형태의 다항식 꼴로 수학적인 변환을 하고, 수치 적분을 통하여 전압면적을 구하는 단계와;
   보간법을 이용하여 상기 배터리 건강상태 추정을 위한 영역의 전류 데이터를 적분 가능한 함수 형태의 다항식 꼴로 수학적인 변환을 하고, 수치 적분을 통하여 전류면적을 구하는 단계와;
   산출된 전압면적과 전류면적을 이용하여 구한 저항값과, 시험을 통해 구한 배터리 저항값과의 비교를 통해 배터리 건강상태를 추정하는 단계;를 포함하고,
   전압 데이터와 전류 데이터의 수집은, 배터리 센서의 전압, 전류 센서를 통해 측정되는 값을 A/D 컨버터를 통해 디지털화하여 수집하고, 10 msec 마다 샘플링하며,
   수집된 데이터를 라그랑쥬(Lagrange) 보간법을 사용하여, n+1개의 직교좌표계 위의 점 (x₀, y₀), (x₁, y₁), … ,(x_n, y_n)을 지나는 n차 함수의 형태인 다음의 [수학식 1]의 다항식 꼴의 함수로 변환하고,
   [수학식 1]
   

   

   
   (여기서, L_n,k(x)는 라그랑쥬 선형 보간자이며, n은 다항식의 차수, k는 주어진 정보의 순서를 의미한다).
   차량 시동시 수집된 전압 데이터와 전류 데이터에 따른 각각의 다항식을 다음 [수학식 2]의 보간함수로 변환시키며,
   [수학식 2]
   

   

   
   사다리꼴 수치적분법을 적용하여 다음의 [수학식 3]에 의해 건강상태 추정 영역의 전압면적과 전류면적을 구하고,
   [수학식 3]
   

   

   
   산출된 전압면적을 전류면적으로 나누어 해당 영역의 저항값을 구한 후, 이를 시험을 통한 온도와 배터리 건강상태에 따른 배터리 저항 테이블과 비교하여 배터리의 건강상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 센서를 이용한 자동차 배터리의 건강상태 추정방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전압면적과 전류면적을 이용하여 전력면적을 산출하고, 산출된 전력면적이 허용 전력면적을 초과하는 경우 배터리 건강상태 추정 값이 유효하지 않은 것으로 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 센서를 이용한 자동차 배터리의 건강상태 추정방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   추정된 배터리 건강상태 정보는 차량 관리시스템 중의 하나인 EMS(Energy Management System)에 LIN 통신으로 제공되는 것을 특징으로 하는 배터리 센서를 이용한 자동차 배터리의 건강상태 추정방법.
   

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