KR101814260B1 - 차량용 배터리의 충전을 결정하기 위한 방법 - Google Patents

차량용 배터리의 충전을 결정하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

주 배터리 및 보조 배터리를 제공하는 것을 포함하는 배터리의 충전을 결정하기 위한 방법. 방법은 전기적 부하에게 주 배터리를 접속하는 단계; 주 배터리가 전기적 부하에 접속된 동안 주 배터리로부터 인출되는 전류 I1을 측정하는 단계; 주 배터리 및 전기적 부하와 병렬로 보조 배터리를 접속시키는 단계; 주 배터리가 전기적 부하 및 보조 배터리에 접속된 동안 주 배터리로부터 인출되는 전류 I2를 측정하는 단계; 및 적어도 I1과 I2 사이의 차이에 기초하여 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계를 포함한다.

Description

차량용 배터리의 충전을 결정하기 위한 방법{A METHOD FOR DETERMINING THE CHARGE IN A VEHICLE BATTERY}
이 발명은 차량용 배터리의 충전을 결정하기 위한 방법과 관련된다.
연료 사용에 대한 관심사로 인해, 차량 제조사들이 생태학적 사고방식을 갖는 것이 필수적으로 되었다. 이런 사고방식 하에서, 새로운 차량 시스템들을 개발할 때 효율성이 주도적 역할을 담당하고 있다. 새로운 차는 실제적인 한도에서 최소의 연료만을 소비하여, 차량이 달성하는 연비를 증가시키고 따라서 차량을 운용하는 비용 및 환경에 대한 영향을 감소시켜야만 한다.
화석 연료의 사용을 최소화하기 위해 도입될 수 있는 한 가지 특별한 특징은 자동 정지 출발 시스템(stop start system)이다. 자동 정지 출발 시스템은 엔진이 사용 중이지 않을 때 자동적으로 차량에서 엔진을 셧다운하고, 엔진이 요구되자마자 다시 엔진을 시동시킨다. 자동 정지 출발 시스템에서의 셧다운은 완전 셧다운이 아니라, 필요할 때 엔진이 바로 재시동 걸리도록 허용하는 부분 셧다운이다. 예를 들어, 교통 신호에서 차량이 공전하고 있을 때 자동 정지 출발 시스템을 이용함으로써 연료 소비량이 감소될 수 있다. 비슷한 시스템들이 하이브리드 차량에서 자주 이용되는데, 여기서 이 시스템들은 차량이 정지 상태에 있지 않더라도 이용될 수 있다. 예를 들어, 고 전압 배터리 시스템이 차량을 구동하기에 충분한 힘을 가진 동안에 내연 기관은 힘이 덜 드는 차량 사용 동안 사용되지 않을 수 있다. 자동 정지 출발 시스템은 정적 공전 동안 연료를 보존하기 위해 순 내연 기관 구동 차량들에도 사용될 수 있다.
자동 정지 출발 차량에서 극복해야만 할 한가지 주요 과제는 요구 시 엔진을 다시 시동할 때 감지할 수 없게끔 엔진을 재크랭크(re-cranking)하는 방법이다. 엔진의 재크랭크는 차량의 주 배터리로부터 상당한 전력을 요구하는데, 전형적으로 12 볼트 배터리를 요구하고, 그래서 재크랭크는 타 시스템들에 이용 가능한 전압의 강하를 야기할 수 있다. 이것은 제어 모듈들이 리셋하고 또한 다른 고장들이 발생하도록 초래할 수 있다. 차량이 시동 전에 완전히 셧다운되면 (예를 들어 점화 시스템이 디스에이블되면), 초기 크랭크 동안의 전압 강하 때문에 발생하는 어떤 고장 코드들도 기록(log)되지 않기 때문에 이런 문제들은 발생하지 않는다. 이러한 고장 코드들은 초기 크랭크가 안전성에 결정적인 시나리오가 아니기 때문에 안전하게 무시될 수 있다. 그러나 일단 차량이 구동되었고 또한 재크랭크 동안이라면, 비슷한 오류들은 무시될 수 없다. 그러므로 차량의 많은 시스템들은 기능을 계속하기 위해 및 부정확한 고장들이 기록되는 것을 방지하기 위해 신뢰할만한 전압을 요구한다. 이러한 시스템들은 제어 부품들을 포함할 수 있고, 특히 엔진 관리 시스템들은 신뢰할만한 전압을 요구하고 또한 미리 정해진 전압 감소가 발생했을 때 일반적으로 셧다운 상태에 들어갈 것이다. 차량의 전기적 시스템들 중 몇몇은 안전성에 결정적이기 때문에, 신뢰할만한 전압이 제공되는 것이 매우 중요하다. 안전성에 결정적인 시스템들은 일부 제동 시스템들, 주행 안정화 제어 등을 포함한다. 차량이 하이브리드 차량인 경우, 엔진이 꺼졌는데도 차량이 여전히 움직일 수 있으므로 조향 장치가 마찬가지로 안전성에 결정적이 된다.
헤드라이트 조명의 어두워짐(light dimming), 또는 라디오 소리의 줄어듦, 또는 임의의 유사한 효과와 같은, 운전자에 대한 가청 또는 가시적 결함 없이 재크랭크를 실행하는 것이 또한 중요하다.
이 문제를 극복하기 위해, 전형적으로 각각이 12V인 2개의 배터리가 병렬로 접속되는 새로운 하드웨어 배치가 설계되었다. 국제 특허 출원 PCT/EP2012/051484는 그러한 한 가지 시스템을 기술한다. 2 배터리 시스템에서, 주 배터리가 엔진을 재크랭크하는 데에 사용되는 동안 보조 배터리는 제어 모듈들 및 기타 시스템들을 지원하는데 사용될 수 있다. 이것은 재크랭크 동안 차량 시스템들로부터 주 배터리를 격리하는 제어 시스템을 요구하는데, 그렇지 않으면 2 배터리의 효과는 상실될 수 있다.
자동 정지 출발 시스템을 가진 종래의 차량에서, 보조 배터리는 재크랭크 동안 단지 잠시 동안 이용된다. 보조 배터리가 현저하게 순환되지 않아서 교체를 요구 받기 전에 긴 시간 동안 오래 가는 것이 바람직하다.
하이브리드 차량에서는, 대조적으로, 내연 기관이 꺼져 있는 한, 전기적 시스템의 나머지로부터 주 배터리를 격리하는 것이 전형적으로 바람직하다. 그러므로 12V 보조 배터리는, 내연 기관이 아니라 고 전압 배터리 구동 모터에 의존하여, 하이브리드가 전기적 모드에 있을 때는 언제든지 이용된다. 하이브리드 차량들은 그 중 두 개가 12V 배터리이고 나머지 하나는 300V 배터리인 적어도 3개의 배터리를 종종 구비한다.
이런 순환 문제(cycling problem)를 회피하기 위해 정상 작동 동안 보조 배터리를 격리시키는 것이 PCT/EP2012/051484에서 제안되었는데, 이것은 차량의 다른 전기적 부품들로부터 보조 배터리를 격리하는 스위치에 의해 달성된다. 그러나, 열화를 회피하기 위해서 완전 충전 상태에 보조 배터리를 유지하는 것과 배터리가 자동 정지 출발 시스템에 의한 사용을 위해 준비되도록 보장하는 것이 필요하다.
전형적으로, 종래 차량의 배터리는 배터리 모니터링 시스템(Battery Monitoring System: BMS)으로부터 획득되는 신호들을 통해 그 상태에 대해 모니터링되는데, 이 모니터링 시스템은 배터리 온도, 배터리 전압 및 배터리 전류를 측정한다. 이 정보에 의해, BMS는 배터리의 충전 상태(State Of Charge: SOC)를 도출하여, 배터리가 필요에 따라 충전될 수 있도록 한다.
2 배터리를 가진 차량에 대해, 보조 배터리의 속성들은 해당 배터리를 적절히 이용하고자 한다면 측정을 또한 요구한다. 특히, 보조 배터리의 성능 (및 다음으로 재크랭크 동안 보조 배터리에 의존하는 임의의 시스템의 성능)은 보조 배터리의 SOC에 좌우된다. 이런 이유로, 보조 배터리에 부착되는 또 다른 BMS 모듈이 SOC를 결정하는 데에 활용될 수 있다. 그러나, BMS 모듈은 값비싸고, 부가 장치를 적절히 맞추는 것은 제조 비용을 상승시킨다. 따라서, 보조 배터리 SOC의 추정이 제2 BMS 모듈의 사용 없이 실현될 수 있다면, 이것은 비용 절감으로 이어질 것이다.
본 발명의 한 양태에 따라서 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 방법 및 시스템이 제공된다. 방법은 주 배터리 및 보조 배터리를 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 전기적 부하에 주 배터리를 접속하는 단계; 주 배터리가 전기적 부하에 접속된 동안 주 배터리로부터 인출되는 전류 I1을 측정하는 단계; 주 배터리 및 전기적 부하와 병렬로 보조 배터리를 접속하는 단계; 주 배터리가 전기적 부하 및 보조 배터리에 접속된 동안 주 배터리로부터 인출되는 전류 I2를 측정하는 단계; 및 적어도 I1과 I2 사이의 차이에 기초하여 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계를 포함한다.
이런 방식으로 방법은 그 배터리로부터의 방전 전류의 크기로부터 보조 배터리의 충전 상태를 추정한다. 그러므로, 보조 배터리의 충전 상태는 보조 배터리로부터의 직접 측정들을 행해야 할 필요 없이 추정될 수 있다. 그 대신에, 추정은 주 배터리에 부착되는 배터리 모니터링 시스템(BMS)과 같은 장비만을 이용하여 도출될 수 있다. 어떤 전용 모니터링 장비도 보조 배터리에 부착될 필요가 없어서, 제2 BMS 또는 전용 전류 센서에 드는 비용을 회피하게 한다. 게다가, 전기적 부하는 내내 전력을 공급 받는데, 이는 제동 시스템들과 같이 안전성에 결정적인 시스템들을 포함하여 그러한 방법을 채택한 차량 내의 전기적 시스템들이 계속 작동할 것이라는 점을 의미한다. 방법은 주 배터리, 보조 배터리 및 전기적 부하를 포함하는 차량에 사용될 수 있다.
이 방법의 한 가지 주요 장점은 배터리의 성능이 부하가 걸린 상태에서 조사되고 있다는 점이다. 이것은 시험이 시스템을 수용한 차량의 정상 작동 동안 수행될 수 있다는 것을 의미한다. 방법의 결과들이 안전성에 결정적인 것이 아니고 또한 실패는 전형적으로 배터리에 대한 충전 주기를 야기하는 것에 불과하기 때문에, 시험의 성공적 통과는 배터리가 필요할 때 전원을 제공할 수 있다는 것을 확고하게 나타낸다.
배터리의 충전을 추정하는 것은 배터리의 충전 상태와 연관된 값을 도출하는 것을 포함할 수 있다. 대안적으로, 배터리의 충전을 추정하는 것은 배터리의 충전 상태가 하나 이상의 임계 레벨들에 관련하여 어디에 놓여 있는지를 결정하는 것을 포함할 수 있다.
방법이: I1 및 I2 의 복수의 측정을 행하는 단계; 및 I1 및 I2의 복수의 측정을 이용하여 보조 배터리의 충전 상태의 복수의 추정을 도출하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
전기적 부하의 사이즈가 시간이 지나면서 달라질 수 있음에 따라, 전기적 부하는 I1의 측정과 I2의 측정 간에 변할 수 있다. 다중 시험을 실행하는 것이 이런 오차 원인을 보상하는 것을 도울 수 있다. 방법은 충전 상태의 복수의 추정의 평균을 취하는 단계 및 평균 충전 상태를 이용하여 보조 배터리가 충전 주기를 겪을 필요가 있는지를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 배터리가 미리 정해진 임계 충전을 넘었는지 또는 배터리가 임계 충전 미만인지를 표시하는 것으로 충전 상태의 각각의 추정을 분류하는 단계를 포함할 수 있다. 이후 방법은 일단 미리 정해진 추정들의 수가 배터리가 임계 충전 미만인 것을 표시하면 배터리를 충전하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 일단 미리 정해진 추정들의 수가 배터리가 임계 충전을 넘는 것을 표시하면 방법을 종료하는 단계를 추가로 또는 대안적으로 포함할 수 있다.
방법이: 주 배터리의 온도를 결정하는 단계; 및 적어도 I1 과 I2 사이의 차이 및 주 배터리의 온도에 기초하여 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
유사하게, 방법이: 보조 배터리의 온도를 결정하는 단계; 및 적어도 I1 과 I2 사이의 차이 및 보조 배터리의 온도에 기초하여 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
이런 방식으로, 방법은 온도와 같은 알려진 상태들에 대한 그 배터리로부터의 방전 전류의 크기로부터 보조 배터리의 충전 상태를 추정한다. 각각의 배터리의 온도를 결정하는 것은 직접적으로 서미스터와 같은 센서를 이용하여 온도를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 대안적으로, 각각의 배터리의 온도를 결정하는 것은 추정된 온도를 계산하기 위해 열 모델을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 추정된 온도는 차량의 기타 로케이션들의 온도(시스템이 차량 내에 있을 때), 주위 온도, 및 얼마나 오래 차량이 작동하고 있었는지와 같은 변수들에 기초할 수 있다. 특정 실시예에서, 주 배터리의 온도는 BMS에 의해 측정될 수 있고, 보조 배터리의 온도는 열 모델을 이용하여 추정될 수 있다.
방법은 보조 배터리의 추정된 충전 상태가 미리 정해진 레벨 미만이면 보조 배터리를 위한 충전 주기를 개시하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은: 전기적 부하의 사이즈를 먼저 결정하는 단계; 및 전기적 부하가 미리 정해진 임계 부하 아래이면 방법을 중단하는 단계를 포함할 수 있다. 일단 방법이 중단되었다면, 방법은 부하가 미리 정해진 임계를 넘어서 상승하면 방법을 재시작하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 방법은: 전기적 부하의 사이즈를 먼저 결정하는 단계; 및 전기적 부하가 미리 정해진 최소 아래이면 전기적 부하의 사이즈를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
방법은: 방법을 수행하는 동안 전기적 부하의 사이즈를 결정하는 단계; 및 전기적 부하가 미리 정해진 최대를 초과하면 방법을 중단하는 단계를 포함할 수 있다.
전기적 부하의 사이즈는 직접 측정에 의해 결정될 수 있거나, 또는 예를 들어 어느 전기적 시스템들이 활성인지를 식별하고 및 각각의 시스템의 전형적 전기적 부하에 기초하여 추정을 도출함으로써 추정될 수 있다.
제3 전원이 예측 불가능한 방식들로 차량의 전기적 특성들을 변경하지 않도록 하기 위해, 방법은 측정들이 이뤄지는 동안 교류 발전기 또는 DC/DC 변환기와 같은 제3 전원을 비활성화시키는 것을 포함할 수 있다. 잘 알려진 것처럼, 교류 발전기는 배터리들을 충전하기 위해 내연 기관들을 가진 차량들에 사용되고, DC/DC 변환기는 특히 전기 모터가 정상 차량 시스템들보다 더 높은 전압에서 가동되고 전원이 그에 따라 설정되는 하이브리드 차량들에서 이용된다. 게다가, 제3 전원을 비활성화시키는 것은 주 배터리와 보조 배터리로부터의 전류 인출(current draw)을 증가시키는데 역할을 할 수 있고, 이것은 방법의 결과들을 더 믿을만하게 하는 데에 이바지한다.
방법은: I1과 I2 사이의 차이를 보조 배터리의 충전 상태와 관련시키는 테이블을 제공하는 단계; 및 이 테이블을 이용하여 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
대안적으로, I1과 I2 는 수학식에 의해 배터리의 충전 상태와 관련될 수 있다.
방법은: 현재 기여비 C를 계산하는 단계 - 여기서 C=I2/(I1-I2) - ; 및 적어도 C 값에 기초하여 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계는 C를 C의 임계값과 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 위에서 기술된 방법에 사용된 테이블을 교정(calibrate)하는 방법으로 확장되는데, 이 교정 방법은 다음을 포함한다: 미리 정해진 기간 동안 보조 배터리를 충전도 방전도 하지 않는 단계; 보조 배터리의 단자들 양단의 전압을 측정하는 단계; 적어도 단자들 양단의 전압에 기초하여 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계; 전술한 바와 같은 방법을 이용하여 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계; 2개의 추정을 비교하는 단계; 및 2개의 추정이 동일하게 되도록 테이블을 정정하는 단계.
수학식이 테이블 대신에 이용되는 경우에서, 수학식은 다음에 의해 교정될 수 있다: 미리 정해진 기간동안 보조 배터리를 충전도 방전도 하지 않는 것; 보조 배터리의 단자들 양단의 전압을 측정하는 것; 적어도 단자들 양단의 전압에 기초하여 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 것; 전술한 바와 같은 방법을 이용하여 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 것; 2개의 추정을 비교하는 것; 및 2개의 추정이 동일하게 되도록 수학식에서 적어도 하나의 상수를 정정하는 것.
위에서 기술된 2가지 교정 방법 중 어느 것이든, 보조 배터리는 보조 배터리의 단자들 양단의 전압이 측정되는 동안 부하(load)와 같은 다른 전기적 부품들로부터 격리될 수 있다. 이것은 그 결과를 변경시킬 수도 있는 배터리의 충전 또는 방전을 방지하는 것을 도울 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라 제어 유닛; 주 배터리; 및 보조 배터리를 포함하는 전력 관리 시스템이 제공된다. 제어 유닛은 전술한 바와 같은 방법을 이용하여 보조 배터리의 충전 상태를 추정하도록 배치된다. 제어 유닛은 기존의 전원 제어 유닛일 수 있다. 이런 방식으로, 본 발명은 추가적 구성 요소들에 대한 필요 없이, 기존 하드웨어 플랫폼상에서 구현될 수 있다.
제어 유닛이 메모리를 포함하고 또한 메모리가 I1과 I2 사이의 차이를 보조 배터리의 충전 상태와 관련시키는 테이블을 포함하는 것일 수 있다.
대안적으로, 메모리는 I1과 I2 사이의 차이를 보조 배터리의 충전 상태와 관련시키는 수학식을 포함할 수 있다.
제어 유닛이 전술한 바와 같은 방법을 이용하여 테이블 또는 수학식을 교정하도록 배치되는 것일 수 있다.
본 발명은 또한 전술한 바와 같은 방법을 이용하고 및/또는 전술한 바와 같은 전력 관리 시스템을 포함하는 차량을 제공한다.
따라서 본 발명은 전기적 부하, 제어 유닛에 의해 전기적 부하에게 독립적으로 접속 가능한 주 및 보조 배터리들, 및 주 배터리로부터 전기적 부하에 의해 인출되는 전류(I)를 측정하는 수단을 포함하는 차량을 제공하는데, 여기서 제어 유닛은 전기적 부하에게 주 배터리를 접속하고, 주 배터리로부터 이것이 전기적 부하에 접속된 동안 인출된 전류 I1을 결정하고, 전기적 부하에게 주 배터리와 병렬로 보조 배터리를 접속하고, 주 배터리로부터 이것이 전기적 부하와 보조 배터리에 접속된 동안 인출된 전류 I2를 측정하고, 및 적어도 I1과 I2 사이의 차이에 기초하여 보조 배터리의 충전 상태를 추정하도록 배치된다.
실시예에서, 차량은 내연 기관을 통합하고 또한 운전의 자동 정지 출발 모드를 가져서, 그에 의해 주 배터리는 엔진을 시동시키고 또한 엔진이 가동되고 있는 동안 차량의 전기적 부하를 작동시키도록 이용되고 및 보조 배터리는 엔진이 상기 운전의 자동 정지 출발 모드 동안 주 배터리에 의해 시동되고 있는 동안 차량의 전기적 부하를 작동시키도록 이용되고, 여기서 상기 제어 유닛은 엔진이 가동되고 있는 동안 보조 배터리의 충전 상태를 추정하도록 배치된다. 차량은 하이브리드 전기 차량일 수 있다. 차량이 하이브리드 전기 차량인 경우에, 보조 배터리는 임의의 전기 차량 모드에 있는 동안 이용될 수 있다.
차량의 제어 유닛은 위에서 기술된 방법 단계들을 실행하도록 배치될 수 있다.
본 응용의 범위 내에서, 선행 문단들에서, 청구항에서 및/또는 하기 기술과 도면에서 제시된 다양한 양태들, 실시예들, 예들 및 대안들과 특히 이것들의 개개의 특징들이 독립적으로 또는 임의의 조합으로 취해질 수 있다는 것이 명시적으로 상정된다. 그와 같은 특징들이 양립 가능한 것이라면, 일 실시예와 관련하여 기술된 특징들은 모든 실시예들에 적용 가능하다.
본 발명의 하나 이상의 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 이하에서 이제 설명된다.
도 1 은 차량에서의 전기적 시스템의 일부분의 도면이다;
도 2는 하이브리드 차량에서의 전기적 시스템의 일부분의 도면이다; 및
도 3은 차량에서 충전 상태를 결정하고 유지하는 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 1 및 도 2는 차량의 두 가지 상이한 유형에서의 전기적 시스템들의 도면들이다. 도 1은 자동 정지 출발 시스템이 장비된 종래의 차량에서의 전기적 시스템(11)을 보여준다. 도 2는 하이브리드 차량에서의 전기적 시스템(21)을 보여준다. 종래의 차량과 하이브리드 차량의 양쪽은 스타터 모터(12, 22), 주 배터리(13, 23), 엔진 관리 시스템, 윈드스크린 와이퍼 등등(14, 24)과 같은 다양한 부하들, 및 보조 배터리(15, 25)를 포함하는데, 그 모두가 병렬로 배치된다. 주 배터리들(13, 23) 양쪽은 BMS를 제공받는다. 종래의 차량은 교류 발전기(16)를 포함하는데, 이것은 내연 기관이 가동되고 있을 때 전력을 시스템에게 제공할 수 있다. 하이브리드 차량은 전기 모터/발전기(도시 생략) 및 고 전압 배터리(도시 생략)로부터 전력을 수신하는 DC/DC 변환기(26)를 포함한다. DC/DC 변환기(26)는 배터리들(23, 25)을 충전한다. 각각의 시스템은 또한 3개의 스위치(ES1, ES2 및 ES3)를 포함하는데, 이것들은 필요할 때 서로로부터 부품들을 격리하는데 사용될 수 있다.
종래의 차량과 하이브리드 차량이 비슷한 이중 배터리 전원 시스템들을 장비하기는 하지만, 스위치들(ES1, ES2 및 ES3)의 작동과 보조 배터리들(15, 25)의 사용은 매우 다르다. 하이브리드 차량이 연료를 절감하기 위해 엔진을 정지시키고 또한 시동할 수 있기는 하지만, 이것은 또한 저속으로 차량을 추진하는데 적합한 전기 모터를 장비하고 있다. 또한, DC/DC 변환기(26)는 하이브리드 차량의 내연 기관이 꺼진 동안 전기적 부하들(24)을 지원할 수 있는데, 교류 발전기(16)는 이것을 할 수 없다.
주 및 보조 배터리들(13, 23, 15, 25)의 양쪽은 전형적으로 12V 납 축전지들이다.
보조 배터리(15, 25)가 오랜 기간 동안 휴지(at rest) 상태에 있은 후에, 그 SOC는 배터리의 단자들 양단의 전압을 측정함으로써 추정될 수 있다. 그러므로 차량이 8 시간 넘게 꺼져 있었을 때, 보조 배터리(15, 25)의 SOC는 직접적으로 단순한 전압 측정에 의해 측정될 수 있다. 이것은 수동 시험으로서 알려져 있다.
그러나, 수동 시험은 배터리가 최근에 충전되었거나 또는 방전되었던 동안에는 쓸모가 없는데, 그 이유는 충전 및 방전이 전해질의 확산을 야기하고, 이는 다음으로 전압이 신뢰할만한 충전 표시를 제공하는 것을 방해하기 때문이다. 그러므로, 차량이 꺼진 시간이 너무 짧아서 SOC를 추정하기 위해 배터리 단자들에서 측정되는 전압을 사용할 수 없을 때, 대안 방법이 채택되어야만 한다.
한가지 방법은 보조 배터리의 충전 상태를 추정하기 위해 전압이 아니라 보조 배터리의 전류를 이용하는 것이다. 이것은 능동 시험으로서 알려져 있다.
도 3은 보조 배터리(15)의 SOC를 추정하기 위해 도 1에 도시된 바와 같은 차량에서 전력 관리 시스템에 의해 이용될 수 있는 절차인 능동 시험을 보여주는 흐름도(41)이다. (동일한 접근법이 도 2에 대하여 취해질 수 있지만, 하기 기술은 달리 특정되지 않는 한 도 1만을 참조한다).
제1 단계 S1에서, 전력 관리 시스템은 그러한 시험이 필요하다는 것을 결정하고 또한 시험이 수행될 것을 바라는 요청을 제출한다. 요청은 전력 관리 시스템 내의 스위치 제어 유닛에게 제출되는데, 이 스위치 제어 유닛은 스위치들 ES1, ES2의 배치를 제어하고 또한 따라서 차량이 시험을 수행하기 위해 정확한 상태에 놓여질 수 있는지를 제어한다. 단계 S2에서, 스위치 제어 유닛은 상태들이 시험을 수행하기에 유효한지를 확인한다. 이들이 유효하면 시험은 진행된다. 단계들 S3 및 S4에서, 토큰이 발행된다. 토큰은 시험이 진행되기 위한 허락을 나타낸다.
이후 교류 발전기(16)는, 교류 발전기에서의 자계를 위한 여자 전류(excitation current)를 최소화함으로써 보통은 1과 2 암페어 사이의 전류를 제공하는 최소 출력에 설정된다. 이런 것이 흐름도에 언급되지는 않았지만, 이 단계는 후속적으로 배터리들로부터 인출되는 전류를 증가시키고 이것은 보조 배터리(15)에서의 충전의 더 신뢰할만한 측정으로 이어지도록 이바지하므로, 이 단계는 도움이 된다. 단계 S5에서, ES1은 닫히고 ES2는 열린다. 이 구성에서, 주 배터리(13)는 부하(14)에 대한 모든 전력을 제공한다. 전류가 스위치들이 작동된 후에 갑작스런 변화를 겪게 됨으로, 이후 전력 관리 시스템은 5초 동안 대기한다(단계 S6). 이후 전력 관리 시스템은, 이 단에서 주 배터리(13)에 의해 산출되고 있는 전류인 IB1을 측정하기 위해 BMS를 이용한다. 이 측정은 IB1,0으로서 기록된다.
단계 S7에서, ES2는 닫혀서 주 배터리(13)와 보조 배터리(15) 양쪽이 부하(14)에게 접속되도록 한다. 다시, 전력 관리 시스템은 다시금 IB1을 측정하기 전에 5초 동안 대기한다(단계 S8). 이 측정은 IB1,1로서 기록된다.
보조 배터리에 의해 기여되는 전류, IB2는 이후 다음과 같이 계산될 수 있다:
IB2 = IB1,0 - IB1,1
IB2가 음의 값이면, 이것은 주 배터리(13)로부터 인출되는 전류가 보조 배터리(15)가 접속되었을 때 감소된 것을 나타낸다. 이에 따라, 보조 배터리(15)는 부하에 유용하게 기여하기 위한 크고 충분한 용량(capacity)을 갖는다.
IB2가 양의 값이면, 이것은 주 배터리(13)으로부터 인출되는 전류가 보조 배터리(15)가 접속되었을 때 증가된 것을 나타낸다. 이에 따라, 보조 배터리(15)는 부하에 유용하게 기여하기 위한 크고 충분한 용량을 갖지 않는다.
예를 들어, 단계들 S5 및 S6에서, I_LOAD (부하에 의해 인출된 전류)가 40A이고 I_GEN(교류 발전기에 의해 발생되는 전류)이 0A일 때, 이후 IB1,0 =-40A. 그러면, ES2가 닫힐 때, IB1에서의 변화는 보조 배터리의 충전 상태에 의존한다. IB1이 -40A로부터 -60A로 떨어지면, 이후 IB2 = -40A-(-60A) = 20A이고, 이것은 보조 배터리가 주 배터리로부터 전류를 인출하고 있고 또한 충전하고 있는 것을 나타낸다. 대안적으로, IB1이 -40A로부터 -20A로 증가하면, 이후 IB2 = -40A-(-20A) = -20A이고, 이것은 보조 배터리가 방전하고 있는 것을 나타낸다.
이에 따라, IB2는 주 배터리의 SOC 뿐만 아니라 보조 배터리(15)의 SOC에도 관련된다.
그러나, IB2는 또한 주 배터리(13)의 SOC에 의존하여 변한다. 그러므로 전력 관리 시스템은 단계 S9에서 주 및 보조 배터리들(13, 15)에 의해 기여되는 전류들의 비를 계산한다. 이것은 다음과 같이 정의되는 전류 기여 비, CCrt를 제공한다:
CCrt = IB1,1/IB2
S10 단계에서, 이후 전력 관리 시스템은 비 CCrt를 임계 비 Ct와 비교한다. CCrt가 Ct보다 크거나 동등하면, 이것은 보조 배터리(15)에서의 충전 상태가 너무 낮다는 것을 나타낸다. CCrt가 Ct보다 작거나 또는 동등하면, 이것은 보조 배터리(15)에서의 충전 상태가 적절하다는 것을 나타낸다.
Ct의 값은 주 배터리(13)의 사이즈와 보조 배터리(15)의 사이즈에 의존한다. 그러나 이것들은 고정된 변수들이고 차량을 설계하고 전력 관리 시스템을 교정할 때 고려될 수 있다. 더 문제되는 것은, Ct의 이상적 값이 주 및 보조 배터리들(13, 15)의 온도에 또한 의존한다는 점이다. 특히, 각각의 배터리의 내부 저항은 전해질의 온도가 감소함에 따라 증가한다. 그러므로 CCrt는 양쪽 배터리들의 충전 상태 및 온도와 관련된다. 이와 같이 Ct는 배터리들(13, 15)의 온도에 대하여 가변적이다.
BMS는 주 배터리에 대한 온도를 제공할 수 있다. 보조 배터리의 온도는 전용 온도 센서로 제공될 수 있거나 또는 차량에 관한 다른 알려진 사실들로부터 추론될 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 실시예에서, 보조 배터리(15)는 차량의 보닛 아래에서 주 배터리(13)의 옆에 자리 잡을 수 있다. 이에 따라 주 배터리(13)의 온도는 보조 배터리(15)의 온도에 대한 추정 값의 역할을 한다. 차량의 기타 설계들에서, 예를 들어, 주위 온도, 차량에서의 배터리의 로케이션, 및 얼마나 오래 차량이 가동되고 있는지에 기초하여 더 복잡한 계산이 이뤄질 필요가 있을 수 있다.
일단 2개의 온도가 결정되면, Ct에 대한 적합한 값이 주 배터리(13)와 보조 배터리(15)의 알려진 특징들을 가진 배터리들에 대해 온도들을 Ct와 관련시키는 맵을 이용하여 결정될 수 있다. 이 맵은, 예를 들어, 상이한 온도들의 범위에서 주 배터리(13) 및 보조 배터리(15), 또는 동일 특성들을 가진 기타 배터리들을 시험하고 및 온도와 배터리들의 성능 사이의 관계성을 결정함으로써 도출될 수 있다.
도 1에 도시된 것과 같은 전기적 시스템에서의 부하(14)는 시간 경과에 따라 변화를 겪게 된다. 예를 들어, 전력 관리 시스템이 도 3에 도시된 절차를 수행하고 있는 동안, 운전자는 히터 부착 좌석들을 활성화할 수 있거나, 또는 전방 또는 후방 윈드스크린에 대한 가열을 활성화할 수 있는데, 이 둘은 부하를 현저하게 변화시킬 수 있다.
이런 오차 근원을 알아차리기 위해, 전력 관리 시스템은 여러 번 검사를 실행한다. 도 4 에서 S11 및 S12 단계들에 보여진 것처럼, 시험이 시행되는 때마다, 전력 관리 시스템은 CCrt < Ct이면 카운터 SOC2High를 증분시키고, CCrt ≥Ct이면 카운터 SOC2Low를 증분시킨다.
일단 SOC2High가 임계값 SOC2HighMax에 도달하면(S13 단계), 이것은 배터리가 충분히 충전된 표시로 받아들여진다(S14 단계). 주어진 예에서, 목표 SOC는 80% 충전이고, SOC2HighMax는 3이다. 그러므로, 일단 전력 관리 시스템이 보조 배터리(15)가 적어도 80% 충전을 갖는 것을 표시하는 3개의 누적 결과를 수신하면, 보조 배터리(15)가 충전되고 사용할 준비가 된 것으로 받아들여진다.
유사하게, 일단 SOC2Low가 임계값 SOC2LowMax에 도달하면(S15 단계), 이것은 배터리가 충분히 충전되지 않은 표시로 받아들여진다(S16 단계). 주어진 예에서, SOC2LowMax는 3이다. 그러므로, 일단 전력 관리 시스템이 보조 배터리(15)가 80% 충전 미만을 갖는 것을 표시하는 3개의 누적 결과를 수신하면, 보조 배터리(15)가 충전될 필요가 있다는 것으로 받아들여진다. 보조 배터리를 충전하기 위해, 교류 발전기(16)는 재활성화되고 보조 배터리(15)에게 접속된다.
전력 관리 시스템은 또한 CCrt가 측정되는 때마다 카운터 SOC2Run을 증분시킨다(S11 및 S12 단계들). SOC2Run이 임계값 SOC2RunMax를 초과하면 이것은 또한 배터리가 충분히 충전되지 않은 표시로 받아들여진다(S17 단계).
능동 시험 동안, 전력 관리 시스템은 어떤 기타 시스템들이 차량에서 활성인지를 모니터링한다. 부하(14)가 주 및 보조 배터리들(13, 15)에 의해 안전하게 공급될 수 있는 것보다 더 높게 상승할 것으로 보이면, 이후 전력 관리 시스템은 능동 시험을 중단하고 교류 발전기(16)을 재활성화한다.
전력 관리 시스템은 시험 동안 주 배터리(13)의 충전 상태를 또한 모니터링한다. 주 배터리(13)의 충전 상태가 안전성 임계값 미만으로 떨어지면, 이후 시험은 중단되고 교류 발전기가 부하들을 지원하는데 사용된다. 시험은 일단 주 배터리(13)의 충전 상태가 다시 높아지면 다시 초기화될 수 있다.
도 2로 돌아가면, 본 도면에서의 보조 배터리(25)는 앞서 약술한 방법을 이용하여 모니터링될 수 있다. 유일한 차이는 이것이 교류 발전기(16)가 아니라 듀티 사이클을 설정함으로써 턴 오프되는 DC/DC 변환기(26)라는 것이다.
차량에서의 전력 관리 시스템은 다수의 이유로 보조 배터리(15, 25)에서 SOC 시험을 개시할 수 있다. 예를 들어, 전력 관리 시스템은 최종의 그런 검사 이후 미리 정해진 기간이 경과한 후에 검사를 수행하도록 구성될 수 있다. 또한, 전력 관리 시스템은 보조 배터리(15, 25)가 충전 주기를 겪은 후에 바로 검사를 실행하도록 구성될 수 있다. 이런 방식으로 전력 관리 시스템은 보조 배터리(15, 25)가 성공적으로 충전되었다는 것을 확인할 수 있다.
검사가 충전 주기 후에 실행되고 또한 보조 배터리(15, 25)가 충전되지 않은 것으로 발견되면, 전력 관리 시스템은 이것을 성공하지 못한 충전 사건으로서 기록하고, 제2 충전 주기를 개시한다. 이는, 부하(14, 24)가 충전 주기 동안 높고 따라서 부하가 보조 배터리(15, 25)의 유효 충전을 방해하기에 충분한 전류를 인출한다면, 일어난다. 그러나, 성공하지 못한 충전 주기들은, 특히 몇 개의 성공하지 못한 충전 주기가 연달아 있다면, 보조 배터리가 서비스를 받거나 또는 교체될 필요가 있다는 것을 또한 나타낼 수 있다. 이 목적을 위해, 전력 관리 시스템은 차량을 서비스할 때의 사용을 위해, 성공하지 못한 충전 사건들 및 성공한 충전 사건들의 기록을 작성한다. 성공하지 못한 충전 사건들의 수가 최소 임계값을 초과하면, 보조 배터리(15, 25)가 검사될 것을 권고하는 메시지가 운전자에게 표시된다.
전형적으로, 소정의 최소 부하(14, 24)가 전력 관리 시스템이 보조 배터리(15, 25)의 SOC를 정확하게 추정할 수 있다는 것을 보장하기 위해 요구된다. 이에 따라 부하가 너무 작으면, 전력 관리 시스템은 부하가 미리 정해진 최소값을 넘어서 상승할 때까지 SOC를 추정하는 것을 지연시킬 수 있다. 대안 실시예에서, 부하가 너무 작으면, 전력 관리 시스템은 시험 주기 동안 부하(14, 24)를 상승시키기 위해 다른 전력 소비 시스템들을 활성화할 수 있다. 그러나, 이것은 특이한 것일 수 있는데, 그 이유는 전형적으로 보조 배터리(15, 25)의 SOC의 정확한 추정을 위한 요구 부하가 엔진의 기저 부하, 즉 엔진이 가동 중인 동안 생성할 수 있는 최소 부하에 가깝기 때문이다.
전력 관리 시스템은 차량이 충분히 긴 기간 동안, 전형적으로 8시간 동안 꺼져 있었다면 보조 배터리(15, 25)에서의 추정된 충전 상태의 정정(correction)을 실행할 수 있다. 정정을 실행하기 위해, 전력 관리 시스템은 보조 배터리(15, 25)의 단자들 양단에 걸친 전압을 측정함으로써 수동 시험을 실행한다. 전력 관리 시스템은 수동 시험의 결과를 능동 시험의 최종 알려진 결과와 이후 비교하고, 어떤 불일치라도 있다면 수동 시험의 결과를 이용한다.
추가 실시예에서, 전력 관리 시스템은 차량이 충분히 긴 기간 동안 꺼져 있었다면 교정 검사(calibration check)를 수행할 수 있다. 교정 검사를 실행하기 위해, 전력 관리 시스템은 보조 배터리(15, 25)의 단자들 양단에 걸친 전압을 측정함으로써, 수동 시험을 먼저 실행한다. 전력 관리 시스템은 전술한 바와 같이 배터리들을 접속 해제하고 접속시킴으로써, 능동 시험을 이후 실행한다. 수동 시험이 먼저 실행되어 결과들이 능동 시험 동안 생기는 방전에 의해 왜곡되지 않도록 한다. 전력 관리 시스템은 이후 2개의 시험의 결과들을 비교하고, 수동 시험의 결과들에 따라 능동 시험을 교정한다.
이에 따라, 전력 관리 시스템은 주 및 보조 배터리들(13, 23, 15, 25)의 특성들이 이들이 노후화함에 따라 변한다면 적응할 수 있다.
위의 설명은 보조 배터리의 충전 상태를 결정하는 방법과 관련된다. 그러나 이 방법은, 예를 들어 보조 배터리가 배터리 모니터링 시스템을 제공받는다면, 주 배터리의 충전 상태를 결정하는데 또한 사용될 수 있다.
유사하게, 위에서 설명된 방법은 충전 상태의 추정을 도출하기 위해 전류 측정들의 복수의 세트를 이용한다. 그러나, 단 하나의 측정들의 세트가 이것이 바람직하다면 이용될 수 있다. 게다가 충전 상태는 전류 기여 비 C를 계산하는 것이 아니라, 예를 들어 전류의 측정된 값들을 배터리의 예상된 충전 상태와 직접적으로 관련시키는 데이터베이스와 측정된 전류들 I1 및 I2를 비교하는 것과 같은 다른 방법들을 이용하여 추정될 수 있다.
위에서 설명된 방법은 전력 관리 시스템에 의해 수행될 수 있다. 대안적으로, 방법은 차량 내의 몇몇 다른 시스템에 의해, 또는 예를 들어 유지 관리 동안 차량에 부착되는 외부 시스템에 의해 수행될 수 있다.
본 명세서의 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐서, "포함한다" 및 "구비한다"라는 단어 및 이들의 변형 표현들은 "을 포함하지만 이것들에만 국한되지는 않는"을 의미하고, 이들은 다른 일부분, 부가물, 구성 요소, 정수 또는 단계를 배제하는 것을 의도하지 않으며 (또한 배제하지도 않는다). 본 명세서의 설명 및 청구 범위 전체에 걸쳐, 단수는 문맥이 달리 요구하지 않는다면 복수를 포괄한다. 특히, 부정 수식어가 이용될 경우, 문맥이 달리 요구하지 않는다면, 명세서는 복수뿐만 아니라 단수도 상정하는 것으로 이해해야 한다.
본 발명의 특정 양태, 실시예 또는 예들과 연계하여 기술되는 특징, 정수, 특성, 화합물, 화학적 부분물(chemical moiety) 또는 그룹들은 그것과 함께 비 호환되는 것이 아니라면, 본 명세서에서 기술되는 임의의 다른 양태, 실시예 또는 예에 적용 가능한 것으로 이해해야 한다. 이 명세서(임의의 첨부 청구항들, 요약 및 도면을 포함함)에서 개시되는 모든 특징들, 및/또는 그렇게 개시된 임의의 방법 또는 절차의 모든 단계들은 그와 같은 특징들 및/또는 단계들 중 적어도 일부가 상호 배타적인 조합들을 제외하고, 임의의 조합으로 조합될 수 있다. 본 발명은 임의의 선행 실시예들의 상세 사항들에만 국한되지는 않는다. 본 발명은 이 명세서(임의의 첨부된 청구항, 요약서 및 도면들을 포함함)에 개시되는 특징들 중 임의의 신규한 하나 또는 임의의 신규 조합에게, 또는 그렇게 개시되는 임의의 방법 또는 절차의 단계들 중 임의의 신규한 하나 또는 임의의 신규한 조합에게 확장된다.

Claims (16)

  1. 배터리의 충전 상태를 결정하는 방법으로서:
    전기적 부하에게 주 배터리를 접속하는 단계;
    상기 주 배터리가 상기 전기적 부하에 접속된 동안 상기 주 배터리로부터 인출되는 전류 I1을 측정하는 단계;
    상기 주 배터리 및 상기 전기적 부하와 병렬로 보조 배터리를 접속시키는 단계;
    상기 주 배터리가 상기 전기적 부하 및 상기 보조 배터리에 접속된 동안 상기 주 배터리로부터 인출되는 전류 I2를 측정하는 단계; 및
    적어도 I1과 I2 사이의 차이에 기초하여 상기 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계
    를 포함하는 배터리 충전 상태 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서:
    I1과 I2의 복수의 측정을 행하는 단계; 및
    상기 I1과 I2의 복수의 측정을 이용하여 상기 보조 배터리의 충전 상태의 복수의 추정을 도출하는 단계
    를 포함하는 배터리 충전 상태 결정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서:
    상기 주 배터리의 온도를 결정하는 단계; 및
    적어도 상기 I1과 I2 사이의 차이, 및 상기 주 배터리의 온도에 기초하여 상기 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계
    를 포함하는 배터리 충전 상태 결정 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서:
    상기 보조 배터리의 온도를 결정하는 단계; 및
    적어도 상기 I1과 I2 사이의 차이, 및 상기 보조 배터리의 온도에 기초하여 상기 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계
    를 포함하는 배터리 충전 상태 결정 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서:
    상기 보조 배터리의 추정된 충전 상태가 미리 정해진 레벨 아래이면 상기 보조 배터리를 위한 충전 주기를 개시하는 단계
    를 포함하는 배터리 충전 상태 결정 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서:
    상기 전기적 부하의 사이즈를 먼저 결정하는 단계; 및
    상기 전기적 부하가 미리 정해진 임계값 아래이면 상기 방법을 중단하는 단계
    를 포함하는 배터리 충전 상태 결정 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서:
    상기 방법을 수행하는 동안 상기 전기적 부하의 사이즈를 결정하는 단계; 및
    상기 전기적 부하가 미리 정해진 최대를 초과하면 상기 방법을 중단하는 단계
    를 포함하는 배터리 충전 상태 결정 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서:
    전류 기여 비 C를 계산하는 단계 - 여기서, C = I2 /(I1- I2) -; 및
    적어도 C 값에 기초하여 상기 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계
    를 포함하는 배터리 충전 상태 결정 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계는 C의 임계값과 C를 비교하는 단계를 포함하는 배터리 충전 상태 결정 방법.
  10. 제1항 에 있어서:
    상기 I1과 I2 사이의 차이를 상기 보조 배터리의 충전 상태와 관련시키는 테이블을 제공하는 단계; 및
    상기 보조 배터리의 충전 상태를 추정하기 위해 상기 테이블을 이용하는 단계
    를 포함하는 배터리 충전 상태 결정 방법.
  11. 제10항에 있어서:
    미리 정해진 기간 동안 상기 보조 배터리를 충전도 방전도 하지 않고;
    상기 보조 배터리의 단자들 양단의 전압을 측정하고;
    적어도 상기 단자들 양단의 전압에 기초하여 상기 보조 배터리의 충전 상태의 제1 추정치를 추정하고;
    제1항 또는 제2항에 따른 방법을 이용하여 상기 보조 배터리의 충전 상태의 제2 추정치를 추정하고;
    상기 제1 및 제2 추정치를 비교하고; 및
    상기 제1 및 제2 추정치가 동일하게 되도록 상기 테이블을 정정함으로써 상기 테이블을 교정하는 단계
    를 포함하는 배터리 충전 상태 결정 방법.
  12. 전력 관리 시스템으로서:
    제어 유닛;
    주 배터리; 및
    보조 배터리
    를 포함하고,
    상기 제어 유닛은 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 이용하여 상기 보조 배터리의 충전 상태를 추정하도록 배치되는
    전력 관리 시스템.
  13. 삭제
  14. 전기적 부하, 제어 유닛에 의해 상기 전기적 부하에 독립적으로 접속 가능한 주 및 보조 배터리들 및 상기 주 배터리로부터 상기 전기적 부하에 의해 인출되는 전류 I를 측정하는 수단을 포함하는 차량으로서,
    상기 제어 유닛은 제1항 또는 제2항의 방법을 실행하도록 배치되는 차량.
  15. 제14항에 있어서, 상기 차량은 내연 기관을 통합하고 또한 운전의 자동 정지 출발 모드를 가지며, 그에 의해 상기 주 배터리는 엔진을 시동하고 또한 엔진이 가동되고 있는 동안 상기 차량의 전기적 부하를 작동시키도록 이용되고, 상기 보조 배터리는 엔진이 상기 운전의 자동 정지 출발 모드 동안 상기 주 배터리에 의해 시동되는 동안 상기 차량의 전기적 부하를 작동시키기 위해 이용되고, 여기서 상기 제어 유닛은 엔진이 구동되고 있는 동안 상기 보조 배터리의 충전 상태를 추정하도록 배치되는 차량.
  16. 삭제
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