KR101860706B1 - 배터리 충전상태 관리 방법 - Google Patents

Abstract

이동 차량에서 사용하기 위한 하이브리드 연료 전지-배터리 시스템에서 배터리의 충전상태(SOC)를 추정하고 조절하기 위한 장비 및 방법들. SOC는 연속적으로 추정되며 연료 전지 전력은 배터리가 차량에서 사용되는 모터들을 동작시키기에 충분한 저장된 에너지와, 다른 동작들 동안 이들 모터들로부터 회생 에너지를 받아들이기에 충분한 예비 용량을 갖게 하는 레벨로 SOC를 유지하게 조절된다.

Description

배터리 충전상태 관리 방법{BATTERY STATE-OF-CHARGE MANAGEMENT METHOD}

이 출원은 둘 다 전체를 참조로서 포함시키는 2009년 10월 19일에 출원된 미국 가특허출원 61/253,013, 및 2009년 11월 10일에 출원된 미국 가특허출원 61/259,813에 대한 우선권을 주장한다.

포크리프트 트럭들 및 골프 카트들과 같이 배터리들에 의해 전력이 공급되는 전기차들은 사람들 및 제품들을 수송 및/또는 리프트하기 위한 제조, 도매 및 소매 작업들에서 자주 사용된다. 그러나, 이들 전기차들은 단점들이 있을 수 있다. 예를 들면, 포크리프트 트럭은 매 6 내지 8 시간마다 재충전되어야 하며, 예비 배터리들 및 충전 장비를 위한 창고 공간을 필요로 한다. 또한, 차의 성능은 배터리들이 고갈됨에 따라 점진적으로 감소한다.

이에 반해서, 연료 전지로 전력이 공급되는 전기차들은 신속하게 재충전될 수 있고, 이동 내내 이들의 성능을 유지할 수 있고, 배터리 보관 및 충전 장비를 위한 유용한 창고 공간을 마련해 두어야 하는 필요성을 제거함으로써 비용을 절약할 수 있게 한다. 본원에 기술되는 하이브리드 연료 전지 시스템은 이들 잇점들 중 적어도 하나를 고려할 수 있다.

본원에서 사용되는 하이브리드 연료 전지 시스템은 연료 전지 및 배터리를 포함하는 시스템을 지칭한다. 본원에서 사용되는 "배터리"라는 용어는 대략적으로, 화학적 배터리들(예를 들면, 납축 배터리, 리튬 이온 배터리, 니켈-금속 수소화물 배터리, 니켈-카드뮴 배터리) 및 울트라 캐패시터들을 포함하는 -그러나 이들로 제한되는 것은 아님- 전력을 반복적으로 저장 및 분배할 수 있는 장치를 지칭한다.

하이브리드 전력 시스템에서, 연료 전지는 전력을 모터들에, 그리고 정상적 작동 동안에는 배터리에 공급한다. 배터리는 전기 수요를 완충하며, 피크 로드에서 연료 전지 전력을 보충하며 회생 에너지(regenerative energy)를 흡수한다. 예를 들면, 포크리프트들에 있어서, 배터리가 견인 모터(traction motor) 및 리프트 모터의 피크 전기 수요를 충족시킬만큼 충분한 에너지를 갖고 있어야 하므로, 이 배터리의 충전상태(state-of-charge, "SOC")의 관리가 중요하지만, 차가 제동 또는 로드를 하강하는 것과 같은 회생 이벤트들이 행해질 때는 회생 에너지를 받아들일 수 있도록 완전히 충전되지 않아야 한다. 회생 이벤트들 동안 배터리 SOC가 너무 높다면, 배터리 전압은 배터리, 모터들, 또는 모터들의 제어기들을 손상시킬 수 있는 안전하지 못한 레벨까지 상승할 수 있고, 그럼으로써 시스템 고장 및 셧다운을 야기할 수 있다.

배터리 SOC의 관리는 전형적으로 SOC의 직접적인 측정이 흔히 비현실적이기 때문에, SOC 추정치를 요구한다. 배터리의 SOC 추정치를 얻기 위해 전류 적분 방법(쿨롱 카운팅이라고도 함)을 사용하는 것이 이 기술에 공지되어 있다. 그러나, 이 방법은 시간이 지남에 따라 SOC 추정치를 부정확하게 하는 장기 드리프트가 발생한다.

본 발명은 SOC 추정치를 얻기 위해 배터리 전압 및 배터리 전류를 사용하는 방법을 제공한다. 이 발명에서 추정기는 배터리의 전기적 등가회로로부터 도출되는 모델에 기초한 루엔버거 관측기(Luenberger observer)이다. 어떤 실시예들에서, SOC 추정치는 배터리가 견인 모터 및 리프트 모터에 공급하는데 충분한 저장된 에너지, 및 이들 모터들로부터 회생 에너지를 받아들이는데 충분한 예비 용량을 갖게 하는 레벨로 SOC를 유지하기 위해 연료 전지 전력을 조절(throttle)하는 레귤레이터에 의해 사용된다.

따라서, 본 발명의 하나의 실시예는 배터리 및 연료 전지를 포함하는 하이브리드 전력 시스템에서 배터리의 충전상태를 관리하는 방법에 있어서, 설정점을 정의하는 단계; 배터리 전류 및 배터리 전압을 사용하여 배터리의 현재 충전상태를 추정하는 단계; 및 설정점과 배터리의 추정된 현재 충전상태 간에 차이에 기초하여, 연료 전지에서 배터리로 공급되는 연료 전지 전류를 조작함으로써 배터리의 충전상태를 조절하는 단계를 포함하는 방법에 대한 것이다. 이 실시예는 배터리 충전상태를 설정점에 유지할 수 있다.

도 1은 포크리프트 트럭에서 사용하기 위한 하이브리드 연료 전지 시스템의 실시예의 개략도.
도 2는 배터리를 모델링하기 위해 사용되는 등가회로.
도 3는 배터리 SOC의 추정 및 제어를 나타낸 흐름도.
도 4는 이 발명의 하나의 실시예에 따른 파라미터들의 값들을 가진 표.
도 5 및 도 6은 배터리 SOC 제어를 갖는 하이브리드 전력 시스템의 시뮬레이션 수행으로부터의 실험 데이터.

도 1은 포크리프트 트럭에서 사용하기 위한 하이브리드 연료 전지 시스템을 도시한 것이다. 동일 전기 도체("버스"라고도 함) 상에 병렬로 배터리 팩, DC/DC 컨버터와 직렬연결된 연료 전지 스택, BoP(balance-of-plant) 성분들, 견인 모터, 및 리프트 모터가 연결된다. BoP는 전형적으로 공기 압축기, 워터 펌프, 팬, 전기 제어유닛, 그리고 수소 수송, 워터 퍼지 및 질소 퍼지를 위해 사용되는 밸브들을 포함한다. BoP는 전압(V_BUS)에서 I_BOP의 전류를 소비한다. 연료 전지 스택은 특정 연료 전지의 분극곡선에 대응하는 전압에서 전류(I_FC)를 생성한다. DC/DC 컨버터는 연료 전지 전압을 버스 전압(V_BUS)으로 조절하고 전류(I_DC/DC)를 생성한다. 견인 모터 전류(I_Traction)는 트럭이 가속하고 있으면 포지티브이며 트럭이 제동하고 있으면 네거티브이다. 리프트 모터 전류(I_Lift)는 트럭이 짐을 들어 올리고 있으면 포지티브이고 짐을 하강하고 있으면 네거티브이다. 부하 전류(I_Load)는 견인 모터 및 리프트 모터의 전류의 조합이다.

I_Load = I_Traction + I_Lift

배터리 전류(I_Battery)는 부하 전류 + BoP 전류 - DC/DC 출력 전류와 같다.

I_Battery = I_Load + I_BOP - I_DC/DC (1)

직접적인 전압 측정에 의해서 혹은 DC/DC 컨버터에 의해 감지된 후 제어유닛에 통보되어 배터리 전압(V_Bus)을 하이브리드 연료 전지 제어유닛이 사용할 수 있게 된다. 배터리 전류(I_battery)는 직접적으로 측정될 수 있고 혹은 I_Load, I_BOP, 및 I_{DC / DC}에 대해 측정되거나 추정된 값들에 기초하여 식(1)에 따라 계산될 수 있다.

도 2는 배터리를 모델링하기 위해 사용되는 등가회로를 도시한 것이다.

C_C는 배터리 용량을 모델링하는 큰 캐패시터이며, 완전히 충전된 배터리에 대해서 SOC = 1이 되도록,

C_C = 배터리 암페어 아워 레이팅(Battery amp hour rating) * 3600

이 되게 선택된다.

배터리 용량은 배터리 방전 충전 비효율을 고려하여 조절된다.

I_battery ≥ 0이라면, C_C(I_b) = 3600 * 배터리 암페어 아워 레이팅 * e^{-Discharging coeff*Ibattery(k)} 이며,

I_battery < 0 이라면, C_C(I_b) = 3600 * (배터리 암페어 아워 레이팅 - 충전 coeff*I_battery(k))이다.

캐패시터(C_C)는 배터리의 방전 및 충전을 모델링하기 위해서, 전류(I_battery(k))를 가진 전류원과 병렬로 연결된다.

배터리 전압(V_Bus)은 배터리의 임피던스를 모델링하는 저항(R_Series)과 직렬로 연결된 배터리 개방 회로 전압(V_oc)에 대응하는 전압원을 갖는 회로의 출력으로서 모델링된다.

배터리 개방 회로 전압은 SOC과 선형 관계를 갖는 것으로 가정된다.

따라서, 배터리 모델은

(2)

점 기호는 시간 미분을 나타낸다.

배터리 모델은 배터리 자체-방전을 모델링하기 위해 C_C와 병렬로 배치된 저항을 포함하거나, SOC와 V_oc 간에 비선형 관계를 갖거나, 혹은 배터리 전압에서 과도(transients)를 더 정확하게 모델링하기 위해 직렬 임피던스에 추가되는 저항들 및 캐패시터들의 네트워크를 가질 수도 있을 것이다.

도 3은 SOC 추정 및 조절의 흐름도이다. 식(2)에 나타낸 배터리 모델을 구축함으로써, 루엔버거 관측기는 측정되거나 계산된 배터리 전압 및 전류(V_bus, I_battery)에 기초한 SOC의 추정치를 준다.

(3)

이고,

이며, 모자(hat) 기호는 대응하는 변수의 추정치를 나타낸다.

루엔버거 관측기는 이 기술에 공지된 것으로, 관측기 이득 L은 극점 배치 및 칼만 필터링(Kalman filtering)을 포함한 다양한 방법들을 사용하여 계산될 수 있다. 칼만 필터링 설계는 시스템 다이나믹스에 대해 프로세스 및 측정 노이즈 구조를 취하고 시스템 상태의 정상-상태 오차 공분산을 최소화할 이득 L을 줄 것이다.

식(3)에 나타낸 관측기는 하이브리드 연료 전지 시스템의 디지털 제어유닛 상에 구현되게 하기 위해서 이산화될 필요가 있다. 추정 알고리즘을 위해 샘플링 시간(T_S), 및

의 시간 미분의 오일러(Euler) 근사화를 취하면, 관측기의 다음의 이산 구현이 얻어진다:

이것은 다음과 같이 나타낼 수도 있다.

이어서 SOC 추정치는 0과 1 사이로 강제된다:

SOC 추정치는 이전 시스템 셧다운 동안 취해진 추정치의 기록된 값과 동일한 초기값을 갖는다. 포크리프트 트럭이 경 전력 소비 모드에서 사용되거나, 혹은 활동적으로 작동되지 않는다면, 시스템 셧다운 메커니즘은 임계 고 SOC 값에 의해 트리거될 것이며 연료 전지로부터 전류를 차단함으로써, 배터리들이 과충전되는 것을 방지한다. 한편, 배터리로부터 임계값(예를 들면, I_load = 20 amp 이상)까지 파워를 인출하는 전기 부하를 검출하는 부하 검출 메커니즘은 연료 전지 시스템을 재기동시킴으로써 배터리가 재충전되게 할 것이다.

SOC 추정치는 연료 전지 전류(I_FC)를 조작함으로써 요망되는 설정점 값(SOC_SP)으로 조절된다. 본 실시예에서, SOC 조절을 위해 비례 제어기가 사용되나, 비례-적분, 비례-적분-미분, 선형 이차 레귤레이터, 그외 고전적인 제어 방법들, 최신, 비선형, 로버스트, 최적, 추계학적, 적응형, 지능형을 포함한 -그러나 이들로 제한되는 것은 아님- 그외 다른 제어 기술들이 사용될 수 있다. 비례 제어기는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

제어이득(K_{SOC reg})은 대략 SOC 제어 시정수 초(second)의 시정수를 갖는 SOC의 폐루프 다이나믹을 달성하기 위해

로서 선택될 수 있다.

연료 전지 전류 설정점(I_FC(k))은 연료 전지 스택 내구성을 최대화하기 위해 최소값(I_FCmin)과 최대값(I_FCmax) 사이로 강제된다.

I_FC(k) = max{I_FCmin; min(I_FCmax; I_FC(k)}}.

SOC는 연료 전지 전류(I_FC)를 조작하는 대신 DC/DC 출력 전류 (I_DC/DC)를 조작함으로써 조절될 수도 있다.

도 5 및 도 6은 다이나로드(Dynaload) 전기 로드에 의해 시뮬레이트되는 각종 로드 상태들 하에 하이브리드 연료 전지-배터리 전력 시스템으로부터 수집된 데이터를 나타낸 것이다. 도 5는 부하 전류(I_Load) 및 버스 전압(V_bus)를 나타낸 것이며, 도 6은 충전상태 추정치(

) 및 연료 전지 전류(I_FC)를 나타낸 것이다. 예를 들면, 충전상태가 이의 90%의 설정점의 5% 이내로 성공적으로 유지됨을 도 6으로부터 알 수 있다.

본원에 개시된 방법들은 예를 들면 하이브리드화된 포크리프트 트럭에 적용될 수 있다. 그러나, 방법들은 보조 전력 유닛들, 백업 전력 시스템들, 휴대 발전기들, 및 승용차량들에서 연료 전지 전력 플랜트들을 포함한, 하이브리드 연료 전지-배터리 전력 시스템을 수반하는 다양한 응용들에 적용할 수 있다.

Claims (18)

1. 연료 전지를 포함하는 하이브리드 전력 시스템에서 배터리의 충전상태를 관리하는 방법에 있어서,
   설정점을 정의하는 단계;
   배터리 전류 및 배터리 전압을 사용하여 상기 배터리의 추정되는 현재 충전상태를 계산하는 단계; 및
   상기 설정점과 상기 배터리의 상기 추정되는 현재 충전상태 간의 차이에 기초하여, 상기 연료 전지로부터 상기 배터리로 공급되는 연료 전지 전류를 조작함으로써 상기 배터리의 상기 충전상태를 조절하는 단계를 포함하고,
   상기 배터리의 추정되는 현재 충전상태는 다음 식에 따라 계산되며,
   

   

   ,
   여기서

   

   는 상기 배터리의 추정되는 현재 충전상태이고;

   

   는 이전에 추정된 상기 배터리의 충전상태이며; T_S는 상기 이전에 추정된 배터리의 충전상태가 계산된 이후로 경과된 초단위의 시간이고; I_battery(k)는 상기 배터리 전류이며; L은 관측기 이득이며; V_bus(k)는 상기 배터리 전압이고; V_oc는 상기 배터리의 개방 회로 전압이며; R_Series는 상기 배터리의 임피던스를 모델링하기 위해 선택되는 저항값이고; C_C(I_b)는 I_battery(k)가 제로보다 크거나 같을 때,
   C_C(I_b) = 3600 * 배터리 암페어 아워 레이팅 * e^{-방전 계수(Discharging coeff)*Ibattery(k)}
   의 식에 따라 계산되며;
   C_C(I_b)는 I_battery(k)가 제로 미만일 때,
   C_C(I_b) = 3600 * (배터리 암페어 아워 레이팅 - 충전 계수(Charging coeff)*I_battery(k))의 식에 따라 계산되는 배터리 충전상태 관리 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리의 충전상태의 조절은 상기 배터리의 충전상태를 선택된 범위 이내로 효과적으로(effectively) 조절하는 배터리 충전상태 관리 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 배터리의 충전상태의 조절은 상기 배터리의 충전상태를 상기 설정점의 5% 이내로 효과적으로 조절하는 배터리 충전상태 관리 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리의 충전상태의 조절은 상기 배터리의 충전상태를 상기 설정점으로 효과적으로 조절하는 배터리 충전상태 관리 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리의 충전상태는 비례 제어, 비례-적분 제어, 비례-적분-미분 제어, 및 선형 이차 제어로부터 선택되는 제어 기술에 의해 조절되는 배터리 충전상태 관리 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 전지 전류는 다음 식에 의해 정의되는 값으로 설정되며,
   

   

   ,
   여기서 I_FC(k)는 상기 연료 전지 전류이고, SOC_SP는 상기 설정점이며,

   

   는 상기 배터리의 추정되는 현재 충전상태이며, K_{SOC reg}는 제어 이득인 배터리 충전상태 관리 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제어 이득(K_{SOC reg})은 다음 식에 따라 정의되며,
   

   

   ,
   여기서 C_C = 배터리 암페어 아워 레이팅 * 3600;
   SOC 제어 시정수(SOC Ctrl Time Constant)는 초단위의 시정수인 배터리 충전상태 관리 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 계산된 연료 전지 전류는 최소 연료 전지 전류값과 최대 연료 전지 전류값 사이로 강제되는 배터리 충전상태 관리 방법.
9. 삭제
10. 삭제
11. 제 1 항에 있어서, 상기 관측기 이득은 극점 배치(pole placement) 또는 칼만 필터링(Kalman filtering) 으로부터 선택되는 방법을 사용하여 계산되는 배터리 충전상태 관리 방법.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리의 계산된, 추정되는 현재 충전상태를 0과 1 사이의 값으로 강제하는 단계를 더 포함하는 배터리 충전상태 관리 방법.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리의 충전상태는 상기 배터리의 추정되는 현재 충전상태가 임계 고 충전상태 값(threshold high state of charge value)보다 큰 경우 상기 연료 전지로 부터 전류를 차단하는 것에 의해 조절되는 배터리 충전상태 관리 방법.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 배터리로부터 전력을 인출하는 전기 부하를 모니터하는 단계 및 임계값 또는 그 이상으로 상기 배터리로부터 전력을 인출하는 전기 부하가 검출되는 경우 상기 연료 전지 시스템을 재기동(restart)하는 단계를 더 포함하는 배터리 충전상태 관리 방법.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리 전류는 직접 측정되는 배터리 충전상태 관리 방법.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리 전류가 계산되는 배터리 충전상태 관리 방법.
17. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리 전압은 직접 측정되는 배터리 충전상태 관리 방법.
18. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리 전압은 상기 연료 전지와 직렬로 연결된 DC/DC 컨버터에 의해 감지되는 배터리 충전상태 관리 방법.

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