KR102030239B1 - 태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법에 관한 것으로, 상세하게는 차량에 장착된 태양전지의 예상 발전량을 산출한 뒤 차량의 배터리 매니지먼트 시스템(BMS)과 연계하여 태양전지의 발전 전력을 저장할 배터리 저장공간을 최적으로 확보함으로써 태양전지의 발전 전력을 손실 없이 최대한 차량 배터리에 저장할 수 있도록 하는 태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법 {Vehicle battery management method using estimation of solar cell power generation amount}

본 발명은 태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량이 주차하고 있는 동안 발생하는 차량 태양전지의 예상 발전량을 고려하여 주행 중 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 제어하는 태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법에 관한 것이다.

차량에 탑재되는 태양전지는 입사광을 전기로 변환하고 차량에 장착된 배터리에 저장하게 된다. 내연기관 차량과 하이브리드 차량은 배터리의 전력을 차량의 연료로부터 만들어내게 되므로, 태양전지를 통한 배터리 충전은 연료 소모의 감소 및 연비 향상을 가능하게 한다.

차량에 장착된 태양전지를 이용하여 차량용 배터리를 충전하는 시스템이 구성되는 경우 차량에 기탑재되어 있는 배터리 매니지먼트 시스템(BMS)과 밀접한 관계를 가지게 되며, 상기 BMS는 통상 배터리 충전레벨을 소정 SOC(State Of Charge) 수준으로 유지한다.

BMS가 차량 운행종료 시점에서 배터리 충전레벨을 상기 소정 SOC 수준으로 조절하는 경우 다음 주행까지 태양전지가 배터리에 충전할 수 있는 에너지량은 상기 소정 SOC(예를 들어, 60%)를 제외하고 남은 SOC(예를 들어, 40%)에 해당하는 전력량이 된다.

차량에 장착된 태양전지의 출력이 커지거나 입사광이 많은 날씨가 계속되는 경우, 차량 운행종료 뒤 주차상황에서 태양전지가 만들어내는 전력량은 상기 BMS가 배터리 충전레벨 조절을 통해 남겨둔 SOC(예를 들어, 40%)를 초과할 수 있는데, 이때 태양전지가 만들어내는 전력 중 배터리 충전레벨 제어를 통해 남겨둔 SOC를 초과하는 전력은 충전될 곳이 없기 때문에 저장되지 못하고 열로 손실되며, 이는 태양전지로 인한 연비 향상 효과의 손실이 된다.

공개특허 제10-2013-0119180호

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 차량에 장착된 태양전지의 예상 발전량을 산출한 뒤 차량의 배터리 매니지먼트 시스템(BMS)과 연계하여 태양전지의 발전 전력을 저장할 배터리 저장공간을 최적으로 확보함으로써 태양전지의 발전 전력을 손실 없이 최대한 차량 배터리에 저장할 수 있도록 하는 태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이에 본 발명에서는, 차량에 장착된 태양전지의 입사광량과 온도 및 상기 차량의 예상주차시간을 기초로 상기 태양전지의 예상 발전량을 산출하는 제1단계; 상기 태양전지의 예상 발전량을 기초로 차량 배터리의 목표 SOC를 결정하고, 상기 차량이 목적지에 주차하기 전에 상기 목표 SOC를 기준으로 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 유지하는 제2단계; 상기 차량이 목적지에 주차하면 태양전지를 이용한 차량 배터리 충전을 수행하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제2단계에서는 차량이 내비게이션에 입력된 목적지에 기준거리 이내로 도달하면 상기 목표 SOC를 기준으로 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 유지하기 위한 제어를 시작한다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제2단계에서는 목표 SOC가 결정되면 상기 목표 SOC를 기준으로 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 유지하기 위한 제어를 시작한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 제2단계에서는 내비게이션에 목적지를 미입력한 경우 상기 내비게이션에 저장된 사용자 등록지점에 기준거리 이내로 도달하면 상기 목표 SOC를 기준으로 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 유지하기 위한 제어를 시작한다.

그리고, 상기 예상주차시간을 산출할 때에는, 운전자의 차량 운행패턴에 따라 예상출차시간을 판단하고 상기 판단한 예상출차시간을 기초로 상기 예상주차시간을 산출하거나, 혹은 운전자가 입력한 예상출차시간을 기초로 예상주차시간을 산출하거나, 또는 설정된 기준시간을 예상주차시간으로서 적용한다.

본 발명에 따른 태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법에 의하면, 차량이 주차하고 있는 동안 발생하는 차량 태양전지의 예상 발전량을 고려하여 주행 중 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 제어함으로써 차량 배터리에 태양전지의 발전 전력이 저장될 공간을 최적으로 확보함으로써, 태양전지의 발전 전력량이 차량 배터리의 충전가능용량(100%-SOC)에 해당하는 전력량을 초과하는 것을 최대한 방지하고 태양전지의 발전 전력을 최대한 손실 없이 차량 배터리에 저장할 수 있도록 하여 태양전지를 이용한 연비 향상 효과를 증대 및 최대화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법을 나타낸 개략도
도 2는 본 발명에 따른 태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법의 효과를 보여주는 개념도

이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.

본 발명에서는 차량에 장착된 태양전지의 발전 전력량을 예측하고 상기 예측한 발전 전력량에 상당하는 저장공간을 최적으로 확보할 수 있도록 배터리 잔존용량(SOC, State Of Charge) 레벨을 제어함으로써, 태양전지의 발전 전력량이 차량 배터리의 충전가능용량(100%-SOC)을 초과하여 차량 배터리에 충전되지 못하고 열로 손실되는 것을 방지하여 태양전지를 이용한 연비 향상 효과를 최대화할 수 있도록 한다.

이를 위하여, 다음과 같은 4단계를 포함하여 차량 배터리의 잔존용량(SOC) 레벨을 제어한다.

1. 차량 시동이 걸리게 되면 차량에 장착된 통신 시스템(예를 들어, TPEG, 블루링크 등)을 활용하여 태양전지의 입사광량 및 온도, 기상정보 등을 입력받는다.

2. 차량에서 다음 출차까지 예상주차시간을 도출하고 그 시간까지의 태양전지 발전량을 예측한다. 다시 말해, 차량의 주차시간을 예상하여 산출하고 산출한 예상주차시간 동안 발전가능한 태양전지의 전력량을 산출한다.

3. 차량이 주행하고 있는 동안 배터리 매니지먼트 시스템(BMS)에서 예측한 태양전지의 예상 발전량이 차량 배터리에 최대한 저장될 수 있도록 배터리 충전레벨의 관리 제어를 수행한다.

4. 차량 주행이 종료되고 다음 출차까지 태양전지의 발전 전력을 손실 없이 차량 배터리에 충전시켜 저장한다.

여기서, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 차량 배터리 관리 방법을 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법을 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법의 효과를 보여주는 개념도이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 차량 시동이 걸리게 되면 차량내 제어기는 차량에 장착되어 있는 태양전지의 예상 발전량을 산출하기 위해 관련 정보를 입력받거나 또는 상기 태양전지의 예상 발전량 예측값을 입력받는다.

상기 제어기는 차량에 탑재되어 있는 제어기 중 선택된 어느 하나일 수 있으며, 차량에 장착되어 있는 티펙(TPEG, Transport Protocol Expert Group)이나 텔레매틱스 장치 등의 무선통신시스템을 통해 차량 외부 서버와 통신을 수행하여 태양전지의 예상 발전량 관련 정보를 송수신하게 된다.

상기 태양전지의 예상 발전량은 차량 외부 서버에서 산출하거나 또는 상기 서버에서 태양전지의 입사광량과 온도 등에 대한 정보를 입력받는 차량내 제어기에서 산출한다.

차량에 장착된 태양전지의 예상 발전량을 산출하는데 필요한 관련 정보로는 상기 태양전지의 입사광량과 온도 및 상기 차량의 예상주차시간 등이 있으며, 상기 태양전지의 예상 발전량을 차량내 제어기에서 산출하는 경우 상기 제어기는 차량 외부 서버로부터 태양전지의 예상 발전량을 예측하는데 필요한 정보로서 태양전지의 입사광량과 온도 정보 등을 수신한다.

상기 서버에는 차량에 장착된 태양전지의 입사광량 데이터 베이스와 온도 데이터 베이스가 구축되어 저장되어 있으며, 상기 입사광량 데이터 베이스는 태양전지의 입사광량에 영향을 주는 요소로서 계절, 날씨, 위치, 주야 등의 여러 정보를 고려하여 구축되며, 상기 온도 데이터 베이스는 태양전지의 입사광량과 날씨 등의 정보를 고려하여 구축된다.

이때, 상기 위치 정보의 경우 태양의 고도와 관련된 위도 정보, 고층건물의 유무와 관련된 도심/시골 여부 등으로 상세 구분 가능하며, 상기 입사광량 데이터 베이스는 단위시간당 태양전지에 입사되는 광량 정보를 제공할 수 있도록 구축된다.

상기 온도 데이터 베이스는 여름이나 겨울과 같이 태양전지의 온도를 상승시키거나 하강시키는데 상대적으로 큰 영향을 미치는 특정 날씨에 대한 태양전지의 온도 정보를 제공한다.

즉, 상기 온도 데이터 베이스는 태양전지의 입사광량과 소정 날씨에 따라 태양전지의 온도를 결정할 수 있도록 구축된다.

또한, 태양전지의 예상 발전량을 산출하기 위해서는 차량의 예상주차시간 정보 및 태양전지의 효율 정보도 필요하며, 상기 차량의 예상주차시간은 차량내 제어기에서 산출되며 서버에서 태양전지의 예상 발전량을 산출하는 경우 서버로 전송된다.

즉, 차량에 장착된 태양전지의 예상 발전량은 태양전지의 입사광량과 온도 및 차량의 예상주차시간을 기초로 예측 가능하며, 구체적으로 아래 식 1과 같이 산출할 수 있다.

식 1 : 태양전지의 예상 발전량 = 태양전지의 단위시간당 입사광량 * 태양전지의 온도에 따른 발전량 손실분 * 차량의 예상주차시간 * 태양전지의 효율

여기서, 상기 차량의 예상주차시간은 운전자의 차량 운행패턴에 따라 판단한 예상출차시간을 기초로 산출하거나, 또는 운전자가 입력한 예상출차시간을 기초로 산출할 수 있으며, 또한 제어기에 설정 저장해둔 기준시간(예를 들어, 8시간, 12시간, 3일 등등)을 적용할 수도 있다. 구체적으로, 상기 예상주차시간은 주차시작시간부터 예상출차시간까지의 시간으로서 계산된다.

운전자의 차량 운행패턴에 따라 예상출차시간을 판단하는 경우 제어기에 저장된 예상출차시간 데이터 베이스에 의해 예상출차시간을 결정하며, 상기 예상출차시간 데이터 베이스는 평일과 주말 및 공휴일, 출퇴근 시간 및 그외 시간 등의 조건을 고려하여 구축 가능하다.

그리고, 상기 기준시간은 운전자의 주차패턴에 따라 설정 가능하며, 예를 들어 운전자의 누적된 주차시간에 대한 평균 주차시간으로 설정 가능하다.

상기와 같이 산출한 태양전지의 예상 발전량을 기초로 차량 배터리의 목표 SOC를 결정하고, 차량이 목적지에 도착하여 주차하기 전에 차량 배터리의 잔존용량(SOC) 즉, 충전상태(SOC, State Of Charge)를 상기 목표 SOC를 기준으로 유지한다. 다시 말해, 차량이 목적지에 주차하기 전에 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 목표 SOC로 유지하기 위한 제어를 완료하여 차량이 목적지에 도착하여 시동을 오프할 때에는 차량 배터리의 잔존용량(SOC)이 목표 SOC에 수렴된 상태가 되도록 한다.

충방전이 가능한 배터리를 탑재한 차량의 경우, 예를 들어 내연기관 차량이나 하이브리드 차량의 경우, 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 관리하기 위한 배터리 매니지먼트 시스템(BMS, Battery Management System)이 장착되어 있다.

상기 배터리 매니지먼트 시스템(BMS)은 통상 차량이 주행하는 동안 차량 배터리의 충방전을 제어하여 잔존용량(SOC)을 소정 SOC 레벨의 수준으로 유지하는 제어를 한다. 이때, 상기 SOC 레벨은 일정 범위의 잔존용량(SOC) 값을 의미하며, 예를 들어 일반 주행 시 SOC 레벨이 60%인 경우 차량 배터리의 잔존용량(SOC)은 60%±α로 유지 제어된다.

구체적으로 예를 들면, 하이브리드 차량의 경우 배터리의 잔존용량(SOC)이 60%일 때 전압(기준전압)을 기준으로 전압이 낮아지면(즉, 배터리 잔존용량(SOC)이 감소하면) 엔진 동력을 통해 배터리를 충전하고 이에 배터리 전압이 상기 기준전압까지 다시 상승하면 배터리 충전을 멈춤으로써 배터리 잔존용량(SOC)을 소정 SOC 레벨로 유지한다.

태양전지의 예상 발전량을 예측하는 차량내 제어기는 태양전지의 예상 발전량에 따라 목표 SOC를 결정하기 위한 목표 SOC 테이블이 구축되어 저장되고, 태양전지의 예상 발전량을 산출하거나 서버로부터 입력받게 되면 상기 목표 SOC 테이블에 의해 목표 SOC를 결정한다.

상기 목표 SOC가 일반 주행 시의 SOC 제어를 위해 BMS에 설정되어 있는 기준 SOC보다 낮은 값으로 결정되면, 주행 종료 후 차량 배터리의 충전가능용량(100%-SOC)이 증가되어 다음 출차를 위한 시동 전까지 차량 배터리에 충전가능한 태양전지의 발전량이 증대되며, 결국 차량 배터리의 만충전(100%) 이후에 손실되는 태양전지의 발전량을 최소화할 수 있다(도 2 참조).

아울러, 태양전지의 예상 발전량이 서버에서 산출되는 경우 목표 SOC를 결정하기 위한 목표 SOC 테이블이 상기 서버에 구축되어 저장되고, 차량내 제어기에는 태양전지의 예상 발전량과 더불어 목표 SOC 정보가 전송된다.

그리고, 상기 목표 SOC를 이용한 차량 배터리의 잔존용량(SOC) 제어는, 다시 말해 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 목표 SOC 수준으로 유지하는 제어는, 차량이 목적지에 기준거리 이내로 근접하게 도달하면 시작한다.

배터리 매니지먼트 시스템(BMS)은 차량이 목적지에 기준거리 이내로 근접하기 전에 일반 주행을 하는 동안 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 상기 시스템에 사전 설정되어 있는 기준 SOC 수준을 유지하도록 제어하고, 차량이 내비게이션에 입력된 목적지에 기준거리 이내로 근접하게 되면 차량 배터리의 잔존용량(SOC) 제어를 위한 기준값을 기준 SOC에서 목표 SOC로 변경하고, 상기 목표 SOC를 유지하기 위한 제어를 시작하여 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 목표 SOC를 기준으로 유지하도록 제어한다.

이때 목적지에 기준거리 이내로 도달하였는지 여부는 차량에 장착된 내비게이션에서 수신한 정보(목적지 접근 신호)를 기초로 판단하며, 상기 내비게이션은 운전자가 설정한 목적지까지 남은 이동거리가 기준거리 이하가 되면 배터리 매니지먼트 시스템(BMS)에 목적지 접근 신호를 전송한다.

상기 배터리 매니지먼트 시스템(BMS)은 내비게이션에서 목적지 접근 신호를 수신하면 잔존용량(SOC) 제어 기준값을 목표 SOC로 변경하고 상기 목표 SOC를 기준으로 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 유지하는 제어를 시작한다.

이후 차량이 목적지까지 주행하는 동안 차량 배터리는 충방전 제어를 통해 잔존용량(SOC)이 목표 SOC로 유지되고, 목적지에 도착하여 차량 주행이 종료되는 시점에 차량 배터리의 잔존용량(SOC)은 목표 SOC에 수렴된 상태가 된다.

태양전지가 장착된 차량은 차량 주행이 종료되어 주차하고 있는 동안 태양전지를 이용한 배터리 충전이 이루어지고, 상기 배터리 충전은 다음 출차 전까지(즉, 차량의 재시동 전까지) 수행되며, 예상주차시간이 경과하고 차량의 재시동 시기가 되면 차량 배터리는 만충전 상태가 된다.

한편, 내비게이션에 목적지를 입력하지 않은 경우, 즉 내비게이션이 길 안내 중이 아닌 경우, 이전까지 내비게이션에 입력 저장된 목적지 중 주차빈도가 기준빈도수보다 높은 곳이나 내비게이션에 저장된 사용자 등록지점(예를 들어, 집, 직장 등)에 기준거리 이내로 도착하면, 내비게이션은 해당 차량이 목적지에 기준거리 이내로 근접한 것으로 판단하고 목적지 접근 신호를 배터리 매니지먼트 시스템(BMS)에 전송하는 것이 가능하며, 상기 BMS는 목표 SOC를 기준으로 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 유지하기 위한 제어를 시작한다.

또한, 보다 간단한 제어를 위해 상기 목표 SOC가 결정되면 목적지 접근 여부에 상관없이 목표 SOC를 기준으로 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 유지하기 위한 제어를 시작하여, 주행하는 동안 계속(즉, 목적지에 도착하여 주차하기 전까지) 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 목표 SOC로 수렴시켜 유지하는 제어를 수행하는 것도 가능하다.

이와 같이 차량이 목적지에 도착하여 주차하기 전에 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 목표 SOC로 유지하는 제어를 시작 및 완료하여 차량 배터리의 충전가능용량(100%-SOC)을 증대하게 되면, 주차하는 동안 태양전지를 이용한 차량 배터리의 과충전으로 인한 손실을 방지할 수 있으며, 도 2에 나타낸 바와 같이 차량 배터리의 만충전 이후에도 지속적인 태양전지의 발전이 진행되어 일부 발전 전력이 충전되지 못하고 버려지는 상황이 발생하더라도 오버플로우 전력이 최소화되어, 잔존용량(SOC) 제어 기준값을 변경없이 기준 SOC로 유지하는 경우 대비, 태양전지의 발전 전력 중 버려지는 전력량을 감소시킬 수 있게 된다.

이와 같이 태양전지의 예상 발전량을 기초로 배터리 잔존용량의 제어 기준값을 변경 조정하여 차량 배터리 관리를 하게 되면, 태양전지의 예상 발전량이 차량 배터리의 충전가능용량을 초과하여 열로 손실되는 것을 방지 또는 최소화함으로써, 내연기관 차량이나 하이브리드 차량 등과 같이 플러그를 이용한 차량 배터리 충전을 하지 않고 연료 에너지를 이용하여 배터리 충전을 하는 차량의 연비 향상 효과를 증대할 수 있으며, 태양전지의 발전 전력을 이용한 연비 향상 효과를 최대화할 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

Claims (6)

1. 차량에 장착된 태양전지의 입사광량과 온도 및 상기 차량의 예상주차시간을 기초로 상기 태양전지의 예상 발전량을 산출하는 제1단계;
   상기 태양전지의 예상 발전량을 기초로 차량 배터리의 목표 SOC를 결정하고, 상기 차량이 목적지에 주차하기 전에 상기 목표 SOC를 기준으로 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 유지하는 제2단계;
   상기 차량이 목적지에 주차하면 태양전지를 이용한 차량 배터리 충전을 수행하는 제3단계;를 포함하며,
   상기 제2단계에서는, 차량이 내비게이션에 입력된 목적지에 기준거리 이내로 도달하기 전에는 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 설정된 기준 SOC로 유지시키는 제어를 하고, 차량이 내비게이션에 입력된 목적지에 기준거리 이내로 도달하면 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 상기 목표 SOC로 유지시키기 위한 제어를 시작하여 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 상기 목표 SOC를 기준으로 유지시키는 것을 특징으로 하는 태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2단계에서는, 내비게이션에 목적지를 미입력한 경우 상기 내비게이션에 저장된 사용자 등록지점에 기준거리 이내로 도달하면 상기 목표 SOC를 기준으로 차량 배터리의 잔존용량(SOC)을 유지하기 위한 제어를 시작하는 것을 특징으로 하는 태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   운전자의 차량 운행패턴에 따라 예상출차시간을 판단하고, 상기 판단한 예상출차시간을 기초로 상기 예상주차시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 예상주차시간은 운전자가 입력한 예상출차시간을 기초로 산출하거나 또는 설정된 기준시간을 적용하는 것을 특징으로 하는 태양전지 발전량 예측을 통한 차량 배터리 관리 방법.
   

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