KR102359585B1 - 차량의 배터리 운용 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 열화에 따른 셀간 전압 편차 발생 시 배터리의 정상 운행을 가능케 하기 위한 차량의 배터리 운용 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 배터리 열화가 발생할 때 배터리 전력을 정상적으로 사용가능한 운용 SOC 범위를 축소 변경함으로써 배터리를 구성하는 배터리 셀 중 소정 배터리 셀의 과대 열화로 인해 배터리 사용이 중단되는 상황을 방지하여 배터리의 정상 운행을 지속 가능하도록 하는 차량의 배터리 운용 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

차량의 배터리 운용 방법 {Vehicle battery management method}
본 발명은 차량의 배터리 운용 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 열화 및 악조건에 따른 셀간 전압 편차 발생 시 배터리의 정상 운행을 가능케 하기 위한 차량의 배터리 운용 방법에 관한 것이다.
전기자동차나 하이브리드 차량과 같이 전기에너지를 동력원으로 사용하는 환경차량에는 전기에너지를 저장 및 출력하는 배터리를 탑재하고 있으며, 상기 배터리는 차량 구동에 필요한 에너지를 확보하기 위해 다수의 배터리 셀을 직렬 혹은 병렬로 연결하여 구성되고 차량마다 정해진 SOC 사용 범위에서 운영된다.
상기 배터리는 배터리의 구조적 온도 차이, 셀 간 성능 산포, 열화도 차이 등으로 인하여 직렬 연결된 배터리 셀들 간에 전압 편차가 발생 및 지속 증가하게 되고, 그 결과로 배터리 시스템의 가용에너지가 감소하게 된다.
또한 배터리의 열화가 진행되면 전류에 대한 전압의 변화, 즉 저항이 증가하게 되고, 저항은 상대적으로 낮은 SOC 구간과 높은 SOC 구간으로 갈수록 증가하는 특성을 가진다.
이에 종래 하이브리드 차량에서 배터리의 SOC를 제어할 때, 실시간 차량 상태를 모니터링하여 엔진과 모터가 최적의 효율을 낼 수 있는 운전영역에서 동작할 수 있도록 배터리 SOC를 제어하며, 특히 시스템의 성능에 영향을 미치지 않는 상한 SOC 및 하한 SOC를 설정하고 미리 선정한 중심 SOC를 기준으로 제한된 일정 영역에서 배터리 SOC를 스윙(SWING) 제어한다.
한편, 차량은 사용자에 따라 다양한 환경조건(온도, 주행 패턴, 도로 등)에 노출되기 때문에 동일 주행거리를 주행하여도 배터리를 구성하는 배터리 셀들의 열화는 각기 다르게 진행되지만, 종래 배터리의 충전에너지를 사용가능한 운용 SOC 범위(상한 SOC 및 하한 SOC가 정해짐)는 모든 배터리 셀에 동일하게 적용된다.
따라서, 배터리를 구성하는 모든 배터리 셀에 동일한 운용 SOC 범위가 적용됨에 따라 특정 배터리 셀이 다른 배터리 셀에 비해 열화가 과대할 경우 상기 특정 배터리 셀을 제외한 다른 셀들은 가용에너지가 충분함에도 차량에서 배터리 사용을 제한 및 운행 중단하고 있다.
또한 배터리가 열화된 상태에서 배터리 열화에 악조건인 하한 SOC 영역과 상한 SOC 영역을 설정하여 배터리 사용을 제한하지 않을 경우 열화가 가속되어 배터리 내구성능에 악영향을 미치게 된다.
이에 종래와 같이 배터리를 구성하는 모든 배터리 셀에 동일한 운용 SOC 범위를 적용하는 경우, 악조건에서 배터리의 열화가 과대하게 진행되지 않았음에도 배터리 저전압 및 셀간 전압 편차에 의해 배터리 고장이 발생하여 운행이 중지되거나 배터리 출력제한에 의해 운전자가 차량 운행에 불편을 느끼게 된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 배터리 열화 및 악조건이 발생할 때 배터리 전력을 정상적으로 사용가능한 운용 SOC 범위를 축소 변경함으로써 배터리를 구성하는 배터리 셀 중 소정 배터리 셀의 과대 열화로 인해 배터리 사용이 중단되는 상황을 방지하여 배터리의 정상 운행을 지속 가능하도록 하는 차량의 배터리 운용 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 주행 시 상한 SOC와 하한 SOC가 설정된 운용 SOC 범위에서 배터리를 운용하는 배터리 운용 방법으로서,
배터리를 구성하고 있는 배터리 셀들 중에, 상한 셀 전압(B)과 하한 셀 전압(A)이 설정된 기준 전압 범위를 벗어나는 전압을 가지는 배터리 셀이 발생하는 조건과 상기 배터리 셀들 중 적어도 둘 이상의 배터리 셀 간에 전압 편차(△Vcell)가 설정된 임계편차(C)를 초과하는 조건 중 적어도 하나를 만족하면 상기 운용 SOC 범위를 축소 변경하고 변경된 운용 SOC 범위에서 배터리를 운용하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 운용 방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 기준 전압 범위를 벗어나는 전압을 가지는 배터리 셀의 전압 값(Vcell_min)이 상기 하한 셀 전압(A) 미만이면 운용 SOC 범위의 하한 SOC를 상향 조정하여 상기 운용 SOC 범위를 축소 변경하고, 상기 기준 전압 범위를 벗어나는 전압을 가지는 배터리 셀의 전압 값(Vcell_max)이 상기 상한 셀 전압(B)을 초과하면 운용 SOC 범위의 상한 SOC를 하향 조정하여 상기 운용 SOC 범위를 축소 변경하며, 상기 배터리 셀 간에 전압 편차(△Vcell)가 설정된 임계편차(C)를 초과하면 운용 SOC 범위의 하한 SOC를 상향 조정하고 상한 SOC를 하향 조정하여 상기 운용 SOC 범위를 축소 변경한다.
또한, 상기 하한 SOC를 상향 조정할 때에는 운용 SOC 범위의 중간 SOC 미만의 값으로 상향 조정하고, 상기 상한 SOC를 하향 조정할 때에는 운용 SOC 범위의 중간 SOC를 초과하는 값으로 하향 조정한다.
본 발명의 구현예에 의하면, 상기 변경된 운용 SOC 범위에서 배터리를 운용하는 중에 상기 2개의 조건이 모두 만족되지 못하면 상기 변경된 운용 SOC 범위를 주행 시작 시에 적용되는 초기 운용 SOC 범위로 변경하고, 상기 변경된 운용 SOC 범위에서 배터리를 운용하는 중에 상기 2개의 조건 중 적어도 어느 하나의 조건이 일정 시간 이내에 만족되면 상기 변경된 운용 SOC 범위를 다시 축소 변경한다.
바람직하게는, 상기 운용 SOC 범위를 다시 축소 변경하기 전에 운용 SOC 범위의 변경 횟수를 카운트하되, 이전에 운용 SOC 범위를 변경할 때와 동일 조건이 만족되어 운용 SOC 범위를 변경하는 경우에만 운용 SOC 범위의 변경 횟수를 카운트하고, 주행 중 누적 카운트된 운용 SOC 범위의 변경 횟수가 임계횟수(D) 이상이면 경고등을 작동시켜 운전자에게 배터리 이상을 알리도록 한다.
본 발명에 따른 차량의 배터리 운용 방법에 의하면, 배터리 열화 및 악조건이 발생할 때 배터리 전력을 정상적으로 사용가능한 운용 SOC 범위를 축소 변경함으로써 소정 배터리 셀의 과대 열화로 인해 배터리 사용이 중단되는 상황을 방지하여 배터리의 효율적인 사용 및 정상 운행을 지속토록 할 수 있으며, 또한 배터리 열화의 가속을 방지하여 배터리 내구성능을 향상할 수 있고, 운용 SOC 범위의 변경 횟수를 기초로 배터리 열화 정도에 따라 경고등을 작동시켜 배터리 점검을 유도할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량의 배터리 운용 방법을 나타낸 흐름도
도 2는 본 발명에 따른 차량의 배터리 운용 방법을 나타낸 예시도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 차량의 배터리 운용 방법은, 배터리 열화 및 악조건에 따라 배터리 셀들 간에 전압 편차 발생 시 배터리의 운용 SOC 범위를 변경 조정함으로써 셀간 전압 편차의 과대 발생 및 저전압 셀 발생에 의해 초래되는 배터리 사용 중단 및 출력 제한을 개선함과 동시에 배터리 열화의 가속을 방지하여 배터리 내구성능을 향상하도록 한다.
이를 위하여, 도 1에 나타낸 바와 같이, 먼저 차량 및 배터리의 정상 운행을 위해 상한 SOC와 하한 SOC 및 중심 SOC가 설정된 초기 운용 SOC 범위(하한 SOC ~ 상한 SOC)에서 배터리를 운용하며 차량 주행을 시작한다.
전기자동차나 하이브리드 차량과 같이 전기에너지를 동력원으로 사용하는 환경차량의 경우 각 차량마다 정상적인 운행을 위해 기본적으로 주행 시작 시에 배터리 운용에 적용되는 초기 운용 SOC 범위가 설정되며, 상기 초기 운용 SOC 범위는 배터리 시스템의 성능에 영향을 미치지 않는 상한 SOC 및 하한 SOC가 설정되고, 주행이 시작되면 배터리 관리를 위해 차량에 탑재되어 있는 BMS(Battery Management System)에서 실시간으로 차량 상태를 모니터링하여 엔진과 모터가 최적의 효율을 낼 수 있는 운전영역에서 동작할 수 있도록 배터리 SOC를 제어한다.
주행을 시작하고 배터리 사용이 발생하면 상기 BMS에서는 배터리를 구성하고 있는 배터리 셀들의 전압을 실시간으로 모니터링하며, 배터리 열화 및 악조건에 따른 이상 현상(셀간 전압 편차의 과대 발생, 상대적 저전압 셀 발생 등)을 발생시키는 조건이 만족되면 초기 운용 SOC 범위를 축소 변경한다.
운용 SOC 범위(혹은 사용 SOC 영역)의 변경을 필요로 하는 조건은, 정상 운용을 위한 배터리 셀의 최고 전압 값인 상한 셀 전압(B)과 배터리 셀의 최저 전압 값인 하한 셀 전압(A)이 설정된 기준 전압 범위[하한 셀 전압(A)~상한 셀 전압(B)]를 벗어나는 전압을 가지는 배터리 셀이 발생하는 조건(제1조건)과, 배터리를 구성하고 있는 배터리 셀들 중에 적어도 둘 이상의 배터리 셀 간에 전압 편차(△Vcell)가 설정된 임계편차(C)를 초과하는 조건(제2조건)이 있으며, 상기 조건 중 적어도 어느 하나를 만족하면 초기 운용 SOC 범위를 축소 변경하고 변경된 운용 SOC 범위에서 배터리를 운용한다.
이때, 배터리 SOC가 운용 SOC 범위내를 유지하도록 배터리 SOC가 제어되며 배터리 운용이 이루어진다. 즉, 배터리 정상 운영이 가능하도록 변경된 운용 SOC 범위내에서 배터리 SOC를 제어하며 배터리를 운용한다.
여기서, 상기 제1조건은 2가지 조건으로 구분할 수 있으며, 구체적으로 배터리를 구성하는 배터리 셀들 중에 최소 셀 전압(Vcell_min)을 발생하는 배터리 셀의 전압(Vcell_min)이 기준 전압 범위의 최저 전압 값인 하한 셀 전압(A) 미만인 조건(제1-1조건)과, 배터리 셀들 중에 최대 셀 전압(Vcell_max)을 발생하는 배터리 셀의 전압(Vcell_max)이 기준 전압 범위의 최대 전압 값인 상한 셀 전압(B)을 초과하는 조건(제1-2조건)으로 구분된다.
BMS에서는 상기 제1-1조건과 제1-2조건 및 제2조건 중 어느 하나라도 만족되면 초기 운용 SOC 범위를 축소 조정하며, 각 조건에 따라 초기 운용 SOC 범위를 변경한다.
상기 제1-1조건이 만족되는 경우, 즉 상기 기준 전압 범위를 벗어나는 전압을 가지는 배터리 셀의 전압(Vcell_min)이 설정된 하한 셀 전압(A) 미만이면, 초기 운용 SOC 범위의 하한 SOC를 정해진 바에 따라 상향 조정하여 운용 SOC 범위를 축소 변경한다(도 2의 (b) 참조). 예를 들어, 초기 운용 SOC 범위의 하한 SOC가 5%이면 상기 하한 SOC를 10%로 상향 조정할 수 있다.
상기 제1-2조건이 만족되는 경우, 즉 상기 기준 전압 범위를 벗어나는 전압을 가지는 배터리 셀의 전압 값(Vcell_max)이 설정된 상한 셀 전압(B)을 초과하면, 초기 운용 SOC 범위의 상한 SOC를 정해진 바에 따라 하향 조정하여 운용 SOC 범위를 축소 변경한다.
그리고, 상기 제2조건이 만족되는 경우, 즉 배터리를 구성하고 있는 배터리 셀들 중에 적어도 둘 이상의 배터리 셀 간에 발생하는 전압 편차(△Vcell)가 설정된 임계편차(C)를 초과하면, 초기 운용 SOC 범위의 하한 SOC를 상향 조정하고 상한 SOC를 하향 조정하여 운용 SOC 범위를 축소 변경한다.
이때, 상기 하한 SOC를 상향 조정할 때는 초기 운용 SOC 범위의 중간 SOC 미만의 값으로 상향 조정하고, 상기 상한 SOC를 하향 조정할 때는 초기 운용 SOC 범위의 중간 SOC를 초과하는 값으로 하향 조정한다. 여기서, 상기 중간 SOC는 상한 SOC와 하한 SOC 사이의 중간 SOC 값으로서 설정된다.
상기와 같이 초기 운용 SOC 범위가 변경되면 변경된 이후부터 바로 배터리는 변경된 운용 SOC 범위에서 배터리 SOC가 제어되며 운용되고, 이러한 배터리의 운용 및 운행 중 정해진 일정 시간 동안(즉, 변경된 운용 SOC 범위가 배터리 운용에 적용된 시점부터 일정 시간이 경과하는 동안) 상기 제1조건과 제2조건 중 어느 하나라도 만족되는 문제가 발생하지 않을 경우 상기 변경된 운용 SOC 범위를 주행 시작 시에 적용되는 운용 SOC 범위로서 셋팅된 초기 운용 SOC 범위로 변경하여 회복시킨다(도 2 참조).
다시 말해, 변경된 운용 SOC 범위에서 배터리를 운용하는 중에 상기 제1조건과 제2조건이 모두 만족되지 않으면, 변경된 운용 SOC 범위를 배터리 운용을 위해 기본적으로 설정된 초기 운용 SOC 범위로 변경하여 회복시키며, 배터리는 다시 상기 초기 운용 SOC 범위에서 운용된다.
반면, 변경된 운용 SOC 범위에서 배터리가 운행되는 중에도 배터리 셀의 전압이 기준 전압 범위를 벗어나는 조건(제1조건)과 배터리 셀간 전압 편차(△Vcell)가 임계편차(C)를 초과하는 조건(제2조건) 중 적어도 하나의 조건이 만족되는 문제 상황이 설정된 일정 시간 이내에 다시 발생하면, 상기 변경된 운용 SOC 범위를 상기 조건에 종속하여 다시 축소 변경한다.
즉, 운용 SOC 범위를 변경하였음에도 상기 제1조건(제1-1조건과 제1-2조건)과 제2조건 중 적어도 어느 하나의 조건이 만족되는 문제가 지속되면, 변경된 운용 SOC 범위를 다시 축소 변경하고 새로이 변경된 운용 SOC 범위에서 배터리 SOC를 제어하며 배터리를 운행한다.
변경된 운용 SOC 범위를 다시 변경하는 경우에도 앞서 설명한 제1조건과 제2조건에 종속하여 동일 방식으로 운용 SOC 범위를 축소 변경한다.
또한, 변경된 운용 SOC 범위를 다시 축소 변경하기 전에 운용 SOC 범위의 변경 횟수를 카운트하되, 3개의 조건(앞서 설명한 제1-1조건, 제1-2조건, 제2조건) 중 이전에 운용 SOC 범위를 변경할 때와 동일 조건이 만족되어 운용 SOC 범위를 변경하는 경우에만 운용 SOC 범위의 변경 횟수를 카운트하며, 주행 중 누적 카운트된 운용 SOC 범위의 변경 횟수가 설정된 임계횟수(D) 이상이면, 배터리 과대 열화 등의 이상 문제가 지속되는 것으로 추정하여 경고등(알림 서비스 램프)을 온(ON) 작동시켜 배터리 이상 발생을 운전자에게 알리며, 이로써 운전자가 배터리 이상을 점검받을 수 있도록 유도한다.
차량 시동이 오프되는 경우, 또는 운용 SOC 범위가 초기 운용 SOC 범위로 회복되고 설정된 시간이 경과하는 경우 운용 SOC 범위의 변경 횟수는 '0'으로 초기화된다.
종래에는 배터리 운영 시에 배터리 셀 중 특정 셀이 다른 셀에 비해 과대 열화가 발생하는 경우, 상기 특정 셀을 제외한 다른 셀들은 가용에너지가 충분함에도 불구하고 배터리 전체에 이상이 발생한 것으로 간주하여 차량에서 배터리 사용을 제한하고 운행을 중단시켜 차량의 성능 및 상품성을 저하시키고 결국 운전자에게 위험을 느끼게 하는 문제점이 있으나, 본 발명에 따른 배터리 운용 방법에 의하면 상기와 같은 문제점을 방지할 수 있게 된다.
구체적으로, 본 발명의 배터리 운용 방법에 의하면, 배터리 운용 악조건에서 순간적으로 발생할 수 있는 특정 셀의 저전압 및 셀간 과대 전압 편차와 같은 이상 발생 시 운용 SOC 범위을 일시적으로(특정 셀의 이상이 회복된 것으로 판단될 때까지) 축소 변경함으로써 배터리 및 차량의 정상 운행을 유지할 수 있게 되며, 또한 복잡한 로직의 적용 없이 운용 SOC 범위의 변경 횟수를 기초로 배터리 열화 정도를 추정하여 경고등을 작동시킬 수 있다.
아울러, 배터리 열화 정도에 따라 운용 SOC 범위의 상한 SOC와 하한 SOC가 자연스럽게 제한되어 배터리 열화를 지연시키게 되며 이에 배터리 내구성능을 향상시킬 수 있으며, 또한 셀 전압 편차 발생 시 편차 개선을 위한 셀 밸런싱의 수행 동안 운용 SOC 범위가 일시적으로 축소됨으로써 배터리 내구성능 향상에 도움이 된다.
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 (9)

  1. 주행 시 상한 SOC와 하한 SOC가 설정된 운용 SOC 범위에서 배터리를 운용하는 배터리 운용 방법으로서,
    배터리를 구성하고 있는 배터리 셀들 중에, 상한 셀 전압(B)과 하한 셀 전압(A)이 설정된 기준 전압 범위를 벗어나는 전압을 가지는 배터리 셀이 발생하는 조건과 상기 배터리 셀들 중 적어도 둘 이상의 배터리 셀 간에 전압 편차(△Vcell)가 설정된 임계편차(C)를 초과하는 조건 중 적어도 하나를 만족하면 상기 운용 SOC 범위를 축소 변경하고 변경된 운용 SOC 범위에서 배터리를 운용하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 운용 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준 전압 범위를 벗어나는 전압을 가지는 배터리 셀의 전압 값(Vcell_min)이 상기 하한 셀 전압(A) 미만이면 운용 SOC 범위의 하한 SOC를 상향 조정하여 상기 운용 SOC 범위를 축소 변경하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 운용 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준 전압 범위를 벗어나는 전압을 가지는 배터리 셀의 전압 값(Vcell_max)이 상기 상한 셀 전압(B)을 초과하면 운용 SOC 범위의 상한 SOC를 하향 조정하여 상기 운용 SOC 범위를 축소 변경하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 운용 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 셀 간에 전압 편차(△Vcell)가 설정된 임계편차(C)를 초과하면 운용 SOC 범위의 하한 SOC를 상향 조정하고 상한 SOC를 하향 조정하여 상기 운용 SOC 범위를 축소 변경하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 운용 방법.
  5. 청구항 2 또는 4에 있어서,
    상기 하한 SOC를 상향 조정할 때 운용 SOC 범위의 중간 SOC 미만의 값으로 상향 조정하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 운용 방법.
  6. 청구항 3 또는 4에 있어서,
    상기 상한 SOC를 하향 조정할 때 운용 SOC 범위의 중간 SOC를 초과하는 값으로 하향 조정하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 운용 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 변경된 운용 SOC 범위에서 배터리를 운용하는 중에 상기 2개의 조건이 모두 만족되지 못하면 상기 변경된 운용 SOC 범위를 주행 시작 시에 적용되는 초기 운용 SOC 범위로 변경하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 운용 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 변경된 운용 SOC 범위에서 배터리를 운용하는 중에 상기 2개의 조건 중 적어도 어느 하나의 조건이 일정 시간 이내에 만족되면, 상기 변경된 운용 SOC 범위를 다시 축소 변경하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 운용 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 운용 SOC 범위를 다시 축소 변경하기 전에 운용 SOC 범위의 변경 횟수를 카운트하되, 이전에 운용 SOC 범위를 변경할 때와 동일 조건이 만족되어 운용 SOC 범위를 변경하는 경우에만 운용 SOC 범위의 변경 횟수를 카운트하고, 주행 중 누적 카운트된 운용 SOC 범위의 변경 횟수가 임계횟수(D) 이상이면 경고등을 작동시켜 배터리 이상을 알리는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 운용 방법.
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