KR20030072744A - 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리방법 - Google Patents

Abstract

하이브리드 전기 자동차에서 배터리 충/방전시 캐패시터 성분의 증가가 완료하는 시점을 판별할 수 있도록 하여 충/방전 전압의 유효 전압값 산출에 신뢰성을 제공하도록 한 것이다.

본 발명은 배터리의 충/방전 모드가 설정되면 일정시간 간격으로 충/방전되는 배터리 전압을 측정하는 과정과, 상기 충/방전되는 배터리의 단계별 전압 변동을 카운터하는 과정과, 상기 카운터된 단계별 전압 변동을 시간의 함수로 미분하는 과정 및, 상기 미분값으로부터 첫 번째 피크 포인트를 검출하여 피크 포인트 이후를 캐패시터 성분이 사라지는 시점으로 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리방법{METHOD FOR BATTERY MANAGEMENT ON HYBRID ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 하이브리드 전기 자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 배터리충/방전시 캐패시터(Capacitor) 성분의 증가가 완료하는 시점을 판별할 수 있도록 하여 충/방전 전압의 유효 전압값 산출에 신뢰성을 제공하도록 한 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리방법에 관한 것이다.

일반적으로 하이브리드 전기자동차는 일반 가솔린 엔진에 ETC(Electric Throttle Control)를 추가하고 전기 모터를 직결한 형태로 CVT(Continuously Variable Transmission)를 통해 바퀴에 동력을 전달하는 형태로 구성된다.

이와 같은 하이브리드 전기자동차의 거동은 배터리의 전압에 의해 이루어지며, 주행상황에 대응하여 가솔린 엔진의 연비가 가장 높게 되도록 제어하고, 제동시와 감속시에 차량의 관성 에너지를 바퀴를 통해 전달 받아서 모터에 의한 전기에너지 회수로 배터리를 충전시킴으로서 기존 가솔린 엔진에 비해 연비 향상을 이룰 수 있다.

상기와 바와 같은 하이브리드 전기자동차의 경우 거동을 위해서는 배터리의 충전상태(State Of Charge)의 정보를 검출한 다음 부하단의 사용 목적에 따라 배터리의 충전상태 정보를 활용하고 있다.

현재까지 배터리 관리 시스템내 프로세서의 연산속도는 배터리의 캐패시터 성분이 나타나는 속도보다 빠르지 않기 때문에 배터리의 캐패시터 성분이 사라진 후의 전압값이 부하단에 적용되어 부하단의 전압 거동을 제어하는데 별 지장을 초래하고 있지 않다.

그러나, 배터리 관리 시스템 및 각 시스템내의 프로세서가 집적화되어 연산속도가 빨라지고 있음으로 인하여 보다 안정되고 정밀한 제어 및 충전 유효전압값의 산출을 위해서 충전시 배터리 내부의 캐패시터 성분이 사라지는 최소한의 시간 검출이 필연성을 갖게 되었으며, 소프트웨어상으로 보다 신뢰성있는 전압값의 사용을 위해서 배터리의 특성인 캐패시터의 성분이 사라지는 최소한의 시간 설정이 필요하게 되었다.

즉, 배터리의 충전시 나타나는 캐패시터 성분은 피크 포인트(Peak Point) 이전까지는 실질적인 전압이라기 보다는 전압을 지시하는 값으로 동력원으로 활용하지 못하는 것이며, 캐패시터 성분은 에너지의 저장 의미보다는 부하에 빠르게 대응하는 성분으로 전압보다는 신호의 성분으로, 실제적으로 고전압을 사용하는 동력원에서 캐패시터 성분은 충전상태, 전류 제한값, 가용가능한 전압값, 실제 전압값 등의 지시값 산출에 잡음의 성분으로 작용하기 때문이다.

통상적으로, 배터리의 캐패시터 성분은 배터리의 준비 상태에서 테브난 등가회로를 사용하여 산출할 수 있으나, 이러한 기법으로 배터리를 모델링 한다는 것은 배터리의 SOC에 따라 변하는 무부하 전압과 내부저항, 캐페시터의 성분값을 모델링하기는 적합하지 않으며, 충방전이 반복되는 하이브리드 전기 자동차의 경우 각 주행 조건에 따라 변화하는 캐패시터값을 측정하기는 더욱 더 어려운 문제점 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 하이브리드 전기 자동차에서 배터리 충/방전시 지시값 산출에 잡음 성분으로 작용하는 캐패시터 성분이 사라지는 시점을 산출할 수 있도록 하여 부하단에서 필요로 하는 배터리 전압을 효율적 산출 관리할 수 있도록 하여 하이브리드 전기 자동차의거동에 안정성 및 신뢰성을 제공하도록 한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리장치에 대한 구성 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차에서 배터리 관리를 수행하는 일 실시예의 흐름도.

도 3은 하이브리드 전기 자동차의 배터리 충전시 전류값 대비 전압 상승을 보이는 그래프.

도 4는 도 3에 도시된 'A' 포인트를 확대한 그래프.

도 5는 도 4에서 충전 부분을 확대한 그래프.

도 6은 도 5에서 충전 전압을 카운터한 결과의 그래프.

도 7은 도 6의 카운터값을 시간으로 미분한 결과의 그래프.

도 8은 배터리 특성의 테브난 등가회로도.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 배터리의 충/방전 모드가 설정되면 일정시간 간격으로 충/방전되는 배터리 전압을 측정하는 과정과; 상기 충/방전되는 배터리의 단계별 전압 변동을 카운터하는 과정과; 상기 카운터된 단계별 전압 변동을 시간의 함수로 미분하는 과정 및; 상기 미분값으로부터 첫 번째 피크 포인트를 검출하여 피크 포인트 이후를 캐패시터 성분이 사라지는 시점으로 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리장치는, 하이브리드 전기 자동차의 각 구성요소들 제어기 전체를 통합하여 차량의 거동을 제어하는 HCU(Hybrid Control Unit;10)과, HCU(40)에서 인가되는 제어신호에 따라 모터 토크 제어 명령을 출력하여 모터(60)로 하여금 동력 발생과 제동 제어시 발전이 일어나도록 하며, 배터리(50)가 항상 적정한 충전상태를 유지하도록 하는 MCU(Motor Control Unit;20)와, 상기 MCU(20)의 제어에 따른 PWM(Pulse Width Modulation) 제어로 IGBT를 스위칭시켜 배터리(50)의 전압이 모터(60)에 공급되도록 함으로써 모터(60)를 거동시키는 인버터(30)와, 배터리(50)의 작동 영역내에서 전류와 전압 및 온도 등을 검출하여 충전 상태 및 관리를 수행하는 BMS(Battery Management System;40)로 구성된다.

상기한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명에서 일 실시예로 배터리 충전시 캐패시터 성분이 사라지는 시점을 산출하는 동작은 다음과 같이 수행된다.

주행중인 하이브리드 전기 자동차의 제동에 의한 회생 제동 에너지로 배터리(50)가 충전을 시작하거나 탑재된 내연기관의 시동 온으로 배터리(50)의 충전이 시작되어지면 첨부된 도 3에 도시된 충전전류대비 전압의 상승 곡선에서 알 수 있는 바와 같이 충전 초기시 배터리(50) 내부의 캐패시터 성분에 의해 초기 전압이 급상승하므로, BMS(40)는 상기 충전되는 배터리(50)의 전압의 변동을 설정된 일정시간의 간격으로 측정하여(S101), 전압의 변동을 카운터한다(S102).

이후, BMS(40)는 전압 변동 카운터값을 시간의 함수로 미분 연산하여 첫 번째로 발생되는 피크 포인트를 추출하여 피크 포인트 발생 시점 이후 부터가 배터리(5)의 캐패시터 성분이 사라지는 시점으로 인식하여, 이 시점 이후의 전압값을 충전상태, 부하단에 필요로 하는 전압의 전류 제한값, 부하단에 공급할 수 있는 가용 가능한 전압값 등의 산출 기준값 전압으로 인식한다(S103)(S104)(S105).

이에 대하여 예를들어 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

7.2V/6.5Ah 배터리 모듈에 대하여 각각 다른 전류값으로 충전을 개시하게 되면 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 모듈의 초기 충전 전압은 캐패시터 성분에 의해 급상승하며, 충전 전류량에 따라 서로 다른 크기로 나타난다.

즉, 6.5A의 전류로 충전하는 경우 A 포인트와 같은 상승곡선을 나타내고, 13A의 전류로 충전하는 경우 B 포인트와 같은 상승곡선을 나타내며, 26A의 전류로 충전하는 경우 C 포인트와 같은 상승곡선을 나타내며, 52A의 전류로 충전하는 경우D 포인트와 같은 상승곡선을 나타내게 된다.

상기의 각 포인트별 곡선에서 알 수 있는 바와 같이 충전 전류량이 크면 클수록 전압의 상승 폭은 커지나 캐패시터 성분이 사라지는 시간은 짧은 상태임을 알수 있다.

상기의 각 포인트별 곡선에서 A 포인트를 확대하여 보면 도 4에서 알 수 있는 바와 같이 되며, 도 4의 충전부분을 확대하면 도 5와 같이 된다.

상기의 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 배터리 모듈 전압이 대략 8.246V 인 상태에서 충전이 개시되면 내부 캐패시터 성분에 의하여 8.315V의 전압까지 급상승한 다음 8.325V, 8.335V, 8.345V로 단계적인 상승을 보이고 있다.

상기와 같이 단계별 전압의 상승과정에서 BMS(40)는 각 단계별 전압 변동을 카운터하여 그래픽으로 도시하면 도 6과 같은 곡선을 갖는다.

즉, 배터리의 충전 초기 전압인 8.315V에서는 카운터값이 '0'이 유지되고, 충전의 진행으로 배터리 전압이 8.325V로 상승하는 경우 그 과정에서의 전압 변동 카운터는 대략 5회 정도이며, 충전후 대략 0.57초 경과후 8.335V로 상승하는 경우 대략 27회 정도이며, 전압이 8.345V로 상승하는 경우 대략 180회 정도의 카운터값이 검출된다.

상기와 같이 검출된 각 단계별 전압의 카운터 횟수를 설정된 분석 알고리즘을 적용하여 각 단계별 카운터 값을 시간의 함수로 미분하게 되면 도 7과 같은 그래프로 표현할 수 있게 된다.

상기의 도 7에서 8.335V의 지점이 미분값 중에서 첫 번째 피크값을 갖는 상태이므로, BMS(40)는 상기 첫 번째 피크값인 8.335V점 이후의 시점이 배터리 내부의 캐패시터 성분이 사라지는 시점으로 인식하여 배터리 충전상태, 전압 제한값 및 부하단에서의 가용 가능한 전압값 등 각종 지시값의 산출에 적용한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 하이브리드 전기 자동차에서 배터리충전시 캐패시터 성분이 사라지는 시점을 검출하여 각종 지시값의 산출에 적용함으로써 부하단에 필요한 전압 제어에 안정성과 신뢰성이 제공된다.

Claims (3)

1. 배터리의 충/방전 모드가 설정되면 일정시간 간격으로 충/방전되는 배터리 전압을 측정하는 과정과;

   상기 충/방전되는 배터리의 단계별 전압 변동을 카운터하는 과정과;

   상기 카운터된 단계별 전압 변동을 시간의 함수로 미분하는 과정 및;

   상기 미분값으로부터 첫 번째 피크 포인트를 검출하여 피크 포인트 이후를 캐패시터 성분이 사라지는 시점으로 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 캐패시터 성분이 사리지는 시점을 부하단 전력 제어의 기준값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 캐패시터 성분이 사라지는 시점을 충/방전상태, 전압 제한값, 가용 가능한 전압값 산출에 대한 기준값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 배터리 관리방법.