KR20040000724A - 전기자동차의 방전 전류 제한장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
전기자동차에서 각 조건에 따른 최대 방전 허용 전류값의 관리를 통해 주동력원인 배터리의 안정성을 제공하도록 한 것으로,
배터리의 전압/전류 정보를 검출하여 전압 제한 모드의 진입 조건을 만족하는지 판단하는 과정과, 전압 제한 모드의 진입조건을 만족하면 최대 방전 허용 전류를 설정된 제한 전류값으로 설정하는 과정과, 배터리의 전류 방전이 제한값으로 설정되어 있는 상태에서 배터리 전압의 회복이 검출되면 전압 제한 모드를 해제한 후 최대 전류 방전 모드로 복귀하는 과정과, 현재의 배터리 전압/전류 정보가 전압 제한 모드의 진입 조건을 만족하지 않으면 설정된 배터리의 각 상태 조건에 따른 전압 제한 모드의 진입 조건인지를 판단하여 전압 제한 모드를 설정하는 과정과, 회생 제동 제어에 따른 전압 제한 모드의 진입 조건인지를 판단하여 전압 제한 모드를 설정하는 과정과, 주행시의 출력 전압에 따른 전압 제한 모드의 진입 조건인지를 판단하여 전압 제한 모드를 설정하는 과정과, 배터리 팩의 온도 조건에 따른 전압 제한 모드의 진입 조건인지를 판단하여 전압 제한 모드를 설정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 전기자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 전기자동차의 각 조건에 따른 최대 방전 허용 전류값의 관리를 통해 주동력원인 배터리의 안정성을 제공하도록 한 전기자동차의 방전 전류 제한장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 배터리의 전압을 주동력원으로 사용하는 전기자동차에서 배터리는 차량의 품질을 결정하는 주요한 부품중의 하나이다.
따라서, 전기자동차에는 배터리에 대한 제반적인 상태를 총괄 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System ; BMS)이 구비되는데, BMS가 관리하는 여러 가지의 요소중에서 최대 방전 허용 전류값을 설정하여 피크(Pick) 전류의 출력에 의한 배터리 손상을 방지하고, 최소 SOC(State Of Charge ; 배터리 잔존용량)에서 배터리의 심방전에 의한 주행 불가 및 배터리 손상을 방지하기 위하여 배터리의 전압 및 전류의 상태가 미리 설정해 놓은 조건에 진입하게 되는 경우에 방전 전류를 제한하는 관리는 매우 중요한 요소이다.
따라서, 종래의 전기자동차에서는 주행모드에서 검출되는 배터리의 상태가 설정된 전류 제한 조건에 포함되는지를 판단하여, 전류 제한 조건에 포함되지 않는 경우 SOC, 배터리 팩의 전압(Pack Voltage), 전압 차를 설정된 제한 전류값과 비교하여 조건에 포함되는 경우 방전 전류 제한을 수행하고 있다.
또한, 전류가 양의 영역 즉 회생제동 영역일 경우 회생제동 제한을 수행하고, 배터리의 상태가 방전 전류 제한 조건에 포함되지 않는 경우 최대 방전 전류값을 미리 설정해 놓은 최대 전류값으로 설정하며, 만일 방전 전류 제한 조건이 설정되면 최대 방전 전류값을 방전 전류 제한시의 최대 방전 전류값으로 설정한다.
상기와 같이 최대 방전 전류값의 조건이 설정되어 있으면 배터리의 충전에 따른 전압 상태를 체크하여 방전 전류 제한 조건의 해제를 위한 상태이면 방전 전류 제한 조건을 해제시키고 최대 방전 전류값을 미리 설정해 놓은 최대 전류값으로 회복하여 준다.
상기한 바와 같이 종래의 전기자동차에서 적용하고 있는 방전 전류의 제한방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
첫 번째로, 배터리는 SOC 상태 및 온도에 따른 입/출력 용량에 큰 변화가 있으며, 특히 순간적인 충전상태로 볼 수 있는 회생 제동시 온도와 전압의 조건에 따른 전류 제한이 설정되어 있어야 하나 단순한 전류 제한만을 설정하고 있어 순간적인 고전류에 의한 충전시 고온과 고전압에 의해 배터리의 손상이 발생되는 문제점이 있다.
두 번째로, 전압 제한 조건 검색 파라메터(Parameter)인 SOC, 배터리 팩 전압(Pack Volt), 전압 차(Volt_Diff)는 각각의 조건에 따른 출력 허용 전류치가 다르나 현재 배터리 조건에 따른 전류 제한값이 동일하게 설정되어 있어 효율적인 주행 제어가 이루어지지 않는 문제점이 있다.
세 번째로, 배터리의 주요 제어 요소인 온도 조건에 의한 전류 제한 조건과 연속 최대 출력치 제한(Continuous Output Power) 조건이 설정되어 있지 않아 회생 제동시 및 충전시 배터리 팩의 손상을 초래하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 배터리의 SOC와, 배터리 팩의 전압, 전압 차이 등의 조건에 따라 최대 방전 허용 전류값을 별도로 관리하고, 회생 제동시 온도에 따른 전압값을 설정하여 전류 제한을 설정하며, 주행시 차량의 출력 전압에 따른 전류 제한 조건을 설정하고, 배터리 팩의 각 온도 조건에 따른 전류 제한값을 설정하여 배터리 관리에 안정성을 제공하도록 한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전기자동차의 방전 전류 제한장치에 대한 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 전기자동차에서 방전 전류 제한을 수행하는 일 실시예의 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 전기자동차의 방전 전류 제한에서 회생 제동 영역을 도시한 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 전기자동차의 방전 전류 제한에서 출력 토크대 속도와의 관계를 도시한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 전기자동차의 방전 전류 제한에서 SOC에 따른 방전 전압 제어에 대한 그래프.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 배터리의 전압/전류 정보를 검출하여 전압 제한 모드의 진입 조건을 만족하는지 판단하는 과정과; 상기에서 전압 제한 모드의 진입조건을 만족하면 최대 방전 허용 전류를 설정된 제한 전류값으로 설정하는 과정과; 배터리의 전류 방전이 제한값으로 설정되어 있는 상태에서 배터리 전압의 회복이 검출되면 전압 제한 모드를 해제한 후 최대 전류 방전 모드로 복귀하는 과정과; 현재의 배터리 전압/전류 정보가 전압 제한 모드의 진입 조건을 만족하지 않으면 설정된 배터리의 각 상태 조건에 따른 전압 제한 모드의 진입 조건인지를 판단하여 전압 제한 모드를 설정하는 과정과; 회생 제동 제어에 따른 전압 제한 모드의 진입 조건인지를 판단하여 전압 제한 모드를 설정하는 과정과; 주행시의 출력 전압에 따른 전압 제한 모드의 진입 조건인지를 판단하여 전압 제한 모드를 설정하는 과정과; 배터리 팩의 온도 조건에 따른 전압 제한 모드의 진입 조건인지를 판단하여 전압 제한 모드를 설정하는 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 전기자동차의 방전 전류 제한장치는, 주 동력원인 메인 배터리(10)와, 메인 배터리(10)내에 포함되어 있는 도시되지 않은 전류센서에서 측정되는 전류값을 설정된 알고리즘을 통해 연산하여 모터 제어, SOC 산출, 배터리 용량(Ah) 산출 등을 수행하며, 배터리의 SOC와 배터리 팩의 전압, 전압 차이 등의 조건에 따라 최대 방전 허용 전류값을 별도로 관리하고, 회생 제동시 온도에 따른 전압값을 설정하여 전류 제한을 설정하며, 주행시 차량의 출력 전압에 따른 전류 제한 조건을 설정하고, 배터리 팩의 각 온도 조건에 따른 전류 제한값을 설정하는 BMS(20)와, 상기 BMS(20)내의 프로세서에서 인가되는 제어신호에 따라 접점이 스위칭되어 배터리(10)의 전압을 모터(50)측에 공급하는 컨텍터(30)와, 상기 컨텍터(30)를 통해 공급되는 배터리(10)의 전압을 제어하여 구동력을 발생하는 모터(50)의 토오크, 구동 속도 등을 제어하는 모터 제어기(40)로 구성된다.
상기한 구성을 갖는 본 발명에서 전류 제한을 수행하는 동작은 다음과 같다.
이그니션 온의 상태에서 BMS(20)는 배터리(10)의 전압을 체크하여 현재의 전압이 기 설정된 전압 제한의 범위에 포함되는지를 판단한다(S101).
상기에서 배터리(10)의 전압 상태가 전압 제한의 범위에 포함되면 최대 방전 허용 전류를 제한 전류값으로 설정하여 주행이 유지되도록 하며(S102), 설정된 제한 전류값으로 주행이 유지되는 상태에서 회생 제동이나 다른 여타의 충전에 의해 배터리(10)의 전압이 회복되었는지를 판단한다(S103).
상기에서 배터리(10)의 전압이 회복되지 않은 상태이면 리턴되어 상기 설정된 제한 전류값으로 주행을 연속적으로 유지하고, 배터리(10)의 전압이 회복된 것으로 판단되면 전압 제한 모드를 해제한 후(S104), 최대 방전 허용 전류 모드로 복귀하여 전기자동차의 토크 및 속도가 최대의 기능을 발휘할 수 있도록 한다(S105).
상기 S101의 판단에서 현재 배터리(10)의 전압이 기 설정된 전압 제한의 범위에 포함되지 않는 상태이면 SOC가 설정된 제한값 이하의 상태를 유지하는지를 판단한다(S106).
현재 배터리(10)의 SOC가 설정된 제한값 이하의 상태를 유지하고 있는 것으로 검출되면 전압 제한 모드로 진입한 다음(S107), 방전 제한 전류값을 SOC 제한값으로 설정한다(S108).
상기 S106에서 배터리(10)의 SOC가 설정된 제한값 이상을 유지하고 있는 것으로 판단되거나 S108에서 방전 제한 전류값을 SOC 제한값으로 설정되면 배터리(10)의 팩 전압이 설정된 한계값 이하를 유지하고 있는지를 판단한다(S109).
배터리(10)의 팩 전압이 설정된 한계값 이하를 유지하고 있는 것으로 판단되면 전압 제한 모드로 진입한 다음(S110), 방전 제한 전류값을 배터리 팩 제한 전류값으로 설정한다(S111).
상기 S109에서 배터리(10)의 팩 전압이 설정된 한계값 이상을 유지하고 있는 것으로 판단되거나 S111에서 방전 전류 제한값이 배터리 팩 제한 전류값으로 설정되면 배터리(10)의 최대전압(Volt_Max)에서 평균전압(Volt_Avg)을 차 연산하여 산출되는 제1전압차(Volt_Diff1)가 설정된 제1기준값, 즉 제1제한 전압차 이상이거나 평균전압(Volt_Avg)에서 최소전압(Volt_Min)을 차 연산하여 산출되는 제2전압차 (Volt_Diff2)가 설정된 제2기준값, 즉 제2제한 전압차 이상을 유지하는지를 판단한다(S112).
상기에서 제1전압차가 설정된 제1기준값 이상을 유지하거나 제2전압차가 설정된 제2기준값 이상을 유지하는 것으로 판단되면 전압 제한 모드로 진입한 다음(S113), 방전 제한 전류를 전압차 제한값으로 설정한다(S114).
상기 S112에서 제1전압차가 설정된 제1기준값 이상을 유지하지 않거나 제2전압차가 설정된 제2기준값 이상을 유지하지 않는 것으로 판단되거나 S114에서 방전 제한 전류가 전압차 제한값으로 설정되면 배터리(10)의 전류가 회생 제동에 의한 충전 동작에 의해 증가되는 상태인지를 판단한다(S115).
상기에서 배터리(10)의 전류가 회생 제동에 의한 충전으로 증가되는 상태이면 회생 제동 동작에 에러가 발생되었는지를 판단한다(S116).
상기의 회생 에러 발생 검출은 회생 제동시 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 온도 및 전압에 따른 특성에 따라 충전이 진행되어야 하나 그래프의 영역을 벗어나는 경우 회생 제동 에러가 발생된 것으로 판단한다.
상기에서 회생 제동 에러가 발생된 것으로 판단되면 회생 제동 전류값을 '0'으로 설정하고(S117), 회생 제동 에러가 발생되지 않은 것으로 판단되면 최대 방전 허용 전류를 회생 제동 최대 허용 전류값으로 설정한다(S118).
상기 S115에서 회생 제동이 발생되지 않은 상태이거나 S118에서 최대 방전 허용 전류가 회생 제동 최대 허용 전류값으로 설정되면 배터리(10)의 출력이 최대 전압 필드값을 유지하는지 판단한다(S119).
상기 차량의 최대 전압 필드의 검출은 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 차량의 주행특성에서 최대 전압 출력 라인에 일정의 마진(Margine)값을 주어 그 이내에들 경우 최대 전압 필드값을 유지하는 것으로 판단한다.
상기 S119의 판단에서 배터리(10)의 출력이 최대 전압 필드값을 유지하는 상태이면 도 5와 같이 배터리(10)의 SOC에 따라 방전 제어를 수행한다(S120).
즉, SOC의 상태와 최대 전압 필드값에 따른 출력시간을 구분하여 출력이 일정시간 경과하는 경우 다음 단계로 설정되는 방전 허용 제한값으로 림프다운(Ramp Down)한다.
상기 S119에서 배터리(10)의 출력이 최대 전압 필드값을 유지하지 않는 것으로 판단되거나 S120에서 배터리(10)의 SOC에 따른 방전 제어가 수행되는 상태에서 배터리(10) 팩의 현재 최고 온도를 검출하여 검출된 온도가 설정된 전류 제한 최고 온도 이상이거나 배터리(10) 팩의 현재 평균 온도를 검출하여 검출된 평균온도가 전류 제한 평균 온도이상인지를 판단한다(S121).
상기 S121에서 배터리(10) 팩의 현재 최고 온도가 설정된 전류 제한 최고 온도 이상이거나 평균 온도가 전류 제한 평균 온도 이상을 유지하는 상태이면 전류 제한 모드로 진입하여(S122), 방전 제한 전류를 설정된 제한 제1온도의 조건으로 설정한다(S123).
상기 S121에서 배터리(10) 팩의 현재 최고 온도가 설정된 전류 제한 최고 온도 이하이거나 평균 온도가 전류 제한 평균 온도 이하를 유지하는 상태이면 배터리(10) 팩의 최소 온도가 설정된 전류 제한 최소 온도 이하를 유지하는지를 판단한다(S124).
상기에서 배터리(10) 팩의 최소 온도가 설정된 전류 제한 최소 온도 이하의상태를 유지하는 것으로 판단되면 전류 제한 모드로 진입하여(S125), 방전 제한 전류를 설정된 제한 제2온도의 조건으로 설정한다(S126).
상기 S124에서 배터리(10) 팩의 최소 온도가 설정된 전류 제한 최소 온도 이상을 유지하는 것으로 판단되면 배터리 팩의 최고 온도에서 평균온도를 차 연산하여 검출한 제1온도가 설정된 최대 방전 허용 온도 이상을 유지하거나 배터리 팩의 평균온도에서 최저 온도를 차 연산하여 검출한 제2온도가 설정된 최소 방전 허용 온도 이상을 유지하고 있는지를 판단한다(S127).
상기 S127에서 연산된 제1온도가 설정된 최대 방전 허용 온도 이상을 유지하거나 연산된 제2온도가 최소 방전 허용 온도 이상을 유지하고 있는 것을 판단되면 전압 제한 모드로 진입하여(S125), 방전 제한 전류를 설정된 제2온도의 조건으로 설정하고(S126), 연산된 제1온도가 설정된 최대 방전 허용 온도 이하를 유지하거나 연산된 제2온도가 최소 방전 허용 온도 이하를 유지하고 있는 것으로 판단되면 방전 전류의 최대 허용 모드로 복귀한다(S128).
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전기자동차에서 배터리의 전류 제한을 관리함에 있어 배터리의 각 상태조건과 회생 제동시 온도의 조건, 출력 전압의 조건 및 배터리 팩의 온도 조건에 따라 관리함으로써 전압 제한이 각 조건에 따라 능동적으로 수행되어 배터리의 손상이 방지되고, 충전 제어에 있어 정밀성이 향상된다.
Claims (10)
- 전기자동차에 있어서,주 동력원인 메인 배터리와;메인 배터리에서 검출되는 전류값에 따라 모터 제어, SOC 산출, 배터리 용량(Ah) 산출 등을 수행하며, 배터리의 SOC와 배터리 팩의 전압, 전압 차이 등의 조건에 따라 최대 방전 허용 전류값을 별도로 관리하고, 회생 제동시 온도에 따라 전류 제한을 설정하며, 주행 차량의 출력 전압에 따라 전류 제한을 설정하고, 배터리 팩의 각 온도 조건에 따라 전류 제한값을 설정하는 BMS와;상기 BMS내의 프로세서에서 인가되는 제어신호에 따라 접점이 스위칭되어 배터리의 전압을 모터측에 공급하는 컨텍터와;상기 컨텍터를 통해 공급되는 배터리의 전압을 제어하여 구동력을 발생하는 모터의 토오크, 구동 속도 등을 제어하는 모터 제어기로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 방전 전류 제한장치.
- 배터리의 전압/전류 정보를 검출하여 전압 제한 모드의 진입 조건을 만족하는지 판단하는 과정과;상기에서 전압 제한 모드의 진입조건을 만족하면 최대 방전 허용 전류를 설정된 제한 전류값으로 설정하는 과정과;배터리의 전류 방전이 제한값으로 설정되어 있는 상태에서 배터리 전압의 회복이 검출되면 전압 제한 모드를 해제한 후 최대 전류 방전 모드로 복귀하는 과정과;현재의 배터리 전압/전류 정보가 전압 제한 모드의 진입 조건을 만족하지 않으면 설정된 배터리의 각 상태 조건에 따른 전압 제한 모드의 진입 조건인지를 판단하여 전압 제한 모드를 설정하는 과정과;회생 제동 제어에 따른 전압 제한 모드의 진입 조건인지를 판단하여 전압 제한 모드를 설정하는 과정과;주행시의 출력 전압에 따른 전압 제한 모드의 진입 조건인지를 판단하여 전압 제한 모드를 설정하는 과정과;배터리 팩의 온도 조건에 따른 전압 제한 모드의 진입 조건인지를 판단하여 전압 제한 모드를 설정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 방전 전류 제한방법.
- 제2항에 있어서,상기 배터리의 각 상태 조건에 따른 전압 제한은 배터리의 SOC가 설정된 제한값 이하이면 전압 제한 모드로 진입한 후 방전 제한 전류를 SOC 제한값으로 설정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 방전 전류 제한방법.
- 제2항에 있어서,상기 배터리의 각 상태 조건에 따른 전압 제한은 배터리의 팩 전압이 설정된한계값 이하를 유지하면 전압 제한 모드로 진입한 후 방전 제한 전류를 팩 제한 전류값으로 설정하는 과정으로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 방전 전류 제한방법.
- 제2항에 있어서,상기 배터리의 각 상태 조건에 따른 전압 제한은 배터리 팩의 최고 전압에서 평균전압을 차연산하여 추출한 제1전압이 설정된 제1전압값 이상을 유지하거나 평균전압에서 최소 전압을 차연산하여 추출한 제2전압이 설정된 제2전압 이상을 유지하는 경우 전압 제한 모드로 진입한 후 방전 제한 전류를 전압 차이 제한값으로 설정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 방전 전류 제한방법.
- 제2항에 있어서,상기 회생 제동 제어에 따른 전압 제한은 회생 제동시 에러의 발생이 검출되면 회생 제동 전류값을 '0'으로 설정하고, 에러 발생이 검출되지 않으면 최대 방전 허용 전류를 회생 제동 최대 전류값으로 설정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 방전 전류 제한방법.
- 제2항에 있어서,상기 주행시의 출력 전압에 따른 전압 제한은 SOC의 상태에 따라 시간 경과에 따른 각 단계별 제한 전류값으로 방전 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 방전 전류 제한방법.
- 제2항에 있어서,상기 배터리 팩의 온도 조건에 따른 전압 제한은 배터리 팩의 최고 온도가 전류 제한 최고 온도 이상이거나 평균 온도가 전류 제한 평균 온도 이상이면 전압 제어 모드로 진입한 후 방전 제한 전류를 제한 온도의 조건으로 설정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 방전 전류 제한방법.
- 제2항에 있어서,상기 배터리 팩의 온도 조건에 따른 전압 제한은 배터리 팩의 최소 온도가 전류 제한 최소 온도 이하이면 전압 제어 모드로 진입한 후 방전 전류를 제한 온도의 조건으로 설정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차이 방전 전류 제한방법.
- 제2항에 있어서,상기 배터리 팩의 온도 조건에 따른 전압 제한은 배터리 팩의 최고 온도에서 평균 온도를 차 연산한 제1온도가 최대 방전 허용 온도 이상이거나 평균온도에서 최소 온도를 차 연산한 제2온도가 최소 방전 허용온도 이상이면 전압 제한 모드로 진입한 후 방전 전류를 제한 온도의 조건으로 설정하고, 상기의 조건을 만족하지 않는 경우 최대 방전 허용 모드로 복귀하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는전기자동차의 방전 전류 제한방법.
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