KR20060130509A - 배터리의 충전 또는 방전 출력 조정방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 배터리 팩의 일부 셀이 과충전 및 과방전됨으로써 배터리 팩의 수명이 급격히 감소하는 문제점을 해결하기 위하여 배터리의 상태에 따라서 과충전 및 과방전을 방지할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 상기한 본 발명에 따르는 배터리의 방전 또는 충전 출력 조정방법은, 배터리의 최대 출력을 추정하는 단계; 배터리 셀 또는 팩의 전압을 측정하는 단계; 상기 배터리 셀 또는 팩의 전압이 상기 최대 출력에 대응되게 미리 정해진 제한 범위를 벗어나는지를 체크하는 단계; 상기 배터리의 셀 또는 팩의 전압이 미리 정해진 제한 범위를 벗어나면, 상기 배터리의 방전 또는 충전 출력을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

과충전, 과방전

Description

배터리의 충전 또는 방전 출력 조정방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS OF CONTROLLING FOR CHARGING/DISCHARGING VOLTAGE OF BATTERY}

도 1은 배터리셀에 과충전 및 과방전이 발생하는 경우를 도시한 그래프.

도 2 및 도 3은 충전출력과 방전출력은 온도와 SOC에 따른 특성을 도시한 도면.

도 4는 배터리의 퇴화율의 특성을 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 제어장치의 구성도.

도 6 및 도 8은 본 발명에 따른 배터리 팩의 방전 또는 충전 출력 조정방법의 흐름도.

도 7은 배터리 팩에서, 이용 가능한 배터리 셀의 전압을 구간별로 개략 도시한 도면.

본 발명은 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle)에 사용되는 배터리 셀의 과충전 및 과방전을 방지하기 위하여 배터리 셀의 상태에 따라서 출력한계를 보정하는 방법에 관한 발명이다.

일반적으로, 하이브리드 전기 자동차에는 수십개의 배터리 셀들이 직렬로 연결된 배터리 팩이 장착된다. 상기 배터리 팩의 최대 허용 가능 충전 및 방전 출력은 배터리 팩의 잔존용량(SOC; state of charge) 및 배터리 팩의 온도를 기준으로 제어한다. 배터리 팩의 최대 허용가능 충전/방전 출력을 결정하는 일례를 종래의 충전 및 방전 내부저항으로 구성된 배터리 특성 모델링을 이용한 충전 및 방전 제어를 기준으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 배터리 팩의 SOC 및 온도에 따라서 배터리 팩의 내부저항이 변화하므로, 실험을 통하여 각각의 온도에 대하여 SOC 별로 내부저항을 측정한다. 상기 내부저항을 측정하는 방법은 배터리 팩에 전류를 흘렀을 때 전압의 변화량을 전류로 나눈 값을 내부저항으로 결정한다. 위에서 구한 내부저항 값은 메모리에 저장된다. 상기한 내부저항을 통해 실제 배터리 팩의 출력은 수학식 1에 따라 추정된다.

상기 수학식 1에서 음의 값은 방전출력이 되고 양의 값은 충전출력이 된다. 또한, 내부저항(R)은 각 상태의 SOC 및 온도에 따라서 메모리에 저장된 내부저항 값을 불러와서 상기 식에 대입하게 된다.

그런데, 상기 각각의 배터리 셀들은 최초에 자동차에 장착될 때에는 모두 동일한 성능을 가지고 있으며, 자동차용 모터의 출력도 배터리 팩이 낼 수 있는 최대 출력을 기준으로 제어하게 된다.

그러나 차량의 운행량이 증가함에 따라 각각의 배터리 셀들의 성능에도 편차가 발생하게 된다. 그럼에도 불구하고, 배터리 팩이 낼 수 있는 최대 출력을 기준으로 충전 및 방전 절차를 계속하여 수행하는 경우, 도 1에 도시한 바와 같이 일부 배터리 셀들은 허용 가능한 충전 또는 방전 출력을 초과하여 충전 또는 방전된다.

이와 같이 자동차용 모터의 출력은 배터리 팩이 낼 수 있는 최대 출력을 기준으로 제어됨으로 인하여 성능이 떨어지는 일부 배터리 셀들은 차량의 운행중에 과충전 및 과방전되고, 이는 결국 셀간의 성능의 편차를 가속화시켜서 배터리 팩의 수명을 급격하게 감소시키는 현상을 야기하게 된다.

본 발명은 종래의 배터리 팩의 일부 셀이 과충전 및 과방전됨으로써 배터리 팩의 수명이 급격히 감소하는 문제점을 해결하기 위하여 배터리의 상태에 따라서 과충전 및 과방전을 방지할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 상기한 본 발명에 따르는 배터리의 방전 또는 충전 출력 조정방법은, 배터리의 최대 출력을 추정하는 단계; 배터리 셀 또는 팩의 전압을 측정하는 단계; 상기 배터리 셀 또는 팩의 전압이 상기 최대 출력에 대응되게 미리 정해진 제한 범위를 벗어나는지를 체크하는 단계; 상기 배터리의 셀 또는 팩의 전압이 미리 정해진 제한 범위를 벗어나면, 상기 배터리의 방전 또는 충전 출력을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 배터리의 최대 출력을 추정하고, 상기 추정된 최대 출력과 배터리의 전압을 이용하여, 해당 배터리의 충전 및 방전 출력을 조정한다.

먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리의 최대 출력 추정을 위한 산출식의 유도과정을 설명한다.

시험자 등은 자동차가 운행될 수 있는 복수의 배터리 충전 상태(SOC)에 따른 배터리의 최대 충전 및 방전 출력을 추출하여 양자의 상관 관계를 검출한다.

이어서, 상기 자동차가 운행될 수 있는 복수의 온도(temp)에서의 배터리의 최대 출력을 추출하여 양자의 상관 관계를 산출하고, 상기 자동차의 주행시 배터리의 용량이 방전됨에 따른 배터리의 출력의 퇴화율을 추출한 후 양자의 상관 관계를 검출한다.

상기 충전출력과 방전출력은 온도와 SOC에 따라 도 2 및 도 3의 그래프와 같이 표현된다. 이에 따라 어느 한 온도에서의 출력은 수학식 2로 근사화될 수 있다.

출력 = C₀ + C₁*SOC¹ + C₂*SOC² + C₃*SOC³ + C₄*SOC⁴ + C₅*SOC⁵

상기 수학식 2에서 C_x 는 상수이고, SOC^x 는 SOC의 x승을 의미하고, C_x = F(temp)_x 로 온도에 의해서 결정된다.

상기 C_x는 수학식 3과 같이 근사화될 수 있다.

C_x = F(temp)_x = D₀ + D₁*temp + D₂*temp²

상기 수학식 3에서 Dx는 변하지 않는 상수이고, temp^x 는 temp의 x승을 의미한다.

상기한 상기 충전출력과 방전출력은 온도와 SOC의 상관관계로부터 배터리의 최대 출력(Power_max)을 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.

Power_max = F(SOC, temp, accumulated discharge Ah)= F(SOC, temp) ×F(accumulated discharge Ah)

상기한 수학식 4에서, F(accumulated discharge Ah)는 자동차의 주행에 따른 배터리의 퇴화율을 나타낸다.

일반적으로 배터리는 사용된 양에 따라 감소하는 현상을 보이며, 이는 도 4에 도시한 바와 같은 특성을 가진다. 이러한 특성은 배터리의 퇴화율로 명명되며, 상기한 배터리의 퇴화율은 수학식 5로 근사화된다.

F(accumulated discharge Ah) = C₅k⁵ + C₄k⁴ + C₃k³ + C₂k² + C₁k + C₀

상기 수학식 5에서 C₅~C₀는 상수이고, k는 [0,300000]의 범위에 있고, 함수에 입력값으로 입력되는 경우, [-1,1]의 범위의 값으로 바뀌어 입력된다.

상기 수학식 5에 따른 퇴화율 산출예는, - 16.3986k⁵ + 15.0026k⁴ + 13.3074k³ - 8.38689k² - 7.96289k + 82.3028가 될 수 있다.

이에 따라 상기 배터리의 최대 출력은 다음과 같은 수학식 6으로 근사화될 수 있다.

Power_max = {F(temp)₅×SOC⁵ + F(temp)₄×SOC⁴ + F(temp)₃×SOC³ +F(temp)₂×SOC² + F(temp)₁×SOC + F(temp)₀}×( C₅k⁵ + C₄k⁴ + C₃k³ + C₂k² + C₁k + C₀ )

이제 수학식 6에 따라 배터리의 최대 출력을 추정하고, 그 추정된 최대 출력과 배터리의 전압을 이용하여 해당 배터리의 충전 및 방전 출력을 조정하는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

먼저 본 발명이 적용 가능한 배터리 제어장치의 구성을 도 5를 참조하여 설명한다.

제어부(100)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 배터리 충전 및 방전 출력을 조정하는 프로세스를 수행한다. 즉, 제어부(100)는 수학식 6에 따라, 온도, SOC, 퇴화율을 고려하여 배터리의 최대 출력을 추정하고, 배터리의 전압을 측정하 고, 상기 최대 출력과 배터리의 전압을 이용하여 해당 배터리의 충전 및 방전 출력을 조정한다.

메모리부(102)는 제어부(100)의 처리 프로그램을 포함하는 다양한 정보를 저장하며, 특히 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 배터리의 최대 출력에 각각 대응되는 배터리 셀 또는 배터리 팩의 제한전압에 대한 정보가 저장된다.

전압 측정부(104)는 해당 배터리 팩 또는 셀의 전압을 측정하고, 그 결과를 제어부(100)에 제공한다.

온도 센서(106)는 온도를 측정하고 그 결과를 제어부(100)에 제공한다.

SOC 추정부(108)는 해당 배터리의 SOC를 추정하고, 그 결과를 제어부(100)에 제공한다.

이제, 상기한 배터리 제어장치에 적용 가능한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법을 상세히 설명한다.

먼저, 배터리 셀에 대하여 측정된 전압을 이용하는 방법을 도 6을 참조하여 설명한다.

제어부(100)는 온도 센서(106) 및 SOC 추정부(108)를 통해 온도 및 SOC를 측정하고, 수학식 6에 따라 배터리 팩의 최대 출력을 추정한다(200,202단계).

이후, 제어부(100)는 전압 측정부(104)를 통해 배터리 셀의 전압을 측정한다(204단계).

상기 배터리 셀의 전압이 측정되면, 제어부(100)는 메모리부(102)에 미리 저장된 상기 추정된 배터리의 최대 출력에 대응되는 제한 전압과 상기 측정된 배터리 셀의 제한 전압을 비교하여(206단계), 상기 측정된 전압중의 적어도 하나가 상기 사전에 설정된 제한 전압의 전압보다 클 경우 배터리 팩의 허용 가능한 충전 및 방전 출력을 감소시키고, 상기 측정된 전압중의 적어도 하나가 상기 제한 전압보다 작을 경우 배터리 팩의 허용 가능한 충전 및 방전 출력을 증가시킨다(208단계). 상기 허용 가능한 충전 및 방전 출력의 감소 및 증가 폭은 사전에 결정할 수 있는데, 2 내지 10%의 범위에서 출력량을 감소시키는 것이 바람직하다.

이를 좀더 설명하면, 도 7에는 배터리 팩에서 배터리 셀의 이용 가능한 전압이 구간별로 표시되어 있다. 상기한 허용전압은 배터리 셀의 사용시 안전과 수명을 위한 것으로, LG 배터리 팩은 2.5V ~ 4.3V를 사용하며, 이는 회사마다 배터리의 종류, 버전마다 상이하다.

이에, 제어부(100)는 추정된 배터리의 출력으로 충전시에는 셀 전압이 4.3V 이상이면 출력을 줄이고 4.2V 미만이면 출력을 높이고, 방전시에는 셀 전압이 2.5V 미만이면 출력을 줄이고 2.8V 초과하면 출력을 높일 수 있다.

이때, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 충방전시 출력의 증감폭을 2~10% 범위에서 조절한다.

이와 같이 본 발명은 충전 또는 방전시 배터리 셀 전압이 제한 전압을 벗어나는 경우에는 그에 따라 배터리의 출력을 조정한다. 이는 직렬로 연결된 배터리 셀들이 밸런스가 잘 맞춰져 있고, SOC와 온도가 정확하게 측정되었다면, 추정된 출력내에서는 셀 전압이 충전시 허용값을 넘지 않는다. 그러함에도 불구하고, 배터리 셀의 전압이 제한 전압을 넘었다고 하는 것은 어떤 원인에 의해서 출력 예상이 잘 못 되었다고 판단할 수 있고, 배터리 셀 전압이 계속하여 제한 전압을 넘게되면 폭발이나 발화가 일어날 수 있으므로, 출력을 감소시켜 배터리 셀 전압을 제한 전압 이하로 감소시킨다.

먼저, 배터리 셀에 대하여 측정된 전압을 이용하는 방법을 도 6을 참조하여 설명한다.

제어부(100)는 온도 센서(106) 및 SOC 추정부(108)를 통해 온도 및 SOC를 측정하고, 수학식 6에 따라 배터리 팩의 최대 출력을 추정한다(300,302단계).

이후, 제어부(100)는 전압 측정부(104)를 통해 배터리 팩의 전압을 측정한다(304단계).

상기 배터리 팩의 전압이 측정되면, 제어부(100)는 메모리부(102)에 미리 저장된 배터리 팩에 대한 제한 전압과 상기 측정된 배터리 팩의 제한 전압을 비교하여, 상기 측정된 전압이 상기 추정된 배터리의 최대 출력에 대응되는 제한 전압보다 클 경우에는 배터리 팩의 허용 가능한 충전 및 방전 출력을 감소시키고, 상기 측정된 전압이 상기 제한 전압보다 작을 경우 배터리 팩의 허용가능한 충전 및 방전 출력을 증가시킨다. 상기 허용가능한 충전 및 방전 출력의 감소 및 증가 폭은 사전에 결정할 수 있는데, 2 내지 10%의 범위에서 출력량을 감소시키는 것이 바람직하다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 기초로 하여 설명하였으나, 본 발명은 전술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 방식으로 변경, 수정될 수 있다는 것은 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 따 라서, 본 발명은 후술하는 특허 청구의 범위 및 그 등가물에 대해서는 모두 본 발명의 범주에 속한다.

본 발명은 과충전 및 과방전 방지 방법을 갖는 하이브리드 전기자동차의 배터리 팩은 일정시간 이상 배터리 팩을 사용함으로써 각각의 셀의 성능에 차이가 발생한 경우 성능이 낮은 배터리 셀을 기준으로 배터리 팩의 출력을 조절할 수 있으므로 배터리 셀에 가해지는 과충전 및 과방전을 방지할 수 있다. 따라서 베터리 셀의 과충전 및 과방전으로 인한 배터리 성능의 급격한 악화를 방지할 수 있게 되고, 배터리 팩의 수명도 증가시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 배터리의 최대 출력을 추정하는 단계;

   배터리 셀 또는 팩의 전압을 측정하는 단계;

   상기 배터리 셀 또는 팩의 전압이 상기 최대 출력에 대응되게 미리 정해진 제한 범위를 벗어나는지를 체크하는 단계;

   상기 배터리의 셀 또는 팩의 전압이 미리 정해진 제한 범위를 벗어나면, 상기 배터리의 방전 또는 충전 출력을 조정하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 방전 또는 충전 출력 조정방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 배터리 최대 출력은,

   배터리 충전 상태(SOC)와 배터리의 최대 충전 및 방전 출력;

   온도(temp)와 배터리의 최대 출력과의 상관관계로부터 근사화된 수학식 7에 의해 산출됨을 특징으로 하는 배터리의 방전 또는 충전 출력 조정방법.

   Power_max = F(SOC, temp, accumulated discharge Ah)

   = F(SOC, temp) ×F(accumulated discharge Ah)
3. 제1항에 있어서,

   상기 배터리 팩의 방전 또는 충전 출력에 대한 조정은,

   상기 측정된 전압중의 적어도 하나가 상기 사전에 설정된 범위의 전압보다 클 경우 배터리 팩의 허용가능한 충전 및 방전 출력을 감소시키고,

   상기 측정된 전압중의 적어도 하나가 상기 사전에 설정된 범위의 전압보다 작을 경우 배터리 팩의 허용가능한 충전 및 방전 출력을 증가시킴을 특징으로 하는 배터리의 방전 또는 충전 출력 조정방법.
4. 온도센서,

   배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정부;

   배터리 셀 또는 팩의 전압을 측정하는 전압 측정부;

   상기 온도 및 SOC를 이용하여 배터리의 최대 출력을 추정하고,

   상기 전압 측정부를 통해 상기 배터리 셀 또는 팩의 전압을 측정하고,

   상기 배터리 셀 또는 팩의 전압이 상기 최대 출력에 대응되게 미리 정해진 제한 범위를 벗어나는지를 체크하고,

   상기 배터리의 셀 또는 팩의 전압이 상기 제한 범위를 벗어나면, 상기 배터리의 방전 또는 충전 출력을 조정하는 제어부

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 제어장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 배터리 최대 출력은,

   배터리 충전 상태(SOC)와 배터리의 최대 충전 및 방전 출력;

   온도(temp)와 배터리의 최대 출력과의 상관관계로부터 근사화된 수학식 8 의해 산출됨을 특징으로 하는 배터리 제어장치.

   Power_max = F(SOC, temp, accumulated discharge Ah)

   = F(SOC, temp) ×F(accumulated discharge Ah)
6. 제4항에 있어서,

   상기 배터리 팩의 방전 또는 충전 출력에 대한 조정은,

   상기 측정된 전압중의 적어도 하나가 상기 사전에 설정된 범위의 전압보다 클 경우 배터리 팩의 허용가능한 충전 및 방전 출력을 감소시키고,

   상기 측정된 전압중의 적어도 하나가 상기 사전에 설정된 범위의 전압보다 작을 경우 배터리 팩의 허용가능한 충전 및 방전 출력을 증가시킴을 특징으로 하는 배터리 제어장치.

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