KR20070088387A - 차량용 배터리의 충전 상태를 나타내는 양을 연산하기 위한장치 - Google Patents

차량용 배터리의 충전 상태를 나타내는 양을 연산하기 위한장치 Download PDF

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사토루 미즈노
가츠노리 다나카
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가부시키가이샤 덴소
가부시키가이샤 닛폰 소켄
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Abstract

본 발명에 따르면, 차량용 배터리의 충전 상태를 나타내는 양을 연산하기 위한 장치가 제공된다. 배터리는 차량용 엔진을 시동하는 스타터에 전원을 공급한다. 장치에 있어서, 배터리의 전압과 전류로 구성된 복수의 데이터 쌍은, 스타터의 시동에 응답하여 소정의 샘플링 간격으로 취득된다. 간격을 두고, 배터리의 내부 저항이, 복수의 전류와 전압 데이터 쌍에 기초하여 연산된다. 내부 저항은 일종의 충전-상태 지시량이다. 개방 전압차가 연산되며, 이는 스타터의 시동 이전에 주어지는 배터리의 의사 회로-개방 전압(pseudo circuit-open voltage)과 크래킹 기간 이후에 주어지는 배터리의 의사 회로-개방 전압 사이의 차이다. 내부 저항값은 개방 전압차를 이용하여 보정된다.
차량용 배터리, 충전, 방전, 엔진, 스타터, 내부 저항, 개방 전압

Description

차량용 배터리의 충전 상태를 나타내는 양을 연산하기 위한 장치{APPARATUS FOR CALCULATING QUANTITY INDICATING CHARGED STATE OF ON-VEHICLE BATTERY}
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리를 위한 충전-상태량 연산 장치를 기능적으로 포함하는 차량용 전원계(on-vehicle power system)의 구성을 도시한 블록도.
도2는 제1 실시예에 있어서 배터리의 내부 저항을 연산(즉, 검출)하기 위한 처리를 도시한 흐름도.
도3은 다량의 전류의 방전시(즉, 크랭킹 시) 얻어지는 전류/전압 특성을 예시한 그래프.
도4는 엔진에 대한 스타터가 시동할 때 관찰되는 배터리의 전류/전압 특성의 변화를 예시한 그래프.
도5는 개방 전압차에 따라 내부 저항값을 보정하는 방법을 도시한 그래프.
도6은 내부 저항 추정시 실험적인 오차 결과를 예시한 바 그래프(bar graph).
도7은, 본 발명의 제2 실시예에서 수행되는, 스타터의 시동시 하한 전압을 추정하는 방법을 도시한 그래프.
도8은 개방 전압차에 기초한 보정이 수행된 경우와 수행되지 않은 경우의 두 경우에 관하여, 하한 전압 추정시 실험적인 오차 결과를 예시한 바 그래프.
도9는, 본 발명의 제3 실시예에서 수행되는, 충전률(SOC)에 기초한 내부 저항의 보정을 추가로 포함하는 처리를 도시한 흐름도.
도10은 충전률과 내부 저항 사이의 관계를 예시한 특성 그래프.
도11은 충전률에 기초한 보정이 수행된 경우와 수행되지 않은 경우의 두 경우에 관하여, 하한 전압 추정시 실험적인 오차 결과를 예시한 바 그래프.
도12는 배터리의 충전 상태를 나타내는 양의 전압/전류 데이터 취득(샘플링) 및 연산의 타이밍을 예시한 도면.
도13은 엔진 시동 기간, 스타터-전류 증가 기간 및 크랭크 기간 사이의 시간적 관계를 도시한 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11: 배터리 14: 전류 센서
15: 배터리-상태 처리기 17: 버퍼
18: 연산기
본 발명은 차량에 장착된 2차 전지(secondary battery)(충전지)의 충전 상태(또한 "내부 충전 상태"나 "내부 상태"로도 언급됨)를 나타내는 양을 연산하기 위한 장치에 관한 것이고, 특히, 차량용 배터리로부터 취득되는 복수의 전압과 전류 쌍을 적어도 이용하여 충전 상태를 연산하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 차량용 배터리 시스템의 용량 및 안전은 엄격하게 관리되도록 요구된다. 이러한 관리를 수행하기 위하여, 차량용 배터리 시스템의 충전 상태가 정밀하게 추정되어야 한다.
종래, 추정을 위한 일부 기술을 제공하기 위한 여러 장치가 제안되었다. 이러한 기술은 예를 들어 의사 회로-개방 전압, 내부 저항, 충전률 및/또는 잔존 용량을 이용한다. 예를 들어, 내부 저항을 검출하는 것에 관하여, 일본특허공개공보 No. 2002-343444호 및 2005-146939호가 알려져 있으며, 여기서 배터리 시스템의 전류/전압 특성에 대하여 회귀 직선이 얻어지며, 배터리 시스템의 내부 저항으로서 그 기울기 정도를 계산하게 된다. 또한, 일본특허공개공보 No. 2002-168929호에 의해, 다른 기술이 제공된다. 이 공보에 따르면, 스타터의 시동에 응답하여, 스타터에 의해 소비되는 전류가 0A로부터 약 1000A에 가까운 피크값까지 증가하는 기간 동안, 차량용 배터리의 전압/전류 쌍이 샘플링되고, 다음으로 취득된 전압/전류 쌍은 배터리 상태 제어 시에 배터리의 내부 저항을 연산하기 위해 이용된다.
스타터-소비 전류가 시동에 응답하여 증가하는 기간(이하, 이 기간은 도13을 참조하여 "스타터-전류 증가 기간"으로 언급됨)에 있어서, 내부 저항을 정밀하게 연산하는데 필요한 큰 전류 변화는 단시간에 취득될 수 있다. 따라서, 이 기간에, 연산에 있어서 배터리 분극(polarization)의 변화의 영향이 무시될 수 있으며, 그 결과 분극 변화로 인한 오차가 매우 작으면서, 내부 저항은 정밀하게 검출될 것으로 기대될 수 있다.
그러나, 전술된 스타터-전류 증가 기간은 단시간이다(예를 들어, 2 ~ 5초). 이는 단시간에 다수의 전압/전류 쌍을 취득하기 위한 신호 처리 회로가 우수한 신호 처리 특성을 가져야 한다는 것을 의미한다. 구체적으로, 이 신호 처리 회로는 전류 센서 및 취득된 전류와 전압을 디지털화하기 위한 A/D 컨버터를 포함하고, 그 결과 이 회로 구성요소는 보다 높은 샘플링 레이트(sampling rate)를 필요로 하게 된다. 결과적으로 이러한 우수한 신호 처리 특성을 갖는 것은, 신호 처리 회로의 부품 비용에서의 상승을 초래한다.
그리고, 순간적으로 약 1000A에 도달하는 큰 전류가 스타터-전류 증가 기간에 스타터를 통하여 흐른다. 그에 따라, 전류 센서는 매우 큰 다이나믹 레인지(dynamic range)를 가져야 하며, 또한 부품 비용의 상승에 대한 원인이 된다.
반면, 고속의 회로 센서 및 아날로그/디지털 신호 처리기가 무선 노이즈(radio noise) 및 열적 노이즈(thermal noise)의 고주파 성분에 의해 크게 영향을 받는 것이 불가피하며, 그에 따라, S/N비(sinal to noise ratio)를 낮추게 된다.
이러한 방식으로, 스타터-전류 증가 기간에 있어서 전압/전류 데이터 쌍을 생성하는 것은, 센서와 신호 처리 회로의 높은 S/N비, 고속 샘플링 특성 및 큰 다이나믹 레인지를 수반한다. 이는 회로에 부담을 주기 때문에 실용적이지 않다. 즉, 스타터-전류 증가 기간에 있어서 전압과 전류 데이터를 샘플링하는 것은 실용적이지 않다.
이러한 어려움을 회피하기 위하여, 엔진 시동 기간에 있어서 스타터-전류 증가 기간에 이어지는 크랭킹 기간(또는 크랭킹 시간)에 전압 및 전류 데이터를 샘플링하는 것이 가능할 수도 있다(도13 참조). 크랭킹 기간에 있어서, 엔진은 스타터 전류가 점진적으로 감소하는 동안 토크를 발생시키도록 시동한다. 따라서, 이 크랭킹 기간을 이용하여, 센서 및 회로의 부담이 줄어들 수도 있다.
그러나, 크랭킹 기간이 스타터-전류 증가 기간보다 길기 때문에, 배터리의 충전 상태의 연산 동안 그 분극 상태의 변화가 발생한다는 점은 무시될 수 없다.
본 발명은 전술된 문제점을 감안하여 만들어졌고, 고속의 정밀한 회로 구성요소를 이용하지 않으면서, 2차 전지의 충전 상태(내부 충전 상태 또는 내부 상태)를 나타내는 양을 정확하게 믿을 수 있는 방식으로 연산하기 위한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 실현하기 위하여, 본 발명은, 차량에 장착된 엔진을 시동하는 스타터에 전력을 공급하는 차량용 배터리의 충전 상태를 나타내는 양을 연산하기 위한 장치를 기본 구조로서 제공한다. 이 장치는, 스타터의 시동에 응답하여, 엔진의 크랭킹 기간에 배터리의 전류와 전압으로 구성된 복수의 데이터 쌍을 소정의 샘플링 간격으로 취득하도록 구성된 데이터 취득 유닛; 전류와 전압의 복수의 데이터 쌍에 기초하여 배터리의 내부 저항값을 간격을 두고 연산하도록 구성된 제1 연산 유닛; 스타터의 시동 이전에 주어지는 배터리의 의사 회로-개방 전압과 크랭킹 기간 이후에 주어지는 배터리의 의사 회로-개방 전압 사이의 개방 전압차를 연산하도록 구성된 제2 연산 유닛;및 개방 전압차를 이용하여 내부 저항값을 보정하도록 구성된 보정 유닛 - 여기서, 보정된 내부 저항값은 배터리의 충전 상태를 나타냄 - 을 포함한다. 의사 회로-개방 전압은 배터리의 충전 및 방전 전류가 0으로 간주된 상태에서 얻어지는 배터리 전압이다.
보정 유닛은 개방 전압차와 정상관(positive correlation)을 갖는 보정 함수에 개방 전압차를 대입하기 위한 수단 및 이 대입에 의해 얻어지는 보정 함수값에 기초하여 상기 내부 저항값을 보정하기 위한 수단을 포함하는 것이 바람직하다. 일례로서, 제1 연산 유닛은 전류와 전압의 복수의 샘플링된 데이터 쌍에 기초하여, 상기 배터리의 전압과 전류 사이의 관계를 정의하는 회귀 직선을 얻기 위한 수단 및 내부 저항값으로서 얻어진 회귀 직선의 기울기를 연산하기 위한 수단을 포함한다. 일례고서, 보정 유닛은 보정 함수값을 내부 저항값에 가산함으로써, 내부 저항값을 보정하도록 구성되어 있다.
보정된 내부 저항값에 있어서, 배터리의 분극 상태의 변화의 영향은 줄어든다. 즉, 상기 기본 구조 덕택에, 내부 저항을 추정하는데 있어서, 배터리의 분극 상태 변화에 기인할 수 있는 에러가 효과적으로 줄어들 수 있으며, 그 결과 내부 저항의 추정은 보다 정확해질 수 있게 된다.
따라서, 엔진 시동 기간에 있어서 스타터-전류 증가 기간 직후 크랭크 기간에 전압과 전류 데이터 쌍을 샘플링하면 충분하다(도13 참조). 스타터-전류 증가 기간에 데이트를 샘플링하는 것은 요구되지 않는다. 크랭킹 기간이 샘플링을 위해 이용됨에 따라, 비교적 작은 다이나믹 레인지 및 비교적 낮은 샘플링 레이트를 갖는 데이터 취득 장치를 이용하는 것이 가능하다. 본 발명에 있어서, 이러한 데이터 취득 장치도 정확하게 내부 저항을 연산(추정 또는 검출)하기 위해 이용될 수 있으며, 따라서, 데이터 취득 장치, 즉 본 발명의 충전-상태량 연산 장치의 부품 비용을 감소시키게 된다.
보정 유닛은 개방 전압차와 정상관을 갖는 보정 함수에 개방 전압차를 대입하기 위한 수단 및 대입에 의해 얻어지는 보정 함수값에 기초하여 내부 저항값을 보정하기 위한 수단을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명자는 개방 전압차(ΔVo)가 내부 저항(Rd)의 변화량과 정상관을 갖고 관련되어 있을 수 있다는 것을 발견하였고, 여기서 내부 저항(Rd)의 변화량은 스타터의 시동 이전에 주어지는 배터리의 의사 회로-개방 전압 및 크랭킹 기간 이후에 주어지는 배터리의 의사 회로-개방 전압에 의해 야기된다. 따라서, 개방 전압차(ΔVo) 및 내부 저항(Rd)을 둘 다 도시하는 보정 함수(f(ΔVo))가 미리 기억되어 있을 수 있다. 연산되는 개방 전압차(ΔVo)를 이 보정 함수(f(ΔVo))에 대입하는 것은 내부 저항의 변화량(ΔRd)이 보정되는 것을 허용한다. 이는 비교적 간단한 연산이 며, 내부 저항(Rd)의 오차를 감소시키는 것이 가능하다.
본 발명자의 추정에 따르면, 개방 전압차(ΔVo)는 엔진 시동 기간에서의 방전에 따르는 배터리의 분극량 변화와 높은 상관을 갖고, 내부 저항(Rd)은 배터리의 분극량 변화와 상관을 갖는다. 그에 따라, 내부 저항값(Rd)에 포함되는 배터리 분극량에 기인할 수 있는 오차는 보정 함수(f(ΔVo))에 대한 보정에 의해 감소될 수 있다. 따라서, 전술된 장점이 얻어질 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 2차 전지를 위한 충전-상태량 연산 장치의 여러 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
(제1 실시예)
도1 ~ 도6을 참조하여, 본 발명에 따른 충전-상태량 연산 장치의 제1 실시예가 설명된다. 본 실시예에 있어서, 연상 장치는 차량용 전원계(1)에 기능적으로 통합됨으로써 실질적으로 제거된다.
도1은 차량용 전원계(1)의 구성을 도시한 블록도이다.
도1에 도시된 차량용 전원계(1)는, 내부에 전력을 저장하기 위한 전력 저장 장치를 구비한 배터리(11), 차량용 엔진(도시되어 있지 않음)에 의해 구동되는 차량용 발전기(12), 차량용 전기 부하(13), 전류 센서(14) 및 배터리-상태 처리기(15)를 포함한다. 이들 중, 배터리(11)는 내부 상태, 즉 충전 상태가 검출되는 대상이다. 이 배터리(11)는 납축 전지(lead battery), 니켈-수소 전지, 리튬 전지 등으로 구성될 수 있다. 차량용 전기 부하(13)는 엔진을 시동하기 위한 스타터를 포함한다.
전류 센서(14)는 전류를 나타내는 아날로그-형식의 전기 신호로서의 충전 및 방전 전류를 검출하고, 전류 센서(14)와 처리기(15)를 접속하는 라인을 통하여 검출된 신호를 배터리-상태 처리기(15)로 출력할 수 있다.
그리고, 배터리(11)의 출력 단자는 배터리-상태 처리기(15)에 접속되어 있으며, 그 결과 배터리(11)의 단자 전압은 아날로그-형식의 전기 신호로 처리기(15)에 공급된다.
배터리-상태 처리기(15)는 본 발명에 따른 충전-상태량 연산 장치의 역할을 한다. 배터리-상태 처리기(15)는 A/D 컨버터(16), 버퍼(17) 및 연산기(18)를 포함한다. A/D 컨버터(16)는 입력되는 아날로그-형식의 전압 및 전류 신호에 대하여 소정의 샘플링 빈도로 샘플링 및 아날로그/디지털 변환을 수행하여, 디지털-형식의 전압 및 전류 데이터를 생성하게 된다.
버퍼(17)는 디지털 데이터 쌍 그룹, 즉 전류 센서(14)로부터 들어오는 전류(Ib)와 배터리(11)의 단자 전압(Vb)을 기억하기 위해 이용된다.
예를 들어, 연산기(18)는 도시되지 않은 CPU(central processing unit) 및 CPU를 위한 하나 이상의 컴퓨터 프로그램을 저장하고 연산에 필요한 일시적 데이터를 기억하기 위한 메모리를 포함하는 컴퓨터 시스템으로 구성된다. 컴퓨터 프로그램은 버퍼(17)에 저장된 샘플링된 전압/전류 데이터 쌍을 처리하기 위한 프로그램을 포함하며, 그 결과 배터리(11)의 충전 상태를 나타내는 여러 양들이 CPU, 즉 연 산기(18)에 의해 연산된다. 배터리-상태 처리기(15)는 이러한 충전-상태량을 나타내는 디지털-형식의 전기 신호를 출력하도록 형성된다.
도1에 도시된 바와 같이, 차량용 전원계(1)는 ECU(electronic control unit)(19) 및 발전 제어기(20)를 더 포함한다. ECU(19)는 배터리-상태 처리기(15)로부터의 신호뿐만 아니라 엔진 상태, 차속(vehicle speed) 및 발전기(12)의 회전수를 포함하는 차량 정보(VEinf)를 수신하도록 구성된다. 이러한 입력된 정보들을 이용하여, ECU(19)는 발전 제어기(20)에 발전 및 발전-억제에 대한 지령을 줄 수 있으며, 그 결과 발전기(12)에서 발전되는 전력량을 소정의 목표값으로 조절하게 된다.
도2를 참조하여, 배터리-상태 처리기(15)에 의해 반복적으로 실행되는 배터리(11)의 내부 저항을 검출하기 위한 동작이 설명된다.
배터리(11)의 전류(Ib) 및 전압(Vb)의 계측이 개시되고(단계(S201)), 다량의 전류가 방전되었는지 여부(즉, 차량 엔진을 위한 스타터의 시동)를 판단한다(단계(S202)). 즉, 방전 전류(Ib)가 소정의 최대 전류값(Imax)(도3 참조)으로 감소했는지 판단된다. Ib≤Imax의 관계가 충족되면, 크랭킹 기간(도13 참조)이 시작된 것으로 간주된다. 또한 이 판단에 대응하여, 전류(Ib)와 전압(Vb) 데이터 쌍의 취득이 소정의 샘플링 간격으로 반복되어 개시되고(도12 참조), 데이터 취득은 전류(Ib)가 소정의 최고 전류값(Imin)으로 돌아가는 순간까지 계속된다(도3의 단계(S203) 참조). 즉, 데이터 획득은 크랭킹 기간 계속되어, N개의 포인트의 전류(Ib)와 전압(Vb) 데이터 T쌍을 버퍼(17) 내에 저장하게 된다.
처리기(15)에 있어서, 연산 타이밍(도12 참조)에서, 연산기(18)는 기억된 전류(Ib)와 전압(Vb)의 데이터 쌍을 이용하여, 이들을 도3에 도시된 바와 같이 2차원으로 도시하게 되며, 회귀 직선(V=Rd*I+Voaf)이 연산되고(단계(S204)), 여기서 Rd는 배터리(11)의 내부 저항을 나타내고 Voaf는 의사 회로-개방 전압을 나타낸다. 그리고 나서, 내부 저항값을 보정하기 위해 이용되는 개방 전압차(ΔVo)가 연산된다(단계(S205)). 개방 전압차(ΔVo)는 스타터의 시동 이전(즉, 다량의 전류의 방전 이전)과 크랭킹 기간 이후(즉, 방전 이후)의 얻어지는 의사 회로-개방 전압(Voaf)의 차를 나타낸다.
그리고 나서, 연산된 개방 전압차(ΔVo)는 미리 기억된 보정 함수(f(ΔVo))에 대입되어 그 함수값을 얻게 된다(단계(S206)). 그리고 얻어진 보정 함수(f(ΔVo))는 보정을 위하여 내부 저항(Rd)에 추가되어, 보정된 내부 저항(Rc)가 연산된다(단계(S207)). 후술되는 바와 같이, 내부 저항(Rd)은 개방 전압차(ΔVo)와 높은 정상관을 갖는다.
보정 함수(f(ΔVo))는 "K1*ΔVo-K2"로 정의될 수 있으며, 여기서 K1 및 K2는 각각 양의 값을 갖는 소정의 상수이고 ΔVo는 개방 전압차를 나타낸다. 이러한 정의는 간단하지만, 내부 저항(Rd)의 연산을 정확성을 보장해준다. K1은 1.5이고 K2는 0.4인 것이 바람직하다.
이제, 내부 저항(Rd) 및 의사 회로-개방 전압(Voaf)을 연산하기 위한 단계(S204), 개방 전압차(ΔVo)를 연산하기 위한 단계(S205) 및 내부 저항(Rd)을 보정하기 위한 단계(S206)가 보다 상세히 설명된다.
도12는 전술된 데이터(전류 및 전압) 취득 및 연산의 타이밍을 예시하고 있다. 패턴 A 및 B는 데이터-취득 및 연산 타이밍을 위한 일부 패턴을 제공하지만, 이 패턴 A 및 B는 단지 예이다. 또한 다른 패턴 A 및 B도 이용가능하다.
(내부 저항(Rd) 및 의사 회로-개방 전압(Voaf)의 연산)
도3은 크랭킹 시 다량의 전류가 방전되는 경우 얻어지는 전류/전압 특성을 예시하고 있다. 회귀 직선은 소정의 전류 범위 "Imax ~ Imin"에서의 전류와 전압의 데이터 쌍의 그룹에 대하여 추정된다. 회귀 직선은 내부 저항(Rd)인 기울기(즉, 각도) 및 의사 회로-개방 전압(Voaf)인, 전류 "0"에서 축을 통과하는 절편을 제공한다. 따라서, 이 값들(Rd 및 Voaf)이 연산될 수 있다.
전류 범위 "Imax ~ Imin"은 상한값(Imax) 및 하한값(Imin)에 의해 정의되며, 이 값은 전류 센서(14)의 다이나믹 레인지에 기초하여 결정된다. 일례로서, 전류 범위는 "-500A ~ -100A"의 범위로 설정된다.
(개방 전압차(ΔVo)의 연산)
도4는 개방 전압차(ΔVo)를 연산하는 방법을 도시하고 있다. 이 개방 전압차(ΔVo)는 "Vobe-Voaf"로 표현되며, 여기서 Vobe는 스타터 시동 이전에 얻어지는 의사 회로-개방 전압을 나타내고, Voaf는 크랭킹 후에 얻어지는 의사 회로-개방 전압을 나타낸다.
이미 얻어진 내부 저항(Rd), 및 스타터 시동 이전에 얻어지는 전류(Ibe)와 전압(Vbe)을 이용하여, 다음과 같이 전압이 연산된다.
Vobe=Vbe-Rd*Ibe ...(1)
이는 스타터 시동 이전에 얻어지는 의사 회로-개방 전압(Vobe)이다.
이와 유사한 방식으로, 이미 얻어진 내부 저항(Rd), 및 크랭킹 이후에 얻어지는 전류(Iaf)와 전압(Vaf)을 이용하여, 다음과 같이 전압이 연산된다.
Voaf=Vaf-Rd*Iaf ...(2)
이는 크랭킹 후에 얻어지는 의사 회로-개방 전압(Voaf)이다.
다음으로, 개방 전압차(ΔVo)가 다음 공식에 따라 연산된다.
ΔVo=Vbe-Vaf ...(3)
(내부 저항(Rd)의 보정)
도5는 연산된 개방 전압차(ΔVo)에 기초하여 내부 저항(Rd)을 보정하는 방법을 도시하고 있다.
또한, 원래 원했던 배터리(11)의 내부 저항값은 스타터 시동시 나타나는 내부 저항값(Rin)이다. 그러나, 전술된 바와 같이, 스타터 시동시 흐르는 전류에 대하여 충분한 다이나믹 레인지를 갖는 전류 센서를 장착하는 것은, 정밀도 및 부품 비용 면에서 어려움에 직면한다.
따라서, 이러한 어려움을 극복하기 위하여, 보다 실용적인 전류 범위(예를 들어, -500A ~ 0A의 방전 전류)에서 내부 저항 Rin을 정확히 추정하는 것이 본 발명의 목적이다. 본 발명자는 계측된 내부 저항(Rin)의 추정 오차(=Rin-Rd)와 개방 전압차(ΔVo) 사이의 관계를 조사하기 위하여 실험을 수행하였다. 이 실험은 추정 오차(=Rin-Rd)와 개방 전압차(ΔVo) 사이의 높은 상관이 존재한다는 것을 보여주며, 이는 도5에 도시되어 있다.
따라서, 높은 상관에 의해, 개방 전압차(ΔVo)에 기초하여 내부 저항(Rd)을 보정하는 것이 내부 저항(Rin)의 정밀한 추정을 초래한다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 실험으로부터 도출된, 내부 저항값(Rd)을 보정하기 위한 공식은 다음과 같다.
Rc=-1.5(0.26-ΔVo)+Rd ...(4)
여기서, 개방 전압차(ΔVo)에 의존하여 내부 저항(Rd)을 보정하는 것은 대안적으로 스타터 시동시 얻어지는 내부 저항값(Rin)을 주는 것이다. 따라서, 개방 전압차(ΔVo)에 따른 보정은 효과적이다. 또한, 이는 도6으로부터도 명확하며, 내부 저항(Rin) 추정 오차의 계측 데이터가 제공된다. 본 발명자에 의해 수행되는 실험을 통하여, 스타터 시동시 얻어진 각각의 내부 저항값(Rin)과 각각의 시행에서의 보정에 의해 연산되는 내부 저항(Rd) 사이의 차(오차)가 추정을 위해 관찰되었다.
도6에 도시된 바와 같이, 개방 전압차(ΔVo)에 따른 보정 없이 얻어지는 오차의 최대값은 0.38mΩ이었다. 반면, 개방 전압차(ΔVo)에 따라 연산된 내부 저항(Rd)의 보정은 최대 오차를 0.17mΩ으로 감소시켰다는 것을 알 수 있다. 오차의 평균값에 있어서, 0.22mΩ로부터 0.06mΩ로의 감소가 실현되었으며, 이는 대안적으로 스타터 시동시 나타나는 내부 저항(Rin)이 매우 정밀하게 추정될 수 있다는 것을 증명한다.
(제2 실시예)
이제 도7, 도8 및 도9를 참조하여, 본 발명에 따른 충전-상태량 연산 장치의 제2 실시예가 설명된다. 제1 실시예와 동일한 방식으로, 연산 장치는 차량용 전원계(1) 내에 기능적으로 통합됨으로써 실질적으로 제거되며, 이는 도1에 도시된 구성에서와 동일하다.
제2 실시예에 따른 차량용 전원계(1)는 엔진(즉, 스타터) 시동시 하한 전압을 추정하기 위하여 공식(4)에 따른 내부 저항(Rc)을 이용하는 특성을 갖는다. 이러한 추정은, 빈번히 엔진 재시동을 요구하는 아이들-스톱 주행(idle-stop running)과 같은 상황(아이들링 중 엔진 정지 → 재시동)에 있어서, 배터리(11)가 충분한 재시동 성능을 유지하는 것을 보장하기 위해 매우 중요하다.
본 실시예는 연산된 내부 저항(Rc)으로부터 다음 엔진 시동시의 하한 전압을 추정하는 것을 예시하고 있다. 이러한 추정은 배터리-상태 처리기(15)의 CPU에 의해 실행된다.
이제 도7을 참조하여, 하한 전압을 추정하는 방법이 설명된다. 가장 최근의 연산 타이밍에 얻어진 내부 저항값(Rc) 및 엔진 시동 이전에 얻어진 전류(Ib)와 전압(Vb)의 값을 이용하는 것은 하한 전압에 추정값(Vmin)을 제공한다. 실제적으로, 다음 공식(5)이 하한 전압의 추정값(Vmin)을 제공한다.
Vmin=Vb+Rc*ΔIb ...(5)
여기서, ΔIb는 엔진 시동 이전에 얻어진 전류(Ib)로부터의 변화를 나타내고, 시동시의 방전 전류에 기초한 값으로 설정된다.
도8은 하한 전압의 추정 결과를 예시하고 있다. 이 예를 얻기 위하여, 본 발명자에 의해 실험이 수행되어, 스타터 시동시 실제로 얻어지는 각각의 하한 전압값 과 각각의 시행시의 하한 전압 추정값 사이의 오차를 추정하게 되었다. 개방 전압차(ΔVo)에 따른 내부 저항의 보정이 존재하지 않는 경우와 비교하면, 하한 전압 추정 오차의 최대값은 0.24V로부터 0.12V로 감소한다. 오차의 평균값에 있어서는, 0.13V로부터 0.03V로의 감소가 실현되었다. 이는, 제1 실시예에서 설명된 내부 저항의 보정을 통하여, 하한 전압이 정밀하게 추정될 수 있다는 것을 증명한다.
(제3 실시예)
이제 도9 ~ 도11을 참조하여, 본 발명에 따른 충전-상태량 연산 장치의 제3 실시예가 설명된다. 전술된 실시예들과 동일한 방식으로, 연산 장치는 차량용 전원계(1) 내에 기능적으로 통합됨으로써 실제로 제거되며, 이는 도1에 도시된 구성에서와 동일하다.
제3 실시예에 따른 차량용 전원계(1)는 제2 실시예에서의 구성으로부터 얻어지는 성능을 더 향상시킨다.
전술된 바와 같이, 제2 실시예는, 내부 저항(Rc)을 이용하는 것이 하한 전압이 보다 정밀하게 추정되도록 한다는 점을 보여준다. 반면, 제3 실시예는, 내부 저항(Rc)의 연산 후 엔진의 다음 시동까지의 기간에, 배터리(11)의 내부 상태(즉, 충전 상태)가 변화하는 상황에 있어서 어려움이 발생할 수도 있다는 점을 개선한다. 이러한 경우, 내부 저항값(Rc)이 변화할 수도 있고, 결과적으로 하한 전압(Vmin)(=Vb+Rc*ΔIb)에서의 오차가 야기될 가능성을 초래한다.
이러한 상황을 극복하기 위하여, 배터리-상태 처리기(15)의 CPU는 도9에 도 시된 일련의 프로세스를 반복해서 수행하도록 구성된다.
실제적으로, 도9에 도시된 바와 같이, 도2에 도시된 것과 동일한 단계(S201 ~ S207)의 프로세스에, 단계(S208) 및 단계(S209)에 도시된 프로세스가 추가된다. 즉, 도9의 단계(S208)에 도시된 바와 같이, 보정된 내부 저항(Rc)을 얻기 위한 프로세스(단계(S201 ~ S207)) 이후에 배터리(11)의 SOC(state of charge: %)를 연산하는 단계가 이어지며, 이는 현재의 충전률을 나타내는 수치이다(단계(S208)).
다음으로, 도10에 도시된 바와 같이 SOC가 보정된다(단계(S209)). 구체적으로, SOC와 보정된 내부 저항(Rc) 사이의 관계를 나타내는 함수 데이터가 배터리-상태 처리기(15)의 메모리로부터 읽힌다. 도10에 예시된 함수 데이터는 미리 결정되어 ROM과 같은 메모리에 저장되어 있다. 그리고, 현재의 SOC 연산값이 읽힌 함수에 대입되어, 보정된 내부 저항(Rc)의 현재값의 정규화 비(R2)를 연산하게 된다. 동일한 방식으로, 전회(前回)의 연산 타이밍에 있어서, SOC의 연산값이 읽힌 함수에 대입되어, 보정된 내부 저항(Rc)의 값의 정규화 비(R1)를 연산하게 된다. 따라서, 비 R2/R1이 연산되고, 그리고 나서 전회에 연산된 보정된 내부 저항값(Rc)이 연산된 비 R2/R1에 의해 곱해지며, 현재의 연산된 보정된 내부 저항값(Rc)을 보정하게 된다.
충전률(SOC)에 기초하여 보정된 내부 저항(Rc)을 보정하는 것에 의한, 제3 실시예의 장점은 다음과 같다.
배터리(11)의 내부 저항은 도10에 예시된 바와 같이 SOC에 대한 의존성을 보이며, 또한 도10은 SOC 100%에서의 내부 저항(Rc)이 1에 할당되는 경우에 있어서, 각각의 SOC값에서의 내부 저항(Rc)의 비를 도시하고 있다. 물론, 이 의존성의 특성은 전술된 보정된 내부 저항(Rc)에 대해서도 대응한다. SOC는 여러 알려진 기술을 이용하여 추정될 수 있으며, 이 기술로는 의사 회로-개방 전압을 이용하는 기술 및 전류 적산량을 이용하는 기술이 있다.
도11은, 전술된 SOC에 따른 보정이 보정된 내부 저항(Rc)에 적용된 경우, 하한 전압 추정 오차가 조사된 결과를 예시하고 있다. 단 도11의 경우, SOC가 약 5 ~ 20% 정도 변화한 경우에 있어서, 보정된 내부 저항(Rc)이 보정되었다.
이러한 방식으로, SOC, 즉 충전률에 따라 보정된 내부 저항(Rc)의 보정을 수행하는 것은, SOC-의존 보정이 수행되지 않은 경우와 비교하여, 하한 전압 추정 최대 오차가 0.29V로부터 0.22V로 감소하도록 한다. 다른 관점에서, 오차의 평균값은 0.08V로부터 0.05V로 감소하였다는 것이 알 수 있다. 개방 전압차(ΔVo)에 따라 일단 보정된 내부 저항(Rc)이 SOC에 의존하여 추가로 보정될 수 있기 때문에, 하한 전압은 보다 정확히 예측될 수 있다.
본 발명은 그 사상에서 벗어나지 않고 여러 다른 형태로 예시될 수도 있다. 본 발명의 범위가 발명에 대한 전술된 설명보다는 첨부되는 청구범위에 의해 규정됨에 따라, 지금까지 설명된 실시예들 및 변형예들은 예시적인 것으로만 의도되고 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 모든 변형은 청구범위의 경계 및 한계 또는 이러한 경계 및 한계의 등가물 내에 있으며, 그에 따라 청구범위에 의해 포함되는 것으로 의도된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 고속의 정밀한 회로 구성요소를 이용하지 않으면서, 2차 전지의 충전 상태를 나타내는 양을 정확하게 믿을 수 있는 방식으로 연산하기 위한 장치가 제공된다.

Claims (15)

  1. 차량에 장착된 엔진을 시동하는 스타터에 전력을 공급하는 차량용 배터리의 충전 상태를 나타내는 양을 연산하기 위한 장치에 있어서,
    상기 스타터의 시동에 응답하여, 상기 엔진의 크랭킹 기간(cranking period)에 상기 배터리의 전류와 전압으로 구성된 복수의 데이터 쌍을 소정의 샘플링 간격으로 취득하도록 구성된 데이터 취득 유닛;
    상기 전류와 전압 복수의 데이터 쌍에 기초하여 상기 배터리의 내부 저항값을 간격을 두고 상기 양으로서 연산하도록 구성된 제1 연산 유닛;
    상기 스타터의 시동 이전에 주어지는 상기 배터리의 의사 회로-개방 전압(pseudo circuit-open voltage)과 상기 크랭킹 기간 이후에 주어지는 상기 배터리의 의사 회로-개방 전압 사이의 차인 개방 전압차를 연산하도록 구성된 제2 연산 유닛; 및
    상기 개방 전압차를 이용하여 상기 내부 저항값을 보정하도록 구성된 보정 유닛 - 여기서, 상기 보정된 내부 저항값은 상기 배터리의 충전 상태를 나타냄 -
    을 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보정 유닛은 상기 개방 전압차와 정상관(positive correlation)을 갖는 보정 함수에 상기 개방 전압차를 대입하기 위한 수단 및 상기 대입에 의해 얻어지는 보정 함수값에 기초하여 상기 내부 저항값을 보정하기 위한 수단을 포함하는
    장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 연산 유닛은,
    전류와 전압의 복수의 샘플링된 데이터 쌍에 기초하여, 상기 배터리의 전압과 전류 사이의 관계를 정의하는 회귀 직선을 얻기 위한 수단; 및
    상기 내부 저항값으로서 상기 얻어진 회귀 직선의 기울기를 연산하기 위한 수단을 포함하는
    장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보정 유닛은, 상기 보정 함수값을 상기 내부 저항값에 가산함으로써, 상기 내부 저항값을 보정하도록 구성된
    장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보정 함수는 "K1*ΔVo-K2"로 정의되고, K1 및 K2는 각각 양의 값을 갖는 소정의 상수이고, ΔVo는 상기 개방 전압차를 나타내는
    장치.
  6. 제5항에 있어서,
    간격을 두고 상기 배터리의 충전률을 양으로서 연산하도록 구성된 제3 연산 유닛; 및
    현재의 연산 타이밍에 연산된 충전률 및 전회(前回)의 연산 타이밍에 연산된 충전률에 기초하여, 상기 간격에 기초한 전회의 연산 타이밍에 연산된 내부 저항값을, 상기 간격에 기초한 현재의 연산 타이밍에 보정하도록 구성된 다른 보정 유닛
    을 더 포함하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연산 유닛은,
    전류와 전압의 복수의 샘플링된 데이터 쌍에 기초하여, 상기 배터리의 전압과 전류 사이의 관계를 정의하는 회귀 직선을 얻기 위한 수단; 및
    상기 내부 저항값으로서 상기 얻어진 회귀 직선의 기울기를 연산하기 위한 수단을 포함하는
    장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보정 유닛은, 상기 보정 함수값을 상기 내부 저항값에 가산함으로써, 상기 내부 저항값을 보정하도록 구성된
    장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 보정 함수는 "K1*ΔVo-K2"로 정의되고, K1 및 K2는 각각 양의 값을 갖는 소정의 상수이고, ΔVo는 상기 개방 전압차를 나타내는
    장치.
  10. 제9항에 있어서,
    간격을 두고 상기 배터리의 충전률을 양으로서 연산하도록 구성된 제3 연산 유닛; 및
    현재의 연산 타이밍에 연산된 충전률 및 전회의 연산 타이밍에 연산된 충전률에 기초하여, 상기 간격에 기초한 전회의 연산 타이밍에 연산된 내부 저항값을, 상기 간격에 기초한 현재의 연산 타이밍에 보정하도록 구성된 다른 보정 유닛
    을 더 포함하는 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    간격을 두고 상기 배터리의 충전률을 양으로서 연산하도록 구성된 제3 연산 유닛; 및
    현재의 연산 타이밍에 연산된 충전률 및 전회의 연산 타이밍에 연산된 충전률에 기초하여, 상기 간격에 기초한 전회의 연산 타이밍에 연산된 내부 저항값을, 상기 간격에 기초한 현재의 연산 타이밍에 보정하도록 구성된 다른 보정 유닛
    을 더 포함하는 장치.
  12. 제2항에 있어서,
    간격을 두고 상기 배터리의 충전률을 양으로서 연산하도록 구성된 제3 연산 유닛; 및
    현재의 연산 타이밍에 연산된 충전률 및 전회의 연산 타이밍에 연산된 충전률에 기초하여, 상기 간격에 기초한 전회의 연산 타이밍에 연산된 내부 저항값을, 상기 간격에 기초한 현재의 연산 타이밍에 보정하도록 구성된 다른 보정 유닛
    을 더 포함하는 장치.
  13. 차량에 장착된 엔진을 시동하는 스타터에 전력을 공급하는 차량용 배터리의 충전 상태를 나타내는 양을 연산하기 위한 장치에 있어서,
    상기 스타터의 시동에 응답하여, 상기 엔진의 크랭킹 기간에 상기 배터리의 전류와 전압으로 구성된 복수의 데이터 쌍을 소정의 샘플링 간격으로 취득하기 위한 취득 수단;
    상기 전류와 전압의 복수의 샘플링된 데이터 쌍에 기초하여 상기 배터리의 내부 저항값을 간격을 두고 상기 양으로서 연산하기 위한 제1 연산 수단;
    상기 스타터의 시동 이전에 주어지는 상기 배터리의 의사 회로-개방 전압과 상기 크랭킹 기간 이후에 주어지는 상기 배터리의 의사 회로-개방 전압 사이의 차인 개방 전압차를 연산하기 위한 제2 연산 수단; 및
    상기 개방 전압차를 이용하여 상기 내부 저항값을 보정하기 위한 보정 수단 - 여기서, 상기 보정된 내부 저항값은 상기 배터리의 충전 상태를 나타냄 -
    을 포함하는 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 보정 수단은 상기 개방 전압차와 정상관을 갖는 보정 함수에 상기 개방 전압차를 대입하기 위한 수단 및 상기 대입에 의해 얻어지는 보정 함수값에 기초하여 상기 내부 저항값을 보정하기 위한 수단을 포함하는
    장치.
  15. 차량에 장착된 엔진을 시동하는 스타터에 전력을 공급하는 차량용 배터리의 충전 상태를 나타내는 양을 연산하는 방법에 있어서,
    상기 스타터의 시동에 응답하여, 상기 엔진의 크랭킹 기간에 상기 배터리의 전류와 전압으로 구성된 복수의 데이터 쌍을 소정의 샘플링 간격으로 취득하는 단계;
    상기 전류와 전압의 복수의 샘플링된 데이터 쌍에 기초하여 상기 배터리의 내부 저항값을 간격을 두고 상기 양으로서 연산하는 단계;
    상기 스타터의 시동 이전에 주어지는 상기 배터리의 의사 회로-개방 전압과 상기 크랭킹 기간 이후에 주어지는 상기 배터리의 의사 회로-개방 전압 사이의 차인 개방 전압차를 연산하는 단계; 및
    상기 개방 전압차를 이용하여 상기 내부 저항값을 보정하는 단계 - 여기서, 상기 보정된 내부 저항값은 상기 배터리의 충전 상태를 나타냄 -
    를 포함하는 방법.
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