KR20080108688A - 인버터 스위칭을 이용한 배터리 임피던스 측정 및 이를통한 배터리 충전상태의 추정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터 스위칭을 이용한 배터리 임피던스 측정 및 이를 통한 배터리 충전상태의 추정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 임피던스 기반의 충전상태(SOC) 추정을 통하여, 갑작스런 SOC 정보의 손실에도 현재의 SOC를 정확하고 빠르게 측정할 수 있도록 한 인버터 스위칭을 이용한 배터리 임피던스 측정 및 이를 통한 배터리 충전상태의 추정방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 배터리의 충전상태(SOC) 정보의 손실여부를 판단하는 제1단계; 상기 SOC 정보가 손실된 경우 저전압 디씨디씨 컨버터(LDC)를 잠시 차단하는 제2단계; 일정 범위의 주파수 응답을 측정하는 제3단계; 배터리 임피던스를 계산하는 제4단계; 및 미리 배터리 임피던스 측정법에 의해 획득한 SOC와 배터리 임피던스의 관계를 나타내는 그래프로부터 상기 배터리 임피던스를 대응시켜 현재의 SOC를 측정하는 제5단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인버터 스위칭을 이용한 배터리 임피던스 측정 및 이를 통한 배터리 충전상태의 추정방법을 제공한다.

SOC, 임피던스, 인버터, 주파수, 배터리

Description

인버터 스위칭을 이용한 배터리 임피던스 측정 및 이를 통한 배터리 충전상태의 추정방법{Battery impedence measurement using inverter switching and estimation method for battery's state of charge through it}

도 1은 SOC에 따른 배터리 임피던스 관계의 획득을 설명하기 위한 개략도.

도 2는 HEV 시스템을 나타내는 개략도.

도 2는 HEV 시스템을 나타내는 개략도.

도 3은 교번 스위치에 의한 스위칭 시퀀스를 나타내는 도면.

도 4는 인버터 스위칭시 시스템 등가모델을 나타내는 회로도.

도 5는 시스템 임피던스를 설명하기 위한 도면.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 인버터 스위칭을 이용한 배터리 임피던스 측정 및 이를 통한 배터리 충전상태의 추정방법을 나타내는 순서도.

도 7은 종래의 하이브리드 전기자동차의 동력전달 및 배터리 충전경로를 설명하는 개략도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 배터리 모델 11 : 배터리

12 : 인버터 13 : 모터

23 : 모터/인버터

본 발명은 인버터 스위칭을 이용한 배터리 임피던스 측정 및 이를 통한 배터리 충전상태의 추정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 임피던스 기반의 충전상태(SOC) 추정을 통하여, 갑작스런 SOC 정보의 손실에도 현재의 SOC를 정확하고 빠르게 측정할 수 있도록 한 인버터 스위칭을 이용한 배터리 임피던스 측정 및 이를 통한 배터리 충전상태의 추정방법에 관한 것이다.

통상적으로, 하이브리드 자동차는 엔진과, 배터리의 전원으로 구동되는 구동모터로 구성되는 동력원이 구비되며, 전륜에 상기의 동력원을 적절히 조합한 구조를 적용하여 차량의 출발시나 가속시에 배터리의 전압에 의해 동작되는 모터의 동력 보조로 연비 향상을 유도할 수 있는 차량을 말한다.

상기 하이브리드 전기자동차의 주행모드별로 동력이 전달되는 경로 및 배터리의 충방전이 이루어지는 상태를 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 7은 하이브리드 전기자동차의 동력전달 및 배터리 충전경로를 설명하는 개략도이다.

도 7의 (a)는 아이들 상태를 나타낸다.

아이들 상태는 엔진이 정지된 상태에서 모터의 구동 발전으로 배터리에 충전 이 이루어진다.

도 7의 (b)는 차량이 아이들 상태에서 가속 상태로 전환되는 것을 나타낸다.

가속모드에서는 모터 동력을 보조받으며 엔진동력이 변속기를 통하여 구동휠로 전달되는 주행모드로서, 이때에는 모터 동력에 필요한 배터리의 방전이 이루어진다.

이때, 브레이크는 해제 상태이고, 배터리 충전상태는 방전을 위하여 충분한 상태로 유지된다.

도 7의 (c)는 정속 주행 즉, HEV모드 상태를 나타낸다.

정속주행시에는 클러치가 연결(close)되어 엔진 동력 및 모터 동력이 구동축에 전달되는 모드이며, 이때 엔진 동력을 구동휠에 대한 구동력으로 사용되고, 모터 동력은 아이들 발전을 하여 배터리의 충전이 이루어진다.

이때, 브레이크는 해제 상태이고, 배터리 충전상태는 부족 또는 충분한 상태가 된다.

도 7의 (d)는 감속 주행 즉, 회생제동모드를 나타낸다.

감속모드에서는 엔진에 대한 연료가 차단되고, 모터는 역발전을 하여 배터리의 충전이 이루어지게 된다.

이와 같이, 하이브리드 전기 자동차(HEV)는 보통 동력원을 하나만 사용하는 종래의 자동차보다 연비특성이 좋은데, 이는 회생제동에너지를 고전압 배터리에 저장하여 재사용할 수 있기 때문이다.

또한, HEV의 고전압 배터리의 경우 주행모드별로 충방전 제어가 이루어지고, 특히 배터리의 에너지 사용을 주기적으로 모니터링하고 제어함으로써 배터리를 최적의 상태로 만들 수 있으며, 이는 배터리의 전기적 열적 손상을 최소화하여 배터리의 수명 연장을 가능하게 한다.

상기 고전압 배터리의 모니터링시 가장 중요한 인자는 배터리의 충전 상태를 나타내는 SOC(state of charge)이다. 왜냐하면 SOC에 따라 배터리의 제어 전략이 달라지기 때문이다.

그러나, SOC정보를 저장하는 장치에 어떤 전기적인 충격이나 물리적인 충격이 가해지면 이 데이터가 손실될 수 있다는 점이다. 이러한 경우에 종래의 HEV 시스템은 배터리의 현재 SOC를 계산하기 위해 배터리의 전압 및 전류를 모니터링 하여 서서히 정확한 SOC값을 예측해 나간다.

상기 배터리 전압 및 전류의 모니터링을 통한 SOC 예측 방법은 정확한 값 계산에 한 시간 이상 소요되어, 배터리의 제어 특성이 나빠지거나, 운전 편이성이 떨어지고, 배터리의 수명이 단축될 수 있는 단점이 있다.

따라서 보다 빠르고 정확하게 배터리의 SOC를 추정할 수 있는 방법이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, SOC에 따른 배터리 임피던스 층정법을 통하여 미리 SOC와 배터리 임피던스 관계 맵을 구축하고, 실제 HEV 시스템에서 간단한 인버터 스위칭 을 행함으로써, 배터리의 주파수 응답 및 임 피던스를 추정할 수 있고, 이를 통해 보다 빠르고 정확하게 현재 배터리의 SOC를 추정할 수 있도록 한 인버터 스위칭을 이용한 배터리 임피던스 측정 및 이를 통한 배터리 충전상태의 추정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 배터리 충전상태의 추정방법에 있어서,

배터리의 충전상태(SOC) 정보의 손실여부를 판단하는 제1단계; 상기 SOC 정보가 손실된 경우 저전압 디씨디씨 컨버터(LDC)를 잠시 차단하는 제2단계; 일정 범위의 주파수 응답을 측정하는 제3단계; 배터리 임피던스를 계산하는 제4단계; 및 미리 배터리 임피던스 측정법에 의해 획득한 SOC와 배터리 임피던스의 관계를 나타내는 그래프로부터 상기 배터리 임피던스를 대응시켜 현재의 SOC를 측정하는 제5단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 배터리 임피던스 측정법은 배터리에 정현파 전압 또는 정현파 전류를 인가하고 주파수를 가변하면서 전압과 전류의 위상과 크기를 획득하여 보드 선도를 얻고, 미리 차수가 정의된 배터리 모델을 이용하여 보드 선도의 최대 위상 주파수나 위상이 0이 되는 주파수의 정보 등에 의해 배터리 내부의 임피던스를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 제3단계는 주파수가 변화하는 정현파 또는 구형파의 스위칭 주파수를 가변시켜 배터리의 전압과 전류 관계를 획득하는 단계; 상기 단계에서 배터리의 전압과 전류 값을 획득한 후 LPF(Low Pass Filter)를 거쳐 순수한 정현파 전압과 전류를 얻어 전체 시스템 임피던스를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 제4단계는 제3단계에서 계산한 시스템 임피던스(Z_sys)와 배터리 임피던스(Z_bat)의 관계를 이용한 다음식

(식에서 Z_{inv_mot}는 모터/인버터 임피던스임)에 의해 최종 배터리 임피던스를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 인버터 스위칭을 이용한 배터리 임피던스 측정 및 이를 통한 배터리 충전상태의 추정방법을 나타내는 순서도이다.

본 발명은 갑작스런 SOC 정보의 손실에도 현재의 SOC를 정확하고 빠르게 측정할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

본 발명의 일시예에 따른 배터리의 SOC 추정방법을 적용하기 위해서는 다음과 같은 순서로 진행된다.

1. 우선 SOC에 따른 배터리 임피던스 관계를 다음과 같은 방법에 의해 획득해야 한다.

도 1은 SOC에 따른 배터리 임피던스 관계의 획득을 설명하기 위한 개략도이다.

배터리 임피던스 측정법은 다음과 같은 원리로 이루어진다. 배터리에 정현파 전압 또는 정현파 전류를 인가한다. 이때 주파수를 가변하면서 전압과 전류의 위상과 크기를 획득하면 보드 선도(주파수 응답에 대한 분석에 사용되는 것으로, 주파수를 바꿔가면서 입력을 주었을 때 출력을 게인과 위상으로 표시하여 각 주파수 영역대별로 이 시스템의 응답을 알아보는 것임)를 얻을 수 있다.

미리 차수가 정의된(주로 1차) 배터리 모델(10)을 이용하여 보드 선도의 최대 위상 주파수나 위상이 0이 되는 주파수의 정보 등을 이용하면 손쉽게 배터리 내부의 임피던스를 측정할 수 있다.

2. 인버터 스위칭 방법

본 발명에 따른 일시예는 모터, LDC(저전압 DCDC 컨버터)의 기동이 중지된 상태에서 실시한다.

배터리(11)의 임피던스를 측정하기 위해서는 주파수가 변화하는 정현파 또는 구형파 전압을 이용한다.

본 발명의 일실시예에서는 비교적 만들기가 손쉬운 구형파 전압을 사용한다.

도 2는 HEV 시스템을 나타내는 개략도이고, 도 3은 교번 스위치에 의한 스위칭 시퀀스를 나타내는 도면으로서, 도시한 바와 같이 Q1, Q2, Q3와 Q4, Q5, Q6의 교번 스위칭을 통해 구형파를 만들어 낸다. 이 스위칭 동작 중에 모터(13)(PMSM은 모터의 일종이고, Permanent Magnet Syncronous Motor임)는 회전자계가 형성되지 않으므로 동작하지 않고 따라서 역기전력은 생성되지 않는다.

상기 구형파의 스위칭 주파수를 변경시켜 줌으로써 배터리(11)의 전압과 전 류 관계를 획득할 수 있다.

3. 시스템 임피던스 획득

도 4는 인버터 스위칭시 시스템 등가모델을 나타내는 회로도이다.

상기 스위칭에 따라 시스템은 다음과 같이 배터리 모델, 스위치, 저항과 인덕턴스 전압원으로 나타낼 수 있다. 이때 R은 모터 내부 저항이고, L은 모터 내부 인덕턴스이며, E는 역기전력이고, R_DS(ON)은 인버터의 도통 저항이다.

상기 스위칭 주파수를 가변시켜 배터리의 전압과 전류값을 획득한 후 1차 LPF(Low-Pass Filter)를 거치면 순수한 정현파 전압과 전류를 얻을 수 있는데, 이를 이용하여 전체 시스템의 임피던스를 알 수 있다.

4. 배터리 임피던스 획득

주파수 응답을 통해서 얻은 임피던스는 배터리 임피던스(Z_bat)가 아닌 시스템 임피던스(Z_sys) 이므로 다음 수학식 1의 시스템 임피던스(Z_sys)와 배터리 임피던스(Z_bat)와의 관계를 이용하여 최족적으로 배터리 임피던스(Z_bat)를 획득한다. 이때 모터/인버터의 임피던스(Z_{inv_mot})를 미리 알고 있으므로 그 값을 대입한다.

Z_system = Z_bat // Z_{inv_mot}

따라서, 처음에 배터리 임피던스 측정법에 따라 구한 SOC와 배터리 임피던스의 관계로부터 상기 수학식을 통해 구한 배터리 임피던스를 대응시켜 현재의 배터리의 충전상태(SOC)를 정확하고 빠르게 측정할 수 있게 된다.

이와 같은 방법을 통해 배터리 SOC를 구하면 갑작스런 데이터 손실 후에도 곧바로 배터리의 정확한 제어가 가능하고, 사용자의 운전 편이성이 증대되며, 배터리의 수명을 연장시켜 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 전체적인 시스템의 제어특성이 향상됨으로써 연비 상승의 효과도 얻을 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 인버터 스위칭을 이용한 배터리 임피던스 측정 및 이를 통한 배터리 충전상태의 추정방법에 의하면, 갑작스런 데이터 손실 후에도 곧바로 배터리의 정확한 제어가 가능하고, 사용자의 운전 편이성이 증대되며, 배터리의 수명을 연장시켜 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, SOC 판별을 위해 추가적인 장치를 사용하지 않으므로 원가 절감 효과 가 있고, 전체적인 시스템의 제어특성이 향상됨으로써 연비 상승의 효과도 얻을 수 있다.

Claims (4)

1. 배터리 충전상태의 추정방법에 있어서,

   배터리의 충전상태(SOC) 정보의 손실여부를 판단하는 제1단계;

   상기 SOC 정보가 손실된 경우 저전압 디씨디씨 컨버터(LDC)를 잠시 차단하는 제2단계;

   일정 범위의 주파수 응답을 측정하는 제3단계;

   배터리 임피던스를 계산하는 제4단계; 및

   미리 배터리 임피던스 측정법에 의해 획득한 SOC와 배터리 임피던스의 관계를 나타내는 그래프로부터 상기 배터리 임피던스를 대응시켜 현재의 SOC를 측정하는 제5단계;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태의 추정방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 배터리 임피던스 측정법은 배터리에 정현파 전압 또는 정현파 전류를 인가하고 주파수를 가변하면서 전압과 전류의 위상과 크기를 획득하여 보드 선도를 얻고, 미리 차수가 정의된 배터리 모델을 이용하여 보드 선도의 최대 위상 주파수나 위상이 0이 되는 주파수의 정보 등에 의해 배터리 내부의 임피던스를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태의 추정방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 제3단계는

   주파수가 변화하는 정현파 또는 구형파의 스위칭 주파수를 가변시켜 배터리의 전압과 전류 관계를 획득하는 단계;

   상기 단계에서 배터리의 전압과 전류 값을 획득한 후 LPF(Low Pass Filter)를 거쳐 순수한 정현파 전압과 전류를 얻어 전체 시스템 임피던스를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태의 추정방법.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 제4단계는 제3단계에서 계산한 시스템 임피던스(Z_sys)와 배터리 임피던스(Z_bat)의 관계를 이용한 다음식

   

   (식에서 Z_{inv_mot}는 모터/인버터 임피던스임)에 의해 최종 배터리 임피던스를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전상태의 추정방법.

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