KR20090045227A

KR20090045227A - 용량 의존 매개변수를 이용한 배터리 용량 측정 방법

Info

Publication number: KR20090045227A
Application number: KR1020097002451A
Authority: KR
Inventors: 에버하르트 쇼흐; 부르크하르트 이스케; 미햐엘 메르클레
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2006-08-07
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2009-05-07
Also published as: DE102006036784A1; CN101501518A; US20100066377A1; JP2010500539A; EP2052271A1; WO2008017530A1

Abstract

본 발명은 배터리(3)의 작동 변수(U_Batt, I_Batt, T_Batt)로부터 수학적 에너지 저장 모델의 상태변수(Z)와 매개변수(P)를 계산하는 상태변수 및 매개변수 추정기(1)를 이용해서 배터리 변수(Q_e, U_c0min), 특히 배터리(3)의 용량(Q_e)을 측정하기 위한 방법에 관한 것이다. 배터리(3)의 용량(Q_e)은, 적어도 하나의 용량 의존 매개변수(R_K025, Vgr25)의 함수로서 상기 용량이 계산될 때, 정상 배터리 작동 중에 매우 정확하게 측정될 수 있다.

작동 변수, 배터리 변수, 상태변수 및 매개변수 추정기, 칼만 필터

Description

용량 의존 매개변수를 이용한 배터리 용량 측정 방법 {METHOD FOR DETERMINING THE BATTERY CAPACITY USING CAPACITY-DEPENDENT PARAMETERS}

본 발명은 청구 범위 제1항의 전제부에 따른, 에너지 저장기의 배터리 변수, 특히 용량을 측정하기 위한 방법 및 제11항의 전제부에 따른 상응하는 장치에 관한 것이다.

차량-전기 시스템에서, 전기 사용자 장치는 일반적으로 배터리와 제너레이터로부터 전력을 공급받는다. 주행 작동 중, 일반적으로 에너지 및 사용자 장치가 제어되며, 이때 개별 사용자 장치는 공급-부족에 반응하거나 특정의 기능을 실현할 수 있도록, 필요에 따라 자동으로 접속 또는 차단된다. 이러한 에너지 제어 및 사용자 장치 제어의 범주 내에서는 배터리 상태를 인식하는 것이 실질적으로 중요하다.

배터리 상태를 평가하기 위해, 에너지 저장기의 전기적 및 물리적 특성을 설명하는 수학적 배터리 모델을 사용하는 것이 공지되어 있다. 수학적 배터리 모델을 이용해서, 예컨대 성능(SOF), 충전 상태(SOC) 또는 용량, 즉 빼낼 수 있는 전하량(Q_e)을 추정할 수 있다.

종래 기술에 공지된 배터리 모델은, 능동적 전기 시스템 작동 시 배터리의 현재 상태에 맞게 지속적으로 적응되는 일련의 상태변수와 매개변수를 포함한다.

그러나 방전 종료 시의 최소 개방 전압(U_c0min)과 같은 배터리 모델의 특정 매개변수는 배터리의 매우 낮은 충전 상태, 즉 통상적으로 빼낼 수 있는 전하량의 대략 50% 이하에서만 정확하게 측정될 수 있다. 그러나 차량-전기 시스템에서 이와 같은 과방전(deep discharge)은 매우 드물게 발생할 뿐만 아니라, 차량의 시동성이 저하되지 않도록, 그리고 심한 순환 과정(cyclization)에 의한 배터리 노후화가 가능한 한 적게 유지되도록, 차량의 에너지 관리 시스템에 의해서 방지된다.

따라서 본 발명의 목적은 과방전 상태 외에도, 특히 배터리의 정상 작동일 때 얻고자 하는 배터리 변수를 매우 높은 정확도로써 측정할 수 있게 하는 배터리 변수, 특히 배터리 용량을 측정하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 또한 상기 방법은 정상적인 전기 시스템 작동일 때 제공되는 전기 여기 상태에서 실행될 수 있으며, 특히 엔진 시동 시에 발생하는 추가의 여기를 필요로 하지 않는다.

본 발명에 따른 이러한 목적은 청구 범위 제1항 및 제11항에 기재된 특징을 통해서 달성된다. 본 발명의 다른 실시예들은 종속항의 대상이다.

본 발명의 실질적 관점은, 얻고자 하는 배터리 변수를, 적어도 하나의 용량 의존 매개변수의 함수로서 계산하는 것이다. 본 발명은, 다양한 배터리 매개변수가 배터리의 작동 중 새로운 상태에 대해서 변동하므로, 매개변수 또는 그 변동이 배터리 상태, 특히 배터리의 용량(손실 용량 또는 아직 사용 가능한 용량)에 대한 척도라는 인식에 기초한다. 이로써, 얻고자 하는 배터리 변수는 매우 간단하게, 그리고 적어도 하나의 용량 의존 매개변수의 고려 하에 정확하게 측정될 수 있다. 또한 상기 계산을 실행하기 위해, 전기 시스템 작동 시 일반적으로 제공되는 여기 외에, 예컨대 능동적으로 발생된 충전 전류 펄스 또는 방전 전류 펄스와 같은, 배터리의 추가의 여기는 필요하지 않다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에 따라, 얻고자 하는 배터리 변수는 최소 개방 전압의 함수로서 계산되며, 최소 개방 전압은 다시 적어도 하나의 용량 의존 매개변수의 함수이다.

용량 의존 매개변수로는, 특히 배터리의 산 확산 저항(R_K)의 매개변수(예컨대 R_K025) 및/또는 배터리의 전해질과 전극 사이의 전하 이동 저항(R_Dp)의 매개변수(예컨대 Vgr25)가 사용될 수 있다. 언급한 매개변수들은 특히 용량 손실이 증가함에 따라 비교적 심하게 변동하고, 즉 비교적 민감하며, 차량-전기 시스템 작동 시 추가의 능동적 여기 없이도 정확하게 식별될 수 있는 장점을 갖는다.

얻고자 하는 배터리 변수는 바람직하게, 기준값에 대한, 특히 배터리의 새로운 상태일 때의 초기값에 대한, 하나 이상의 용량 의존 매개변수의 편차의 함수로서 계산된다. 이 경우 기준값에 대한 편차의 정도는 배터리의 손실 용량에 대한 척도이다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에 따라, 적어도 하나의 용량 의존 매개변수는 바람직하게 매개변수를 측정하는 데 이용되는 오차 분산에 따르는 사전 설정된 인자로써 가중된다. 대다수의 상태변수 및 매개변수 추정기에 의해, 개별 변수 또는 매개변수 외에 상태변수 또는 매개변수의 추정에 이용된 오차 분산도 도출된다. 이러한 값은 용량 의존 매개변수의 가중을 위해서 사용될 수 있다.

예컨대 배터리의 용량과 같은, 얻고자 하는 배터리 변수는 완전히 충전된 배터리의 최대 개방 전압의 함수로서 계산되어도 좋다. 높은 충전 상태일 때 적응 알고리즘에 의해서 최대 개방 전압을 얻는 것도 바람직하다.

이러한 계산은 확장형 칼만 필터에 의해서 실행되는 것이 좋다.

이하에서 본 발명은 첨부된 도면에 의해서 더 자세히 설명된다.

도 1은 배터리-상태변수, 특히 배터리로부터 빼낼 수 있는 전하량을 계산하기 위한 장치의 도면이다.

도 2는 납축전지에 대한 등가 회로도이다.

도 1에는 배터리로부터 빼낼 수 있는 전하량(Q_e)(용량)과 같은 배터리 변수를 측정하기 위한 장치가 도시된다. 상기 장치는 실질적으로 상태변수 및 매개변수 추정기(1)와, 수학적 에너지 저장 모델이 저장되어 있는 전하량 예측기(2)(추정 장치)를 포함한다.

상태변수 및 매개변수 추정기(1)는 배터리(4)의 현재 작동 변수, 즉 배터리 전압(U_Batt), 배터리 전류(I_Batt) 및 배터리 온도(T_Batt)로부터 상태변수(Z) 및/또는 매개변수(P)를 계산하며, 이를 기초로 해서 전하량 예측기(2)는 얻고자 하는 배터리 상태변수(Q_e) 또는, 배터리(4)의 충전 상태(SOC) 또는 성능(SOF)과 같은 다른 변수를 계산한다. 이하의 실시예에서 배터리(4)는 납축전지이다.

여기서는 특히 도 2에 도시된 배터리의 등가 회로도에 나타나는 내부 전압(U)이 상태변수(Z)로서 적용된다. 언급한 매개변수는 특히 저항(R) 및 용량(C)과 같은 등가 회로도의 요소이거나, 수학적 배터리 모델의 함수들에서 발생하는 다양한 값들이다.

배터리-용량(Q_e)의 계산은 에너지 저장기의 현재 상태를 전제로 수행된다. 따라서 전하량 예측기(2) 내에 저장된 수학적 모델은 우선 에너지 저장기(4)의 현재 작동 상태로 초기화된다. 이를 위해 상태변수 및 매개변수 추정기(1)는 상응하는 초기값을 제공한다. 상태변수 및 매개변수 추정기로서는 공지된 칼만 필터가 사용될 수 있다. 배터리-작동의 진행 중, 상태변수(Z)와 매개변수(P)가 현재 상태에 맞게 지속적으로 새롭게 적응됨에 따라 배터리 모델의 함수가 조정된다.

도 2에는 납축전지(4)의 등가 회로도가 도시된다. 개별 변수들은 다음과 같다.

작동 변수

I_Batt: 배터리 전류

U_Batt: 배터리의 단자 전압

T_Batt: 산(acid) 온도

상태변수

U_C0: 개방 전압

U_k: 농도 분극

U_Dp: 양전극의 전하 이동 분극

U_Dn: 음전극의 전하 이동 분극

매개변수

R_i(U_C0, U_k, T_Batt, R_i025, U_c0min, U_c0max): 개방 전압(U_C0), 농도 분극(U_k), 산 온도(T_Batt), 25℃ 및 완전 충전 시 내부 저항(R_i025), 방전 종료 시의 최소 개방 전압(U_c0min) 및 완전 충전 시 최대 개방 전압(U_c0max)에 따르는 옴 내부 저항

C₀: 산 용량

R_k(U_C0, T_Batt, R_k025, U_c0max): 개방 전압(U_C0), 양전극의 전하 이동 분극, 산 온도(T_Batt), 25℃ 및 완전 충전 시 산 확산 저항(R_K025) 및 완전 충전 시 최대 개방 전압(U_c0max)에 따르는 산 확산 저항

C_k: 산 확산의 용량

R_Dp(U_C0, U_Dp, T_Batt, I_Dp, V_gr25, U_c0max): 개방 전압(U_C0), 양전극의 전하 이동 분극(U_Dp), 산 온도(T_Batt), 양전극의 전하 이동 전류(I_Dp), 25℃에서 전하 이동 분극의 포화 전압(V_gr25) 및 완전 충전 시 최대 개방 전압(U_c0max)에 따르는, 양전극과 전해질 사이의 전하 이동 저항

C_Dp: 양전극과 전해질 사이의 이중층 용량

R_Dn(U_Dn, T_Batt, I_Dn) : 음전극의 전하 이동 분극(U_Dn), 산 온도(T_Batt) 및 음전극의 전하 이동 전류(I_Dp)에 따르는, 음전극과 전해질 사이의 전하 이동 저항

C_Dn: 음전극과 전해질 사이의 이중층 용량

개별 등가 회로도 변수는 관련 문헌에 의해 당업자에게 공지되어 있는 배터리(3)의 다양한 물리적 효과로부터 생긴다.

산 확산 저항(R_K)에 대해 이하의 함수가 규정될 수 있다.

R_k= f(U_C0, T_Batt, R_K025, U_c0max)

이 경우, R_K025는 25℃에서의 산 확산 저항이며 완전히 충전된 배터리이다. R_K025는 용량 의존 매개변수이다.

납축전지(3)의 양전극과 전해질 사이의 전하 이동 저항(R_Dp)에 대해 이하의 함수가 규정될 수 있다:

R_Dp= f(U_C0, U_Dp, T_Batt, I_Dp, V_gr25, U_c0max)

이 경우, V_gr25는 방전 전류가 높고 25℃일 때 양전극의 분극 전압이다. V_gr25는 용량 의존 매개변수가다.

전하량 예측기(2)는 다른 상태변수(예컨대 U_Dp, U_Dn, U_k,등)와 매개변수(예컨대 R_Dn, C₀, R_i, 등)를 위해, 상응하는 다른 수학적 접근법들을 포함한다.

에너지 저장기(3)의 용량(Q_e)에 대해서는 기본적으로 다음의 수학식이 적용된다.

Q_e = C_0·(U_c0max- U_c0min)

이 경우, C₀은 배터리(3)의 산 용량이며, U_c0max은 완전히 충전된 배터리에서의 개방 전압이고, U_c0min은 방전 종료 시의 개방 전압이다.

배터리(3)의 용량(Q_e)에 대한 충분히 정확한 결과를 얻기 위해서는, 매개변수(C₀, U_c0min, U_c0max)가 충분히 정확하게 측정되어야 한다. 이는 매개변수(C₀, U_c0max)의 경우, 정상적인 배터리 작동 시(거의 완전 충전 상태) 어려움 없이 가능하다. 그러나 매개변수(U_c0min)는 50% 미만의 낮은 충전 상태에서만 정확하게 계산될 수 있다. 이러한 작동 상태는 매우 드물게 발생할 뿐이기 때문에, 용량 계산의 원하는 정확도를 얻는 경우가 거의 없다. 따라서 배터리(3)의 용량 의존 매개변수(R_K025, Vgr25)를 토대로 매개변수(U_c0min)를 계산하는 것이 제안된다. 이로써 배터리(3)의 사용 가능한 용량(Q_e)은 정상적 전기 시스템 작동일 때, 배터리의 추가 여기 없이 검출될 수 있으며, 이 경우 배터리는 낮은 충전 상태로 방전되지 않아도 된다.

방전 종료 시 배터리(3)의 개방 전압(U_c0min)에 대해 예컨대 이하의 수학식이 규정될 수 있다:

U_{c0min_corr}= U_c0min+ g1·ΔR_K25 - g2·ΔVgr25

ΔR_K25와 ΔVgr25는 상응하는 기준값, 특히 배터리(3)의 새로운 상태에서의 값에 대한 매개변수(ΔR_K25또는ΔVgr25)의 변동량이다. 인자 g1과 g2는 가중 인자이다.

여기서 변동량(ΔR_K25및ΔVgr25)은 매개변수(R_K25및 Vgr25)가 상태변수 및 매개변수 추정기(1)에 의해서 추정된 정확도에 비례하게 가중된다. 이를 위해 칼만 필터(1)는 상응하는 오차 분산(P)을 출력하며, 이는 가중 인자(g1 및 g2)로 통합된다. 가중 인자(g1 및 g2)는 예컨대 다음과 같이 표현될 수 있다:

g1 ∼(P₀(R_K025) - P(R_K025))/P₀(R_K025)

g2 ∼(P₀(Vgr25) - P(Vgr25))/P₀(Vgr25)

이 경우, P₀(R_K025)와 P₀(Vgr25)은 상응하는 매개변수의 초기 오차 분산이며, P(R_K025)와 P(Vgr25)은 칼만 필터(1)에 의해서 추정된 매개변수(R_K025및 Vgr25)의 현 재 오차 분산이다.

편차(ΔR_K25또는ΔVgr25) 대신에, 양전극과 전해질 사이의 이중층 용량(C_Dp)의 매개변수의 편차도 선택적으로 또는 추가로 사용될 수 있다.

특히 50% 미만의 낮은 충전 상태일 때, 내부 저항의 매개변수(R_i025) 또는 그 변동량도 방전 종료 시의 개방 전압(U_c0min)의 계산에 통합될 수 있다.

Claims

에너지 저장기(3)의 작동 변수(U_Batt, I_Batt, T_Batt)로부터 수학적 에너지 저장 모델의 상태변수(Z)와 매개변수(P)를 계산하는 상태변수 및 매개변수 추정기(1)를 이용해서 에너지 저장기(3)의 배터리 변수, 특히 용량(Q_e)을 측정하기 위한 방법에 있어서,

얻고자 하는 에너지 저장기(3)의 배터리 변수(Q_e)는, 적어도 하나의 용량 의존 매개변수(R_K025, Vgr25)의 함수로서 계산되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장기의 용량 측정 방법.
제1항에 있어서, 얻고자 하는 배터리 변수(Q_e)는 최소 개방 전압(U_c0min)의 함수로서 계산되며, 최소 개방 전압(U_c0min)은 적어도 하나의 용량 의존 매개변수(R_K025, Vgr25)의 함수로서 계산되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장기의 용량 측정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 얻고자 하는 배터리 변수(Q_e)는 에너지 저장기(3)의 산 확산 저항(R_K)의 용량 의존 매개변수(R_K025)의 함수로서 계산되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장기의 용량 측정 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 얻고자 하는 배터리 변수(Q_e)는 에너지 저장기(3)의 전해질과 전극 사이의 전하 이동 저항(R_Dp)의 용량 의존 매개변수(Vgr25)의 함수로서 계산되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장기의 용량 측정 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 얻고자 하는 배터리 변수(Q_e)는 적어도 하나의 용량 의존 매개변수(R_K025, Vgr25)의, 기준값에 대한 편차의 함수로서 계산되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장기의 용량 측정 방법.
제5항에 있어서, 매개변수(R_K025, Vgr25)의 편차는 특정의 인자(g)로 가중되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장기의 용량 측정 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 얻고자 하는 배터리 변수(Q_e)는 내부 저항(R_i)의 용량 의존 매개변수(R_i025)의 함수로서도 계산되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장기의 용량 측정 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 얻고자 하는 에너지 저장기(3)의 배터리 변수(Q_e)는 최대 개방 전압(U_c0max)의 함수로서 계산되며, 최대 개방 전 압(U_c0max)은 적응 알고리즘(칼만 필터)에 의해서 적응되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장기의 용량 측정 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 계산은 칼만 필터에 의해서 실행되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장기의 용량 측정 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리 변수(Q_e)는 에너지 저장기(3)의 전해질과 전극 사이의 이중층 용량(C_Dp)의, 용량 의존 매개변수의 함수로서 계산되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장기의 용량 측정 방법.
에너지 저장기(3)의 작동 변수(U_Batt, I_Batt, T_Batt)로부터 수학적 에너지 저장 모델의 상태변수(Z) 및 매개변수(P)를 계산하는 상태변수 및 매개변수 추정기(1)를 포함하는, 에너지 저장기(3)의 배터리 변수, 특히 용량(Q_e)을 측정하기 위한 장치에 있어서,

얻고자 하는 배터리 변수(Qe)를, 용량 의존 매개변수(R_K025, Vgr25)의 함수로서 계산하는 유닛(2)이 제공되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장기의 용량 측정 장치.