KR20100000389A - 배터리 관리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 배터리 관리 방법은 배터리의 전압, 전류, 온도를 측정하는 단계와, 측정된 배터리의 전류 적분값을 이용하여 배터리의 충전 상태를 계산하는 단계와, 계산된 배터리의 충전 상태를 보정하는 단계를 포함하고, 상기 배터리의 전압, 전류, 온도는 ECU에서 측정되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 발명은 배터리 센서 없이 제어부에 수집된 데이터를 이용하여 배터리의 충전 상태를 산출함으로써, 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
배터리, 제어부, 충전, 센서, 배터리 센서, 알터네이터

Description

배터리 관리 방법{BATTERY MANAGEMENT METHOD}
본 발명은 배터리 관리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 센서 없이 배터리의 충전 상태를 산출하기 위한 배터리 관리 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차에는 헤드 램프, 실내등, 클러스트 조명과 같은 전장품들이 설치되며 이러한 전장품들은 차량에 구비되는 배터리를 통해 전기가 공급된다.
배터리는 안정성과 수명 향상, 고출력을 얻기 위해 항상 적정한 충전 상태가 유지되어야 하며, 이를 위해 배터리의 상태를 수시로 측정하여 배터리의 상태를 관리하게 된다. 또한, 배터리의 적정한 충전 상태를 유지하기 위한 최소한의 전압만을 인가시키도록 알터네이터를 제어하기 때문에 연비 향상의 효과도 있다.
이와 같이 배터리의 충전 상태를 정확하게 측정하기 위해서는 배터리의 충전 상태(State Of Charge, SOC)을 정확하게 산출하는 것이 매우 중요하며, 이를 위해 배터리의 전압, 전류, 온도를 측정함으로써 배터리의 충전 상태를 산출한다.
하지만, 배터리의 전압, 전류, 온도를 측정하기 위해서는 별도의 배터리 센서가 추가적으로 구비되어야 하기 때문에 설치에 소요되는 시간 및 비용이 추가되는 문제점이 발생된다.
또한, 사용자의 특성에 따라 배터리의 충전 상태가 달라지기 때문에 보다 신뢰성 있는 배터리의 관리 방법을 필요로 하게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 배터리 센서 없이 원가를 절감하면서 정확하고 신뢰성 있는 배터리의 관리 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 배터리 관리 방법은 배터리의 전압, 전류, 온도를 측정하는 단계와, 측정된 배터리의 전류 적분값을 이용하여 배터리의 충전 상태를 계산하는 단계와, 계산된 배터리의 충전 상태를 보정하는 단계를 포함하고, 상기 배터리의 전압, 전류, 온도는 ECU에서 측정하는 것을 특징으로 한다.
차량이 주행 중인 경우, 상기 배터리의 전압은 알터네이터의 여자 전류와 엔진 회전수의 함수에 의해 측정될 수 있다.
IG 신호가 온일 경우의 배터리의 전류는 알터네이터의 출력과 총전류소비량의 차에 의해 측정될 수 있다.
상기 총전류소비량은 각 전장품들의 평균전류소비량의 가중치가 포함된 평균전류소비량의 합으로 측정될 수 있다.
IG 신호가 오프일 경우의 배터리의 전류는 차량의 암전류를 이용하여 측정될 수 있다.
상기 배터리의 온도는 외기온도 센서값과, 냉각수 온도 센서 값을 이용하여 측정될 수 있다.
본 발명은 배터리 센서 없이 제어부에 수집된 데이터를 이용하여 배터리의 충전 상태를 산출함으로써, 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전류 모델링에 있어서 계산 정확도를 높이기 위해 사용자 특성에 의한 가중치를 추가하여 전류값을 보정함으로써, 정확하고 신뢰성 있는 배터리의 충전 상태를 산출할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리의 관리 방법을 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 제어부와 배터리가 연결된 모습을 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 배터리의 전류를 측정하는 방법으로 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명에 따른 제어부의 수집된 데이터를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 배터리의 실제 측정 데이터와 시뮬레이션 측정 데이터를 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 배터리의 온도를 측정하기 위해 구성된 센서의 위치를 나타낸 평면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 가중치에 따른 운전자의 특성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 관리 방법은 배터리 전압을 측정하는 단계(S100)와, 배터리 전류를 측정하는 단계(S200)와, 배터리 온도를 측정하는 단계(S300)와, 측정된 각각의 전압 온도 조건하에서 배터리의 전류 적분값을 이용 하여 배터리의 충전 상태를 산출하는 단계(S400)를 포함한다.
배터리(100)의 전압은 제어부(Electronic Control Unit, ECU, 200)에서 측정되며, ECU(200)는 도 2에 도시된 바와 같이 배터리(100)에 와이어에 의해 연결된다. ECU(200)에는 모든 전기 부품들로부터 자체적으로 작동 전압을 측정하는 전압측정회로(미도시)가 구비되어 있으며, 이러한 전압측정회로를 통해 ECU(200)는 일정 시간에 한 번씩 웨이크업(Wake-up)하면서 개방회로전압(open circuit voltage, OCV)을 측정한다.
배터리(100)의 전압은 차량이 정차중일 때와, 차량이 주행중일 때를 나누어서 측정할 수 있다. 예컨대, 차량이 정차중일 경우는 수학식 1에 의해 배터리(100)의 전압이 측정되며, 차량이 주행중일 경우는 수학식 2에 의해 배터리(100)의 전압이 측정된다.
Figure 112008045411647-PAT00001
수학식 1에 도시된 바와 같이, 차량의 정차중일 경우는 ECU(200)에서 측정된 전압값이 차량이 정차중일 때의 전압값과 동일하다고 판단한다. 여기서, ECU(200)에서 측정하는 OCV는 ECU(200)까지 오는데 배터리(100)와 ECU(200) 사이에 연결된 와이어링에 의한 전압강하가 존재하지만, 차량의 정차중에는 최소한의 전류 예컨대, 암전류만 흐르고 있기 때문에 전압강하는 거의 없다. 여기서, Vparking은 차량이 정차중일 경우의 전압값이며, VECU는 ECU로부터 측정된 전압값을 의미한다.
Figure 112008045411647-PAT00002
수학식 2에 도시된 바와 같이, 차량이 주행중일 경우 ECU(200)에서 측정하는 전압은 와이어링에 의한 전압강하에 의해 영향을 받기 때문에 알터네이터측 출력전압을 이용하여 보정해 주어야 한다. 여기서, 전압 강하량을 계산하기 위하여 ECU(200)에서 제어하는 여자 전류(Iexcite)와 엔진 회전수(rpm) 등의 값을 이용한다. 이로서, 측정된 VECU 값은 실제 배터리 전압에 가깝게 보정되어 Vrun을 산출할 수 있다.
따라서, 배터리(100)의 전압은 수학식 1 및 수학식 2로부터 계산된 값에 의해 측정될 수 있으며, 상기와 같은 배터리(100)의 전압은 -0.2V 내지 +0.2V 의 오차 범위 내에서 측정될 수 있다.
이와 같이 배터리 전압을 측정하는 단계(S100)를 마치면, 배터리 전류를 측정하는 단계(S200)를 수행한다.
배터리 전류를 측정하는 단계(S200)는 도 3에 도시된 바와 같이, 먼저, 이그니션 키가 오프되었는지 여부를 판단하는 단계(S310)를 수행한다. 이그니션 키가 오프되었다고 판단되면 IG가 오프 구간이라고 판단하고, 평균 암전류(iparasite)를 측정하여 IG 오프 구간에서의 배터리의 전류를 측정하는 단계(S312)를 수행한다. 이는 IG가 오프일 구간에서는 알터네이터의 출력이 0이고, 다른 전장품들의 전류소비 량도 거의 0에 가깝기 때문에 차량 암전류값만 사용하여 전류를 측정할 수 있다. 여기서, 배터리 전류는 일정 주기 예컨대 30초마다 측정하며, 차량의 정차중의 전류값은 음수를 가진다.
반면, 이그니션 키가 오프가 아니라고 판단되면 이그니션 키가 ACC에 온되었는지 판단하는 단계(S314)를 수행한다. 이그니션 키가 ACC에 온되었다고 판단되면 ACC가 온되었을 때의 배터리의 전류를 측정하는 단계(S316)를 수행한다. 여기서, ACC가 온되었을 때의 배터리 전류는 평균 ACC 전류 소비량에 사용자별 가중치(
Figure 112008045411647-PAT00003
)를 추가한 값과 평균 암전류(iparasite)에 의해 얻어진다.
이어서, 이그니션 키가 ON 위치 예컨대 IG가 온되었는지 판단하는 단계(S318)를 수행한다. 여기서, IG가 온 되어있지 않다고 판단되면 ACC 온 구간에서의 소비전류를 일정 주기 예컨대 5초마다 측정한다. 이때, 알터네이터가 작동하지 않으므로 전류값은 음수를 갖는다.
이그니션 키 예컨대 IG가 온되었다고 판단되면 IG가 온되었을 경우의 배터리(100) 전류를 측정한다. 여기서, IG가 온되었을 경우 차량 내 모든 전장품에 사용되는 총전류소비량을 구해 배터리(100)의 전류값을 구할 수 있다.
이를 위해 먼저, ECU(200)는 차량 내 전원을 사용하는 모든 전장품의 리스트를 만든다. 도 4에 도시된 바와 같이, ECU(200)는 각 작동 모드별로 동작되는 전장품을 구분하고, 그에 따른 최소(min) 전류, 최대(max) 전류, 일반(normal) 전류를 수집한다.
예컨대, 각 작동모드별 전장품은 헤드램프, 클러스트조명, 방향지시등의 제1모드와, 실내등, 커티시등의 제1모드와, 블로워모터, 히터/에어컨등의 제3모드로 구분될 수 있으며, 차량내 구비되는 전장품 외에 추가적으로 부착되는 전장품이 있을 경우, 그에 대해 ACC에서 동작되는 전장품의 평균전류소비량을 구할 수 있다. 여기서, 제1모드 내지 제3모드는 차량내 캔(CAN) 통신에 의해 수집될 수 있으며, 추가적인 전장품 데이터는 캔 통신에 의해 수집되지 않는다.
따라서, 캔 통신에 의해 수집되는 전장품 예컨대, 제1모드 내지 제3모드의 작동 상태와 캔 통신에 의해 수집되지 않은 전장품 예컨대, 추가적으로 부착되는 전장품의 작동 상태에 대한 수치를 각각 계산하여 총전류소비량을 구할 수 있다.
캔 통신에 의해 수집되는 전장품의 전류 소비량을 산출하기 위해 캔 통신을 통해 전장품의 작동 상태를 수신받는 단계(S328)를 수행한다. 이어서, 캔 통신에 수집되는 전장품의 모드에 따른 각각의 평균전류소비량 i1, i2, i3 ..을 구하는 단계(S330, S332, S334)를 수행한다.
또한, 캔 통신에 의해 수집되지 않는 전장품의 전류 소비량을 산출하기 위해 캔 통신을 통해 수집되지 않는 전장품의 작동 상태를 수신받는 단계(S324)를 수행한다. 이어서, 수신받은 전장품의 전류값을 측정하여 하나로 통합하여 평균전류소비량을 구하는 단계(S326)를 수행한다. 여기서, 차량에 추가되는 전장품은 사용자의 특성에 따라 전류값을 산출하기 어렵기 때문에 사용자의 특성에 따른 가중치(
Figure 112008045411647-PAT00004
)를 붙여주게 된다.
이어서, 캔 통신에 통해 수집되는 전장품의 평균전류소비량과 캔 통신에 의해 수집되지 않는 전장품의 평균전류소비량을 더해 총전류소비량을 구하는 단계(S336)를 수행한다.
이어서, ECU(200)는 ECU(200) 내부의 제어변수인 rpm과 여자 전류값을 불러오는 단계(S320)를 수행하고, rpm과 여자 전류값(iexcite)의 함수에 의해 알터네이터의 출력을 계산하는 단계(S322)를 수행한다.
이어서, 알터네이터에의 출력값(IGenerate)에서 총전류소비량(Itot) 차를 이용하여 IG 온 상태에서의 배터리의 전류를 측정하는 단계(S338)를 마친다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 상기와 같은 방법에 의한 시뮬레이션 결과는 도 5a에 도시된 바와 같은 실제 측정 데이터와 유사한 결과를 획득할 수 있으며, 이로 인해 정확도와 신뢰성이 보장될 수 있다.
상기와 같이 배터리 전류를 측정하는 단계(S200)를 마치면, 배터리의 온도를 측정하는 단계(S300)를 수행한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 배터리(100)의 온도는 ECU(200)가 외기 온도 센서(300)의 센서값과, 냉각수 온도 센서(400)로부터의 센서값을 제공받아 종합하여 계산된다. 외기 온도 센서(300)는 차량이 직사광선에 의해 배터리(100)가 받는 온도를 측정하는 역할을 하며, 이로 인해 차량의 외기 온도를 측정할 수 있다.
또한, 냉각수 온도 센서(400)는 엔진열에 의해 배터리(100)가 받는 온도를 측정하는 역할을 하며, 이로 인해 엔진 열로부터 배터리에 받는 온도를 측정할 수 있다.
종래에는 배터리 센서의 에이직(ASIC) 온도를 이용하여 간접적으로 추정하는 방법을 이용하였지만, 에이직 온도나 주변 공기 온도는 열용량이 낮으므로 급격하게 온도가 변하는 반면, 배터리의 내부 온도는 열용량이 매우 크기 때문에 천천히 변한다. 이로 인해 배터리의 온도 측정 방법은 종래 배터리 센서의 에이직에서 튜닝하는 값이나 본 발명과 같이 ECU에서 측정하여 튜닝하는 값은 동일하게 얻어질 수 있다.
따라서, 본 발명은 배터리 센서를 제거하여도 배터리의 온도 측정 방법에 대해 그 정확성 및 신뢰성이 보장될 수 있다.
상기와 같이 배터리의 온도를 측정하는 단계(S300)를 마치면, 측정된 배터리의 전류로부터 배터리의 충전 상태를 산출하는 단계(S400)를 수행한다. 배터리(100)의 충전 상태는 측정된 배터리의 전류 적분값에 의해 계산되며, 계산된 배터리 충전 상태를 캘리브레이션을 수행하여 보정하게 된다.
전류값은 운전자 습관에 따라 가중치가 적용되었기 때문에 데이터화가 불가능하기 때문에 배터리 충전 상태(SOC)를 보정하게 되면 보다 정확하고 신뢰성 있는 데이터를 얻을 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 이러한 운전자의 습관에 따라 가중치의 범위는 달라지게 되며, 이에 의해 SOCocv와 SOC전류적분 상태는 다르게 된다. 따라서, SOC 캘리브레이션을 여러 번 수행하다 보면, 가중치 값은 차량이 소멸하는 시점까지 계속해 서 업데이트가 되며, 이로 인해 SOCocv와 SOC전류적분 사이의 차이는 줄어들게 된다. 이로 인해 배터리 충전 상태의 보정은 차량이 길들여 질수록 정확하고 신뢰성 있는 데이터를 얻을 수 있다.
상기에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리의 관리 방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 제어부와 배터리가 연결된 모습을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 배터리의 전류를 측정하는 방법으로 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 제어부의 수집된 데이터를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 배터리의 실제 측정 데이터와 시뮬레이션 측정 데이터를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 배터리의 온도를 측정하기 위해 구성된 센서의 위치를 나타낸 평면도.
도 7은 본 발명에 따른 가중치에 따른 운전자의 특성을 나타낸 도면.
< 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100: 배터리 200: ECU
300: 외기 센서 400: 냉각수 온도 센서

Claims (6)

  1. 배터리의 전압, 전류, 온도를 측정하는 단계와,
    측정된 배터리의 전류 적분값을 이용하여 배터리의 충전 상태를 계산하는 단계와,
    계산된 배터리의 충전 상태를 보정하는 단계를 포함하고,
    상기 배터리의 전압, 전류, 온도는 ECU에서 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    차량이 주행 중인 경우, 상기 배터리의 전압은 알터네이터의 여자 전류와 엔진 회전수의 함수에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    IG 신호가 온일 경우의 배터리의 전류는 알터네이터의 출력과 총전류소비량의 차에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 총전류소비량은 각 전장품들의 평균전류소비량의 가중치가 포함된 평균전류소비량의 합으로 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    IG 신호가 오프일 경우의 배터리의 전류는 차량의 암전류를 이용하여 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리의 온도는 외기온도 센서값과, 냉각수 온도 센서 값을 이용하여 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
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