KR20100063347A - 하이브리드 자동차의 배터리 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

이 발명은 하이브리드 자동차의 배터리의 가용 전력제한값을 초과하여 사용하는 전력 초과사용량에 따른 배터리의 열화 정도를 예측하여 관리하는 방법에 관한 것이다.
이 발명에 따른 하이브리드 자동차의 배터리 제어 시스템에서의 배터리 제어 방법은, 단위시간마다 배터리 사용파워 및 배터리 가용파워를 계산하는 제1단계와, 상기 배터리 사용파워가 상기 배터리 가용파워를 초과하면 그 초과사용파워를 계산하는 제2단계와, 상기 초과사용파워를 전력량으로 환산하고 총 초과사용전력량을 누적 연산하는 제3단계와, 상기 총 초과사용전력량이 누적제한치를 초과하면 상기 배터리의 사용을 차단하는 제4단계를 포함한다.
하이브리드, 초과사용, 배터리,

Description

하이브리드 자동차의 배터리 제어 방법{Battery management method of a hybrid car}
이 발명은 하이브리드 자동차의 배터리 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하이브리드 자동차의 배터리의 가용 전력제한값을 초과하여 사용하는 전력 초과사용량에 따른 배터리의 열화 정도를 예측하여 관리하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 배터리를 에너지원으로 사용하는 순수 전기 자동차와 에너지 버퍼로 사용하는 엔진 하이브리드 전기 자동차 및 연료 전지 하이브리드 전기 자동차에서, 배터리는 차량의 품질을 결정하는 주요한 부품중의 하나이다.
따라서, 배터리에 대한 제반적인 상태를 총괄하여 관리하는 배터리 제어 시스템(BMS: Battery Management System)은 배터리 수명의 조기 단축을 방지하고, 통합제어를 수행하는 상위 제어기에게 배터리의 SOC 정보를 알려줌으로써 발전제어와 주행제어를 지원해 준다.
도 1은 일반적인 하이브리드 자동차의 배터리 제어 계통을 도시한 도면이다.
하이브리드 자동차에는 상위 제어기인 하이브리드 제어기(HCU)(11)와, 도시되지 않은 고전압 배터리를 관리하는 배터리 제어시스템(BMS)(12)과, 모터(13)를 제어하는 모터제어기(MCU)(14)로 이루어진다.
하이브리드 제어기(11)와 배터리 제어시스템(12) 사이 및 하이브리드 제어기(11)와 모터 제어기(14) 사이는 캔(CAN)통신을 수행한다. 배터리 제어시스템(12)과 모터 제어기(14)는 고전압 DC 케이블로 연결된다.
배터리 제어시스템(12)는 고전압 배터리의 충전상태(SOC)를 측정하여, 고전압 배터리의 가용 전력제한값을 상위 제어기인 하이브리드 제어기(11)에게 알려준다. 그러면, 이 하이브리드 제어기(11)는 고전압 배터리의 가용 전력제한값을 초과하지 않도록 모터 제어기(14)에 모터 토크 명령을 송신하고, 모터 제어기(14)는 모터 토크 명령을 기준으로 모터의 충방전량을 결정하여, 자동차의 사용 전력값이 가용 전력제한값을 넘지 않도록 조절한다.
그러나, 배터리 제어시스템(12)과 하이브리드 제어기(11) 사이의 통신과 하이브리드 제어기(11)와 모터 제어기(14) 사이의 통신이 캔(CAN) 통신으로 이루어지기 때문에 CAN 지연이 발생할 수밖에 없고, 모터 제어기(14)의 시간당 토크변화율의 제한 등의 이유로 말미암아 하이브리드 제어기가 모터 토크 명령을 송신한 후 300ms가 지난 후에야 비로소 사용 전력값이 배터리의 가용 전력제한값에 맞춰질 수 있게 된다. 즉, 자동차가 정상적인 상태에서도 기본적으로 약 300ms 정도의 전력 초과 사용구간이 발생한다.
한편, 종래에는 자동차의 사용 전력값이 가용 전력제한값을 초과하는 시간이 임계 시간(300ms)을 초과하면 하이브리드 제어기가 전력제한 디레이팅(derating) 기능을 수행하여, 충전파워 내지 방전파워를 기존의 50%로 줄이는 제어를 수행한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 자동차가 정상적인 상태에서도 배터리 가용 전력제한값이 감소하는 경우에는 300ms동안 자동차의 사용 전력값이 가용 전력제한값을 초과하게 되고, 자동차의 사용 전력값이 가용 전력제한값을 초과하는 시간이 임계시간(300ms)보다 짧은 경우에는 고장으로 검출할 수 없기 때문에 사용자는 인지조차 하지 못한다.
이와 같이 짧은 시간이나마 자동차의 사용 전력값이 가용 전력제한값을 초과하는 시간이 주기적으로 혹은 반복적으로 발생하면, 배터리 열화가 가속되어 내구 성능이 저하된다. 일정 수준 이상으로 열화가 진행된 배터리는 더 이상 사용하지 말고 교체해 주어야 하는데, 종래에는 전력 초과사용에 따른 배터리의 열화 정도를 알 수 없기 때문에 사용자는 배터리를 교체하지 않은 채 운전을 하게 되고 그러다 보면 자칫 큰 자동차 사고로 이어질 위험이 있다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 이 발명의 목적은, 가용 전력제한값을 초과하여 사용한 전력 초과사용에 따른 배터리의 열화 상태를 예측할 수 있고 임계치 이상의 열화 예측시 배터리 교체를 유도할 수 있는 배터리 제어 방법을 제공하 기 위한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 이 발명에 따른 하이브리드 자동차의 배터리 제어방법은, 단위시간마다 배터리 사용파워 및 배터리 가용파워를 계산하는 제1단계와, 상기 배터리 사용파워가 상기 배터리 가용파워를 초과하면 그 초과사용파워를 계산하는 제2단계와, 상기 초과사용파워를 전력량으로 환산하고 총 초과사용전력량을 누적 연산하는 제3단계와, 상기 총 초과사용전력량이 누적제한치를 초과하면 상기 배터리의 사용을 차단하는 제4단계를 포함한 것을 특징으로 한다.
이 발명에 따르면 배터리의 가용 전력제한값을 초과하여 사용한 전력 초과사용에 따른 배터리의 열화 정도를 예측할 수 있고, 그 예측된 열화 정도에 따라 심하게 열화된 배터리를 사용하지 못하도록 차단함으로써 배터리 고장으로 인한 자동차 사고를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 이 발명에 따른 하이브리드 자동차의 배터리 제어방법을 상세하게 설명한다.
배터리 제어 시스템은 단위시간(예컨대, 100ms) 마다 배터리팩 전압과 배터리 전류 를 이용하여 사용파워를 계산한다. 또한, 배터리 온도, 전압 및 배터리충전상태(SOC) 등에 따른 가용파워를 계산한다. 이 사용파워와 가용파워를 감산하여 초과사용파워를 계산하고, 이를 전력량으로 환산하여 누적한다. 누적초과사용전력량이 임계값을 초과하면 배터리 제어 시스템은 배터리에 심각한 열화가 발생한 것으로 인지하고 BMS 폴트(fault)신호를 발생시키고 메인 릴레이를 차단하여 배터리가 사용되지 못하도록 한다.
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 배터리 제어 방법을 도시한 동작 흐름도이다.
도면에서, 배터리 제어 시스템에서 출력되는 충전가용파워는 Pin, 방전가용파워는 Pout이고, 실제 자동차에서 사용하는 배터리의 충전사용파워는 Pin_real, 방전사용파워 Pout_real이고, 충전가용파워 대비 초과 사용되는 총 초과충전사용전력량은 Pin_accu, 총 초과방전사용전력량은 Pout_accu이고, 이전까지 누적된 이전 초과충전사용전력량은 Pin_accu_prev, 이전 초과방전사용전력량은 Pout_accu_prev이고, 총 초과충전사용전력량에 대한 충전누적제한치는 Pin_accu_limit, 총 초과방전사용전력량에 대한 방전누적제한치는 Pout_accu_limit이다.
이 충전누적제한치와 방전누적제한치는 배터리 용량의 약 10%인 135kWh로 설정하는 것이 바람직하다.
먼저, 배터리 제어 시스템은 단위시간(예컨대 100ms)마다 배터리팩 전압(Vpack)과 배터리 전류(I_bat)를 입력받는다(S201). 한편, 배터리 제어 시스템은 배터리 온도, 전압 및 배터리충전상태 등에 따른 충전가용파워(Pin)와 방전가용파워(Pout)를 계산하여 상위 제어기에 제공한다.
배터리 전류(I_bat)가 0A 이상이면 방전과정이기 때문에 단계 S211로 진행하고, 배터리 전류(I_bat)가 0A 이상이 아니면 충전과정이기 때문에 단계 S203으로 진행한다.
우선 충전과정에 대해 살펴본다.
단계 S203에서 배터리 제어 시스템은 단계 S201에서 입력된 배터리팩 전압(Vpack)과 배터리 전류(I_bat)의 절대치를 승산하여 충전사용파워(Pin_real)[W]를 계산한다. 그리고, 이 충전사용파워(Pin_real)[W]와 충전가용파워(Pin)[W]을 비교하는데(S204), 단계 S204에서 충전사용파워(Pin_real)[W]가 충전가용파워(Pin)[W]보다 크지 않으면 총 초과충전사용전력량(Pin_accu)[Wh]은 현재까지 누적된 이전 초과충전사용전력량(Pin_accu_prev)[Wh]으로 설정한다(S205).
한편 단계 S204에서 충전사용파워(Pin_real)[W]가 충전가용파워(Pin)[W]보다 크면 충전사용파워(Pin_real)[W]에서 충전가용파워(Pin)[W]을 빼고 그 결과값을 36000으로 나누어 전력량[Wh]으로 환산한 후 이전 초과충전사용전력량(Pin_accu_prev)[Wh]에 더하여 총 초과충전사용전력량(Pin_accu)[Wh]을 계산한다(S206).
단계 S206에서 계산된 총 초과충전사용전력량(Pin_accu)[Wh]과 충전누적제한치(Pin_accu_limit)을 비교하여(S207), 총 초과충전사용전력량(Pin_accu)[Wh]이 충전누적제한치(Pin_accu_limit)를 초과하지 않으면 총 초과충전사용전력량(Pin_accu)을 저장하고(S220), 총 초과충전사용전력량(Pin_accu)[Wh]이 충전누적제한치(Pin_accu_limit)를 초과하면 BMS 폴트를 발생하고 필요한 조치(배터리 사용 정지 등)를 취한다(S208).
다음 방전과정에 대해 살펴본다.
단계 S211에서 배터리 제어 시스템은 단계 S201에서 입력된 배터리팩 전압(Vpack)과 배터리 전류(I_bat)의 절대치를 승산하여 방전사용파워(Pout_real)[W]를 계산한다. 그리고, 이 방전사용파워(Pout_real)[W]와 방전가용파워(Pout)[W]을 비교하는데(S212), 단계 S212에서 방전사용파워(Pout_real)[W]가 방전가용파워(Pin)[W]보다 크지 않으면 총 초과방전사용전력량(Pout_accu)[Wh]은 현재까지 누적된 이전 초과방전사용전력량(Pout_accu_prev)[Wh]으로 설정한다(S213).
한편 단계 S212에서 방전사용파워(Pout_real)[W]가 방전가용파워(Pout)[W]보다 크면 방전사용파워(Pout_real)[W]에서 방전가용파워(Pout)[W]을 빼고 그 결과값을 36000으로 나누어 전력량[Wh]으로 환산한 후 이전 초과방전사용전력량(Pout_accu_prev)[Wh]에 더하여 총 초과방전사용전력량(Pout_accu)[Wh]을 계산한다(S214).
단계 S214에서 계산된 총 초과방전사용전력량(Pout_accu)[Wh]과 방전누적제한치(Pout_accu_limit)을 비교하여(S215), 총 초과방전사용전력량(Pout_accu)[Wh]이 방전누적제한치(Pout_accu_limit)를 초과하지 않으면 총 초과방전사용전력량(Pout_accu)을 저장하고(S220), 총 초과방전사용전력량(Pout_accu)[Wh]이 방전누적제한치(Pout_accu_limit)를 초과하면 BMS 폴트를 발생하고 필요한 조치(배터리 사용 정지 등)를 취한다(S216).
총 초과충전사용전력량(Pin_accu)[Wh]이 충전누적제한치(Pin_accu_limit)를 초과하 거나, 총 초과방전사용전력량(Pout_accu)[Wh]이 방전누적제한치(Pout_accu_limit)를 초과하여 배터리 사용 정지된 경우에는, 정비소 점검이 이루어지기 전에 배터리의 재사용을 금지하도록 한다.
이 발명은 총 초과충전사용전력량이 충전누적제한치에 근접(예컨대 약 90% 정도)하거나, 총 초과방전사용전력량이 방전누적제한치에 근접하면, 사용자에게 배터리의 열화를 경고하고 배터리 교체를 안내할 수도 있다.
도 1은 일반적인 하이브리드 자동차의 배터리 제어 계통을 도시한 도면
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 배터리 제어 방법을 도시한 동작 흐름도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >
Pin : 충전가용파워 Pout : 방전가용파워
Pin_real : 충전사용파워 Pout_real : 방전사용파워
Pin_accu : 총 초과충전사용전력량 Pout_accu : 총 초과방전사용전력량
Pin_accu_prev : 이전 초과충전사용전력량
Pout_accu_prev : 이전 초과방전사용전력량
Pin_accu_limit : 충전누적제한치 Pout_accu_limit : 방전누적제한치

Claims (3)

  1. 하이브리드 자동차의 배터리 제어 시스템에서의 배터리 제어 방법에 있어서,
    단위시간마다 배터리 사용파워 및 배터리 가용파워를 계산하는 제1단계와,
    상기 배터리 사용파워가 상기 배터리 가용파워를 초과하면 그 초과사용파워를 계산하는 제2단계와,
    상기 초과사용파워를 전력량으로 환산하고 총 초과사용전력량을 누적 연산하는 제3단계와,
    상기 총 초과사용전력량이 누적제한치를 초과하면 상기 배터리의 사용을 차단하는 제4단계를 포함한 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 배터리 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1단계 내지 제4단계는, 상기 배터리의 충전시와 방전시에 각각 별도로 수행되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 배터리 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 누적제한치는 상기 배터리 용량에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 배터리 제어 방법.
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