KR20160014165A

KR20160014165A - 친환경차 배터리 관리 시스템의 배터리 잔존 용량 추정방법

Info

Publication number: KR20160014165A
Application number: KR1020140095781A
Authority: KR
Inventors: 박호영; 최창열
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2016-02-11
Also published as: KR102314211B1

Abstract

친환경차 배터리 관리 시스템의 배터리 잔존 용량 추정방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 배터리 잔존 용량 추정 방법은, 배터리의 전압을 기초로 전류 적산법과 기 구축된 온도별 SOC 테이블과 개방 전압 맵을 선택적으로 이용하여 배터리의 잔존 용량을 추정한다. 이에 의해, 전류 센싱에 의한 오차를 방지하고, 온도별 SOC에 대한 정확도를 향상시킬 수 있다.

Description

친환경차 배터리 관리 시스템의 배터리 잔존 용량 추정방법{METHOD FOR ESTIMATING SOC OF BATTERY MANAGEMENT SYSTEM}

본 발명은 배터리 관리 시스템의 배터리 잔존 용량(SOC, State Of Charge) 추정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 배터리 관리 시스템에서의 배터리 잔존 용량 추정방법에 관한 것이다.

전기 자동차 또는 하이브리드 자동차와 같이 고출력 제품에 탑재되는 배터리는 부하에 고전압을 공급하여야 하므로 직렬 또는 병렬 연결된 다수의 셀을 포함한다.

친환경 자동차에 있어 배터리의 성능은 곧 자동차의 성능과 직결되는 문제이므로 배터리를 이루는 각 전지 셀의 성능이 뛰어나야 함은 물론이다. 그러나 더 중요한 것은 각 전지 셀의 전압, 전체 배터리의 전압, 전류 등을 측정하여 각 전지 셀의 충전 및 방전을 효율적으로 관리하는 것이다. 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)이 중요한 이유다.

배터리 관리는 배터리를 이루는 각 전지 셀의 충전상태를 정확하게 파악하는 것이 핵심이다. 충전상태의 정확한 파악으로부터 셀 간의 충전상태 불균형을 해소할 수 있는 방안이 모색될 수 있기 때문이다. 그러나 배터리 셀의 비선형성은 배터리 셀의 충전상태의 직접적인 측정을 불가능하게 만든다. 따라서 현재는 셀의 개방전압이나 방전전류 등 측정이 가능한 다른 전기적 파라미터를 통해 배터리 셀의 충전상태를 간접적으로 추정하는 방식을 사용하고 있으며, 특허문헌 1에서는 이와 관련된 내용을 개시하고 있다.

특허문헌 1: 한국공개특허 제10-2013-0110355호(2013.10.10 공개)

본 발명의 실시예들은 배터리 셀의 충전상태(SOC, State Of Charge)를 보다 신뢰성 있고 정확한 방법으로 추정할 수 있는 방법 및 이를 적용한 친환경차 배터리 관리 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른, 배터리 잔존 용량 추정 방법은, 배터리의 전압을 측정하는 단계; 및 상기 전압을 기초로, 전류 적산법과 기 구축된 온도별 SOC 테이블과 개방 전압 맵을 선택적으로 이용하여 상기 배터리의 잔존 용량을 추정하는 제1 추정 단계;를 포함한다.

그리고, 상기 제1 추정단계는, 상기 전압이 제1 전압 임계값을 초과하면, 상기 전류 적산법을 이용하여 상기 배터리의 잔존 용량을 추정하는 단계; 및 상기 전압이 제1 전압 임계값 이하이면, 상기 기 구축된 온도별 SOC 테이블과 개방 전압 맵을 이용하여 상기 배터리의 잔존 용량을 추정하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 추정 단계는, 상기 배터리의 초기 잔존 용량을 추정할 수 있다.

그리고, 상기 측정단계는, 상기 배터리의 전류를 더 측정하고, 상기 배터리 잔존 용량 추정 방법은, 상기 전류를 기초로, 전류 적산법, 보정 전류 적산법 및 기 구축된 온도별 SOC 테이블과 개방 전압 맵을 선택적으로 이용하여 상기 배터리의 초기 이후 잔존 용량을 추정하는 제2 추정 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 추정단계는, 상기 전류가 전류 임계값을 초과하면, 상기 보정 전류 적산법과 상기 전류 적산법을 선택적으로 이용하여 상기 배터리의 초기 이후 잔존 용량을 추정할 수 있다.

그리고, 상기 제2 추정단계는, 상기 전류가 전류 임계값을 초과하고 상기 전압이 제2 전압 임계값을 초과하면, 상기 보정 전류 적산법을 이용하여 상기 배터리의 초기 이후 잔존 용량을 추정하고, 상기 전류가 전류 임계값을 초과하고 상기 전압이 제2 전압 임계값 이하이면, 상기 전류 적산법을 이용하여 상기 배터리의 초기 이후 잔존 용량을 추정할 수 있다.

또한, 상기 전류 임계값은 온도별 전류 범위 테이블의 형태로 설정될 수 있다.

그리고, 상기 보정 전류 적산법은, 기 설정된 온도별 전류 범위에 따른 팩터(factor)값을 상기 전류에 적용하여 산출한 보정 전류를 이용하여, 상기 배터리의 초기 이후 잔존 용량을 SOC를 추정하는 기법일 수 있다.

또한, 상기 제2 추정단계는, 상기 전류가 전류 임계값 이하이면, 기 구축된 온도별 SOC 테이블과 개방 전압 맵을 이용하여 상기 배터리의 초기 이후 잔존 용량을 추정할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 배터리 관리 시스템은, 배터리의 전압을 측정하는 센서; 및 상기 전압을 기초로, 전류 적산법과 기 구축된 온도별 SOC 테이블과 개방 전압 맵을 선택적으로 이용하여 상기 배터리의 잔존 용량을 추정하는 추정부;를 포함한다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 최초 SOC 추정은 전압 임계값에 따라 전류 적산 또는 개방 전압 등을 이용하여 잔존 용량을 구하고, 그 이후부터는 전류와 전압 임계값에 따라 입력 전류를 그대로 사용하는 전류적산법, 전류값이 보정된 보정 전류 적산법, 개방 전압 등으로 상세 구분하여 최종 SOC를 추정함으로써, 전류 센싱에 의한 오차를 방지하고, 온도별 SOC에 대한 정확도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경차 배터리 관리 시스템의 블럭도, 그리고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 친환경차 배터리 관리 시스템의 잔존 용량 추정방법의 흐름도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경차 배터리 관리 시스템의 블럭도이다. 본 발명의 실시예에 따른 친환경차 배터리 관리 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 전류 센서(110), 전압 센서(120), 온도 센서(130) 및 SOC 추정부(140)를 포함한다.

전류 센서(110)는 배터리(10)의 전류를, 전압 센서(120)는 배터리(10)의 전압을, 온도 센서(130)는 배터리(10)의 온도를, 각각 측정하기 위한 센서들이다.

SOC 추정부(140)는 센서들(110, 120 및 130)의 측정 결과를 기반으로, 배터리(10)의 잔존 용량을 추정한다. 잔존 용량 추정 기법으로, SOC 추정부(140)는 전류 적산법, 보정 전류 적산법 및 온도별 SOC 테이블 이용법을 선택적으로 이용한다.

나아가, SOC 추정부(140)에 의한 배터리 잔존 용량 추정시에 이용하는 기법들의 선택 범위는 배터리 잔존 용량의 초기 추정인지 아니면, 이후의 추정인지 여부에 따라 각기 다르다. 나아가, 배터리 잔존 용량 추정 기법을 선택함에 있어, 참고하는 파라미터(전류, 전압 및 온도)도 초기 추정인지 아니면, 이후의 추정인지 여부에 따라 각기 다르다.

이하에서, 도 1에 도시된 친환경차 배터리 관리 시스템에 의한 배터리 잔존용량 추정 과정에 대해, 도 2를 참조하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 친환경차 배터리 관리 시스템의 잔존 용량 추정방법(이하, 잔존 용량 추정방법)의 흐름도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 잔존 용량 추정방법은 배터리의 전류, 전압 및 온도를 센싱하는 1단계(S110); 입력 전압(V_n)과 기 설정된 제1 전압 임계값(V__THRD1)을 비교하여 전류 적산법 또는 기 구축된 온도별 SOC 테이블과 개방 전압 맵을 통해 초기 SOC를 추정하는 2단계(S120 내지 S122); 입력 전류(I_n)와 기 설정된 전류 임계값(I__THRD)을 비교하고, 필요에 따라 입력 전압(V_n)과 기 설정된 제2 전압 임계값(V__THRD2)을 더 비교하여 SOC를 실시간으로 추정하는 3단계(S130 내지 S134)를 포함한다. 이하에서 각 단계에 대해 구체적으로 설명한다.

(1) 1단계(S110)

1단계는 배터리의 전류, 전압 및 온도를 센싱하는 단계다. 센싱은 전류 센서(110), 전압 센서(120) 및 온도 센서(130)를 통해 수행된다. 전류 센싱은 전류 적산법을 하기 위한 것이고, 전압 센싱은 전압 임계값과 비교하기 위한 것이고, 온도 센싱은 온도별 SOC 테이블 및 개방 전압 맵을 이용하기 위한 것이다. 이에 대해서는 구체적으로 후술한다.

(2) 2단계(S120 내지 S122)

2단계는, SOC 추정부(140)가 입력 전압(V_n)과 기 설정된 제1 전압 임계값(V__THRD1)을 비교하여 전류 적산법(S121) 또는 기 구축된 온도별 SOC 테이블과 개방 전압 맵을 통해 초기 SOC를 추정(S122)하는 단계다.

입력 전압(V_n)은 배터리가 최초 구동될 때 측정되는 전압값을 의미한다. 제1 전압 임계값(V__THRD1)은 기 설정된 것으로 온도별 SOC 테이블의 형태로 설정될 수 있다. 제1 전압 임계값(V__THRD1)은 V__THRD1=V_n±△V__THRD1 으로 정의될 수 있다.

S120 단계에서는 입력 전압(V_n)이 제1 전압 임계값(V__THRD1)을 초과하면, SOC 추정부(140)는 입력 전류를 그대로 사용하여 전류 적산법에 의해 초기 SOC를 추정하고(S121단계), 입력 전압(V_n)이 제1 전압 임계값(V__THRD1) 이하이면, SOC 추정부(140)는 온도별 SOC 테이블 및 개방 전압 맵을 통해 초기 SOC를 추정한다(S122단계). 도 2에 표기된 ABS는 절대값 변환 함수이다.

여기서, 전류 적산법은 셀의 전류를 적산하여 적산된 전류량을 통해 셀의 SOC를 추정하는 방법이며, 개방 전압 맵을 통한 추정법은 배터리 셀의 개방전압별로 셀의 SOC를 룩업 테이블의 형태로 미리 마련한 후, 셀의 출력전압에 의해 셀의 개방전압을 계산한 후 룩업 테이블로부터 개방전압에 대응하는 셀의 충전상태를 맵핑하는 방법이다.

온도별 SOC 테이블의 일 예시를 [표 1]에 나타내었다.

	SOC 1	SOC 2	SOC 3	SOC 4	SOC 5
온도 1	V_THRD_11	V_THRD_12	V_THRD_13	V_THRD_14	V_THRD_15
온도 2	V_THRD_21	V_THRD_22	V_THRD_23	V_THRD_24	V_THRD_25
온도 3	V_THRD_31	V_THRD_32	V_THRD_33	V_THRD_34	V_THRD_35
온도 4	V_THRD_41	V_THRD_42	V_THRD_43	V_THRD_44	V_THRD_45
온도 5	V_THRD_51	V_THRD_52	V_THRD_53	V_THRD_54	V_THRD_55
온도 6	V_THRD_61	V_THRD_62	V_THRD_63	V_THRD_64	V_THRD_65
온도 7	V_THRD_71	V_THRD_72	V_THRD_73	V_THRD_74	V_THRD_75

[표 1]에서 온도 5는 25℃, SOC 3은 SOC 50%(270V), V_THRD_53은 V_n±0.5V라고 가정한다.

S110 단계에서 센싱되어 입력된 입력 온도가 25℃이고, 입력 전압이 270.3V라면, 입력 전압(V_n)은 제1 전압 임계값(V__THRD1) 범위 내에 있게 된다. 따라서 초기 SOC는 온도별 SOC 테이블 및 개방 전압 맵을 이용하여 추정된다. 만약, 입력 전압이 270.7V라면 상술한 것과는 달리 전류 적산법을 이용하여 초기 SOC가 추정될 것이다.

(3) 3단계(S130 내지 S134)

3단계는, SOC 추정부(140)가 입력 전류(I_n)와 기 설정된 전류 임계값(I__THRD)을 비교하여 SOC의 실시간 추정 방법을 선정하는 단계다. 선정된 실시간 추정 방법에 따라 초기 이후의 SOC가 추정된다.

입력 전류(I_n)는 배터리가 최초 구동될 때 측정되는 전류값을 의미한다. 전류 임계값(I__THRD)은 기 설정된 것으로 온도별 전류 범위(상한값 및 하한값을 가짐) 테이블의 형태로 설정될 수 있다. 전류 임계값(I__THRD)은 I__THRD=I_n±△I__THRD로 정의될 수 있다.

입력 전류(I_n)가 전류 임계값(I__THRD)을 초과하면 보정 전류 적산법(S133 단계) 또는 전류 적산법(S134 단계)에 의해 초기 이후의 SOC를 추정하고, 입력 전류(I_n)가 전류 임계값(I__THRD) 이하이면 온도별 SOC 테이블 및 개방 전압 맵을 통해 초기 이후의 SOC를 추정한다(S132 단계).

온도별 전류 범위에 따른 전류 임계값(I__THRD) 테이블의 일 예시를 [표 2]에 나타내었다.

	전류 범위_1	전류 범위_2	…	전류 범위_N
온도 1	I_THRD_11	I_THRD_12	…	I_THRD_1N
온도 2	I_THRD_21	I_THRD_22	…	I_THRD_2N
온도 3	I_THRD_31	I_THRD_32	…	I_THRD_3N
온도 4	I_THRD_41	I_THRD_42	…	I_THRD_4N
온도 5	I_THRD_51	I_THRD_52	…	I_THRD_5N
온도 6	I_THRD_61	I_THRD_62	…	I_THRD_6N
온도 7	I_THRD_71	I_THRD_72	…	I_THRD_7N

[표 2]에서 온도 5는 25℃, 전류 범위 2는 -5A≤I_n≤5A, I_THRD_52는 I_n±0.5A라고 가정한다.

S110 단계에서 센싱되어 입력된 입력 온도가 25℃이고 실제 입력 전류가 5A이지만 노이즈에 의해 5.3A가 인가되었다면, 입력 전류(I_n)는 전류 임계값(I__THRD) 이하가 된다. 따라서 초기 이후의 SOC 추정방법은 온도별 SOC 테이블 및 개방 전압 맵을 이용한 방법이 선정된다. 만약, 실제 입력 전류가 5A 이지만 노이즈에 의해 5.6A가 인가되었다면 상술한 것과 달리 초기 이후의 SOC 추정방법은 보정 전류 적산법 또는 전류 적산법을 이용한 방법이 선정될 것이다.

한편, 3단계(S130)에서 입력 전류(I_n)가 전류 임계값(I__THRD)을 초과하면, SOC 추정부(140)는 보정 전류 적산법(S133 단계) 또는 전류 적산법(S134 단계)에 의해 초기 이후의 SOC를 추정한다.

여기에서 전류 적산법 또는 보정 전류 적산법의 선택은 입력 전압(V_n)과 제2 전압 임계값(V__THRD2)을 비교함으로써 이루어질 수 있다. 제2 전압 임계값(V__THRD2)은 기 설정된 것으로 온도별 전류 범위 테이블의 형태로 설정될 수 있다. 제2 전압 임계값(V__THRD2)은 V__THRD2=V_n±△V__THRD2 으로 정의될 수 있다.

입력 전압(V_n)이 제2 전압 임계값(V__THRD2)를 초과하면, SOC 추정부(140)는 보정 전류 적산법을 이용하여 초기 이후의 SOC를 추정하고(S133), 입력 전압(V_n)이 제2 전압 임계값(V__THRD2) 이하이면, SOC 추정부(140)는 전류 적산법을 통해 초기 이후의 SOC를 추정한다(S134).

온도별 전류 범위에 따른 제2 전압 임계값(V__THRD2) 테이블의 일 예시를 [표 3]에 나타내었다.

	전류 범위_1	전류 범위_2	…	전류 범위_N
온도 1	V_THRD_11	V_THRD_12	…	V_THRD_1N
온도 2	V_THRD_21	V_THRD_22	…	V_THRD_2N
온도 3	V_THRD_31	V_THRD_32	…	V_THRD_3N
온도 4	V_THRD_41	V_THRD_42	…	V_THRD_4N
온도 5	V_THRD_51	V_THRD_52	…	V_THRD_5N
온도 6	V_THRD_61	V_THRD_62	…	V_THRD_6N
온도 7	V_THRD_71	V_THRD_72	…	V_THRD_7N

[표 3]에서 온도 5는 25℃, 전류 범위 2는 -5A≤I_n≤5A, V_THRD_52는 V_n±0.5A라고 가정한다.

실제 입력 전류가 5A이고, 그 때의 전압이 270V이지만 실질적으로 270.6V가 인가되면, 입력 전류(V_n)는 제2 전압 임계값(V__THRD2)을 초과한다. 따라서 초기 이후의 SOC 추정을 위해 보정 전류 적산법이 이용된다. 보정 전류 적산법은 기 설정된 온도별 전류 범위에 따른 팩터(factor)값을 적용하여 하기 수학식 1에 의해 보정된 보정 전류를 이용하여 전류 적산하는 방법이다.

[수학식 1]

보정 전류 = 입력 전류*팩터(factor)값

여기서, 상기 팩터(factor)값은 사전 시험을 통해서 수식에 따라 구해진다.

만약, 실제 입력 전류가 5A이고, 그 때의 전압이 270V이지만 실질적으로 270.5V가 인가되면, 입력 전류(V_n)는 제2 전압 임계값(V__THRD2) 범위 내에 있게 된다. 따라서 V_THRD_52 내에 있는 입력 전류를 그대로 사용하여 전류 적산을 수행함으로써 초기 이후의 SOC가 추정될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 최초 SOC 추정은 전압 임계값에 따라 전류 적산 또는 개방 전압 등을 이용하여 잔존 용량을 구하고, 그 이후부터는 전류와 전압 임계값에 따라 입력 전류를 그대로 사용하는 전류적산법, 전류값이 보정된 보정 전류 적산법, 개방 전압 등으로 상세 구분하여 초기 이후의 SOC를 추정함으로써, 전류 센싱에 의한 오차를 방지하고, 온도별 SOC에 대한 정확도를 향상시킬 수 있다.

특히 본 발명의 실시예는 기 설정된 임계값들(전류 임계값 및 전압 임계값)에 따라 전류 적산법, 보정 전류 적산법, 개방 전압법 들을 적절히 선택할 수 있도록 설계되는 바, 보다 신뢰성 있는 SOC를 추정할 수 있다는 장점을 갖는다.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술의 구체적 적용에 따른 단순한 설계변경, 일부 구성요소의 생략, 단순한 용도의 변경 등의 형태로 본 발명을 다양하게 변형할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함됨은 자명하다.

Claims

배터리의 전압을 측정하는 단계; 및
상기 전압을 기초로, 전류 적산법과 기 구축된 온도별 SOC 테이블과 개방 전압 맵을 선택적으로 이용하여 상기 배터리의 잔존 용량을 추정하는 제1 추정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존 용량 추정 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 추정단계는,
상기 전압이 제1 전압 임계값을 초과하면, 상기 전류 적산법을 이용하여 상기 배터리의 잔존 용량을 추정하는 단계; 및
상기 전압이 제1 전압 임계값 이하이면, 상기 기 구축된 온도별 SOC 테이블과 개방 전압 맵을 이용하여 상기 배터리의 잔존 용량을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존 용량 추정 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 추정 단계는,
상기 배터리의 초기 잔존 용량을 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존 용량 추정 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 측정단계는,
상기 배터리의 전류를 더 측정하고,
상기 배터리 잔존 용량 추정 방법은,
상기 전류를 기초로, 전류 적산법, 보정 전류 적산법 및 기 구축된 온도별 SOC 테이블과 개방 전압 맵을 선택적으로 이용하여 상기 배터리의 초기 이후 잔존 용량을 추정하는 제2 추정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존 용량 추정 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 제2 추정단계는,
상기 전류가 전류 임계값을 초과하면, 상기 보정 전류 적산법과 상기 전류 적산법을 선택적으로 이용하여 상기 배터리의 초기 이후 잔존 용량을 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존 용량 추정 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 제2 추정단계는,
상기 전류가 전류 임계값을 초과하고 상기 전압이 제2 전압 임계값을 초과하면, 상기 보정 전류 적산법을 이용하여 상기 배터리의 초기 이후 잔존 용량을 추정하고,
상기 전류가 전류 임계값을 초과하고 상기 전압이 제2 전압 임계값 이하이면, 상기 전류 적산법을 이용하여 상기 배터리의 초기 이후 잔존 용량을 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존 용량 추정 방법.
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
상기 전류 임계값은 온도별 전류 범위 테이블의 형태로 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존 용량 추정 방법.
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
상기 보정 전류 적산법은,
기 설정된 온도별 전류 범위에 따른 팩터(factor)값을 상기 전류에 적용하여 산출한 보정 전류를 이용하여, 상기 배터리의 초기 이후 잔존 용량을 SOC를 추정하는 기법인 것을 특징으로 하는 배터리 잔존 용량 추정 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 제2 추정단계는,
상기 전류가 전류 임계값 이하이면, 기 구축된 온도별 SOC 테이블과 개방 전압 맵을 이용하여 상기 배터리의 초기 이후 잔존 용량을 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 잔존 용량 추정 방법.
배터리의 전압을 측정하는 센서; 및
상기 전압을 기초로, 전류 적산법과 기 구축된 온도별 SOC 테이블과 개방 전압 맵을 선택적으로 이용하여 상기 배터리의 잔존 용량을 추정하는 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.