KR20160049604A

KR20160049604A - 배터리의 충전 상태 예측 시스템 및 이를 이용한 충전 상태 예측 방법

Info

Publication number: KR20160049604A
Application number: KR1020140146198A
Authority: KR
Inventors: 강승원
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2016-05-10
Also published as: KR102085737B1

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배터리의 충전 상태 예측 시스템은 이차 전지의 OCV를 측정하는 OCV 측정부와, 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당되는지 판단하는 OCV 금지 영역 판단부와, 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당하지 않는다고 판단되면, 측정된 OCV에 대응하는 SOC를 SOC 초기값으로 설정하고, 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당한다고 판단되면, 만충전된 SOC를 SOC 초기값으로 설정하는 SOC 설정부와, 상기 설정된 SOC 초기값과 충방전용량을 합산하여 SOC를 추정하는 SOC 추정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리의 충전 상태 예측 방법은 이차 전지의 OCV를 측정하는 단계와, 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당되는지 판단하는 단계와, 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당하지 않는다고 판단되면, 측정된 OCV에 대응하는 SOC를 SOC 초기값으로 설정하는 단계와, 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당한다고 판단되면, 상기 이차 전지를 만충전하고, 만충전된 SOC를 SOC 초기값으로 설정하는 단계와, 상기 설정된 SOC 초기값과 충방전용량을 합산하여 SOC를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리의 충전 상태 예측 시스템 및 이를 이용한 충전 상태 예측 방법{SYSTEM FOR PREDICTING SOC OF THE BATTERY AND METHOD FOR THEREOF}

본 발명은 배터리의 충전 상태 예측 시스템 및 이를 이용한 충전 상태 예측 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 배터리의 충전 상태 더욱 정확하게 예측하는 기술에 관한 것이다.

전기 자동차는 배터리에 저장된 전기 에너지를 에너지원으로 이용한다. 이러한 전기 자동차용 배터리로서 리튬-이온 폴리머 배터리가 많이 이용되고 있으며, 그 배터리에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다.

한편, 가솔린 자동차의 경우 연료를 사용하여 엔진을 구동시키므로, 연료의 양을 측정하는 데 큰 어려움이 없지만, 전기 자동차의 동력원인 배터리의 경우는 내부에 축적된 잔존 에너지를 측정하는 것은 곤란하다. 그런데 전기 자동차의 운전자에게 있어서는 현재 얼마만큼의 에너지가 남아 있고 앞으로 어느 정도 더 주행할 수 있는가에 대한 정보가 매우 중요하다.

즉, 전기 자동차는 배터리에 충전된 에너지에 의해 주행하는 자동차이므로, 배터리에 충전된 잔존 용량 즉, 배터리의 충전 상태를 파악하는 것이 매우 중요하며, 따라서 주행 중 배터리의 충전 상태를 파악하여 주행 가능 거리 등의 정보를 운전자에게 알려주고자 하는 여러 기술이 개발되고 있다.

또한, 자동차의 주행에 앞서 배터리의 충전 상태인 SOC 초기값을 적절하게 설정하고자 하는 시도 역시 많이 이루어지고 있다. 이때, SOC 초기값은 보통 오픈 회로 전압(OCV)을 참조로 하여 설정되고 있다. 이러한 방법에 있어서, 전제가 되고 있는 것은 OCV가 환경에 따라 변하지 않으며 SOC의 절대 참조 값이 된다는 것이다.

지금까지의 배터리 잔존 용량 초기값 설정 방법에 따르면, OCV 금지 영역에 해당되는 OCV를 고려하지 않고 있어 정확한 SOC를 추정 할 수 없다는 문제가 있다. 또한, 정확한 SOC를 추정할 수 없게 되면 실시간으로 SOC를 보정할 수 없어 장시간 주행 시 SOC 오차 누적이 발생하게 된다. 이로 인해 배터리의 충방전 효율이 저하되고 전기 에너지의 손실이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명의 실시예는 OCV 금지 영역에서의 SOC 추정 정확도를 향상시키는 배터리의 충전 상태 예측 시스템 및 이를 이용한 충전 상태 예측 방법을 개시한다.

본 발명의 실시예에 따른 배터리의 충전 상태 예측 시스템은 이차 전지의 OCV를 측정하는 OCV 측정부와, 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당되는지 판단하는 OCV 금지 영역 판단부와, 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당하지 않는다고 판단되면, 측정된 OCV에 대응하는 SOC를 SOC 초기값으로 설정하고, 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당한다고 판단되면, 만충전된 SOC를 SOC 초기값으로 설정하는 SOC 설정부와, 상기 설정된 SOC 초기값과 충방전용량을 합산하여 SOC를 추정하는 SOC 추정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 배터리의 충전 상태 예측 방법은 이차 전지의 OCV를 측정하는 단계와, 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당되는지 판단하는 단계와, 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당하지 않는다고 판단되면, 측정된 OCV에 대응하는 SOC를 SOC 초기값으로 설정하는 단계와, 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당한다고 판단되면, 상기 이차 전지를 만충전하고, 만충전된 SOC를 SOC 초기값으로 설정하는 단계와, 상기 설정된 SOC 초기값과 충방전용량을 합산하여 SOC를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 기술은 OCV 금지 영역에서의 SOC 추정 정확도가 향상됨에 따라 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 배터리의 충방전 효율이 증가되어 전기 에너지의 손실을 최소화 할 수 있다.

둘째, SOC 추정 정확도가 향상됨에 따라 실시간으로 SOC 보정이 가능하므로, 방전 용량에 의한 SOC 오차 누적 현상이 발생하지 않으며, SOC 오차 누적에 의한 전기 에너지 손실을 최소화 시킬 수 있다.

셋째, OCV 금지 영역에서 만충전을 통해 SOC 초기 값을 설정함에 따라 이차 전지의 에이징 공정에 의한 SOC 예측 알고리즘을 생략할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 배터리의 충전 상태 예측 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리의 충전 상태 예측 방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 OCV에 의해 추정되는 SOC 초기값의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 충전 상태 예측 방법을 이용한 발전 제어 방법을 도시한 순서도이다.

이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 배터리의 충전 상태 예측 시스템을 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 이차 전지의 충전 상태 예측 시스템은 OCV 측정부(100), OCV 판단부(110), 충전부(120), SOC 설정부(130) 및 SOC 추정부(140)를 포함한다.

OCV 측정부(100)는 시동이 꺼진 키 오프(Key Off) 상태가 키 오프 시간을 기준 시간과 비교한다. 이후, 키 오프 시간이 기준 시간보다 길면, 배터리의 OCV를 측정한다. 그러나, 키 오프 시간이 기준 시간보다 짧으면 키 오프 시 SOC를 SOC 초기값으로 추정하여 SOC 추정부(110)로 전달한다.

OCV 판단부(110)는 OCV 측정부(100)로부터 OCV를 전달받는다. 그리고, OCV 측정부(100)로부터 전달받은 OCV가 OCV 금지 영역에 해당하는지 판단한다. OCV와 SOC의 상관관계를 도시한 테이블(도 3 참조.) 상에서 SOC가 변동하는데 OCV가 일정 값으로 유지된다고 하면 OCV를 통해 SOC를 판단할 수 없으므로, OCV 금지 영역(도 3의 'A', 'B')으로 판단한다. 한편, SOC의 변동에 따라 OCV도 변동된다고 하면 OCV 금지 영역이 아닌 것으로 판단한다.

OCV 측정부(100)로부터 전달받은 OCV가 OCV 금지 영역에 해당되지 않는다고 판단되면, 전달받은 OCV에 대응하는 SOC를 SOC 설정부(130)로 전달하여 SOC 초기값으로 설정한다. 그러나, OCV 측정부(100)로부터 전달받은 OCV가 OCV 금지 영역에 해당된다고 판단되면, 충전부(120)를 통해 배터리의 충전을 진행한다.

충전부(120)에서는 CV 충전을 진행하고, 실시간으로 충전 전류를 측정한다. 충전 전류가 기준 값보다 작은 경우, 배터리가 만충전 되었다고 판단하여 만충전된 SOC를 SOC 설정부(130)로 전달한다. 그러면 만충전된 SOC 즉, SOC 100%가 SOC 초기값으로 설정된다.

SOC 추정부(140)는 설정된 SOC 초기값을 전달받고, 전달받은 SOC 초기값과 충방전용량(Ah Counting)을 합산하여 SOC를 추정한다. 방전 용량은 전달받은 전류를 누적하는 전류 적산 방법으로 산출할 수 있다.

도 2는 도 1의 시스템을 이용한 배터리 충전 상태 예측 방법을 도시한 순서도이다.

도 2를 참조하면, 먼저, 시동이 꺼진 키 오프(Key Off) 상태의 유지 시간을 판단한 후 키 오프 시간과 기준시간을 비교한다(S100). 그 비교결과에 대응하여 SOC 초기값을 설정한다. 배터리는 기존에 사용되던 납산 전지 대비 화학적 안정화 시간이 짧게 소요되므로, 기준시간을 짧게 정할 수 있다.

키 오프 시간이 설정된 기준 시간보다 짧다고 판단되면 이전에 측정된 SOC로 SOC 초기값을 설정한다(S105). SOC 초기값이 설정되면 설정된 SOC 초기값과 충방전용량(Ah Counting)을 합산하여 SOC를 추정한다(S127).

키 오프 시간이 기준 시간보다 길다고 판단되면 OCV 측정부(100)에서 배터리의 OCV를 측정한다(S110).

이어서, OCV 판단부(110)에서 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당되는지 판단한다(S120). 도 3을 참조하여 OCV 금지 영역을 설명하면 다음과 같다. 도 3을 참조하면, SOC가 변동하는데 OCV가 일정 값으로 유지된다고 하면 OCV를 통해 SOC를 판단할 수 없으므로, OCV 금지 영역('A', 'B')으로 판단한다. 한편, SOC의 변동에 따라 OCV도 변동된다고 하면 OCV 금지 영역이 아닌 것으로 판단한다.

예컨대, OCV가 'A'로 측정되었다고 하면, 'A'값에 대응되는 SOC는 30 ~ 60% 구간(도 3의 'A')에 해당한다. 즉, OCV 값에 변화가 없으면 대응되는 SOC 값을 추정하기 어려우며 최대 30%의 오차가 발생하게 된다. 따라서, OCV 금지 영역에서는 OCV 값으로 SOC를 추정할 수 없다.

측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당되지 않는다고 판단되면, 기존과 같은 방법으로 SOC를 추정할 수 있다. 즉, 도 3과 같은 테이블을 이용하여 측정된 OCV에 해당되는 SOC를 SOC 초기값으로 설정한다(S125). SOC 초기값은 SOC 설정부(130)에 전달된다. 이후, SOC 추정부(140)에서 설정된 SOC 초기값과 충방전용량(Ah Counting)을 합산하여 SOC를 추정한다(S127).

그러나, 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당된다고 판단되면, 충전부(120)에서 배터리의 CV 충전을 진행한다(S130).

그리고, CV 충전 시 실시간으로 충전 전류를 측정하여 충전 전류가 기준 값 이하인지 판단한다(S140). 예컨대, 충전 전류가 일정 전류 이상일 경우 만충전 상태에 도달하지 않았다고 판단하여 CV 충전을 계속 진행한다(S130).

그러나, 충전 전류가 일정 전류 이하일 경우 만충전 상태에 도달했다고 판단하여 충전을 중지한다. 여기서는 만충전 시의 충전 전류의 기준 값은 이차 전지의 상태에 따라 변경될 수 있다.

배터리가 만충전되었다고 판단되면 만충전된 SOC를 SOC 초기 값으로 설정하고, SOC 설정부(130)에 전달한다. 즉, SOC 100%가 SOC 초기값이 된다.

이어서, SOC 추정부(140)에서 설정된 SOC 초기 값과 충방전용량(Ah Counting)을 합산하여 SOC를 추정한다(S150). 방전 용량은 전달받은 전류를 누적하는 전류 적산 방법으로 산출할 수 있다.

상술한 바와 같이, 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당하는지 판단하고, OCV 금지 영역에 해당되는 경우에는 배터리를 만충전한 후 만충전된 SOC를 SOC 초기값으로 설정한다. 그리고, 이 SOC 초기값에 방전 용량을 합산하여 SOC를 추정할 수 있다. 이로 인해, OCV 금지 영역에서도 정확한 SOC를 추정할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 4는 도 2의 배터리의 충전 상태 예측 방법을 이용한 차량 발전 제어 방법을 도시한 순서도이다.

도 4를 참조하면, 차량의 엔진이 동작하면 현재의 SOC가 OCV 금지영역에 해당되는지 판단한다(S200).

SOC 초기값이 OCV 금지 영역에 해당하지 않는다고 판단되면, 배터리의 SOC가 어떤 구간에 포함되는지 판단한다(S205). 예컨대, 배터리의 SOC가 70 이상 100% 이하인 경우 SOC가 높은 제 1 구간으로 판단하며, 상기 배터리의 SOC가 30 이상 70% 미만이면 SOC가 정상인 제 2 구간으로 판단하며, 상기 배터리의 SOC가 0 이상 30% 미만이면 SOC가 낮은 제 3 구간으로 판단한다. 본 명세서에서는 각각의 운영 범위의 값을 위와 같이 설정하고 있으나, 이에 한정되지 않으며 배터리의 상태 등을 고려하여 변경할 수 있다.

S205 단계에서 배터리의 SOC가 제 1 구간이라고 판단되면 기준 값보다 높은 전압 값을 배터리 충방전 타겟 전압으로 설정한다(S215). 배터리 충방전 타겟 전압은 전압 조절부(150)에 저장될 수 있다.

S205 단계에서 배터리의 SOC가 제 2 구간이라고 판단되면, 기준 값에 해당되는 전압 값을 배터리 충방전 타겟 전압으로 설정한다(S215).

또한, S205 단계에서 배터리의 SOC가 제 3 구간으로 판단되면, 기준 값보다 낮은 전압 값을 배터리 충방전 타겟 전압으로 설정한다(S215).

한편, SOC 초기값이 OCV 금지 영역에 해당한다고 판단되면, 충전부(120)에서 배터리의 CV 충전을 진행한다(S220).

그리고, CV 충전 시 실시간으로 충전 전류를 측정하여 충전 전류가 기준 값 이하인지 판단한다(S230). 예컨대, 충전 전류가 일정 전류 이상일 경우 만충전 상태에 도달하지 않았다고 판단하여 CV 충전을 계속 진행한다(S220).

그러나, 충전 전류가 일정 전류 이하일 경우 만충전 상태에 도달했다고 판단하여 충전을 중지한다.

이어서, SOC 초기값이 만충전 상태이므로, 배터리의 SOC를 제 3 구간으로 판단하며, 기준 값보다 낮은 전압 값을 배터리 충방전 타겟 전압으로 설정한다(S240).

상술한 바와 같이, 실시간으로 SOC 보정이 가능하므로, SOC 오차 누적 현상이 발생하지 않으며, SOC 오차 누적에 의한 전기 에너지 손실을 최소화 시킬 수 있다.

OCV 금지 영역에서 만충전을 통해 SOC를 추정함에 따라 이차 전지의 에이징 공정에 의한 SOC 예측 알고리즘이 요구되지 않는다.

상술한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims

이차 전지의 OCV를 측정하는 OCV 측정부;
측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당되는지 판단하는 OCV 금지 영역 판단부
측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당하지 않는다고 판단되면, 측정된 OCV에 대응하는 SOC를 SOC 초기값으로 설정하고, 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당한다고 판단되면, 만충전된 SOC를 SOC 초기값으로 설정하는 SOC 설정부; 및
상기 설정된 SOC 초기값과 충방전용량을 합산하여 SOC를 추정하는 SOC 추정부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태 예측 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 OCV 금지 영역 판단부는 상기 OCV로 SOC를 추정할 수 없는 구간에 대한 정보가 저장된 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태 예측 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당한다고 판단되면 상기 이차 전지를 충전하는 충전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태 예측 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 SOC 추정부에서 추정된 SOC를 기준 값과 비교하여 충전 전압을 조절하는 전압 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전 상태 예측 시스템.
이차 전지의 OCV를 측정하는 단계;
측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당되는지 판단하는 단계
측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당하지 않는다고 판단되면, 측정된 OCV에 대응하는 SOC를 SOC 초기값으로 설정하는 단계;
측정된 OCV가 OCV 금지 영역에 해당한다고 판단되면, 상기 이차 전지를 만충전하고, 만충전된 SOC를 SOC 초기값으로 설정하는 단계; 및
상기 설정된 SOC 초기값과 충방전용량을 합산하여 SOC를 추정하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 예측 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 이차 전지의 OCV를 측정하는 단계 이전에,
키 오프(Key Off) 상태의 유지 시간을 판단한 후 상기 키 오프 시간과 기준시간을 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 예측 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 키 오프 상태의 유지 시간이 상기 기준 시간보다 짧은 경우, 기 측정된 SOC를 SOC 초기값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 예측 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 이차 전지를 만충전 하는 단계는
상기 이차 전지를 CV 충전 방식으로 충전하는 단계;
실시간으로 충전 전류를 측정하는 단계;
측정된 충전 전류를 기준 값과 비교하여 만충전 여부를 확인하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 예측 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 측정된 전류를 기준 값과 비교하는 단계에서
상기 측정된 전류가 기준 값보다 큰 경우, 충전을 계속 진행하고, 상기 측정된 전류가 기준 값보다 작은 경우, 만충전으로 판단하여 충전을 중지하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 예측 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 방전 용량은 전류를 누적하는 전류 적산 방법으로 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 예측 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 SOC를 추정하는 단계 이후,
추정된 SOC를 기준 값과 비교하여 배터리 충방전 타겟 전압을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 예측 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 추정된 SOC가 낮은 구간에 해당되면, 기 설정된 전압보다 높은 값으로 배터리 충방전 타겟 전압을 설정하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 배터리 충전 상태 예측 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 추정된 SOC가 SOC 평균 구간에 해당되면, 기 설정된 전압으로 배터리 충방전 타겟 전압을 유지하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 예측 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 추정된 SOC가 높은 구간에 해당되면, 기 설정된 전압보다 낮은 값으로 배터리 충방전 타겟 전압을 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 상태 예측 방법.