KR20180007123A - 친환경 차량의 배터리 열화도 진단장치 및 방법 - Google Patents

친환경 차량의 배터리 열화도 진단장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 친환경 차량의 배터리 열화도 진단장치 및 방법에 관한 것으로, 배터리, 상용전원을 이용하여 상기 배터리를 충전하는 충전기, 상기 배터리의 출력전압을 측정하는 전압검출기, 및 상기 배터리의 충전종료 직후 상기 전압검출기를 통해 제1배터리 전압을 수집한 후 설정 시간이 경과하면 상기 전압검출기를 통해 제2배터리 전압을 수집하고, 상기 제1배터리 전압과 상기 제2배터리 전압을 이용하여 분극전압을 연산하며 연산된 분극전압을 이용하여 배터리 열화도를 산출하는 배터리 제어기를 포함한다.

Description

친환경 차량의 배터리 열화도 진단장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DIAGNOSING DETERIORATION OF BATTERY IN ECO-VEHICLE}
본 발명은 열화도와 분극전압의 상관관계를 이용하여 친환경 차량 내 배터리의 열화 정도를 진단(검출)하는 친환경 차량의 배터리 열화도 진단장치 및 방법에 관한 것이다.
전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등과 같은 친환경 차량에는 고전압 배터리가 탑재되어 있다.
친환경 차량용 고전압 배터리의 전압 특성 상 낮은 충전량(State Of Charge, SOC)에서 열화 특성이 뚜렷하게 보여 실제 차량 기준 SOC 30% (셀 전압 약 3.6V미만, AEEV 기준) 수준에서 열화도 연산에 진입한다. 총 열화도 연산 구간은 SOC 약 30%~90%이지만, 실제 차량상태에서 SOC 30% 미만에서 완속 충전을 이용하여 SOC 90%이상 충전하는 빈도수가 적고 충전 전력별 충전시간(6.6kW 기준 : 약 3시간, ICCB 110V 기준 : 약 20시간)이 장시간 소요되어 열화도 연산 빈도수가 적어져 장시간 연산에 진입하지 못했을 경우 저장된 열화도 값의 신뢰성이 떨어지게 된다.
연산된 열화도는 주행가능거리(Distance To Empty, DTE) 및 가용에너지 연산에 활용되어 열화도의 신뢰도가 떨어질 경우 차량 주행시 배터리 과방전/과충전 될 우려가 있고 고객의 불만족을 야기할 수 있다.
이에, 종래에는 완속 충전 중 배터리 전압특성과 충전량(Ah)의 관계를 활용하여 상대비교를 통해 배터리의 열화검출을 실시하는 것을 제안하고 있다. 리튬이온배터리 특성상 종래기술을 이용한 열화도 검출 진입 전압 영역이 SOC 20~30% 수준으로 매우 낮고, 열화도 종료 전압 영역이 SOC 80% 이상으로 완속 충전 만을 활용하는 PHEV의 경우 열화도 연산 시 많은 시간이 소요되게 되며, 사용자에 의해 충전 중단 시 열화도 연산이 중단 되어 열화도 연산 빈도수가 감소하여 추정된 열화도에 신뢰도가 저하될 수 있다.
KR 10-2013-0064308 (2013.06.18)
본 발명은 열화도와 분극전압의 상관관계를 이용하여 친환경 차량 내 배터리의 열화도를 진단하는 친환경 차량의 배터리 열화도 검출장치 및 방법을 제공하고자 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 차량의 배터리 열화도 검출장치는 배터리, 상용전원을 이용하여 상기 배터리를 충전하는 충전기, 상기 배터리의 출력전압을 측정하는 전압검출기 및 상기 배터리의 충전종료 직후 상기 전압검출기를 통해 제1배터리 전압을 수집한 후 설정 시간이 경과하면 상기 전압검출기를 통해 제2배터리 전압을 수집하고, 상기 제1배터리 전압과 상기 제2배터리 전압을 이용하여 분극전압을 연산하며 연산된 분극전압을 이용하여 배터리 열화도를 산출하는 배터리 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 제어기는, 상기 충전기로부터 충전시작알림을 수신한 후 충전종료알림을 수신하면 상기 제1배터리 전압을 수집하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 열화도 진단장치는 상기 설정 시간이 경과하면 이벤트 신호를 출력하는 타이머를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 제어기는, 상기 제1배터리 전압을 수집한 후 슬립 모드로 진입하며 상기 타이머를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 제어기는, 상기 타이머로부터 출력되는 이벤트 신호를 수신하면 상기 슬립 모드에서 웨이크업 모드로 전환하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 제어기는, 룩업테이블을 참조하여 제1배터리 전압 및 분극전압에 대응하는 배터리 열화도를 추정하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 제어기는, 선형보간법을 이용하여 배터리 열화도 추정을 수행하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 차량의 배터리 열화도 진단방법은 배터리 충전 중 배터리 충전종료여부를 확인하는 단계, 배터리 충전종료 시 상기 배터리에 대한 제1배터리 전압을 수집하는 단계, 상기 제1배터리 전압을 수집한 후 설정 시간 경과 시 상기 배터리에 대한 제2배터리 전압을 수집하는 단계, 상기 제1배터리 전압 및 상기 제2배터리 전압을 이용하여 분극전압을 연산하는 단계 및 상기 제1배터리 전압 및 상기 분극전압에 근거하여 열화도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 충전종료여부를 확인하는 단계는, 충전기로부터 전송되는 충전종료알림을 수신하였는지를 확인하는 것을 특징으로 한다.
상기 분극전압을 연산하는 단계는, 상기 제1배터리 전압과 상기 제2배터리 전압의 전압 차이를 연산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 열화도와 분극전압의 상관관계를 이용하여 친환경 차량 내 배터리의 열화도를 진단할 수 있다.
본 발명에 따르면, 열화도 연산 진입 전압 세분화에 따른 연산 횟수 증가를 통한 열화도 추정 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 차량의 배터리 열화도 진단장치를 도시한 블록구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 차량의 배터리 열화도 진단방법을 도시한 흐름도.
도 3은 본 발명과 관련된 열화도별 및 SOC별 분극전압을 도시한 그래프.
도 4는 본 발명과 관련된 열화도와 분극전압의 상관관계를 도시한 그래프.
본 명세서에 기재된 "포함하다", "구성하다", "가지다" 등의 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 해당 구성요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, "일", "하나" 및 "그" 등의 관사는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 전기자동차(EV) 및 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV) 등의 친환경 차량에 탑재되는 고전압 배터리의 완속 충전 전압 특성을 이용하여 배터리 열화 정도를 검출하는 기술에 관한 것으로, 완속 충전 종료 직후의 배터리 전압과 분극전압을 이용하여 배터리의 열화도를 추정하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 차량의 배터리 열화도 진단장치를 도시한 블록구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 열화도 진단장치는 충전기(110), 배터리(120), 전압검출기(130), 배터리 제어기(140), 및 타이머(150)를 포함한다.
충전기(110)는 차량 내 탑재되어 외부로부터 공급되는 상용전원을 사용하여 배터리(120)를 충전하는 완속충전기(On-board Battery Charger, OBC)이다. 이러한 충전기(110)는 상용전원을 입력받아 정류하는 정류기, 정류된 전력에 대한 역률을 보정하는 역류 보정기(Power Factor Correction, PFC), 및 역률 보정된 전력을 배터리 충전을 위한 충전전압으로 변환하는 절연형 직류/직류(DC/DC) 컨버터를 포함한다.
충전기(110)는 충전 시작 또는 충전 종료를 배터리 제어기(140)에 알린다. 충전기(110)는 배터리 충전을 위한 전원(상용전원) 공급이 개시되면 충전시작을 알리는 신호(충전시작알림)를 배터리 제어기(140)에 전송한다. 그리고, 충전기(110)는 배터리 충전을 위한 전원 공급이 중단되거나 배터리 충전이 완료되는 경우 충전종료를 알리는 신호(충전종료알림)를 배터리 제어기(140)에 전송한다.
배터리(120)는 고전압 배터리로, 차량의 구동에 필요한 전력을 공급한다. 배터리(120)는 충전기(110)를 통해 공급되는 전력 또는 회생제동 시 발생되는 회생전력에 의해 충전된다.
전압검출기(130)는 배터리(120)의 출력단에 연결되어 배터리(120)로부터 출력되는 출력전압(이하, 배터리 전압)을 측정한다. 전압검출기(130)는 측정된 배터리 전압을 배터리 제어기(140)로 전송한다.
배터리 제어기(140)는 배터리(120)의 충전량(State Of Charge, SOC) 및 상태(State Of Health, SOH) 등을 실시간으로 모니터링하고, 배터리(120)의 과충전 또는 과방전을 방지하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이다.
배터리 제어기(140)는 충전기(110)와 차량 네트워크를 통해 정보를 주고 받는다. 차량 네트워크는 CAN(Controller Area Network), MOST(Media Oriented Systems Transport) 네트워크, LIN(Local Interconnect Network), 또는 X-by-Wire(Flexray) 등으로 구현된다.
이러한 배터리 제어기(140)는 프로세서(141)와 메모리(143)를 구비한다. 여기서, 프로세서(141)는 배터리 제어기(140)의 전반적인 동작을 제어한다. 그리고, 메모리(143)는 배터리 제어기(140)의 동작을 위한 프로그램 및 입력 및/또는 출력되는 데이터들을 저장할 수도 있다.
배터리 제어기(140)의 프로세서(141)는 충전기(110)로부터 충전시작알림을 수신한 후 충전종료알림을 수신하면, 배터리 열화검출 모드로 진입한다.
프로세서(141)는 충전종료알림을 수신하면, 전압검출기(130)를 통해 배터리(120)의 제1배터리 전압을 수집한다. 이때, 전압검출기(130)는 배터리(120)의 출력전압(제1배터리 전압)을 측정하여 배터리 제어기(140)로 전달한다. 배터리 제어기(140)는 제1배터리 전압을 수집하면 바로 슬립 모드(sleep mode)로 진입하며, 타이머(150)를 동작시킨다.
프로세서(141)는 슬립 모드 진입 후 설정 시간이 경과하면 배터리 제어기(140)의 동작 모드를 슬립 모드에서 웨이크업 모드(wakeup mode)로 전환한다. 프로세서(141)는 슬립 모드로 진입 시 타이머(150)를 동작시킨다. 타이머(150)는 설정 시간이 경과하면 이벤트 신호를 배터리 제어기(140)로 출력한다. 프로세서(141)는 타이머(150)로부터 출력되는 이벤트 신호를 수신하면 슬립 모드에서 웨이크업 모드로 전환한다.
프로세서(141)는 웨이크업 모드로 전환한 직후 전압검출기(130)에 의해 측정된 제2배터리 전압을 수집한다. 프로세서(141)는 웨이크업 모드로 진입 시 전압검출기(130)에 배터리(120)의 출력전압 측정을 지시하고, 전압검출기(130)은 프로세서(141)의 지시에 따라 배터리(120)의 출력전압을 측정하여 배터리 제어기(140)로 전송한다.
프로세서(141)는 제1배터리 전압과 제2배터리 전압을 이용하여 분극 전압을 연산한다. 프로세서(141)는 제1배터리 전압과 제2배터리 전압의 전압 차이를 연산한다. 다시 말해서, 프로세서(141)는 배터리 충전 시 동반되는 전압강하(전기적 저항) 현상(분극현상)에 따른 분극전압을 산출하는 것이다. 이러한 분극전압은 배터리(120)에 전류가 인가된 후 일정 시간이 되면 소멸되며 무부하 전압과 유사한 전압이 된다. 예컨대, 리튬 배터리의 경우, 30분~1시간 이내에 분극현상이 소멸된다.
프로세서(141)는 제1배터리 전압과 분극전압을 이용하여 배터리(120)의 열화도를 산출한다. 이때, 배터리 제어기(140)는 메모리(143)에 저장된 룩업테이블을 참조하며 선형보간법을 사용하여 열화도를 추정한다. 여기서, 룩업테이블은 [표 1]에 도시된 바와 같이, 충전종료 직후 배터리 전압과 분극량에 대비한 열화도를 포함한다.
[표 1]
Figure pat00001
여기서, Vend는 충전종료 직후 배터리 전압, Vpol은 분극전압(분극량)이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 차량의 배터리 열화도 검출방법을 도시한 흐름도이다.
먼저, 배터리 제어기(140)는 배터리(120)의 충전 시작을 확인한다(S110). 이때, 충전기(110)는 외부로부터 인가되는 상용전원을 이용하여 배터리(120)의 충전을 시작하며, 배터리(120)의 충전 시작을 배터리 제어기(140)에 알린다.
배터리 제어기(140)는 배터리(120) 충전 중 충전종료여부를 확인한다(S120). 배터리 제어기(140)는 충전기(110)로부터 충전종료를 알리는 신호(충전종료알림)을 수신하면 배터리(120)의 충전종료로 인식한다. 충전기(110)는 배터리(120) 충전이 중단되거나 완료(완충)된 경우, 충전종료알림을 배터리 제어기(140)로 전송한다.
배터리 제어기(140)는 배터리(120)의 충전이 종료되면, 전압검출기(130)를 통해 제1배터리 전압(배터리 셀 전압)을 수집하고 슬립 모드로 진입한다(S130). 전압검출기(130)는 배터리(120)의 출력전압을 측정하고 그 측정된 전압을 제1배터리 전압으로 배터리 제어기(140)에 전달한다. 배터리 제어기(140)는 전압검출기(130)로부터 전달받은 제1배터리 전압을 메모리(143)에 저장한다. 그리고, 배터리 제어기(140)는 슬립모드로 진입하며 타이머(150)를 작동시킨다. 타이머(150)는 설정 시간이 경과하면 이벤트 신호를 배터리 제어기(140)로 출력한다.
배터리 제어기(140)는 제1배터리 전압을 수집한 후 설정 시간이 경과했는지를 확인한다(S140). 배터리 제어기(140)는 타이머(150)로부터의 이벤트 신호 수신여부를 확인하는 것이다.
배터리 제어기(140)는 설정된 시간이 경과하면, 슬립 모드에서 웨이크업 모드로 전환한다(S150). 다시 말해서, 배터리 제어기(140)는 타이머(150)로부터 이벤트 신호를 수신하면 슬립 모드에서 웨이크업 모드로 전환한다.
배터리 제어기(140)는 웨이크업 모드로 전환한 직후 전압검출기(130)를 통해 제2배터리 전압을 수집한다(S160). 배터리 제어기(140)는 전압검출기(130)를 통해 배터리(120)의 출력전압(제2배터리 전압)을 측정한다.
배터리 제어기(140)는 제1배터리 전압과 제2배터리 전압을 이용하여 분극전압을 연산한다(S170). 여기서, 분극전압은 제1배터리 전압과 제2배터리 전압의 차이이다.
배터리 제어기(140)는 제1배터리 전압 및 분극전압을 이용하여 열화도를 산출한다(S180). 배터리 제어기(140)는 충전종료 직후 측정된 제1배터리 전압 및 분극전압을 이용하여 열화도를 추정한다. 이때, 배터리 제어기(140)는 메모리(143)에 기저장된 룩업테이블을 참조하여 열화도를 추정한다. 룩업테이블은 전압구간별 분극전압 테이블이다.
도 3은 본 발명과 관련된 열화도별 및 SOC별 분극전압을 도시한 그래프이고, 도 4는 본 발명과 관련된 열화도와 분극전압의 상관관계를 도시한 그래프이다.
완속 충전을 모사한 셀 시험 결과에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 열화도에 따라 분극량이 달라지며, SOC별로 열화도에 따른 분극전압은 일정한 경향을 보인다.
도 4에 도시된 바와 같이, 특정 전압에서 열화도에 따른 분극전압 특성을 확대해서 보면 선형성을 보인다.
도 3 및 도 4에 도시된 열화도별 및 SOC별 대비 분극전압과 열화도별 분극전압을 이용하여 전압구간별 분극전압 테이블을 룩업테이블로 생성한다.
이와 같이, 본 발명은 열화도 연산 진입 전압을 세분화하므로, 연산 횟수 증가를 통해 열화도 추정 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 다시 말해서, 본 발명은 배터리(120)의 충전량(SOC)이 20%이상 100%이하인 열화도 연산 구간에서 배터리(120)의 열화도 진단(연산, 검출)을 수행한다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다.
110: 충전기 120: 배터리
130: 전압검출기 140: 배터리 제어기
141: 프로세서 143: 메모리
150: 타이머

Claims (10)

  1. 배터리;
    상용전원을 이용하여 상기 배터리를 충전하는 충전기;
    상기 배터리의 출력전압을 측정하는 전압검출기; 및
    상기 배터리의 충전종료 직후 상기 전압검출기를 통해 제1배터리 전압을 수집한 후 설정 시간이 경과하면 상기 전압검출기를 통해 제2배터리 전압을 수집하고, 상기 제1배터리 전압과 상기 제2배터리 전압을 이용하여 분극전압을 연산하며 연산된 분극전압을 이용하여 배터리 열화도를 산출하는 배터리 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 배터리 열화도 진단장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 제어기는,
    상기 충전기로부터 충전시작알림을 수신한 후 충전종료알림을 수신하면 상기 제1배터리 전압을 수집하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 배터리 열화도 진단장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 설정 시간이 경과하면 이벤트 신호를 출력하는 타이머를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 배터리 열화도 진단장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 제어기는,
    상기 제1배터리 전압을 수집한 후 슬립 모드로 진입하며 상기 타이머를 동작시키는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 배터리 열화도 진단장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 제어기는,
    상기 타이머로부터 출력되는 이벤트 신호를 수신하면 상기 슬립 모드에서 웨이크업 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 배터리 열화도 진단장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 제어기는,
    룩업테이블을 참조하여 제1배터리 전압 및 분극전압에 대응하는 배터리 열화도를 추정하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 배터리 열화도 진단장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배터리 제어기는,
    선형보간법을 이용하여 배터리 열화도 추정을 수행하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 배터리 열화도 진단장치.
  8. 배터리 충전 중 배터리 충전종료여부를 확인하는 단계;
    배터리 충전종료 시 상기 배터리에 대한 제1배터리 전압을 수집하는 단계;
    상기 제1배터리 전압을 수집한 후 설정 시간 경과 시 상기 배터리에 대한 제2배터리 전압을 수집하는 단계;
    상기 제1배터리 전압 및 상기 제2배터리 전압을 이용하여 분극전압을 연산하는 단계; 및
    상기 제1배터리 전압 및 상기 분극전압에 근거하여 열화도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 배터리 열화도 진단방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배터리 충전종료여부를 확인하는 단계는,
    충전기로부터 전송되는 충전종료알림을 수신하였는지를 확인하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 배터리 열화도 진단방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 분극전압을 연산하는 단계는,
    상기 제1배터리 전압과 상기 제2배터리 전압의 전압 차이를 연산하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 배터리 열화도 진단방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US11436877B2 (en) 2019-12-26 2022-09-06 Globiz Co., Ltd. Apparatus for determining overworked consumable for vehicle

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