KR20180033642A - 자동차의 배터리 관리 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 노화특성을 고려하여 충전 효율을 향상시킬 수 있도록 한 자동차의 배터리 관리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 배터리의 전기화학적 특성을 이용하여 배터리의 노후화를 미리 예측하고, 노후화가 진행된 것으로 판단되는 경우 배터리 내부의 활물질을 활성화시키는 제어를 함으로써, 배터리의 충전 효율 및 내구 성능을 향상시킬 수 있는 자동차의 배터리 관리 시스템 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

자동차의 배터리 관리 시스템 및 방법{System and method for battery management}
본 발명은 자동차의 배터리 관리 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 노화특성을 고려하여 충전 효율을 향상시킬 수 있도록 한 자동차의 배터리 관리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차는 각종 전기부하에 전원을 공급하기 위한 수단으로 배터리와, 차량의 구동 중에 발전되는 전력을 배터리 및 전기부하에 공급하는 알터네이터를 포함한다.
최근에는 에너지 절약 및 환경문제로 인해 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 전기 자동차(Electric Vehicle, EV)와 같이 고전압 배터리를 에너지원으로 사용하는 친환경 차량에 대한 연구가 가속되고 있다.
위와 같은 자동차용 배터리는 주행 조건 및 전기부하 작동 조건 등 여러가지 조건에서 잦은 충방전이 이루어지며, 이로 인해 배터리의 내구 수명이 감소되는 문제가 있다.
첨부한 도 1을 참조하면, 배터리는 음극 및 양극을 위한 금속 그리드(10)와, 그리드(10) 위에 도포되는 활물질(12: PbO2) 등을 포함하고, 상기 그리드(10)는 전류를 전도하는 양극 활물질과 음극 활물질 간의 전기 접점을 제공한다.
상기 배터리가 방전후 일정 시간 동안 방치되면, 그리드(10)와 활물질(12) 간의 계면 저항이 증가하고, 이후 충방전시 발열량이 증가하여, 결국 활물질과 접하는 그리드(10)의 계면에서 Pb-Oxide, PbnO을 포함하는 그리드 부식층(Grid Corrosion Layer)이 발생하게 된다.
특히, 상기 그리드 부식층으로 인하여 활물질 용량이 감소되어 배터리의 내구 수명이 감소되는 문제점이 있다.
참고로, 상기 활물질의 용량감소는 배터리내 물질 변화에 의해 발생하는데, 아래와 같은 황산화, 탈락, 연화 등이 원인으로 작용하여 발생된다.
- 황산화(Sulphation): 비가역적인 황산납 결정화.
- 탈락(shedding): 과충전과 같은 기계적인 스트레스로 인하여 활물질의 탈락되는 현상.
- 연화(softening): 전기적인 전도도의 감소로 인해 활물질의 입자 간 결합이 약해지는 현상.
또한, 차량에 탑재된 배터리 제어기 즉, 배터리 관리 시스템(BMS)에서 배터리 충전과 방전 특성을 적절한 수준으로 관리함에도 불구하고, 배터리 내구 수명이 저하됨에 따라 충분한 충전이 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있고, 더욱이 고객의 실수로 배터리를 방전상태로 오랫동안 방치할 경우, 배터리내 활물질이 고착화됨으로써, 배터리 수명이 급격하게 감소되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 배터리의 전기화학적 특성을 이용하여 배터리의 노후화를 미리 예측하고, 노후화가 진행된 것으로 판단되는 경우 배터리 내부의 활물질을 활성화시키는 제어를 함으로써, 배터리의 충전 효율 및 내구 성능을 향상시킬 수 있는 자동차의 배터리 관리 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예는: 배터리의 장시간 충전이 가능한 리프레쉬(Refresh) 구간에서 배터리의 노후(aging) 상태 여부를 판단하는 배터리 에이징 판단 모듈; 상기 배터리 에이징 판단 모듈에서 배터리 에이징이 진행된 것으로 판정되면, 배터리 리프레쉬에 의한 배터리 충전을 멈추고 배터리 방전 제어를 하는 배터리 활성화 모듈; 및 상기 배터리 활성화 모듈의 방전 제어로 배터리내 활물질의 가역반응이 원활하게 만들어진 후, 배터리 회복을 위하여 배터리 리프레쉬 맵에 의한 충전 제어를 하는 배터리 충전 회복 모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리 관리 시스템을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 구현예는: ⅰ) 배터리 에이징 판단 모듈(102)에서 배터리 리프레쉬가 진행 중인지를 판단하는 단계; ⅱ) 배터리 리프레쉬 진행 중, 배터리 에이징 판단 모듈에서 배터리 리프레쉬 진행 시간과, 배터리 SOC와, 배터리 전류를 기반으로 배터리 에이징 여부를 판정하는 단계; ⅲ) 상기 배터리 에이징이 진행된 상태로 판정되면, 배터리 활성화 모듈(104)에서 배터리 방전 제어를 하는 단계; ⅳ) 배터리 충전 회복 모듈(106)에서 배터리 회복을 위하여 배터리 리프레쉬 맵에 의한 충전 제어를 하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리 관리 방법을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 배터리의 노후화(aging)를 미리 예측하고, 노후화가 진행된 것으로 판단되는 경우 배터리 내부의 활물질을 활성화시키는 제어를 한 후, 배터리 리프레쉬 맵에 의한 배터리 충전 제어가 이루어지도록 함으로써, 배터리의 SOC 충전 효율 및 내구 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 배터리 내구 특성을 도시한 모식도,
도 2는 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템 구성을 도시한 구성도,
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 배터리 관리 방법을 도시한 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 배터리의 내구 열화 또는 특정한(방전상태 유지 등) 조건에서 배터리의 극판 내 활물질이 PbSO4 상태로 경화되는 경우, 단순한 충전을 통하여 배터리 SOC(state of charge) 회복이 어려운 점을 해소하고자, 배터리의 노후화(aging)를 미리 예측하고, 노후화가 진행된 것으로 판단되는 경우 배터리 내부의 활물질을 활성화시키는 제어를 함으로써, 배터리의 SOC 충전 효율 및 내구 성능을 향상시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 본 발명의 배터리 관리 시스템은 도 2에서 보듯이, 배터리 에이징 판단 모듈(102)과, 배터리 활성화 모듈(104)과, 배터리 충전 회복 모듈(106)을 포함하여 구성된다.
즉, 배터리에 대한 전반적인 관리를 위한 제어기인 배터리 관리 시스템(100 : BMS, Battery Management System)이 배터리 에이징 판단 모듈(102)과, 배터리 활성화 모듈(104)과, 배터리 충전 회복 모듈(106)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 배터리 에이징 판단 모듈(102)은 배터리의 장시간 충전이 가능한 리프레쉬(Refresh) 구간에서 배터리의 노후(aging) 상태 여부를 판단한다.
차량에는 여러 환경인자, 다양한 부품 및 구동 패턴 등에 의해 많은 외란이 발생하고, 이 외란 요소는 배터리 에이징(aging) 특성을 일정하게 파악하기 어렵게 만드는 요인으로 작용한다.
이에, 배터리 에이징 특성을 정확하게 파악하기 위하여, 배터리에 대하여 오랜 시간 동안 일정하게 제어되는 패턴을 선택해야 하는 점을 감안하여, 상기 배터리 에이징 판단 모듈(102)에서 배터리에 대하여 오랜 시간 동안 일정하게 제어되는 패턴 중, 배터리의 장시간 충전이 가능한 리프레쉬(Refresh) 구간에서 배터리 에이징을 판단한다.
상기 배터리 에이징 판단 모듈(102)에서 배터리 리프레쉬(Refresh) 진입에 따라 일정시간 동안 배터리 충전이 진행되었음에도 불구하고, 배터리 충전 중 전압, 전류, SOC 등의 상태가 임계수준을 만족하지 못하면 배터리 에이징이 진행된 상태로 판정하게 된다.
상기 배터리 활성화 모듈(104)은 배터리 에이징 판단 모듈(102)에서 배터리 에이징이 진행된 것으로 판정되면, 배터리 리프레쉬에 의한 배터리 충전을 멈추고 배터리 방전 제어를 진행한다.
이때, 상기 배터리 활성화 모듈(104)에 의한 방전 제어는 배터리의 화학적 특성을 이용하고자 한 것이며, 단순 충전보다 방전을 통해 배터리내 활물질을 불안정한 상태로 만들어서 배터리내 활물질의 가역반응을 원활하게 만들어주게 된다.
상기 배터리 충전 회복 모듈(106)은 배터리 활성화 모듈(104)의 방전 제어로 배터리내 활물질의 가역반응이 원활하게 만들어진 후, 충분한 충전 제어를 통해 배터리의 회복이 이루어질 수 있게 한다.
이때, 배터리가 회복이 되지 않을 경우, 에이징 팩터(Aging factor)를 증가시킴으로써, 상기한 배터리 활성화 모듈(104)에 의한 방전 제어와 배터리 충전 회복 모듈(106)에 의한 충전 제어를 다시 반복해줌으로써, 배터리 거동영역이 내구특성에 맞도록 변경되어 배터리 충전 효율이 증가하는 등 배터리 회복이 이루어질 수 있다.
예를 들면, 가용 SOC 영역, 충전 및 방전 전압, 충전 및 방전 전류 등을 조정하여 배터리의 화학적 특성을 회복시킴으로써, 배터리 충전 효율 및 배터리 내구 성능 향상을 도모할 수 있다.
여기서, 본 발명의 배터리 관리 방법을 순서대로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 배터리 관리 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 배터리 리프레쉬가 진행 중인지를 판단한다(S101)
상기 배터리 리프레시는 배터리 SOC(State Of Charge)가 소정 수준 이하로 저하된 상태에서 다시 배터리 SOC를 소정 수준 이상으로 충전하는 것을 의미한다.
이때, 배터리 리프레쉬의 진행 여부를 판단하는 이유는 배터리의 장시간 충전이 가능한 리프레쉬(Refresh) 구간에서 배터리 에이징을 판단하기 위함에 있다.
따라서, 상기 배터리 에이징 판단 모듈(102)에서 배터리 리프레쉬(Refresh) 진입에 따라 일정시간 동안 배터리 충전이 진행되었음에도 불구하고, 배터리 충전 중 전압, 전류, SOC 등의 상태가 임계수준을 만족하지 못하면 배터리 에이징이 진행된 상태로 판정하게 된다.
한편, 상기 배터리 리프레쉬 진행 중 배터리 리프레쉬가 완료되어, 더 이상 배터리 리프레쉬가 불필요한 비활성화 상태인지를 판단한다(S102).
이에, 배터리 리프레쉬가 불필요한 비활성화 상태이면, 배터리 에이징 팩터(aging factor)가 감소된다(S103).
반면, 상기 배터리 리프레쉬가 계속 진행 중이면, 배터리 에이징 판단 모듈(102)에서 배터리 리프레쉬 진행 시간과, 배터리 SOC와, 배터리 전류 등을 기반으로 배터리 에이징 여부를 판정한다(S104, S105).
따라서, 상기 배터리 리프레쉬 진행 시간이 임계시간(A) 이상 진행된 상태에서 배터리 SOC가 임계치(B) 미만이고, 배터리 전류(예, 노이즈가 필터링된 전류)가 임계전류(C) 미만이면, 배터리 에이징이 진행된 상태 즉, 배터리가 노후된 상태로 판정하게 된다.
한편, 상기 배터리가 에이징된 상태로 판정되더라도, 배터리 리프레쉬에 의한 배터리 회복시간이 어느정도 시간이 걸리는 점을 감안하여, 배터리 회복 여부를 다시 한 번 확인하는 단계인 재구동(Remind Driving) 단계가 더 진행될 수 있다(S106).
이때, 상기 배터리 에이징이 진행된 상태로 판정되면, 배터리 에이징 판단 모듈(102)에서 배터리 리프레쉬 작동 타이머를 정지시킨다(S107).
다음으로, 상기 배터리 활성화 모듈(104)에서 배터리 리프레쉬를 위한 배터리 방전 제어를 하게 된다.
상기와 같이 배터리 활성화 모듈(104)에 의한 방전 제어는 단순 충전보다 방전을 통해 배터리내 활물질을 불안정한 상태로 만들어서 배터리내 활물질의 가역반응을 원활하게 만들어주기 위함에 있다.
이를 위해, 상기 배터리 활성화 모듈(104)은 리프레쉬 방전 맵(Refresh Discharge Map), 예를 들어 SOC(X축) 및 배터리 온도(Y축)를 기반으로 추가 구축된 2D 형태의 리프레쉬 방전 맵을 이용하여 배터리 방전 제어를 하게 된다(S108).
즉, 배터리 SOC가 임계치(D) 미만으로 떨어지고, 배터리 전압이 임계전압(E) 미만으로 떨어질 때까지 배터리 방전 제어를 하게 된다(S109).
이와 같이 상기 배터리 활성화 모듈(104)에 의한 방전 제어로 인하여, 배터리 에이징 상태에서 배터리내 활물질의 가역반응이 원활하게 이루어지는 상태가 됨으로써, 배터리는 충분한 충전 제어를 통해 회복이 가능한 상태가 된다.
다음으로, 상기 배터리 충전 회복 모듈(106)에서 배터리 회복을 위하여 배터리에 대한 충분한 충전 제어를 실시하게 된다.
이를 위해, 배터리 회복을 위하여 배터리 리프레쉬 작동 타이머가 리셋된 후, 배터리 리프레쉬 작동 타이머가 재스타트되고(S110), 본래의 배터리 리프레쉬 맵에 의하여 배터리 충전 제어가 진행된다(S111).
다음으로, 상기 배터리 리프레쉬 맵에 의하여 배터리 충전 제어가 이루어진 후, 배터리 리프레쉬가 더 필요한지 여부를 확인한다.
즉, 상기 단계 S111에서 배터리 리프레쉬 맵에 의한 배터리 충전 제어가 이루어짐에 따라, 배터리 리프레쉬가 더 이상 불필요한 상태인 배터리 리프레쉬 비활성화 상태인지를 판단한다(S112).
이에, 상기한 배터리 리프레쉬 비활성화 상태이면, 배터리 리프레쉬가 더 이상 진행되지 않도록 배터리 리프레쉬 모드를 비활성화시킨다(S113).
반면, 상기 단계 S111에서 배터리 리프레쉬 맵에 의한 배터리 충전 제어가 이루어진 후, 배터리 리프레쉬 진행 시간과, 배터리 SOC와, 배터리 전류 등을 기반으로 배터리 충전 회복 여부를 판정한다(S114).
즉, 상기 단계 S111에서 배터리 리프레쉬 맵에 의한 배터리 충전 제어가 이루어짐에도 불구하고, 배터리 리프레쉬 진행 시간이 임계시간(A) 이상 진행되고, 배터리 SOC가 임계치(B) 미만이고, 배터리 전류(예, 노이즈가 필터링된 전류)가 임계전류(C) 미만이면, 배터리의 충전 회복이 되지 않은 것으로 판정한다.
이때, 배터리의 충전 회복이 되지 않은 경우, 에이징 팩터(Aging factor)를 추가하고(S115), 상기한 배터리 활성화 모듈(104)에 의한 방전 제어와 배터리 충전 회복 모듈(106)에 의한 충전 제어를 다시 반복해줌으로써, 배터리 충전 효율이 증가하는 등의 배터리 충전 회복이 이루어질 수 있도록 한다.
한편, 상기 배터리 에이징 팩터가 추가로 조정됨에 따라, 배터리 SOC 임계치가 조정하는 단계(S116)가 더 진행되어야 한다.
이상에서 본 바와 같이, 배터리의 노후화(aging)를 미리 예측하고, 노후화가 진행된 것으로 판단되는 경우 배터리 내부의 활물질을 활성화시키는 제어를 한 후, 배터리 리프레쉬 맵에 의한 배터리 충전 제어가 이루어지도록 함으로써, 배터리의 SOC 충전 효율 및 내구 성능을 향상시킬 수 있다.
10 : 그리드
12 : 활물질
100 : 배터리 관리 시스템
102 : 배터리 에이징 판단 모듈
104 : 배터리 활성화 모듈
106 : 배터리 충전 회복 모듈

Claims (11)

  1. 배터리의 장시간 충전이 가능한 리프레쉬(Refresh) 구간에서 배터리의 노후(aging) 상태 여부를 판단하는 배터리 에이징 판단 모듈;
    상기 배터리 에이징 판단 모듈에서 배터리 에이징이 진행된 것으로 판정되면, 배터리 리프레쉬에 의한 배터리 충전을 멈추고 배터리 방전 제어를 하는 배터리 활성화 모듈; 및
    상기 배터리 활성화 모듈의 방전 제어로 배터리내 활물질의 가역반응이 원활하게 만들어진 후, 배터리 회복을 위하여 배터리 리프레쉬 맵에 의한 충전 제어를 하는 배터리 충전 회복 모듈;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리 관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 에이징 판단 모듈은 배터리 리프레쉬(Refresh) 진입에 따라 일정시간 동안 배터리 충전이 진행되었음에도 불구하고, 배터리 충전 중 전압, 전류, SOC 상태가 임계수준을 만족하지 못하면 배터리 에이징이 진행된 상태로 판정하는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리 관리 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 활성화 모듈은 방전 제어를 통하여 배터리내 활물질을 불안정한 상태로 만들어서 배터리내 활물질의 가역반응을 원활하게 만들어주는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리 관리 시스템.
  4. ⅰ) 배터리 에이징 판단 모듈에서 배터리 리프레쉬가 진행 중인지를 판단하는 단계;
    ⅱ) 배터리 리프레쉬 진행 중, 상기 배터리 에이징 판단 모듈에서 배터리 리프레쉬 진행 시간과, 배터리 SOC와, 배터리 전류를 기반으로 배터리 에이징 여부를 판정하는 단계;
    ⅲ) 상기 배터리 에이징이 진행된 상태로 판정되면, 배터리 활성화 모듈(104)에서 배터리 방전 제어를 하는 단계;
    ⅳ) 배터리 충전 회복 모듈에서 배터리 회복을 위하여 배터리 리프레쉬 맵에 의한 충전 제어를 하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리 관리 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 ⅰ) 단계 후 ⅱ) 단계 전에 배터리 리프레쉬가 불필요한 비활성화 상태인지를 판단하는 단계가 더 진행되고, 배터리 리프레쉬가 불필요한 비활성화 상태이면 배터리 에이징 팩터(aging factor)가 감소되는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리 관리 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 ⅱ) 단계에서, 배터리 리프레쉬 진행 시간이 임계시간(A) 이상 진행된 상태에서 배터리 SOC가 임계치(B) 미만이고, 배터리 전류가 임계전류(C) 미만이면, 배터리 에이징이 진행된 상태로 판정하는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리 관리 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 ⅲ) 단계에서의 배터리 활성화 모듈에 의한 방전 제어는 리프레쉬 방전 맵에 의하여 진행되어, 배터리내 활물질을 불안정한 상태로 만들어서 배터리내 활물질의 가역반응을 원활하게 만들어주는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리 관리 방법.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 ⅲ) 단계에서의 배터리 활성화 모듈에 의한 방전 제어는 배터리 SOC가 임계치(D) 미만으로 떨어지고, 배터리 전압이 임계전압(E) 미만으로 떨어질 때까지 진행되는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리 관리 방법.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 ⅳ) 단계 이후, 배터리 리프레쉬가 더 이상 불필요한 상태인 배터리 리프레쉬 비활성화 상태로 판정되면, 배터리 리프레쉬 모드를 비활성화시키는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리 관리 방법.
  10. 청구항 4에 있어서,
    상기 ⅳ) 단계에서 배터리 리프레쉬 맵에 의한 배터리 충전 제어가 이루어짐에도 불구하고, 배터리 리프레쉬 진행 시간이 임계시간(A) 이상 진행되고, 배터리 SOC가 임계치(B) 미만이고, 배터리 전류가 임계전류(C) 미만이면, 배터리의 충전 회복이 되지 않은 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리 관리 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 배터리의 충전 회복이 되지 않은 경우, 에이징 팩터(Aging factor)를 추가하고, 배터리 활성화 모듈에 의한 방전 제어와 배터리 충전 회복 모듈에 의한 충전 제어를 다시 반복하는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리 관리 방법.
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