KR20190072991A - 납 배터리 내부의 전해질 온도 추정방법 - Google Patents

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KR20190072991A
KR20190072991A KR1020170174209A KR20170174209A KR20190072991A KR 20190072991 A KR20190072991 A KR 20190072991A KR 1020170174209 A KR1020170174209 A KR 1020170174209A KR 20170174209 A KR20170174209 A KR 20170174209A KR 20190072991 A KR20190072991 A KR 20190072991A
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Abstract

본 발명은 차량 등에 장착되는 납 배터리의 전해질 온도 추정방법에 관한 것으로서, 배터리 케이스 내부에 수용되어 있는 전해질의 온도를 정확하게 추정할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
이를 위하여 본 발명은, 차량에 장착된 납 배터리 내부에 수용된 전해질 온도를 추정하는 방법에 있어서, (a) 일정 시간 간격으로 배터리 폴(30)의 온도를 측정하는 단계(S10); (b) 배터리의 전압 및 전류값을 측정하는 단계(S20); (c) 배터리 폴(30) 온도의 단위 시간당 변위량을 계산하는 단계(S30); (d) 배터리 전해질(20)의 중력밀도를 계산하는 단계(S40); (e) 배터리의 충/방전 과정에서 발생하는 전열 및 화학적 발열량을 계산하는 단계(S50); (f) 상기 S30 단계, S40 단계 및 S50 단계에서 얻어진 수치에 의해 배터리 내부의 전해질 온도를 추정하는 단계(S60);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

납 배터리 내부의 전해질 온도 추정방법{Electrolyte Temperature Presumption Method of Lead Battery}
본 발명은 차량 등에 장착되는 납 배터리 내부의 전해질 온도 추정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전해질의 중력밀도와, 배터리 폴 온도의 변위값과, 배터리의 충/방전 과정에서 발생하는 전열 및 화학적 발열을 고려하여, 배터리 케이스 내부에 수용된 전해질의 온도를 정학하게 예측할 수 있도록 한 납 배터리의 전해질 온도 추정방법에 관한 것이다.
차량에는 차량의 시동 및 차량에 구비된 각종 전기장치의 작동을 위하여 배터리(축전지)가 구비되어 있다.
상기 배터리는, 전기를 화학적 에너지의 형태로 저장해 두었다가 필요 시 전기를 사용할 수 있도록 한다.
상기 배터리는, 전기를 통하게 하는 물질인 전해질에 따라 납 배터리와 알칼리 배터리로 구분할 수 있으며, 차량에는 납 배터리가 주로 사용되고 있다.
일반적인 납 배터리는 도 1에 도시된 바와 같이, 케이스(10)와, 상기 케이스(10)의 내부에 수용되는 전해질(20)과, 케이스(10)의 상부에 구비되는 배터리 폴(Pole)(30)을 포함하여 구성된다.
상기 배터리 폴(30)은, 이산화 납(PbO2)으로 이루어지는 양극 폴과, 납(Pb)d으로 이루어지는 음극 폴로 구성되어, 전원 케이블(도시 생략)과 연결된다.
또한 상기 전해질(20)로는 묽은 황산이 많이 사용되고 있다.
한편 차량에서는 배터리의 상태를 모니터링하여 배터리의 충전상태(SOC: Stage of Charge)를 정확히 파악하는 것이 중요하다.
배터리의 충전상태를 파악하는 방법으로는 다양한 방법이 사용되고 있으며, 그 일례로 전해질(20)의 온도에 의해 배터리의 상태를 파악하기도 한다.
그런데 상기 전해질(20)은 점성을 가진 액체상태의 물질로서 케이스(10)에 의해 완전히 밀폐되어 있다. 이에 따라 전해질의 온도를 직접 측정할 수가 없으므로 전해질의 온도를 추정하는 방법을 사용하고 있다.
상기 전해질(20)의 온도를 추정하기 위한 방법으로, 배터리 폴(30)에 온도계를 설치하고, 상기 온도계에 의해 측정된 배터리 폴(30의 온도를 근거로 전해질(20)의 온도를 추정하는 방법이 있다.
상기한 종래의 전해질 온도 추정방식은, 케이스 외부(10)에 구비된 금속재질의 배터리 폴(30)의 온도만을 근거로 하여, 케이스(10) 내부에 수용된 액상의 전해질(20)의 온도를 추정하고 있다.
그런데 케이스(10) 내부에 수용된 액상의 전해질(20)과, 케이스(10) 외부에 구비된 금속재질의 배터리 폴(30)은, 그 온도 특성이 서로 상이하다.
이에 따라 배터리 폴(30)의 온도만을 토대로 전해질(20)의 온도를 추정하는 종래의 방식으로는, 전해질(20)의 온도를 정확하게 추정할 수 없다는 문제가 있다.
한편 본 발명과 관련된 선행기술을 검색해 본 결과 다음과 같은 특허문헌이 검색되었다.
특허문헌 1은 "배터리의 온도 추정 장치 및 방법, 배터리 관리 장치 및 방법"에 관한 것으로서, 배터리의 온도 추정 장치는 배터리에 소정 주파수의 AC 전원을 인가하고, 배터리의 AC 전류 및 AC 전압의 위상차를 측정하고, 측정된 위상차 및 배터리의 충전 상태(State of Charge: SOC)를 기반으로 배터리의 내부 온도를 추정하는 방법을 개시하고 있다.
특허문헌 2는 "배터리의 온도 추정 방법"에 관한 것으로서, 배터리의 온도 센서가 장착된 일정 모듈의 전류 및 전압 변화를 측정하고 이를 통해 모듈 총 저항을 산출하고, 산출된 모듈 총 저항 변화를 통해 열화 여부를 판단하고, 열화 여부에 따라 저항 및 온도 테이블 설정하고, 배터리의 각 모듈의 전류 및 전압 변화를 통해 산출된 저항 값과 설정된 저항 및 온도 테이블을 통해 각 모듈의 온도를 추정하는 방법을 개시하고 있다.
특허문헌 3은 "배터리 관리 시스템, 및 배터리 관리 시스템을 이용하는 배터리 충전상태의 추정방법"에 관한 것으로서, 배터리 충전상태의 추정방법은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 충전 상태(SOC)를 배터리 관리 시스템(BMS)을 통해 추정하는 방법에 관한 것으로서, (a) 배터리 관리 시스템에 포함된 측정부가 배터리 셀의 순간 개방회로전압인 오프 전위(off potential)를 측정하는 단계와, (b) 배터리 관리 시스템의 제어부가 참조 테이블(lookup table)에 근거하여 (a) 단계에서 측정된 오프 전위에 대응하는 충전 상태값(SOC)을 추정하는 단계를 개시하고 있다.
KR 10-2017-0043056 A KR 10-2014-0056693 A KR 10-2010-0078842 A
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배터리 케이스 내부에 밀폐되어 수용되어 있는 전해질의 온도를 정확하게 추정할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 배터리 폴의 온도뿐만 아니라 다른 인자들을 종합적으로 고려하여 전해질의 온도를 정확하게 추정할 수 있도록 하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 차량에 장착된 납 배터리의 내부에 수용되어 있는 전해질의 온도를 추정하는 방법에 있어서, (a) 일정 시간 간격으로 배터리 폴의 온도를 측정하는 단계(S10); (b) 배터리의 전압 및 전류값을 측정하는 단계(S20); (c) 배터리 폴 온도의 단위 시간당 변위량을 계산하는 단계(S30); (d) 배터리 전해질의 중력밀도를 계산하는 단계(S40); (e) 배터리의 충/방전 과정에서 발생하는 전열 및 화학적 발열양을 계산하는 단계(S50); (f) 상기 S30 단계, S40 단계 및 S50 단계에서 얻어진 수치에 의해 배터리 내부의 전해질 온도를 추정하는 단계(S60);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 S10 단계에서, 배터리 폴에 장착된 온도 센서를 통해 배터리 폴의 온도 데이터를 제공받는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 S30 단계에서, 배터리 폴 온도의 단위 시간당 변위량(
Figure pat00001
)은, 시간에 따른 배터리 폴의 온도 변위 측정값(
Figure pat00002
)에, 현재 배터리 폴 온도 변화량 반영값 증폭을 위한 팩터(factor)(
Figure pat00003
)와 샘플링 타임 보상 팩터(
Figure pat00004
)를 적용한 값과, 현재 시점 바로 이전에 측정된 배터리 폴 온도의 단위 시간당 변위량(TDLTAn-1)에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 S40 단계에서, 배터리 전해질의 중력밀도를 고려한 배터리 내부 예측 온도(
Figure pat00005
)는, 배터리 폴 온도(
Figure pat00006
)에 샘플링 타임 보상 팩터(
Figure pat00007
)를 적용한 값과, 현재 시점 바로 이전에 측정된 전해질 중력밀도를 고려한 배터리 내부 예측온도(TGRAVn-1)에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 S50 단계에서, 배터리의 충/방전 과정에서 발생하는 전열 및 화학적 발열을 고려한 온도(
Figure pat00008
)는, 배터리 내부 발열량(
Figure pat00009
)에 발열량 반영 팩터(
Figure pat00010
) 및 샘플링 타임 보상 팩터(
Figure pat00011
)를 적용한 값과, 현재 시점 바로 이전에 측정된 전류에 의한 발열량을 고려한 온도(TWATTn - 1)에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 배터리 내부 발열량(
Figure pat00012
)은, 현재 전압에 대한 샘플링 데이터값(
Figure pat00013
)과 현재 전류에 대한 샘플링 데이터값(
Figure pat00014
)에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 S60 단계에서, 전해질의 중력밀도를 고려한 배터리 내부 전해질의 예측온도(
Figure pat00015
)와, 배터리 폴 온도의 단위시간당 변위량(
Figure pat00016
)과, 전류에 의한 발열량을 고려한 온도(
Figure pat00017
)에 의해, 배터리 내부 전해질의 온도를 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 배터리 폴의 온도만을 근거로 전해질의 온도를 추정하는 것이 아니라, 전해질의 중력밀도, 배터리 폴 온도의 변위값, 배터리의 충/방전 과정에서 발생하는 전열 및 화학적 발열을 종합적으로 고려하여 전해질의 온도를 추정한다.
이에 따라 납 배터리 내부의 전해질 온도를 정확하게 추정할 수 있는 효과가 있다.
또한 정확한 전해질의 온도를 근거로 하여 배터리의 충전상태를 정확하게 파악할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 납 배터리의 개략적인 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 내부 전해질의 온도 추정방법을 나타낸 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 납 배터리 내부의 전해질 온도를 추정하는 방법은, 도 2에 도시된 바와 같이, (a) 일정 시간 간격으로 배터리 폴(30)의 온도를 측정하는 단계(S10); (b) 배터리의 전압 및 전류값을 측정하는 단계(S20); (c) 배터리 폴(30) 온도의 단위 시간당 변위량을 계산하는 단계(S30); (d) 배터리 전해질(20)의 중력밀도를 계산하는 단계(S40); (e) 배터리의 충/방전 과정에서 발생하는 전열 및 화학적 발열양을 계산하는 단계(S50); (f) 상기 S30 단계, S40 단계 및 S50 단계에서 얻어진 수치에 의해 배터리 내부의 전해질 온도를 추정하는 단계(S60);를 포함하여 이루어진다.
상기 S10 단계에서는, 배터리 폴(30)에 장착된 온도 센서를 통해 배터리 폴(30)의 온도 데이터를 제공 받는다.
또한 상기 S30 단계에서, 배터리 폴(30) 온도의 단위 시간당 변위량(
Figure pat00018
)은, 시간에 따른 배터리 폴의 온도 변위 측정값(
Figure pat00019
)에, 현재 배터리 폴 온도 변화량 반영값 증폭을 위한 팩터(factor)(
Figure pat00020
)와 샘플링 타임 보상 팩터(
Figure pat00021
)를 적용한 값과, 현재 시점 바로 이전에 측정된 배터리 폴 온도의 단위 시간당 변위량(TDLTAn-1)에 의해 계산한다.
또한 시간에 따른 배터리 폴 온도의 변위 측정값 FDLTAn 은, 어느 특정 시점을 기준으로 그 이전의 여러 시점에서 측정된 값을 평균하여 사용한다.
또한 상기 S40 단계에서, 배터리 전해질(20)의 중력밀도를 고려한 배터리 내부 예측 온도(
Figure pat00022
)는, 배터리 폴 온도(
Figure pat00023
)에 샘플링 타임 보상 팩터(
Figure pat00024
)를 적용한 값과, 현재 시점 바로 이전에 측정된 전해질 중력밀도를 고려한 배터리 내부 예측온도(TGRAVn-1)에 의해 계산한다.
또한 상기 S50 단계에서, 배터리의 충/방전 과정에서 발생하는 전열 및 화학적 발열을 고려한 온도(
Figure pat00025
)는, 배터리 내부 발열량(
Figure pat00026
)에 발열량 반영 팩터(
Figure pat00027
) 및 샘플링 타임 보상 팩터(
Figure pat00028
)를 적용한 값과, 현재 시점 바로 이전에 측정된 전류에 의한 발열량을 고려한 온도(TWATTn - 1)에 의해 계산한다.
또한 배터리 내부 발열량(
Figure pat00029
)은, 현재 전압에 대한 샘플링 데이터값(
Figure pat00030
)과 현재 전류에 대한 샘플링 데이터값(
Figure pat00031
)에 의해 계산한다.
또한 상기 S60 단계에서, 전해질의 중력밀도를 고려한 배터리 내부 전해질의 예측온도(
Figure pat00032
)와, 배터리 폴 온도의 단위시간당 변위량(
Figure pat00033
)과, 전류에 의한 발열량을 고려한 온도(
Figure pat00034
)에 의해, 배터리 내부 전해질의 온도를 추정한다.
배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)에서는, 상기 단계를 거쳐 전해질의 온도를 추정하고, 그 결과를 차량의 전자 제어 장치(ECU: Electronic Control Unit)로 전송한다.
차량의 배터리가 제 기능을 수행하도록 하기 위해서는 배터리의 상태를 항상 모니터링 필요가 있다.
차량 배터리의 상태를 파악하는 방법 중에, 배터리 내부에 수용되어 있는 전해질의 온도를 파악하는 방법이 있다.
그런데 납 배터리의 내부에 수용되어 있는 전해질(20)은 액상으로서 케이스(10)에 의해 완전히 밀폐되어 있으므로, 배터리의 외부에서 케이스 내부 전해질의 온도를 측정할 수가 없다.
이에 따라 배터리 폴(30)에 온도센서를 장착하고 상기 배터리 폴(30)의 온도에 의존하여 배터리 내부 전해질의 온도를 추정하는 방법이 사용되고 있다.
그런데 상기한 종래의 추정방식은, 케이스(10)의 외부에 구비된 금속재질의 배터리 폴(30)의 온도만을 근거로 케이스(10) 내부에 수용된 액상의 전해질(20) 온도를 추정하고 있다.
이로써 전해질(20)의 온도를 정확하게 추정하기가 어렵다는 문제가 있다.
또한 시간이 경과함에 따라 전해질(20)의 중력밀도가 변화하고, 전해질의 전열 및 화학적 발열도 변화하게 되는데, 종래의 방식은 이러한 점을 전혀 고려하고 있지 않고 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배터리 폴(30)의 단위 시간당 온도 변위량을 계산한다.
또한 본 발명은, 배터리 폴(30)의 단위 시간당 온도 변위량 뿐만 아니라, 시간이 경과함에 따라 변화하는 배터리 전해질의 중력밀도, 배터리의 충/방전 과정에서 발생하는 전열(Wattage Factor) 및 화학적 발열을 종합적으로 고려하여 전해질의 온도를 추정한다.
이에 따라 배터리 내부 전해질의 온도를 정확하게 예측할 수가 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이와 같이 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 통상의 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10: 케이스(Case)
20: 전해질
30: 배터리 폴(Battery Pole)
40: 온도센서

Claims (7)

  1. 차량에 장착된 납 배터리의 내부에 수용되어 있는 전해질의 온도를 추정하는 방법에 있어서,
    (a) 일정 시간 간격으로 배터리 폴(30)의 온도를 측정하는 단계(S10);
    (b) 배터리의 전압 및 전류값을 측정하는 단계(S20);
    (c) 배터리 폴(30) 온도의 단위 시간당 변위량을 계산하는 단계(S30);
    (d) 배터리 전해질(20)의 중력밀도를 계산하는 단계(S40);
    (e) 배터리의 충/방전 과정에서 발생하는 전열 및 화학적 발열양을 계산하는 단계(S50);
    (f) 상기 S30 단계, S40 단계 및 S50 단계에서 얻어진 수치에 의해 배터리 내부의 전해질 온도를 추정하는 단계(S60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 납 배터리 내부의 전해질 온도 추정방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 S10 단계에서, 배터리 폴(30)에 장착된 온도 센서를 통해 배터리 폴의 온도 데이터를 제공받는 것을 특징으로 하는 납 배터리 내부의 전해질 온도 추정방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 S30 단계에서, 배터리 폴(30) 온도의 단위 시간당 변위량(
    Figure pat00035
    )은, 시간에 따른 배터리 폴의 온도 변위 측정값(
    Figure pat00036
    )에, 현재 배터리 폴 온도 변화량 반영값 증폭을 위한 팩터(factor)(
    Figure pat00037
    )와 샘플링 타임 보상 팩터(
    Figure pat00038
    )를 적용한 값과, 현재 시점 바로 이전에 측정된 배터리 폴 온도의 단위 시간당 변위량(TDLTAn - 1)에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 납 배터리 내부의 전해질 온도 추정방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 S40 단계에서, 배터리 전해질(20)의 중력밀도를 고려한 배터리 내부 예측 온도(
    Figure pat00039
    )는, 배터리 폴 온도(
    Figure pat00040
    )에 샘플링 타임 보상 팩터(
    Figure pat00041
    )를 적용한 값과, 현재 시점 바로 이전에 측정된 전해질 중력밀도를 고려한 배터리 내부 예측온도(TGRAVn-1)에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 납 배터리 내부의 전해질 온도 추정방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 S50 단계에서, 배터리의 충/방전 과정에서 발생하는 전열 및 화학적 발열을 고려한 온도(
    Figure pat00042
    )는, 배터리 내부 발열량(
    Figure pat00043
    )에 발열량 반영 팩터(
    Figure pat00044
    ) 및 샘플링 타임 보상 팩터(
    Figure pat00045
    )를 적용한 값과, 현재 시점 바로 이전에 측정된 전류에 의한 발열량을 고려한 온도(TWATTn - 1)에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 납 배터리 내부의 전해질 온도 추정방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 배터리 내부 발열량(
    Figure pat00046
    )은, 현재 전압에 대한 샘플링 데이터값(
    Figure pat00047
    )과 현재 전류에 대한 샘플링 데이터값(
    Figure pat00048
    )에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 납 배터리 내부의 전해질 온도 추정방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 S60 단계에서, 전해질의 중력밀도를 고려한 배터리 내부 전해질의 예측온도(
    Figure pat00049
    )와, 배터리 폴 온도의 단위시간당 변위량(
    Figure pat00050
    )과, 전류에 의한 발열량을 고려한 온도(
    Figure pat00051
    )에 의해, 배터리 내부 전해질의 온도를 추정하는 것을 특징으로 하는 납 배터리 내부의 전해질 온도 추정방법.

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KR1020170174209A KR20190072991A (ko) 2017-12-18 2017-12-18 납 배터리 내부의 전해질 온도 추정방법

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CN112881918A (zh) * 2021-03-09 2021-06-01 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） 一种铅酸电池soc估计方法

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KR20100078842A (ko) 2008-12-30 2010-07-08 한국전기연구원 배터리 충전상태를 추정하기 위한 배터리 관리 시스템 및 그 방법
KR20140056693A (ko) 2012-10-31 2014-05-12 한국전기연구원 배터리 관리 시스템, 및 배터리 관리 시스템을 이용하는 배터리 충전상태의 추정방법
KR20170043056A (ko) 2015-10-12 2017-04-20 삼성전자주식회사 배터리의 온도 추정 장치 및 방법, 배터리 관리 장치 및 방법

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