KR100216808B1 - 내부저항 측정에 의한 배터리의 방전종료시기 판단방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리의 내부저항을 측정하여 배터리의 방전종료시기를 판단하도록 하는 내부저항 측정에 의한 배터리의 방전종료시기 판단방법에 관한 것으로, 배터리를 과방전시키면 배터리의 수명이 단축되는 문제점이 있어 종래에는 DOD 80조건인 9.9[V]에서 방전을 종료시켰으나 이는 부하조건을 고려치 않은 문제점이 있었다.

본 발명은 만충전된 배터리가 80

Description

내부저항 측정에 의한 배터리의 방전종료시기 판단방법

본 발명은 배터리의 내부저항을 측정하여 배터리의 방전종료시기를 판단하도록 하는 내부저항 측정에 의한 배터리의 방전종료시기 판단방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기자동차의 배터리에 있어 내부저항 대비 방전정도(DOD ; Depth of Discharge)의 관계를 미리 계산하여 저장시켜 놓은 다음 주행중 내부저항을 측정하여 DOD 80즉 재충전을 위해 더 이상의 방전을 방지하고자 하는 전압이 되면 방전을 종료하도록 제어하는 내부저항 측정에 의한 배터리의 방전종료시기 판단방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에는 초기 엔진시동시 스타터 모터의 구동이나 기타 전장품에 필요한 전류의 공급을 위해 배터리가 장착되어 있고, 또한 최근의 자동차개발추세로서는 대기오염에 심각한 영향을 주고 있는 현재의 가솔린이나 중유를 주연료로 사용하여 이의 연소에 의한 폭발력으로 주행할 수 있는 동력을 얻도록 된 차량대신에 공해발생이 적은 차량을 개발하기 위하여 많은 연구가 이루어지고 있는 바, 그중 하나로서 전력에 의하여 움직이는 전기자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.

전기자동차는 구동연료로서 대개 2차전지인 납축전지를 사용하고 있으며, 납축전지에서 출력되는 전원으로 동력발생장치를 구동시키고 이를 동력전달장치를 통해 구동휠로 전달하여 구동휠을 회전시키므로써 전기자동차를 구동시키게 된다.

이러한 납축전지는 각각 다른 금속으로 만든 양극과 음극의 전극과 전해액으로 구성되어 있으며, 양극에 부하를 연결하여 각 전극의 작용물질과 전해액이 가지는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 끌어 낼 수 있게 되어 있다. 또한 역으로 전기적 에너지를 주면 다시 화학적 에너지를 가진 본래의 작용 물질로 되돌아가게 된다.

이와 같은 축전지에 있어 방전이 진행됨에 따라 양극과 음극간의 단자전압은 점차로 내려가다가 어느 한도에 이르게 되면 급격히 저하하여 방전종지전압에 이르게 되며 그 이후부터는 방전능력이 없어진다.

방전종지전압 이하에서까지 방전하게 되면 전해액과 화학적 반응을 일으켜 전류를 생성하는 극판이 손상되어 축전지로서의 기능을 상실하게 된다.

따라서 전기자동차는 배터리에 충전되어 있는 용량(Ah)만큼 주행할 수 있고, 주행중 구동휠의 회전력을 역이용하여 발전을 한 후 다시 재충전시키면서 사용할 수 있도록 하고 있으며, 배터리가 완전히 방전될 정도까지 차를 운행하다 주행중 정지하게 되면 재충전에 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지수명이 단축되므로 만충된 용량의 80(DOD 80)까지만 출력할 수 있도록 시스템콘트롤러가 배터리 전압을 측정해 배터리 개당 9.9V 이하로 전압이 떨어질 때까지 주행이 가능하도록 제어해 주고 있다.

그러나 주행중 배터리의 출력전압을 측정하여 배터리 전압이 9.9V 이하로 떨어질 때를 방전종료시기로 판단하는 것은 9.9V 라는 전압이 DOD 80에 해당되는 전압일 조건은 C5/3, 즉 3시간을 전류로 일정하게 뽑아 쓸 때 뿐이므로 실제 전기자동차의 주행 패턴이 부하조건에 맞지 않을 뿐만 아니라 급가속시에는 용량이 충분한데도 9.9V 이하로 내려가게 되므로 이후 주행을 하지 못하게 되는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 사정을 고려하여 발명한 것으로서, 배터리가 방전함에 따라 전지 내부상태(내부전압, 내부저항, 비중 등)가 변하게 됨을 고려하여 배터리 내부저항에 대한 방전정도(DOD)를 사전에 결정하여 시스템콘트롤러에 입력시켜 놓은 다음에, 주행중 배터리의 내부저항을 측정하여 측정된 내부저항이 상기 DOD 80에 해당되는 내부저항보다 큰 값이 되는 시점에서 방전작용을 종료시키도록 하는 내부저항 측정에 의한 배터리의 방전종료시기 판단방법을 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명은 차량에 장착될 비터리의 단품에 대해 모델링하여 DOD 80에 해당되는 내부저항을 구하여 이를 자동차의 시스템콘트롤러에 입력시키고, 주행중 내부저항을 측정하여 측정된 내부저항값과 상기 미리 저장된 내부저항값을 비교하여 측정된 내부저항값이 상기 미리 저장된 내부저항값 보다 큰 값으로 나타나는 경우에 DOD 80를 넘는 것 즉 배터리가 만충전상태에서 80가 방전된 상태로 판단하여 이 시점부터 방전작용을 중지시키도록 이루어진 것이다.

제1도는 본 발명에 따른 배터리 모델링을 나타내는 도면.

제2도는 DOD에 대한 내부저항의 변화를 설명하기 위한 도면.

제3도는 본 발명에 있어 가속페달의 작동으로 배터리로부터 전력이 공급될 때의 전압변화를 설명하기 위한 도면.

제4도는 DOD 80에서의 내부저항을 알기 위하여 DOD별로 실험을 통해 구한 내부 저항값을 그래프화한 도면.

제5도는 주행중 내부저항을 측정하여 방전종료시기를 판단하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

V_ab: 배터리 방전전압 E_p: 내부전압

R_w: 확산과 관계된 저항 R_d: 전하이동과 관계된 저항

R_p: 옴저항 i_p,i_d,i_w: 전류

본 발명은 만충전된 배터리가 80방전되었을 때의 배터리 내부저항값을 시스템콘트롤러에 입력시켜 놓고, 차량 운행중 정지상태에서 출발하는 순간의 배터리 내부저항을 측정하여 이때 측정되는 내부저항값과 상기 미리 저장된 내부저항값을 비교하여, 그 결과 측정된 내부저항값이 상기 미리 저장된 내부저항값 보다 크게 되는 시점에서 배터리의 방전을 종료시키도록 하는 이루어진 것이다.

보통 배터리는 전극내 활물질이 방전중 상이 변하며 전자를 공급하게 된다. 납배터리의 경우 PbO₂(양극), Pb(음극)가 방전중 PbSO₄로 변하는데, 만방전케 되면 (+)PbSO₄↔(-)PbSO₄가 되어 0[V]가 되게 된다.

제1도는 배터리에 대한 모델링을 나타내는 도면으로, 여기서 V_ab는 배터리 방전전압 즉 실제 배터리로부터 측정되는 값, E_p는 내부전압, R_w는 확산과 관계된 저항, R_d는 전하이동과 관계된 저항, R_p는 옴저항을 각각 나타낸다.

방전량, 즉 상변화 결과 내부전압(E_p), 방전전압, 내부저항, (R_d+R_p)가 변하게 되는데, 근본적으로 DOD에 따라 E_p와 내부저항이 바뀌게 된다.

제2도에 도시된 DOD와 내부저항간의 관계에서 알 수 있듯이, 내부저항이 DOD에 따라 증가함을 알 수 있는데, 내부저항값중 옴저항 R_p는 부하가 걸려 있지 않은 상태에서 순간적으로 부하를 걸어주면 즉 방전을 개시시키면 순간적으로 일정 전류 방전시 전압감소로부터 구할 수 있다.

V_ab= R_pi_p+ R_di_d+ R_wi_w+ E_p

V_ab= R_pi_p+ E_p(초기에 전류인가)

R_p= (V_ab- E_p)/i_p

이 수치는 실제로 전기자동차 주행시 가속페달을 밟아 가속할 때 시스템콘트롤러에서 가속페달을 밟은 직후 배터리전압 감소를 측정하여 쉽게 구할 수 있다.

이에 대한 도면이 제3도에 도시되어 있는데, 제3도는 가속페달을 밟음으로써 배터리가 방전되어질 때 출력전압의 변화를 나타내는 도면으로서, 전류 i_p가 흐르는 기간이 가속페달을 밟고 있는 기간 즉 방전시간을 나타내는 것이다.

제3도에 도시된 바와 같이 가속페달에 답력을 가하기 이전에 전압과 가속페달에 답력을 가함으로써 배터리가 방전되기 시작하는 순간의 전압을 측정하여 그 차를 구함으로써 (V_ab- E_p)를 구하고, 또한 가속페달에 답력을 가함으로써 배터리가 방전되기 시작하는 순간의 전류를 측정하여 i_p를 검출한다.

이와 같은 방법으로 옴저항 R_p를 맵핑하게 되는바, 전기자동차에 탑재될 배터리로 단품시험을 하여야 한다.

배터리의 단품시험을 하여 주행시 배터리의 방전을 종료시킬 시기를 판단하기 위한 시기 즉 DOD 80를 결정한 후 그 결과를 전기자동차의 콘트롤러에 입력시켜 놓는다.

옴저항 R_p와 DOD 80는 배터리 단품으로 SAE D-cycle실험(시내 주행 패턴대로 가속과 감속을 되풀이 하는 실험)을하여 쉽게 구할 수 있으며, 그 결과가 제4도에 도시되어 있다.

이는 배터리 충방전기를 이용하여 배터리를 만충전시키고 나서 다시 일정 레벨 단위로 방전시키면서 충방전기에 표시되는 DOD를 읽어 구한 것으로, 이는 배터리의 종류 즉 납배터리인지 또는 니켈메탈하이드라미드 배터리인지 등에 따라 그리고 제조 회사마다 R_p값이 다르므로 배터리별로 단품시험을 거쳐 R_p값에 대응되는 정확한 DOD를 측정하여야 한다.

이와 같이 배터리를 모델링화하여 배터리 단품별로 내부저항에 대한 DOD를 측정하고 그 결과를 시스템콘트롤러에 입력시켜 놓고, 차량의 인스트루먼트패널에는 배터리가 방전되어 DOD 80에 도달하였을 때 점등시키기 위한 경고등을 설치하여 놓으며, 시스템콘트롤러에는 배터리의 출력전압이 DOD 80에 도달하였음을 감지하게 되면 상기 경고등을 점등시키도록 구성하여 놓는다.

한편 상기 시스템콘트롤러에서는 차량이 정차후 가속페달을 밟아 출발하는 순간마다 옴저항 R_p를 측정하고 측정된 R_p값이 DOD 80에 해당되는 R_p값보다 커지게 되면 주행을 종료시키고 상기 경고등을 점등시켜 운전자로 하여금 배터리를 충전시킬 것을 환기시킨다.

이러한 작용에 대해서는 제5도에 도시된 흐름도에 설명되어 있다.

즉, 차량이 정지되어 있는 상태에서 배터리의 전압을 측정하여 일시 기억하고 있다가 정지상태에서 출발되고 있는 것으로 판단되면 출발개시 이후 약 1 msec 정도의 시간이 경과한 시점에서 배터리 전압과 전류를 감지하여 앞서 기억하고 있는 전압과의 차를 구하여 출발 순간의 전압강하(V_ab- R_p)를 구함과 더불어 그때의 전류 i_p를 구한다.

그리하여 앞서 설명된 수식에 의거 내부저항 R_p를 산출한다.

그리고 산출된 저항에 대하여 미리 입력되어 있던 내부저항 대 DOD간의 관계표로부터 DOD 80에 해당되는 내부저항 보다 커지게 되는지 여부를 판단한다.

이와 같은 판단을 정차후 매 출발시마다 실행하여 배터리의 DOD를 판단하다가 측정된 내부저항값이 DOD 80에 해당되는 내부저항 보다 커지게 되면 자동차의 운행을 중지시키고 인스트루먼트패널에 설치되는 경고등을 점등시킨다.

운전자는 인스트루먼트패널에서 점등되는 경고등을 보고 배터리를 재충전하여야 됨을 판단할 수 있게 된다.

앞서 설명된 내용에서는 주행중 측정되는 내부저항값이 DOD 80에 해당되는 내부저항 보다 커지게 되면 자동차의 운행을 중지시키는 것으로 설명되어 있으나, 이는 배터리의 방전종료시기를 설명하기 위한 것이며, 실제로는 측정된 내부저항값이 DOD 80에 해당되는 내부저항값에 도달하기 이전에 배터리충전 경고등을 점등시켜 미리 배터리를 재충전하도록 하는 것이 바람직한 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명은 배터리의 내부저항을 측정하여 그에 대응되는 DOD를 도표화하여 시스템콘트롤러에 입력시켜 놓고, 주행중 배터리의 전압과 전류의 측정을 통해 내부저항을 측정하여 방전종료시기를 예상할 수 있도록 함으로써 C5/3방전 전류시 DOD 80조건인 9.9[V] 종지전압 조건에서 벗어나 실제 부하조건(가속시 방전전류는 저전류에서 100A 이상으로 시간에 따라 증가함)에서도 DOD 80를 정확하게 확인할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 차량 운행 정지상태에서 배터리 전압값을 측정하여 일시적으로 시스템콘트롤러가 저장하였다가 차량이 출발하는 순간에 방전하는 전압과 전류를 내부저항값을 산출하도록 하고, 상기 시스템콘트롤러에 입력된 배터리의 내부저항값과 내부에 설정된 기준 저항값과 비교하여 배터리의 내부저항값이 배터리의 방전정도가 70 80일 경우 재충전될 수 있도록 재충전알림등을 점등 또는 소등되도록 제어하고, 상기 시스템콘트롤러에 입력된 배터리의 내부저항값과 내부에 설정된 기준 저항값과 비교하여 배터리의 내부저항값이 배터리의 방전정도가 80이상일 경우 시스템콘트롤러가 배터리의 방전을 종료시킬 수 있도록 방전종료경고등을 점등 또는 소등시켜 제어하는 것을 특징으로 하는 내부저항 측정에 의한 배터리의 방전종료시기 판단방법.