KR100338502B1 - 전기자동차 배터리의 에이징상태 검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자동차의 배터리에 있어 오랜사용에 따른 방전과 재충전을 반복하는 싸이클에 있어 만충전후의 사용시 초기전압을 감지하여 이 초기전압치의 변화에 따라 에이징상태를 검출할 수 있도록 하는 전기자동차 배터리의 에이징상태 검출방법에 관한 것이다.

종래에 배터리의 잔존용량을 검출하는 방법에서는 배터리의 에이징인지들이 고려되고는 있지만, 전기자동차의 특성상 실 사용자의 주행패턴을 충분히 맞추어줄 수 있는 적합한 에이징요소들이 연구되고 있지 못하는 실정이다.

본 발명은 배터리단품에 대한 방전과 충전을 반복하면서 충전횟수에 대한 만충전전압을 감지하여 만충전전압의 변화에 대한 일련의 에이징레벨을 검출하여 에이징인자로서 저장하는 과정과, 차량 사용시 만충전후 차량 시동과 동시에 배터리의 전압을 감지하는 과정, 상기 과정에서 감지된 배터리의 전압레벨을 상기 에이징인자의 에이징레벨과 비교하여 에이징상태를 검출하도록 이루어진 발명임.

Description

전기자동차 배터리의 에이징상태 검출방법

본 발명은 배터리의 잔존용량을 검출하기 위하여 에이징상태를 검출하는 전기자동차 배터리의 에이징상태 검출방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기자동차의 배터리에 있어 오랜사용에 따른 방전과 재충전을 반복하는 싸이클에 있어 만충전후의 사용시 초기전압을 감지하여 이 초기전압치의 변화에 따라 에이징상태를 검출할 수 있도록 하는 전기자동차 배터리의 에이징상태 검출방법에 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, 양 극에 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 이후 부터는 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 있어 곤란하므로 주행중 배터리의 잔존용량(SOC ; State of Charge)을 정확하게 파악하는 것이 중요하다.

현재 잔존용량을 체크하는 방법으로는 전지 전압으로 잔존용량을 확인하는 방법이 있는데, 이러한 방법은 방전량에 따라 전압이 감소 즉 급가속시 잔존용량에 무관하게 전압이 순간적으로 감소하므로 적용에 문제가 있고, 또다른 방법으로서 방전용량으로 잔존용량을 확인하는 방법 등이 있는데 이러한 방법에 있어서도 방전용량(Ah)으로 잔존용량을 확인하는 법 즉 방전작용에 따라 방전된 Ah의 값을 측정하는 것은 몇 Km로 정속 주행했는지 또는 시내주행을 했는지 등과 같은 부하조건에 따라 전지가 사용할 수 있는 용량(Ah)이 다르므로 잔존용량을 확인하기 위한 알고리즘이 무척 까다롭게 된다.

이와 같이 종래에 배터리의 잔존용량을 검출하는 방법에서는 배터리의 에이징인지들이 고려되고는 있지만, 전기자동차의 특성상 실 사용자의 주행패턴을 충분히 맞추어줄 수 있는 적합한 에이징요소들이 연구되고 있지 못하는 실정이다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명한 것으로, 전기자동차에 있어 차량의 운행에 의한 배터리의 사용에 따라 방전과 충전을 반복하는 일련의 과정에 있어서 만충전후 사용시의 초기전압을 감지함으로써 초기전압치의 변화에 따라 배터리의 에이징상태를 판단할 수 있도록 하는 전기자동차 배터리의 에이징상태 검출방법을 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명은 차량에 장착될 배터리의 단품에 대해 모델링하여 방전과 충전을 반복하면서 충전횟수에 대한 만충전전압을 감지하고, 만충전전압의 변화에 대한 인자를 결정하여 이를 에이징인자로 검출함으로써 배터리의 에이징상태를 검출할 수 있도록 이루어진 것이다.

도 1은 배터리의 모델을 나타내는 도면,

도 2는 충방전횟수(에이징)의 증가에 따라 만충전전압이 점차 감소함을 나타내는 그래프,

도 3은 본 발명을 구현하기 위한 구성도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 - 차량제어기, 12 - 충전기,

14 - 시동감지부, E_p- 배터리모델링의 전압원,

R - 배터리모델링의 저항성분.

본 발명은 배터리단품에 대한 방전과 충전을 반복하면서 충전횟수에 대한 만충전전압을 감지하여 만충전전압의 변화에 대한 일련의 에이징레벨을 검출하여 에이징인자로서 저장하는 과정과, 차량 사용시 만충전후 차량 시동과 동시에 배터리의 전압을 감지하는 과정, 상기 과정에서 감지된 배터리의 전압레벨을 상기 에이징인자의 에이징레벨과 비교하여 에이징상태를 검출하도록 이루어진 것이다.

도 1은 배터리의 모델링을 나타내는 도면이다.

여기서 E_p는 전압원으로써 배터리가 낼 수 있는 총에너지를 나타내고, R은 배터리 내부의 확산(diffusion)이나 옴반응에서 나타나는 저항의 합을 나타낸다.

이러한 배터리의 모델링에 있어 에이징에 따라 만충전이 되더라도 E_p즉 전압원에서 낼 수 있는 전압 즉 에너지는 충방전이 거듭될수록 점차 줄어들게 된다.

이에 대한 예가 도 2에 도시되어 있다.

여기서 가로축은 충방전의 반복에 따른 증가 즉 에이징상태를 나타내고, V_fc를 나타내는 세로축은 만충전시 전압 또는 만충전후 순간부하의 전압을 각각 나타내는 것이다.

첨부된 표 1은 만충전전압의 변화(감소)에 따른 에이징레벨과 에이징인자간의 비례표를 나타내는 것이다.

예컨대 배터리가 신규의 것일 때 검출되는 만충전 전압이 13 V이라 하면 이때의 에이징정도를 0% 그리고 에이징인자를 A₁이라 한다. 이와 마찬가지의 방법으로 방전후 재충전시 만충전되었을때의 전압에 대해 재충전횟수에 대한 에이징정도와 에이징인자를 구하는 과정을 반복하면서 차량에서 배터리를 거의 사용할 수 없을 정도에 이르를때 까지 재충전의 반복에 따른 만충전전압에 대한 에이징정도와 에이징인자를 구하는 과정을 반복한다.

이와 같이 하여 검출된 값을 도표화한 것이 표 1인데, 만충전전압 V_fc는 재충전 횟수가 반복될수록 점차 감소하며, 예컨대 만충전전압이 9 V에 이르게 되면 그 배터리는 수명이 다한것으로 하며 그때의 에이징정도를 100%라 한다.

결국 재충전횟수에 따른 만충전전압의 감소에 따라 에이징상태를 백분율로 나타낼 수 있게 되고, 또한 백분율의 단게적 변화에 대해 에이징인자를 설정할 수 있다. 이때의 에이징인자 A₁… A_n은 100단계의 등급으로 또는 필요에 따라 그 이상이나 이하로 설정할 수 있다.

이와 같이하여 설정된 에이징인자를 도 3에 도시된 바와 같이 전기자동차의 전반적인 제어동작을 수행하는 차량제어기(10)에 저장하여 놓고, 차량의 운행에 따라 방전된 배터리를 재충전할때 충전기(12)에서는 만충전신호를 차량제어기(10)로 송출한다.

차량제어기(10)에서는 충전기(12)로 부터 만충전신호가 입력된이후 시동감지부(14)로 부터 처음 엔진시동이 감지되면 배터리에 걸리는 부하로 인해 전압(초기 만충전전압)을 검출한다.

이순간 차량제어기(10)는 현재 검출된 전압을 사전에 설정해 놓은 에이징비례표와 비교함으로써 에이징인자를 검출할 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명은 위와 같은 방법으로 에이징인자를 검출하여 잔존용량계산에 반영게 되면 현재의 배터리 잔존용량을 비교적 정확하게 산출할 수 있게 되고, 또한 에이징인자에 비례하여 배터리 에이징표시장치를 구동하는데 이용하게 되면 사용자는 배터리의 교체시기를 예상할 수 있게 되어 차량을 효율적으로 관리할수도 있게 된다.

Claims (1)

1. 배터리단품에 대한 방전과 충전을 반복하면서 충전횟수에 대한 만충전전압을 감지하여 만충전전압의 변화에 대한 일련의 에이징레벨을 검출하여 에이징인자로서 저장하는 과정과, 차량 사용시 만충전후 차량 시동과 동시에 배터리의 전압을 감지하는 과정, 상기 과정에서 감지된 배터리의 전압레벨을 상기 에이징인자의 에이징레벨과 비교하여 에이징상태를 검출하도록 이루어진 전기자동차 배터리의 에이징상태 검출방법.

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