KR100863888B1 - 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 최대 출력 추정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 최대 출력을 추정하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 상기 자동차가 운행될 수 있는 복수의 배터리 충전 상태(SOC)에 따른 배터리의 최대 충방전 출력을 추출하여 양자의 상관 관계를 산출하는 단계와, 상기 자동차가 운행될 수 있는 복수의 온도(temp)에서의 배터리의 최대 출력을 추출하여 양자의 상관 관계를 산출하는 단계와, 상기 자동차의 주행시 배터리의 용량이 방전됨에 따른 배터리의 출력의 퇴화율을 추출하여 양자의 상관 관계를 산출하는 단계와, 상기 각각의 단계들을 통해 얻어지는 상관 관계에 기초하여, 배터리의 최대 출력(Power_max)을 다음과 같은 함수를 통해 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 최대 출력 추정 방법.

Power_max = F(SOC, temp, accumulated discharge Ah)

= F(SOC, temp) × F(accumulated discharge Ah)

Description

하이브리드 전기 자동차용 배터리의 최대 출력 추정 방법{METHOD OF ESTIMATING AVAILABLE POWER FOR HEV BATTERY PACK}

도 1은 본 발명의 한 가지 실시예에 따라서, 누적 방전 용량에 따른 배터리의 출력의 퇴화율의 관계를 보여주는 도면이다.

도 2는 본 발명의 한 가지 실시예에 따라서, 배터리의 잔존 용량(SOC)에 따른 배터리의 최대 충방전 출력의 관계를 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명의 한 가지 실시예에 따라서, 온도와 배터리의 최대 출력의 관계를 보여주는 도면이다.

도 4는 본 발명의 한 가지 실시예에 따라서, 자동차의 주행시 방전된 배터리의 용량과 출력의 퇴화율의 실험예를 보여주는 그래프이다.

도 5 및 도 6은 25℃에서의 배터리의 실제 최대 충방전 출력과, 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 추정된 배터리의 최대 출력을 비교한 그래프이다.

본 발명은 하이브리드 전기 자동차(HEV)용 배터리의 최대 출력을 추정하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 차량에 장착되는 배터리의 최대출력에 영향을 미치는 여러 가지 환경 변수에 따른 최대 출력을 정확하게 추정하여 배터리의 이용률을 향상시키고 또 배터리의 과충전 및 과방전을 방지할 수 있도록 하는 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 최대 출력 추정 방법에 관한 것이다.

전기 자동차는 구동 연료로서 일반적으로 2차 전지인 리튬-이온 전지를 사용하고 있으며, 상기 전지에서 출력되는 전원으로 동력 발생 장치를 구동시키고, 이를 동력 전달 장치를 통해 구동휠로 전달하여 구동휠을 회전시킴으로써 자동차를 구동시키게 된다.

상기 전지에 있어서, 방전이 진행됨에 따라 양극과 음극 간의 단자 전압은 점차 감소하다가 어느 한도에 이르게 되면, 급격히 저하하여 방전 종지 전압에 이르게 되며, 그 이후부터는 방전 능력이 없어진다. 방전 종지 전압 이하에서까지 방전하게 되면, 전해액과 화학적 반응을 일으켜 전류를 생성하는 극판이 손상되어, 축전지로서의 기능이 상실된다.

따라서, 전기 자동차는 배터리에 충전되어 있는 용량만큼 주행할 수 있고, 주행 중 구동휠의 회전력을 역이용하여 발전을 한 후 다시 재충전시키면서 사용할 수 있도록 하고 있으며, 배터리가 완전히 방전될 정도까지 차를 운행하다 주행 중 정지하게 되면, 재충전에 어려움이 있어 곤란하므로 주행 중 배터리의 잔존 용량(SOC; State of Charge)을 정확하게 파악하는 것이 중요하다. 그러나, 배터리의 불규칙성(온도, 방전 등에 따라 변함) 때문에, 기존 차량의 연료 게이지처럼 충전량을 정확히 측정하는 것은 곤란하다.

배터리의 잔존 용량을 체크하는 방법으로서, 전지 전압으로 잔존 용량을 확 인하는 방법과 방전 용량으로 잔존 용량을 확인하는 방법 등이 상용화되어 있다.

그러나, 첫번째 방법의 경우 방전량에 따라 전압이 감소, 즉 급가속시 잔존 용량에 무관하게 전압이 순간적으로 감소하므로 그 한계가 있고, 두 번째 방법의 경우 몇 Km로 정속 주행했는지 또는 시내 주행을 했는지 등과 같은 부하 조건에 따라 전지가 사용할 수 있는 용량이 다르므로, 잔존 용량을 확인하기 위한 알고리즘이 무척 까다롭게 되는 문제점이 있다.

한편, 배터리의 최대 출력을 결정하는 변수는 배터리의 충전 상태, 온도 환경 및 주행시 방전된 용량에 따른 출력 퇴화율이다. 일반적으로, 하이브리드 차량에 적용된 배터리는 차량의 운행시 빈번히 발생하는 급가속 및 급감속에 의해 급격한 충방적을 겪게 된다. 이와 같은 급격한 충방전에 의해 배터리의 충전 상태와 최대 출력은 변화율이 큰 동적인 거동을 나타낸다. 또한, 배터리의 최대 출력은 온도에 따라 큰 변화를 나타낸다. 이러한 여러 가지 변수로 인해, 차량의 운행 중에 배터리의 최대 출력을 정확히 예측하는 것은 매우 어렵게 된다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 감안하여, 차량에 적용된 배터리의 최대 출력을 정확히 추정하여 이 정보를 차량의 제어기에 실시간으로 전달하여 모터의 출력을 배터리의 상태에 부합되도록 제어함으로써 배터리의 이용율을 향상시키고 배터리의 과충전 및 과방전을 방지하여 배터리의 수명을 극대화하는 것이다.

상기 목적은 동적인 거동을 나타내는 배터리의 최대 출력을 정확하게 추정하 기 위해 배터리를 차량이 운행될 수 있는 각종 환경(배터리의 충전 상태, 온도)에서 최대 출력을 조사한 후 배터리의 충전 상태와 최대 출력 그리고 배터리의 온도와 최대 출력 간의 상관 관계를 나타내는 관계식을 개발하여, 이를 바탕으로 하이브리드 자동차용 배터리의 최대 출력을 추정하는 본 발명에 의해 달성된다.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 최대 출력 추정 방법은 상기 자동차가 운행될 수 있는 복수의 배터리 충전 상태(SOC)에 따른 배터리의 최대 충방전 출력을 추출하여 양자의 상관 관계를 산출하는 단계와, 상기 자동차가 운행될 수 있는 복수의 온도(temp)에서의 배터리의 최대 출력을 추출하여 양자의 상관 관계를 산출하는 단계와, 상기 자동차의 주행시 배터리의 용량이 방전됨에 따른 배터리의 출력의 퇴화율을 추출하여 양자의 상관 관계를 산출하는 단계와, 상기 각각의 단계들을 통해 얻어지는 상관 관계에 기초하여, 배터리의 최대 출력(Power_max)을 다음과 같은 함수를 통해 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Power_max = F(SOC, temp, accumulated discharge Ah)

= F(SOC, temp) × F(accumulated discharge Ah)

본 발명에 따르면, 상기 함수 F(SOC, temp)는 다음과 같은 관계식을 통해 계산된다.

F(SOC, temp) = F(temp)₅×SOC⁵ + F(temp)₄×SOC⁴ + F(temp)₃×SOC³ + F(temp)₂×SOC² + F(temp)₁×SOC + F(temp)₀,

상기 식에서, F(temp) = D₂×temp² + D₁×temp¹ + D₀(D₀~D₂는 상수)

본 발명에 따르면, 상기 배터리의 최대 출력은 자동차의 주행시 방전되는 배터리의 용량을 누적시켜 그에 따른 배터리의 퇴화율을 나타내는 다음과 같은 관계식을 통해 보상될 수 있다.

F(accumulated discharge Ah) = C₅k⁵ + C₄k⁴ + C₃k³ + C₂k² + C₁k + C₀ (C₅~C₀는 상수) (k는 [0,300000]의 범위에 있고, 함수에 입력값으로 입력되는 경우, [-1,1]의 범위의 값으로 바뀌어 입력된다)

따라서, 본 발명에 따르면, 상기 배터리의 최대 출력은 다음과 같은 관계식을 통해 추정된다.

Power_max = {F(temp)₅×SOC⁵ + F(temp)₄×SOC⁴ + F(temp)₃×SOC³ + F(temp)₂×SOC² + F(temp)₁×SOC + F(temp)₀} × ( C₅k⁵ + C₄k⁴ + C₃k³ + C₂k² + C₁k + C₀ )

본 발명의 한 가지 실시예에 따르면, 상기 추정된 최대 출력값을 배터리 관리 시스템(BMS)을 통해 상기 하이브리드 전기 자동차의 차량 제어 장치에 전달하여 배터리의 충방전 출력을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

전술한 본 발명의 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조로 한 이하의 본 발명의 바람직한 실시 형태의 상세한 설명을 통해 보다 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

첨부된 도면을 참조한 이하의 설명에 있어서, 통상적으로 요구되는 공지의 장치 및 그 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

배터리의 최대 출력은 여러 변수, 즉 배터리의 충전 상태(SOC), 온도(temp) 및 자동차의 주행시 방전되는 용량에 따른 출력의 퇴화율에 의해 결정된다. 종래 기술에 따르면, 배터리의 최대 출력을 추정함에 있어서, 이들 변수가 배터리의 출력에 미치는 영향을 고려하지 않고, 어느 한 변수(예컨대, SOC)에 따른 배터리의 출력을 추정하는 방법만이 개발되어 실용화되고 있지만, 그 개발된 방법은 배터리의 출력을 정확히 추정하지 못하고 있는 바, 이는 배터리의 출력에 영향을 미치는 각 변수들을 고려하지 않은 데에서 비롯된 결과라 할 수 있다.

그러나, 본 발명자들은 배터리의 최대 출력을 보다 정확하게 추정하기 위하여, 배터리의 충전 상태, 온도 및 주행시 방전되는 배터리의 용량이 모두 배터리의 출력에 영향을 미친다는 사실을 명확히 인식하고, 이들 변수 모두를 고려한 새로운 배터리 최대 출력 추정 방법을 개발하였다.

먼저, 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따라 배터리의 최대 출력을 추정하기 위하여, 차량이 운행될 수 있는 각종 환경(주행시 방전 용량에 따라 출력퇴화, SOC, 온도)에서 최대 출력을 조사하여, 각 변수와 출력간의 상관 관계를 산출한다. 이와 같이 산출된 상관 관계는 다음과 같은 과정을 통해, 배터리의 최대 출력을 추정하는 데에 이용된다.

즉, 배터리의 최대 충방전 출력(Power_max)은 다음과 같은 함수로 표현할 수 있다.

Power_max = F(SOC, temp, accumulated discharge Ah)

= F(SOC, temp) × F(accumulated discharge Ah)

상기 식 중에서 F(SOC, temp) 함수는 곡선 함수로 만들면 다음과 같이 표현할 수 있다.

F(SOC, temp) = F(temp)₅×SOC⁵ + F(temp)₄×SOC⁴ + F(temp)₃×SOC³ + F(temp)₂×SOC² + F(temp)₁×SOC¹ + F(temp)₀

상기 수학식 2에서, F(temp)_k(0≤k≤5, k는 정수)는 다음과 같은 온도에 대한 함수로 표현할 수 있다.

F(temp)_k = D_2k×temp² + D_1k×temp¹ + D_0k (D_0k ~ D_2k는 상수)

한편, 배터리의 출력은 자동차가 주행시 배터리가 방전됨에 따라 퇴화될 수 있다. 본 발명에 따르면, 이러한 자동차의 주행시 배터리의 방전에 따라 감소하는 배터리 출력의 퇴화율을 보상함으로써, 최대 출력 추정의 정확성을 한층 더 높인 다.

구체적으로, 주행시 방전되는 배터리의 용량을 누적시켜 출력의 퇴화율을 추정하는데, 도 4에 도시한 바와 같이, 누적 방전 용량과 배터리의 출력 퇴화에 대한 실험 데이터를 fitting한다. 상기 데이터를 이용하여, 다음과 같은 수학식 4를 유도할 수 있다. 즉,

F(accumulated discharge Ah) = C₅k⁵ + C₄k⁴ + C₃k³ + C₂k² + C₁k + C₀ (C₅~C₀는 상수)

본 발명의 한 가지 실시예에 따르면, 상기 수학식 4는 다음과 같이 구체화하여 표현된다.

F(accumulated discharge Ah) = -16.3986k⁵ + 15.0026k⁴ + 13.307k³ - 8.38698k² - 7.96289k + 82.3028

상기 식에서 k는 누적 방전 용량으로서, [0,300000]의 범위에 있고, 함수에 입력값으로 입력되는 경우, k' = [-1,1]의 범위의 값으로 바뀌어 입력된다. 예컨대, k가 0이면, k'은 -1이 되고, k가 150,000이면, k'은 0이 되며, k가 300,000이면, k'은 1의 값을 갖는다. 즉, 비례적으로 스케일을 줄여서 입력할 수가 있다.

수학식 2 및 수학식 4를 수학식 1에 삽입하면, 배터리의 최대 충방전 출력을 다음과 같은 식으로 추정할 수 있다.

Power_max = {F(temp)₅×SOC⁵ + F(temp)₄×SOC⁴ + F(temp)₃×SOC³ + F(temp)₂×SOC² + F(temp)₁×SOC + F(temp)₀} × C₅k⁵ + C₄k⁴ + C₃k³ + C₂k² + C₁k + C₀

즉, 배터리의 출력에 영향을 미치는 각 변수 대 배터리의 출력을 미리 추출하여 양자간의 상관 관계를 이용하면, 수학식 5를 통해 배터리의 충방전 출력을 정확하게 추정할 수가 있게 된다.

상기 과정을 통해 추정된 최대 충방전 출력값은 배터리 관리 시스템(BMS)을 통해서 하이브리드 전기 자동차의 차량 제어 장치에 전달되어 배터리의 충방전 출력을 제어하게 된다.

실시예

본 발명자들은 본 발명의 배터리 출력 추정 방법의 정확성을 검증하기 위한 실험을 실시하여, 도 4 및 도 5에 도시한 것과 같은 결과를 얻었다.

즉, 도 4 및 도 5는 25℃에서 실제 최대 충방전 출력과, 전술한 추정식을 통해 추정된 최대 출력을 비교한 그래프로서, 약 2.2%의 오차만이 나타난다는 것을 알 수 있다. 이 정도의 오차는 실제 배터리의 충방전 출력을 제어함에 있어서, 허용 가능한 범위의 오차로서, 거의 실제와 정확하게 배터리의 최대 출력을 추정할 수 있다는 것을 보여준다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 기초로 하여 설명하였으나, 본 발명은 전 술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 방식으로 변경, 수정될 수 있다는 것은 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 후술하는 특허 청구의 범위 및 그 등가물에 의해서만 제한된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 하이브리드 전기 자동창에 장착되는 배터리의 출력에 영향을 미치는 SOC, 온도, 자동차의 주행시 배터리의 용량이 방전됨에 따른 출력의 퇴화율을 모두 고려하여, 배터리의 출력을 미리 정확하게 추정함으로써, 배터리의 이용률을 향상시키고 배터리의 과충전 및 과방전을 방지할 수 있다.

Claims (5)

1. 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 최대 출력 추정 방법으로서,

   상기 자동차가 운행될 수 있는 복수의 배터리 충전 상태(SOC)에 따른 배터리의 최대 충방전 출력을 추출하여 양자의 상관 관계를 산출하는 단계와,

   상기 자동차가 운행될 수 있는 복수의 온도(temp)에서의 배터리의 최대 출력을 추출하여 양자의 상관 관계를 산출하는 단계와,

   상기 자동차의 주행시 배터리의 용량이 방전됨에 따른 배터리의 출력의 퇴화율을 추출하여 양자의 상관 관계를 산출하는 단계와,

   상기 각각의 단계들을 통해 얻어지는 상관 관계에 기초하여, 배터리의 최대 출력(Power_max)을 다음과 같은 함수를 통해 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 최대 출력 추정 방법.

   Power_max(W) = F(SOC, temp, accumulated discharge Ah)

   = F(SOC, temp) × F(accumulated discharge Ah)

   상기 식에서, SOC 단위는 %, temp의 단위는 ℃, Power_max의 단위는 W임
2. 청구항 제1항에 있어서, 상기 함수에서 F(SOC, temp)는 다음과 같은 관계식을 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 최대 출력 추정 방법.

   F(SOC, temp) = F(temp)₅×SOC⁵ + F(temp)₄×SOC⁴ + F(temp)₃×SOC³ + F(temp)₂×SOC² + F(temp)₁×SOC + F(temp)₀,

   상기 식에서, F(temp)_k = D_2k×temp² + D_1k×temp¹ + D_0k(D_0k~D_2k는 상수, 0≤k≤5, k는 정수)

   상기 식에서, SOC 단위는 %, temp의 단위는 ℃임
3. 청구항 제1 또는 제2항에 있어서, 상기 배터리의 최대 출력은 자동차의 주행시 방전되는 배터리의 용량에 따른 배터리의 퇴화율을 나타내는 관계식을 통해 보상되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 최대 출력 추정 방법.

   F(accumulated discharge Ah) = C₅k⁵ + C₄k⁴ + C₃k³ + C₂k² + C₁k + C₀

   상기 식에서, C₅~C₀는 상수이고, k(단위는 Ah임)는 배터리의 방전 용량으로서 [0,300000]의 범위에 있으며, 상기 함수에 입력값으로 입력되는 경우, [-1,1]의 범위의 값으로 바뀌어 입력된다
4. 청구항 3항에 있어서, 상기 배터리의 방전 용량에 따른 출력 퇴화율은 다음과 같은 식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 최대 출력 추정 방법.

   F(accumulated discharge Ah) = -16.3986k⁵ + 15.0026k⁴ + 13.307k³ - 8.38698k² - 7.96289k + 82.3028(k의 단위는 Ah임)
5. 청구항 4항에 있어서, 상기 추정된 최대 출력값을 배터리 관리 시스템(BMS)을 통해 상기 하이브리드 전기 자동차의 차량 제어 장치에 전달하여 배터리의 충방전 출력을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 최대 출력 추정 방법.

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