KR101853382B1 - 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시동 시점에 측정된 배터리 시동 저항은 물론, 시동 시점 이후의 차량 운행상태에서 동일한 차량 조건이 되는 상황을 찾아내어, 해당 조건에서 측정된 배터리의 동적 저항을 계산하고 그 변화추이를 지속적으로 확인하며, 이를 기초로 보다 정확한 시동용 배터리의 노화 수준을 산출하고 미래 잔여 수명을 예측하는 데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 시동시점에서 일정한 전압 및 전류값 변화 기울기가 발생하는 시동저항 산출 구간을 분석하여, 해당 구간에서의 시동저항을 산출하는 시동저항 산출부; 시동 시점 이후의 차량 운행상태에서 동일한 차량 조건이 유지되는 구간임을 지속적으로 확인하는 조건 판단부; 해당 차량 조건에서의 배터리 전압과 전류를 측정하여 동적저항을 계산하고 지속적으로 업데이트하는 동적저항 산출부; 산출된 시동저항과 동적저항을 기초로 배터리 노화 수준의 변화추이를 산출하는 변화율 산출부; 및 변화율을 이용하여 배터리 잔여 수명을 추정하는 수명 추정부;를 포함한다.

Description

차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치{CALCULATING APPARATUS OF RESIDUAL LIFE PARAMETER FOR STARTING BATTERY}

본 발명은 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시동용 배터리의 주요 특성 요소가 되는 배터리 시동저항을 일정한 기울기를 갖는 시동저항 산출 구간에서 도출하고, 상시 차량 운용상태에서 동일한 차량 조건인지를 판단하여 산출한 배터리 동적저항을 기반으로, 저항 변화율 및 노화 수준 변화율을 산출함으로써, 최종적으로 차량 시동용 배터리의 잔여수명을 산출하는 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치에 관한 것이다.

14V 전원구성을 지닌 내연기관 자동차에서는 시동 시 요구되는 전력 공급을 위한 시동용 12V 배터리가 매우 중요한 부분을 차지하고 있다. 특히 아이들 스탑 앤 고(ISG, Idle Stop & Go) 혹은 아이들 스탑 앤 스타트(ISS, Idle Stop & Start)와 같은 기능이 탑재된 자동차는 빈번한 시동을 필요로 하기 때문에 시동용 배터리의 상태를 정확히 알고 있어야 한다.

배터리의 상태를 나타내는 변수로는 충전상태(SOC, State of Charge)와 건강상태(SOH, State of Health)가 있으며 이를 이용하여 재시동 가능성(SOF, State of Function)을 판단한다. 이와 같은 변수들을 산출하기 위한 방법으로는 지능형 배터리 센서(IBS, Intelligent Battery Sensor)와 같은 장치를 이용하여 배터리의 충전 상태와 시동 시점의 내부저항(시동저항)을 측정하여 사용하는 방법이 있다. 그러나 이 중, 시동저항과 관련해서는, 차량의 시동 시점에서의 배터리의 온도나 충전상태가 각기 다르기 때문에, 시동 시점에 측정된 배터리 내부 저항에 온도 보정 계수를 적용함으로써, 기준 온도에서의 시동저항을 추정하고, 이를 이용하여 SOH 및 SOF을 산출하는 것이 일반적이다. 따라서 초기 IBS 개발 단계에서부터 온도 보정 계수 산출을 위한 실험이 다수 필요하며, 배터리의 노화에 따라 온도 보정 계수가 변화하는 경우 정확한 내부저항 추정이 어려운 문제를 지니고 있고, 이는 시동저항을 기초로 산출된 노화 수준의 불확실성을 증가시키는 문제가 있다. 게다가 시동저항 산출을 위해 사용되는 전압 변화량과 전류 변화량의 기준 시점에 차이가 있어, 시동 저항 산출 자체의 오차가 크게 발생된다.

또한 배터리의 노화를 발생시키는 충방전 전류나 온도환경 조건 등은 배터리가 장착된 차량의 운행 조건 및 운전자의 사용 행태 등에 따라 각기 다르기 때문에, 실시간으로 측정된 배터리 동적저항이 아닌, 사전 실험이나 통계적으로 산출된 저항 데이터를 기반으로 하는 배터리의 잔여 수명 산출은 큰 오차를 지니고 있는 것이 일반적이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 시동 시점에 측정된 배터리 시동저항은 물론, 시동 시점 이후의 차량 운행 중, 동일한 차량 조건이 되는 상황을 찾아내어, 해당 조건에서 측정된 배터리의 동적 저항을 계산하고 그 변화추이를 지속적으로 확인하며, 이를 기초로 보다 정확한 시동용 배터리의 노화 수준을 산출하고, 최종적으로 차량 시동용 배터리의 잔여 수명을 예측하는 데 그 목적이 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 차량 시동용 배터리의 저항 변화율 및 노화 수준변화율을 이용하여 잔여수명을 산출하는 장치에 관한 것으로서, 시동저항 산출 구간에서의 전압 및 전류 변화율을 측정하여 시동 시의 배터리 내부 등가 저항인 시동저항을 산출하는 시동저항 산출부; 시동 시점 이후의 차량 운행상태에서 동일한 차량 조건이 유지되는 구간임을 지속적으로 확인하는 조건 판단부; 해당 차량 조건에서의 배터리 전압과 전류를 측정하여 동적 저항을 계산하고 업데이트하는 동적저항 산출부; 지속적으로 업데이트 된 시동저항과 동적 저항을 기초로 배터리 노화 수준의 변화추이를 산출하는 변화율 산출부; 및 변화율을 이용하여 배터리 잔여수명을 추정하는 수명 추정부;를 포함한다.

한편, 본 발명은 차량용 배터리의 배터리 시동저항 및 동적 저항의 변화추이를 이용하여 노화 수준과 잔여수명을 산출하는 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치는 (a) 배터리 시동저항을 측정하고, 운행 상태에서의 동적 저항을 측정하는 과정; (b) 측정된 시동저항과 동적 저항의 값을 기준 데이터와 비교하여 현재 배터리 상태수준을 산출하는 과정; (c) 지속적으로 업데이트 되는 배터리 상태수준을 확인하여 배터리 노화 진행에 따른 잔여수명을 예측하는 과정; 을 수행한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 차량의 상태조건이 다른 시동시점에 측정한 시동저항뿐만 아니라, 거의 유사한 차량 조건에서 측정된 동적 저항을 기준으로 현재 배터리의 노화 수준을 산출하기 때문에 보다 정확한 노화 수준 산출이 가능한 효과가 있다.

그리고 본 발명에 따르면, 배터리 노화 추이를 지속적으로 분석하기 때문에 해당 운전자가 유사한 형태로 차량을 운용함에 따라 배터리가 얼마 정도 노화될 것인지에 대한 예측을 할 수 있게 된다. 이는 배터리 고장 이전에 운전자가 배터리의 노화 수준을 인지하여, 해당 배터리에 대한 전문 기술자의 점검 및 교체를 수행할 수 있도록 지원해주는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치를 개념적으로 도시한 전체 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치에서 시동저항 산출부의 동작을 보이기 위한 일예시도.
도 3 은 본 발명에 따른 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치에서 동적저항 산출부의 동작을 보이기 위한 일예시도.
도 4 는 본 발명에 따른 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치에서 변화율 산출부의 저항 변화율 산출 모듈의 동작을 보이기 위한 일예시도.
도 5 는 본 발명에 따른 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치에서 변화율 산출부의 노화 수준 변화율 산출 모듈의 동작을 보이기 위한 일예시도.
도 6 는 본 발명에 따른 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 방법에 관한 전체 흐름도.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치에 관하여 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

배터리 센서(Battery Sensor: BS) 또는 지능형 배터리 센서(Intelligent Battery Sensor: IBS)가 적용된 내연기관 자동차에서는 차량의 시동성능 확보를 위해 배터리 시동 시 최저전압을 실시간으로 산출한다. 이러한 시동 시 최저전압은 배터리 노화에 직접적으로 영향을 받기 때문에, 배터리의 노화 수준을 산출하고 잔여수명을 추정하는 것은, 안정적인 시동 성능 보장에 매우 중요한 요소로 작용한다.

본 발명에 따른 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치는, 빈번한 재시동이 발생하는 차량에서 다음번 시동이 정상적으로 이루어질 것인지를 판단하기 위하여 현재의 배터리 노화 수준을 산출하고, 향후 시동이 정상적으로 가능한 한계 범위가 어느 시점까지일지를 사전에 미리 예측하는 동작을 수행하는 것이라고 이해하는 것이 바람직하다.

도 1 은 본 발명에 따른 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치를 개념적으로 도시한 전체 구성도이다.

본 발명에 따른 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치는, 상기 도 1에 도시된 바와 같이 시동저항 산출부(100), 동적저항 산출부(200), 조건 판단부(300), 변화율 산출부(400) 및 수명 추정부(500)를 포함하여 이루어진다.

시동저항 산출부(100)는 시동시점에서의 배터리 전압 및 전류 변화를 측정하고, 전압 변화량을 전류 변화량으로 나누어 시동저항을 산출할 수 있다. 그러나 기존의 방법에서는 시동 이전 시점에서의 전류값과 시동 구간 중의 최대 시동 전류값의 차이를 전류 변화량으로 정의하고, 전압 변화량도 시동 시점 이전에서의 전압값과 시동 구간중의 배터리 최저 전압값 간의 차이로 정의되는 문제가 있다. 본 발명에서는 전류와 전압의 기울기에 변곡점이 발생하거나, 전압과 전류의 최저값 혹은 최대값이 되는 시점에 차이가 있음을 감안하여, 도 2에서와 같이 안정적이면서 일정한 기울기를 유지하는 구간을 시동저항 산출 구간으로 설정하여 시동저항 값을 산출한다.

동적저항 산출부(200)는 시동이 이루어진 시점 이후의 동적저항을 산출한다. 구체적으로, 시동 시점 이후에도 배터리 전압 및 전류를 지속적으로 측정하여, 각 측정 시점에서의 전류값과 전압값을 각기 X 축과 Y 축값으로 설정한 점을 동작점으로 정의함으로써, 도 3 과 같이 다수 개의 동작점을 나열할 수 있으며, 최종적으로는 나열된 동작점들의 통계적 추세선을 도출하고, 해당 추세선의 기울기를 구함으로써 동적저항 값을 산출한다.

조건 판단부(300)는 시동저항과 동적저항이 산출된 시점에서의 차량 조건이 적절한 상황이었는지를 판단하는 기능을 수행하는 바, 상기 도 1 에 도시된 바와 같이 시동저항 산출조건 확인 모듈(310) 및 동적저항 산출조건 확인 모듈(320)을 포함한다.

구체적으로, 시동저항 산출조건 확인 모듈(310)은 시동 시점 이전의 배터리 개방전압(OCV, Open Circuit Voltage)과 온도를 측정하여 충전상태(SOC, State Of Charge)와 배터리 내부 전해액 온도를 추정하며, 추정된 값이 설정 제한조건 내에 포함되는지 확인한다.

동적저항 산출조건 확인 모듈(320)은 동적저항 산출을 위해 배터리의 전압과 전류를 측정하는 일정 시간동안 차량 엔진의 분당 회전수(RPM), 냉각수 온도, 기어 단 수 및 부하 전류 등이 설정 제한조건 내의 값을 지속적으로 유지한 상태였는지를 확인한다.

상기 시동저항 산출조건 확인 모듈(310)과 동적저항 산출조건 확인 모듈(320)의 결과에 따라 새로 산출된 시동저항과 동적저항 값을 산출결과 값으로 활용할지의 여부를 결정한다.

변화율 산출부(400)는 시동저항과 동적저항의 변화율을 산출하여, 사용 배터리의 노화가 얼마 정도 진행되었는지를 판단하는 기능을 하는 바, 저항 변화율 산출 모듈(410)과 노화 수준 변화율 산출 모듈(420)을 포함한다.

구체적으로 저항 변화율 산출 모듈(410)은 시동저항과 동적저항이 계산되는 시점과 각각의 크기를 이용하여 변화율을 산출한다. 도 4 와 같이 산출 저항의 계산 시점과 저항값이 산출되는 경우, [수식 1] 과 같이 변화율을 산출한다.

[수식 1]

K_R12 = R₁₂ / T = (R₂ - R₁) / (T₂ - T₁)

K_R23 = R₂₃ / T = (R₃ - R₂) / (T_{3 -} T₂)

저항 변화율 산출 모듈(410)은 [수식 1] 과 같은 과정을 통해 반복적으로 계산된 각각의 변화율을 [수식 2] 와 같이 평균함으로써 최종적인 저항 변화율을 구할 수 있다. 평균을 구하기 위한 변화율의 개수는 3개 이상이 바람직하다.

[수식 2]

K_R = K_R(n-1)(n) / n = (K_R12 + K_R23 + K_R34 + ... + K_R(n-1)(n)) / n

노화 수준 변화율 산출 모듈(420)은 도 5 와 같이, 현재 시점의 노화 수준과 과거 시점의 노화 수준들을 적용한 추세선을 산출하고, 추정하고자 하는 추정시점을 산출된 추세선에 적용함으로써 추정 노화 수준을 산출한다. 각 시점에서의 노화 수준은 상기 동적저항 산출부(200)에서 산출된 동적저항을, 신품상태의 배터리 동적저항으로 나누어 산출한다. 신품상태의 배터리 동적 저항은 제조사에서 제공될 수도 있으며, 본 발명에서는 제조사에서 별도로 제공하지 않는 경우, 최초 1회에 한하여 대상 배터리의 동적저항을 측정하는 것을 포함할 수 있다. 그리고, 노화 수준 변화율 산출 모듈(420)은 과거시점에 산출된 노화 수준과 현재 시점에 산출된 노화 수준을 통해 노화 수준 변화율을 산출한다.

수명 추정부(500)는 상기 변화율 산출부(400)를 통해 산출된 저항 변화율(K_R)과, 노화 수준 변화율 산출 모듈(420)을 통해 추정된 추정시점에서의 노화 수준을 반영하여 배터리의 잔여수명을 추정한다. 이때, 수명 추정부(500)는 변화율 산출부(400)를 통해 산출된 저항 변화율과 노화 수준 변화율을 기초로, 배터리 고장에 해당하는 저항값에 동적저항이 도달할 때까지의 시간을 산출하고, 상기 산출된 시간 동안의 노화 수준 변화율을 확인하여 해당 시점에서의 노화 수준이 배터리 고장에 해당하는지를 확인함으로써, 배터리의 잔여수명을 산출한다.

이하에서는, 상술한 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 방법에 관하여 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 6 은 본 발명에 따른 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 방법에 관한 전체 흐름도로서, 도시된 바와 같이 시동저항 산출부(100)의 시동저항 산출 모듈(110)은 차량 시동 시점 이전과 시동 중을 포함한 시동 시점 전압/전류를 측정하며(S10), 제S10 단계에서 측정된 전압과 전류값 중, 도 2 의 시동저항 산출 구간 영역에서의 값들을 활용하여 시동저항을 산출한다.(S20)

이후, 동적저항 산출부(200)는 동적저항 산출 모듈(210)을 통해 시동 시점 이후의 배터리 전압과 전류를 지속적으로 측정하고(S30), 측정된 전압 및 전류 값에 따른 동작점을 도출하여 2차원 X-Y 평면상에 도식화 함으로써 추세선으로부터 동적 저항을 산출한다.(S40)

제S20 단계를 통해 산출된 시동저항 산출 결과와, 제S40 단계를 통해 산출된 동적저항 산출 결과에 대해, 차량 조건이 적절한 상황이었는지를 제S50 단계에서 판단한다. 시동저항 값은 적절한 것으로 판단되면 향후 시동 시 최저 전압(SOF, State Of Function) 산출을 위한 값으로 차량 주 제어기에 제공하며, 차량 조건이 적절한 상황이 아닌 경우 해당 시동저항 값은 반영하지 않는다.

동적저항 값이 산출되는 일정시간 동안 차량 조건이 제한조건 내에서 적절히 유지된 경우, 산출된 동적저항 값은 제S60 단계를 통해 해당 조건에서의 동적저항 증가율을 계산하는데 활용된다. 만약 제S40 단계에서 동적저항을 산출하는 일정시간 동안 설정한 제한조건(엔진 RPM, 냉각수온 등)을 벗어난 상황에서의 전류 혹은 전압 측정값이 포함된 경우, 산출된 동적저항을 삭제하고 제S30 단계 이전으로 복귀하여 동적저항 산출을 위한 제S30 및 제S40 단계를 재수행한다.

제S60 단계를 통해 산출된 동적저항 증가율을 반영하여 현재시점의 노화 수준을 산출하고(S70), 뒤이어 과거시점에 산출된 노화 수준과 현재 시점에 산출된 노화 수준을 적용하여 변화율 산출부(400)의 노화 수준 변화율 산출 모듈(420)부터 시간당 노화 수준 변화율을 계산한다.(S80)

그리고 상기 수명 추정부(500)에서, 노화 수준 변화율을 반영하여 미래의 일정 시점에 대한 노화 수준을 추정함으로써 배터리가 최종 고장 시점까지 얼마 정도의 수명이 남았는지를 추정한다.(S90)

지금까지 상술한 바와 같은, 본 발명에 따른 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치는, 배터리 노화 수준 산출에 있어서 시동저항과 동적저항에 대한 차량의 상태 조건을 반영하여 지속적으로 산출함으로써, 보다 정확한 시동저항과 동적저항 산출이 가능하고, 동일 차량 조건에서의 산출 저항값을 기초로 저항 변화율을 계산하고, 이에 따른 노화수준의 변화율까지 산출 가능함으로써, 최종적으로는 차량 시동용 배터리의 미래 잔여수명을 추정할 수 있는 장점을 가진다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100: 시동저항 산출부 200: 동적저항 산출부
300: 조건 판단부 400: 변화율 산출부
500: 수명 추정부
110: 시동저항 산출 모듈 210: 동적저항 산출 모듈
310: 시동저항 산출조건 확인 모듈 320: 동적저항 산출조건 확인 모듈
410: 저항 변화율 산출 모듈 420: 노화 수준 변화율 산출 모듈

Claims (5)

1. 시동저항과 동적저항을 산출하는 일정시간 동안 차량 조건이 제한조건 내에서 유지되었는지를 판단하는 조건 판단부;
   상기 조건 판단부에 의해 상기 차량 조건이 상기 제한조건 내에서 유지된 것으로 판단된 경우, 상기 산출된 시동저항과 동적저항의 저항 변화율, 및 배터리의 노화 수준 변화율을 산출하는 변화율 산출부; 및
   상기 변화율 산출부에 의해 산출된 상기 저항 변화율 및 상기 노화 수준 변화율을 기초로 상기 배터리의 잔여 수명을 추정하는 수명 추정부;
   를 포함하고,
   상기 조건 판단부는,
   시동 시점 이전의 상기 배터리의 개방전압과 온도를 측정하여 상기 배터리의 상태를 추정하고, 상기 추정된 값이 설정 제한조건 내에 포함되는지 여부를 판단하는 시동저항 산출조건 확인 모듈; 및
   상기 동적저항을 산출하는 일정 시간 동안 차량 상태 조건이 설정 제한조건 내의 값으로 유지되었는지 여부를 판단하는 동적저항 산출조건 확인 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 배터리의 상태는 상기 배터리의 충전상태(SOC: State Of Charge) 및 배터리 내부 전해액 온도를 포함하고,
   상기 차량 상태 조건은 엔진 RPM, 냉각수온 및 배터리 온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 변화율 산출부는,
   상기 시동저항 및 상기 동적저항의 저항 변화율을 계산하는 저항 변화율 산출 모듈; 및
   상기 동적저항으로부터 각 시점에서의 상기 배터리의 노화 수준을 산출하여 상기 노화 수준 변화율을 산출하는 노화 수준 변화율 산출 모듈;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 수명 추정부는,
   상기 변화율 산출부를 통해 산출된 저항 변화율과 노화 수준 변화율을 기초로, 배터리 고장에 해당하는 저항값에 상기 동적저항이 도달할 때까지의 시간을 산출하고, 상기 산출된 시간 동안의 노화 수준 변화율을 확인하여 해당 시점에서의 노화 수준이 배터리 고장에 해당하는지를 확인함으로써, 상기 배터리의 잔여 수명을 산출하는 것을 특징으로 하는 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   차량 시동 시점에서, 시간에 따른 배터리 전압과 전류의 기울기가 일정하게 유지되는 시동저항 산출 구간에서 상기 배터리의 전압 변화값과 전류 변화값을 이용하여 상기 시동저항을 산출하는 시동저항 산출부; 및
   차량 시동이 이루어진 시점 이후 배터리 전압과 전류를 지속적으로 측정하여 각 측정 시점에서의 전류값과 전압값을 각기 X축과 Y축 값으로 설정한 점을 동작점으로 정의함으로써 다수 개의 동작점을 나열한 후, 최종적으로 나열된 동작점들의 통계적 추세선을 도출하고 도출된 추세선의 기울기를 구함으로써 상기 동적저항을 산출하는 동적저항 산출부;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 시동용 배터리의 잔여수명 산출 장치.

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