KR20090019038A - 온도에 따른 고전압 배터리의 최적화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도에 따른 고전압 배터리의 최적화 방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 고전압 배터리의 내부 온도의 변화에 따라 배터리의 사용가능한 최대파워와 사용 구간이 변화될 수 있는 점을 이용하여 고전압 배터리를 제어함으로써, 배터리의 가용 에너지를 최적화하여 사용할 수 있는 온도에 따른 고전압 배터리의 최적화 방법에 관한 것이다.

이를 위해,

고전압 배터리의 내부 온도를 측정하는 단계;

상기 내부 온도에 따른 고전압 배터리의 최대 충/방전 파워를 계산하는 단계;

상기 최대 충/방전 파워 값과 전기동력부품의 최대사용가능파워를 비교하여 가용 SOC 구간을 재설정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 온도에 따른 고전압 배터리의 최적화 방법을 제공한다.

고전압배터리, 전기자동차, 하이브리드자동차, 연료자동차, 온도, SOC, 최대 파워.

Description

온도에 따른 고전압 배터리의 최적화 방법 {Method For Optimizing High Voltage Battery}

본 발명은 온도에 따른 고전압 배터리의 최적화 방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 고전압 배터리의 내부 온도의 변화에 따라 배터리의 사용가능한 최대파워와 사용 구간이 변화될 수 있는 점을 이용하여 고전압 배터리를 제어함으로써, 배터리의 가용 에너지를 최적화하여 사용할 수 있는 온도에 따른 고전압 배터리의 최적화 방법에 관한 것이다.

일반적인 전기동력차량, 즉 전기자동차(Electric Vehicle), 하이브리드자동차(Hybrid Eletric Vehicle), 플러그인하이브리드자동차(Plug-In Hybrid Electric Vehicle), 연료전지자동차(Fuel Cell Electric Vehicle) 등은 전기동력부품을 구동하기 위하여 고전압 배터리가 장착되고, 차량의 구동/제동 상태에 따라서 방전/충전을 수행하게 되며, BMS(Battery Management System)가 고전압 배터리 내부 온도와 SOC(state of charge) 등을 실시간으로 모니터링하여 제어기를 통해 최적의 사 용영역과 최대의 입출력 파워를 제어한다.

이때, 상기 고전압 배터리의 최대 충/방전 파워는 차량에 장착된 구동계 전기동력부품(모터/인버터)의 최대파워 값에 효율을 고려하여 제한되며, 고전압 배터리의 내부 온도 및 SOC에 따라 고전압 배터리의 충/방전이 제어된다.

먼저 고전압 배터리의 온도에 따라서 살펴보면, 저온에서는 고전압 배터리의 출력이 저하되고 반대로 고온에서는 안전성에 문제가 발생할 수 있으므로, 일반적으로 20~40℃ 범위에서 유지되도록 고전압 배터리 온도를 제어한다.

도 1은 SOC 값이 50%로 일정할때 온도에 따른 고전압 배터리의 최대 충방전 파워를 나타낸 그래프이다. 도 1에 도시된 최대 방전 파워값 및 최대 충전 파워값은 모터/인버터에서 충/방전 할 수 있는 최대 파워값으로 설정된다.

이때 배터리 냉각제어를 통하여 20~40도 범위에서 배터리가 동작할 수 있도록 하며, 이 온도 범위에서 고전압 배터리는 온도에 따른 파워 제한값의 변화없이 항상 최대 방전 또는 충전 파워값을 제한값으로 가지게 됨을 알 수 있다.

다음으로 고전압 배터리의 SOC에 대하여 살펴보면, 과도하게 높거나 낮은 SOC 범위에서는 내부저항의 증가로 배터리 전압이 상하한 제한값을 벗어나게 되므로, 이를 방지하기 위하여 최대 파워 입출력 가능 구간 내로 사용영역을 제한한다.

도 2는 전기동력부품을 사용하는 HEV 차량에 장착되는 고전압 배터리의 25℃의 일정한 온도에서 SOC 값에 따른 최대 충/방전 파워를 나타낸 도면이다. 도면의 우상향선은 10sec 방전파워를, 우하향선은 10sec 충전파워를 각각 나타낸다.

도 2에 도시된 바와 같이 고전압 배터리가 요구 사항에 맞는 최대출력을 낼 수 있는 SOC 구간은 35~80%가 되며, 일반적으로 파워 마진 및 수명에 따른 성능감소를 고려하여 실제 제어기에서는 더 좁은 영역에서 사용하도록 제어한다.

이처럼 좁은 SOC 영역에서 사용가능한 배터리의 SOC 영역을 넓히기 위해서는 낮은 SOC에서는 방전파워를, 높은 SOC에서는 충전파워를 높여야 하나 그럴 경우 고전압 배터리의 주 사용영역인 SOC 50% 근처에서는 전기동력부품의 최대사용가능파워보다 훨씬 큰 파워가 나오도록 배터리가 설계된다는 문제점이 있다.

따라서 일반적으로 고전압 배터리의 사용영역을 줄여서 사용하게 되며, 고전압 배터리의 성능을 최대한 사용하지 못한다는 문제점이 있다.

또한, 고전압 배터리의 온도 변화에 따라 배터리의 사용가능한 최대 파워 및 사용구간이 변화될 수 있다는 점이 무시된다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서,

배터리 내부 온도 및 SOC 변화에 따라 고전압 배터리의 최대 충방전 파워 제한값을 재설정거나 최적화된 SOC 구간에서 전기동력부품을 구동하여 차량의 연비 및 동력성능 향상을 극대화할 수 있는 온도에 따른 고전압 배터리 최적화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명 온도에 따른 고전압 배터리 최적화 방법은,

고전압 배터리의 내부 온도를 측정하는 단계;

상기 내부 온도에 따른 고전압 배터리의 최대 충/방전 파워를 계산하는 단계;

상기 최대 충/방전 파워 값과 전기동력부품의 최대사용가능파워를 비교하여 고전압 배터리의 가용 SOC 구간을 재설정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 또 다른 형태로서,

고전압 배터리의 가용 SOC 구간을 설정하는 단계;

상기 고전압 배터리의 내부 온도 및 SOC를 측정하는 단계;

상기 측정된 내부 온도 및 SOC에 의한 고전압 배터리의 충/방전 파워를 계산 하고, 상기 계산된 값을 고전압 배터리의 최대 충/방전 파워로 설정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 또 다른 형태로서,

고전압 배터리의 내부 온도 및 SOC에 대한 고전압 배터리의 가용 SOC 영역 및 최대 파워를 정의하여 테이블화 하는 단계;

고전압 배터리의 내부 온도 및 SOC를 측정하는 단계;

상기 내부 온도 및 SOC 값을 상기 테이블에 대입하여 고전압 배터리의 가용 SOC 영역 및 최대 파워를 설정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 또 다른 형태로서,

목표 고전압 배터리 내부 온도를 설정하는 단계;

상기 내부 온도에 따른 고전압 배터리의 최대 충/방전 파워를 계산하는 단계;

상기 최대 충/방전 파워 값과 전기동력부품의 최대사용가능파워를 비교하여 고전압 배터리의 가용 SOC 구간을 설정하는 단계;

싱기 목표 고전압 배터리 내부 온도가 유지되도록 고전압 배터리를 제어하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목표 고전압 배터리 내부 온도가 유지되도록 고전압 배터리를 제어하는 단계는,

수냉 제어의 경우 냉각수 온도 조절을 통해 고전압 배터리의 내부 온도를 유지하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목표 고전압 배터리 내부 온도가 유지되도록 고전압 배터리를 제어하는 단계는,

공냉식 제어의 경우 팬 조절을 통해 고전압 배터리의 내부 온도를 유지하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명 온도에 따른 고전압 배터리 최적화 방법에 의하면,

첫째, 본 발명에 따른 고전압 배터리 제어로 인해 동일한 배터리로부터 얻을 수 있는 최대파워와 가용에너지를 늘릴 수 있고,

둘째, 상기와 같은 효과를 통해 전기동력차량의 연비 및 동력성능을 최적화 할 수 있으며,

셋째, 향후 전기동력차량 성능 최적화를 위한 배터리의 용량 및 파워선정에 활용할 경우 최적화된 사양 도출을 통하여 원가절감 효과를 얻을 수 있고,

넷째, 본 발명은 차량구동을 목적으로 하는 고전압 배터리가 장착되는 모든 차량(전기자동차, 하이브리드자동차, 플러그인하이브리드자동차, 연료전지자동차 등)에 적용할 수 있으므로 상당한 상업적·경제적 효과가 기대된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르 게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 고전압 배터리의 온도 변화에 따라 가용 최대파워 및 사용영역을 최적화하는 방법을 제안한다.

즉, 고전압 배터리의 온도는 계절에 따른 배터리 주위온도 및 차량의 주행 패턴에 따라서 25도에서 40도 사이에서 변하게 되는데, 이러한 온도 변화에 따라 고전압 배터리의 내부 저항값이 변화하고 이와 연계되어 최대 가용파워도 변화하게 된다(도 3 참조).

이러한 성질을 이용하여 낮은 SOC 영역이라 하더라도 고전압 배터리의 온도가 높은 경우 최대 가용파워가 전기동력부품의 최대사용가능파워 이상으로 증가함으로써 고전압 배터리의 사용 가능하여 고전압 배터리의 최대 사용영역을 확장시킬 수 있다(도 4 참조).

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 3에서 아래에 위치한 선은 SOC 20% 상태에서 온도에 따른 10sec 방전파워를 나타낸 것이고, 위에 위치한 선은 SOC 30% 상태에서 온도에 따른 10sec 방전파워를 각각 나타낸다.

도 3에 도시된 바와 같이 고전압 배터리의 온도가 증가함에 따라서 고전압 배터리의 방전 파워가 상승함을 알 수 있다.

25℃를 기준으로 보면, SOC 20% 상태와 SOC 30% 상태 모두 최대방전파워를 만족하지 못한다.

30℃를 기준으로 보면, SOC 30% 상태는 최대방전파워를 만족하나, SOC 20% 상태는 최대방전파워를 만족하지 못한다.

40℃를 기준으로 보면, SOC 20% 상태와 SOC 30% 상태 모두 최대방전파워를 만족함을 알 수 있다.

상기와 같은 성질을 이용하면 낮은 SOC 상태에서도 고전압 배터리를 사용할 수 있게 된다. 즉 온도가 높은 경우에는 비록 낮은 SOC(20%)라 하더라도 최대방전파워를 만족시키므로 고전압 배터리를 사용할 수 있는 것이다.

도 4는 상기와 같은 원리에 의하여 고전압 배터리의 최대 사용영역이 확장된 그래프를 나타낸다.

기존의 제어방식을 이용할 경우 제어기는 최대가용파워가 나오는 SOC 35% ~ 80% 까지만 배터리를 사용할 수 없었으나, 고전압 배터리의 온도 변화에 따라 가용할 수 있는 최대파워를 변화시키며 제어할 경우 최대 SOC 20% 영역까지도 사용할 수 있다.

이로 인해 고전압 배터리의 사용영역은 최대로 20% ~ 80% 까지 가능하며 이러한 방법을 이용하여 동일한 배터리를 사용하면서도 배터리의 사용 영역을 증대시킬 수 있다.

즉, 일반적으로 실제 차량 주행시 배터리의 내부온도는 계절적 요인 및 주행패턴에 따라 변화하게 되는데, 이러한 온도 변화에 따라 고전압 배터리의 최대 파워 값이 변하는 성질을 이용하여 제어할 경우 배터리의 가용 에너지를 최적화하여 사용할 수 있다.

상기와 같은 본 발명을 이용하여 고전압 배터리를 제어할 경우, 다음과 같은 제어 방법이 가능하다.

첫째, 상기에서 언급한 바와 같이 내부 온도 변화에 대한 최대파워를 계산한 후 이로 인한 가용 SOC 구간을 제어하는 방법이 있다.

둘째, 반대로 가용 SOC 구간을 설정한 후 내부 온도 변화에 따라 최대 파워를 설정하는 방법이 있다. 이러한 제어 방법은 플러그인하이브리드자동차와 같이 넓은 구간의 SOC를 사용하는 차량 등에서 사용할 수 있다.

기존 제어 방법의 경우 낮은 SOC 영역에서 배터리의 최대 충/방전 파워가 미리 정해진 값이었으나, 본 발명에 의할 경우 배터리의 온도에 따른 파워를 계산하여 배터리의 최대 충/방전 파워를 재설정해 줄 수 있다. 예를 들어, SOC 20% 영역에서 일정값(예를 들어, 20kW)으로 최대 충전 파워가 정해져 있었던 종래 제어 방법과 다르게, 본 발명에서는 SOC 20% 영역에서 배터리의 내부 온도 값에 따른 최대 충전 파워(예를 들어, 25kW)를 계산 또는 선 정의된 맵을 이용하여 이 값을 배터리의 최대 충전 파워값으로 재설정함으로써 배터리의 성능을 향상시킬 수 있다.

셋째, 배터리의 내부 온도와 SOC에 대한 맵 데이타(map data) 구축을 통하여 테이블(table)화 된 데이타로 운행 조건에 맞는 배터리 사용영역과 최대 파워를 설 정하는 방법이 있다.

넷째, 배터리의 내구 수명에 대한 SOH(state of health) 팩터(factor)를 적용하여 주행거리 및 사용된 적산Ah에 따라 배터리의 사용영역과 최대파워를 재설정 하는 방법 등이 있다.

한편, 고전압 배터리의 온도를 능동적으로 제어하여 가용 SOC 구간을 제어하는 방법도 가능하다.

즉, 일반적인 하이브리드자동차(HEV)의 경우 배터리의 온도는 30도~35도 사이가 유지되므로 본 발명을 바로 적용하여 가용 SOC 범위를 증가시킬 수 있으며, 플러그인하이브리드자동차(PHEV)와 전기자동차(EV)의 경우 배터리의 SOC가 낮아지면 냉각 온도를 높게 조절하여 최대 파워 유지 구간을 넓힐 수 있도록 제어하여 주행거리를 증가시킬 수 있다.

이때 상기의 배터리 온도조절은 수냉제어의 경우 냉각수 온도조절을 통해, 공냉식의 경우 팬 컨트롤(fan control)을 통해 가능하다.

이하, 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 제어기에서 출력하는 동력시스템의 최대 가용파워 및 가용 SOC 구간 설정 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 발명을 보다 명확하게 설명하기 위하여 용어를 정의한다.

ⅰ) P_max는 모터/인버터의 최대 가용 파워,

ⅱ) P_batt은 배터리의 최대 가용 파워,

ⅲ) P_limit은 제어기에서 출력하는 동력시스템의 최대 가용 파워,

ⅳ) A는 온도에 따른 파워보정계수로서, 배터리 제조특성을 고려한 온도에 따른 내부저항 변화함수를 의미한다.

먼저, 배터리의 내부온도와 SOC 모니터링을 수행 중에, 저SOC에 의한 파워제한기능의 동작 여부를 판단한다(S52). 만약 파워제한 기능이 동작하지 않는 경우, 제어기의 최대가용파워(P_limit)는 모터/인버터의 최대가용파워(P_max)로 설정한다(s53).

반대로 파워제한 기능이 동작하는 경우, 제어기의 최대가용파워(P_limit)를 배터리의 최대가용파워(P_max)값에 온도에 따른 가용파워 변화 팩터(factor) A를 곱한 값으로 재설정한다(s54).

재설정된 제어기의 최대가용파워(P_limit) 값을 모터/인버터의 최대가용파워(P_max) 값과 비교하여(s55), 만약 제어기의 최대가용파워(P_limit) 값이 모터/인버터의 최대가용파워(P_max) 값 이하인 경우, 현재 SOC를 최대파워 가용 SOC로 설정하고 제어기의 최대가용파워(P_limit)는 배터리의 최대가용파워(P_batt)로 디래이팅(derating)시킨다(s56).

반대로 제어기의 최대가용파워(P_limit) 값이 모터/인버터의 최대가용파워(P_max) 값보다 큰 경우, 제어기의 최대가용파워 값이 모터/인버터의 최대가용파워 보다 큰 (즉, P_limit > P_max) 구간인 제어기의 최대가용파워 가용 SOC 구간을 재설정(s57)한 후 제어기의 최대가용파워(P_limit)는 모터/인버터의 최대가용파워(P_max)로 설정한다(s58).

따라서 상기와 같은 제어를 통해 가용 SOC 구간을 확대하여 고전압 배터리를 사용할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 종래 기술에 따른 온도 값에 의한 최대 충방전 파워를 나타낸 도면,

도 2는 종래 기술에 따른 SOC 값에 의한 배터리 사용영역을 나타낸 도면,

도 3은 일정 SOC 값을 기준으로 온도에 따른 충전 파워의 변화를 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 따른 SOC 값에 의한 배터리 사용영역을 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 따른 고전압 배터리 제어 흐름을 나타낸 순서도이다.

Claims (6)

1. 고전압 배터리의 내부 온도를 측정하는 단계;

   상기 내부 온도에 따른 고전압 배터리의 최대 충/방전 파워를 계산하는 단계;

   상기 최대 충/방전 파워 값과 전기동력부품의 최대사용가능파워를 비교하여 고전압 배터리의 가용 SOC 구간을 재설정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 온도에 따른 고전압 배터리의 최적화 방법.
2. 고전압 배터리의 가용 SOC 구간을 설정하는 단계;

   상기 고전압 배터리의 내부 온도 및 SOC를 측정하는 단계;

   상기 측정된 내부 온도 및 SOC에 의한 고전압 배터리의 충/방전 파워를 계산하고, 상기 계산된 값을 고전압 배터리의 최대 충/방전 파워로 설정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 온도에 따른 고전압 배터리의 최적화 방법.
3. 고전압 배터리의 내부 온도 및 SOC에 대한 고전압 배터리의 가용 SOC 영역 및 최대 파워를 정의하여 테이블화 하는 단계;

   고전압 배터리의 내부 온도 및 SOC를 측정하는 단계;

   상기 내부 온도 및 SOC 값을 상기 테이블에 대입하여 고전압 배터리의 가용 SOC 영역 및 최대 파워를 설정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 온도에 따른 고전압 배터리의 최적화 방법.
4. 목표 고전압 배터리 내부 온도를 설정하는 단계;

   상기 내부 온도에 따른 고전압 배터리의 최대 충/방전 파워를 계산하는 단계;

   상기 최대 충/방전 파워 값과 전기동력부품의 최대사용가능파워를 비교하여 고전압 배터리의 가용 SOC 구간을 설정하는 단계;

   싱기 목표 고전압 배터리 내부 온도가 유지되도록 고전압 배터리를 제어하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 온도에 따른 고전압 배터리의 최적화 방법.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 목표 고전압 배터리 내부 온도가 유지되도록 고전압 배터리를 제어하는 단계는,

   수냉 제어의 경우 냉각수 온도 조절을 통해 고전압 배터리의 내부 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 온도에 따른 고전압 배터리의 최적화 방법.
6. 청구항 4에 있어서,

   상기 목표 고전압 배터리 내부 온도가 유지되도록 고전압 배터리를 제어하는 단계는,

   공냉식 제어의 경우 팬 조절을 통해 고전압 배터리의 내부 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 온도에 따른 고전압 배터리의 최적화 방법.

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