KR20210116006A - 상용차의 배터리 열관리 시스템 제어 장치 - Google Patents

상용차의 배터리 열관리 시스템 제어 장치 Download PDF

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전기남
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Abstract

본 발명은 상용차의 배터리 열관리 시스템 제어 장치에 관한 것으로, 차량의 운행 패턴과 환경 조건에 따라 전비 등급을 구별하여 예측하고 상기 예측한 전비 특성에 따라 배터리 열관리 제어를 차별화하여 수행함으로써 배터리 열관리 시스템의 최적 제어를 가능하도록 한 상용차의 배터리 열관리 시스템 제어 장치를 제공하는데 목적이 있다.

Description

상용차의 배터리 열관리 시스템 제어 장치{Device for controlling battery thermal management system of commercial vehicle}
본 발명은 상용차의 배터리 열관리 시스템 제어 장치에 관한 것으로, 상세하게는 배터리 열관리 시스템의 최적 제어를 가능하도록 하기 위한 배터리 열관리 시스템 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전기모터를 구동원으로 사용하는 차량의 경우 동력원으로 충방전이 가능한 배터리를 탑재하고 있으며, 상기 배터리의 효율적인 성능 관리를 위해 배터리 열관리 시스템이 적용되고 있다.
배터리 열관리 시스템은 통상적으로 배터리의 온도 관리를 통해 배터리의 성능 및 효율이 유지될 수 있도록 한다.
한편, 전기버스와 같은 친환경 상용차량의 경우 현재 단일 로직에 의해 제어되도록 구성된 배터리 열관리 시스템이 적용되고 있다.
첨부된 도 4는 종래의 상용차 배터리 열관리 시스템의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 상용차 배터리 열관리 시스템은, 검출된 배터리 셀의 최고온도를 기준으로, 배터리 온도가 높다고 판단되면 배터리 칠러나 라디에이터 팬과 같은 냉각 보기류를 작동시키고, 배터리 온도가 낮다고 판단되면 히터와 같은 승온 보기류를 작동시키고, 또한 배터리 온도가 적절하다고 판단되면 냉각 보기류 및 승온 보기류를 미작동시키는 방식으로 제어되었다.
그러나 상기와 같은 방식으로 배터리 열관리 시스템이 제어되는 경우, 차량의 다양한 운행 패턴 및 환경 조건에 대한 효율적인 배터리 열관리가 이루어지지 않아 그에 따른 전비 손실이 발생하게 되고 또한 전비 개선에 많은 제약이 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 차량의 운행 패턴과 환경 조건에 따라 전비 등급을 구별하여 예측하고 상기 예측한 전비 특성에 따라 배터리 열관리 제어를 차별화하여 수행함으로써 배터리 열관리 시스템의 최적 제어를 가능하도록 한 상용차의 배터리 열관리 시스템 제어 장치를 제공하는데 목적이 있다.
이에 본 발명은: 차량의 시동 온(ON) 이후부터 시동 오프(OFF) 시까지 수집된 차량의 주행조건정보를 기반으로 다음의 시동 온 시에 적용가능한 차량의 전비 등급을 예측하는 전비 등급 판별부; 상기 전비 등급 판별부에서 예측한 전비 등급에 따라 결정되는 제어 모드의 배터리 열관리 제어를 수행하는 배터리 열관리 제어부;를 포함하는 상용차의 배터리 열관리 시스템 제어 장치를 제공한다.
구체적으로 상기 전비 등급 판별부는, 정해진 도로 구간을 반복적으로 주행하는 차량의 주행조건정보를 사전에 빅데이터로 수집하여 분류 및 저장하고, 상기 빅데이터를 기반으로 구축해둔 전비 예측 모델을 통해 운행중인 차량의 다음 시동 온(ON) 시의 전비 등급을 예측하게 된다.
이때 상기 전비 등급 판별부는, 사용자 단말기로부터 요청신호가 수신되면 차량의 주행조건정보에 따른 전비 등급 정보를 배터리 열관리 제어부로 전송하게 된다.
그리고 상기 배터리 열관리 제어부는, 서로 다른 조건으로 수행되는 배터리 열관리 제어가 복수 개의 제어 모드로 서전 구축되어 저장되고, 상기 전비 등급 판별부에서 수신한 전비 등급 정보에 따라 상기 복수 개의 제어 모드 중 결정된 하나의 제어 모드를 기초로 배터리 열관리 제어를 수행하게 된다.
본 발명에 따른 상용차의 배터리 열관리 시스템 제어 장치에 의하면, 차량의 주행조건정보에 따라 예측되는 전비 등급에 따라 배터리 열관리 시스템의 보기류 작동 조건이 다르게 설정될 수 있으며, 그에 따른 배터리 열관리 제어를 수행함으로써 배터리의 성능 및 효율을 최적으로 유지하기 위한 시스템 보기류의 작동이 최적화되고 그에 의해 배터리 열관리에 따른 전력 손실이 최소화되어 결과적으로 전비 개선이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 열관리 시스템 제어 장치의 구성을 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 따른 제어 방법이 적용되는 일반적인 배터리 열관리 시스템을 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 따른 배터리 열관리 시스템 제어 방법을 일례로 나타낸 개략도
도 4는 종래의 상용차 배터리 열관리 방법을 나타낸 순서도
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명은 배터리 전력에 의해 구동되는 전기모터를 구동원으로 사용하는 상용차의 배터리 열관리 시스템 제어에 관한 것으로서, 상기 배터리의 효율적인 성능 관리를 위해 적용되는 배터리 열관리 시스템의 최적화 제어 기술을 개시한다.
특히, 본 발명은 차량의 운행 패턴 및 환경 조건에 따라 전비(전기 소비 효율) 특성이 상이해지는 것을 고려하여 차량의 운행 패턴과 환경 조건에 따라 전비 특성을 구별하여 예측하고 상기 예측한 전비 특성에 따라 배터리 열관리 제어를 차별화하여 수행함으로써 배터리 열관리 시스템의 최적 제어를 가능하도록 한다.
상기 배터리 열관리 시스템을 차량의 운행 패턴 및 환경 조건에 따라 최적화하여 구동함으로써 배터리 냉각성능 등을 최적화할 수 있으며 그에 따라 배터리 열관리에 소모되는 전력 손실을 최소화하여 결과적으로 전비 개선이 가능하게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 배터리 열관리 시스템 제어 장치의 구성에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 열관리 시스템 제어 장치를 나타낸 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 열관리 시스템 제어 장치는, 차량의 전비 등급을 예측하여 판별하기 위한 전비 등급 판별부(10)와 예측된 전비 등급에 따른 배터리 열관리 제어를 수행하기 위한 배터리 열관리 제어부(22)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전비 등급 판별부(10)는, 차량의 운행중 시동 온(ON) 이후부터 시동 오프(OFF) 시까지 수집된 차량의 주행조건정보를 기반으로 다음의 시동 온(ON) 시부터 시동 오프 시까지 적용가능한 차량의 전비 등급을 예측할 수 있도록 구성된다.
여기서, 상기 차량의 주행조건정보는 차량의 운행기록정보와 환경정보일 수 있다. 상기 운행기록정보는 차량의 디지털운행기록계 (DTG, Digital Tacho Graph)(24)로부터 수신될 수 있고, 차량의 환경정보는 공공 데이터로서 오픈 에이피아이(Open API: Open Application Program Interface) 등을 통해 수집될 수 있다.
상기 운행기록정보와 환경정보는 차량의 시동 온 이후부터 시동 오프 시까지(즉, 시동 온-오프 동안)의 정보가 1개의 트립(TRIP) 정보로 구분되어 인식될 수 있다.
상기 디지털운행기록계(24)는 차량의 운행기록정보를 1개의 트립 정보 단위로 구분하여 전비 등급 판별부(10)로 전송할 수 있다.
구체적으로, 상기 운행기록정보는, 전비 특성에 영향을 미치는 정보로서, 차량의 구동전력과 회생전력과 차속과 가감속 비율과 배터리 소모패턴과 차량 하중과 외기 온도와 경사로 구배와 코너 곡률 및 공조기 사용 환경 등이 포함된다.
좀더 설명하면, 상기 배터리 소모패턴은 차량의 운행중 사전 구축된 배터리 방전 전류맵에 의한 배터리 소모 전류량이고, 상기 코너 곡률은 조향각센서의 신호정보에 따른 선회 주행시의 코너 곡선 곡률이고, 상기 공조기 사용 환경은 에어블로워의 작동 단수 및 실내 설정 온도 등이 포함된다.
그리고, 상기 환경정보는 전비 특성에 영향을 미치는 정보로서 버스의 정류소 위치 정보와 승객수 정보 및 교통량 정보 그리고 날씨 정보(눈, 비) 등이 포함된다.
여기서, 상기 전비 등급 판별부(10)는 빅데이터 분석 프로세스가 가능한 텔레매틱스 서버일 수 있다. 상기 텔레매틱스 서버는, 스마트폰 등의 사용자 단말기(30)로부터 배터리 열관리 시스템의 최적 제어를 위한 서비스 요청신호가 수신되면, 전비 등급을 예측하기 위해 상기 요청신호를 수신하기 직전의 시동 온-오프 동안 수집한 차량의 운행기록정보 및 환경정보를 이용한다.
차량의 디지털운행기록계(24)를 통해 취득한 운행기록정보는 상용 웹(WEB)을 통해 텔레매틱스 서버 즉, 상기 전비 등급 판별부(10)에 전송될 수 있다.
상기 전비 등급 판별부(10)는 사용자 단말기(30)로부터 서비스 요청신호가 발생하기 이전에도 차량의 주행조건정보를 수신할 수 있으며, 수집된 주행조건정보를 누적 분석하여 전비 예측 모델을 갱신할 수 있다.
상기 전비 등급 판별부(10)는, 정해진 도로 구간을 반복적으로 주행하는 차량 즉, 버스의 주행조건정보(운행기록정보 및 환경정보)를 빅데이터로 사전에 수집하여 분류 및 저장하고, 상기 빅데이터를 기반으로 차량의 전비 등급을 예측하기 위한 전비 예측 모델을 모델링하여 저장한다. 이때 통상적인 빅데이터 분석 방법이 적용될 수 있다.
상기 전비 등급 판별부(10)는, 사용자 단말기(30)로부터 서비스 요청신호가 수신되면 차량의 운행기록정보 및 환경정보를 기반으로 다음 시동 온 시의 전비 등급을 예측하며, 이때 상기 전비 예측 모델을 통해 운행중인 버스의 다음 시동 온 시의 전비 등급을 결정하게 된다.
상기 전비 예측 모델은 1개의 트립 정보가 발생하는 시동 온-오프 동안 소비되는 전력량을 예측하고 그에 따른 전비 등급을 결정하게 된다.
정해진 도로 구간을 반복적으로 동일하게 주행하는 상용 버스의 경우, 신호등이나 교통 체증 등과 같은 요인 외에도 적어도 정해진 정류소마다 정차를 하기 때문에, 1개의 트립 정보가 발생하는 동안 주행하는 거리가 비교적 짧으며, 따라서 이전 시동 온 시의 트립 정보를 기반으로 다음 시동 온 시의 전비 등급을 예측하여 적용하는 경우 효율적인 배터리 열관리 제어를 통해 결과적으로 전비 개선을 도모하는 것이 가능하다.
한편, 상기와 같이 전비 등급 판별부(10)에서 예측한 전비 등급 정보는 차량의 배터리 열관리 제어부(22)에 전송된다.
상기 배터리 열관리 제어부(22)는 배터리 열관리 시스템의 작동을 제어하는 차량내 제어유닛으로서 상기 전비 등급 판별부(10)에서 예측한 전비 등급에 따라 결정되는 제어 모드로 배터리 열관리 시스템을 제어하게 된다.
즉, 상기 배터리 열관리 제어부(22)는 전비 등급 판별부(10)에서 예측한 전비 등급에 따른 제어 모드로 배터리 열관리 제어를 수행하게 된다.
상기 배터리 열관리 제어부(22)에는, 배터리 열관리 시스템의 작동을 서로 다른 조건으로 제어하는 복수 개의 제어 모드가 사전 구축되어 저장되어 있고, 전비 등급에 따라 상기 복수 개의 제어 모드 중에 하나의 제어 모드가 선택 결정된다.
다시 말해, 상기 배터리 열관리 제어부(22)는, 전비 등급 판별부(10)에서 수신한 전비 등급 정보에 따라 상기 복수 개의 제어 모드 중 결정된 하나의 제어 모드를 기초로 배터리 열관리 제어를 수행하게 된다.
상기 배터리 열관리 제어는 배터리 셀의 최대온도를 기준으로 배터리 열관리 시스템에 구비된 배터리 냉각을 위한 보기류 또는 배터리 승온을 위한 보기류들의 작동을 제어하여 배터리 셀의 최대온도를 정해진 목표온도 범위에 도달시키도록 하는 제어이다.
여기서, 도 2 및 도 3을 참조하여 배터리 열관리 시스템의 제어 방법을 일례로서 설명하기로 한다.
전비 등급 판별부(10)는 사용자 단말기(30)로부터 서비스 요청신호가 수신되면 가장 최근에 수신하여 수집한 차량의 주행조건정보를 기반으로 한 빅데이터 분석 프로세스를 통해 전비 등급을 예측하고 상기 예측한 전비 등급 정보를 배터리 열관리 제어부(22)로 전송한다.
이때 전비 등급 판별부(10)는 차량의 전비 등급을 제1 등급(전비 양호)과 제2 등급(전비 보통) 및 제3 등급(전비 불량) 중에 하나의 등급으로 예측할 수 있다.
상기 전비 등급 판별부(10)로부터 전비 등급 정보를 수신한 배터리 열관리 제어부(22)는, 전비 등급에 따라 서로 다른 조건으로 배터리 열관리 시스템의 보기류 작동을 제어할 수 있다.
도 2를 참조하여 설명하면, 상기 배터리 열관리 시스템은 냉각수를 이용한 배터리 열관리를 수행하도록 구성될 수 있으며, 구체적으로 배터리 냉각수의 냉각을 위한 배터리 칠러(42)와 라디에이터(41) 및 배터리 냉각수의 승온을 위한 수가열식 히터(43) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 먼저 3등급 중 가장 높은/좋은 제1 등급(전비 양호)으로 차량의 전비 등급이 예측되는 경우, 배터리를 구성하는 배터리 셀들 중에 온도가 가장 높은 배터리 셀의 온도 즉, 배터리 셀의 최대온도가 5℃ ~ 30℃ 인 온도구간에서는 배터리 열관리 제어를 미수행하고, 배터리 셀의 최대온도가 30℃ ~ 35℃ 이면 라디에이터 팬(44)과 같은 냉각 보기류를 작동시켜 배터리 냉각이 이루어지도록 하고, 배터리 셀의 최대온도가 35℃ 이상이면 라디에이터 팬(44)과 함께 전동컴프레서(45)도 작동시켜 배터리 냉각이 보다 고속으로 이루어지도록 한다.
상기 라디에이터 팬(44)은 냉각수가 흐르는 라디에이터(41) 주변에 강제로 공기 흐름을 생성하는 공냉식 냉각 보기류이고, 상기 전동컴프레서(45)는 팽창밸브(46)를 통해 배터리 칠러(42)에 유입되는 냉매를 고압으로 압축하는 냉각 보기류이다. 상기 배터리 칠러(42)는 냉매를 이용하여 냉각수로부터 열을 흡수하는 열교환 방식으로 배터리에 공급되는 냉각수를 냉각할 수 있다.
또한 배터리 셀의 최대온도가 -5℃ ~ 5℃ 이면 배터리의 충전상태(SOC)가 70% 이하일 때 수가열식 히터(43)와 같은 승온 보기류를 작동시켜 배터리 승온이 이루어지도록 하고, 배터리 셀의 최대온도가 -5℃ 이하이면 배터리의 충전상태 조건과 상관없이 히터(43)를 작동시켜 배터리 승온이 이루어지도록 한다.
상기 냉각 보기류 및 승온 보기류의 작동시 냉각수의 유량/유속 생성을 위해 전동워터펌프(47)도 함께 작동된다.
다음, 3등급 중 가장 낮은/나쁜 제3 등급(전비 불량)으로 차량의 전비 등급이 예측되는 경우, 배터리 셀의 최대온도가 5℃ ~ 25℃ 인 온도구간에서는 배터리 열관리 제어를 미수행하고, 배터리 셀의 최대온도가 25℃ ~ 30℃ 이면 라디에이터 팬(44)을 작동시켜 배터리 냉각이 이루어지도록 하고, 배터리 셀의 최대온도가 30℃ 이상이면 라디에이터 팬(44)과 함께 전동컴프레서(45)도 작동시켜 배터리 냉각이 보다 고속으로 이루어지도록 한다.
그리고 배터리 셀의 최대온도가 -5℃ ~ 5℃ 이면 배터리의 충전상태(SOC)가 70% 이하일 때 수가열식 히터(43)를 작동시켜 배터리 승온이 이루어지도록 하고, 배터리 셀의 최대온도가 -5℃ 이하이면 배터리의 충전상태 조건과 상관없이 히터(43)를 작동시켜 배터리 승온이 이루어지도록 한다.
마지막으로, 3등급 중 상기 제1 등급과 제3 등급 사이의 수준인 제2 등급으로 차량의 전비 등급이 예측되는 경우, 배터리 셀의 최대온도가 18℃ ~ 25℃ 인 온도구간에서는 배터리 열관리 제어를 미수행하고, 배터리 셀의 최대온도가 25℃ ~ 30℃ 이면 라디에이터 팬(44)을 작동시켜 배터리 냉각이 이루어지도록 하고, 배터리 셀의 최대온도가 30℃ 이상이면 라디에이터 팬(44)과 함께 전동컴프레서(45)도 작동시켜 배터리 냉각이 보다 고속으로 이루어지도록 한다.
그리고 배터리 셀의 최대온도가 -5℃ ~ 18℃ 이면 배터리의 충전상태(SOC)가 70% 이하일 때 수가열식 히터(43)를 작동시켜 배터리 승온이 이루어지도록 하고, 배터리 셀의 최대온도가 -5℃ 이하이면 배터리의 충전상태 조건과 상관없이 히터(43)를 작동시켜 배터리 승온이 이루어지도록 한다.
본 발명에 의하면, 상기와 같이 차량의 주행조건정보에 따라 예측되는 전비 등급에 따라 배터리 열관리 시스템의 보기류 작동 조건(배터리 셀의 최대온도 등)이 다르게 설정될 수 있으며, 그에 따른 배터리 열관리 제어를 수행함으로써 배터리의 성능 및 효율을 최적으로 유지하기 위한 냉각 보기류 및 승온 보기류의 작동이 최적화되고 그에 의해 배터리 열관리에 따른 전력 손실이 최소화되어 결과적으로 전비 개선이 가능하게 된다.
이상으로 본 발명에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 설명에 의해 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 전비 등급 판별부(텔레매틱스 서버)
22 : 배터리 열관리 제어부
24 : 디지털운행기록계
30 : 사용자 단말기
41 : 라디에이터
42 : 배터리 칠러
43 : 히터
44 : 라디에이터 팬
45 : 전동컴프레서
46 : 팽창밸브
47 : 전동워터펌프

Claims (5)

  1. 차량의 시동 온(ON) 이후부터 시동 오프(OFF) 시까지 수집된 차량의 주행조건정보를 기반으로 다음의 시동 온 시에 적용가능한 차량의 전비 등급을 예측하는 전비 등급 판별부;
    상기 전비 등급 판별부에서 예측한 전비 등급에 따라 결정되는 제어 모드의 배터리 열관리 제어를 수행하는 배터리 열관리 제어부;
    를 포함하는 상용차의 배터리 열관리 시스템 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전비 등급 판별부는, 정해진 도로 구간을 반복적으로 주행하는 차량의 주행조건정보를 사전에 빅데이터로 수집하여 분류 및 저장하고, 상기 빅데이터를 기반으로 구축해둔 전비 예측 모델을 통해 운행중인 차량의 다음 시동 온(ON) 시의 전비 등급을 예측하도록 된 것을 특징으로 하는 상용차의 배터리 열관리 시스템 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 열관리 제어부는, 서로 다른 조건으로 수행되는 배터리 열관리 제어가 복수 개의 제어 모드로 서전 구축되어 저장되고, 상기 전비 등급 판별부에서 수신한 전비 등급 정보에 따라 상기 복수 개의 제어 모드 중 결정된 하나의 제어 모드를 기초로 배터리 열관리 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 상용차의 배터리 열관리 시스템 제어 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전비 등급 판별부는, 사용자 단말기로부터 요청신호가 수신되면 차량의 주행조건정보에 따른 전비 등급 정보를 배터리 열관리 제어부로 전송하는 것을 특징으로 하는 상용차의 배터리 열관리 시스템 제어 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 차량은 배터리 전력에 의해 구동되는 전기모터를 구동원으로 사용하는 버스인 것을 특징으로 하는 상용차의 배터리 열관리 시스템 제어 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114312471A (zh) * 2022-01-05 2022-04-12 浙江吉利控股集团有限公司 增程式车辆动力电池热管理方法、***及存储介质

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