KR100928727B1 - 울트라 커패시터의 잔존용량 산출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 울트라 커패시터와 배터리를 이용한 복합형 에너지 저장장치에서 울트라 커패시터의 잔존용량을 정확히 산출하기 위한 울트라 커패시터의 잔존용량 산출방법에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은, AH 카운팅법으로 AH 잔존용량(

)을 순시적으로 산출하는 제1단계와; 입력 및 출력 전류의 크기(

)가 미리 설정된 설정치 이하일 경우 그 전류의 크기가 설정 시간 동안 지속 되는지를 확인하는 제2단계와; 상기 전류의 크기가 설정 시간 동안 유지될 경우, 울트라 커패시터의 전압에 의한 순시전압 잔존용량(

)을 산출하는 제3단계와; 상기 순시적으로 산출한 AH 잔존용량(

)과 상기 순시전압 잔존용량을 연산하여 잔존용량 오차(

)를 산출하는 제4단계와; 상기 산출한 잔존용량 오차와 미리 설정된 오차범위를 비교하는 제5단계와; 상기 산출한 잔존용량 오차가 상기 오차범위 이상일 경우 상기 순시전압 잔존용량을 이용하여 순시적으로 산출한 잔존용량의 누적 오차를 보정 하여 울트라 커패시터의 잔존용량을 결정하는 제6단계를 수행함으로써, 울트라 커패시터의 잔존용량을 정확하게 산출할 수 있다.

Description

울트라 커패시터의 잔존용량 산출방법{Method for calculating state of charge of ultra capacitor}

본 발명은 울트라 커패시터와 배터리를 이용한 복합형 에너지 저장장치에서 울트라 커패시터의 잔존용량을 정확히 산출하기 위한 기술이다.

일반적으로, 울트라 커패시터는 우수한 출력 특성이 있기 때문에 하이브리드 차량(HEV: Hybrid Electric Vehicle)이나 전기차(EV)등의 복합형 에너지 저장장치에 사용되고 있다. 에너지 저장장치로서 울트라 커패시터를 효율적으로 사용하기 위해서는 에너지 저장장치를 관리하는 에너지 관리 시스템(BMS: Battery Management System 혹은 EMS: Energy Management System) 등에서 울트라 커패시터의 잔존 용량(SOC, State of Charge)을 정확히 산출할 필요가 있다.

종래 울트라 커패시터의 잔존용량을 산출하는 방법은 입/출력 전류를 모니터링하여 사용하는 AH 카운팅(Ampere-Hour Counting)법과 울트라 커패시터 전압을 검출하여 검출전압에 해당하는 잔존용량(SOC) 값을 유추하는 OCV(Open Circuit Voltage) 검출법이 주로 사용된다.

그러나 울트라 커패시터의 경우, 용량이 매우 작기 때문에 AH 카운팅법 적용시 미소한 전류 오차만 발생해도 잔존용량(SOC) 값의 오차는 지속적으로 누적되게 된다.

따라서 AH 카운팅법을 이용해 정확한 잔존용량 산출을 하기 위해서는, 입/출력 전류 검지 오차를 줄이기 위해 고정밀의 CT(Current Transformer)를 사용해야 하며, 고정밀 CT를 사용하더라도 잔존용량 산출 오차가 누적되는 것을 방지하기는 어렵다.

또한, OCV 검출법은 울트라 커패시터가 안정화된 상태에서 측정하는 것을 기본으로 하므로 울트라 커패시터가 안정화되기 위한 시간이 요구되는 단점을 지니고 있다. 따라서 입/출력 전류 흐름이 존재하는 경우, 즉 안정화되지 않는 상황에서 측정된 전압을 이용하여 잔존용량 값을 산출하게 되면, 입/출력 전류가 큰 부분에서는 잔존용량 값에 큰 오차를 지니게 되는 단점이 있다. 따라서 울트라 커패시터의 입/출력 전류의 변동 폭이 큰 상황에서는 울트라 커패시터 전압 검출을 통한 SOC 산출이 불가능하다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 복합형 에너지 저장장치에 적용되는 울트라 커패시터의 잔존용량 측정시 발생하는 제반 문제점을 해소하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 AH 카운팅법으로 울트라 커패시터의 잔존용량을 산출하는 경우, 입/출력 전류 검출시 발생하는 오차로 인한 울트라 커패시터 잔존용량 값의 오차가 지속적으로 누적되는 것을 방지하여 정확하게 울트라 커패시터의 잔존용량을 산출하기 위한 울트라 커패시터의 잔존용량 산출방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 AH 카운팅법으로 울트라 커패시터의 잔존용량 산출시 오차가 예측 가능한 상황에서의 울트라 커패시터 전압을 검출하는 방법을 이용하여 잔존용량 순시 연산이 가능토록 하며, 누적된 잔존용량 오차가 한계 오차 범위 내에 머물러 있게 하여 오차가 지속적으로 누적되는 것을 방지하도록 한 울트라 커패시터의 잔존용량 산출방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 "울트라 커패시터의 잔존용량 산출방법"은,

울트라 커패시터의 입력 및 출력 전류를 검출한 후 AH 카운팅법으로 AH 잔존 용량(

)을 순시적으로 산출하는 제1단계와;

상기 입력 및 출력 전류의 크기(

)가 미리 설정된 설정치 이하인지를 확인하여, 상기 전류의 크기가 상기 설정치 이하일 경우 그 전류의 크기가 설정 시간 동안 지속되는지를 확인하는 제2단계와;

상기 전류의 크기가 설정 시간 동안 유지될 경우, 울트라 커패시터의 전압에 의한 순시전압 잔존용량(

)을 산출하는 제3단계와;

상기 순시적으로 산출한 AH 잔존용량(

)과 상기 순시전압 잔존용량을 연산하여 잔존용량 오차(

)를 산출하는 제4단계와;

상기 산출한 잔존용량 오차가 미리 설정된 오차범위와 비교하는 제5단계와;

상기 산출한 잔존용량 오차가 상기 오차범위 이상일 경우 상기 순시전압 잔존용량을 이용하여 순시적으로 산출한 AH 잔존용량의 누적 오차를 보정하여 울트라 커패시터의 잔존용량을 결정하는 제6단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기에서 설정치는 5A이고, 설정 시간은 5초이며, 오차범위는 ±5%이내인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제4단계는,

순시적으로 산출한 AH 잔존용량(

)에서 상기 순시전압 잔존용 량(

)을 감산하여 그 결과치를 잔존용량 오차(

)로 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제6단계는,

상기 순시적으로 산출한 잔존용량의 누적 오차는 일정 시간(t)에 거쳐 소량씩 지속적으로 보정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 울트라 커패시터의 잔존용량 산출방법은,

잔존용량의 보정을 수행하는 상황에서도 AH 카운팅법에 의한 순시적인 AH 잔존용량(

)의 산출을 진행하고, 잔존용량 보정시에도 입/출력 전류에 따른 잔존용량 연산을 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 AH 카운팅법에 의한 잔존용량(SOC) 연산시, 울트라 커패시터가 별도의 안정화 시간을 갖지 않은 상황에서도 울트라 커패시터 전압을 검출하여 잔존용량의 보정이 가능한 장점을 갖는다.

또한, 상기와 같은 장점에 의해 울트라 커패시터의 잔존용량 연산 오차를 줄일 수 있어, 효율적이며 안정적인 제어를 도모해주는 장점이 있다.

또한, 잔존용량 값의 보정을 미소량씩 지속적으로 보정 함으로써, 보정 동작이 제어기 및 차량 시스템에 미치는 악영향의 가능성을 최소화한 장점이 있다.

또한, 적용하고 하는 에너지 저장장치의 전압 검출을 통한 순시전압 잔존용량 산출시, 실제 잔존용량과의 오차가 전류별, 잔존용량별로 얼마 정도 발생하는지 확인하는 기본 실험만을 수행하게 되면, 울트라 커패시터 이외의 다른 에너지 저장장치에 확대적용이 가능한 장점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 복합형 에너지 저장장치의 일 예를 보인 구성도로서, 에너지를 발생하는 차량 내의 발전기와 같은 에너지 발생원(10)과, 발생한 에너지를 저장하기 위한 울트라 커패시터(20)와, 울트라 커패시터(20)와 함께 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리(30)와, 상기 울트라 커패시터(20)의 입/출력 전류를 검출하여 잔존용량(SOC)을 산출하는 에너지 관리 시스템(40)으로 구성된다.

이와 같이 구성된 복합형 에너지 저장장치는, 차량 시동시 에너지 발생원(10)에 의해 에너지가 발생하면 이를 울트라 커패시터(20)와 배터리(30)에서 충전을 하게 된다.

그리고 에너지 관리 시스템(40)은 울트라 커패시터(20)와 배터리(30)의 잔존용량을 검출하여, 발전기 등의 동작 제어를 수행하게 되는 데, 이때 울트라 커패시 터(20)의 잔존용량을 정확히 산출해야만 정확한 제어가 이루어진다.

도 2는 상기 에너지 관리 시스템(40)에서 울트라 커패시터(20)의 잔존용량을 산출하는 방법을 보인 흐름도로서, S는 단계(Step)를 나타낸다.

이에 도시한 바와 같이, 울트라 커패시터의 입력 및 출력 전류를 검출한 후 AH 카운팅법으로 AH 용량(

)을 순시적으로 산출하는 제1단계(S101 ~ S103)와; 상기 입력 및 출력 전류의 크기(

)가 미리 설정된 설정치 이하인지를 확인하여, 상기 전류의 크기가 상기 설정치 이하일 경우 그 전류의 크기가 설정 시간 동안 지속되는지를 확인하는 제2단계(S105 ~ S107)와; 상기 전류의 크기가 설정 시간 동안 유지될 경우, 울트라 커패시터의 전압에 의한 순시전압 잔존용량(

)을 산출하는 제3단계(S109)와; 상기 순시적으로 산출한 AH 잔존용량(

)과 상기 순시전압 잔존용량을 연산하여 잔존용량 오차(

)를 산출하는 제4단계(S111)와; 상기 산출한 잔존용량 오차가 미리 설정된 오차범위와 비교하는 제5단계(S113)와; 상기 산출한 잔존용량 오차가 상기 오차범위 이상일 경우 상기 순시전압 잔존용량을 이용하여 순시적으로 산출한 AH 잔존용량의 누적 오차를 보정하여 울트라 커패시터의 잔존용량을 결정하는 제6단계(S115)로 이루어진다.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 울트라 커패시터의 잔존용량 산출방법 은, 기존의 잔존용량을 산출하는 방법의 하나인 AH 카운팅법을 이용하는 것을 기본으로 한다.

본 발명은 AH 카운팅법의 단점인 오차의 누적을 방지하기 위하여 울트라 커패시터의 전압 검출을 통해 잔존용량(SOC) 값을 보정 한다. 이와 같이 전압을 이용한 보정에 있어서, 울트라 커패시터가 안정화되지 않으면 큰 오차를 갖는 순시전압 잔존용량 값이 산출되므로 본 발명에서는 순시상황의 울트라 커패시터의 전압이 안정화된 이후의 전압과 차이, 즉 전압 오차가 작은 상황에서만 울트라 커패시터 전압 검출에 의한 잔존용량 보정이 이루어지도록 한다.

전압 오차 = 순시상황에서의 전압 - 안정화가 이루어진 상황에서의 전압

울트라 커패시터에 어느 정도의 전류가 입/출력되는 상황에서 작은 전압 오차와 그 전압 오차에 해당하는 잔존용량 오차를 갖는지를 확인하기 위해서는 전류별, 잔존용량별로 충전 및 방전 실험을 수행하면 된다. 예를 들어, 본 발명의 유용성 검증에 사용된 N사의 울트라 커패시터 모듈의 경우, 5A 이하의 전류가 지속되는 경우 잔존용량 오차범위는 약 ±3% 정도를 갖는다. 특히 5A 이하 전류가 지속되는 시간이 길어질수록 전압 오차는 감소하여, 잔존용량 오차는 약 ±1%까지 감소한다.

따라서 단계 S101에서와 같이 울트라 커패시터(20)의 입력 및 출력 전류를 검출하고, 단계 S103에서와 같이 AH 카운팅법에 의한 잔존용량(SOC) 산출을 순시적으로 진행하면서, 단계 S105에서 입력 및 출력 전류의 크기(

)가 5A 이하인지를 확인한다.

이 확인 결과 입력 및 출력 전류의 크기가 5A이하가 아닐 경우에는 상기 AH 카운팅법에 의한 AH 잔존용량 산출을 순시적으로 진행하고, 이와는 달리 입력 및 출력 전류의 크기가 5A이하가 될 경우에는, 단계 S107로 이동하여 상기 입력 및 출력 전류의 크기가 5A 이하인 상황이 설정 시간(T)(예를 들어, 5초 이상) 이상 유지되는지를 확인한다.

상기 확인 결과 입력 및 출력 전류의 크기가 5A이하인 상황이 5초 이상 유지되지 않으면 전술한 단계 S103으로 이동하여 그 이하의 단계를 수행하고, 이와는 달리 입력 및 출력 전류의 크기가 5A이하인 상황이 5초 이상 유지되는 경우에는 단계 S109로 이동하여 울트라 커패시터(20)의 전압에 의한 순시전압 잔존용량(

)을 산출하고, 단계 S111에서 상기 산출한 잔존용량 전압오차(

)와 상기 AH 카운팅법에 의해 구해진 순시 AH 잔존용량(

)과 비교하여 잔존용량 오차(

)를 산출한다. 여기서 잔존용량 오차를 산출은 아래의 [수학식1]에 따른다.

이후 단계 S113에서 상기 산출한 잔존용량 오차가 미리 정해진 오차 범위(±5%)이상인지를 확인하게 되고, 이 확인 결과 상기 산출한 잔존용량 오차가 상기 미리 정해진 오차 범위 이내일 경우에는 전술한 단계 S103으로 이동하여 그 이하의 동작을 수행하고, 상기 산출한 잔존용량 오차가 상기 오차 범위 이상일 경우에는 단계 S115로 이동하여 상기 순시전압 잔존용량(

)를 잔존용량(SOC) 값으로 설정하고, 순시 AH 잔존용량 산출 값(

)의 누적 오차를 보정 한다.

여기서 순간적인 잔존용량(SOC)의 변동이 발생하는 것은 에너지 저장장치를 관리하는 제어기와 차량의 다른 제어 알고리즘에 영향을 미쳐 불안정성을 야기할 수 있으므로, 일정 시간 t에 거쳐 소량씩 지속적으로 보정 하게 되며, 아래의 [수학식2]는 상기와 같은 누적 오차 보정을 표현한 것이다.

또한, 잔존용량(SOC) 값의 보정이 일어나고 있는 상황에서도 AH 카운팅법에 의한 순시 AH 잔존용량 값(

) 산출은 지속적으로 진행하여, 보정 상황 하에서도 입/출력 전류에 따른 잔존용량 연산이 가능하도록 한다. 잔존용량 오차(

)의 보정이 끝나게 되면, 다시 입/출력 전류가 정해진 전류 이하(예를 들어, 5A 이하)의 값을 갖는지 감시하고, 정해진 전류 이하가 상기 설정 시간(T) 이상 지속 되면 다시 잔존용량 오차를 구하고, 이를 이용하여 잔존용량 누적 오차를 보정 하게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

이상에서 상술한 본 발명은 에너지를 저장하는 울트라 커패시터를 이용하여 에너지를 저장하는 산업 분야에 이용 가능하며, 특히 울트라 커패시터와 배터리를 병행하여 사용하는 복합형 에너지 저장장치에 관련된 산업분야에 최적으로 이용할 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 복합형 에너지 저장장치의 개략 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 울트라 커패시터의 잔존용량 산출방법을 보인 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10… 에너지 발생원

20… 울트라 커패시터

30… 배터리

40… 에너지 관리 시스템

Claims (7)

1. 울트라 커패시터 및 배터리, 상기 울트라 커패시터의 잔존용량을 산출하는 에너지 관리 시스템을 포함하는 복합형 에너지 저장장치에서 상기 울트라 커패시터의 잔존용량을 산출하는 방법에 있어서,

   상기 울트라 커패시터의 입력 및 출력 전류를 검출한 후 AH 카운팅법으로 AH 잔존용량(

   

   )을 순시적으로 산출하는 제1단계와;

   상기 입력 및 출력 전류의 크기(

   

   )가 미리 설정된 설정치 이하인지를 확인하여, 상기 전류의 크기가 상기 설정치 이하일 경우 그 전류의 크기가 설정 시간 동안 지속되는지를 확인하는 제2단계와;

   상기 전류의 크기가 설정 시간 동안 유지될 경우, 울트라 커패시터의 전압에 의한 순시전압 잔존용량(

   

   )을 산출하는 제3단계와;

   상기 순시적으로 산출한 AH 잔존용량(

   

   )과 상기 순시전압 잔존용량을 연산하여 잔존용량 오차(

   

   )를 산출하는 제4단계와;

   상기 산출한 잔존용량 오차와 미리 설정된 오차범위를 비교하는 제5단계와;

   상기 산출한 잔존용량 오차가 상기 오차범위 이상일 경우 상기 순시전압 잔존용량을 잔존용량(SOC)으로 설정하고, 상기 순시적으로 산출한 AH 잔존용량의 오차를 아래의 수학식1과 같이 일정 시간(t)에 걸쳐 보정하여 울트라 커패시터의 잔존용량을 결정하는 제6단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 울트라 커패시터의 잔존용량 산출방법.

   <수학식1>

   
2. 제1항에 있어서, 상기 설정치는 5A인 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터의 잔존용량 산출방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 설정 시간은 5초 이상인 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터의 잔존용량 산출방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 오차범위는 ±5%이내인 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터의 잔존용량 산출방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제4단계는,

   순시적으로 산출한 AH 잔존용량(

   

   )에서 상기 순시전압 잔존용량(

   

   )을 감산하여 그 결과치를 잔존용량 오차(

   

   )로 산출하는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터의 잔존용량 산출방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 제6단계는,

   상기 순시적으로 산출한 잔존용량의 누적 오차는 일정 시간(t)에 거쳐 소량씩 지속적으로 보정 하는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터의 잔존용량 산출방법.
7. 삭제

Images