KR102079038B1

KR102079038B1 - 지능형 배터리 센서 장치 및 그 동작 방법

Info

Publication number: KR102079038B1
Application number: KR1020130116455A
Authority: KR
Inventors: 김승현
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2020-02-19
Also published as: KR20150037144A; CN104518247A; CN104518247B

Abstract

본 발명은 지능형 배터리 센서 장치 및 그 동작 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 지능형 배터리 센서 장치는 차량의 배터리가 정격 용량이 아닌 배터리로 교체되더라도 교체된 배터리의 SOC를 정확하게 산출할 수 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 배터리가 교체되더라도 SOC를 정확하게 산출할 수 있는 효과가 있고, 특히 다른 용량, 다른 제조업체의 배터리로 교체되더라도 SOC를 정확하게 산출할 수 있는 이점이 있다.

Description

지능형 배터리 센서 장치 및 그 동작 방법{Intelligent Battery Sensor Apparatus and Method thereof}

본 발명은 지능형 배터리 센서 장치 및 그 동작 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 교체된 배터리의 SOC를 정확하게 산출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래의 차량용 배터리 용량 측정방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 교체된 배터리의 내부 저항이 아닌 기존 배터리의 용량을 기준으로 교체된 배터리의 충전이 완료된 이후에도 유입되는 전류량을 측정하여 교체된 배터리의 용량을 측정하였다.

이러한 차량용 배터리 용량 측정 방법에 따르면, 차량용 배터리가 교체된 이후, 특히 차량용 배터리가 이전보다 큰 배터리로 교체된 이후에도 교체된 배터리의 용량을 정확하게 측정할 수 있으므로, 교체된 배터리의 SOC 등을 정확하게 산출할 수 있다.

그러나, 종래 기술은 배터리가 기존 배터리보다 큰 용량으로 교체될 경우에만 교체된 배터리의 SOC 등을 정확하게 산출할 수 있다 라는 제약이 있다.

즉, (차량의 배터리가 항상 기존 용량보다 큰 용량의 배터리로만 교체되는 것이 아니기 때문에) 종래 기술은 배터리가 기존 용량보다 작은 용량의 배터리로 교체될 경우 SOC를 정확하게 산출할 수 없고, 기존 용량보다 큰 용량의 배터리로 교체되더라도, 교체된 배터리가 기존 배터리와 사양이 다르기 때문에 기입력된 SOC-OCV 맵을 이용할 수 없으므로, IBS가 Recalibration될 경우 SOC를 정확하게 산출할 수 없다 라는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출한 것으로서, 차량의 배터리가 정격 용량이 아닌 배터리로 교체되더라도 교체된 배터리의 SOC를 정확하게 산출할 수 있는 지능형 배터리 센서 장치 및 그 동작 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면에 따른 지능형 배터리 센서 장치는 차량에 배터리가 장착되면 장착된 상기 배터리로부터 전압, 전류 및 온도 정보를 감지하는 센서부; 및 장착된 상기 배터리의 SOC 및 용량에 특정 오차가 반영된 상기 배터리의 SOC를 예측하고, 상기 배터리의 충전이 완료될 때까지 상기 센서부에 의해 감지된 전류의 적산 값을 산출하며, 예측된 각 SOC와, 상기 배터리의 충전 완료 후 산출된 전류의 적산 값을 토대로 산출된 상기 배터리의 SOC, 상기 용량에 특정 오차를 반영한 상기 배터리의 SOC를 각각 비교하며, 비교결과를 토대로 상기 배터리의 용량을 판단하며, 판단된 상기 배터리의 용량에 따라 상기 배터리의 SOC를 산출하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 다른 면에 따른 지능형 배터리 센서 장치의 동작 방법은 차량에 장착된 배터리의 SOC 및 용량에 특정 오차가 반영된 상기 배터리의 SOC를 예측하는 단계; 상기 배터리의 충전이 완료될 때까지 전류 적산 값을 산출하는 단계; 예측된 각 SOC와, 상기 배터리의 충전 완료 후 산출된 전류 적산 값을 토대로 산출된 상기 배터리의 SOC, 상기 용량에 특정 오차를 반영한 상기 배터리의 SOC를 각각 비교하는 단계; 및 비교결과를 토대로 상기 배터리의 용량을 판단하여 판단된 상기 배터리의 용량에 따라 상기 배터리의 SOC를 산출하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 배터리가 교체되더라도 SOC를 정확하게 산출할 수 있는 효과가 있다.

특히 다른 용량, 다른 제조업체의 배터리로 교체되더라도 SOC를 정확하게 산출할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래의 기술을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 배터리 센서 장치를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 배터리 센서의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

배터리 센서는 배터리 제조사로부터 제공된 SOC-OCV 맵을 이용하여 배터리가 최초 Power On Reset되고, 특정 시간(대략 3-4시간) 경과 후 획득된 OCV(Open Circuit Voltage)를 이용하여 최초 SOC를 획득한다.

즉, 배터리 센서는 차량에 배터리가 최초 장착된 후 일정 암전류 이하에서 특정 시간(대략 3-4시간)이 경과 되어야 최초 장착된 배터리가 안정된 것으로 판단한다.

그러나, 차량 출고시 장착된 배터리가 다른 사양의 배터리로 교체될 경우, 배터리 센서에 기입력된 SOC-OCV 맵과 교체된 배터리의 특성이 다르기 때문에 SOC 산출에 있어서 문제가 발생할 수도 있다.

즉, 배터리 센서가 시판 중인 모든 사양의 배터리 SOC-OCV 맵을 기저장하는 것은 현실적으로 불가능하고, 또한 어떤 사양의 배터리로 교체되었는지 조차 판단할 수 없기 때문에 배터리가 교체될 경우 어떤 배터리로 교체되었는지 배터리 용량 판단 자기학습 알고리즘이 필요하다.

단 배터리 교체시 차량의 배터리 장착 레이아웃에 따른 한계 및 차량의 성능 저하를 막기 위해 배터리의 교체는 최초 장착된 차량의 배터리 대비 ±10Ah 내에서 교체되고, 배터리 타입(Flooded, AGM)은 동일하게 교체되어야 한다.

또한, 배터리의 SOC와 OCV는 선형관계에 있다.

즉, OCV를 slope이 a, offset 값이 b인 a*SOC + b의 일차 함수형태로 나타낼 수 있다.

SOC와 OCV의 선형적 특성은 배터리의 제조사별, 용량별로 편차가 있어서, 배터리의 특성을 판단하는 하나의 대표 값(기준 값)으로 사용될 수 없다.

그러나, SOC-OCV 맵 상에서 Slope는 평균적으로 용량별 비슷한 특성을 나타내기 때문에 제조사별 배터리를 용량별로 나누고, 용량별로 나누어진 배터리들의 SOC와 OCV의 선형적 특성에 따른 Slope에 대해 평균 Slope를 산출하여 계산된 Offset값을 적용할 경우, 교체된 배터리의 SOC-OCV 맵을 결정할 수 있다.

즉, 차량에 최초 장착된 배터리로부터 획득된 OCV값과, 다양한 제조사별 배터리의 SOC-OCV맵에 대한 평균 slope를 토대로 초기 예상 SOC를 산출할 수 있기 때문에, offset값을 계산하여 최종적으로 SOC-OCV맵을 결정할 수 있다.

배터리가 교체 후 교체된 배터리의 전압은 안정화된 전압 즉. OCV(Open Circuit Voltage)라고 볼 수 없기 때문에 배터리가 교체된 후 일정 조건하에 특정 시간(대략 3-4시간) 경과 후 획득된 전압을 OCV라 한다.

이하에서는 배터리가 용량이 60Ah와 68Ah사이인 배터리로 교체된 것을 기준으로 설명한다.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 배터리 센서 장치를 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 배터리 센서 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 지능형 배터리 센서 장치(100)는 제어부(110), 센서부(120) 및 저장부(130)를 포함한다.

제어부(110)는 차량에 최초 장착된 배터리(200)의 OCV(Open Circuit Voltage)를 획득한 후 전류 적산을 시작한다.

예컨대, 차량의 배터리가 교체될 경우, 센서부(120)는 최초 장착된 배터리(200)로부터 전압, 전류, 온도 정보를 감지한다.

제어부(110)는 얼터네이터를 제어하여 배터리(200)의 충전이 완료(배터리가 100% 충전)될 때까지 전류 적산 값을 산출한다.

한편, 차량에 최초 장착된 배터리(200)의 용량이 60Ah일 경우, 시판 중인 배터리의 용량을 기준으로 ±10Ah 사이의 배터리 용량은 68Ah이다.

제어부(110)는 기실험으로 획득된 전압 α, 전류 β값을 토대로 일정시간 동안 감지된 배터리(200)의 전압이 기실험으로 획득된 전압 α이상, 일정시간 동안 감지된 배터리(200)의 전류가 기실험으로 획득된 전류 β이하로 흐르면, 배터리(200)의 충전이 완료된 것으로 판단한다.

제어부(110)는 배터리(200)의 충전이 완료된 것으로 판단되면, 배터리(200)의 SOC를 100%으로 설정하고, 이후 센서부(120)가 Recalibration될 경우 사용할 SOC-OCV맵을 결정한다.

예컨대, 제어부(110)는 차량에 배터리(200)가 장착된 후 일정 암전류 이하에서 특정 시간(3-4시간)이 경과되면, 저장부(130)에 저장된 배터리(200)의 SOC-OCV맵을 이용하여 배터리(200)의 SOC를 초기화하며, 센서부(120)를 Recalibration한다.

여기서 배터리(200)의 용량은 60Ah이고, 배터리(200)의 용량에 오차를 반영하여 오차가 반영된 배터리(200)의 용량은 68Ah이다.

제어부(110)는 획득된 배터리(200)의 OCV를 토대로 용량이 60Ah인 배터리(200) 및 용량이 68Ah인 배터리에 대한 평균 slope 및 평균 offset을 이용하여 배터리(200)와 용량에 오차를 반영한 배터리(200)의 SOC-OCV맵을 획득할 수 있다.

즉, 제어부(110)는 최초 장착된 배터리(200)의 SOC와, 용량에 오차를 반영한 배터리(200)의 SOC를 예측하고, 예측된 각 SOC와, 배터리(200)의 충전 완료 후 산출된 전류 적산 값을 토대로 산출된 최초 장착된 배터리(200)의 SOC, 용량에 오차를 반영한 배터리(200)의 SOC를 각각 비교하며, 비교결과를 토대로 최종 배터리(200)의 용량을 예측할 수 있다.

예컨대, 제어부(110)는 최초 획득된 배터리(200)의 OCV를 토대로 용량이 60Ah인 배터리(200)의 평균 SOC-OCV맵을 이용할 경우 SOC를 60%로 예측할 수 있고, 용량이 68Ah인 배터리의 평균 SOC-OCV맵을 이용할 경우 SOC를 67%로 예측할 수 있다.

또한, 계산된 전류 적산 값이 20Ah일 경우, 용량 대비 SOC를 (적산량/CNOM)*100의 식에 의해 퍼센티지로 환산할 수 있으며, 퍼센티지로 환산할 경우, 최초 장착된 배터리(200)와, 용량에 오차를 반영한 배터리(200)의 용량 대비 SOC 퍼센티지 환산값은 100-(20/60)*100 = 66%, 100-(20/68)*100 = 70% (100%에서 빼는 이유는 배터리의 충전이 완료되었다고 판단되기 때문)이고, 이 결과를 토대로 배터리의 용량을 60Ah로 예상할 경우 오차가 |60-66|=6%, 68Ah로 예상할 경우의 오차가 |67-70|=3%가 되므로, 배터리(200)의 용량을 68Ah라고 판단할 수 있다.

한편, 제어부(110)는 OCV = a*SOC + b에 의하여, 최초 OCV값, 선택된 배터리(200)의 용량에 따른 SOC-OCV맵의 slope값, 전류 적산에 의해 산출된 SOC값을 토대로 새로운 offset값을 산출할 수 있다.

제어부(110)는 산출된 최종 배터리(200)의 용량과 SOC-OCV맵을 저장부(130)에 저장하고, 저장된 정보를 토대로 센서부(120)의 다음 Recalibration시부터 새롭게 교체된 배터리에 대해서 정확한 SOC를 판단할 수 있다.

전술한 바와 같은 방식으로 60Ah와 68Ah 이외에도 다른 용량(ex. 기준용량이 90Ah일 경우 80Ah, 90Ah, 100Ah)도 CNOM값을 판단할 수 있다.

이상, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 배터리 센서 장치를 설명하였고, 이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 배터리 센서의 동작 방법을 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 배터리 센서의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 최초 장착된 배터리(200)의 파워 온 리셋 여부를 확인하고(S300), 판단결과, 배터리(200)가 파워 온 리셋된 경우, 배터리(200)의 안정화 상태에서 센서부(120)의 Recalibration이후 배터리(200)의 OCV를 획득한다(S301).

획득된 OCV를 토대로 Slope을 이용하여 Offest을 결정한다(S302).

예컨대, 획득된 배터리(200)의 OCV를 토대로 배터리(200)의 용량과 배터리(200)의 용량에 오차를 반영한 값을 60Ah, 68Ah라하며, 용량이 60Ah인 배터리(200) 및 용량이 68Ah인 배터리에 대한 평균 slope와, 평균 offset을 산출하고, 배터리(200)의 SOC와 용량에 오차를 반영한 배터리의 SOC를 획득한다.

즉, 용량이 60Ah인 배터리의 예측 SOC(Expected_SOC_60Ah)와, 용량이 68Ah인 배터리의 예측 SOC(Expected_SOC_68Ah)를 산출한다.

산출된 배터리(200)의 전류 적산 량을 토대로 배터리(200)로 인가된 전압 및 전류를 감지하고(S303), 기실험으로 획득된 전압 α, 전류 β값을 토대로 일정시간 동안 감지된 전압이 기실험으로 획득된 전압 α이상, 일정시간 동안 감지된 전류가 기실험으로 획득된 전류 β이하로 흐르는지 여부를 판단한다(S304).

판단결과, 기실험으로 획득된 전압 α, 전류 β값을 토대로 일정시간 동안 감지된 전압이 기실험으로 획득된 전압 α이상, 일정시간 동안 감지된 전류가 기실험으로 획득된 전류 β이하로 흐르면, 배터리(200)의 충전이 완료된 것으로 판단하여 배터리(200)의 충전 완료 판단 플래그를 온으로 설정하고, 배터리(200)의 SOC를 100%로 설정한다(S305).

용량 대비 SOC를 퍼센티지로 환산한다(S306).

예컨대, 계산된 전류 적산 값이 20Ah일 경우 용량 대비 SOC를 (적산량/CNOM)*100의 식에 의해 퍼센티지로 환산할 수 있으며, 환산할 경우 100-(20/60)*100 = 66%, 100-(20/68)*100 = 70% (100%에서 빼는 이유는 배터리의 충전이 완료되었다고 판단되기 때문)이다.

최초 장착된 배터리(200)의 SOC와 용량에 오차를 반영한 배터리의 SOC를 획득하고, 획득된 예측 SOC값과, 배터리(200)의 충전 완료 후 산출된 전류 적산 값을 토대로 산출한 SOC값을 비교한다(S307).

예컨대, |Expected_SOC_60Ah-[100-(적산전류량/60)*100]|이|Expected_SOC_68Ah-[100-(적산전류량/68)*100]|보다 작거나 같은지 여부를 판단한다.

배터리 용량인식 플래그를 온으로 설정하고(S310), 센서부(120)의 Recalibration시 산출된 Slope및 Offset을 이용하여 OCV맵을 적용한다(S311).

이상 바람직한 실시예와 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 관해 구체적으로 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100 : 지능형 배터리 센서 장치 110 : 제어부
120 : 센서부 130 : 저장부
200 : 배터리

Claims

차량에 배터리가 장착되면 장착된 상기 배터리로부터 전압, 전류 및 온도 정보를 감지하는 센서부; 및
상기 배터리의 예측 SOC와 상기 배터리의 충전이 완료될 때까지 상기 센서부에 의해 감지된 전류 적산값을 토대로 상기 배터리의 용량 대비 SOC를 퍼센티지로 환산한 SOC 사이의 차이에 대한 절대값과, 용량에 특정 오차를 반영한 상기 배터리의 예측 SOC와 상기 배터리의 충전이 완료될 때까지 상기 센서부에 의해 감지된 전류 적산값을 토대로 상기 용량에 특정 오차를 반영한 상기 배터리의 용량 대비 SOC를 퍼센티지로 환산한 SOC 사이의 차이에 대한 절대값을 비교하며, 비교결과를 토대로 상기 배터리의 용량을 판단하며, 판단된 상기 배터리의 용량에 따라 상기 배터리의 SOC를 산출하는 제어부
를 포함하는 지능형 배터리 센서 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 배터리가 파워 온 리셋된 경우, 상기 배터리의 안정화 상태에서 상기 센서부의 Recalibration이후 상기 배터리의 OCV를 획득하고, 획득된 상기 배터리의 OCV를 토대로 상기 배터리의 예측 SOC 및 상기 용량에 특정 오차가 반영된 상기 배터리의 예측 SOC를 예측하는 것
인 지능형 배터리 센서 장치.
삭제
차량에 장착된 배터리의 SOC 및 용량에 특정 오차가 반영된 상기 배터리의 SOC를 예측하는 단계;
상기 배터리의 충전이 완료될 때까지 전류 적산 값을 산출하는 단계;
상기 배터리의 예측 SOC와 상기 산출된 전류 적산 값을 토대로 상기 배터리의 용량 대비 SOC를 퍼센티지로 환산한 SOC 사이의 차이에 대한 절대값과, 용량에 특정 오차를 반영한 상기 배터리의 예측 SOC와 상기 산출된 전류 적산 값을 토대로 상기 용량에 특정 오차를 반영한 상기 배터리의 용량 대비 SOC를 퍼센티지로 환산한 SOC 사이의 차이에 대한 절대값을 비교하는 단계; 및
비교결과를 토대로 상기 배터리의 용량을 판단하여 판단된 상기 배터리의 용량에 따라 상기 배터리의 SOC를 산출하는 단계
를 포함하는 지능형 배터리 센서 장치의 동작 방법.
제4항에 있어서, 상기 예측하는 단계는,
상기 배터리가 파워 온 리셋된 경우, 상기 배터리의 안정화 상태에서 센서부의 Recalibration이후 상기 배터리의 OCV를 획득하는 단계; 및
획득된 상기 배터리의 OCV를 토대로 장착된 상기 배터리의 SOC 및 상기 용량에 특정 오차가 반영된 상기 배터리의 SOC를 예측하는 단계를 포함하는 것
인 지능형 배터리 센서 장치의 동작 방법.
삭제