KR100305854B1 - 전기 자동차용 배터리 팩 충전 장치 및 방법 - Google Patents

전기 자동차용 배터리 팩 충전 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

이 발명은 전기 자동차용 배터리 팩 충전 장치 및 방법에 관한 것으로, 이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서, 배터리 팩이 전원을 공급받아 충전을 하고, 방전을 하여 전원을 공급한다. 배터리 충전 제어부는 상기 배터리 팩을 전전력 충전을 하다가 상기 배터리 팩 전압이 제1 전압 이상이면, 정전류 충전을 하고, 이후 상기 배터리 팩의 전압 피크치가 제2 전압 이상이 될때마다, 순차적으로 전류를 작게 하면서 정전류 충전을 하고, 상기 배터리 팩 전압이 제3전압 이상이면, 제4 전압으로 정전압 충전을 하다가 충전전압이 제5전압 이상이면 충전을 종료하도록 제어한다. 배터리 충전부는 상기 배터리 충전 제어부의 제어에 따라 외부 전원을 공급받아 상기 배터리를 충전한다. 이렇게 함으로써, 배터리 팩이 오동작하는 것을 방지하고, 안전성을 높일 수 있다.

Description

전기 자동차용 배터리 팩 충전 장치 및 방법{A BATTERY CHARGING DEVICE AND A METHOD THEREOF FOR ELECTRIC CAR}
본 발명은 전기 자동차에 관한 것으로, 특히, 전기 자동차의 배터리 팩을 충전하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기 자동차는 가솔린 자동차와는 달리 모듈화되어 있는 배터리의 한정된 에너지를 이용하여 주행하는 것으로, 배터리의 한정된 에너지가 소모되면 외부 전원에 의해 배터리를 충전하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 종래의 기술에 관하여 설명하기로 한다.
도1은 종래의 Hawker사의 배터리 충전 방법에 따른 배터리 전압의 파형도이다.
도1에서와 같이, 전전력(CP), 정전압(CV1), 정전압(CV2)의 3단계로 충전을 하였다.
각 충전 단계의 절환은 다음과 같다.
초기에 전전력을 이용하여 충전을 하다가 배터리 팩 전압이 14.7V*모듈 개수에 도달하면, 2단계로 전환된다. 이때, 소용되는 시간은 약 2시간 정도가 된다.
다음, 2단계에서는 14.7의 정전압 충전을 하며, 이때의 소요 시간은 1단계의 2.5배 즉, 5시간 정도가 소용된다.
다음, 약 5시간 정도의 시간이 지나고, 3단계에서도 15.8V의 정전압 충전을 하며, 이때의 시간은 1단계의 반정도 시간 즉, 1시간 정도가 되며, 1시간을 초과할 수는 없도록 되어 있다.
그러나, 도1에서와 같이, 종래에는 2단계와 3단계에서 심한 불균형으로 인한 모듈의 모니터링이 불가능하다. 이는 배터리 모듈들의 서로 다른 개싱(gassing) 특성에 기인한다.
또한, 종래에는 2단계와 3단계에서 시간에 의해 제어를 하기 때문에 충전중 임의의 모듈이 페일(fail)시 확산이 우려된다.
일반적으로 납산 배터리의 충전상태(SOC: state of charge) 80% 이상에서는 서로 다른 개싱 특성으로 인해 입력전류에 따라 충전전압 특성이 서로 상이하다.이런 현상이 배터리 관리 시스템(BMS: battery management system)에서는 배터리 불균형 및 페일 현상과 동일하게 감지되므로 배터리 팩의 충전제어 및 잔존용량 계산시 문제가 된다.
본 발명의 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 충전전류 대 충전전압과의 관계를 이용한 각 충전단계의 전환으로 각 모듈상태를 실시간으로 모니터링하여 안전성을 높이는, 전기 자동차용 배터리 팩 충전 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
도1은 종래의 배터리 팩의 충전시 시간에 따른 전압 파형도
도2는 이 발명의 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리 팩 충전 장치의 구성도.
도3은 이 발명의 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리 팩 충전방법의 흐름도.
도4는 이 발명의 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리 팩의 충전시험 결과를 나타낸 파형도.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서, 배터리 팩이 전원을 공급받아 충전을 하고, 방전을 하여 전원을 공급한다. 배터리 충전 제어부는 상기 배터리 팩을 전전력 충전을 하다가 상기 배터리 팩 전압이 제1 전압 이상이면, 정전류 충전을 하고, 이후 상기 배터리 팩의 전압 피크치가 제2 전압 이상이 될때마다, 순차적으로 전류를 작게 하면서 정전류 충전을 하고, 상기 배터리 팩 전압이 제3전압 이상이면, 제4 전압으로 정전압 충전을 하다가 충전전압이 제5전압 이상이면 충전을 종료하도록 제어한다. 배터리 충전부는 상기 배터리 충전 제어부의 제어에 따라 외부 전원을 공급받아 상기 배터리를 충전한다. 이렇게 함으로써, 배터리 팩이 오동작하는 것을 방지하고, 안전성을 높일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도2는 이 발명의 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리 팩 충전 장치의 구성도이다.
도2에 도시되어 있듯이, 전기 자동차용 배터리 팩 충전 장치는 배터리 충전 제어부(10)와 충전부(20), 배터리 팩(30)으로 이루어진다.
배터리 충전 제어부(10)는 배터리 팩(30)의 상태를 파악하며, 그에 따라 배터리(30) 충전을 위한 제어신호를 출력한다. 배터리 충전부(20)는 외부에서 인가되는 전원을 직류 전원으로 변환하여 스위치(S)가 온 되었을 때 배터리(30) 충전을 위한 전기적인 신호를 출력한다.
이와 같이 구성된 이 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 배터리 충전장치의 동작을 도2 내지 도4를 참조하여 상세히 설명한다.
도3은 이 발명의 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리 팩 충전방법의 흐름도이고,
도4는 이 발명의 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리 팩의 충전시험 결과를 나타낸 파형도이다.
먼저, 사용자가 전기 자동차를 운행하여 배터리 방전 모드가 되면, 사용자는 배터리 팩(30)을 충전하기 위해 플러그를 교류전원에 꼽고 스위치(S)를 온 시킨다.
그러면, 배터리 충전 제어부(10)는 배터리 팩(30)의 초기 충전 상태(SOCinitial)를 감지하고(S20), 배터리 팩(30)을 충전하도록 배터리 충전부(20)를 제어한다.
그러면, 외부의 3상 교류 전원은 배터리 충전부(20) 내의 정류기(21)를 통해 직류로 변환되고, 직류로 변환된 5.4kw의 전력을 이용하여 배터리 팩(30)을 충전한다(S10). 이와 동시에, 배터리 충전 제어부(10)는 배터리 팩(30)의 충전전압을 감지하게 된다(S20).
다음, 배터리 팩(30)의 충전 전압이 14.7V*모듈개수이거나 배터리 팩(30) 내의 모듈중 임의의 모듈의 최대 전압이 15.0V이상이면, 배터리 충전 제어부(10)는 배터리 충전부(20)를 제어하여 11A로 정전류 충전을 한다(S30). 이때의 충전 파형은 도4에 나타낸 바와 같이 된다.
이와 같은 충전 상태에서, 도4와 같이, 다시 배터리 팩(30)의 충전 전압이 14.7V*모듈개수이거나 배터리 팩(30) 내의 모듈중 임의의 모듈의 최대 전압이 15.0V이상이면(S40), 배터리 충전 제어부(10)는 배터리 충전부(20)를 제어하여 7.6A로 배터리 팩(30)을 정전류 충전한다(S50).
이후, 도4와 같이, 다시 배터리 팩(30)의 충전 전압이 14.7V*모듈개수이거나 배터리 팩(30) 내의 모듈중 임의의 모듈의 최대 전압이 15.1V이상이면(S60), 배터리 충전 제어부(10)는 배터리 충전부(20)를 제어하여 3.8A로 배터리 팩(30)을 정전류 충전한다(S70).
이와 같은 충전상태에서, 도4와 같이, 다시 배터리 팩(30)의 충전 전압이 14.7V*모듈개수이거나 배터리 팩(30) 내의 모듈중 임의의 모듈의 최대 전압이 15.1V이상이면(S80), 배터리 충전 제어부(10)는 배터리 충전부(20)를 제어하여 2A로 배터리 팩(30)을 정전류 충전한다(S90).
이와 같은 충전 상태에서, 배터리 팩(30)의 충전 전압이 15.8V*모듈개수이거나 배터리 팩(30) 내의 모듈중 임의의 모듈의 최대 전압이 16.1V이상이면(S100), 배터리 충전 제어부(10)는 배터리 충전부(20)를 제어하여 15.8V*모듈개수의 전압으로 배터리 팩(30)을 정전압 충전한다(S110).
이 상태에서, 배터리 팩(30)의 충전 전류가 0.2A이하이거나, 배터리 팩(30) 내의 모듈중 임의의 모듈의 최대 전압이 16.3V이상이면(S120), 충전을 완전히 종료한다(S110). 단 이때, 정전압 충전 시간은 1시간 이상이어야 한다.
이상에서와 같이, 본 발명은 전기 자동차의 납산 배터리의 충전상태 80% 이상에서는 서로 다른 개싱 특성으로 인한 충전전압 특성의 차이를 최소화하기 위해 멀티 정전류 충전을 하고, 그후에는 입력전류가 적으므로 출력 전압차가 심하지 않으므로 정전압 충전을 하여 배터리 팩이 오동작하는 것을 방지하고, 안전성을 높일 수 있다.

Claims (9)

  1. 전원을 공급받아 충전을 하고, 방전을 하여 전원을 공급하기 위한 배터리 팩;
    상기 배터리 팩을 전전력 충전을 하다가 상기 배터리 팩 전압이 제1 전압 이상이면, 정전류 충전을 하고, 이후 상기 배터리 팩의 전압 피크치가 제2 전압 이상이 될때마다, 순차적으로 전류를 작게 하면서 정전류 충전을 하고, 상기 배터리 팩 전압이 제3전압 이상이면, 제4 전압으로 정전압 충전을 하다가 충전전압이 제5전압 이상이면 충전을 종료하도록 제어하는 배터리 충전 제어부;
    상기 배터리 충전 제어부의 제어에 따라 외부 전원을 공급받아 상기 배터리를 충전하는 배터리 충전부를 포함하는 배터리 팩 충전장치.
  2. 제1항에서,
    상기 배터리 충전 제어부는 정전류 충전을 할 때, 상기 제1전류로 배터리 팩을 정전류 충전을 하다가 제2전압 이상이면, 제2전류로 충전을 하고, 다시 상기 제2전압 이상이면, 제3전류로 충전을 하고, 또다시 상기 제3전압 이상이면, 제4전류로 충전을 하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 장치.
  3. 배터리 팩을 전전력 충전을 하면서, 상기 배터리 팩 전압이 제1 전압 이상이지 판단하는 제1 단계;
    상기 배터리 팩 전압이 제1 전압 이상이면, 정전류 충전을 하면서 배터리 팩의 전압 피크치가 제2 전압 이상이 될때마다, 순차적으로 전류를 작게 하면서 정전류 충전을 하는 제2 단계;
    상기 배터리 팩 전압이 제3전압 이상이면, 제4 전압으로 정전압 충전을 하다가 충전전압이 제5전압 이상이면 충전을 종료하는 제3 단계를 포함하는 배터리 팩 충전 방법.
  4. 제3항에서,
    상기 제2 단계는,
    상기 제1전류로 배터리 팩을 정전류 충전을 하다가 제2전압 이상이면, 제2전류로 충전을 하고, 다시 상기 제2전압 이상이면, 제3전류로 충전을 하고, 또다시 상기 제3전압 이상이면, 제4전류로 충전을 하는 단계인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 제1, 제2, 제3, 제4 전류는 11A, 7.6A, 3.8A, 2A인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 방법.
  6. 제3항에서,
    상기 제2 단계는,
    상기 제1전류로 배터리 팩을 정전류 충전을 하다가 배터리 팩의 모듈중 어느 하나의 최대 전압이 15.1V이상이면, 제2전류로 충전을 하고, 다시 15.1V 이상이면, 제3전류로 충전을 하고, 또다시 15.1V 이상이면, 제4전류로 충전을 하는 단계인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 제2 단계에서,
    상기 배터리 팩을 제4전류로 정전류 충전을 하면서, 상기 배터리 팩의 모듈 중 어느 하나의 전압이라도 15.0V 이상이면, 상기 제3 단계로 넘어가는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 방법.
  8. 제3항에서,
    상기 제1단계는,
    상기 배터리 팩을 전 전력 충전을 하면서, 상기 배터리 팩의 모듈 중 어느 하나의 전압이라도 15.0V 이상이면, 상기 제2 단계로 넘어가는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 방법.
  9. 제4항에서,
    상기 제3단계에서,
    제4 전압으로 정전압 충전을 하다가, 상기 배터리 팩의 모듈 중 어느 하나의 전압이라도 16.3V 이상이면, 충전을 종료하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 방법.
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