KR100911537B1 - 고전압 배터리의 충전제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고전압 배터리의 충전제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저속구간에서 회생제동으로 발전된 전력을 고전압 배터리에 충전하기 위하여 다수의 셀 모듈로 구성된 고전압 배터리를 선택적으로 충전할 수 있도록 한 고전압 배터리의 충전제어장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 다수의 셀이 직렬로 연결된 고전압 배터리; 상기 각 셀과 전기적으로 연결되어 충방전시 전류를 인가하는 전력변환기; 상기 각 셀의 충전상태를 모니터링하여 BMS에 송신하는 셀 컨트롤러; 및 상기 셀 컨트롤러로부터 각 셀의 충전상태를 수신하여 각 셀을 선택적으로 조합 및 분리하여 충전시키는 BMS를 포함하고, 회생제동에 의한 모터발전전압이 배터리 전체 전압보다 큰 경우에는 배터리의 셀 전체를 직렬로 연결하고, 상기 모터발전전압이 배터리 전체전압보다 작은 경우에는 각 셀을 선택적으로 연결하여 배터리 전압을 낮추는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 충전제어장치를 제공한다.

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Description

고전압 배터리의 충전제어장치{Charge control apparatus for high voltage battery}

본 발명은 고전압 배터리의 충전제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저속구간에서 회생제동으로 발전된 전력을 고전압 배터리에 충전하기 위하여 다수의 셀 모듈로 구성된 고전압 배터리를 선택적으로 충전할 수 있도록 한 고전압 배터리의 충전제어장치에 관한 것이다.

종래에 엔진에 의해 구동되는 차량은 엔진, 변속기 및 드라이브샤프트, 유압브레이크, 기타 엔진과 관련하여 연료공급장치, 흡기 및 배기장치, 냉각 및 윤활장치, 방진장치 등 수많은 부품이 소요되고 배기가스에 의해 대기를 오염시키는 많은 문제점을 발생시키고 있었다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 현재 전기모터를 장착한 차량, 수소자동차, 연료전지 또는 태양에너지를 이용한 차세대 자동차 등이 개발되고 있다.

특히 최근에는 전기모터를 장착한 차량의 제동방식으로, 전기모터를 장착한 차량의 연비 향상을 위한 회생제동방식이 채용되고 있다.

상기 전기모터를 장착한 차량에서는 전기에너지에 의해 동작하는 전기모터로 차량의 구동륜을 회전시켜서 차량을 운행시키는데, 이러한 전기자동차에서는 모터를 구동하는 전기에너지를 얼마만큼 효율적으로 이용하는가 하는 것이 큰 과제로 대두되어 있다.

이를 위해 운전자로부터 감속이나 제동명령이 발생한 경우에 전기모터가 발전기로 기능하게 하여 발생된 전기에너지를 축전기에 저장하게 된다.

그런데 이렇게 전기모터가 발전기로 기능하는 동안에는 차륜에 제동력이 발생하게 되는데 이러한 제동력을 회생제동력이라 한다. 결과적으로 차륜에 가해지는 제동력은 전기모터에 의한 회생제동력과 유압장치에 의한 유압제동력 및 마찰제동력의 합이 된다.

전기모터에 의한 발전은 브레이크 작동 중에도 가능하다. 즉 브레이크 작동 중에 열로 발산될 열에너지를 차량의 전기모터를 이용하여 발전하게 된다. 이때 발전 가능한 양은 차량의 속도 및 배터리 충전량 등에 따라 달라지게 된다.

그런데 회생제동 충전의 결정적인 문제점이 도심의 저속구간에서 나타나고 있다. 즉, 차량이 지속적으로 도심 저속구간에 있게 되면 고전압시스템(에어컨, 파워스티어링 등)으로 인해 배터리가 소모되고, 충분한 차속에 의한 RPM이 생성되지는 않아 회생제동으로 얻어지는 발전전압이 작다.

예를 들어, 도요타 고전압차량 시스템의 경우, 저속구간에서는 EV 모드로 주행하여 엔진은 정지상태로 되고 배터리의 전력으로 모터를 구동하여 주행한다.

이때, 회생제동으로 일정한 발전전력을 얻더라도 고전압 배터리의 충전상태가 유지하는 전압 이상으로 회생제동에 의해 발전되지 못하면 고전압 배터리는 충전없이 모터를 구동하기 위해 계속해서 방전 된다.

즉, 도 1에 도시한 바와 같이 회생제동에 의한 모터발전전압이 배터리전압보다 작은 경우에 배터리는 지속적으로 방전되나 충전이 불가능하게 된다.

또한, 배터리의 유효 SOC 구간 저점에 이르는 경우 고전압 배터리의 충전을 위하여 엔진이 가동되며 연료를 소모하여 연비가 떨어지는 현상이 발생하게 된다.

한편, EV모드가 없는 시스템에서는 저속구간에서부터 엔진으로 연료를 소모하면서 주행한다.

이때, 회생제동으로 일정한 발전전력을 얻더라도 배터리의 전압이 회생제동으로 발전되는 전압보다 항상 높아 배터리 충전이 이루어지지 않고 일부 고전압 에어컨 시스템이나 파워스티어링 시스템에 의해 고전압 배터리는 지속적으로 방전된다.

또한, 배터리의 유효 SOC 구간 저점에 이르는 경우 엔진의 RPM을 상승시켜 연료의 소모를 촉진시킴으로써 연비가 떨어지는 현상이 발생하게 된다.

특히, 도심구간의 정차 후 발진시에는 엔진토크 이상의 힘을 얻기위해 지속적으로 모터의 토크를 필요로 하므로 고전압 배터리는 지속적으로 방전 되게 된다.

결과적으로, 모든 시스템이 도심 저속구간에서의 회생제동으로 얻어지는 저전압 상태의 전력을 배터리에 충분히 충전시키지 못함으로써 연료를 과도하게 소모시켜 연비가 떨어지는 문제점을 갖고 있다.

따라서, 저속구간의 낮은 전압을 충분히 배터리에 충전을 함으로써, 고전압 차량의 연비향상이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 다수의 셀모듈로 구성된 고전압 배터리에서 회생제동으로 발전된 전압의 크기에 따라 다수의 셀모듈을 선택적으로 분리 및 조합하여 배터리를 충전함으로써, 고전압 부하나 모터의 구동이 필요한 경우에는 전체가 연결된 배터리로 구동하고, 도심 저속구간에서는 배터리를 다단제어하여 연비 향상 및 회생제동시 배터리 충전을 보다 효율적으로 제어할 수 있도록 한 고전압 배터리의 충전제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고전압 배터리의 충전제어장치에 있어서,

다수의 셀이 직렬로 연결된 고전압 배터리; 상기 각 셀과 전기적으로 연결되어 충방전시 전류를 인가하는 전력변환기; 상기 각 셀의 충전상태를 모니터링하여 BMS에 송신하는 셀 컨트롤러; 및 상기 셀 컨트롤러로부터 각 셀의 충전상태를 수신하여 각 셀을 선택적으로 조합 및 분리하여 충전시키는 BMS를 포함하고, 회생제동에 의한 모터발전전압이 배터리 전체 전압보다 큰 경우에는 배터리의 셀 전체를 직렬로 연결하고, 상기 모터발전전압이 배터리 전체전압보다 작은 경우에는 각 셀을 선택적으로 연결하여 배터리 전압을 낮추는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 각 셀에는 스위칭 역할을 하는 트랜지스터가 연 결되고, 상기 BMS가 각 트랜지스터를 선택적으로 온/오프 제어함으로 각 셀이 선택적으로 직렬로 연결되어 배터리전압을 다단제어하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 고전압 배터리의 충전제어장치에 의하면, 회생제동으로 발전된 모터발전전압의 크기에 따라 배터리의 셀을 선택적으로 연결 및 조합하여 배터리의 전압을 낮춤으로써, 저속구간에서도 회생제동에 의한 발전전압을 충전할 수 있고, 연비를 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리의 다단 충전제어장치를 나타내는 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리의 다단 충전제어방법을 설명하기 위한 그래프이다.

본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전제어장치는 다수의 셀(A~H)로 구성된 차저, 상기 셀의 SOC를 각각 모니터링하는 셀 컨트롤러(10), 상기 셀을 선택적으로 분리 및 조합하여 충전시키도록 제어하는 BMS(11), 인버터로부터 충방전시 3상의 교류전압을 인가하는 DC/DC 컨버터(12)를 포함한다. 이때, 상기 셀 컨트롤러(10)는 각 셀의 SOC를 캔 통신을 통해 BMS(11)에 송신한다.

본 발명은 고전압 부하나 모터의 구동이 필요한 경우에는 셀 전체(A~H)를 연 결하여 배터리를 구동하고, 저속구간에서 회생제동으로 발전된 전력을 고전압 배터리에 충전하기 위하여 8개의 셀 모듈로 구성된 고전압 배터리를 선택적으로 충전한다.

상기 셀컨트롤러(10)를 통해 셀(A~H)의 SOC를 모니터링하여 회생제동으로 발전된 전압의 크기에 따라 셀 전체(A~H) 또는 선택된 셀, 즉 8개의 셀(A~H)을 직렬, 7개의 셀(B~H)을 직렬, 6개의 셀(C~H)을 직렬, 또는 5개의 셀(D~H)을 직렬로 연결함으로써, 배터리를 선택적으로 충전할 수 있다.

상기 셀(A~H)을 선택적으로 충전하기 위해 각각의 셀에는 도 2에 도시한 바와 같이 트랜지스터(a~d)가 각각 연결되어 있고, BMS(11)가 각 트랜지스터(a~d)에 신호를 보내어 트랜지스터(a~d)의 스위칭에 따라 다수의 셀(A~H)이 선택적으로 분리되거나 직렬로 연결되게 된다.

예를 들어 배터리 충전모드에서 회생제동으로 발전된 모터발전전압이 배터리 전체 전압이 지시하는 선보다 큰 경우에는 8개 셀 전체(A~H)를 연결하여 충전한다. 이때, BMS(11)는 각 트랜지스터에 a 스위치 온, b 스위치 오프, c 스위치 오프, d 스위치 오프 신호를 보내어 셀 모두(A~H)를 직렬로 연결한다.

이와 유사하게, 상기 모터발전전압이 배터리 전체 전압보다 작은 경우에는 배터리로의 충전이 불가능하게 되므로, 배터리의 전압을 낮추기 위해 8개의 셀 중 7개 만을 연결한다. 일례로, BMS(11)는 각 트랜지스터에 a 스위치 오프, b 스위치 온, c 스위치 오프, d 스위치 오프 신호를 보내어 A 셀은 분리시키고, B에서 H 셀까지 직렬로 연결한다.

따라서, 직렬로 연결된 7개의 셀 전압의 합보다 큰 모터발전전압이 배터리에 충전되게 된다.

상기 예와 같이 각 셀에 설치된 트랜지스터(a~d)를 통해 셀을 6개, 5개로 연결함으로써, 회생제동으로 발전된 모터발전전압의 크기에 따라 배터리의 셀을 선택적으로 연결 및 조합하여 배터리의 전압을 낮춤으로써, 저속구간에서도 회생제동에 의한 발전전압을 충전할 수 있고, 연비를 향상시킬 수 있다.

상기 다단제어의 방식 구성 및 제어로직은 고전압 배터리의 0 볼트 셀 "H"를 기준으로 표현하였으나, 스위치의 위치와 결선방법의 변화를 통해 개별 "A,B,C,D,...H" 중 어느 셀을 기준으로 조합하여 충전하는 것도 가능하다.

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

도 1은 종래기술에 따른 배터리 충전모드를 나타내는 그래프이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리의 다단 충전제어장치를 나타내는 구성도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리의 다단 충전제어방법을 설명하기 위한 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 셀 컨트롤러 11 : BMS

12 : DC/DC 컨버터 A~H : 셀

a~h : 트랜지스터

Claims (2)

1. 고전압 배터리의 충전제어장치에 있어서,

   다수의 셀이 직렬로 연결된 고전압 배터리;

   상기 각 셀과 전기적으로 연결되어 충방전시 전류를 인가하는 전력변환기;

   상기 각 셀의 충전상태를 모니터링하여 BMS에 송신하는 셀 컨트롤러; 및

   상기 셀 컨트롤러로부터 각 셀의 충전상태를 수신하여 각 셀을 선택적으로 조합 및 분리하여 충전시키는 BMS를 포함하고,

   저속구간에서 회생제동에 의한 모터발전전압이 배터리 전체 전압보다 큰 경우에는 배터리의 셀 전체를 직렬로 연결하고, 저속구간에서 회생제동에 의한 모터발전전압이 배터리 전체전압보다 작은 경우에는 배터리의 전체 셀중 일부 셀만을 선택적으로 연결하여 배터리 전압을 낮추는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 충전제어장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 배터리의 각 셀에는 스위칭 역할을 하는 트랜지스터가 연결되고, 상기 BMS가 각 트랜지스터를 선택적으로 온/오프 제어함으로서, 배터리의 일부 셀이 선택적으로 직렬로 연결되어 배터리 전압을 다단제어하여 충전시키는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 충전제어장치.

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