KR101509965B1 - 배터리 충전 장치 및 방법 - Google Patents

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최성훈
박만재
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 장치는, 사용자의 특성에 따른 주행 모드를 선택하는 제어부; 선택된 주행 모드에 따라 충전 종류를 실행하는 BMS(Battery Management System); 및 상기 BMS의 제어에 따라 충전하는 배터리;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 충전 장치 및 방법{Apparatus and Method for charging battery of electric vehicle}
본 발명은 배터리 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 사용자가 전기 차량의 충전 영역을 선택적으로 변경할 수 있게 하여, 사용자별로 전기 차량의 배터리 내구 성능을 최대한 확보할 수 있는 배터리 충전 장치 및 방법에 대한 것이다.
자동차 회사들에 있어서 친환경 차량개발은 가장 큰 관심사가 되었다. 자동차 회사들은 사용자들의 요구 및 정부의 규제에 부합하기 위하여 다양한 종류의 친환경 차량을 개발 중이며, 가장 주목받는 친환경 차량으로는 전기 차량을 들 수 있다.
전기 차량의 개발에 있어서 가장 큰 걸림돌은 새로운 시스템 구성품이 자동차의 환경조건에서 내구성능을 확보할 수 있는가에 대한 부분이다.
이러한 시스템 구성품 중 충전을 위한 고전압 배터리를 들 수 있다. 이러한 고전압 배터리의 충전 조건별 내구 열화 특성이 문제가 될 수 있다. 즉, 전기 차량에서 고전압 배터리의 SOC(State Of Charge)를 사용하는 범위 및 충전 과정을 보여주는 도면이 도 1 및 도 2에 도시된다.
도 1에 도시된 그래프를 참조하여 전기 차량의 충전 방법에 따라 SOC 사용범위, 충전 전류 크기, 및 주행 가능 거리를 보면 다음 표와 같다.
충전 방법 SOC 사용 범위 충전 전류 크기 주행 가능 거리
완속 충전 ~95% 小 大
급속 충전 ~80% 大 小
즉, 주변 충전 환경에 따라 주변 충전환경에 따라 급속충전 혹은 완속충전 방법으로 차량을 충전한다. 급속충전은 고전류로 단시간에 충전을 진행하며, 완속충전은 저전류로 장시간 충전을 진행한다. 부연하면, 완속 충전 시 High SOC (ex:SOC 95%), 급속 충전 시 Low SOC (ex:SOC80%) 까지 배터리를 충전한다.
이를 이해 하기 쉽게 도시한 도면이 도 2이다. 도 2를 참조하면, 급속 충전인지를 판단하여(S210), 급속충전이면 대(大)전류로 Low SOC까지 충전한다(S220). 이와 달리, 완속충전이면 소(小)전류로 High SOC까지 충전한다(S230).
그런데, 위에서 기술한 방식에 따르면, 사용자의 의지와 상관없이 충전방법에 따라 사용가능한 배터리의 에너지가 결정된다는 단점이 있었다. 또한, 배터리의 충전심도(충전레벨)는 배터리 내구성능에 직접적인 영향을 미친다는 단점이 있었다.
특히 전기 차량에 적용된 리튬 배터리의 경우 운용되는 상한 SOC 범위가 높을수록 열화에 취약하다는 단점이 있었다.
1. 한국등록특허번호 제10-0490764호 2. 한국공개특허번호 제10-2010-0123550호 3. 일본공개특허번호 제2007-035302호 4. 한국등록특허번호 제10-1091664호
본 고안에서는 전기차에 적용되는 고전압배터리의 충전조건별 내구열화 특성을 이용하여 배터리의 SOC(State Of Charge) 사용 범위를 사용자가 직접 선택할 수 있게 함으로써 배터리의 내구성능을 향상시킬 수 있는 배터리 충전 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 전기차에 적용되는 고전압배터리의 충전조건별 내구열화 특성을 이용하여 배터리의 SOC(State Of Charge) 사용 범위를 사용자가 직접 선택할 수 있게 함으로써 배터리의 내구성능을 향상시킬 수 있는 배터리 충전 장치를 제공한다.
상기 배터리 충전 장치는,
사용자의 조작에 따라 주행 모드를 선택하는 제어부;
선택된 주행 모드에 따라 충전 종류를 선택하는 BMS(Battery Management System); 및
상기 BMS의 제어에 따라 충전 수단에 의해 선택된 충전 종류로 충전되는 배터리;를 포함한다.
이때, 상기 충전 종류는 상기 주행 모드가 단거리 주행이 아니면 제 1 특정값인 하이 SOC까지 충전하는 하이(high) SOC(State Of Charge) 충전인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 충전 종류는 상기 주행 모드가 단거리 주행이면 제 2 특정값인 로우 SOC까지 충전하는 로우(low) SOC 충전인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 하이 SOC 충전은 저전류로 충전하는 완속 충전 또는 고전류 및 저전류로 충전하는 급속 충전인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 로우 SOC 충전은 저전류로 충전하는 완속 충전 또는 고전류로 충전하는 급속 충전인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 사용자의 주행거리 및 충전 종류를 일정기간 저장하여 저장된 데이터로부터 주행 패턴을 산출하여 최적의 SOC를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 충전 종류에 따른 충전량 또는 충전 회수가 사용자 설정 가능한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 급속 충전은 일정 수준까지 고전류로 로우 SOC까지 충전을 수행한 후 나머지에 대하여는 저전류로 하이 SOC까지 충전을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 사용자의 조작에 의해 주행 모드가 선택되는 주행 모드 선택 단계; 선택된 주행 모드에 따라 충전 종류를 선택하는 충전 종류 단계; 및 충전 수단이 선택된 충전 종류로 배터리를 충전하는 충전 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법을 제공한다.
또한, 상기 배터리 충전 방법은, 상기 제어부가 상기 사용자의 주행거리 및 충전 종류를 일정기간 저장하여 저장된 데이터로부터 주행 패턴을 산출하여 최적의 SOC를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 일반적인 전기차량 사용자들은 일 주행거리가 배터리의 최대 가용 에너지만큼 필요로 하지 않으므로 전기 차량 사용자의 특성(주행거리)에 따라 충전하는 SOC(State Of Charge) 영역을 변경함으로써 배터리 열화 정도를 조절할 수 있다.
도 1은 일반적인 전기 차량의 충전 방법에 따른 특성을 보여주는 그래프이다.
도 2는 일반적인 전기 차량의 충전 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 장치(300)의 구성 블럭도이다.
도 4는 도 3에 도시된 BMS(Battery Management System)(320)의 세부 구성을 보여주는 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 내구 성능을 고려한 배터리 충전 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 6은 일반적으로 배터리 SOC 사용 범위에 따른 열화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 주행거리가 증가함에 따라 배터리의 열화를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 장치(300)의 구성 블럭도이다. 도 3을 참조하면, 상기 배터리 충전 장치(300)는, 사용자의 조작에 따른 주행 모드를 선택하는 제어부(330), 선택된 주행 모드에 따라 충전 종류를 실행하는 BMS(Battery Management System)(320), 상기 BMS(320)의 제어에 따라 충전하는 배터리(310) 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.
배터리(310)는 배터리 셀(미도시)이 직렬 및/또는 병렬로 구성되며, 이 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리 등의 전기 차량용 배터리가 될 수 있다.
여기서, 전기 차량의 예로서는 EV(Electric Vehicle), HEV(Hybrid Electric Vehicle), PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle), 연료 전지 차량 등을 들 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 BMS(Battery Management System)(320)의 세부 구성을 보여주는 블럭도이다. 도 4를 참조하면, BSM(320)는, 배터리(310)를 센싱하는 센싱부(410), 센싱부(410)에 의해 생성되는 센싱 신호를 처리하여 데이터를 생성하는 데이터 처리부(420), 생성된 데이터를 이용하여 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health) 등을 생성하여 이를 제어부(330)에 전송하거나 제어부(330)로부터 주행 모드 등의 제어를 받아 처리하는 기능을 수행하는 계산부(430), 및 생성된 데이터, 배터리(310) 관리를 위한 알고리즘 등을 저장하는 메모리(440) 등을 포함하여 구성된다.
센싱부(410)에는 배터리(310)의 전류를 센싱하는 전류 센서, 배터리(310)의 전압을 센싱하는 전압 센서, 배터리(310)의 온도를 센싱하는 온도 센서 등이 구성된다.
메모리(440)는 BMS(310) 내에 구성될 수 있고, 별도의 메모리가 될 수 있다. 따라서, 메모리(440)는 하드 디스크 드라이브, 플래시 메모리, EEPROM(Electrically erasable programmable read-only memory), SRAM(Static RAM), FRAM (Ferro-electric RAM), PRAM (Phase-change RAM), MRAM(Magnetic RAM) 등과 같은 비휘발성 메모리 및/또는 DRAM(Dynamic Random Access Memory), SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory), DDR-SDRAM(Double Date Rate-SDRAM) 등과 같은 휘발성 메모리의 조합으로 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 내구 성능을 고려한 배터리 충전 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 제어부(도 3의 330)가 사용자의 조작에 따른 주행 모드를 선택한다(단계 S510). 부연하면, 차량이 충전 모드로 진입하는 경우, 주행 모드에 따라 충전 종류를 결정해야 하므로 주행 모드가 어느 상태인지를 확인하게 된다.
도 5의 도면에서는 모드 A로 표시되어 있으며, 본 발명의 용이한 이해를 위해 모드 A는 단거리 주행 모드로 가정한다. 물론, 본 발명은 이해 한정되지 않으며, 중거리 주행 모드 및/또는 장거리 주행 모드의 경우에도 적용될 수 있다.
단계 S510에서, 주행 모드가 모드 A이면 로우(Low) SOC 충전을 수행한다(단계 S520). 부연하면, 단거리 주행 모드인 모드 A가 선택되면, BMS(도 3의 320)는 충전 종류로 로(Low) SOC 충전을 실행한다.
이 경우, 로 SOC 충전은 완속 충전 또는 급속 충전을 수행한다. 완속 충전은 저전류로 로우 SOC(예를 들면, SOC 80%를 들 수 있음)까지 충전하는 방식이다.
이와 달리, 급속 충전은 고전류로 하이 SOC(예를 들면, SOC 95%를 들 수 있음)까지 충전하는 방식이다.
단계 S510에서, 모드 A가 아니면, 차량은 하이 SOC까지 충전한다(단계 S530). 부연하면, 이 경우에 차량의 주행모드로서 모드 A가 아니면, 완속충전 또는 급속 충전이 실행된다.
특히, 급속 충전의 경우 고전류로 로우 SOC까지 충전하고, 이후 나머지는 저전류로 하이 SOC(예를 들면 SOC 95%)까지 충전한다. 즉, SOC 80%까지는 고전류로 충전하고, SOC 81%로부터 SOC 95%까지는 저전류로 충전한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 위 단계 S510 내지 단계 S530을 반복 수행하여 사용자의 주행거리 및/또는 충전 종류 등의 데이터를 일정기간 저장할 수 있다. 이러한 데이터를 이용하여 사용자의 주행 패턴을 분석하고, 분석된 주행 패턴을 이용하여 최적의 SOC를 산출하는 것도 가능하다. 예를 들면, 주행거리의 평균을 계산하고 이를 바탕으로 주행 거리를 계산하여 이에 따른 최적의 SOC값을 산출하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로서는 사용자가 직접 충전할 충전량을 직접 설정하거나, 충전 종류를 설정하는 것도 가능하다. 예를 들면, SOC 80%을 SOC 60%로 하건, SOC 70%까지는 고전류로 충전하고 이후는 저전류로 충전하는 설정 등을 들 수 있다. 즉, 사용자가 자신의 주행거리에 맞춰서 배터리의 충전 방식을 선택하여 일반적인 주행 습관내에서 배터리 내구성능의 향상을 최적화할 수 있다.
도 6은 일반적으로 배터리 SOC 사용 범위에 따른 열화를 보여주는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 전기 차량용 배터리의 열화 지표를 보면 사이클이 늘어남에 다라 배터리(도 1의 310)의 잔존 용량이 감소한다. SOC 운용 영역별로 내구성능 평가를 진행하여 배터리의 열화정도를 상대적으로 비교하면 등과 같다.
SOC 5~80% : 호조건
SOC 5~95% : 악조건
또한, 배터리 충전심도에 따라 열화되는 정도가 다르게 나타난다. 즉, 배터리 충전심도에 따른 열화 차이가 발생한다.
또한, 도 6을 참조하면, 고SOC 영역으로 충전/사용 시 배터리 열화가 상대적으로 크게 나타난다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 주행거리가 증가함에 따라 배터리의 열화를 보여주는 그래프이다. 도 7을 참조하면, 주행거리 증가에 따라 기존사용조건(710)의 경우 보증주행거리(740)까지 급격하게 한계열화조건(730)에 도달한다.
이에 반해, 본 발명(720)은 더 완만하게 한계열화조건(730)에 도달한다. 부연하면, 주행거리가 보증주행거리(740)를 넘어서 한계열화조건(730)에 도달한다.
300: 배터리 충전 장치
310: 배터리
320: BMS(Battery Management System)
330: 제어부
410: 센싱부 420: 데이터 처리부
430: 계산부 440: 메모리

Claims (16)

  1. 사용자의 조작에 따라 주행 모드를 선택하는 제어부;
    선택된 주행 모드에 따라 충전 종류를 선택하는 BMS(Battery Management System); 및
    상기 BMS의 제어에 따라 충전 수단에 의해 선택된 충전 종류로 충전되는 배터리;를 포함하되,
    상기 충전 종류는 상기 주행 모드가 단거리 주행이 아니면 제 1 특정값인 하이 SOC까지 충전하는 하이(high) SOC(State Of Charge) 충전과 상기 주행 모드가 단거리 주행이면 제 2 특정값인 로우 SOC까지 충전하는 로우(low) SOC 충전인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이 SOC 충전은 저전류로 충전하는 완속 충전 또는 고전류 및 저전류로 충전하는 급속 충전인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 로우 SOC 충전은 저전류로 충전하는 완속 충전 또는 고전류로 충전하는 급속 충전인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 사용자의 주행거리 및 충전 종류를 일정기간 저장하여 저장된 데이터로부터 주행 패턴을 산출하여 상기 하이 SOC 또는 상기 로우 SOC를 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 종류에 따른 충전량 또는 충전 회수가 사용자 설정 가능한 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 급속 충전은 일정 수준까지 고전류로 로우 SOC까지 충전을 수행한 후 나머지에 대하여는 저전류로 하이 SOC까지 충전을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  9. 사용자의 조작에 의해 주행 모드가 선택되는 주행 모드 선택 단계;
    선택된 주행 모드에 따라 충전 종류를 선택하는 충전 종류 선택 단계; 및
    충전 수단이 선택된 충전 종류로 배터리를 충전하는 충전 단계;를 포함하되,
    상기 충전 종류는 상기 주행 모드가 단거리 주행이 아니면 제 1 특정값인 하이 SOC까지 충전하는 하이(high) SOC(State Of Charge) 충전과 상기 주행 모드가 단거리 주행이면 제 2 특정값인 로우 SOC까지 충전하는 로우(low) SOC 충전인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 하이 SOC 충전은 저전류로 충전하는 완속 충전 또는 고전류 및 저전류로 충전하는 급속 충전인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 로우 SOC 충전은 저전류로 충전하는 완속 충전 또는 고전류로 충전하는 급속 충전인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    제어부가 상기 사용자의 주행거리 및 충전 종류를 일정기간 저장하여 저장된 데이터로부터 주행 패턴을 산출하여 상기 하이 SOC 또는 상기 로우 SOC를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 충전 종류에 따른 충전량 또는 충전 회수가 사용자 설정 가능한 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 급속 충전은 일정 수준까지 고전류로 로우 SOC까지 충전을 수행한 후 나머지에 대하여는 저전류로 하이 SOC까지 충전을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
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