KR101546918B1 - 전기 차량의 비상충전 제어 장치와 방법 및 이를 구비한 배터리 팩 - Google Patents

전기 차량의 비상충전 제어 장치와 방법 및 이를 구비한 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 전기 차량의 비상충전 제어 장치는 복수 개 이차전지 셀을 포함하는 배터리의 충방전에 의한 전력 흐름을 온오프시키는 스위칭부; 상기 이차전지 셀의 전압을 센싱하는 센싱부; 상기 센싱된 전압이 구동 중단에 대한 제1기준 전압보다 낮은 경우 상기 배터리의 방전이 이루어지지 않도록 상기 스위칭부를 오프시키는 과방전 제어부; 및 충전 개시 신호가 입력되면 상기 스위칭부를 온시켜 충전 모드가 이루어지도록 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.
상기 본 발명에 의하면 전기 차량에 탑재되는 이차전지 배터리의 현재 상태 정보에 따라 충전 또는 방전 모드를 다원적 내지 차등적으로 구성하여 이차전지 배터리의 성능 또는 수명 등을 더욱 실효성 있는 보호할 수 있다.

Description

전기 차량의 비상충전 제어 장치와 방법 및 이를 구비한 배터리 팩{Apparatus and method for controlling emergency charging in electric vehicle and battery pack equipped with it}
본 발명은 전기 차량에 탑재되는 리튬 이차전지 배터리를 제어하는 장치와 방법 및 이를 구비한 배터리 팩에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 전기 차량의 전력 구동원을 제공하는 배터리가 과방전 모드 등에 진입하는 경우, 배터리에 대한 충전 또는 방전에 대한 현재 상태를 효과적으로 반영하여 이에 대한 배터리의 모드를 유기적으로 전환 및 적용시킴으로써, 배터리를 보호함과 동시에 전기 차량이 더욱 안전하고 안정적으로 운용되도록 유도할 수 있는 전기 차량의 비상충전 제어장치와 방법 및 이를 구비한 배터리 팩에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
최근에는, 화석 연료에 의한 에너지 자원 고갈의 문제, 환경 오염에 대한 이슈, 에너지의 사용의 경제성 등에 대한 이슈가 중요하게 부각되면서, 전력 사용량과 전력 생산량의 불일치를 효과적으로 극복하고, 전력 과잉 공급에 의한 낭비 및 전력 공급 부족에 의한 과부하 현상 등을 해결하기 위하여 다양한 정보 통신 인프라와 연계되어 전력 공급량을 탄력적으로 조절하도록 하는 스마트 그리드 시스템이라는 개념이 활발히 연구되고 있으며 상기 이차전지는 이러한 스마트 그리드 시스템에서의 효과적인 에너지 저장 및 활용원으로도 주목되고 있다.
이차전지는 휴대 단말 등의 배터리로 구현되는 경우는 반드시 그러하지 않을 수 있으나, 상기와 같이 전기 차량 또는 에너지 저장원 등에 적용되는 배터리는 통상적으로 단위 이차전지 셀(cell)이 복수 개 집합되는 형태로 사용되어 고용량 환경에 적합성을 높이게 된다.
도 1에 상징적으로 도시된 바와 같이 이차전지 셀(1)이 복수 개 집합된 배터리 모듈(10)이 전기 차량에 적용되는 경우, 모터 등의 구동부하에 대한 전력 공급 제어, 전류, 전압 등의 전기적 특성값 측정, 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge) 등의 추정을 위한 알고리즘이 적용되어 이차전지의 상태를 모니터링하고 제어하는 BMS(Battery Management System) 즉, 배터리 관리 장치(30) 등이 추가적으로 포함되어 구성된다.
상기 배터리 관리 장치(30)는 전자 제어 소자(31) 등을 제어하여 앞서 설명된 바와 같이 모터 등의 구동 부하 등으로 이루어지는 차량 시스템(20)에 공급되는 전력 계통을 제어하며, 또한, 배터리 모듈(10)의 현재 SOC, SOH(State Of Health) 등에 대한 정보를 차량 시스템(20) 측으로 전달하여 사용자 내지 운전자에게 현재 배터리의 상태 정보 등을 인터페이싱하도록 구성된다.
앞서 언급된 바와 같이 차량 등에 적용되는 배터리 모듈(10)은 직렬 및/또는 병렬 구조로 연결되는 복수 개의 이차전지 셀로 구성되는데, 상기 배터리 팩이 모터, 발전기, 전기 계통 시설 등의 부하에 공급되는 전력은 상기 복수 개의 이차전지의 전기적 연결에 의한 하나의 시스템 계통에서 이루어진다고 볼 수 있다.
관련하여, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 잘 알려진 바와 같이 이차전지에 의한 전력 계통은 가솔린 엔진 계통과는 달리 현재 가용할 수 있는 전력에 대한 상태 정보 등을 물리적이고 절대적인 기준에서 생성할 수 없으므로 다양한 전기적 특성값 내지 변수 정보(전압, 전류, 누적 전류, 온도 정보 등) 등을 활용하여 충전 상태(SOC)를 추정하거나 예측하는 다양한 기법이 개시되어 있다. 상기 SOC는 일반적으로 만충전인 경우를 100%, 완전 방전인 경우를 0% 등으로 정량화된 수치 정보로 생성된다.
전기 차량에 탑재되는 배터리는 전기 화학적 특성에 기초하여 충전 또는 방전이 이루어지는데, 차량의 구동이 계속되면 방전이 이루어져 SOC는 감소되게 되는데, 이러한 환경에서 충전이 이루어지지 않고 후속적으로 차량 구동(방전)이 계속 이루어지게 되면, 배터리는 완전 방전 상태에 돌입하게 되고 전기 차량에는 추가적인 동력원이 존재하지 않으므로 이에 따라 전기 차량의 운행이 중단되는 문제점을 야기시키게 된다.
이러한 경우 의도하지 않은 상태에서 차량의 구동이 더 이상 이루어지지 않는다는 일차적인 문제점이 발생됨과 동시에, 과방전 내지 완전 방전 상태 또는 이에 의한 저전압 상태에 리튬 이온 이차전지 셀이 노출되게 되면, 이차전지 셀의 전기 화학적 특성에 대한 열화 현상이 발생하고 이러한 환경에 지속적인 노출은 그 열화 현상을 가속화시켜 배터리의 전반적인 성능을 저하시킴은 물론, 배터리의 정상적인 수명을 보장할 수 없게 되는 문제점이 발생될 수 있다.
이와 함께, 배터리를 구동하는 시스템의 측면에서 고찰할 때, 배터리의 완전 방전을 포함하여, 정해진 기준 이하로 방전되는 과방전 환경에 배터리가 노출되는 경우를 최소화 내지 방지함과 동시에, 과방전 환경에 후속적으로 적용될 수 있는 충전 환경 내지 모드(MODE)가 유기적으로 연계되도록 구성함으로써 과방전된 배터리가 정상 상태로 효과적으로 전환될 수 있도록 배터리의 방전 및 충전 제어에 대한 더욱 개선된 시스템 적용의 필요성이 크다고 할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 배경에서 상기 문제점 내지 필요성을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 배터리의 SOC 또는 전압 등의 전기적 특성값을 활용하여 배터리의 상태에 따른 적응적 모드를 선별적으로 적용하는 프로세싱을 수행함으로써 과방전 내지 완전 방전에 노출되는 배터리를 보호하고 이와 함께 전기 차량의 구동과 운용을 더욱 안정적이고 안전하게 도모할 수 있는 배터리 팩의 제어 장치와 방법 및 이를 구비한 배터리 팩을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 전기 차량의 비상충전 제어 장치는 복수 개 이차전지 셀을 포함하는 배터리의 충방전에 의한 전력 흐름을 온오프시키는 스위칭부; 상기 이차전지 셀의 전압을 센싱하는 센싱부; 상기 센싱된 전압이 구동 중단에 대한 제1기준 전압보다 낮은 경우 상기 배터리의 방전이 이루어지지 않도록 상기 스위칭부를 오프시키는 과방전 제어부; 및 충전 개시 신호가 입력되면 상기 스위칭부를 온시켜 충전 모드가 이루어지도록 제어하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 본 발명은 상기 배터리의 SOC(State Of Charge)를 생성하는 연산부를 더 포함하고, 이 때, 상기 제어부는 상기 SOC가 기준 SOC보다 낮은 경우 이에 대한 경고 메시지가 출력되도록 제어한다.
여기에서, 상기 본 발명의 과방전 제어부는 상기 복수 개 이차전지 셀 중 적어도 하나가 상기 제1기준 전압보다 낮은 경우 상기 스위칭부가 오프되도록 제어할 수 있다.
더욱 바람직한 실시형태의 구현을 위하여 상기 본 발명의 제어부는 상기 충전 모드 중 상기 센싱된 이차전지 셀의 전압이 과방전 보호를 위한 제2기준 전압보다 낮은 경우 상기 배터리로 유입되는 충전 전력만이 흐를 수 있도록 상기 스위칭부를 제어할 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 상기 스위칭부는 다이오드 소자와 릴레이 모듈이 병렬로 연결되는 구조로 이루어지며, 이 때, 본 발명의 상기 제어부는 상기 충전 모드 중 상기 센싱된 이차전지 셀의 전압이 상기 제2기준 전압보다 낮은 경우 상기 릴레이 모듈을 오프시켜 충전 전력이 다이오드를 통하여 상기 배터리로 유입되도록 제어할 수 있다.
이와 함께, 상기 본 발명의 제어부는 상기 센싱된 이차전지 셀의 전압이 상기 제2기준 전압보다 높은 경우 상기 릴레이 모듈을 온시켜 방전 및 충전에 대한 양방향 전력이 흐를 수 있도록 상기 스위칭부를 제어하도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 의한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기 차량의 비상 충전 제어방법은 배터리를 구성하는 복수 개 이차전지 셀의 전압을 센싱하는 전압 센싱단계; 상기 센싱된 전압이 구동 중단에 대한 제1기준 전압보다 낮은 경우 상기 배터리의 방전이 이루어지지 않도록 상기 배터리의 충방전에 의한 전력 흐름을 온오프시키는 스위칭부가 오프되도록 제어하는 과방전 제어단계; 충전 개시 신호의 입력 여부를 판단하는 판단단계; 및 충전 개시 신호가 입력되면 상기 스위칭부를 온시켜 충전 모드가 이루어지도록 제어하는 제어단계를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 의한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기 차량의 비상 충전을 위한 배터리 팩은 복수 개 이차전지 셀을 포함하는 배터리; 및 상기 배터리의 충방전에 의한 전력 흐름을 온오프시키는 스위칭부, 상기 이차전지 셀의 전압을 센싱하는 센싱부, 상기 센싱된 전압이 구동 중단에 대한 제1기준 전압보다 낮은 경우 상기 배터리의 방전이 이루어지지 않도록 상기 스위칭부를 오프시키는 과방전 제어부와 충전 개시 신호가 입력되면 상기 스위칭부를 온시켜 충전 모드가 이루어지도록 제어하는 제어부를 포함하는 제어모듈을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 본 발명에 의한 배터리 제어 장치, 방법 및 배터리 팩은 전기 차량에 탑재되는 배터리가 완전 방전에 이르기 전 사용자 등에게 현재 상태에 대한 정보를 효과적으로 인터페이싱함으로써 차량의 구동 내지 운용을 더욱 안전하고 안정적으로 유도할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
또한, 배터리가 과방전 내지 완전 방전 등에 노출되는 경우, 배터리의 충전 또는 방전이 이루어지지 않도록 연결 매개 유닛(Battery Disconnect Unit, BDU) 등의 차단을 통하여 과방전 보호 모드로 적응적으로 전환시킴으로써 배터리 성능 열화를 방지하거나 최소화시켜 배터리의 적절한 수명과 성능이 유지 지속될 수 있는 효과를 창출할 수 있다.
이와 함께, 과방전 내지 완전 방전 환경에 노출된 후에 충전이 이루어지는 경우 배터리의 안정적인 운용이 도모될 수 있는 적정 레벨로 충전이 이루어질 때까지 배터리의 구동이 제한적으로 운용되도록 제어함으로써, 비상 충전에 대한 전환을 적응적으로 실현할 수 있고 이를 통하여, 배터리의 정상 모드로의 진입을 효과적으로 유도 및 구현할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일반적인 배터리 팩 관리 장치에 대한 구성을 도시한 개략도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전기 차량의 비상충전 제어 장치의 구성을 도시한 블록도,
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 스위칭부의 구성을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 전기 차량에 대한 충전 또는 방전의 차등적 모드(mode) 대한 구성을 설명하는 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전기 차량의 비상충전 제어방법의 과정을 도시한 흐름도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 배터리 팩에 대한 구성을 도시한 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전기 차량의 비상충전 제어 장치(이하 제어장치로 칭한다)(100)의 구성을 도시한 블록도이며, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전기 차량의 비상충전 제어방법의 과정을 도시한 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 제어장치(100)는 스위칭부(110), 센싱부(120), 과방전제어부(130), 제어부(140), 연산부(150) 및 메모리부(160)를 포함하여 구성될 수 있다.
우선, 상기 도 2에 도시된 본 발명의 제어장치(100)에 대한 각 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.
즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위한 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되어 수행되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관히 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.
본 발명은 배터리 모듈(10)을 구성하는 복수 개의 이차전지 셀(1) 또는 배터리 모듈(10) 전체 차원의 전압 거동 내지 SOC 등과 같은 전기적 특성에 대한 프로파일 정보를 확인하고, 확인된 현재 상태에 대응하여 정상모드, 주의모드, 과방전모드, 비상충전모드 등에 대한 다원적 모드 개념을 도입함으로써 배터리의 충방전에 대한 제어 프로세싱을 효과적으로 수행하는 기술 사상을 제안한다.
이를 위하여 우선, 본 발명의 연산부(150)는 전기 차량의 안정적인 운용을 위하여 전기 차량에 탑재되는 배터리 모듈(10)의 SOC를 연산한다(S500). 상기 SOC의 연산은 배터리 모듈 또는 이차전지 셀들의 다양한 전기적 특성값 또는/및 온도 정보 등을 이용한 다양한 추정 기법이 적용될 수 있다.
구체적으로 이러한 SOC 추정 기법은 전류, 전압, 적산 전류, 온도 등의 변수로 하여 현재 배터리의 충전 상태 정보를 추정 생성하는 기법으로서, Boltzman equation, Peukert equation 등을 비롯하여 당업자 수준에서 다양한 방법이 활용가능함은 물론이다.
본 발명의 연산부(150)는 이차전지 셀 또는 배터리 차원의 전압을 센싱하는 센싱부(120)의 출력값을 입력받음은 물론, 도면이 도시하지는 않았으나, SOC 추정을 위하여 필요한 전류 센싱, 온도 센싱 등의 기능을 수행하는 모듈 등으로부터 전기적 특성값을 입력받도록 구성될 수 있다.
통상적으로 SOC는 충전된 상태를 %로 표현하는 정량 추정 결과로서 배터리의 용량 등을 감안하여 현재의 배터리 상태로 차량의 구동 가능한 거리 정보와 함수적으로 대응되는 수치에 해당한다. 그러므로 차량의 구동을 안정적으로 운용하기 위하여 배터리 모듈(10)이 적정 수준을 넘어서는 범위까지 방전되고 있다면 이를 사용자에게 인터페이싱하여 적절한 후속 조치(충전) 등을 안내하고 유도하도록 구성하는 것이 바람직하다.
이를 위하여 이와 같이 현재 배터리 모듈(10)의 SOC가 연산되면, 본 발명의 제어부(140)는 연산된 현재 SOC가 적정 구동의 기준이 되는 SOC(예를 들어 10%)와 비교하여(S510) 현재 SOC가 기준 SOC 보다 낮은 경우, 이에 대한 경고 내지 안내 메시지가 출력되도록 제어한다(S520). 이와 같이 사용자 등에게 현재 SOC 상태와 관련하여 주의를 요하는 배터리의 모드를 본 발명에서 주의 모드로 정의할 수 있다. 상기 경고 메시지는 스피커 등의 청각 매체 또는 LCD, LED, 화면표시수단 등의 시각 매체 등을 포함하여 다양한 형태로 구현 가능하다.
이와 같은 구성은 사용자 등에게 주의 내지 경고를 요하는 수준에서 이루어지는 것이므로 상기 주의 모드에서도 차량의 구동 내지 운용이 계속될 수 있다. 이와 같이 차량의 구동 즉, 배터리 모듈(10)의 방전이 후속적으로 계속 이루어지게 되면, 배터리 모듈(10)의 SOC는 0%를 향하여 점진적으로 낮아지게 되고, 이에 따라 배터리 모듈(10)을 구성하는 개별 이차전지 셀(1)의 전압 강하 현상이 발생하게 된다.
특히 전기 차량에는 배터리 모듈(10)에 의한 전력원 이외에 추가적인 구동원이 존재하지 않으므로 이와 같이 완전 방전 상태가 되면, 차량의 구동이 불가능해짐은 물론, 배터리 모듈(10)을 구성하는 개별 이차전지 셀(1)의 충방전 성능에 상당한 내재적 손상(intrinsic damage)이 발생된다.
이러한 내재적 손상이 발생하게 되면 이차전지 셀은 충전 또는 방전에 대한 전기적 특성이 저하되어 성능 감소가 발생하고 적정 수명(사용 연한)을 유지하지 못하는 연쇄적인 문제점이 야기될 수 있다.
그러므로 특정 SOC 이하 또는 배터리 모듈(10) 차원 또는 배터리 모듈(10)을 구성하는 개별 이차전지 셀(1)의 전압이 특정 전압 이하로 낮아지게 되는 경우, 차량과 이차전지 셀을 실효성 있게 보호하기 위하여 배터리 모듈(10)에 대한 전력 흐름을 차단할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
이를 위하여 본 발명은 배터리 모듈(10)과 차량 시스템(20) 사이에 개재되며 배터리 모듈(10)의 충방전에 의한 전력 흐름을 선택적으로 개폐(on/off)시킬 수 있는 기능을 수행하는 스위칭부(110)를 구비한다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 센싱부(110)는 배터리 모듈(10) 차원의 전압 또는 배터리 모듈(10)을 구성하는 개별 이차전지 셀(1)의 전압값을 센싱하여 센싱된 전압값을 본 발명의 과방전 제어부(130)로 출력시킨다.
본 발명의 과방전 제어부(130)는 상기 센싱부(110)로부터 전압값이 입력되면, 상기 입력된 전압값을 구동 중단에 대한 제1기준 전압과 비교하여(S530) 현재 입력된 전압값이 상기 제1기준전압보다 낮은 경우 배터리 모듈(배터리)과 전기 차량을 보호하기 위하여 상기 배터리의 방전 프로세싱이 이루어지지 않도록 상기 스위칭부(110)가 오프(off)되도록 제어하여 전력 흐름을 차단한다(S540).
이와 같이 기준 SOC이하로 배터리의 SOC가 저하된 후 이루어진 방전에 의하여 이차전지 셀의 전압이 상기와 같이 제1기준 전압으로 낮아지는 배터리 상태 모드를 본 발명에서 과방전 모드로 지칭할 수 있다.
앞서 설명된 모드(mode)와 이하 후술되는 모드(mode)에 대한 내용은 본 발명의 기술 사상을 효과적으로 설명하고 각각의 상태를 상대적으로 구분하기 위한 도구적 개념에서 도입된 용어일 뿐이며, 절대적인 의미와 내용을 객관적으로 구분하기 위하여 사용된 용어로 제한되지 않는다고 해석되어야 한다.
통상적으로 전기 차량 등에 탑재되는 배터리 내지 배터리 모듈은 복수 개의 이차전지 셀로 구성되는데, 상기 제어부(140)는 배터리 전체 차원의 전압값을 활용할 수 있음은 물론, 개별 이차전지 셀의 특성을 반영하기 위하여 개별 이차전지 셀의 전압값을 활용할 수도 있다. 특히, 복수 개 이차전지 셀 중 하나의 셀이라도 상기 제1기준 전압 이하로 저하되는 경우 상기와 같이 전력이 차단되도록 구성하는 것이 이차전지 셀을 더욱 실질적으로 보호하는데 더욱 바람직하다고 할 수 있다.
한편, 상기 제1기준전압은 배터리 또는 이차전지 셀의 스펙, 적용 사양, 탑재 환경, 하드웨어 리소스, 이력 정보, 안전 내지 안정 운용에 대한 정책적 레퍼런스(reference) 등을 기초로 가변적으로 설정될 수 있는 값으로서, 이차전지 셀의 적절한 보호와 유지와 차량의 정상적인 구동 등을 고려하여 결정되는 것이 바람직하다. 통상적으로 이차전지 셀은 정격 전압 특성(상온에서 3.2V ~ 4.1V)을 가지므로 이러한 정격 전압 특성이 와해되는 전압값으로 상기 제1기준전압(예를 들어 2.5V 이하 등)을 정할 수 있다.
이와 같이 BDU(Battery Disconnect Unit) 등으로 구현되는 본 발명의 스위칭부(110)가 과방전 모드에서 전력을 흐름을 차단시킴으로써 배터리 또는 배터리를 구성하는 이차전지 셀을 실효성 있게 보호할 수 있게 된다.
전력이 차단된 상태에서 후속적으로 충전이 이루어지게 되면, 현재 과방전 모드에서 충전 가능한 모드로 전환시켜 적응적으로 충전 환경에 진입될 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
이를 위하여 본 발명의 제어부(140)는 충전 개시 신호가 입력되는지 판단하여(S550), 충전 개시신호가 입력되면 상기 스위칭부(110)를 제어하여 전력 흐름에 대한 차단이 해제될 수 있도록 제어하고(S560) 이러한 프로세싱에 의하여 후속적인 충전이 유효하게 진행(S570)가능하도록 배터리의 모드를 전환한다. 이와 같이 전력이 차단된 이후에 진행되는 상기와 같은 충전 모드를 본 발명에서 정상적인 충전 모드와 대비하여 비상충전 모드라고 지칭할 수 있다.
상기 충전 개시 신호의 전달 내지 통신은 hard wire 등을 통한 신호 체계를 비롯하여 RF신호 등의 무선 신호 체계를 포함한 다양한 방법으로 이루어질 수 있음은 물론이다.
또한, 본 발명의 제어부(140)는 현재의 SOC 정보, 차량 시스템 측으로 경고 메시지를 보낸 시간 정보, 전력 흐름이 차단된 시간 정보, 비상 충전이 이루어진 시간 정보 등이 이력 데이터로 활용될 수 있도록 이러한 다양한 이력 정보가 메모리부(160)에 저장되도록 제어하는 것이 더욱 바람직하다.
이와 같이 전력 흐름이 차단된 후 비상 충전이 이루어지는 (비상)충전 모드에서 곧 바로 배터리를 정상적인 모드로 전환시키는 것도 가능하나, 만약의 사태를 대비하고 배터리를 더욱 효과적으로 보호하기 위하여 본 발명의 제어부(140)는 상기 (비상) 충전 모드 중 상기 센싱된 이차전지 셀의 전압이 과방전 보호를 위한 제2기준 전압보다 낮은 경우 상기 배터리로 유입되는 충전 전력만이 흐를 수 있도록 상기 스위칭부(110)를 제어하는 것이 바람직하다.
충전이 이루어지고는 있으나, 아직 배터리 또는 개별 이차전지 셀의 전압이 적정한 수준으로 상승되지 않은 상태에서 방전이 이루어지게 되면(모터 등의 구동) 이차전지 셀의 전기 화학적 특성 저하가 심화될 수 있으므로 적정한 전압(제2기준 전압)으로 상승될 때까지 충전만 제한적으로 가능한 상태를 유지하는 것이 바람직하다.
충전에 의한 전력 흐름만이 선별적으로 가능하도록 하는 구성은 도 3에 예시적으로 도시한 회로 구성을 포함하여 당업자 간에 다양한 활용예 및 변형례가 가능함은 물론이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭부(110)는 다이오드 소자(D1)와 릴레이 모듈(R1)이 병렬로 연결되는 구조를 가지도록 구성되는데, 상기와 같이 현재 상태의 전압이 제2기준전압을 넘지 못하고 있는 경우, 상기 릴레이 모듈(R1)의 전기적 연결을 차단(off)시켜 배터리 측으로 향하는 전력(충전 전력)은 다이오드를 경유하여 차량 시스템에서 배터리 측으로 흐를 수 있도록 하며, 배터리에서 차량 시스템으로 향하는 전력(방전 전력)은 다이오드의 방향과 릴레이의 차단에 의하여 흐를 수 없는 즉, 일 방향성(단 방향성) 흐름이 되도록 제어한다.
만약 현재 센싱된 이차전지 셀의 전압이 상기 제2기준 전압보다 높은 경우는 정상적인 구동이 가능한 상태로 판단될 수 있으므로 본 발명의 제어부(140)는 이 경우 상기 릴레이 모듈(R1)을 연결(on)시켜 방전 및 충전에 대한 양방향 전력이 흐를 수 있도록 상기 스위칭부를 제어(S590)하여 배터리를 정상 모드 상태로 전환시킨다.
후속적으로 차량의 키가 off 되거나 강제 종료 신호가 입력되는 등 배터리 구동 내지 프로세싱에 대한 종료 조건이 충족되면(S595) 본 발명의 프로세싱이 종료되도록 구성할 수 있다.
한편, 상기 제2기준 전압 또한, 제1기준 전압과 같이 배터리나 이차전지의 스펙, 적용 사양, 시스템 환경, 적용된 소자의 전기적 특성, 안정 및 안전성의 정책적 기준 등을 고려하여 가변적으로 설정될 수 있는 값으로서, 앞서 설명된 전력 차단의 기준이 되는 제1기준 전압과 실질적으로 동일한 전압값으로 설정할 수도 있음은 물론이며, 차량 구동의 안정성을 확보하는 차원에서 상기 제2기준 전압은 상기 제1기준 전압보다 높은 값으로 설정되는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술 사상과 관련하여 배터리(이차전지)의 SOC, 전압 등의 특성 프로파일과 이에 대한 차등적 내지 다원적 제어 모드에 대한 연계성을 첨부된 도 4를 통하여 설명하면 다음과 같다.
우선, MODE1은 정상 모드로서 충전 내지 방전에 대한 자유도가 형성된 모드를 의미하는데, 앞서 설명된 바와 같이 주의를 요하는 수준의 SOC보다 높은 SOC 상태가 이루어지는 t0 ~ t1 구간은 정상 모드 구간 즉, 충전 및 방전 모두 자유롭게 프로세싱될 수 있는 구간에 해당한다.
추가적이고 후속적인 충전이 이루어지지 않으면 배터리의 SOC는 차량의 구동에 의하여 점진적으로 감소하게 되어 주의를 요하는 기준SOC(도 4에서는 10%로 가정함)에 도달하게 되는데(t1), 이 경우에는 앞서 설명된 바와 같이 이에 대한 안내 내지 알람 정보를 사용자에게 출력하거나 기준SOC에 도달한 시간 정보 등을 저장하는 등의 프로세싱이 수행되는 주의모드(MODE2)로 전환된다(t1 ~ t2).
충전 없이 계속적인 구동이 이루어져 현재 SOC가 더욱 낮아지게 되면, 정격 전압 특성을 가지는 이차전지 셀의 거동 변화가 발생하여 전압이 저하되게 되는데, 현재 이차전지 셀 중의 어느 하나의 셀 전압(또는 복수 개 이차전지 셀 전압에 대한 통계적 수치로서 평균 전압, 가중치 평균 전압 등도 적용될 수 있다)이 제1기준전압(Vr1) 이하로 떨어지게 되면(t2), 본 발명의 시스템은 배터리(이차전지)의 보호 등을 위하여 현재 모드를 주의 모드(MODE2)에서 과방전 모드(MODE3)(t2 ~ t3)로 전환하며, 전력의 흐름을 차단하여 더 이상의 배터리 방전이 이루어지지 않도록 한다.
그 후 충전 신호가 입력되면 차단되었던 전력 흐름을 해제하여 충전이 이루어지도록 구성되는데, 배터리(이차전지)의 전기 화학적 특성의 실효성 높은 보호를 위하여 제2기준전압(Vr2) 레벨까지 전압이 상승할 때(t4)까지는 충전만 가능하고 방전은 불가능한 비상 충전 모드(MODE4)를 개시한다(t3 ~ t4).
그 후 이차전지 셀의 전압 등이 지속적인 충전에 의하여 제2기준전압을 넘어 상승하게 되면, 다시 정상 모드(MODE1)로 복귀시켜 충방전 프로세싱이 원활하고 자유롭게 이루어지도록 구성된다. 충전과 방전은 연속적으로 반복 수행될 수 있으므로 상기에서 설명된 해당 모드의 진입 내지 전환 등은 충방전 환경에 따라 순환적으로 진행될 수 있음은 물론이다.
한편 본 발명의 앞서 설명된 배터리 제어장치(100)는 도 6 등에 도시된 배터리 팩(200) 자체의 시스템으로 구현될 수 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 배터리 팩(200)은 충방전의 대상이 되며 차량 등에 전력을 공급하는 공급원으로서 기능하는 배터리 모듈(210)과 앞서 설명된 제어 장치가 모듈로 구현된 관리 모듈(220)을 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 관리모듈(220)은 BMS 등으로 구현될 수 있음은 물론이다.
상기 배터리 모듈(210)은 복수 개의 이차전지(211)로 구성될 수 있음은 물론이며, 본 발명에 의한 배터리 팩(200) 특히 관리 모듈(220)은 앞서 설명된 바와 같이 충전 또는 방전에 의한 전력 소통을 차량 시스템(300)과 수행하며, 차량 구동 등에 필요한 정보를 차량 시스템(300) 측으로 전달하고 사용자 등이 요구하는 정보 등이 입력되도록 구성된다.
상기 배터리 팩(200)의 관리 모듈(220)을 포함한 상세한 구성에 대한 설명은 앞서 설명된 제어 장치(100)에 대한 내용과 대응되므로 앞선 설명으로 대체한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 본 발명의 설명에 있어 제1, 제2 등과 같은 표현은 상호 간의 각 구성을 상대적으로 구분하기 위하여 사용되는 도구적 개념의 용어일 뿐, 특정의 순서, 우선순위, 중요성 등을 객관적이고 물리적으로 구분하기 위하여 사용되는 용어이거나 절대적이고 물리적인 기준에서 각각의 구성을 구분하기 위하여 사용된 용어가 아님은 자명하다.
앞서 설명된 실시예 및 도면은 본 발명의 기술 사상을 효과적으로 설명하기 위하여 다소 상징적이고 강조 부각된 형태로 표현되었을 수 있으나, 당업자 수준에서 본 발명의 기술 사상을 실제 배터리 제어 장치, 배터리 팩 시스템 등에 적용함에 있어 필요한 적절한 변형이나 수정 등이 가해질 수 있음은 자명하다고 해석되어야 한다.
100: 제어 장치 110: 스위칭부
120: 센싱부 130: 과방전 제어부
140: 제어부 150: 연산부
160: 메모리부

Claims (18)

  1. 복수 개 이차전지 셀을 포함하는 배터리의 충방전에 의한 전력 흐름을 온오프시키는 스위칭부;
    상기 이차전지 셀의 전압을 센싱하는 센싱부;
    상기 센싱된 전압이 구동 중단에 대한 제1기준 전압보다 낮은 경우 상기 배터리의 방전이 이루어지지 않도록 상기 스위칭부를 오프시키는 과방전 제어부; 및
    충전 개시 신호가 입력되면 상기 스위칭부를 온시켜 충전 모드가 이루어지도록 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 충전 모드 중 상기 센싱된 이차전지 셀의 전압이 과방전 보호를 위한 제2기준 전압보다 낮은 경우 상기 배터리로 유입되는 충전 전력만이 흐를 수 있도록 상기 스위칭부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 비상충전 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC(State Of Charge)를 생성하는 연산부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 SOC가 기준 SOC보다 낮은 경우 이에 대한 경고 메시지가 출력되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 비상충전 제어 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 과방전 제어부는,
    상기 복수 개 이차전지 셀 중 적어도 하나가 상기 제1기준 전압보다 낮은 경우 상기 스위칭부가 오프되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 비상충전 제어 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 스위칭부는,
    다이오드 소자와 릴레이 모듈이 병렬로 연결되는 구조로 이루어지며,
    상기 제어부는 상기 충전 모드 중 상기 센싱된 이차전지 셀의 전압이 상기 제2기준 전압보다 낮은 경우 상기 릴레이 모듈을 오프시켜 충전 전력이 상기 다이오드를 통하여 상기 배터리로 유입되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 전기 차량의 비상충전 제어 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 센싱된 이차전지 셀의 전압이 상기 제2기준 전압보다 높은 경우 상기 릴레이 모듈을 온시켜 방전 및 충전에 대한 양방향 전력이 흐를 수 있도록 상기 스위칭부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 비상 충전 제어 장치.
  7. 배터리를 구성하는 복수 개 이차전지 셀의 전압을 센싱하는 전압 센싱단계;
    상기 센싱된 전압이 구동 중단에 대한 제1기준 전압보다 낮은 경우 상기 배터리의 방전이 이루어지지 않도록 상기 배터리의 충방전에 의한 전력 흐름을 온오프시키는 스위칭부가 오프되도록 제어하는 과방전 제어단계;
    충전 개시 신호의 입력 여부를 판단하는 판단단계; 및
    충전 개시 신호가 입력되면 상기 스위칭부를 온시켜 충전 모드가 이루어지도록 제어하는 제어단계를 포함하고,
    상기 제어단계는,
    상기 충전 모드 중 상기 센싱된 이차전지 셀의 전압이 과방전 보호를 위한 제2기준 전압보다 낮은 경우 상기 배터리로 유입되는 충전 전력만이 흐를 수 있도록 상기 스위칭부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 비상 충전 제어방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 배터리의 SOC(State Of Charge)를 생성하는 연산단계; 및
    상기 SOC가 기준 SOC보다 낮은 경우 이에 대한 경고 메시지를 출력하는 출력단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 비상충전 제어 방법.
  9. 제 7항에 있어서, 과방전 제어단계는,
    상기 복수 개 이차전지 셀 중 적어도 하나가 상기 제1기준 전압보다 낮은 경우 상기 스위칭부가 오프되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 비상충전 제어 방법.
  10. 삭제
  11. 제 7항에 있어서, 상기 스위칭부는,
    다이오드 소자와 릴레이 모듈이 병렬로 연결되는 구조로 이루어지며,
    상기 제어단계는 상기 충전 모드 중 상기 센싱된 이차전지 셀의 전압이 상기 제2기준 전압보다 낮은 경우 상기 릴레이 모듈을 오프시켜 충전 전력이 상기 다이오드를 통하여 상기 배터리로 유입되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 전기 차량의 비상충전 제어 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 제어단계는,
    상기 센싱된 이차전지 셀의 전압이 상기 제2기준 전압보다 높은 경우 상기 릴레이 모듈을 온시켜 방전 및 충전에 대한 양방향 전력이 흐를 수 있도록 상기 스위칭부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 비상충전 제어 방법.
  13. 복수 개 이차전지 셀을 포함하는 배터리; 및
    상기 배터리의 충방전에 의한 전력 흐름을 온오프시키는 스위칭부, 상기 이차전지 셀의 전압을 센싱하는 센싱부, 상기 센싱된 전압이 구동 중단에 대한 제1기준 전압보다 낮은 경우 상기 배터리의 방전이 이루어지지 않도록 상기 스위칭부를 오프시키는 과방전 제어부와 충전 개시 신호가 입력되면 상기 스위칭부를 온시켜 충전 모드가 이루어지도록 제어하는 제어부를 포함하는 제어모듈을 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 충전 모드 중 상기 센싱된 이차전지 셀의 전압이 과방전 보호를 위한 제2기준 전압보다 낮은 경우 상기 배터리로 유입되는 충전 전력만이 흐를 수 있도록 상기 스위칭부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 비상 충전을 위한 배터리 팩.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 제어모듈은,
    상기 배터리의 SOC(State Of Charge)를 생성하는 연산부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 SOC가 기준 SOC보다 낮은 경우 이에 대한 경고 메시지가 출력되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 비상충전을 위한 배터리 팩.
  15. 제 13항에 있어서, 과방전 제어부는,
    상기 복수 개 이차전지 셀 중 적어도 하나가 상기 제1기준 전압보다 낮은 경우 상기 스위칭부를 오프시키는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 비상충전을 위한 배터리 팩.
  16. 삭제
  17. 제 13항에 있어서, 상기 스위칭부는,
    다이오드 소자와 릴레이 모듈이 병렬로 연결되는 구조로 이루어지며,
    상기 제어부는 상기 충전 모드 중 상기 센싱된 이차전지 셀의 전압이 상기 제2기준 전압보다 낮은 경우 상기 릴레이 모듈을 오프시켜 충전 전력이 상기 다이오드를 통하여 상기 배터리로 유입되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 전기 차량의 비상충전을 위한 배터리 팩.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 센싱된 이차전지 셀의 전압이 상기 제2기준 전압보다 높은 경우 상기 릴레이 모듈을 온시켜 방전 및 충전에 대한 양방향 전력이 흐를 수 있도록 상기 스위칭부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 비상 충전을 위한 배터리 팩.
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