KR101558705B1 - 배터리 충전 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 제어 장치는, 보조 배터리; 차량의 운행 조건에 따라 상기 보조 배터리의 제어 모드를 결정하는 차량 제어기; 상기 보조 배터리의 상태를 측정하고 측정된 배터리 상태를 이용하여 상기 제어 모드에 따라 상기 보조 배터리의 배터리 전류 제어를 수행하는 직류 변환기; 상기 직류 변환기에 충전 또는 방전 전원을 공급하는 고전압 배터리;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 충전 제어 장치 및 방법{Apparatus and Method for controlling charge of battery}
본 발명은 배터리 충전 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 친환경 차량의 구조적 장점 및/또는 배터리의 기본 특성을 고려하여 직류 변환기 전원공급시 전장부하 및/또는 배터리의 상태에 따라 충전제어하는 배터리 충전 제어 장치 및 방법에 대한 것이다.
차량용 보조 배터리는 잦은 충 방전으로 내구수명이 2~3년으로 짧은 것이 일반적이다. 그러나 친환경 차량의 보조 배터리는 일반 엔진차량보다는 Start시 부하가 적고, 저전압 직류 변환기(LDC: Low Voltage DC-DC Converter)를 사용하여 빠르고 정밀한 제어가 가능하나 보조 배터리 운영전략 등이 부재하여 엔진차와 유사하게 관리되고 있었다.
부연하면, 차량 제어기의 요청에 따라 정해진 제어 전압을 확정하여 저전압 직류 변환기의 가변 전압 제어를 실시하였다.
이를 보여주는 도면이 도 1에 도시된다. 도 1을 참조하면, 제어 전압을 Low(연비방전)모드, Medium(연비충전)모드, High(충전) 모드로 구성하였다. 즉, Low 모드는 주로 보조 배터리 연비고려 방전모드시 적용되고, Medium 모드는 연비고려 충전모드시 적용되며, High 모드는 일반 충전모드시 적용되었다.
이 경우, 가변 제어 모드 수행시 배터리 특성과는 무관한 고정된 스텝(Step) 전압을 인가하여 일정시간 효율이 낮은 전류영역에서 충전하므로 내구 및 연비가 불리하다는 문제점이 있었다. 부연하면, 모드간 전이시 또는 동일모드 충전시 지속적이고 전류충전으로 친환경 차량의 구조적 장점, 배터리 부하특성 및/또는 배터리 상태를 고려하지 않았다.
이를 해소하기 위한 발명으로 한국공개특허번호 제10-2013-0082360호 등을 들 수 있다. 이는 저전압 배터리 센서를 이용하여 감지되는 저전압 배터리의 상태 정보 및 전류 센서를 이용하여 감지되는 구동부하 정보를 이용하여 저전압 컨버터의 출력 전압을 가변적으로 제어한다
그러나, 전압 제어 모드를 이용하므로 여전히 친환경 차량의 구조적 장점, 배터리 부하특성 및/또는 배터리 상태를 고려하지 못하고 있다.
1. 한국공개특허번호 제10-2013-0082360호 2. 미국공개특허번호 제2012-0306236A1호
본 발명은 친환경 차량의 구조적 장점 및/또는 배터리 상태를 고려하여 직류 변환기의 가변 제어를 수행하는 배터리 충전 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전원공급시 전장부하 및/또는 배터리 상태에 따라 충전제어함으로써 보조 배터리의 내구성을 증대하고, 연비를 향상하는 배터리 충전 제어 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 친환경 차량의 구조적 장점 및/또는 배터리 상태를 고려하여 직류 변환기의 가변 제어를 수행하는 배터리 충전 제어 장치를 제공한다.
상기 배터리 충전 제어 장치는,
보조 배터리;
차량의 운행 조건에 따라 상기 보조 배터리의 제어 모드를 결정하는 차량 제어기;
상기 보조 배터리의 상태를 측정하고 측정된 배터리 상태를 이용하여 상기 제어 모드에 따라 상기 보조 배터리의 배터리 전류 제어를 수행하는 직류 변환기; 및
상기 직류 변환기에 충전 또는 방전 전원을 공급하는 고전압 배터리;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 배터리 전류 제어는 상기 제어 모드가 연비 충전 모드일 때 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 보조 배터리의 충전은 상기 보조 배터리의 충전 효율이 고효율일 때만 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 보조 배터리의 충전을 위한 입력 전류는 상기 보조 배터리의 충전 효율이 저효율이 되는 제 1 기준값(a) 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 보조 배터리의 충전은 상기 직류 변환기의 출력 전류가 고전류일 때만 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 충전을 위한 상기 직류 변환기의 출력 전류는 상기 직류 변환기의 출력 전류가 저전류가 되는 제 2 기준값(b) 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 배터리 상태는 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health) 및 온도 정보 중 적어도 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 배터리 전류 제어는 수학식 Ib = (Vb - VOCV)/Rb(여기서, Ib는 보조 배터리의 입력 전류이고, Rb는 보조 배터리 내부 저항이고, Vb는 보조 배터리에 인가되는 전압이고, VOCV는 보조 배터리 내부 전압을 나타낸다)으로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 직류 변환기의 출력 전류는 수학식 ILDC = IL + Ib(여기서, IL은 차량의 요구 부하를 나타낸다)으로 정의되며, 상기 차량의 요구 부하(IL)는 상기 연비충전모드일 때 일정하게 유지되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 차량의 요구 부하(IL)는 상기 직류 변환기의 출력 전류가 저전류가 되는 제 2 기준값(b) 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 차량의 운행 조건에 따라 보조 배터리의 제어 모드를 결정하는 단계; 상기 보조 배터리의 상태를 측정하는 단계; 측정된 배터리 상태를 이용하여 상기 제어 모드에 따라 배터리 전류 제어를 수행하는 단계; 및 상기 배터리 전류 제어에 따라 충전 또는 방전하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 친환경 차량의 구조적 장점 및/또는 배터리 상태가 고려된 보조 배터리 전원제어로, 충전효율을 증대시켜 보조 배터리의 내구성을 증가시킴과 동시에 연비향상 효과가 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 별도의 하드웨어(H/W) 추가없이 소프트웨어(S/W) 알고리즘의 개선만으로 구현되므로 경제적으로도 유리하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 모드별 제어 전압을 이용하여 저전압 직류 변환기의 가변 전압 제어를 수행하는 개념을 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 충전시 전압 제어 모드에서 전류 제어 모드로 변경하여 배터리 상태를 고려한 저전류로 배터리 충전을 수행하는 배터리 충전 제어 장치(200)의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 충전시 전압제어모드에서 전류제어모드로 변경하여 배터리 상태를 고려한 저전류로 배터리 충전을 수행하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 일반적인 입력 전류 대 배터리 충전 효율 관계를 보여주는 그래프이다.
도 5는 일반적인 출력 전류 대 저전류 직류 변환기의 효율 관계를 보여주는 그래프이다.
도 6은 일반적인 출력 전류 대 저전류 직류 변환기의 부하 효율 관계를 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 이해되어야한다.
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 제어 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 충전시 전압 제어 모드에서 전류 제어 모드로 변경하여 배터리 상태를 고려한 저전류로 배터리 충전을 수행하는 배터리 충전 제어 장치(200)의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 전장 부하(250)에 전원을 공급하기 위해 충전 및/또는 방전하는 보조 배터리(240), 차량의 운행 조건에 따라 보조 배터리(240)의 제어 모드를 결정하는 차량 제어기(210), 상기 보조 배터리의 상태를 측정하고 측정된 배터리 상태를 이용하여 상기 제어 모드에 따라 상기 보조 배터리(240)의 배터리 전류 제어를 수행하는 직류 변환기(230), 상기 직류 변환기(230)에 충전 또는 방전 전원을 공급하는 고전압 배터리(220) 등으로 포함하여 구성된다.
차량 제어기(210)는 차량 전체를 제어하는 기능을 수행하여 차량의 운행 조건에 따라 보조 배터리(240)의 제어 모드를 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 직류 변환기(230)에 전송한다. 물론, 이러한 알고리즘을 위해 마이크로 프로세서, 메모리 등이 구성된다. 여기서, 제어 모드는 연비방전 모드, 연비충전 모드, 충전 모드로 구성된다.
직류 변환기(230)는 보조 배터리(240)의 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health), 및 온도 조건 등의 배터리 상태를 고려하여 보조 배터리(240)의 제어모드 및/또는 배터리 전류 제어를 수행하여 보조 배터리(240)의 충전 및/또는 방전을 수행한다.
이를 위해 직류 변환기(230)는 제어 모드 및/또는 배터리 전류 제어를 수행하는 제어부(231)와 이 제어부(231)의 제어에 따라 보조 배터리(240)로의 출력 전류 출력 전압, 고전압 배터리(220)로부터의 입력 전원 등을 변환하는 파워부(232)로 구성된다. 부연하면, 직류 변환기는 고전압을 저전압으로 변환하는 저전압 직류 변환기(LDC: Low Voltage DC-DC Converter)가 될 수 있다.
이를 위해 제어부(231)는 마이크로프로세서, 메모리 등이 구성된다. 메모리는 마이크로프로세서에 구성될 수도 있고, 별도의 메모리가 사용될 수 있다.
고전압 배터리(220)는 배터리 셀(미도시)이 직렬 및/또는 병렬로 구성되며, 이 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리 등의 친 환경차용 배터리가 될 수 있다.
여기서, 친환경 차량의 예로서는 EV(Electric Vehicle), HEV(Hybrid Electric Vehicle), PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle), 연료 전지 차량 등을 들 수 있다.
보조 배터리(240)는 차량내 설치되는 전장 부하(250)에 약 12V 전원을 공급하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 충전 및/또는 방전을 수행한다.
배터리 전류제어는 연비충전모드일때 수행되며, 배터리 전류제어의 수행 조건 상태(즉 정상 상태라고도 한다)는 다음과 같다.
1) 보조 배터리(240)는 도 4에 도시된 바와 같이 보조 배터리(240)에 입력되는 입력 전류(즉 충전 전류)에 따라 배터리 충전 효율이 고효율에서 저효율로 바뀐다. 즉, 제 1 기준값(a) 이상에서는 충전 효율이 떨어지므로 기준값 a 이상에서만 충전을 수행한다.
2) 직류 변환기(230)의 효율은 저전류에서 낮고, 고전류에서 높으므로 도 5에 도시된 바와 같이, 제 2 기준값(b)의 전류 이상에서 동작한다. 입력 전류는 다음식과 같다.
[수학식 1]
I b = ( V b - V OCV )/ R b
여기서, Ib는 보조 배터리의 입력 전류이고, Rb는 보조 배터리 내부 저항이고, Vb는 보조 배터리에 인가되는 전압이고, VOCV는 보조 배터리 내부 전압을 나타낸다.
위 1) 및 2)의 조건 운영시 전장 부하(250)의 12V 부하 효율은 도 6에 도시된 바와 같이, 운영된다. 따라서, 일반적인 모드 변경시의 급격한 전류 증대가 제어되지 않아 보조 배터리의 충전 효율이 증대되어 내구성이 향상된다. 또한, 이에 따라 연비향상도 가능하다. 직류 변환기의 출력 전류는 다음과 같다.
[수학식 2]
I LDC = I L + I b
여기서, IL은 차량의 요구 부하를 나타낸다.
상기 차량의 요구 부하(IL)는 상기 연비충전모드일 때 일정하게 유지될 수 있다.
또한, 보조 배터리 발열량은 다음식과 같다.
[수학식 3]
Q = 0.24 I b 2 R b
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 충전시 전압제어모드에서 전류제어모드로 변경하여 배터리 상태를 고려한 저전류로 배터리 충전을 수행하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 차량의 운행 조건에 따라 보조 배터리(240)의 제어 모드를 결정한다(단계 S310). 즉, 제어 모드가 연비충전모드인지를 확인한다.
연비충전모드(310)이면, 보조 배터리(240)의 현재 인가 전압(Vb), 입력 전류(Ib)를 측정하여 이들의 값들이 조건에 충족하는 지를 확인한다(S313,S315,S317). 특히, 단계 S315에서 현재 인가 전압(Vb)이 미리 설정된 제한 값 이상이면 단계 S310 내지 S315를 다시 진행한다.
확인 결과, 충족여부에 따라 충족하면 기준전압(Vref)에서 일정 값만큼 감소시키고, 충족하지 못하면 증가시켜 새로운 기준전압을 생성한다(단계 S318,S319). 이후 다시 단계 S310 내지 단계 S319를 다시 진행한다.
이와 달리, 단계 S310에서, 연비충전모드(310)가 아니고, 연비방전모드(320)이면, 보조 배터리(240)의 현재 인가 전압(Vb), 요구 부하(IL)를 측정하여 이들의 값들이 조건에 충족하는 지를 확인한다(S320,S321,S323). 특히, 단계 S321에서 현재 인가 전압(Vb)이 미리 설정된 제한값 보다 작으면 직류 변환기(도 2의 230)를 온(ON)하고, 기준전압(Vref)을 연비방전모드 전압으로 설정한다(단계 S325). 이후 단계 S310으로 진행한다.
확인 결과, 충족여부에 따라 충족하면 직류 변환기(230)를 오프하고, 충족하지 못하면 직류 변환기(230)를 온하여 기준전압(Vref)을 연비 방전모드 전압으로 설정한다(단계 S327,S329). 이후 다시 단계 S321 내지 S329를 반복수행한다.
도 4는 일반적인 입력 전류(즉 충전 전류라고도 한다) 대 배터리 충전 효율 관계를 보여주는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 전류의 증가에 따라 보조 배터리(도 2의 230)의 충전 효율이 고효율에서 저효율로 떨어지게 된다. 따라서, 제 1 기준값(a) 이하의 입력 전류에서만 충전이 이루어져야 한다.
도 5는 일반적인 출력 전류 대 저전류 직류 변환기의 효율 관계를 보여주는 그래프이다. 도 5를 참조하면, 저전류 직류 변환기의 효율은 출력 전류가 제 2 기준값(b)이상일 때만 높게 유지된다. 따라서, 저전류 직류 변환기의 출력 전류는 제 2 기준값(b) 이상이야만 한다.
도 6은 일반적인 출력 전류 대 저전류 직류 변환기의 부하 효율 관계를 보여주는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 정상상태에서만 직류 변환기가 동작하여야 전장 부하(도 2의 250)의 효율이 일정하게 유지된다.
200: 배터리 충전 제어 장치
210: 차량 제어기
220: 고전압 배터리
230: 직류 변환기
231: 제어부 232: 파워부
240: 보조 배터리 250: 전장 부하

Claims (20)

  1. 보조 배터리;
    차량의 운행 조건에 따라 상기 보조 배터리의 제어 모드를 결정하는 차량 제어기;
    상기 보조 배터리의 상태를 측정하고 측정된 배터리 상태를 이용하여 상기 제어 모드에 따라 상기 보조 배터리의 배터리 전류 제어를 수행하는 직류 변환기; 및
    상기 직류 변환기에 충전 또는 방전 전원을 공급하는 고전압 배터리;를 포함하되,
    상기 보조 배터리의 충전은 상기 보조 배터리의 충전 효율이 고효율일 때만 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 전류 제어는 상기 제어 모드가 연비 충전 모드일 때 수행되어 상기 보조 배터리를 충전하고, 상기 제어 모드가 연비 방전 모드이면 상기 배터리 전류 제어가 수행되지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 배터리의 충전을 위한 입력 전류는 상기 보조 배터리의 충전 효율이 저효율이 되는 제 1 기준값(a) 이하인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 배터리의 충전은 상기 직류 변환기의 출력 전류가 고전류일 때만 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    충전을 위한 상기 직류 변환기의 출력 전류는 상기 직류 변환기의 출력 전류가 저전류가 되는 제 2 기준값(b) 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 상태는 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health) 및 온도 정보 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 배터리 전류 제어는 수학식 Ib = (Vb - VOCV)/Rb(여기서, Ib는 보조 배터리의 입력 전류이고, Rb는 보조 배터리 내부 저항이고, Vb는 보조 배터리에 인가되는 전압이고, VOCV는 보조 배터리 내부 전압을 나타낸다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 직류 변환기의 출력 전류는 수학식 ILDC = IL + Ib(여기서, IL은 차량의 요구 부하를 나타낸다)으로 정의되며, 상기 차량의 요구 부하(IL)는 상기 연비충전모드일 때 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 차량의 요구 부하(IL)는 상기 직류 변환기의 출력 전류가 저전류가 되는 제 2 기준값(b) 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 장치.
  11. 차량의 운행 조건에 따라 보조 배터리의 제어 모드를 결정하는 단계;
    상기 보조 배터리의 상태를 측정하는 단계;
    직류 변환기가 측정된 배터리 상태를 이용하여 상기 제어 모드에 따라 배터리 전류 제어를 수행하는 단계; 및
    상기 배터리 전류 제어에 따라 충전 또는 방전하는 단계;를 포함하되,
    상기 보조 배터리의 충전은 상기 보조 배터리의 충전 효율이 고효율일 때만 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 배터리 전류 제어는 상기 제어 모드가 연비 충전 모드일 때 수행되어 상기 보조 배터리를 충전하고, 상기 제어 모드가 연비 방전 모드이면 상기 배터리 전류 제어가 수행되지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 방법.
  13. 삭제
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 보조 배터리의 충전을 위한 입력 전류는 상기 보조 배터리의 충전 효율이 저효율이 되는 제 1 기준값(a) 이하인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 보조 배터리의 충전은 상기 직류 변환기의 출력 전류가 고전류일 때만 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    충전을 위한 상기 직류 변환기의 출력 전류는 상기 직류 변환기의 출력 전류가 저전류가 되는 제 2 기준값(b) 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 배터리 상태는 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health) 및 온도 정보 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 배터리 전류 제어는 수학식 Ib = (Vb - VOCV)/Rb(여기서, Ib는 보조 배터리의 입력 전류이고, Rb는 보조 배터리 내부 저항이고, Vb는 보조 배터리에 인가되는 전압이고, VOCV는 보조 배터리 내부 전압을 나타낸다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 직류 변환기의 출력 전류는 수학식 ILDC = IL + Ib(여기서, IL은 차량의 요구 부하를 나타낸다)으로 정의되며, 상기 차량의 요구 부하(IL)는 상기 연비충전모드일 때 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 차량의 요구 부하(IL)는 상기 직류 변환기의 출력 전류가 저전류가 되는 제 2 기준값(b) 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 방법.

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