KR101910918B1 - 차량 및 그 충전 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 모터로 구동되는 차량에서 전기 모터를 구동하는 배터리가 방전된 경우 효율적으로 충전을 수행할 수 있는 차량 및 그를 위한 충전 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터 및 상기 전기 모터를 구동하기 위한 배터리를 포함하는 차량의 충전 제어 방법은, 배터리 관리 시스템(BMS)에서, 상기 배터리의 이상 여부를 판단하는 단계; 및 상기 판단 결과 상기 배터리가 과방전 상태인 경우, 상기 배터리의 전력 출력 경로 상에 구비된 전력 차단 수단을 활성화하는 단계; 외부 충전기의 충전 커넥터가 연결된 것으로 감지되면, 상기 과방전 상태와 무관하게 상기 전력 차단 수단을 비활성화하는 단계; 및 상기 전력 차단 수단이 비활성화된 동안, 상기 충전 커넥터를 통해 공급되는 충전 전력으로 상기 배터리의 충전을 개시하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

차량 및 그 충전 제어방법{VEHICLE AND METHOD OF RECHARGING BATTERY THEREIN}
본 발명은 전기 모터로 구동되는 차량에서 전기 모터를 구동하는 배터리가 방전된 경우 효율적으로 충전을 수행할 수 있는 차량 및 그를 위한 충전 제어 방법에 관한 것이다.
최근 친환경 자동차로 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)가 많은 주목을 받고 있다.
하이브리드 자동차란 일반적으로 두 가지 동력원을 함께 사용하는 차를 말하며, 두 가지 동력원은 주로 엔진과 전기모터가 된다. 이러한 하이브리드 자동차는 내연기관만을 구비한 차량에 비해 연비가 우수하고 동력성능이 뛰어날 뿐만 아니라 배기가스 저감에도 유리하기 때문에 최근 많은 개발이 이루어지고 있다.
이러한 하이브리드 자동차 중에도 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV)는 플러그를 연결하여 외부 전력으로 전기 모터를 구동할 배터리를 충전할 수 있다.
한편, 다른 형태의 친환경 자동차로 전기차(EV: Electric Vehicle) 또한 많은 주목을 받고 있다. 전기차는 일반적으로 전기 모터만을 이용하여 구동되기 때문에 전기 모터를 구동하기 위한 배터리의 충전이 필수적이다.
이러한 EV나 PHEV에 모터 구동을 위해 탑재되는 배터리가 일정 정도 이상으로 방전된 경우(즉, 과방전) 차량에서는 배터리의 지속적 과방전을 방지하기 위하여 배터리와 차량 내 부하 또는 충전기와의 전력 전달 경로를 차단하게 된다. 따라서, 배터리의 추가적인 방전은 방지될 수 있으나, 반대로 배터리가 차량에서 분리되지 않는 한 충전 또한 불가하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 배터리 과방전시 보다 효율적으로 충전 기능을 제공하는 차량 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터 및 상기 전기 모터를 구동하기 위한 배터리를 포함하는 차량의 충전 제어 방법은, 배터리 관리 시스템(BMS)에서, 상기 배터리의 이상 여부를 판단하는 단계; 및 상기 판단 결과 상기 배터리가 과방전 상태인 경우, 상기 배터리의 전력 출력 경로 상에 구비된 전력 차단 수단을 활성화하는 단계; 외부 충전기의 충전 커넥터가 연결된 것으로 감지되면, 상기 과방전 상태와 무관하게 상기 전력 차단 수단을 비활성화하는 단계; 및 상기 전력 차단 수단이 비활성화된 동안, 상기 충전 커넥터를 통해 공급되는 충전 전력으로 상기 배터리의 충전을 개시하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량은, 휠 구동용 동력을 제공하는 전기 모터; 상기 전기 모터에 전력을 공급하는 배터리; 상기 배터리의 전력 출력 경로 상에 배치된 전력 차단 수단; 및 상기 배터리의 상태를 감지하고, 상기 전력 차단 수단을 제어하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함할 수 있다. 여기서 상기 배터리 관리 시스템은, 상기 배터리가 과방전 상태인 경우, 상기 배터리의 전력 출력 경로 상에 구비된 전력 차단 수단을 활성화하되, 외부 충전기의 충전 커넥터가 연결된 것으로 감지되면 상기 과방전 상태와 무관하게 상기 전력 차단 수단을 비활성화고, 상기 전력 차단 수단이 비활성화된 동안 상기 충전 커넥터를 통해 공급되는 충전 전력으로 상기 배터리의 충전을 개시할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.
배터리가 과방전된 상황에서도 배터리 분리 없이 충전이 수행될 수 있다.
본 발명에서 얻은 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 차량의 충전 시스템 구조의 일례를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량에서 배터리 과방전시 충전 제어 절차의 일례를 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
아울러, 본 명세서에서 "배터리"는 특별한 언급이 없는 한 일반적인 차량의 전장품 동작에 사용되는 12V 배터리가 아닌, 휠 구동을 위한 동력을 발생시키는 전기 모터에 전력을 공급하는 배터리인 것으로 가정한다. 또한, 본 명세서에서 언급되는 차량은 전기차(EV), 플러그인 전기차(PEV), 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV) 및 수소 연료 전지차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따른 차량의 충전 시스템을 설명하기 앞서, 도 1을 참조하여 일반적인 차량용 충전 시스템 구조를 설명한다.
도 1은 일반적인 충전 시스템 구조의 일례를 나타내는 도면이다.
도 1에서는 전기차(EV, 또는 플러그인 전기차:PEV)의 충전 시스템을 기준으로 설명하였으나, 화석 연료로 구동되는 엔진과 관련된 부분을 제외하면 도 1의 충전 시스템은 PHEV에도 유사하게 적용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 전기차의 충전 시스템(100)은, 급속 충전을 제어하는 급속 충전 제어기(110), 즉, PLC(Power Line Communication)/EVCC(Electric Vehicle Communication Controller), 완속 충전을 제어하는 OBC(on-board charger) 제어기(120), 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System, 130) 및 배터리(140)를 포함할 수 있다.
EVCC 제어기, OBC 제어기 및 BMS는 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 서로 연결될 수 있다. 또한, 충전 시스템(100)은 충전기(EVSE: electric vehicle supply equipment, 200)와 충전 커넥터를 통해 연결될 수 있다. 충전기(200)는 펄스폭 변조(PWM) 신호를 제어 파일럿(C/P) 라인을 통해 차량으로 전송하는데, 이러한 PWM 신호의 듀티 비율(즉, 펄스 폭의 H 신호와 L 신호의 비율)을 통하여 차량은 완속 충전인지 급속 충전인지 여부를 판단하게 된다.
BMS(120)는 배터리(140)의 상태 정보를 모니터링하며, 급속충전 제어기(110)나 OBC(120)로부터 충전 전력을 공급받아 배터리(140)로 전달하게 된다. 또한, BMS(130)는 배터리(140)의 출력(충전 전력 및 방전 전력) 허용 여부를 결정하고, 결정에 따라 출력 경로를 차단할 수 있다. 출력 경로의 차단에는 일반적으로 릴레이(미도시)가 사용될 수 있다. 이러한 경우, BMS(130)는 배터리에 충전 전력을 공급하거나, 배터리 전력을 사용하는 각종 부하로의 방전 전력을 제공하는 경로가 되는 출력 경로를 릴레이 on/off를 통해 제어하게 된다. 결국, BMS(130)는 배터리(140)가 과방전 상태인 것으로 판단되면, 고장 대응(fault reaction) 방안으로 릴레이를 오프하여 충/방전 전력을 모두 차단하게 된다.
그런데, 이와 같은 릴레이 제어는 외부 충전기(200)의 케이블이 차량에 연결된 경우라도 충전 전력을 공급받을 수 있는 경로까지 차단되는 결과를 가져와 배터리(140)가 차량에서 분리되지 않는 한 충전까지 불가하게 한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 배터리가 과방전(즉, 저전압)된 상태에서 외부 충전기의 충전 커넥터가 연결된 경우, 과방전에 대한 고장 대응을 해제하고 충전이 수행되도록 할 것을 제안한다. 또한, 과방전에 대한 고장 대응을 해제하고 충전을 수행함에도 실질적으로 충전이 수행되기 어려운 경우 즉시 고장 대응을 수행할 것을 제안한다.
본 실시예의 일 양상에 의하면, 배터리의 과방전에 대한 고장 대응은 릴레이를 이용한 배터리의 출력 경로 차단일 수 있다.
또한, 본 실시예의 일 양상에 의하면, 과방전에 대한 고장 대응 해제 후 실질적으로 충전이 수행되기 어려운 상태는 정상적인 충전 시퀀스에 따라 충전이 개시되었으나 1) 충전 전류가 일정 값 이하인 경우, 2) 충전이 수행됨에도 충전 전력보다 방전 전력이 더 큰 경우, 3) 저전압 상태가 유지(배터리 전압 상승이 없는 경우 포함)되는 경우 등을 들 수 있다.
여기서 배터리가 과방전 상태인지 여부에 대한 판단과 배터리 전력의 출력 경로 차단을 위한 릴레이 제어는 BMS에서 수행될 수 있다.
아울러, 본 실시예의 일 양상에 의하면, 충전시 배터리에 이상이 없더라도 충전 중에 배터리가 저전압 상태로 천이하는 경우 충전을 종료하고 과방전에 대한 고장 대응이 수행될 수 있다.
상술한 제어 절차를 순서도로 설명하면 도 2와 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량에서 배터리 과방전시 충전 제어 절차의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 2에서 편의상 배터리의 과방전 상태는 "저전압 fault"란 표현으로, 과방전에 대한 고장 대응은 "저전압 fault reaction"이라 기재하기로 한다.
도 2를 참조하면, 먼저 외부 충전기의 충전 커넥터가 차량에 연결된다(S201). 커넥터 연결 여부의 감지는 각 충전 규격의 표준에 명시된 방법에 따를 수 있다. 예를 들어, 콤보(DC Combo, TYPE 1)방식의 경우, 펄스폭 변조(PWM) 방식의 컨트롤 파일럿(CP) 신호를 완/급속 충전 제어기가 수신하여 이를 BMS에 알리는 방식으로 구현될 수 있다.
BMS는 충전 시퀀스를 수행하기 전에, 배터리의 이상 여부를 감지하고(S202), 이상이 없는 경우 정상 충전 시퀀스에 따라 배터리의 충전을 진행한다(S203). 만일 충전 중, 충전 시스템에 고장이 있거나 충전 전력보다 방전 전력이 큰 상황 등을 이유로 저전압 fault의 발생이 감지된 경우(S204), BMS는 추가 방전을 방지하기 위하여 충전을 종료하고 저전압 fault reaction(즉, 릴레이 오프)을 수행할 수 있다(S205). 반대로 저전압 fault 상황이 아닌 경우 충전이 지속될 수 있다(S233).
다시 S204 단계에서 충전 전 배터리 고장이 감지된 경우, 고장의 유형이 저전압 fault인지 여부가 판단될 수 있다(S211). 고장의 유형이 저전압 fault가 아닌 경우 BMS는 해당 유형에 대응되는 고장 reaction을 수행하여 고장에 대응한다(S212). 고장의 유형이 저전압 fault인 경우, BMS는 저전압 fault reaction의 수행을 금지하고(S211), 정상 충전 시퀀스로 진입한다(S222). 여기서 저전압 fault reaction의 수행을 금지한다고 함은, BMS에서 충전 커넥터가 연결되지 않은 일반적인 상황에서는 저전압 fault시 릴레이를 오프하는 저전압 fault reaction을 수행하나, 충전 커넥터가 연결된 상황에서는 해당 fault reaction을 수행하는 로직을 무시하고(override) 충전 시퀀스로 진입함을 의미할 수 있다.
충전이 시작된 후 BMS는 충전 전류를 모니터링하여(S223) 충전 전류가 흐르지 않은 상태로 일정 시간 이상 경과되면(S224), BMS는 충전을 종료하고 충전을 종료하고 저전압 fault reaction(즉, 릴레이 오프)을 수행할 수 있다(S225). 이는 실질적으로 배터리가 충전되지 않고 있는 상황이기에 배터리의 추가 방전을 방지하기 위함이다.
이와 달리 충전 전류가 일정 시간 이상 흐르고 있는 상황에서(S231), BMS는 배터리 전압이 상승했는지 여부를 판단한다(S232). 배터리 전압이 상승하고 있는 경우에는 충전을 지속하고(S233), 그렇지 않은 경우에는 충전을 종료하고 충전을 종료하고 저전압 fault reaction(즉, 릴레이 오프)을 수행할 수 있다(S241).
한편, 전력 경로의 차단 관점에서, 릴레이를 이원화하는 방법도 고려될 수 있다. 예를 들어, 충전 전력을 공급받는 충전 전력 경로와 부하에 전원을 공급하기 위한 방전 전력 경로를 물리적으로 분기시키고, 각 경로마다 BMS에서 제어하는 릴레이가 구비되도록 하여 충전 커넥터가 연결된 상황에서는 방전 전력 경로에 구비된 릴레이만을 오프시켜 충전 시퀀스가 진행되도록 할 수도 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (13)

  1. 휠 구동용 동력을 제공하는 전기 모터 및 상기 전기 모터를 구동하기 위한 배터리를 포함하는 차량의 충전 제어 방법에 있어서,
    배터리 관리 시스템(BMS)에서, 상기 배터리의 이상 여부를 판단하는 단계;
    상기 판단 결과 상기 배터리가 과방전 상태인 경우, 상기 배터리의 전력 출력 경로 상에 구비된 전력 차단 수단을 활성화하는 단계;
    외부 충전기의 충전 커넥터가 연결된 것으로 감지되면, 상기 전력 차단 수단을 비활성화하는 단계;
    상기 전력 차단 수단이 비활성화된 동안, 상기 충전 커넥터를 통해 공급되는 충전 전력으로 상기 배터리의 충전을 개시하는 단계;
    상기 충전이 개시된 후 충전 전류를 모니터링하는 단계; 및
    상기 충전 전류가 상기 배터리가 충전되지 않고 있음을 나타내는 임계값 이하인 경우, 상기 전력 차단 수단을 활성화하는 단계를 포함하되,
    상기 배터리의 전력 출력은,
    충전 전력 입력 및 방전 전력 출력을 포함하는, 차량의 충전 제어방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 충전 전류가 일정 시간 이상 상기 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 전압을 모니터링하는 단계; 및
    상기 배터리의 전압이 상승하지 않는 경우, 상기 전력 차단 수단을 활성화하는 단계를 더 포함하는, 차량의 충전 제어방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전력 차단 수단을 비활성화하는 단계는,
    상기 충전 커넥터가 연결된 것으로 감지되면 상기 과방전 상태와 무관하게 수행되는, 차량의 충전 제어방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전력 차단 수단은,
    릴레이를 포함하고,
    상기 차량은,
    전기차(EV), 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV) 및 수소 연료 전지차(FCEV)(Fuel Cell Electric Vehicle)를 포함하는, 차량의 충전 제어방법.
  7. 제 1항 및 제 4항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 차량의 충전 제어 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 해독 가능 기록 매체.
  8. 차량에 있어서,
    휠 구동용 동력을 제공하는 전기 모터;
    상기 전기 모터에 전력을 공급하는 배터리;
    상기 배터리의 전력 출력 경로 상에 배치된 전력 차단 수단; 및
    상기 배터리의 상태를 감지하고, 상기 전력 차단 수단을 제어하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하되,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 배터리가 과방전 상태인 경우, 상기 배터리의 전력 출력 경로 상에 구비된 전력 차단 수단을 활성화하되, 외부 충전기의 충전 커넥터가 연결된 것으로 감지되면 상기 전력 차단 수단을 비활성화고, 상기 전력 차단 수단이 비활성화된 동안 상기 충전 커넥터를 통해 공급되는 충전 전력으로 상기 배터리의 충전을 개시하며, 상기 충전이 개시된 후 충전 전류를 모니터링하고, 상기 충전 전류가 상기 배터리가 충전되지 않고 있음을 나타내는 임계값 이하인 경우, 상기 전력 차단 수단을 활성화하되,
    상기 배터리의 전력 출력은,
    충전 전력 입력 및 방전 전력 출력을 포함하는, 차량.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 충전 전류가 일정 시간 이상 상기 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리의 전압을 모니터링하고, 상기 배터리의 전압이 상승하지 않는 경우 상기 전력 차단 수단을 활성화하는, 차량.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 외부 충전기의 충전 커넥터가 연결된 것으로 감지되면 상기 과방전 상태와 무관하게 상기 전력 차단 수단을 비활성화는, 차량.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 전력 차단 수단은,
    릴레이를 포함하고,
    상기 차량은,
    전기차(EV), 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV) 및 수소 연료 전지차(FCEV)(Fuel Cell Electric Vehicle)를 포함하는, 차량.
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