KR102025287B1 - 충전 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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주식회사 엘지화학
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    • H02J7/0018—Circuits for equalisation of charge between batteries using separate charge circuits
    • H02J7/0077—
    • H02J2007/0037—

Abstract

본 발명은 배터리의 복수 개의 배터리 모듈들이 직렬로 연결된 배터리팩을 충전하는 충전 제어 장치에 있어서, 상기 복수 개의 배터리 모듈들을 구성하는 각각의 배터리 모듈의 전류, 전압 및 온도를 측정하는 AFE(Analog Front End)부; 상기 AFE부로부터 상기 전류, 전압 및 온도를 전달받아 상기 각각의 배터리 모듈의 SOC(State Of Charge)를 실시간 산출하고, 상기 복수 개의 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 SOC의 정전압(Constant Voltage) 구간 직전까지 복수 개의 충전 전원들 중 특정 전압 값을 갖는 특정 충전 전원으로 상기 복수 개의 배터리 모듈들을 충전하고, 상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 SOC가 상기 정전류 충전 제한 전압을 넘어서 충전되는 경우, 상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈로 흐르는 충전 전류를 차단하며, 상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈을 제외한 나머지 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 정전류 충전 제한 전압까지 상기 복수 개의 충전 전원들 중 상기 특정 전압 값과 다른 전압 값을 갖는 다른 충전 전원으로 상기 나머지 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈이 충전되도록 제어하는 제어부; 및 서로 다른 전압 값을 가진 상기 복수 개의 충전 전원을 출력하는 복수 개의 직류-직류 변환기들로 구성되는 충전 전원 공급부; 를 포함하는 충전 제어 장치가 제시된다.

Description

충전 제어 장치 및 방법{CONTROL DEVICE AND METHOD FOR CHARE}
본 발명은 충전 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 배터리 모듈이 직렬로 연결된 배터리팩을 충전할 수 있는 충전 제어 장치에 관한 것이다.
최근 이차전지 분야의 기술 발달에 따라 복수 개의 배터리 모듈로 구성된 배터리팩이 개발되어 넓은 분야에 사용되고 있다. 이에 배터리팩을 사용함에 있어서 배터리팩을 구성하는 복수 개의 배터리 모듈 각각을 균등하게 충전할 수 기술의 개발이 요구 되고 있다.
한편, 배터리팩을 구성하는 복수 개의 배터리 모듈들을 균등하게 충전하기 위한 기술들 중 하나로서 배터리팩에서 최대 SOC(State Of Charge)를 유지하는 배터리 모듈과 최소 SOC를 유지하는 배터리 모듈간의 편차를 산출하고, 산출된 편차가 미리 설정된 일정 값 이하를 유지하도록 충전을 제어하는 기술이 사용되었다.
하지만 상기 방법에 의해 충전되는 배터리팩은 최대 SOC를 유지하는 배터리 모듈에 미리 설정된 에너지 량이 충전되면 BMS(Battery Management System)가 배터리의 과충전에 의한 배터리팩의 손상을 방지하기 위해 과충전 보호 동작을 수행하게되어 충전이 종료된다. 따라서 최대 SOC를 유지하는 배터리 모듈 이외의 나머지 배터리 모듈들은 적은 충전 시간에 의해 SOC 낮은 상태로 충전이 종료되는 어려움이 있다. 이는 배터리팩을 균등하게 충전 하는 기술과 배터리 보호 회로 간의 상호 관계를 고려하지 않기 때문이다.
따라서, 배터리팩을 구성하는 복수 개의 배터리 모듈들의 충전 과정 중 배터리 보호 회로에 의해 충전이 중단되지 않는 배터리팩 충전 기술의 개발이 요구된다.
또한, 배터리팩을 구성하는 복수 개의 배터리 모듈들을 충전함에 있어서, 최대 SOC를 유지하는 배터리팩의 충전이 완료되어도 나머지 배터리 모듈들의 충전을 위해 충전 동작이 종료되지 않는 수 있는 배터리팩 충전 기술의 개발이 요구된다.
한국공개특허 제10-2004-0005117호
본 발명은 배터리팩을 구성하는 복수 개의 배터리 모듈들의 충전 과정 중 배터리 보호 회로에 의해 충전이 중단되지 않는 충전 제어 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 배터리팩을 구성하는 복수 개의 배터리 모듈들을 충전함에 있어서, 최대 SOC를 유지하는 배터리팩의 충전이 완료되어도 나머지 배터리 모듈들의 충전을 위해 충전 동작이 종료되지 않는 충전 제어 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 충전 제어 장치는, 복수 개의 배터리 모듈들이 직렬로 연결된 배터리팩을 충전하는 충전 제어 장치에 있어서, 상기 복수 개의 배터리 모듈들을 구성하는 각각의 배터리 모듈의 전류, 전압 및 온도를 측정하는 AFE(Analog Front End)부; 상기 AFE부로부터 상기 전류, 전압 및 온도를 전달받아 상기 각각의 배터리 모듈의 SOC(State Of Charge)를 실시간 산출하고, 상기 복수 개의 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 정전류 충전제한 전압까지 복수 개의 충전 전원들 중 특정 전압 값을 갖는 특정 충전 전원으로 상기 복수 개의 배터리 모듈들을 충전하고, 상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 SOC가 상기 정전류 충전 제한 전압을 넘어서 충전되는 경우, 상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈로 흐르는 충전 전류를 차단하며, 상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈을 제외한 나머지 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 정전류 충전 제한 전압까지 상기 복수 개의 충전 전원들 중 상기 특정 전압 값과 다른 전압 값을 갖는 다른 충전 전원으로 상기 나머지 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈이 충전되도록 제어하는 제어부; 및 서로 다른 전압 값을 가진 상기 복수 개의 충전 전원을 출력하는 복수 개의 직류-직류 변환기들로 구성되는 충전 전원 공급부; 를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 각각의 배터리 모듈의 SOC를 실시간 산출한 후, 상기 산출된 SOC를 크기가 큰 순서대로 정렬하고, 상기 복수 개의 배터리 모듈들 중 상기 정렬된 SOC 중 최대 SOC에 대응되는 배터리 모듈을 선택하며, 상기 선택된 배터리 모듈의 SOC를 고려하여 상기 충전 전원 공급부의 상기 복수 개의 충전 전원들 중 어느 하나를 선택하는 충전 전원 선택 신호를 생성하고, 상기 생성된 충전 전원 선택 신호를 상기 충전 전원 공급부로 전달할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수 개의 배터리 모듈들이 각각 정전류 충전 제한 전압까지 충전이 완료된 경우, 상기 복수 개의 배터리 모듈들의 충전이 완료되었음을 나타내는 충전 완료 신호를 생성하고, 상기 충전 전원 공급부를 통해 공급되는 충전 전원에 의해 상기 복수 개의 배터리 모듈들이 과충전되는 것을 방지하기 위해 생성된 상기 충전 완료 신호를 상기 배터리팩의 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 전송할 수 있다.
상기 충전 전원 공급부는, 상기 제어부로부터 상기 충전 전원 선택 신호를 전달받는 통신부를 더 포함하며, 수신된 상기 충전 전원 선택 신호에 따라 상기 복수 개의 직류-직류 변환기들 중 하나를 선택하여 충전 전원을 출력할 수 있다.
상기 AFE부는, 상기 복수 개의 배터리 모듈들과 일대일로 대응되는 복수 개의 AFE들을 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 AFE들을 구성하는 각각의 AFE는 인접한 AFE 소자와 격리(Isolation) 소자를 통해 서로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 충전 제어 방법은, 복수 개의 배터리 모듈들이 직렬로 연결된 배터리팩을 충전하는 충전 제어 방법에 있어서, 상기 복수 개의 배터리 모듈들을 구성하는 각각의 배터리 모듈의 전류, 전압 및 온도를 측정하여 상기 각각의 배터리 모듈의 SOC(State Of Charge)를 실시간 산출하는 제1 단계; 상기 복수 개의 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 SOC의 정전압(Constant Voltage) 구간 직전까지 상기 복수 개의 배터리 모듈들을 복수 개의 충전 전원들 중 특정 전압 값을 갖는 특정 충전 전원으로 충전하는 제2 단계; 상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 SOC가 상기 정전류 충전 제한 전압을 초과하여 충전되는 경우, 상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈로 흐르는 충전 전류를 차단하는 제3 단계; 상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈을 제외한 나머지 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 정전류 충전 제한 전압까지 상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈을 제외한 나머지 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈을 상기 복수 개의 충전 전원들 중 상기 특정 전압 값과 다른 전압 값을 갖는 다른 충전 전원으로 충전하는 제4 단계; 및 상기 각각의 배터리 모듈이 정전류 충전 제한 전압까지 충전이 완료될 때까지 상기 제1 단계 내지 제4 단계를 반복 수행하는 제5 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 제1 단계는, 상기 산출된 SOC를 크기가 큰 순서대로 정렬하는 단계; 상기 복수 개의 배터리 모듈들 중 상기 정렬된 SOC 중 최대 SOC에 대응되는 배터리 모듈을 선택하는 단계; 상기 선택된 배터리 모듈의 SOC를 고려하여 상기 복수 개의 충전 전원들 중 어느 하나를 선택하는 충전 전원 선택 신호를 생성하는 단계; 및 상기 생성된 충전 전원 선택 신호를 구비된 충전 전원 공급부로 전달하여, 상기 충전 전원이 공급되도록 제어하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
상기 제5 단계 이후에, 상기 각각의 배터리 모듈이 정전류 충전 제한 전압까지 충전이 완료되었는지 판단하는 제6 단계; 상기 판단 결과, 상기 각각의 배터리 모듈이 정전류 충전 제한 전압까지 충전이 완료된 경우, 상기 복수 개의 배터리 모듈들의 충전이 완료되었음을 나타내는 충전 완료 신호를 생성하는 단계; 및 구비된 충전 전원 공급부를 통해 공급되는 충전 전원에 의해 상기 복수 개의 배터리 모듈들이 과충전되는 것을 방지하기 위해 생성된 상기 충전 완료 신호를 상기 배터리팩의 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 전송하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 충전 제어 장치 및 방법은 배터리팩을 구성하는 복수 개의 배터리 모듈들의 충전 과정 중 배터리팩을 구성하는 모든 배터리 모듈의 SOC를 고려하여 충전을 진행함으로 충전 완료되기 이전에는 배터리 보호 회로에 의해 배터리팩의 충전이 중단되지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들에 따른 충전 제어 장치 및 방법은 배터리팩을 구성하는 복수 개의 배터리 모듈들을 충전함에 있어서, 최대 SOC를 유지하는 배터리팩의 충전이 완료되어도 나머지 배터리 모듈들의 충전을 위해 충전 동작이 종료되지 않는 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 충전 제어 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 충전 제어 방법의 순서도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 충전 제어 장치가 배터리팩을 충전하는 모습을 나타내는 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리팩은 전기 에너지를 저장하고 제공한다. 이러한 배터리는 충전 및 방전 가능한 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 또한, 배터리팩의 소정 수의 배터리 셀은 배터리 모듈을 이룰 수 있다. 즉, 배터리팩은 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함할 수 있고, 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 모듈은 배터리팩이나 부하 등의 스펙(specification)에 부합되도록 다양한 방법으로 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있고, 복수의 배터리 셀 또한 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 여기서, 배터리 셀의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리팩을 구성하는 배터리 모듈은 정전압(constant voltage mode) 충전방식으로 충전될 수 있다. 정전압 충전 방식은 배터리팩에 구비된 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압이 소정의 전압에 도달할 때까지 최대 전압의 충전 전원으로 충전을 실행하고, 배터리 모듈의 전압이 소정의 전압에 도달하게 되면, 배터리팩에 공급되는 충전 전원의 전압을 감소시키면서 배터리팩의 충전이 미완료된 적어도 하나의 배터리 모듈을 대상으로 충전을 실행하는 방법이다.
본 발명의 실시 예에 따른 정전류 충전 제한 전압은 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀이 포화되기 직전의 상태에서 배터리 모듈에서 방전될 수 있는 최대 전압을 의미할 수 있다. 배터리 모듈이 정전류 충전 제한 전압을 초과하여 충전이 진행되면, 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀의 손상이 발생하고 결과적으로 배터리팩에 열화가 발생한다.
1. 본 발명의 실시 예에 따른 충전 제어 장치
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 충전 제어 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 본 발명의 실시 예에 따른 충전 제어 장치(100)는 배터리팩(110), AFE(Analog Front End)부(120), 충전 전원 공급부(130), FET부(140) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다.
배터리팩(110)은 복수 개의 배터리 모듈들(111-1, 111-2, 111-n)을 포함할 수 있다.
또한, 배터리팩(110)에 포함된 각각의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)은 복수 개의 배터리셀들로 구성될 수 있다.
AFE부(120)는 복수 개의 AFE들(121-1,121-2,121-n)을 포함할 수 있다.
또한, AFE부(120)에 포함된 각각의 AFE(121-1,121-2,121-n)는 배터리팩(110)에 포함된 각각의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)과 일대일로 대응되도록 전기적으로 서로 연결될 수 있다.
또한, AFE부(120)에 포함된 각각의 AFE(121-1,121-2,121-n)는 제어부(150)의 제어에 따라 일대일로 대응되는 배터리팩(110)에 포함된 각각의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)을 대상으로 전류, 전압 및 온도를 실시간 측정할 수 있다.
또한, AFE부(120)는 각각의 AFE(121-1,121-2,121-n)를 통해 측정된 각각의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)의 전류, 전압 및 온도를 제어부(150)로 실시간 전달할 수 있다.
또한, AFE부(120)에 포함된 각각의 AFE(121-1,121-2,121-n)는 인접한 AFE와 격리(Isolation) 소자를 통해 서로 연결될 수 있다.
충전 전원 공급부(130)는 복수 개의 직류-직류 변환기들(131-1, 131-2, 131-n) 및 통신부(132)를 포함할 수 있다.
충전 전원 공급부(130)의 통신부(132)는 제어부(150)로부터 충전 전원 선택 신호를 전달받을 수 있다. 여기서 충전 전원 선택 신호는 복수 개의 직류-직류 변환기들(131-1, 131-2, 131-n) 중 어느 하나를 선택하여 선택된 직류-직류 변환기를 통해 충전 전원을 공급하도록 명령하는 신호이다.
충전 전원 공급부(130)에 포함된 복수 개의 직류-직류 변환기들(131-1, 131-2, 131-n)을 구성하는 각각의 직류-직류 변환기는 서로 다른 전압 값을 갖는 전원을 충전 전원으로 공급할 수 있다.
FET부(140)는 제어부(150)의 제어에 따라 복수 개의 FET(141-1, 141-2, 141-n) 중 적어도 하나의 동작을 제어하여 충전 전원의 전류를 차단하거나 도통시킬 수 있다.
제어부(150)는 배터리팩(110), AFE(Analog Front End)부(120), 충전 전원 공급부(130) 및 FET부(140)의 동작을 제어할 수 있다.
또한, 제어부(150)는 AFE부(120)에서 측정된 배터리팩(110)에 구비된 각각의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)의 전류, 전압 및 온도를 실시간 전달받을 수 있다.
그 후, 제어부(150)는 AFE부(120)로부터 전달받은 배터리팩(110)에 구비된 각각의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)의 SOC(State Of Charge)를 실시간 산출할 수 있다.
그 후, 제어부(150)는 산출된 SOC들을 크기가 큰 순서대로 정렬할 수 있다,
그 후, 제어부(150)는 배터리팩(110)에 구비된 각각의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n) 중 정렬된 SOC들 중 최대 SOC에 대응되는 하나의 배터리 모듈을 선택할 수 있다.
그 후, 제어부(150)는 선택된 배터리 모듈의 SOC를 고려하여 충전 전원 선택 신호를 생성할 수 있다. 여기서 충전 전원 선택 신호는 충전 전원 공급부(130)에 구비된 복수 개의 직류-직류 변환기들(131-1 131-2, 131-n)을 통해 출력될 수 있는 복수 개의 충전 전원들 중 어느 하나를 선택하여 해당 직류-직류 변환기를 통해 충전 전원을 공급하도록 충전 전원 공급부(130)의 통신부(132)에 명령하는 신호를 의미할 수 이다.
또한, 제어부(150)는 선택된 배터리 모듈의 SOC 및 충전 전원 공급부(130)에 구비된 복수 개의 직류-직류 변환기들(131-1 131-2, 131-n) 각각의 충전 전원의 전압 값을 고려하여 충전 전원 선택 신호를 생성할 수 있다.
그 후, 제어부(150)는 배터리팩(110)에 포함된 복수 개의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)을 최대 SOC에 대응되는 하나의 배터리 모듈의 SOC의 정전압(Constant Voltage) 구간 직전까지 충전 전원 공급부(130)에 구비된 복수 개의 직류-직류 변환기들(131-1 131-2, 131-n)중 충전 전원 선택 신호에 의해 선택된 직류-직류 변환기의 특정 충전 전원으로 충전할 수 있다.
그 후, 제어부(150)는 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 정전류 충전 제한 전압을 초과하여 충전되었는지 판단할 수 있다.
상기 판단 결과, 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 정전류 충전 제한 전압을 초과하여 충전되지 않은 경우, 각각의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)의 SOC를 실시간 산출하며, 배터리팩(110)에 구비된 복수 개의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)을 대상으로 기존 충전 전원으로 충전을 유지할 수 있다.
최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 정전류 충전 제한 전압을 초과하여 충전된 경우, 제어부(150)는 FET부(140)에 구비된 복수 개의 FET(141-1. 141-2, 141-n)중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈이 충전 전원을 도통시키는 적어도 하나의 FET의 동작을 제어하여 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈로 흐르는 충전 전류를 차단할 수 있다.
그 후, 제어부(150)는 배터리팩(110)에 구비된 복수 개의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n) 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈을 제외한 나머지 배터리 모듈을 대상으로 다시 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈을 선택할 수 있다.
그 후, 제어부(150)는 선택된 배터리 모듈의 정전류 충전 제한 전압까지 충전 전원 공급부(130)에 구비된 복수 개의 직류-직류 변환기들(131-1 131-2, 131-n)중 이미 사용된 특정 전압 값과 다른 전압 값을 갖는 직류-직류 변환기를 통해 다른 충전 전원으로 나머지 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈이 충전할 수 있다.
그 후, 제어부(150)는 배터리팩(110)에 구비된 모든 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)의 정전류 충전 제한 전압까지 충전되었는지 판단할 수 있다.
상기 판단 결과, 배터리팩(110)에 구비된 모든 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)의 정전류 충전 제한 전압까지 충전되지 않은 경우, 제어부(150)는 배터리팩(110)에 구비된 모든 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)의 정전류 충전 제한 전압까지 충전될 때까지 상술된 과정들을 반복 수행할 수 있다.
배터리팩(110)에 구비된 모든 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)의 정전류 충전 제한 전압까지 충전된 경우, 제어부(150)는 배터리팩(110)에 구비된 복수 개의 배터리 모듈들(111-1, 111-2, 111-n)의 충전이 완료되었음을 나타내는 충전 완료 신호를 생성할 수 있다.
그 후, 제어부(150)는 충전 전원 공급부(130)를 통해 공급되는 충전 전원에 의해 배터리팩(110)에 구비된 복수 개의 배터리 모듈들(111-1, 111-2, 111-n)이 과충전되는 것을 방지하기 위해 생성된 충전 완료 신호를 배터리팩(110)의 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)에 전송할 수 있다.
배터리팩(110)의 배터리 관리 시스템은 제어부(150)로부터 충전 완료 신호를 수신 받은 경우, 배터리팩(110)의 보호 동작을 수행할 수 있다.
한편 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 충전 제어 장치(100)는 배터리팩(110)에 구비된 복수 개의 배터리 모듈들(111-1, 111-2, 111-n)의 각각의 SOC를 실시간 산출한 후, 크기에 따라 SOC를 정렬하여 SOC가 큰 배터리 모듈을 순서대로 정전류 충전 제한 전압까지 충전이 완료되면, 완료된 배터리 모듈의 충전 전류를 차단하여 나머지 배터리 모듈의 충전을 실행하는 예를 들어 설명하였다.
하지만 본 발명의 실시 예에 따른 충전 제어 장치(100)는 이에 한정되지 않고, 충전 제어 장치(100)는 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈이 미리 설정된 기준 SOC가 되는 지점까지 배터리팩(110)에 구비된 복수 개의 배터리 모듈들(111-1, 111-2, 111-n)을 대상으로 특정 충전 전원으로 충전을 진행한 후, 배터리팩(110)에 구비된 복수 개의 배터리 모듈들(111-1, 111-2, 111-n)의 각각의 SOC를 실시간 산출한 후, 크기에 따라 SOC를 정렬하고, SOC의 크기 순서대로 각각의 배터리 모듈을 순차적으로 해당 배터리 모듈의 정전류 충전 제한 전압까지 충전이 완료되도록 해당 배터리 모듈만 선택된 충전 전원으로 충전을 진행할 수 있다. 여기서 각각의 배터리 모듈의 충전에 사용되는 충전 전원들의 전압 값들은 서로 다른 값을 가질 수 있다.
2. 본 발명의 실시 예에 따른 충전 제어 방법
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 충전 제어 방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 충전 제어 장치(100)의 제어부(150)는 배터리팩(110)에 구비된 각각의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)의 전류, 전압 및 온도를 측정하여 각각의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)의 SOC를 실시간 산출하는 단계를 수행할 수 있다(S210).
더욱 상세하게는, 제어부(150)는 AFE부(120)에서 측정된 배터리팩(110)에 구비된 각각의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)의 전류, 전압 및 온도를 실시간 전달받아 배터리팩(110)에 구비된 각각의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)의 SOC를 실시간 산출할 수 있다.
또한, 상기 SOC를 실시간 산출하는 단계(S210)는 다음과 같은 과정들을 더 포함할 수 있다. 제어부(150)는 산출된 SOC들을 크기가 큰 순서대로 정렬하는 단계를 수행할 수 있다. 그 후, 제어부(150)는 정렬된 SOC들 중 최대 SOC에 대응되는 하나의 배터리 모듈을 선택하는 단계를 수행할 수 있다. 그 후, 제어부(150)는 선택된 배터리 모듈의 SOC를 고려하여 충전 전원 선택 신호를 생성하는 단계를 수행할 수 있다. 그 후, 제어부(150)는 생성된 충전 전원 선택 신호를 충전 전원부(130)로 전달하여 충전 전원이 공급되도록 제어하는 단계를 수행할 수 있다.
그 후, 제어부(150)는 배터리팩(110)에 포함된 복수 개의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)을 최대 SOC에 대응되는 하나의 배터리 모듈의 SOC의 정전압(Constant Voltage) 구간 직전까지 충전 전원 공급부(130)에 구비된 복수 개의 직류-직류 변환기들(131-1 131-2, 131-n)중 충전 전원 선택 신호에 의해 선택된 직류-직류 변환기의 특정 충전 전원으로 충전하는 단계를 수행할 수 있다(S220).
그 후, 제어부(150)는 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 정전류 충전 제한 전압을 초과하여 충전되었는지 판단하는 단계를 수행할 수 있다(S230).
상기 판단 결과, 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 정전류 충전 제한 전압을 초과하여 충전되지 않은 경우, 상기 S220 단계로 복귀하여 해당 단계를 수행할 수 있다.
최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 정전류 충전 제한 전압을 초과하여 충전된 경우, 제어부(150)는 FET부(140)에 구비된 복수 개의 FET(141-1. 141-2, 141-n)중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈이 충전 전원을 도통시키는 적어도 하나의 FET의 동작을 제어하여 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈로 흐르는 충전 전류를 차단하는 단계를 수행할 수 있다(S240).
그 후, 제어부(150)는 배터리팩(110)에 구비된 복수 개의 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n) 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈을 제외한 나머지 배터리 모듈을 대상으로 다시 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈을 선택하고, 선택된 배터리 모듈의 정전류 충전 제한 전압까지 충전 전원 공급부(130)에 구비된 복수 개의 직류-직류 변환기들(131-1 131-2, 131-n)중 이미 사용된 특정 전압 값과 다른 전압 값을 갖는 직류-직류 변환기를 통해 다른 충전 전원으로 나머지 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈이 충전하는 단계를 수행할 수 있다(S250).
그 후, 제어부(150)는 배터리팩(110)에 구비된 모든 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)의 정전류 충전 제한 전압까지 충전되었는지 판단할 수 있다(S260).
상기 판단 결과, 배터리팩(110)에 구비된 모든 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)의 정전류 충전 제한 전압까지 충전되지 않은 경우, 상기 S210 단계로 복귀하여 해당 단계를 수행할 수 있다.
배터리팩(110)에 구비된 모든 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)의 정전류 충전 제한 전압까지 충전된 경우, 제어부(150)는 충전 제어 동작을 종료할 수 있다.
또한, 제어부(150)는 배터리팩(110)에 구비된 모든 배터리 모듈(111-1, 111-2, 111-n)의 정전류 충전 제한 전압까지 충전된 경우, 배터리팩(110)에 구비된 복수 개의 배터리 모듈들(111-1, 111-2, 111-n)의 충전이 완료되었음을 나타내는 충전 완료 신호를 생성하는 단계를 수행할 수 있다.
그 후, 제어부(150)는 충전 전원 공급부(130)를 통해 공급되는 충전 전원에 의해 배터리팩(110)에 구비된 복수 개의 배터리 모듈들(111-1, 111-2, 111-n)이 과충전되는 것을 방지하기 위해 생성된 충전 완료 신호를 배터리팩(110)의 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)에 전송할 수 있다.
3. 본 발명의 실시 예들에 따른 충전 제어 장치의 충전 동작
도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 충전 제어 장치가 배터리팩을 충전하는 모습을 나타내는 예시도이다.
도 3(a) 내지 도3(c)를 참조하면, 본 발명의 실시 예들에 따른 충전 제어 장치(100)의 제어부(150)는 AFE부(120)에 구비된 제1 AFE(121-1)의 동작을 제어하여 배터리팩(110)의 제1 배터리 모듈(111-1)의 전류, 전압 및 온도를 실시간 측정하여 제1 배터리 모듈(111-1)의 SOC를 산출할 수 있다.
또한, 제어부(150)는 AFE부(120)에 구비된 제2 AFE(121-2)의 동작을 제어하여 배터리팩(110)의 제2 배터리 모듈(111-2)의 전류, 전압 및 온도를 실시간 측정하여 제2 배터리 모듈(111-1)의 SOC를 산출할 수 있다.
AFE부(120)에 구비된 제1 AFE(121-1)와 제2 AFE(121-2)는 격리 소자(160)를 통해 서로 연결될 수 있다.
도 3(a)는 본 발명의 실시 예들에 따른 충전 제어 장치가 배터리팩의 제1 및 제2 배터리 모듈들을 동시에 충전하는 모습을 나타내는 예시도이다.
도 3(a)을 참조하면, 본 발명의 실시 예들에 따른 충전 제어 장치(100)의 제어부(150)는 AFE부(120)에서 측정된 제1 및 제2 배터리 모듈(111-1, 111-2)의 전류, 전압 및 온도를 전달받아 각 배터리 모듈의 SOC들을 실시간 산출할 수 있다
그 후, 제어부(150)는 산출된 SOC들 중 최대 SOC에 대응되는 배터리 모듈(111-1)을 선택할 수 있다.
그 후, 제어부(150)는 제1 배터리 모듈(111-1)의 정전류 충전 제한 전압까지 충전 전원 공급부(130)의 제1 직류-직류 변환기(131-1)의 충전 전원으로 배터리팩(110)에 구비된 제1 및 제2 배터리 모듈(111-1, 111-2)을 충전할 수 있다. 이때 FET부(140)의 제1 FET(141-1), 제2 FET(141-2) 및 제4 FET(141-4)는 충전 전원의 전류가 도통되도록 동작이 제어부(150)의 제어에 따라 제어될 수 있다.
도 3(b)는 본 발명의 실시 예들에 따른 충전 제어 장치가 배터리팩의 제1 모듈을 충전하는 모습을 나타내는 예시도이다.
도 3(b)를 참조하면, 본 발명의 실시 예들에 따른 충전 제어 장치(100)의 제어부(150)는 제1 배터리 모듈(111-1)의 SOC가 미리 설정된 기준 값까지 충전된 후, 제1 배터리 모듈(111-1)을 제1 배터리 모듈(111-1)의 정전류 충전 제한 전압까지 제1 및 제2 배터리 모듈(111-1, 111-2)의 충전에 사용된 전원과 다른 전압 값을 갖는 제2 직류-직류 변환기(131-2)의 충전 전원으로 충전할 수 있다.
이때 FET부(140)의 제2 FET(141-2) 및 제4 FET(141-4)는 충전 전원의 전류가 차단되도록 동작이 제어부(150)의 제어에 따라 제어되며, 제1 FET(141-1) 및 제3 FET(141-3)는 충전 전원의 전류가 도통되도록 동작이 제어부(150)의 제어에 따라 제어될 수 있다.
도 3(c)는 본 발명의 실시 예들에 따른 충전 제어 장치가 배터리팩의 제2 모듈을 충전하는 모습을 나타내는 예시도이다.
도 3(c)를 참조하면, 본 발명의 실시 예들에 따른 충전 제어 장치(100)의 제어부(150)는 제1 배터리 모듈(111-1)의 SOC가 정전류 충전 제한 전압까지 충전이 완료된 후, 제1 배터리 모듈(111-1)의 충전에 사용된 충전 전원과 다른 전압 값을 갖는 제3 직류-직류 변환기(131-3)의 충전 전원으로 제2 배터리 모듈(111-2)을 제2 배터리 모듈(111-2)의 정전류 충전 제한 전압까지 충전할 수 있다.
이때 FET부(140)의 제1 FET(141-1) 및 제3 FET(141-3)는 충전 전원의 전류가 차단되도록 동작이 제어부(150)의 제어에 따라 제어되며, 제2 FET(141-2) 및 제4 FET(141-4)는 충전 전원의 전류가 도통되도록 동작이 제어부(150)의 제어에 따라 제어될 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 충전 제어 장치 110: 배터리팩
111-1: 제1 배터리 모듈 111-2: 제2 배터리 모듈
111-n: 제n 배터리 모듈 120: AFE부
121-1: 제1 AFE 121-2: 제2 AFE
121-n: 제n AFE 130: 충전 전원 공급부
131-1: 제1 직류-직류 변환기 131-2: 제2 직류-직류 변환기
131-n: 제n 직류-직류 변환기 132: 통신부
140: FET부 140-1: 제1 FET
140-2: 제2 FET 140-n: 제n FET
150: 제어부

Claims (9)

  1. 복수 개의 배터리 모듈들이 직렬로 연결된 배터리팩을 충전하는 충전 제어 장치에 있어서,
    상기 복수 개의 배터리 모듈들을 구성하는 각각의 배터리 모듈의 전류, 전압 및 온도를 측정하는 AFE(Analog Front End)부;
    상기 AFE부로부터 상기 전류, 전압 및 온도를 전달받아 상기 각각의 배터리 모듈의 SOC(State Of Charge)를 실시간 산출하고, 상기 복수 개의 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 SOC의 정전압(Constant Voltage) 구간 직전까지 복수 개의 충전 전원들 중 특정 전압 값을 갖는 특정 충전 전원으로 상기 복수 개의 배터리 모듈들을 충전하고, 상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 SOC가 소정의 해당 정전류 충전 제한 전압을 넘어서 충전되는 경우, 상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈로 흐르는 충전 전류를 차단하며, 상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈을 제외한 나머지 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 해당 정전류 충전 제한 전압까지 상기 복수 개의 충전 전원들 중 상기 특정 전압 값과 다른 전압 값을 갖는 다른 충전 전원으로 상기 나머지 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈이 충전되도록 제어하는 제어부; 및
    서로 다른 전압 값을 가진 상기 복수 개의 충전 전원을 출력하는 복수 개의 직류-직류 변환기들로 구성되는 충전 전원 공급부; 를 포함하는 충전 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 각각의 배터리 모듈의 SOC를 실시간 산출한 후, 상기 산출된 SOC를 크기가 큰 순서대로 정렬하고, 상기 복수 개의 배터리 모듈들 중 상기 정렬된 SOC 중 최대 SOC에 대응되는 배터리 모듈을 선택하며, 상기 선택된 배터리 모듈의 SOC를 고려하여 상기 충전 전원 공급부의 상기 복수 개의 충전 전원들 중 어느 하나를 선택하는 충전 전원 선택 신호를 생성하고, 상기 생성된 충전 전원 선택 신호를 상기 충전 전원 공급부로 전달하는 충전 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 복수 개의 배터리 모듈들이 각각 해당 정전류 충전 제한 전압까지 충전이 완료된 경우, 상기 복수 개의 배터리 모듈들의 충전이 완료되었음을 나타내는 충전 완료 신호를 생성하고, 상기 충전 전원 공급부를 통해 공급되는 충전 전원에 의해 상기 복수 개의 배터리 모듈들이 과충전되는 것을 방지하기 위해 생성된 상기 충전 완료 신호를 상기 배터리팩의 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 전송하는 충전 제어 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 충전 전원 공급부는,
    상기 제어부로부터 상기 충전 전원 선택 신호를 전달받는 통신부를 더 포함하며, 수신된 상기 충전 전원 선택 신호에 따라 상기 복수 개의 직류-직류 변환기들 중 하나를 선택하여 충전 전원을 출력하는 충전 제어 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 AFE부는,
    상기 복수 개의 배터리 모듈들과 일대일로 대응되는 복수 개의 AFE들을 포함하는 충전 제어 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 복수 개의 AFE들을 구성하는 각각의 AFE는 인접한 AFE 소자와 격리(Isolation) 소자를 통해 서로 연결되는 충전 제어 장치.
  7. 복수 개의 배터리 모듈들이 직렬로 연결된 배터리팩을 충전하는 충전 제어 방법에 있어서,
    상기 복수 개의 배터리 모듈들을 구성하는 각각의 배터리 모듈의 전류, 전압 및 온도를 측정하여 상기 각각의 배터리 모듈의 SOC(State Of Charge)를 실시간 산출하는 제1 단계;
    상기 복수 개의 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 SOC의 정전압(Constant Voltage) 구간 직전까지 상기 복수 개의 배터리 모듈들을 복수 개의 충전 전원들 중 특정 전압 값을 갖는 특정 충전 전원으로 충전하는 제2 단계;
    상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 SOC가 소정의 해당 정전류 충전 제한 전압을 초과하여 충전되는 경우, 상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈로 흐르는 충전 전류를 차단하는 제3 단계;
    상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈을 제외한 나머지 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈의 해당 정전류 충전 제한 전압까지 상기 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈을 제외한 나머지 배터리 모듈 중 최대 SOC를 갖는 배터리 모듈을 상기 복수 개의 충전 전원들 중 상기 특정 전압 값과 다른 전압 값을 갖는 다른 충전 전원으로 충전하는 제4 단계; 및
    상기 각각의 배터리 모듈이 정전류 충전 제한 전압까지 충전이 완료될 때까지 상기 제1 단계 내지 제4 단계를 반복 수행하는 제5 단계;
    를 포함하는 충전 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제1 단계는,
    상기 산출된 SOC를 크기가 큰 순서대로 정렬하는 단계;
    상기 복수 개의 배터리 모듈들 중 상기 정렬된 SOC 중 최대 SOC에 대응되는 배터리 모듈을 선택하는 단계;
    상기 선택된 배터리 모듈의 SOC를 고려하여 상기 복수 개의 충전 전원들 중 어느 하나를 선택하는 충전 전원 선택 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 충전 전원 선택 신호를 구비된 충전 전원 공급부로 전달하여, 상기 충전 전원이 공급되도록 제어하는 단계;
    를 더 포함하는 충전 제어 방법.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 제5 단계 이후에,
    상기 각각의 배터리 모듈이 해당 정전류 충전 제한 전압까지 충전이 완료되었는지 판단하는 제6 단계;
    상기 판단 결과, 상기 각각의 배터리 모듈이 해당 정전류 충전 제한 전압까지 충전이 완료된 경우, 상기 복수 개의 배터리 모듈들의 충전이 완료되었음을 나타내는 충전 완료 신호를 생성하는 단계; 및
    구비된 충전 전원 공급부를 통해 공급되는 충전 전원에 의해 상기 복수 개의 배터리 모듈들이 과충전되는 것을 방지하기 위해 생성된 상기 충전 완료 신호를 상기 배터리팩의 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 전송하는 단계;
    를 더 포함하는 충전 제어 방법.
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