KR102326825B1

KR102326825B1 - 병렬 제어기를 구비하는 전지 자동차 급속 충전기

Info

Publication number: KR102326825B1
Application number: KR1020200009041A
Authority: KR
Inventors: 이재엽
Original assignee: (주)인피니티웍스
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2021-11-17
Also published as: KR20210095756A

Abstract

본 발명은 제1 배터리팩과 제2 배터리팩이 병렬 연결되는 배터리팩부와, 상기 배터리팩부와 연결되어 상기 각각의 배터리팩의 전압과 전류를 측정하고, 상기 제1 배터리팩과 제2 배터리팩의 전압차가 발생시 상기 제1 배터리팩과 상기 제2 배터리팩에서 방전되는 전류량을 제어하는 배터리팩 병렬 제어부와, 전기차로 충전되는 전류가 설정된 전압을 유지하도록, 상기 배터리팩에서 방전되는 전류를 설정된 전압으로 일정하게 유지하는 DC-DC 컨버터부와, 전기차와 통신하여 전기차에서 필요한 전압 및 전류에 대한 정보를 송수신하고, 상기 배터리 병렬 제어부를 제어하는 PC 제어부 및, 상기 DC-DC 컨버터부와 전기차를 연결하는 소켓부를 포함하는 병렬 제어기를 구비하는 전기차 급속 충전기에 관한 것이다.

Description

병렬 제어기를 구비하는 전지 자동차 급속 충전기{HIGH-SPEED BATTERY CHARGER FOR ELECTRIC VEHICLE HAVING PARALLEL CONTROLLER}

본 발명은 병렬 제어기를 구비하는 전지 자동차 급속 충전기에 관한 것이다.

전기차를 충전하는 급속 충전기는 배터리를 사용하여 직류형태로 전류를 전기차에 공급한다. 그런데, 급속 충전기의 용량을 늘리기 위한 방법으로 두개의 배터리를 병렬 연결하여 용량을 증가시킨다. 그런데, 두 개의 배터리 팩을 병렬 연결하여 방전 하는 경우, 출력 전압 값이 낮아지며 또한 배터리 특성 불균형에 따라 두 팩의 전압 값은 방전시 동일하게 낮아지지 않고 차이가 발생한다. 이 경우, 전압 값이 낮은 배터리팩은 방전이 중단되고, 전압이 높은 배터리팩의 전류가 모두 출력으로 전달되지 않고, 일부 전류는 전압 값이 낮은 배터리팩으로 전류를 공급하면서 충전이 진행된다. 이와 같이, 전압이 낮은 배터리팩으로 전류가 역으로 흐를때, 배터리팩의 출력 전류는 급격히 낮아지는 문제가 있었다.

한편, 전기자동차와 급속 충전기는 배터리 상태를 확인하여 적정한 충전 전압 및 전류를 설정하고, 전압 및 전류가 안정된 상태로 충전이 이루어진다. 그런데, 전압 및 전류 값은 안전상의 이유로 상호 통신 없이 임의로 급속 충전기에서 설정값을 변경하는 경우, 전기차 또는 급속 충전기 내부에서 누전, 발열 등의 안전상의 문제가 발생한 것으로 인식하고, 전기차에 대한 충전이 중단되는 문제가 발생한다.

상기와 같은 문제점 중 적어도 일부를 해결하기 위해 제안된 것으로 본 발명은 일측면으로서, 급속 충전기에서 전기차로 충전되는 전류가 가변되는 경우에도, 충전이 중단되지 않는 급속 충전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 일측면으로서, 본 발명은 병렬로 연결된 각각의 배터리팩의 전압 및 전류를 측정하여, 전압이 높은 배터리팩의 전류가 전압이 낮은 배터리팩으로 유입되는 것을 방지하도록, 각각의 배터리팩에서 방전되는 전류량을 제어하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 일측면으로서, 제1 배터리팩과 제2 배터리팩이 병렬 연결되는 배터리팩부와, 상기 배터리팩부와 연결되어 상기 각각의 배터리팩의 전압과 전류를 측정하고, 상기 제1 배터리팩과 제2 배터리팩의 전압차가 발생시 상기 제1 배터리팩과 상기 제2 배터리팩에서 방전되는 전류량을 제어하는 배터리팩 병렬 제어부와, 전기차로 충전되는 전류가 설정된 전압을 유지하도록, 상기 배터리팩에서 방전되는 전류를 설정된 전압으로 일정하게 유지하는 DC-DC 컨버터부와, 전기차와 통신하여 전기차에서 필요한 전압 및 전류에 대한 정보를 송수신하고, 상기 배터리 병렬 제어부를 제어하는 PC 제어부 및, 상기 DC-DC 컨버터부와 전기차를 연결하는 소켓부를 포함하는 병렬 제어기를 구비하는 전기차 급속 충전기를 제공한다.

이상에서와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 급속 충전기에 배터리팩이 병렬 연결되는 경우 발생할 수 있는 전압 불균형으로 인한 전력량 감소 문제를 해소할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 급속 충전기와 전기차가 쌍방 통신하여, 급속 충전기에서 방전되는 전류량 변화에 능동적으로 대응함으로써 전기차를 중단없이 연속적으로 충전할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 병렬 연결된 배터리팩의 전력량, 전류, 전압을 실시간 모니터링 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리팩 내부의 특정 모듈에 문제가 발생시, 이를 감지하고 우회시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 급속 충전기의 블럭도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈과 바이패스 스위치를 도시한 간략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 급속 충전기의 전류량 제어 방식을 도시한 그래프.

이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.

먼저, 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명인 병렬 제어기를 구비하는 전기차 급속 충전기(100)을 이해시키는데 적합한 실시예들이다. 다만, 본 발명이 이하에서 설명되는 실시예에 한정하여 적용되거나 설명되는 실시예에 의해 본 발명의 기술적 특징이 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술범위에서 다양한 변형 실시가 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 의한 급속 충전기(100)는 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112)이 병렬 연결되는 배터리팩부(110)와, 상기 배터리팩부(110)와 연결되어 상기 각각의 배터리팩의 전압과 전류를 측정하고, 상기 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112)의 전압차가 발생시 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)에서 방전되는 전류량을 제어하는 배터리팩 병렬 제어부(120)와, 전기차로 충전되는 전류와 전압을 설정된 값으로 유지하도록, 상기 배터리팩에서 방전되는 전류와 전압을 설정된 값으로 일정하게 유지하는 DC-DC 컨버터부(150)와, 전기차와 통신하여 전기차에서 필요한 전압 및 전류에 대한 정보를 송수신하고, 상기 배터리 병렬 제어부(120)를 제어하는 PC 제어부(130) 및, 상기 DC-DC 컨버터부(150)와 전기차를 연결하는 소켓부(160)를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 배터리팩은 복수개의 배터리 모듈(113)이 연결되고, 하나의 배터리 모듈(113)은 복수개의 셀로 구비된다. 여기서, 배터리셀은 리튬이온 배터리의 기본 단위로, 양극, 음극, 분리막, 전해질액을 알루미늄 케이스에 넣어 만들어진다. 그리고, 배터리 모듈(113)은 복수개의 셀이 외부 충격과 열, 진동 등으로부터 보호되기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체이다. 또한, 배터리팩은 전기차에 장착되는 배터리의 최종형태로, 배터리 모듈(113)에 냉각 시스템, 제어부가 포함될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 배터리팩부(110)는, 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112)이 병렬 연결된다. 이와 같이, 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112)이 병렬 연결되는 경우, 배터리의 저장용량과 출력이 2배로 증가하게 된다. 그런데, 전술한 것과 같이, 2개의 배터리팩을 병렬로 연결하는 경우, 각각의 배터리팩의 전압에 차이가 있는 경우, 전압이 높은 배터리팩의 전류가 DC-DC 컨버터로 모두 공급되지 않고, 전압이 낮은 배터리팩으로 역으로 흐르게 되어, 배터리팩부(110) 전체의 출력은 1개의 배터리팩을 구비하는 것 보다 감소될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 급속 충전기(100)는, 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)이 병렬로 연결되더라도 전압차에 의한 배터리팩 전체의 출력 감소를 방지하기 위해, 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)에 연결되어 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)에서 방전되는 전류를 제어하는 배터리팩 병렬 제어부(120)를 구비한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 배터리팩 병렬 제어부(120)는, 전계효과트랜지스터(FIELD EFFECT TRANSISTOR)를 포함하는 회로를 구성하여, 각각의 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)에서 방전되는 전류량을 조절하거나, 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)에서 방전되는 전류를 온/오프(ON/OFF)하는 스위치 기능 갖도록 구비할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리팩 병렬 제어부(120)의 회로구성은 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112)의 전류량을 증감시키거나, 온/오프(ON/OFF)하는 스위치 기능을 갖는 다양한 공지의 실시예가 채용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 배터리팩 병렬 제어부(120)는, 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)의 전압차가 발생하는 경우, 아래와 같이 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)에서 방전되는 전류량을 제어할 수 있다.

먼저, 도 3을 참조하면, 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)의 전압차가 설정값, 일 예로, 0.1V 이하인 경우에는, 전압차로 인해 다른 배터리팩으로 전류가 역류하는 영향이 미비한 것으로 판단하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리팩 병렬 제어부(120)는 각각의 배터리팩의 전압차가 없는 경우, 각각의 배터리팩에서 방전할 수 있는 최대 전류(이하, '최대 전류' 라고 한다)로 방전하도록 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)을 제어할 수 있다.

그리고, 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)의 전압차가 설정 범위에 있는 경우, 일 예로, 0.1V와 0.5V 사이에 있는 경우, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리팩 병렬 제어부(120)는, 상기 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112) 중에서 전압이 낮은 배터리팩의 전류를 감소시키는 방식으로 상기 배터리팩부(110)를 제어할 수 있다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리팩 병렬 제어부(120)가 전류를 감소시키는 방식은 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112)의 전압차에 비례하여 전압이 낮은 배터리팩의 전류를 감소하는 방식이 적용될 수 있다.

일 예로, 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)의 전압차가 0.1V 인 경우, 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)에서 전압이 낮은 배터리팩의 전류를 최대 전류 대비 10%를 감소하는 전류량이 방전되도록, 상기 제1 배터리팩(111) 또는 상기 제2 배터리팩(112)의 전류량을 제어할 수 있다. 같은 원리로, 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)의 전압차가 0.2V 인 경우, 전압이 낮은 배터리팩의 전류를 최대 전류 대비 20%를 감소하는 전류량이 방전되도록 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)의 전류량을 제어할 수 있다.

즉, 설정 범위에서는, 전압차가 클 수록, 전압이 낮은 배터리팩의 전류를 전압차에 비례하여 감소시키면, 전류량이 감소되는 동안 전압이 낮은 배터리팩의 전압의 하강 속도가 감소하여, 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112)의 전압차가 감소된다. 이때, 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112)의 전압차가 설정값 이하로 감소되면, 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)에서 최대 전류로 방전시킨다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리팩 병렬 제어부(120)는, 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)의 전압차가 설정범위를 넘어 설정값 이상인 경우, 일 예로, 0.5V 이상인 경우, 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112) 중 전압이 낮은 배터리팩의 전류 방출을 OFF 시켜 방전을 중단한다.

상기 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112) 중 전압이 낮은 배터리팩의 방전을 중단한 경우, 높은 전압의 배터리팩의 전압이 감소하여, 상기 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112)의 전압차이가 설정범위 내로 전압차가 줄어들 수 있다. 이 경우, 전술한 것과 같은 방식으로, 전압이 낮은 배터리팩의 전류를 최대 전류에서 전압차에 비례하여 감소시킨 값으로 방전한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리팩 병렬 제어부(120)는, 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112)의 전압차가 발생하는 경우에는, 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112) 중 전압이 낮은 배터리팩의 전류 방출을 OFF 시키고, 상기 배터리팩 병렬 제어부(120)에서 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)의 전압을 측정하여, 상기 제1 배터리팩(111)과 상기 제2 배터리팩(112)의 전압이 동일한 값이 되었을 때 OFF 상태인 배터리의 방전을 시작하는 방식으로, 상기 배터리팩부(110)를 제어할 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 급속 충전기는, 전술한 것과 같이, 병렬 연결되는 배터리팩의 전압차에 의해 출력이 달라지게 되고, 배터리팩의 출력 전압도 가변되는데, 전기차로 충전되는 전압값은 일정해야 한다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 의한 급속 충전기는 DC-DC 컨버터부(150)를 구비하여, DC-DC 컨버터부(150)의 출력을 설정된 전류와 전압값으로 일정하게 유지시킨다.

여기서, 본 발명의 일 실시예에 의한 PC 제어부(130)는 DC-DC 컨버터부(150)와 유선통신하여 상기 DC-DC 컨버터부(150)에서 출력되는 전압 및 전류를 설정된 값을 갖도록 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 PC 제어부(130)는, 배터리팩부(110) 병렬 제어부(120)와 유무선 통신할 수 있고, 전기차와 유선통신하여 신호를 송수신할 수 있다.

그래서, 상기 배터리팩부(110) 병렬 제어부(120)에서 수신된 변경된 출력 전류를 전기차로 송신하고, 전기차에서는 이를 수신받아 충전되는 전류값을 다시 설정하고, 이를 PC 제어부(130)에 변경 통보함으로써, 종전과 같이 전지차로 방전되는 전류량이 변화되었을때 충전과정에 문제가 발생한 것으로 인식하여 충전이 중단되는 문제를 방지하며, 연속적으로 배터리팩에서 방전되는 전류를 받아 전기차가 충전될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리팩은 도 2를 참조하며, 복수개의 배터리 모듈(113)이 직렬로 연결될 수 있다. 여기서, 복수개의 배터리 모듈(113)은 각각 바이패스 스위치(114)가 연결되어 있어, 하나의 배터리 모듈(113)에 고장이나 문제가 발생한 경우에 바이패스 스위치(114)를 ON 시켜 고장이 발생한 배터리 모듈(113)을 우회하여 전류가 흐르게 함으로써 배터리팩 전체가 작동하지 않는 것을 방지할 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(113)은 상기 PC 제어부(130)와 전기적 신호를 송수신 할 수 있는 통신부를 구비하여, 상기 PC 제어부(130)에서는 각각의 배터리팩에서 작동하지 않는 배터리 모듈(113)을 파악하고, 무선 통신으로 상기 배터리 모듈(113)을 우회하는 바이패스 스위치(114)를 작동시킬 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 급속 충전기는 전기차를 충전하는 방전 모드에서 배터리팩을 충전하는 충전모드로 전환하는 충방전 스위치부(140)를 더 포함할 수 있다.

충전 모드에서는 전원(180)을 통해 입력되는 교류전류를 AC-DC 컨버터부(170)에서 교류를 직류로 변환하고, 이를 배터리팩부(110)로 충전한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리팩부(110)는 제1 배터리팩(111) 또는 제2 배터리팩(112) 중 하나를 먼저 충전하고, 나머지 하나를 충전하는 방식으로 충전할 수 있다.

본 발명은 지금까지 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

110: 배터리팩부
111: 제1 배터리팩
112: 제2 배터리팩
113: 배터리 모듈
114: 바이패스 스위치
120: 병렬 제어부
130: PC 제어부
140: 충방전 스위치부
150: DC-DC 컨버터부
160: 소켓
170: AC-DC 컨버터부
180: 전원

Claims

제1 배터리팩과 제2 배터리팩이 병렬 연결되는 배터리팩부;
상기 배터리팩부와 연결되어 상기 각각의 배터리팩의 전압과 전류를 측정하고, 상기 제1 배터리팩과 제2 배터리팩의 전압차가 발생시 상기 제1 배터리팩과 상기 제2 배터리팩에서 방전되는 전류량을 제어하는 배터리팩 병렬 제어부;
전기차로 충전되는 전류와 전압을 설정값으로 유지하도록, 상기 배터리팩에서 방전되는 전류와 전압을 설정된 값으로 일정하게 유지하는 DC-DC 컨버터부;
전기차와 통신하여 전기차에서 필요한 전압 및 전류에 대한 정보를 송수신하고, 상기 배터리 병렬 제어부를 제어하는 PC 제어부; 및
상기 DC-DC 컨버터부와 전기차를 연결하는 소켓부;를 포함하고,
상기 PC 제어부는,
상기 제1 배터리팩과 상기 제2 배터리팩의 전압차가 발생하여 상기 배터리팩부에서 방전되는 전류량이 감소시, 전류량 변화를 전기차에 변경 통보하고 전기차로부터 이를 승인 받는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 전기차 급속 충전기.
삭제
제1항에 있어서,
상기 배터리팩 병렬 제어부는,
상기 제1 배터리팩과 상기 제2 배터리팩의 전압차가 설정 범위에 있는 경우, 전압이 낮은 배터리팩의 전류량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 전기차 급속 충전기.
제3항에 있어서,
상기 배터리팩 병렬 제어부는,
제1 배터리팩과 제2 배터리팩에서 전압이 낮은 배터리팩의 전류량을 제1 배터리팩과 제2 배터리팩의 전압차에 비례하게 감소시키는 것을 특징으로 하는 전기차 급속 충전기.
제4항에 있어서,
상기 배터리팩 병렬 제어부는,
전압이 높은 배터리팩의 전류량을 감소시켜 제1 배터리팩과 제2 배터리팩의 의 전압차가 설정값 이하로 감소된 경우, 제1 배터리팩과 제2 배터리팩의 방전 전류량을 최대값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 전기차 급속 충전기.
제5항에 있어서,
상기 배터리팩 병렬 제어부는,
제1 배터리팩과 제2 배터리팩의 의 전압차가 설정값 이상인 경우, 전압이 낮은 배터리팩의 방전을 차단하는 것을 특징으로 하는 전기차 급속 충전기.
제6항에 있어서,
상기 배터리팩 병렬 제어부는,
제1 배터리팩과 제2 배터리팩의 전압차가 0.1V 미만인 경우, 제1 배터리팩과 제2 배터리팩의 전류량을 최대값으로 설정하고,
제1 배터리팩과 제2 배터리팩의 전압차가 0.1V 이상, 0.5V 이하인 경우, 전압차이 0.1V 마다 전류값의 10%를 감소시키고,
제1 배터리팩과 제2 배터리팩의 전압차가 0.5V 초과인 경우, 제1 배터리팩과 제2 배터리팩의 전압이 낮은 배터리팩의 방전을 중단하는 것을 특징으로 하는 전기차 급속 충전기.
제1항에 있어서,
상기 배터리팩 병렬 제어부는,
상기 제1 배터리팩과 상기 제2 배터리팩의 전압차가 발생하는 경우, 제1 배터리팩과 제2 배터리팩의 전압이 동일할 때까지 전압이 낮은 배터리팩의 출력 스위치를 OFF 시키는 것을 특징으로 하는 전기차 급속 충전기.
제1항에 있어서,
상기 배터리팩부는, 직렬로 연결된 복수개의 배터리 모듈과, 상기 직렬로 연결된 복수개의 배터리 모듈 각각을 병렬로 연결하는 복수개의 바이패스 스위치를 포함하고, 상기 PC 제어부는 각각의 배터리 모듈을 모니터링하여 상기 배터리 모듈의 고장여부를 판단하고, 고장시 해당 배터리 모듈에 연결되는 상기 바이패스 스위치를 작동시키는 것을 특징으로 하는 전기차 급속 충전기.
제1항에 있어서,
상기 배터리팩에 충전된 전류를 방전하는 방전모드를 상기 배터리팩으로 전류를 충전하는 충전모드로 전환하는 충방전 스위치부;를 더 포함하는 전기차 급속 충전기.
제10항에 있어서,
충전모드에서는, 상기 제1 배터리팩 또는 상기 제2 배터리팩 중 하나를 먼저 충전하고, 나머지를 충전하는 것을 특징으로 하는 전기차 급속 충전기.
제1항에 있어서,
상기 PC 제어부는,
상기 DC-DC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 전기차 급속 충전기.