KR102446786B1 - 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치는 다수의 배터리 셀로 이루어진 다수의 배터리 모듈; 다수의 상기 배터리 모듈에 각각 연결되는 다수의 연결변환 모듈; 다수의 상기 연결변환 모듈과 각각 연결되며, 직류 전류를 제어하는 DC/DC 컨버터를 각각 포함하여 다수의 상기 배터리 모듈의 SOC(State Of Charge: 충전상태)를 제어하는 다수의 연결 모듈; 및 다수의 상기 연결 모듈을 직병렬 연결하여, 다수의 상기 배터리 모듈로부터 인가되는 전원을 외부 장치로 공급하는 응용 모듈;을 포함한다.

Description

이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치{CONNECTING DEVICE FOR DIFFERENT TYPES OF ELECTRICK VEHICLE BATTERY MODULS}

본 발명은 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 종류의 배터리 모듈을 통합 및 연결하기 위한 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치에 관한 것이다.

최근에는 하이브리드 자동차와 전기 자동차가 널리 보급되고 있다. 일반적으로 이러한 차종에는 반복해서 충전하여 사용할 수 있는 배터리 모듈이 사용된다.

이와 같은 배터리 모듈은 여러 번 충전과 방전을 반복하며 장기간 사용할 수 있으나, 배터리의 수명은 한정적이기 때문에 영구적으로 사용할 수 없고 적절한 시기에 배터리를 교체해주어야 한다.

7-8년 사용한 전기차 배터리를 타 용도로 활용할 경우 초기 용량의 약 70-80%의 용량으로 연장 사용이 일정 기간 가능하며, 이에 공공 가로등 전원용, 신재생 에너지 연계용 및 UPS 등 다양한 분야에서 전기차 배터리의 2차 활용을 기대할 수 있다.

그러나, 전기차 배터리의 2차 활용 시 리튬이온 배터리는 신품대비 용량이 70-80%가 사용 가능하지만, 배터리 수명 곡선 상 노화는 급격히 가속화되며, 이에 따른 고장 빈도수가 신품배터리 대비 증가할 수 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위해 전기차 배터리의 2차 활용 제품군은 신속한 유지보수와 고장 배터리의 용이한 교체 기술이 요구되고 있다.

또한, 전기차 제조사에서 신차 출시로 배터리 모듈의 외형에 변화가 있을 경우 기존 재사용 배터리 설비와 맞지 않으며 이로 인해 유지보수에 문제가 발생할 수 있다.

아울러, 전기차 배터리의 경우 다양한 차종별로 상이한 전압, 용량 특성을 보이고 있으며, 이러한 전기차 배터리의 2차 활용을 극대화 하여 자원순환체계를 구축하기 위해서는 서로 다른 2종 이상의 배터리를 연계한 제품 이 필요하다.

이와 같이, 전기차에 탑재되는 배터리 모듈은 차종별로 각기 다른 제작사에서 생산된 제품이 사용되므로, 각 배터리 모듈의 크기와 단자 위치 등이 다양하다.

이러한 다양한 전기차 배터리 모듈을 재활용하기 위해 동종의 PCS(Power Conversion System) 또는 BMS(Battery Management System)에 연결시 해당 배터리에 맞는 형태를 개발하거나 대전류용 전선을 통해 연결을 해야 하므로, 제품 개발 시 외형, 공조 설계 등의 최적화된 제품 제작이 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 상이한 외관 및 용량을 갖는 전기 자동차의 배터리 모듈을 재사용 가능하도록 하고자 한다.

또한, 본 발명은 제품 전체를 교체하지 않고 전기차 배터리 모듈의 종류와 형태에 관계없이 배터리 모듈만 간단히 교체가 가능하도록 하고자 한다.

전술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치는 다수의 배터리 셀로 이루어진 다수의 배터리 모듈; 다수의 상기 배터리 모듈에 각각 연결되는 다수의 연결변환 모듈; 다수의 상기 연결변환 모듈과 각각 연결되며, 직류 전류를 제어하는 DC/DC 컨버터를 각각 포함하여 다수의 상기 배터리 모듈의 SOC(State Of Charge: 충전상태)를 제어하는 다수의 연결 모듈; 및 다수의 상기 연결 모듈을 직병렬 연결하여, 다수의 상기 배터리 모듈로부터 인가되는 전원을 외부 장치로 공급하는 응용 모듈;을 포함한다.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 연결 모듈은 상기 DC/DC 컨버터로서 양방향 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 연결 모듈은 각 상기 배터리 모듈의 SOC를 계산하고, 각 상기 배터리 모듈의 전압 및 SOC를 기반으로, 각 상기 배터리 모듈의 우선 순위를 결정하고, 상기 연결 모듈의 현재 출력 단자를 통해 출력되는 출력 전류, 필요 전압을 고려하여 각 상기 배터리 모듈의 충방전 전류의 분담을 계산하고, 상기 계산한 결과를 이용해 각 상기 배터리 모듈에 대응되는 DC/DC 컨버터의 출력 전압을 조정할 수 있다.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 응용 모듈은 DC/AC 인버터 또는 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 DC/AC 인버터는 단상 풀 브릿지 컨버터의 구조를 포함할 수 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에 따르면 상이한 외관 및 용량을 갖는 전기 자동차의 배터리 모듈의 재사용이 가능하다.

또한, 본 발명에 따르면 제품 전체를 교체하지 않고 전기차 배터리 모듈의 종류와 형태에 관계없이 배터리 모듈만 간단히 교체가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치의 회로도를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈 및 연결변환 모듈의 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 연결 모듈의 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 응용 모듈의 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치의 출력을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈의 SOC 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈의 SOC 제어 방법에 따른 결과를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치는 다수의 배터리 모듈(110), 다수의 연결변환 모듈(120), 다수의 연결 모듈(130) 및 응용 모듈(140)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 배터리 모듈(110)은 각기 상이한 제조사의 배터리 모듈로서, 본 발명의 일실시예에 따르면 상기 배터리 모듈(110)은 연결변환 모듈(120)에 포함되는 DC/DC 컨버터를 이용하여 연결할 수 있다. 여기서 xPyS는 x개 배터리 셀의 병렬(Parallel)과 y개 배터리 셀의 직렬(Series)로 연결된 배터리 모듈을 말한다.

상기 배터리 모듈(110)들은 DC/DC 컨버터를 통해 서로 직렬 또는 병렬 구조로 연결되어 배터리 팩을 구성하고 이후 연결은 응용 방안 별로 결정된다.

예를 들어, 응용 방안이 전기차 충전기 보조용일 경우에는 직류 전원을 사용해야 하므로, 추가 연결 모듈 없이 바로 연결될 수 있으며, 가정용 ESS나 UPS의 경우 단상 DC/AC 인버터 연결 모듈을 추가로 설치하여 배터리 팩의 직류 전원을 교류로 변환하여 사용할 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치는 배터리 모듈(110), 연결변환 모듈(120), 연결 모듈(130) 및 응용 모듈(140)를 포함하여 구성될 수 있다.

다수의 상기 배터리 모듈(110)은 각각 다수의 배터리 셀로 이루어지고, 다수의 상기 연결변환 모듈(120)는 다수의 상기 배터리 모듈(110)에 각각 연결된다.

또한, 다수의 상기 연결 모듈(130)는 다수의 상기 연결변환 모듈과 각각 연결되며, 직류 전류를 제어하는 DC/DC 컨버터를 각각 포함하여 다수의 상기 배터리 모듈의 SOC(State Of Charge: 충전상태)를 제어하며, 응용 모듈(140)는 다수의 상기 연결 모듈을 직병렬 연결하여, 다수의 상기 배터리 모듈로부터 인가되는 전원을 외부 장치로 공급한다.

이후부터는 본 발명의 일실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치의 구성을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

배터리 모듈(110)은 제조사 별로 상이하며, 상기 배터리 모듈(110)은 연결변환 모듈(120)를 통해 규격이 통일되어 연결 모듈(130)와 연결된다.

상기 연결 모듈(130)는 이종 배터리 모듈(110)의 연결을 용이하게 하기 위한 장치로서, 내부에 DC/DC 컨버터가 연결되며, 이때 상기 DC/DC 컨버터로서 양방향 DC/DC 컨버터를 사용할 수 있다.

또한, 상기 연결 모듈(130)의 측면에는 스위칭 소자의 냉각을 위한 통풍구가 설치되는 구조로 구성될 수 있다.

상기 연결 모듈(130)가 연결된 배터리 모듈(110)은 단일 모듈로도 사용이 가능하나, 상기 연결 모듈(130)는 이종 배터리 모듈(110)들과 직병렬 구조로 연결되어 직류 전압을 향상시키거나 전류를 증가시키는 구조를 구성할 수 있다.

또한, 상기 연결 모듈(130)의 DC/DC 컨버터는 직류 전류를 제어할 수 있으며, 이를 통해 다수의 연결 모듈(130)는 각각 연결된 배터리 모듈(110)의 SOC(State Of Charge: 충전상태)을 제어할 수 있다.

이와 같이 상기 연결 모듈(130)를 통해 직렬 또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 모듈은 응용 방안에 바로 연결되거나 추가적인 DC/DC 컨버터 또는 DC/AC 인버터를 통해 연결될 수 있다. 따라서, 다수의 상기 연결 모듈(130)는 연결되는 응용 모듈(140)는 응용 방안에 따라 내부 구조가 다르게 구성될 수 있다.

추가 컨버터 없이 사용하는 경우에는, 상기 응용 모듈(140) 없이 상기 연결 모듈(130)를 직병렬로 직접 연결할 수 있다.

또한, 응용 방안이 직류이며 추가적인 제어가 필요한 경우에는, 상기 응용 모듈(140)는 DC/DC 인버터 구조를 가지며, 교류인 경우 DC/AC 인버터 구조를 가지도록 구성된다.

상기 연결 모듈(130)와 동일하게 상기 응용 모듈의 측면은 방열을 위한 통풍 구조로 되어 있으며, 이때 상기 응용 모듈(140)는 도 2에서와 같이 외함의 형태에 따라 가로 또는 세로 형태로 구성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치의 구성도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치의 회로도를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 일실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치는 2개의 이종 배터리 모듈(110)을 사용하여 가정용 ESS나 UPS와 같은 단상 AC 응용 방안의 실시예로서, 다수의 배터리 모듈(110), 다수의 연결변환 모듈(120), 다수의 연결 모듈(130) 및 응용 모듈(140)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 배터리 모듈(110)은 제조사가 서로 다른 배터리 모듈로서, 각 배터리 모듈의 공칭 전압은 각각 30V와 40V로 가정하였으며, 최종 응용 방안은 단상 220V 전력계통에 연결될 수 있으며, 독립 전원으로도 사용할 수 있도록 2개의 220V 단자를 연결할 수 있도록 구성될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈 및 연결변환 모듈의 회로도이다.

보다 구체적으로, 도 6은 배터리 모듈(110) 및 연결변환 모듈(120)의 Port #1 부터 #3까지 연결되는 구조를 나타내고 있으며, 이때 Port 1#은 BI(BMS Interface)에 연결되며, 이후 배터리 모듈(110)의 외형의 구조적 문제를 해결하기 위해 연결변환 모듈(120)를 거쳐 Port #3의 DC/DC 컨버터로 연결된다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 연결 모듈의 회로도이다.

보다 구체적으로, 도 7은 배터리 모듈(110)의 연결을 위한 연결 모듈(130)의 DC/DC 컨버터의 회로도로서, 양방향(Bidirectional) DC/DC 컨버터를 사용하여 출력 전압을 제어하도록 구성될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 응용 모듈의 회로도이다.

보다 구체적으로, 도 8을 참조하면 상기 응용 모듈(140)는 배터리 모듈(110)의 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 단상 풀 브릿지 컨버터의 구조로서, 상기 응용 모듈(140)는 2개의 연결 모듈(130)가 연결될 수 있도록 2개의 포트(Port #6, #7)가 입력으로 구성되어 있으며, 직렬로 연결될 수 있도록 구성될 수 있다.

상기 응용 모듈(140)의 출력 단자는 단상 220V 전원과 독립 전원을 동시에 사용할 수 있도록 2개의 출력 단자로 구성될 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치의 출력을 설명하기 위한 도면이다.

도 9의 (a)를 참조하면 교류 출력을 내는 Port #8과 #9는 독립적으로 제어되며, 도 9의 (b)를 참조하면 각 모듈의 전류 출력으로 2초까지 포트 #8에 의해 배터리는 충전되고 있으며, 2초 후 Port #9가 동작하면서 방전하고 있다.

도 9의 (c)는 각 포트 및 배터리 모듈(110)의 전압을 나타내고 있으며, 이때 배터리 모듈(110)의 전압은 상이하지만, 이에 관계없이 Port #6과 #7의 배터리 모듈(110)의 전압은 DC/DC 컨버터 제어를 통해 동일함을 알 수 있다.

여기서 Port #6의 전압과 #7의 전압을 조절하여 배터리 모듈의 출력 전류를 조절할 수 있다.

또한, 도 9의 (d)는 Port #9의 출력 전압을 나타내며, 이때 단순 저항 부하임에도 출력 전압이 실효값 220 V, 60 Hz로 유지됨을 알 수 있다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈의 SOC 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈은 하기의 방법을 통해 각 배터리 모듈(110)의 SOC(State Of Charge: 충전상태)를 조절할 수 있다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 연결 모듈(130)는 각 상기 배터리 모듈(110)의 SOC를 계산하고(S210), 각 상기 배터리 모듈(110)의 전압 및 SOC를 기반으로, 각 상기 배터리 모듈(110)의 우선 순위를 결정한다(S220).

이후, 상기 연결 모듈(130)의 현재 출력 단자를 통해 출력되는 출력 전류, 필요 전압을 고려하여 각 상기 배터리 모듈의 충방전 전류의 분담을 계산하고(S230), 상기 계산한 결과를 이용해 각 상기 배터리 모듈에 대응되는 DC/DC 컨버터의 출력 전압을 조정한다(S240).

이와 같은 출력 전압의 조정을 통해 설정값이 SOC 보다 크면 종료된다(S250).

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈의 SOC 제어 방법에 따른 결과를 설명하기 위한 도면이다.

도 11의 (b)를 참조하면, 각 배터리 모듈(110)의 전압에 관계 없이 이에 연결된 DC/DC 컨버터의 출력 전압을 조절함으로써 배터리 모듈(110)의 출력 전류가 조절되어 각 배터리 모듈(110)의 SOC를 간접적으로 제어할 수 있다.

도 11의 (a)를 참조하면, 도 11의 (b)의 DC/DC 컨버터의 출력 전압이 조절되는 시점에서 두 배터리 모듈(110)의 출력 전류가 역전되는 것을 확인할 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

110: 배터리 모듈
120: 연결변환 모듈
130: 연결 모듈
140: 응용 모듈

Claims (5)

1. 다수의 배터리 셀로 이루어진 다수의 배터리 모듈;
   다수의 상기 배터리 모듈에 각각 연결되는 다수의 연결변환 모듈;
   다수의 상기 연결변환 모듈과 각각 연결되어 상기 다수의 배터리 모듈들과 직병렬 구조로 연결되며, 직류 전류를 제어하는 DC/DC 컨버터를 각각 포함하여 다수의 상기 배터리 모듈의 SOC(State Of Charge: 충전상태)를 제어하는 다수의 연결 모듈; 및
   다수의 상기 연결 모듈을 직병렬 연결하여, 다수의 상기 배터리 모듈로부터 인가되는 전원을 외부 장치로 공급하는 응용 모듈;을 포함하고,
   상기 연결 모듈은,
   각 상기 배터리 모듈의 SOC를 계산하고,
   각 상기 배터리 모듈의 전압 및 SOC를 기반으로, 각 상기 배터리 모듈의 우선 순위를 결정하고,
   상기 연결 모듈의 현재 출력 단자를 통해 출력되는 출력 전류, 필요 전압을 고려하여 각 상기 배터리 모듈의 충방전 전류의 분담을 계산하고,
   상기 계산한 결과를 이용해 각 상기 배터리 모듈에 대응되는 DC/DC 컨버터의 출력 전압을 조정하는 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 연결 모듈은.
   상기 DC/DC 컨버터로서 양방향 DC/DC 컨버터를 포함하는 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 응용 모듈은,
   DC/AC 인버터 또는 DC/DC 컨버터를 포함하는 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 DC/AC 인버터는 단상 풀 브릿지 컨버터의 구조를 포함하는 이종 전기차 배터리 모듈의 연결 변환 장치.
   

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