KR102528400B1 - 전기차의 배터리 연결 제어 시스템 및 그 방법 - Google Patents

전기차의 배터리 연결 제어 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

전기차의 배터리 연결 제어 시스템 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 전기차의 배터리 연결 제어 시스템은, 복수의 배터리팩을 포함하는 배터리부; 상기 배터리부와 모터를 구동하는 인버터를 전기적으로 연결하거나 차단하며, 복수의 릴레이(Relay)를 통해 상기 복수의 배터리팩 연결 구조를 직렬과 병렬로 변경 가능한 파워 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly, PRA); 및 운전자의 모터 출력 증가요구에 따라 상기 PRA를 직렬로 제어하고, 항속 거리 증가요구에 따라 상기 PRA를 병렬로 전환 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

전기차의 배터리 연결 제어 시스템 및 그 방법{BATTERY CONNECTION CONTROL SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLE AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 전기차의 배터리 연결 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 운전자의 필요에 따라 배터리팩의 연결 구조를 가변할 수 있는 전기차의 배터리 연결 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
전기차(Electric Vehicle, EV)는 전기에너지를 이용한 모터의 동력으로 구동되는 차량을 의미하며, 상기 전기에너지를 저장하기 위한 고전압 배터리팩이 장착된다.
전기차는 일반 내연기관 차량과 달리 모터를 통해 구동력을 얻기 때문에 배터리의 충전 용량을 늘려 항속 거리를 늘리거나 출력 성능을 향상시킨다.
그러나, 현재 양산되는 전기차의 배터리팩은 설계상 고정된 연결방식으로 항속 거리가 정해져 있다. 예컨대, 전기차의 모델에 따라 배터리를 기본형(예; 58kWh)과 롱레인지(예; 73kWh)로 구성하고 각각 정해진 규격의 항속거리를 제공하고 있으며, 이 때문에 사용자의 필요성에 따라 전기차의 출력 및 항속 거리 연장이 불가능한 문제점이 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 전기차에 탑재된 복수의 배터리팩의 연결 구조를 운전자의 요구에 따라 직렬 혹은 병렬로 변경하여 전기차의 배터리 출력 성능을 증가시키거나 항속 거리를 연장할 수 있는 전기차의 배터리 연결 제어 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전기차의 배터리 연결 제어 시스템은, 복수의 배터리팩을 포함하는 배터리부; 상기 배터리부와 모터를 구동하는 인버터를 전기적으로 연결하거나 차단하며, 복수의 릴레이(Relay)를 통해 상기 복수의 배터리팩 연결 구조를 직렬과 병렬로 변경 가능한 파워 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly, PRA); 및 운전자의 모터 출력 증가요구에 따라 상기 PRA를 직렬로 제어하고, 항속 거리 증가요구에 따라 상기 PRA를 병렬로 전환 제어하는 제어부;를 포함한다.
또한, 상기 복수의 배터리팩은 각각 독립된 구성체로서 서로 동일한 스펙의 전압과 용량을 갖도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 PRA는 상기 복수의 배터리팩을 직렬로 연결하거나 차단하는 직렬 릴레이; 상기 복수의 배터리팩을 병렬로 연결하거나 차단하는 병렬 릴레이; 및 상기 직렬 릴레이 혹은 병렬 릴레이로부터 인가되는 전류를 최종 출력하는 출력 릴레이가 구성된 연결 구조 전환형 회로를 포함할 수 있다.
또한, 상기 PRA는 상기 연결 구조 전환형 회로를 상기 인버터와 연결을 위한 메인 릴레이 회로에 연결하거나 차단하는 회로 차단 릴레이(Circuit Breaker)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 PRA는 상기 제어부로부터 인가되는 제어신호에 따라 제1 배터리팩과 제2 배터리팩을 직렬로 연결하는 배터리부 직렬 모드를 통해 전압을 증가시킴으로써 상기 모터의 출력 성능을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 PRA는 상기 제어부로부터 인가되는 제어신호에 따라 상기 제1 배터리팩과 제2 배터리팩을 병렬로 연결하는 배터리부 병렬 모드로 용량을 증가시킴으로써 상기 모터의 항속 거리를 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 운전자의 조작에 따라 배터리부 직렬 모드 및 배터리부 병렬 모드 중 어느 하나로의 요구 신호를 입력하는 전환 스위치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전환 스위치는 센터페시아 영역에 설치되는 하드웨어 조작계 또는 차량 내비게이션의 표시되는 소프트웨어 버튼으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 운전자의 모터 출력 증가요구에 따라 전환 스위치가 입력되면 상기 PRA를 배터리부 직렬 모드 및 배터리부 병렬 모드 중 어느 하나의 모드로 선택적으로 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 운전자의 주행 의지가 반영된 차량 주행 모드 상태와 연동하여 상기 차량이 스포츠 모드로 동작중인 경우 상기 배터리부 직렬 모드로 제어하고, 상기 차량이 에코 모드로 동작중인 경우 상기 배터리부 병렬 모드로 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 BMS(Battery Management System) 혹은 센서로부터 배터리 잔존용량(State of Charge, SOC)을 수집하고, 현재 SOC가 임계치 이하이면 상기 PRA의 직렬 모드 제어를 제한할 수 있다.
한편, 본 발명의 일측면에 따른, 복수의 배터리팩이 구성된 배터리부를 복수의 릴레이(Relay)를 통해 직렬 혹은 병렬로 연결 가능한 파워 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly, PRA)가 구비된 전기차의 배터리 연결 제어 방법은, a) 전기차의 운행 중 운전자의 모터 출력 증가요구에 따른 전환 스위치가 입력되는 단계; b) 상기 PRA에 제어신호를 인가하여 배터리부 직렬 모드로 제어하는 단계;
c) 상기 배터리부 직렬 모드로 제어 중 상기 운전자의 항속 거리 연장 요구에 따른 상기 전환 스위치가 입력되는 단계; 및 d) 상기 PRA에 제어신호를 인가하여 상기 배터리부 직렬 모드를 배터리부 병렬 모드로 전환하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 배터리부 직렬 모드로 제어하는 단계는, 상기 PRA의 직렬 릴레이를 온(ON) 하여 제1 배터리팩의 (+)단자와 제2 배터리팩의 (-)단자를 직렬로 연결하고, 병렬 릴레이를 오프(OFF) 시켜 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리부 직렬 모드로 제어하는 단계는, 상기 PRA의 출력 릴레이를 온(ON) 하여 상기 배터리부의 상단 전압인 제1 배터리팩의 (+)단자의 전압을 메인 릴레이 측으로 출력하는 단계; 상기 PRA의 프리차지 릴레이를 온(ON) 하여 프리차지 레지스터를 통해 낮아진 전류로 인버터의 캐패시터를 충전하는 단계; 상기 PRA의 메인 릴레이(+)단을 온(ON) 하여 인버터(+)단에 최종 출력하는 단계; 및 상기 PRA의 메인 릴레이(-)단을 온(ON) 하여 인버터(-)단에 최종 출력하는 단계;를 더 포함할 수 있다..
또한, 상기 배터리부 병렬 모드로 전환하는 단계는, 상기 PRA의 병렬 릴레이를 온(ON) 하여 제1 배터리팩의 (-) 단자와 제2 배터리팩의 (-)단자를 병렬로 연결하고, 직렬 릴레이(121)를 오프(OFF) 시켜 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리부 병렬 모드로 전환하는 단계는, 상기 PRA의 출력 릴레이를 온(ON) 하여 제1 배터리팩의 (+)단자와 제2 배터리팩(112)의 (+)단자를 병렬로 연결하는 단계; 상기 PRA의 프리차지 릴레이를 온(ON) 하여 프리차지 레지스터를 통해 낮아진 전류로 인버터의 캐패시터를 충전하는 단계; 상기 PRA의 메인 릴레이(+)단을 온(ON) 하여 인버터(+)단에 최종 출력하는 단계; 및 상기 PRA의 메인 릴레이(-)단을 온(ON) 하여 인버터(-)단에 최종 출력하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 a) 단계와 b) 단계 사이에, 현재 배터리 배터리 잔존용량(SoC)이 설정된 임계치 이하인지 여부를 파악하는 단계; 및 상기 SoC가 설정된 임계치 이하이면, 상기 배터리부 직렬 모드로의 제어를 제한하고 배터리 부족으로 제한된 사유를 운전자에게 알람 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 b) 단계이 후에, 상기 배터리부 직렬 모드로 동작 중 수집된 현재 배터리 SoC가 설정된 임계치 이하로 떨어지는 것을 파악하는 단계; 및 상기 배터리부 직렬 모드를 상기 배터리부 병렬 모드로 강제 전환하고 배터리 부족으로 전환된 사유를 운전자에게 알람 하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전기차에 탑재된 복수의 배터리팩 연결 구조를 직렬과 병렬로 변경 가능한 파워 릴레이 어셈블리(PRA)를 구성하여 운전자의 요구에 따라 배터리 출력 성능을 증가시키거나 항속 거리를 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 운전자의 출력 성능향상 요구에 따른 배터리 직렬 모드를 최한 지원하되, 배터리 잔존용량(SoC)이 부족한 경우 배터리의 직렬 모드로의 변경을 제한하고, 직렬 모드로 운행 중 잔존용량 부족 상황 발생시 병렬모드로 자동 전환하여 안정적으로 배터리를 관리할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본발명의 실시예에 따른 전기차의 배터리 연결 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리부의 연결 구조를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 배터리 연결 제어 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리부 직렬 모드 동작 순서를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리부 병렬 모드 동작 순서를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 추가 실시예에 따른 전기차의 배터리 연결 제어 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결된다'거나 '접속된다'고 언급되는 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결된다'거나 '직접 접속된다'고 언급되는 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 아니하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서, '포함한다', '가진다' 등과 관련된 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 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 의미를 포함한다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 배터리 연결 제어 시스템에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본발명의 실시예에 따른 전기차의 배터리 연결 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리부의 연결 구조를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 배터리 연결 제어 시스템(100)은 복수의 배터리팩을 포함하는 배터리부(110), 배터리부(110)와 인버터(130)를 전기적으로 연결하거나 차단하며, 복수의 릴레이(Relay)를 통해 상기 복수의 배터리팩 연결 구조를 직렬과 병렬로 변경 가능한 파워 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly, PRA)(120), 운전자(사용자)의 모터 출력 증가요구에 따라 상기 PRA(120)를 직렬로 제어하고 항속 거리 증가요구에 따라 상기 PRA(120)를 병렬로 전환 제어하는 제어부(150)를 포함한다.
배터리부(110)는 독립적으로 구성된 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112)을 포함한다. 이하, 배터리부(110)는 설명의 편의상 두 개의 배터리팩(111, 112)을 가정하여 설명하겠으나 그 구성 개수가 이에 한정되는 것은 아니며 더 추가할 수 있다.
PRA(120)는 배터리부(110)에 구성된 복수의 배터리팩(111, 112)을 직렬로 연결하거나 차단하는 직렬 릴레이(121), 상기 복수의 배터리팩(111, 112)을 병렬로 연결하거나 차단하는 병렬 릴레이(122) 및 상기 직렬 릴레이(121) 혹은 병렬 릴레이(122)로 인가되는 전압을 최종 출력하는 출력 릴레이(123)를 포함하는 연결 구조 전환형 회로가 추가로 구성된다. 여기에, 상기 연결 구조 전환형 회로를 기존 PRA(120) 회로의 메인 릴레이에 연결하거나 차단하는 회로 차단 릴레이(Circuit Breaker)(124)를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 기존 PRA(120)의 구성으로 인버터(+)단에 연결되는 메인 릴레이(+)(125), 인버터(-)단에 연결되는 메인 릴레이(-)(126), 릴레이 구동 전 고전압 돌입전류에 의한 손상을 방지하기 위하여 인버터(130)를 초기 충전하는 프리차지 릴레이(Pre-Charge Relay)(127) 및 프리차지 레지스터(Pre-Charge Resistor)(128)를 포함할 수 있다.
인버터(130)는 배터리부(110)에서 공급되는 직류(DC) 전원을 3상 교류(AC) 전압으로 변환하여 모터(미도시)구동 토크를 발생시킨다.
배터리부(110)의 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112)은 각각 독립된 구성체이며, 복수의 셀(cell)이 적층된 배터리 모듈(Module)을 필요한 개수로 패키징 하여 서로 동일한 스펙의 전압과 용량을 갖도록 구성된다.
예컨대, 배터리부(110)의 각 배터리팩(111, 112)의 스펙은 400V의 전압과 120Ah의 용량으로 구성될 수 있다.
PRA(120)는 제어부(150)로부터 인가되는 제어신호에 따라 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112)을 직렬로 연결하여(이하, "배터리부 직렬 모드"라고도 함) 전압을 증가시킴으로써 모터의 출력을 높일 수 있다(예; 배터리부 직렬 모드 스펙 800V / 120Ah).
또한, PRA(120)는 제어부(150)로부터 인가되는 제어신호에 따라 제1 배터리팩(111)과 제2 배터리팩(112)을 병렬로 연결하여(이하, "배터리부 병렬 모드"라고도 함) 용량을 증가시킴으로써 모터의 항속 거리를 늘릴 수 있다(예; 배터리부 병렬 모드 스펙 400V / 240Ah).
한편, 전기차의 배터리 연결 제어 시스템(100)은 운전자의 조작에 따라 상기 직렬 모드 및 병렬 모드 중 어느 하나로의 요구 신호를 입력하는 전환 스위치(140)를 더 포함한다. 상기 전환 스위치(140)는 센터페시아 영역에 구성되는 하드웨어 조작계나 차량 내비게이션의 표시되는 소프트웨어 버튼으로 구성될 수 있다.
제어부(150)는 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 배터리 연결 제어 시스템(100)의 전반적인 동작을 제어하며, 이를 위한 적어도 하나의 프로그램과 데이터를 포함한다.
제어부(150)는 전환 스위치(140)로부터 수신된 운전자의 요구 신호에 따라 PRA(120)를 제어하여 배터리부 직렬 모드 및 배터리부 병렬 모드 중 어느 하나를 선택적으로 제어할 수 있다. 이 때, 제어부(150)는 전기차의 주행 중 어느 하나의 모드가 제어 중이면 상기 전환 스위치(140) 입력에 따라 타 모드로 전환 할 수 있다.
또한, 제어부(150)는 운전자의 주행 의지가 반영된 차량 주행 모드 상태와 연동하여 차량이 스포츠 모드(즉, 파워 모드)로 동작중인 경우 상기 배터리부 직렬 모드로 제어하고, 상기 차량이 에코 모드(즉, 전비 모드)로 동작중인 경우 상기 배터리부 병렬 모드로 제어할 수 있다.
또한, 제어부(150)는 BMS(Battery Management System) 혹은 그 센서로부터 배터리 잔존용량(State of Charge, SOC)을 수집하고, 현재 SOC가 임계치 이하이면 상기 배터리부 직렬 모드로의 제어를 제한할 수 있다.
이러한 제어부(150)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 배터리 연결 제어 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍 된 것일 수 있다.
이러한 전기차의 배터리 연결 제어 방법은 아래의 도면을 참조하여 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 배터리 연결 제어 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 연결 제어 시스템(100)의 제어부(150)는 전기차의 전원 후 운행을 시작하고(S10), PRA(120)를 통해 배터리부 병렬 모드로 제어한다(S20). 이때, 제어부(150)는 차량의 운행 시작 시 상기 배터리 병렬 모드를 제어하도록 디폴트로 설정하고 있거나 직전 운행에 마지막으로 저장된 모드를 불러와 제어할 수 있다.
제어부(150)는 상기 배터리부 병렬 모드로 제어 중 전환 스위치(140)가 입력되지 않으면(S30; 아니오), 현재 모드를 유지한다.
반면, 제어부(150)는 상기 배터리부 병렬 모드로 제어 중 운전자의 요구에 따른 전환 스위치(140)가 입력되면(S30; 예), PRA(120)의 배터리부 병렬 모드를 배터리부 직렬 모드로 전환한다(S40).
예컨대, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리부 직렬 모드 동작 순서를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 제어부(150)가 PRA(120)를 배터리부 직렬 모드로 제어하는 방법은, ① 직렬 릴레이(121)를 온(ON) 하여 제1 배터리팩(111)의 (+) 단자와 제2 배터리팩(112)의 (-)단자를 직렬로 연결하고, 병렬 릴레이(122)를 오프(OFF) 시켜 차단하는 단계; ② 출력 릴레이(123)를 온(ON) 하여 배터리부의 상단 전압인 제1 배터리팩(111)의 (+)단자의전압을 메인 릴레이 측으로 출력하는 단계; ③ 프리차지 릴레이(127)를 온(ON) 하여 프리차지 레지스터(128)를 통해 낮아진 전류로 인버터(130)의 캐패시터를 충전하는 단계; ④ 메인 릴레이(+)(125)를 온(ON) 하여 인버터(+)단에 최종 출력하는 단계; 및 ⑤ 메인 릴레이(-)(126)를 온(ON) 하여 인버터(-)단에 최종 출력하는 단계;를 포함한다.
이처럼, 제어부(150)는 선택적인 운전자의 요구에 따라 배터리부를 직렬 모드로 제어하여 인버터로 공급되는 전압을 증가시킴으로써 모터의 출력 성능을 증가시킬 수 있다.
한편, 제어부(150)는 상기 배터리부 직렬 모드로 제어 중 전환 스위치(140)가 입력되지 않으면(S50; 아니오), 현재 모드를 유지한다.
반면, 제어부(150)는 상기 배터리부 직렬 모드로 제어 중 운전자의 요구에 따른 전환 스위치(140)가 입력되면(S50; 예), PRA(120)의 상기 배터리부 직렬 모드를 배터리부 병렬 모드로 전환한다(S60).
예컨대, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리부 병렬 모드 동작 순서를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 제어부(150)가 PRA(120)를 배터리부 병렬 모드로 제어하는 방법은, ① 병렬 릴레이(122)를 온(ON) 하여 제1 배터리팩(111)의 (-) 단자와 제2 배터리팩(112)의 (-)단자를 병렬로 연결하고, 직렬 릴레이(121)를 오프(OFF) 시켜 차단하는 단계; ② 출력 릴레이(123)를 온(ON) 하여 제1 배터리팩(111)의 (+)단자와 제2 배터리팩(112)의 (+)단자를 병렬로 연결하는 단계; ③ 프리차지 릴레이(127)를 온(ON) 하여 프리차지 레지스터(128)를 통해 낮아진 전류로 인버터(130)의 캐패시터를 충전하는 단계; ④ 메인 릴레이(+)(125)를 온(ON) 하여 인버터(+)단에 최종 출력하는 단계; 및 ⑤ 메인 릴레이(-)(126)를 온(ON) 하여 인버터(-)단에 최종 출력하는 단계;를 포함한다.
이처럼, 제어부(150)는 선택적인 운전자의 요구에 따라 배터리부를 병렬 모드로 제어함으로써 배터리의 용량 증대에 따른 항속 거리를 늘릴 수 있다.
이후, 운전자의 요구에 따라 배터리부 직렬/병렬 모드의 전환은 반복될 수 있으며, 전기차의 전원 오프 시 종료된다.
이상에서는 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 변경/추가가 가능하다.
예컨대, 도 6은 본 발명의 추가 실시예에 따른 전기차의 배터리 연결 제어 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 추가 실시예에 따른 도 6은 앞서 설명한 도 5와 유사하며, 배터리의 SoC를 더 고려하여 배터리부 직렬/병렬 모드의 진입/전환을 제어하는 점만 다르므로 중복되는 설명은 생략하고 다른 부분을 위주로 설명하도록 한다.
도 6을 참조하면, 제어부(150)는 전기차의 운행시 BMS로부터 배터리 잔존용량(SOC)을 실시간으로 파악할 수 있다.
제어부(150)는 전기차가 배터리부 병렬 모드로 동작 중 운전자의 요구에 따른 전환 스위치(140)가 입력되면(S30; 예), 현재 배터리 SoC가 설정된 임계치 이하인지 여부를 파악한다(S35).
이 때, 제어부(150)는 현재 배터리 SoC가 설정된 임계치 이하이면(S35; 예), 운전자의 요구가 있더라도 배터리부 직렬 모드로의 전환을 제한하고 배터리 부족으로 제한된 사유를 운전자에게 알람 할 수 있다(S37).
반면, 제어부(150)는 현재 배터리 SoC가 설정된 임계치 이하가 아니면(S35; 아니오), 상기 배터리부 병렬 모드를 배터리부 직렬 모드로 전환한다(S40).
이후, 제어부(150)는 상기 배터리부 직렬 모드로 동작 중 수집된 현재 배터리 SoC가 설정된 임계치 이하가 아니면(S45; 아니오), 상기 배터리부 직렬 모드를 유지한다.
반면, 제어부(150)는 상기 배터리부 직렬 모드로 동작 중 수집된 현재 배터리 SoC가 설정된 임계치 이하로 떨어지면(S45; 예), 상기 배터리부 직렬 모드를 상기 배터리부 병렬 모드로 강제 전환하고 그 사유를 운전자에게 알람 할 수 있다(S60).
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 전기차에 탑재된 복수의 배터리팩 연결 구조를 직렬과 병렬로 변경 가능한 파워 릴레이 어셈블리(PRA)를 구성하여 운전자의 요구에 따라 배터리 출력 성능을 증가시키거나 항속 거리를 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 운전자의 출력 성능향상 요구에 따른 배터리 직렬 모드를 최한 지원하되, 배터리 잔존용량(SoC)이 부족한 경우 배터리의 직렬 모드로의 변경을 제한하고, 직렬 모드로 운행 중 잔존용량 부족 상황 발생시 병렬모드로 자동 전환하여 안정적으로 배터리를 관리할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 배터리 연결 제어 시스템
110: 배터리부
111: 제1 배터리팩
112: 제2 배터리팩
120: 파워 릴레이 어셈블리(PRA)
121: 직렬 릴레이
122: 병렬 릴레이
123: 출력 릴레이
124: 회로 차단 릴레이
125: 메인 릴레이(+)
126: 메인 릴레이(-)
127: 프리차질 릴레이
128: 프리차지 레지스터
130: 인버터
140: 전환 스위치
150: 제어부

Claims (18)

  1. 복수의 배터리팩을 포함하는 배터리부;
    상기 배터리부와 모터를 구동하는 인버터를 전기적으로 연결하거나 차단하며, 복수의 릴레이(Relay)를 통해 상기 복수의 배터리팩 연결 구조를 직렬과 병렬로 변경 가능한 파워 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly, PRA); 및
    운전자의 모터 출력 증가요구에 따라 상기 PRA를 직렬로 제어하고, 항속 거리 증가요구에 따라 상기 PRA를 병렬로 전환 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 PRA를 직렬로 제어시 상기 PRA의 직렬 릴레이를 온(ON) 하여 제1 배터리팩의 (+)단자와 제2 배터리팩의 (-)단자를 직렬로 연결하고, 병렬 릴레이를 오프(OFF) 시켜 차단하는 전기차의 배터리 연결 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리팩은
    각각 독립된 구성체로서 서로 동일한 스펙의 전압과 용량을 갖도록 구성되는 전기차의 배터리 연결 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PRA는
    상기 복수의 배터리팩을 직렬로 연결하거나 차단하는 직렬 릴레이;
    상기 복수의 배터리팩을 병렬로 연결하거나 차단하는 병렬 릴레이; 및
    상기 직렬 릴레이 혹은 병렬 릴레이로부터 인가되는 전류를 최종 출력하는 출력 릴레이;
    가 구성된 연결 구조 전환형 회로를 포함하는 전기차의 배터리 연결 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 PRA는
    상기 연결 구조 전환형 회로를 상기 인버터와 연결을 위한 메인 릴레이 회로에 연결하거나 차단하는 회로 차단 릴레이(Circuit Breaker)를 더 포함하는 전기차의 배터리 연결 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 PRA는
    상기 제어부로부터 인가되는 제어신호에 따라 제1 배터리팩과 제2 배터리팩을 직렬로 연결하는 배터리부 직렬 모드를 통해 전압을 증가시킴으로써 상기 모터의 출력 성능을 증가시키는 전기차의 배터리 연결 제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 PRA는
    상기 제어부로부터 인가되는 제어신호에 따라 상기 제1 배터리팩과 제2 배터리팩을 병렬로 연결하는 배터리부 병렬 모드로 용량을 증가시킴으로써 상기 모터의 항속 거리를 증가시키는 전기차의 배터리 연결 제어 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 운전자의 조작에 따라 배터리부 직렬 모드 및 배터리부 병렬 모드 중 어느 하나로의 요구 신호를 입력하는 전환 스위치를 더 포함하는 전기차의 배터리 연결 제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전환 스위치는
    센터페시아 영역에 설치되는 하드웨어 조작계 또는 차량 내비게이션의 표시되는 소프트웨어 버튼으로 구성되는 전기차의 배터리 연결 제어 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는
    운전자의 모터 출력 증가요구에 따라 전환 스위치가 입력되면 상기 PRA를 배터리부 직렬 모드 및 배터리부 병렬 모드 중 어느 하나의 모드로 선택적으로 제어하는 전기차의 배터리 연결 제어 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 운전자의 주행 의지가 반영된 차량 주행 모드 상태와 연동하여 상기 차량이 스포츠 모드로 동작중인 경우 배터리부 직렬 모드로 제어하고, 상기 차량이 에코 모드로 동작중인 경우 배터리부 병렬 모드로 제어하는 전기차의 배터리 연결 제어 시스템.
  11. 제1항 또는 제10항에 있어서,
    상기 제어부는
    BMS(Battery Management System) 혹은 센서로부터 배터리 잔존용량(State of Charge, SOC)을 수집하고, 현재 SOC가 임계치 이하이면 상기 PRA의 직렬 모드 제어를 제한하는 전기차의 배터리 연결 제어 시스템.
  12. 복수의 배터리팩이 구성된 배터리부를 복수의 릴레이(Relay)를 통해 직렬 혹은 병렬로 연결 가능한 파워 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly, PRA)가 구비된 전기차의 배터리 연결 제어 방법에 있어서,
    a) 전기차의 운행 중 운전자의 모터 출력 증가요구에 따른 전환 스위치가 입력되는 단계;
    b) 상기 PRA에 제어신호를 인가하여 배터리부 직렬 모드로 제어하는 단계;
    c) 상기 배터리부 직렬 모드로 제어 중 상기 운전자의 항속 거리 연장 요구에 따른 상기 전환 스위치가 입력되는 단계; 및
    d) 상기 PRA에 제어신호를 인가하여 상기 배터리부 직렬 모드를 배터리부 병렬 모드로 전환하는 단계;를 포함하되,
    상기 배터리부 직렬 모드로 제어하는 단계는, 상기 PRA의 직렬 릴레이를 온(ON) 하여 제1 배터리팩의 (+)단자와 제2 배터리팩의 (-)단자를 직렬로 연결하고, 병렬 릴레이를 오프(OFF) 시켜 차단하는 단계를 포함하는 전기차의 배터리 연결 제어 방법.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 배터리부 직렬 모드로 제어하는 단계는,
    상기 PRA의 출력 릴레이를 온(ON) 하여 상기 배터리부의 상단 전압인 제1 배터리팩의 (+)단자의 전압을 메인 릴레이 측으로 출력하는 단계;
    상기 PRA의 프리차지 릴레이를 온(ON) 하여 프리차지 레지스터를 통해 낮아진 전류로 인버터의 캐패시터를 충전하는 단계;
    상기 PRA의 메인 릴레이(+)단을 온(ON) 하여 인버터(+)단에 최종 출력하는 단계; 및
    상기 PRA의 메인 릴레이(-)단을 온(ON) 하여 인버터(-)단에 최종 출력하는 단계;
    를 더 포함하는 전기차의 배터리 연결 제어 방법.
  15. 제12항 또는 제14항에 있어서,
    상기 배터리부 병렬 모드로 전환하는 단계는,
    상기 PRA의 병렬 릴레이를 온(ON) 하여 제1 배터리팩의 (-) 단자와 제2 배터리팩의 (-)단자를 병렬로 연결하고, 직렬 릴레이(121)를 오프(OFF) 시켜 차단하는 단계를 포함하는 전기차의 배터리 연결 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 배터리부 병렬 모드로 전환하는 단계는,
    상기 PRA의 출력 릴레이를 온(ON) 하여 제1 배터리팩의 (+)단자와 제2 배터리팩(112)의 (+)단자를 병렬로 연결하는 단계;
    상기 PRA의 프리차지 릴레이를 온(ON) 하여 프리차지 레지스터를 통해 낮아진 전류로 인버터의 캐패시터를 충전하는 단계;
    상기 PRA의 메인 릴레이(+)단을 온(ON) 하여 인버터(+)단에 최종 출력하는 단계; 및
    상기 PRA의 메인 릴레이(-)단을 온(ON) 하여 인버터(-)단에 최종 출력하는 단계;
    를 포함하는 전기차의 배터리 연결 제어 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 a) 단계와 b) 단계 사이에,
    현재 배터리 배터리 잔존용량(SoC)이 설정된 임계치 이하인지 여부를 파악하는 단계; 및
    상기 SoC가 설정된 임계치 이하이면, 상기 배터리부 직렬 모드로의 제어를 제한하고 배터리 부족으로 제한된 사유를 운전자에게 알람 하는 단계를 더 포함하는 전기차의 배터리 연결 제어 방법.
  18. 제12항 또는 제17항에 있어서,
    상기 b) 단계이 후에,
    상기 배터리부 직렬 모드로 동작 중 수집된 현재 배터리 SoC가 설정된 임계치 이하로 떨어지는 것을 파악하는 단계; 및
    상기 배터리부 직렬 모드를 상기 배터리부 병렬 모드로 강제 전환하고 배터리 부족으로 전환된 사유를 운전자에게 알람 하는 단계;
    를 더 포함하는 전기차의 배터리 연결 제어 방법.
KR1020210143513A 2021-10-26 2021-10-26 전기차의 배터리 연결 제어 시스템 및 그 방법 KR102528400B1 (ko)

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