KR102624683B1 - 배터리 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템은, 제1 배터리 팩; 제2 배터리 팩; 및 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩과 전기적으로 연결되는 배터리 보호 유닛을 포함하고, 상기 배터리 보호 유닛은, 차량의 시동 온에 따른 신호의 수신에 기초하여, 상기 차량에 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩이 장착된 것을 식별하고, 상기 차량에 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩이 장착된 것에 기초하여, 상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩 간의 전압 차를 식별하고, 상기 전압 차에 기초하여 상기 제1 배터리 팩 또는 상기 제2 배터리 팩 중 적어도 하나로부터, 상기 차량의 부하로 배터리 전원이 공급되도록, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이를 제어하는 것을 포함할 수 있다.

Description

배터리 시스템 및 그 제어 방법{BATTERY SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 차량, 예를 들어, 전기 자동차(xEV)의 용량 가변형 배터리 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
친환경 자동차에 대한 요구 및 기술의 발전에 따라, 글로벌 전기 자동차 시장이 지속적으로 확대되고 있다.
이에 따라, 현재 전기 자동차의 1회 충전에 따른 주행 거리의 성능 향상 방법, 전기 자동차의 가격을 낮추는 방법 및 전기 자동차의 충전 인프라 확대 방법 등과 같이 전기 자동차에 대한 소비자 수용성을 향상시키기 위한 방법에 대한 연구가 다각적으로 이루고 지고 있으며, 향후에도 꾸준한 연구가 이루어질 전망이다.
1세대 전기 자동차의 경우 1회 충전에 따른 주행 가능 거리가 200km 수준이었으며, 현재 출시가 본격화된 2세대 전기 자동차의 경우 1회 충전에 따른 주행 가능 거리는 400km 전후로 확대되었다.
예를 들어, 현재 출시되는 일부 제조사의 2세대 전기 자동차의 경우, 탑재된 배터리 용량이 대부분 60kWh를 상회하고, 전기 자동차의 1회 충전에 따른 주행 가능 거리는 400km 전후를 나타내고 있다.
일반적으로 전기 자동차의 1회 충전에 따른 주행 거리의 성능, 즉, 주행 가능 거리는, 전기 자동차의 배터리 용량, 주행 도로, 운전자의 운전 습관 등 다양한 요소들에 의해 결정된다고 할 수 있으나, 이러한 다양한 요소들 중 전기 자동차의 배터리 용량이 전기 자동차의 주행 가능 거리와 가장 밀접하게 관련이 있다.
종래의 전기 자동차의 배터리는 고정된 용량을 배터리를 적용하고 있으며, 이에 따라, 전기 자동차의 주행 가능 거리를 증가시키는 것에는 한계가 있어 왔다.
본 발명의 실시예는 필요에 따라 차량의 주행 가능 거리를 증가 시킬 수 있도록, 차량의 배터리 용량을 가변시킬 수 있는 배터리 시스템 및 그 제어 방법을 제공할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 실시예는, 차량에 장착된 기본 배터리 팩에 추가로 추가 배터리 팩을 장착 가능하도록 하며, 이와 같이 차량의 추가 배터리 팩의 장착에 따른, 차량의 배터리 시스템을 제어할 수 있는 새로운 기술을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 시스템은, 제1 배터리 팩; 제2 배터리 팩; 및 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩과 전기적으로 연결되는 배터리 보호 유닛을 포함하고, 상기 배터리 보호 유닛은, 차량의 시동 온에 따른 신호의 수신에 기초하여, 상기 차량에 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩이 장착된 것을 식별하고, 상기 차량에 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩이 장착된 것에 기초하여, 상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩 간의 전압 차를 식별하고, 상기 전압 차에 기초하여 상기 제1 배터리 팩 또는 상기 제2 배터리 팩 중 적어도 하나로부터, 상기 차량의 부하로 배터리 전원이 공급되도록, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이를 제어하는 것을 포함할 수 있다.
상기 배터리 보호 유닛은, 상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩 간의 전압 차가 제1 기준 값 보다 큰 것에 응답하여, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩 중 큰 전압 값의 배터리 팩으로부터 상기 차량의 부하로 배터리 전원이 공급되도록, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이를 제어하는 것을 포함할 수 있다.
상기 배터리 보호 유닛은, 상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩 간의 전압 차가 제1 기준 값 이하인 것에 응답하여, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이를 제어하여, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩 중 큰 전압 값의 배터리 팩과 상기 차량의 부하가 전기적으로 연결되고, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩 중 낮은 전압 값의 배터리 팩과 상기 차량의 부하가 전기적으로 연결되지 않도록 하고, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩과 연결된 양방향 컨버터를 제어하여, 상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩 사이의 전압 밸런싱 및 상기 큰 전압 값의 배터리 팩으로부터 상기 차량의 부하로 배터리 전원이 공급되도록 하는 것을 포함할 수 있다.
상기 배터리 보호 유닛은, 상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩 간의 전압 차가 상기 제1 기준 값보다 작은 제2 기준 값 이하인 것에 응답하여, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩으로부터 상기 차량의 부하로 배터리 전원이 공급되도록, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이를 제어하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩은, 상기 차량에 탈부착 가능할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 시스템의 제어 방법은, 차량의 시동 온에 따른 신호의 수신에 기초하여, 상기 차량에 장착된 배터리 팩이 두 개인지를 식별하며; 상기 차량에 장착된 배터리 팩이 두 개인 것에 응답하여, 상기 두 개의 배터리 팩인 제1 배터리 팩과 제2 배터리 팩 간의 전압 차를 식별하며; 상기 전압 차에 기초하여 상기 제1 배터리 팩 또는 상기 제2 배터리 팩 중 적어도 하나로부터, 상기 차량의 부하로 배터리 전원이 공급되도록, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이를 제어하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이를 제어하는 것은, 상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩 간의 전압 차가 제1 기준 값 보다 큰 것에 응답하여, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩 중 큰 전압 값의 배터리 팩으로부터 상기 차량의 부하로 배터리 전원이 공급되도록, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이를 제어하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이를 제어하는 것은, 상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩 간의 전압 차가 제1 기준 값 이하인 것에 응답하여, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩 중 큰 전압 값의 배터리 팩과 상기 차량의 부하가 전기적으로 연결되고, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩 중 낮은 전압 값의 배터리 팩과 상기 차량의 부하가 전기적으로 연결되지 않도록, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이를 제어하고, 상기 제어 방법은, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이의 제어에 응답하여, 상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩 사이의 전압 밸런싱 및 상기 큰 전압 값의 배터리 팩으로부터 상기 차량의 부하로 배터리 전원이 공급되도록, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩과 연결된 양방향 컨버터를 제어하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이를 제어하는 것은, 상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩 간의 전압 차가 상기 제1 기준 값보다 작은 제2 기준 값 이하인 것에 응답하여, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩으로부터 상기 차량의 부하로 배터리 전원이 공급되도록, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이를 제어하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 용량 가변형 배터리 시스템 및 그 제어 방법은, 차량의 운전자의 필요에 따라 차량의 배터리 용량을 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 용량 가변형 배터리 시스템 및 그 제어 방법은, 차량의 장거리 주행의 필요 시, 차량의 배터리 용량을 증가시켜, 방전으로 인한 운전자의 불편을 최소화할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 차량용 배터리 시스템의 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 배터리 보호 유닛의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 차량용 배터리 시스템의 결선도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 동작 흐름도이다.
도 5a 내지 도 5c는 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 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 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 아니하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 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. 본 명세서에서, "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 의미로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 차량용 배터리 시스템의 구성도이다. 도 2는 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 배터리 보호 유닛의 구조를 나타낸 도면이다. 도 3은 일 실시예에 따른 차량용 배터리 시스템의 결선도이다.
도 1을 참조하면, 차량(10)용 배터리 시스템(100)(또는 고전압 배터리 시스템이라고도 함)은 배터리 보호 유닛(BPU; battery protection unit)(110), 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩(160)을 포함할 수 있다. 제1 배터리 팩(130)은 제1 배터리(140)(또는 적어도 하나의 제1 배터리 셀이라고도 함) 및 제1 배터리 관리 시스템(BMS; battery management system)(150)을 포함할 수 있다. 제2 배터리 팩(160)은 제2 배터리(170)(또는 적어도 하나의 제2 배터리 셀이라고도 함) 및 제2 배터리 관리 시스템(180)을 포함할 수 있다.
BPU(110)는 제1 배터리 팩(120) 및 제2 배터리 팩(130)의 충전 및/또는 방전을 관리할 수 있다. 또한, BPU(110)는 제1 배터리 팩(120) 및 제2 배터리 팩(130)의 과충전 및/또는 과방전을 방지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, BPU(110)는 도 2와 같은 구조로 구현될 수 있다.
도 2를 참조하면, BPU(110)는 하우징 본체(210), 하우징 본체(210)의 내부에 배치되는 BPU 조립체(230), 및 하우징 본체(210)와 결합하여 BPU 조립체(230)를 커버하는 하우징 커버(250)를 포함할 수 있다.
BPU 조립체(230)는 제1 릴레이(112), 제2 릴레이(114) 및 제3 릴레이(116)를 포함할 수 있으며, 제1 내지 제3 릴레이(112, 114, 116)는 버스 바(118)를 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 버스 바(118)의 일 부분에는 제1 내지 제5 커넥터(120, 121, 122, 123, 124)가 연결될 수 있다.
도 2에는 일부가 생략되긴 하였지만, 제1 커넥터(120)는 BPU(110)의 제1 릴레이(112)와 제1 배터리 팩(130)과의 전기적 연결을 위한 것일 수 있다. 또한, 제2 커넥터(121) 및 제3 커넥터(122)는 BPU(110)의 제1 릴레이(112) 및 제2 릴레이(114)와 양방향 컨버터(도 3의 190)와의 전기적 연결을 위한 것일 수 있다. 또한, 제4 커넥터(123)는 BPU(110)의 제2 릴레이(114)와 제2 배터리 팩(160)과의 전기적 연결을 위한 것일 수 있다. 또한, 제5 커넥터(124)는 BPU(110)의 제3 릴레이(116)와 차량(10)의 부하, 예를 들어, 차량(10)의 인버터(도 3의 34)와의 전기적 연결을 위한 것일 수 있다.
또한, BPU 조립체(230)는 제1 내지 제3 전류 센서(125, 126, 127)를 더 포함할 수 있다. 제1 전류 센서(125)는, 제1 배터리 팩(130)의 전류를 측정할 수 있도록, 제1 릴레이(112), 제1 커넥터(120) 및 제2 커넥터(121) 사이를 전기적으로 연결하는 버스 바(118) 쪽에 배치될 수 있다. 제2 전류 센서(126)는 제2 배터리 팩(160)의 전류를 측정할 수 있도록, 제2 릴레이(114), 제3 커넥터(122) 및 제4 커넥터(123) 사이를 전기적으로 연결하는 버스 바(118) 쪽에 배치될 수 있다. 제3 전류 센서(127)는 차량(10), 예를 들어, 차량(10)의 인버터(도 3의 34)로 흐르는 전류를 측정할 수 있도록, 제3 릴레이(116)와 제5 커넥터(124) 사이를 전기적으로 연결하는 버스 바(118) 쪽에 배치될 수 있다.
또한, BPU 조립체(230)는 인쇄 회로 기판(PCB; printed circuit board)(129)을 포함하며, 도시되지는 않았지만, PCB(129)는 BPU(110)의 동작을 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 배터리 팩(130) 및/또는 제2 배터리 팩(160)은 차량(10), 예를 들어, 차량(10)의 배터리 시스템(100)에 탈부착 가능하게 구현될 수 있다.
예를 들어, 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩(160)은 서로 병렬 연결될 수 있다.
예를 들어, 제1 배터리 팩(130)은 차량(10)에 기본 배터리로 장착된 것일 수 있으며, 제2 배터리 팩(160)은 운전자의 필요에 따라, 예를 들어, 차량(10)의 장거리 주행의 필요에 따라, 배터리 용량을 증가시키기 위해 추가로 차량(1)에 장착된 것일 수 있다.
제1 배터리 팩(130)의 제1 배터리(140)는 리튬 이온 셀을 포함할 수 있으며, 제1 배터리(140)는, 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 그 종류에 특별히 한정되지 않는다.
제1 배터리 팩(130)의 제1 BMS(150)는 제1 배터리(140)를 모니터링하고 제어할 수 있다.
예를 들어, 제1 BMS(150)는 제1 배터리(140)의 상태 정보를 식별할 수 있으며, 이러한 제1 배터리(140)의 상태 정보를 BPU(110) 및/또는 차량(10)의 제어 장치(11), 예를 들어, 차량 컨트롤 유닛(VCU; vehicle control unit)(13)으로 제공할 수 있다.
예를 들어, 상태 정보는, 제1 배터리(140)의 충전 및/또는 방전 등의 상태 정보인 충전율(SOC; state of charge), 온도, 전압 및/또는 전류를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 BMS(150)는 제1 배터리(140)의 최적의 동작 조건(예: 온도, 전압, 및/또는 전류 조건)을 유지할 수 있으며, 릴레이(또는 고전압 릴레이라고도 함)의 개폐를 제어할 수 있다.
제2 배터리 팩(160)의 제2 배터리(170)는 리튬 이온 셀을 포함할 수 있으며, 제2 배터리(170)는, 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 그 종류에 특별히 한정되지 않는다.
제2 배터리 팩(160)의 제2 BMS(180)는 제2 배터리(170)를 모니터링하고 제어할 수 있다.
예를 들어, 제2 BMS(180)는 제2 배터리(170)의 상태 정보를 식별할 수 있으며, 이러한 제2 배터리(170)의 상태 정보를 BPU(110) 및/또는 차량(10)의 제어 장치(11), 예를 들어, 차량 컨트롤 유닛(VCU; vehicle control unit)(13)으로 제공할 수 있다.
예를 들어, 상태 정보는, 제2 배터리(170)의 충전 및/또는 방전 등의 상태 정보인 충전율(SOC; state of charge), 온도, 전압 및/또는 전류를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 BMS(180)는 제2 배터리(170)의 최적의 동작 조건(예: 온도, 전압, 및/또는 전류 조건)을 유지할 수 있으며, 릴레이(또는 고전압 릴레이라고도 함)의 개폐를 제어할 수 있다.
도 3을 참조하면, 차량(10)의 VCU(13)와 배터리 시스템(100)의 BPU(110)가 CAN(controller area network)을 통해 서로 통신 연결되며, BPU(110)는 CAN을 통해 배터리 시스템(100)의 각 구성 요소, 즉, 제1 배터리 팩(130), 제2 배터리 팩(160) 및/또는 양방향 컨버터(190)와 통신 연결될 수 있다.
또한, BPU(110)의 제1 내지 제3 릴레이(112, 114, 116)는 케이블을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제1 릴레이(112)는 제1 배터리 팩(130)과 양방향 컨버터(bi-directional converter)(또는 DC-DC(direct current-direct current) 컨버터 라고도 함)(190)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제2 릴레이(114)는 제2 배터리 팩(160) 및 양방향 컨버터(190)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제3 릴레이(116)는 차량(10)의 부하, 예를 들어, 모터(32)의 회전 속도를 변경시키는 인버터(INV; inverter)(34)와 전기적으로 연결될 수 있다.
양방향 컨버터(190)는 인가되는 전압을 설정된 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 예를 들어, 양방향 컨버터(190)로 인가되는 전압은 제1 배터리 팩(130) 및/또는 제2 배터리 팩(160)으로부터 출력되는 배터리 전원(B+)의 전압일 수 있다.
또한, 양방향 컨버터(190)는 제1 배터리 팩(130) 및/또는 제2 배터리 팩(160)으로부터 또는 제1 배터리 팩(130) 및/또는 제2 배터리 팩(160)으로 흐르는 전류의 방향을 제어하여 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩(160) 간의 전압 밸런싱 동작을 할 수 있다.
이와 같은 회로 구성에서, BPU(10)는 제1 릴레이(112), 제2 릴레이(114) 및/또는 제3 릴레이(112, 114, 116) 각각의 개폐를 제어하여 제1 배터리 팩(130) 및/또는 제2 배터리 팩(160)으로부터 차량(10)의 부하, 예를 들어, 인터버(34)로의 배터리 전원(B+) 공급을 제어할 수 있다.
또한, BPU(10)는 제1 릴레이(112), 제2 릴레이(114) 및/또는 제3 릴레이(112, 114, 116) 각각의 개폐 및 양방향 컨버터(190)를 제어하여 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩(160) 간의 전압 밸런싱을 할 수 있으며, 전압 밸런싱의 수행 동안 제1 배터리 팩(130) 또는 제2 배터리 팩(160)으로부터 차량(10)의 부하, 예를 들어, 인터버(34)로의 배터리 전원(B+) 공급을 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 BPU(110)는 차량(10)의 시동 온에 따른 신호의 수신에 기초하여, 차량(10)에 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩(160)이 장착된 것을 식별할 수 있다. 예를 들어, BPU(110)는 CAN 통신을 통해 차량(10)으로부터 차량(10)의 시동 온에 따른 신호를 수신할 수 있다.
또한, BPU(110)는 차량(10)에 제1 배터리 팩(130) 및 상기 제2 배터리 팩(160)이 장착된 것에 기초하여, 제1 배터리 팩(130)과 제2 배터리 팩(160) 간의 전압 차를 식별할 수 있다.
또한, BPU(110)는 제1 배터리 팩(130)과 제2 배터리 팩(160) 간의 전압 차에 기초하여 제1 배터리 팩(130) 또는 제2 배터리 팩(160) 중 적어도 하나로부터, 차량(10)의 부하로 배터리 전원이 공급되도록 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩(160) 각각에 연결된 릴레이(예: 제1 릴레이(112), 제2 릴레이(114))를 제어할 수 있다.
예를 들어, BPU(110)는 제1 배터리 팩(130)과 제2 배터리 팩(160) 간의 전압 차가 미리 지정된 제1 기준 값(α) 보다 큰 것에 응답하여, 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩(160) 중 큰 전압 값의 배터리 팩으로부터 차량(10)의 부하로 배터리 전원이 공급되도록, 즉, 단일 배터리 팩을 통해 차량(10)의 부하로 배터리 전원이 공급되도록, 제어할 수 있다. 예를 들어, 큰 전압 값의 배터리 팩과 차량(10)의 부하가 전기적으로 연결되도록 큰 전압 값의 배터리 팩과 연결된 릴레이를 제어하고, 작은 전압 값의 배터리 팩과 차량(10)의 부하가 전기적으로 연결되지 않도록 작은 전압 값의 배터리 팩과 연결된 릴레이를 제어하여, 큰 전압 값의 배터리 팩으로부터만 차량(10)의 부하로 배터리 전원이 공급되도록 할 수 있다.
예를 들어, BPU(110)는 제1 배터리 팩(130)과 제2 배터리 팩(160) 간의 전압 차가 제1 기준 값 이하인 것에 응답하여, 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩(160) 각각에 연결된 릴레이를 제어하여, 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩(160) 중 큰 전압 값의 배터리 팩과 차량(10)의 부하가 전기적으로 연결되고, 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩(160) 중 낮은 전압 값의 배터리 팩과 차량(10)의 부하가 전기적으로 연결되지 않도록 할 수 있다. 또한, 이러한 제어와 함께 BPU(110)는 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩(160)과 연결된 양방향 컨버터(190)를 제어하여, 제1 배터리 팩(130)과 제2 배터리 팩(160) 사이의 전압 밸런싱 및 큰 전압 값의 배터리 팩으로부터 차량(10)의 부하로 배터리 전원이 공급되도록 할 수 있다.
예를 들어, BPU(110)는 제1 배터리 팩(130)과 제2 배터리 팩(160) 간의 전압 차가 제1 기준 값보다 작은 미리 지정된 제2 기준 값(β) 이하인 것에 응답하여, 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩(160)으로부터 차량(10)의 부하로 배터리 전원이 공급되도록 제어할 수 있다. 예를 들어, BPU(110)는 제1 배터리 팩(130)과 차량(10)의 부하가 서로 전기적으로 연결되도록 제1 배터리 팩(130)과 연결된 제1 릴레이(112)를 제어하고, 제2 배터리 팩(130)과 차량(10)의 부하가 전기적으로 연결되도록 제2 릴레이(114)를 제어하여, 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩(160)으로부터 차량(10)의 부하로 배터리 전원이 공급되도록 할 수 있다.
한편, 차량(1)의 제어 장치(11)의 VCU(13)는 운전자 요구를 충족시키기 위한 차량(10)의 동력 분배 및 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, VCU(15)는 운전자의 요구 토크 값을 계산하여, 차량(10)의 제어 장치(11)에 포함된 마이크로 컨트롤 유닛(MCU; micro control unit)(15)에 전달하여, MCU(15)가 배터리 시스템(100)의 제1 배터리(140) 및/또는 제2 배터리(170)의 전력을 소모하여 모터(32)를 작동시키고 차량(1)의 구동을 제어하도록 할 수 있다. 또한, VCU(15)는 배터리 시스템(100)이 고효율 영역에서 작동되도록 제어할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 배터리 시스템(100)의 동작 흐름도이다. 도 5a 내지 도 5c는 일 실시예에 따른 배터리 시스템(100)의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
배터리 시스템(100)의 BPU(110)는 배터리 시스템(100)의 배터리 팩이 2개인지를 식별할 수 있다(401).
일 실시예에 따르면, 배터리 시스템(100)은 차량(10)에 장착될 수 있으며, 배터리 시스템(100)의 배터리 용량은 차량(10)의 사용자(또는 운전자라고도 함)의 필요에 따라 증대될 수 있다. 예를 들어, 제1 배터리 팩(130)이 기본 배터리 팩으로 장착되어 있는 배터리 시스템(100)에, 추가로 제2 배터리 팩(160)이 장착될 수 있으며, 이에 따라, 배터리 시스템(100)의 배터리 용량이 증대될 수 있다.
이와 같이, 배터리 용량을 확장할 수 있는 배터리 시스템(100)을 구비한 차량(10)의 시동 온 시, 차량(10)의 제어 장치(11), 예를 들어, VCU(13)는 배터리 시스템(100)의 BPU(110)로 신호를 전송할 수 있다.
차량(10)으로부터 시동 온에 따른 신호를 수신한 BPU(110)는 현재 배터리 시스템(100)에 포함된 배터리 팩이 2개인지를 식별할 수 있다. 예를 들어, BPU(110)는 차량(10)으로부터 차량(10)의 시동 온에 따른 신호를 수신하면, 배터리 시스템(100)에 추가 배터리 팩인 제2 배터리 팩(160)이 포함되어 있는지를 식별할 수 있다.
BPU(110)는 배터리 시스템(100)의 배터리 팩이 2개인 경우 405 동작을 수행하고, 그렇지 않으면 403 동작을 수행할 수 있다.
BPU(110)는 배터리 시스템(100)의 배터리 팩이 2개가 아닌 경우, 즉, 배터리 시스템(100)에 제1 배터리 팩(130)만이 장착되어 있고, 제2 배터리 팩(160)이 추가로 장착되지 않은 경우, 제1 배터리 팩(130)을 통해 차량(10)으로 전원이 공급되도록 제어할 수 있다(403).
예를 들어, BPU(110)는 제1 배터리 팩(130)과 차량(10)의 부하가 전기적으로 연결되도록 제1 릴레이(112)를 제어하여, 제1 배터리 팩(130)을 통해 전원이 차량(10)의 부하로 공급되도록 제어할 수 있다.
한편, BPU(110)는 배터리 시스템(100)의 배터리 팩이 2개인 경우, 즉, 배터리 시스템(100)에 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩(160)이 모두 장착된 경우, 제1 배터리 팩(130)의 전압(VB1)과 제2 배터리 팩(160)의 전압(VB2)의 전압 차(Vdiff)를 식별할 수 있다(405).
BPU(110)는 전압 차(Vdiff)가 미리 지정된 제1 기준값(α)보다 작은지를 식별할 수 있다(407).
예를 들어, 미리 지정된 제1 기준값(α)은 100V일 수 있으며, 이러한 제1 기준값은 변경 가능하다.
BPU(110)는 전압 차(Vdiff)가 미리 지정된 제1 기준값(α)보다 작은 경우 417 동작을 수행하고, 그렇지 않으면 409 동작을 수행할 수 있다.
BPU(110)는 전압 차(Vdiff)가 미리 지정된 제1 기준값(α)보다 작지 않은 경우, 제1 배터리 팩(130)의 전압(VB1)이 제2 배터리 팩(160)의 전압(VB2)보다 큰지를 식별할 수 있다(409).
BPU(110)는 제1 배터리 팩(130)의 전압(VB1)이 제2 배터리 팩(160)의 전압(VB2)보다 큰 경우 413 동작을 수행하고 그렇지 않으면 411 동작을 수행할 수 있다.
BPU(110)는 제1 배터리 팩(130)의 전압(VB1)이 제2 배터리 팩(160)의 전압(VB2)보다 크지 않은 경우 제2 배터리 팩(160)을 선택할 수 있다(411).
BPU(110)는 제1 배터리 팩(130)의 전압(VB1)이 제2 배터리 팩(160)의 전압(VB2)보다 큰 경우 제1 배터리 팩(130)을 선택할 수 있다(413).
BPU(110)는 411 동작 또는 413 동작에 따라 선택된 배터리 팩, 즉, 제1 배터리 팩(130) 또는 제2 배터리 팩(160)을 통해 차량(10)으로 전원이 공급되도록 제어할 수 있다(415).
도 5a를 참조하면, BPU(110)는 선택된 배터리 팩이 제1 배터리 팩(130)인 경우, 제1 배터리 팩(130)과 차량(10)의 부하(50)가 전기적으로 연결되도록 제1 릴레이(112)를 제어하고, 제2 배터리 팩(160)과 차량(10)의 부하(50)가 전기적으로 연결되지 않도록 제2 릴레이(114)를 제어할 수 있다. 이와 같은 연결 상태에서 제1 배터리 팩(130)에 전류(예: 30A 전류)가 공급되면, 제1 배터리 팩(130)으로부터의 배터리 전원(B+)이 제1 릴레이(112)를 거쳐 차량(10)의 부하(50)로 공급될 수 있다.
또한, 도시하지는 않았지만, 예를 들어, BPU(110)는 선택된 배터리 팩이 제2 배터리 팩(160)인 경우, 제2 배터리 팩(160)과 차량(10)의 부하(50)가 전기적으로 연결되도록 제2 릴레이(114)를 제어하고, 제1 배터리 팩(130)과 차량(10)의 부하(50)가 전기적으로 연결되지 않도록 제1 릴레이(112)를 제어할 수 있다. 이와 같은 연결 상태에서 제2 배터리 팩(160)에 전류가 공급되면, 제2 배터리 팩(160)으로부터의 배터리 전원(B+)이 제2 릴레이(114)를 거쳐 차량(10)의 부하(50)로 공급될 수 있다.
한편, BPU(110)는 전압 차(Vdiff)가 미리 지정된 제1 기준값(α)보다 작은 경우 제1 배터리 팩(130)의 전압(VB1)이 제2 배터리 팩(160)의 전압(VB2)보다 큰지를 식별할 수 있다(417).
BPU(110)는 전압 차(Vdiff)가 미리 지정된 제1 기준값(α)보다 작고 제1 배터리 팩(130)의 전압(VB1)이 제2 배터리 팩(160)의 전압(VB2)보다 큰 경우 421 동작을 수행하고, 전압 차(Vdiff)가 미리 지정된 제1 기준값(α)보다 작고 제1 배터리 팩(130)의 전압(VB1)이 제2 배터리 팩(160)의 전압(VB2)보다 크지 않은 경우 419 동작을 수행할 수 있다.
BPU(110)는 전압 차(Vdiff)가 미리 지정된 제1 기준값(α)보다 작고 제1 배터리 팩(130)의 전압(VB1)이 제2 배터리 팩(160)의 전압(VB2)보다 크지 않은 경우 제2 배터리 팩(160)을 선택할 수 있다(419).
BPU(110)는 전압 차(Vdiff)가 미리 지정된 제1 기준값(α)보다 작고 제1 배터리 팩(130)의 전압(VB1)이 제2 배터리 팩(160)의 전압(VB2)보다 큰 경우 제1 배터리 팩(130)을 선택할 수 있다(421).
BPU(110)는 419 동작 또는 421 동작에 따라 선택된 배터리 팩, 즉, 제1 배터리 팩(130) 또는 제2 배터리 팩(160)을 기초로 배터리 팩들 간의 전압 밸런싱을 하고 차량(10)으로 전원이 공급되도록 제어할 수 있다(423).
예를 들어, BPU(110)는 선택된 배터리 팩이 제1 배터리 팩(130)인 경우, 제1 배터리 팩(130)과 차량(10)의 부하(50)가 전기적으로 연결되도록 제1 릴레이(112)를 제어하고, 제2 배터리 팩(160)과 차량(10)의 부하(50)가 전기적으로 연결되지 않도록 제2 릴레이(114)를 제어할 수 있다. 이와 같은 연결 상태에서 BPU(110)는 제1 배터리 팩(130)의 전류를 분배하도록 양방향 컨버터(190)를 제어할 수 있으며, 이에 따라, 제2 배터리 팩(160)으로 지정된 크기의 전류(밸런싱 전류라고도 함)가 흐르고, 제1 릴레이(112) 방향, 즉, 차량(10)의 부하(50) 방향으로 나머지 전류가 흐를 수 있다. 이러한 전류의 흐름에 따라, 제1 배터리 팩(130)과 제2 배터리 팩(160) 간의 전압 밸런싱 및 차량(10)의 부하(50)로의 배터리 전원(B+)의 공급이 이루어 질 수 있다.
도 5b를 참조하면, 제2 배터리 팩(160)을 통한 차량(10)으로의 전원의 공급에 따라, 도 5b와 같이, 제1 배터리 팩(130)의 전압은 360V이고, SOC(state of charge)는 80%이고, 제2 배터리 팩(160)의 전압은 340V이고, SOC는 80%일 수 있다. 이에 응답하여, BPU(110)는, 양방향 컨버터(190)를 제어하여 제1 배터리 팩(130)으로부터의 전류, 예를 들어 30A가 선택적으로 분배(또는 방전이라고도 함)되도록 할 수 있다. 예를 들어, BPU(110)는, 양방향 컨버터(190)를 제어하여 제2 배터리 팩(160)의 방향으로 지정된 크기의 밸런싱 전류, 예를 들어, 5A가 흐르도록 하고, 차량(10)의 부하 방향으로 나머지 전류 25A가 흐르도록 할 수 있다.
다른 예로, BPU(110)는 선택된 배터리 팩이 제2 배터리 팩(160)인 경우, 제2 배터리 팩(160)과 차량(10)의 부하(50)가 전기적으로 연결되도록 제2 릴레이(114)를 제어하고, 제1 배터리 팩(130)과 차량(10)의 부하(50)가 전기적으로 연결되지 않도록 제1 릴레이(112)를 제어할 수 있다. 이와 같은 연결 상태에서 BPU(110)는 제2 배터리 팩(160)의 전류를 분배하도록 양방향 컨버터(190)를 제어할 수 있으며, 이에 따라, 제1 배터리 팩(130)으로 지정된 크기의 전류(밸런싱 전류라고도 함)가 흐르고, 제2 릴레이(114) 방향, 즉, 차량(10)의 부하(50) 방향으로 나머지 전류가 흐를 수 있다. 이러한 전류의 흐름에 따라, 제1 배터리 팩(130)과 제2 배터리 팩(160) 간의 전압 밸런싱 및 차량(10)의 부하(50)로의 배터리 전원(B+)의 공급이 이루어 질 수 있다.
BPU(110)는 423 동작의 수행 동안 또는 423 동작의 수행에 응답하여, 제1 배터리 팩(130)의 전압(VB1)과 제2 배터리 팩(160)의 전압(VB2)의 전압 차(Vdiff)가 미리 지정된 제2 기준값(β)보다 작은지를 식별할 수 있다(425).
예를 들어, 미리 지정된 제2 기준값(β)은 0.5V일 수 있으며, 이러한 제2 기준값은 변경 가능하다.
BPU(110)는 제1 배터리 팩(130)의 전압(VB1)과 제2 배터리 팩(160)의 전압(VB2)의 전압 차(Vdiff)가 미리 지정된 제2 기준값(β)보다 작은 경우 427 동작을 수행하고, 그렇지 않으면 423 동작을 다시 수행할 수 있다.
BPU(110)는 제1 배터리 팩(130)의 전압(VB1)과 제2 배터리 팩(160)의 전압(VB2)의 전압 차(Vdiff)가 미리 지정된 제2 기준값(β)보다 작은 경우 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩(160)을 통해 전원이 공급되도록 제어할 수 있다(427).
도 5c를 참조하면, BPU(110)는 제1 배터리 팩(130)과 차량(10)의 부하(50)가 전기적으로 연결되도록 제1 릴레이(112)를 제어하고, 제2 배터리 팩(160)과 차량(10)의 부하(50)가 전기적으로 연결되도록 제2 릴레이(114)를 제어할 수 있다. 이와 같은 연결 상태에서 제1 배터리 팩(130)에 지정된 크기의 전류(예: 15A 전류)가 인가되고 제2 배터리 팩(160)에 지정된 크기의 전류(예: 15A 전류)가 인가되면, 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩을 통해 배터리 전원(B+)이 차량(10)의 부하(50)로 공급될 수 있다.
한편, 상술한 실시예에 추가로, 차량(10)의 시동 오프 시, BPU(110)는 차량(10)의 시동 오프에 따른 신호를 수신할 수 있다. BPU(110)는 차량(10)의 시동 오프에 따른 신호의 수신에 응답하여, 미리 정해진 기준에 기초하여, 제1 배터리 팩(130) 및 제2 배터리 팩(160)의 충전 및/또는 전압 밸런싱이 되도록 할 수 있다. 예를 들어, BPU(110)는 제1 배터리 팩(130)의 충전 완료 이후 제2 배터리 팩(160)의 충전이 진행되도록 할 수 있다.
또한, 상술한 실시예에 따르면, BPU(110)의 제어에 따라 동작들이 수행된 것으로 설명하였으나, 다른 실시예 또는 추가 실시예에 따르면, BPU(110)가 차량(10)의 제어 장치(11), 예를 들어, VCU(13)의 제어 신호의 수신에 기초하여, 상술한 제어 동작이 수행되도록 제어할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 차량 11: 제어 장치
13: VCU 15: MCU
100: 배터리 시스템 110: BPU
130: 제1 배터리 팩 140: 제1 배터리
150: 제1 BMS 160: 제2 배터리 팩
170: 제2 배터리 180: 제2 BMS

Claims (9)

  1. 차량에 장착된 제1 배터리 팩;
    상기 제1 배터리 팩과 전기적으로 연결되는 배터리 보호 유닛;
    을 포함하는 배터리 시스템에 있어서,
    탈부착이 가능하여 상기 차량에 추가로 장착되는 제2 배터리 팩;
    을 더 포함하고,
    상기 제2 배터리 팩이 상기 차량에 추가로 장착되면,
    상기 배터리 보호 유닛은,
    상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩과 전기적으로 연결되고,
    상기 차량의 시동 온에 따른 신호의 수신에 기초하여, 상기 차량에 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩이 장착된 것을 식별 시에, 상기 배터리 시스템에 추가 배터리 팩인 상기 제2 배터리 팩이 포함되어 있는지를 식별하고,
    상기 차량에 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩이 장착된 것에 기초하여, 상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩 간의 전압 차를 식별하고,
    상기 전압 차에 기초하여 상기 제1 배터리 팩 또는 상기 제2 배터리 팩 중 적어도 하나로부터, 상기 차량의 부하로 배터리 전원이 공급되도록, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이를 제어하는 것을 포함하고,
    상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩 간의 전압 차가 제1 기준 값 보다 큰 것에 응답하여, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩 중 큰 전압 값의 배터리 팩으로부터 상기 차량의 부하로 배터리 전원이 공급되도록, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이를 제어하는 것을 포함하고,
    상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩 간의 전압 차가 제1 기준 값 이하인 것에 응답하여,
    상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이를 제어하여, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩 중 큰 전압 값의 배터리 팩과 상기 차량의 부하가 전기적으로 연결되고, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩 중 낮은 전압 값의 배터리 팩과 상기 차량의 부하가 전기적으로 연결되지 않도록 하고,
    상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩과 연결된 양방향 컨버터를 제어하여, 상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩 사이의 전압 밸런싱 및 상기 큰 전압 값의 배터리 팩으로부터 상기 차량의 부하로 배터리 전원이 공급되도록 하는 것을 포함하고,
    상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩 간의 전압 차가 상기 제1 기준 값보다 작은 제2 기준 값 이하인 것에 응답하여, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩으로부터 상기 차량의 부하로 배터리 전원이 공급되도록, 상기 제1 배터리 팩 및 상기 제2 배터리 팩에 연결된 릴레이를 제어하는 것을 포함하는,
    배터리 시스템.
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