KR102660349B1 - 배터리 충전 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

배터리의 열화도 및 상기 배터리에 대해 사전 설정된 초기 충전 전류의 크기를 취득하는 단계; 상기 배터리의 열화도에 기반하여 상기 초기 충전 전류의 크기를 변환하여 충전 전류 지령을 생성하는 단계; 및 상기 배터리로 충전 전류를 제공하는 충전기로 상기 충전 전류 지령을 제공하고, 상기 충전기가 상기 충전 전류 지령에 해당하는 충전 전류를 배터리로 공급하는 단계를 포함하는 배터리 충전 방법이 개시된다.

Description

배터리 충전 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CHARGING BATTERY}
본 발명은 배터리 충전 시스템 및 방법에 관한 것으로, 배터리의 열화 상태에 따라 배터리 충전 전류의 크기를 조정함으로써 배터리의 열화를 지연시킬 수 있는 배터리 충전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
지구 온난화와 환경 오염 등의 문제가 심각하게 대두 되면서 자동차 산업 분야에서도 환경 오염을 최대한 감소시킬 수 있는 친환경 차량에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있으며 그 시장도 점차 확대되고 있다.
친환경 차량으로서 기존의 화석 연료를 연소시켜 구동력을 발생시키는 엔진 대신 전기 에너지를 이용하여 구동력을 생성하는 전동기를 적용한 전기 차량, 하이브리드 차량 및 플러그인 하이브리드 차량이 세계적으로 출시되고 있는 상황이다. 이러한 전기 에너지를 이용한 친환경 차량들 중 전기 차량과 플러그인 하이브리드 차량은 계통(grid)에 연결된 외부 충전 설비로부터 전력을 제공받아 차량에 구비된 배터리를 충전하고, 배터리의 충전된 전력을 이용하여 차량 구동에 필요한 운동 에너지를 생산한다.
한편, 차량의 배터리는 직류 전력을 직접 배터리로 제공하는 급속 충전 기법과 차량의 배터리에 탑재된 충전기를 이용하여 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리로 제공하는 완속 충전 기법이 있다. 두 가지 충전 방법은 공히 차량에 마련된 배터리 관리 시스템에서 충전을 위한 충전기로 전류 지령을 제공하여 충전기가 제공받은 전류지령에 해당하는 충전 전류를 배터리로 공급하도록 제어하는 방식으로 충전이 이루어진다.
이 때, 충전기로 제공되는 전류 지령은 배터리의 용량과 충전 시간 등을 고려하여 사전에 적절하게 결정된 값이다. 배터리로 제공되는 충전 전류의 크기 또는 방전 전류의 크기를 표현하기 위한 단위로 C-rate가 사용되고 있다. C-rate는 충전 전류 또는 방전 전류의 크기를 배터리의 전체 용량으로 나눈 값이다. 종래에는, 차량 제작 시 충전 전류의 크기를 배터리 초기 용량을 감안하여 결정된 C-rate에 따라 결정하고 있다.
예를 들어, 100Ah의 용량을 갖는 배터리를 적용한 차량의 경우 초기에 1 C-rate로 급속 충전하도록 충전 전류의 크기를 결정하는 경우 충전 전류의 크기는 100 A가 된다.
그러나, 배터리는 사용기간이 늘어남에 따라 열화가 진행되어 그 용량이 감소하게 된다. 만약, 100Ah 용량을 갖는 배터리가 열화에 의해 초기의 70%로 용량이 감소한 경우, 급속 충전의 C-rate는 100/70(약 1.4)으로 증가하게 된다.
이와 같이, 종래에는 초기 배터리 용량을 고려하여 충전 전류의 크기를 결정하고 결정된 충전 전류의 크기를 배터리 용량 변화에 상관없이 사용하므로 배터리 열화가 진행될수록 충전 시 C-rate는 계속 증가하게 된다. 이에 따라, 배터리 용량 대비 충전 전류의 크기가 상대적으로 증가하고 이는 배터리의 전류 부하를 상승시켜 배터리 열화를 더욱 가속시키게 되는 문제점을 발생시킨다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2017-0067560 A KR 10-2013-0064308 A
이에 본 발명은, 배터리의 열화 상태에 따라 배터리 충전 전류의 크기를 조정함으로써 배터리의 열화를 지연시킬 수 있는 배터리 충전 시스템 및 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
배터리;
입력 받은 충전 전류 지령에 해당하는 충전 전류를 상기 배터리로 제공하는 충전기; 및
사전 설정된 초기 충전 전류의 크기를 저장하며, 상기 배터리의 열화도에 기반하여 상기 초기 충전 전류의 크기를 변환하여 상기 충전 전류 지령을 생성하고, 생성된 상기 충전 전류 지령을 상기 충전기로 제공하는 제어기;
를 포함하는 배터리 충전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 초기 충전 전류의 크기는 상기 배터리의 열화가 진행되지 않은 상태에서 상기 배터리로 제공되도록 설정된 충전 전류의 크기일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 열화도는 상기 배터리의 현재 용량과 상기 배터리의 열화가 진행되지 않은 상태의 용량의 비율을 백분율로 나타낸 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어기는, 상기 초기 충전 전류의 크기를 상기 열화도 만큼 감소시킨 크기를 상기 충전 전류 지령으로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어기는, 상기 충전 전류 지령을 식 ''와 같이 결정할 수 있다. 상기 식에서, I는 상기 충전 전류 지령의 크기, SOH는 상기 열화도, A는 상기 초기 충전 전류를 나타낸다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은, 배터리의 열화도 및 상기 배터리에 대해 사전 설정된 초기 충전 전류의 크기를 취득하는 단계;
상기 배터리의 열화도에 기반하여 상기 초기 충전 전류의 크기를 변환하여 충전 전류 지령을 생성하는 단계; 및
상기 배터리로 충전 전류를 제공하는 충전기로 상기 충전 전류 지령을 제공하고, 상기 충전기가 상기 충전 전류 지령에 해당하는 충전 전류를 배터리로 공급하는 단계;
를 포함하는 배터리 충전 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 초기 충전 전류의 크기는 상기 배터리의 열화가 진행되지 않은 상태에서 상기 배터리로 제공되도록 설정된 충전 전류의 크기일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 열화도는 상기 배터리의 현재 용량과 상기 배터리의 열화가 진행되지 않은 상태의 용량의 비율을 백분율로 나타낸 값일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 공급하는 단계는, 상기 초기 충전 전류의 크기를 상기 열화도 만큼 감소시킨 크기를 상기 충전 전류 지령으로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 공급하는 단계는, 상기 충전 전류 지령을 식 ''와 같이 결정할 수 있다. 상기 식에서, I는 상기 충전 전류 지령의 크기, SOH는 상기 열화도, A는 상기 초기 충전 전류를 나타낸다.
상기 배터리 충전 시스템 및 방법에 따르면, 배터리로 제공되는 충전 전류의 크기를 배터리 노화에 따른 열화에 의한 용량 감소를 고려하여 적절하게 감소시킴으로써 배터리 충전 전류 부하가 증가되는 것을 방지할 수 있다.
이에 따라, 상기 배터리 충전 시스템 및 방법에 따르면, 배터리 충전 전류 부하의 증대에 따라 배터리 열화가 급격하게 증가하는 것을 방지할 수 있으며 배터리 사용 가능한 수명을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템 및 방법을 적용한 경우 충전 전류의 크기 변화를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템 및 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템의 블록 구성도이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템은, 배터리(10)와, 입력 받은 충전 전류 지령에 해당하는 충전 전류를 생성하여 배터리(10)로 제공하는 충전기(15, 17) 및 사전 설정된 초기 충전 전류의 크기를 저장하며, 배터리(10)의 열화도에 기반하여 초기 충전 전류의 크기를 변환하여 충전 전류 지령을 생성하고, 생성된 충전 전류 지령을 충전기(15, 17)로 제공하는 제어기(13)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리(10)는 전기 에너지를 저장하는 장치이다. 전기차 또는 플러그인 하이브리드 차량의 경우 배터리(10)는 차량의 구동휠에 회전력을 제공하는 모터로 전원을 공급하는 배터리가 될 수 있다. 배터리(10)는 충전기(15, 17)에 의해 제공되는 충전 전류에 의해 충전될 수 있다.
충전기(15, 17)는 충전 요구가 있는 경우 배터리(10)로 충전 전류를 제공할 수 있다. 충전기(15, 17)는 차량의 충전 플러그로 직접 직류 전력을 공급하여 신속하게 배터리(10)의 충전이 이루어지게 하는 급속 충전기(15)와, 차량 내에 탑재되어 차량의 충전 플러그로 입력 받은 교류 전력을 직류 전력으로 변환한 후 배터리(10)로 공급하여 충전이 이루어질 수 있게 하는 차량 탑재형 충전기(On Board Charger: OBC)(16)를 포함할 수 있다.
급속 충전기(15) 및 차량 탑재형 충전기(16) 모두 제어부(13)로부터 충전 전류 지령을 제공받고 이 전류 지령을 충전할 수 있도록 그 내부의 프로세서 등을 통해 제어될 수 있다.
제어기(13)는 급속 충전기(15) 및 차량 탑재형 충전기(17)로 충전 전류 지령을 제공할 수 있다. 전기차 또는 플러그인 하이브리드 차량의 경우 배터리(10)의 유지, 충전 등을 관리하기 위한 배터리 관리 시스템(Battery Management System: BMS)를 포함한다. 본 발명의 일 실시형태에서 제어기(13)는 차량 내 배터리 관리 시스템이 될 수 있다.
제어기(13)는 배터리(10)의 온도/전압/전류 등과 같은 배터리 정보를 제공받고 그에 따라 배터리 관리에 필요한 각종 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 제어기(13)는 배터리 정보를 이용하여 배터리의 충전 상태(State Of Charge: SOC)를 연산하거나 배터리의 열화도(State Of Health: SOH))를 연산하거나 도출할 수 있다. 또한, 제어기(13)는 내부에 구비된 메모리(미도시)에 배터리(10)의 초기 충전 전류에 대한 정보를 포함할 수 있다.
초기 충전 전류는 배터리(10)의 열화가 진행되지 않은 초기 상태일 때 미리 결정된 크기를 갖는다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제어기(13)는 배터리(10)의 열화도와 초기 충전 전류의 크기를 기반으로 충전기(15, 17)로 제공되는 충전 전류 지령을 생성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법의 흐름도이다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법은 전술한 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템에 의해 구현된다. 따라서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법에 대한 상세한 설명을 통해 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템의 동작 및 작용 효과가 더욱 명확하게 설명될 수 있을 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법은, 제어기(13)가 배터리(10)의 열화도 및 배터리(10)에 대해 사전 설정된 초기 충전 전류의 크기를 취득하는 단계(S11)와, 제어기(13)가 배터리(10)의 열화도에 기반하여 초기 충전 전류의 크기를 변환하여 충전 전류 지령을 생성하는 단계(S12) 및 배터리(10)로 충전 전류를 제공하는 충전기(15, 17)로 충전 전류 지령을 제공하고, 충전기(15, 17)가 충전 전류 지령에 해당하는 충전 전류를 배터리(10)로 공급하는 단계(S13)을 를 포함하여 구성될 수 있다.
단계(S11)에서, 제어기(13)는 배터리 열화도 및 초기 충전 전류의 크기를 취득할 수 있다.
배터리 열화도는 배터리의 수명을 나타내는 인자로 SOH(State Of Health)라도 한다. 배터리 열화도는 배터리의 열화가 진행되지 않은 초기 상태에서 배터리의 총 용량을 분모로 하고 현재 상태의 배터리 총 용량을 분자로 하여 연산된 백분율로서 나타날 수 있다. 예를 들어, 배터리 열화도가 70%라고 함은 배터리의 용량이 열화가 진행되지 않은 초기에 비해 70%의 수준으로 감소하였음을 의미한다.
배터리 열화도를 도출하는 기법은 이미 당 기술분야에 다양하게 알려져 있다. 예를 들어, 배터리 열화도는 배터리의 온도, 전류, 전압 등 배터리 상태에 대한 정보를 수집하고 사전 설정된 배터리 열화도 연산식에 배터리 상태에 대한 정보를 적용하여 연산하거나 사전 설정된 데이터 맵을 이용하여 배터리 상태에 대한 정보에 미리 매칭된 배터리 열화도를 찾는 방식으로 결정될 수 있다.
초기 충전 전류는 배터리(10)가 완성된 직후, 사용되기 이전 열화가 이루어지지 않은 상태에서 사전 설정된 C-rate를 충족할 수 있도록 사전 결정된 값이다. 예를 들어, 배터리의 열화 전 초기 용량 100Ah이고 충전 시간을 감안하여 결정된 C-rate가 1인 경우 사전 설정된 충전 전류의 크기는 100 A가 된다. 물론 이 충전 전류는 배터리(10)가 충전되면서 충전 용량(SOC)가 증가할수록 단계적으로 감소될 수도 있다. 감소되는 충전 전류 역시 사전에 설정될 수 있다. 사전 설정된 초기 충전 전류의 크기는 제어기(13) 내 메모리(미도시) 등에 저장되어 필요에 따라 읽어 들여 사용할 수 있다.
배터리(10)의 사용 시간이 증가함에 따라 열화가 진행되고, 그에 따라 배터리(10)의 용량은 점차 감소한다. 용량이 감소된 배터리에 초기 설정된 충전 전류를 제공하면 배터리의 전류 부하가 상대적으로 증가하여 배터리에 무리를 주게 되고 그에 따라 배터리의 열화 속도는 증가하게 된다.
본 발명의 일 실시형태는, 단계(S12)에서 감소된 배터리 용량을 고려하여 초기 충전 전류 지령을 변환하여 충전기(15, 17)로 제공한다. 단계(S12)에서, 제어기(13)는 초기 충전 전류의 크기(A)를 열화도 만큼 감소시킨 크기를 열화가 진행된 배터리의 충전 전류의 크기로 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어기(13)는 다음 식과 같이 열화도(SOH)를 반영하여 열화가 진행된 배터리의 충전 전류의 크기(I)를 결정할 수 있다.
[식]
예를 들어, 배터리(10)의 열화도가 70이고, 사전 설정된 초기 충전 전류의 크기가 100A일 때 열화가 진행된 배터리의 충전 전류의 크기를 '100*70/100=70 (A)'로 결정할 수 있다.
단계(S13)에서 제어기(13)는 열화가 진행된 배터리의 충전 전류의 크기를 전류 지령으로 충전기(15, 17)로 제공하고, 각 충전기는 내부에 마련된 프로세서 등을 통해 제어기의 출력 전류, 즉 배터리(10)로 제공되는 충전 전류의 크기가 전류 지령에 대응되는 크기로 조정되도록 충전기를 제어하여 열화도를 고려하여 감소된 충전 전류를 배터리(10)로 제공되게 할 수 있다.
각 충전기(15, 17)의 전류 제어 방식은 각 충전기에 대해 이미 알려진 기술이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
전술한 단계들(S11 내지 S13)은 설정된 충전 시간 또는 설정된 목표 충전 SOC를 만족할 때까지 일정 시간 간격 마다 반복될 수 있으며, 설정된 충전 시간이 경과하거나 설정된 목표 충전 SOC가 되는 경우 제어기(13)는 충전기(15, 17)의 동작을 중지시켜 충전을 완료할 수 있다(S14).
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템 및 방법을 적용한 경우 충전 전류의 크기 변화를 도시한 그래프이다. 도 3에 도시된 충전 방식은 충전 전류를 시간에 따라 점차 감소시켜 충전하는 스텝 충전 방식의 예이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 열화도가 100인 상태, 즉 열화가 진행되지 않은 상태에서는 200 A에서부터 시간이 지날수록 단계적으로 충전 전류가 감소하여 충전이 이루어지고 SOC가 100이 되는 대략 170 Ah까지 충전이 이루어진다.
그러나, 배터리 열화도가 90인 경우 열화도 100인 경우에 비해 대략 9/10 정도로 충전 전류의 크기가 감소되며 최종 충전량 역시 170A의 9/10 수준인 대략 150 Ah를 나타낸다. 배터리 열화도가 80 및 70인 경우도 해당 비율을 따르도록 충전 전류의 크기 및 최종 충전량이 감소됨을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 여러 실시형태는 배터리 열화도를 감안하여 배터리 충전 전류의 크기를 감소시킴으로써 배터리 열화로 인한 배터리 용량 감소에 의해 배터리의 전류 부하가 증가하는 것을 사전에 방지함으로써 배터리의 열화 속도가 빨라지는 것은 방지할 수 있고 이를 통해 배터리의 내구 수명을 증가시킬 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 배터리 13: 제어기
15: 급속 충전기 17: 차량 탑재형 충전기(완속 충전기)

Claims (10)

  1. 배터리;
    입력 받은 충전 전류 지령에 해당하는 충전 전류를 상기 배터리로 제공하는 충전기; 및
    사전 설정된 초기 충전 전류의 크기를 저장하며, 상기 배터리의 열화도에 기반하여 상기 초기 충전 전류의 크기를 변환하여 상기 충전 전류 지령을 생성하고, 생성된 상기 충전 전류 지령을 상기 충전기로 제공하는 제어기;
    를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 초기 충전 전류의 크기를 식 에 따라 상기 열화도만큼 감소시킨 크기를 상기 충전 전류 지령으로 결정하고,
    상기 충전기는 상기 열화도만큼 감속된 충전 전류를 상기 배터리로 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템(I: 상기 충전 전류 지령의 크기, SOH: 상기 열화도, A: 상기 초기 충전 전류).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 초기 충전 전류의 크기는 상기 배터리의 열화가 진행되지 않은 상태에서 상기 배터리로 제공되도록 설정된 충전 전류의 크기인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열화도는 상기 배터리의 현재 용량과 상기 배터리의 열화가 진행되지 않은 상태의 용량의 비율을 백분율로 나타낸 값인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 배터리의 열화도 및 상기 배터리에 대해 사전 설정된 초기 충전 전류의 크기를 취득하는 단계;
    상기 배터리의 열화도에 기반하여 상기 초기 충전 전류의 크기를 변환하여 충전 전류 지령을 생성하는 단계; 및
    상기 배터리로 충전 전류를 제공하는 충전기로 상기 충전 전류 지령을 제공하고, 상기 충전기가 상기 충전 전류 지령에 해당하는 충전 전류를 배터리로 공급하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 생성하는 단계에서 상기 충전 전류 지령은 식 에 따라 상기 초기 충전 전류의 크기를 상기 열화도만큼 감소된 크기로 결정되고,
    상기 공급하는 단계에서 상기 충전기가 상기 열화도만큼 감소된 충전 전류를 상기 배터리로 공급하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법(I: 상기 충전 전류 지령의 크기, SOH: 상기 열화도, A: 상기 초기 충전 전류).
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 초기 충전 전류의 크기는 상기 배터리의 열화가 진행되지 않은 상태에서 상기 배터리로 제공되도록 설정된 충전 전류의 크기인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 열화도는 상기 배터리의 현재 용량과 상기 배터리의 열화가 진행되지 않은 상태의 용량의 비율을 백분율로 나타낸 값인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
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