KR20030092391A

KR20030092391A - 전기 차량의 배터리팩 충전 제어장치 및 방법

Info

Publication number: KR20030092391A
Application number: KR1020020030034A
Authority: KR
Inventors: 이영대; 박선순
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2003-12-06

Abstract

본 발명은 전기 차량의 배터리팩 충전시 충전 전류에 의한 열의 발생을 최소화함으로써 충전효율의 상승을 도모하며, 배터리팩 충전시간을 단축시킬 수 있는 전기 차량의 배터리팩 충전 제어장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 다수개의 배터리 모듈/셀로 이루어진 배터리팩의 직류(DC) 전압을 인버터 시스템을 통해 3상 교류(AC)로 만든 후 모터를 구동하는 전기 차량의 배터리팩 충전 제어장치에 있어서, 상기 배터리팩 내의 배터리 모듈간 전압 차이를 비교하여 설정 전압 이상의 배터리 모듈이 검출되면, 해당되는 배터리 모듈의 과충전을 방지하도록 충전 차단 제어신호를 발생하는 배터리 관리 시스템(BMS)과; 상기 배터리 모듈의 사이에 각각 전기적으로 회로 연결되며, 상기 배터리 관리 시스템으로부터 공급되는 충전 차단 제어신호의 입력에 따라 구동되어 해당되는 배터리 모듈로 공급되는 충전 전원을 차단하는 릴레이를 포함하여 구성한다.

Description

전기 차량의 배터리팩 충전 제어장치 및 방법{BATTERY PACK CHARGING CONTROLLING DEVICE OF ELECTRIC VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 전기 차량에 관한 것으로서, 특히 전기 차량의 배터리팩 충전 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

통상적으로, 전기 차량을 구동하기 위한 에너지는 전기 차량 하부에 있는 배터리팩의 직류(DC) 전압을 가지고 인버터 시스템을 동작시켜 3상 교류(AC)를 만든 후 전기 차량 안에 있는 유도전동모터를 구동하여 전기 차량을 구동시키는 방식으로 되어있다.

전기 차량의 충전시에는 전기 차량 내부의 충전 포트를 사용하여 충전을 한다.

전기 차량을 충전하는데 소요되는 시간은 배터리팩에 잔존하는 에너지 양에 따라 다르며 일반적으로 배터리팩이 방전에서 만충전에 도달하는데는 약 8시간이 소요된다.

전기 차량의 배터리팩의 구성은 배터리팩 안에 다수개(약 26개)의 배터리 모듈이 있으며 이 모듈에는 10개의 배터리 셀(Cell)이 있게 된다.

보통 배터리 셀 10개를 직렬로 연결하여 하나의 모듈을 만들고 다시 이 모듈(26개)을 직렬로 연결하여 배터리팩을 만든다.

그러므로 배터리팩은 총 260개의 배터리 셀의 직렬연결로 되어있는 것이다.

현재 배터리팩 충전방법은 배터리팩에 최대한 만 충전을 하기 위하여 충전 시 배터리팩의 충전 용량에 따라 충전하는 방법이 다르게 된다.(도 1 참조)

이렇게 충전 용량에 따라 충전하는 방법을 제어하는 것은 배터리팩 내부에 있는 배터리 관리 시스템(BMS ; Battery Management System) 제어부(Controller)가 배터리의 용량을 계산하여 배터리팩이 설정된 용량에 도달하면 배터리 관리 시스템(BMS)은 충전 모드를 변경하여 충전하게 된다.

또한 배터리 관리 시스템은 배터리팩의 보호 및 충전 및 방전성능을 향상시키기 위하여 배터리팩의 각 모듈 전압 및 온도 등을 감지하고 있다.

현재 전기 차량의 충전 방법은 도 1에 도시된 바와 같이 충전 전류에 따라 충전 방법이 다르게 된다.

보통 충전 방법은 전전압(FP ; Full Power)/정전압(CP ; Constant Power)에서 정전류(CC ; Constant Current)로 변경하며 배터리팩을 충전하게 된다.

처음에는 배터리가 잔존용량이 적으므로 많은 양의 전류로 충전(FP/CP)하며 충전이 어느 정도 되면 배터리 모듈/셀의 특성상 모든 배터리 모듈/셀이 균일하게 충전되지 않으므로 충전 시 정전류를 넣어주어 모든 배터리 모듈/셀을 균일하게 만충전 되도록 한다.

위에서 언급한 FP/CP는 전기 차량에 탑재된 충전기로 충전 시에는 충전기의 용량이 적으므로 충전기가 최대로 낼 수 있는 파워(Power)로 충전한다 하여 FP라 하였고 만일 외부에 충전기를 사용 시에는 배터리의 특성상 한번에 많은 전류로 충전하고자 하여도 배터리가 받을 수 있는 전류의 양이 제한되기에 배터리 수명에 문제가 되지 않을 정도의 CP 모드로 충전을 하게 된다.

그 후 앞에서도 설명한 것처럼 배터리팩의 충전을 최대로 하기 위하여 CC 모드로 충전을 하여 배터리팩이 만충전 되면 충전을 종료하게 된다.

도 1을 참조하면, 전기 차량을 충전 시 처음 4시간 정도는 FP 모드(Mode)로 충전을 하며 배터리팩의 충전 용량이 설정된 값 이상이 되면 CC 모드로 충전을 하게 된다.

현재 CC 모드 충전은 CC1과 CC2의 두 단계로 충전을 하여 배터리 모듈/셀 충전을 균일하게 하여 배터리팩을 최대한 만충전 되도록 하여 전기 차량의 배터리팩의 충전용량의 저하를 막고 있다.

하지만 위의 충전 방법에는 다음과 같은 문제가 있다.

1) CC 모드 충전 시 배터리팩의 배터리 모듈/셀은 동일한 충전용량을 가지지 않으므로 먼저 충전이 된 배터리 모듈/셀은 가장 늦게 충전이 되는 배터리 모듈/셀이 동일한 용량으로 충전이 될 때까지 기다리므로 충전시간이 길어지게 된다.

2) 배터리팩의 배터리 모듈/셀이 직렬 연결이므로 먼저 충전이 된 배터리 모듈/셀에도 계속 전류가 흐르고 이로 인하여 먼저 충전이 된 배터리 모듈/셀은 배터리팩에 설정된 충전용량까지 충전되는 동안 충전이 되지 않고 배터리 모듈/셀의 자체 고유 저항(R)과 흐르는 전류(I) 때문에 I²R의 열을 발생하게 된다.

3) 먼저 충전된 배터리 모듈/셀의 열 때문에 배터리 모듈/셀을 담고 있는 배터리 트레이(Tray) 내부는 CC 모드로 충전 시 계속하여 내부 온도가 상승하게 되어 배터리 모듈/셀의 열화가 발생하여 일부 배터리 모듈/셀의 수명이 단축되는 현상이 발생하게 된다.(도 2, 도 3 참조)

4) 배터리 트레이 내부의 온도 편차가 심해지고 배터리 트레이 내부의 평균 온도가 상승하므로 온도 상승을 줄이기 위하여 배터리 트레이 내부에 강제적으로 팬을 구동하여 내부 온도를 줄이거나 심한 경우 전기 차량에 있는 에어컨을 구동하여 찬 공기를 배터리 내부에 강제적으로 불어넣어 줌으로써 충전 시 팬 및 에어컨 구동에 의한 에너지 소비가 심해지고 결국 전기 차량의 충전 효율이 떨어지게 된다.(도 2, 도 3 참조)

5) 국부적인 열의 발생은 배터리 모듈/셀의 온도가 상승함으로 인한 수명의 단축 및 이 열로 인한 인접한 배터리 모듈/셀도 영향을 받게되어 전체적으로 배터리팩 전체 수명에도 영향을 주게 된다.

본 발명의 목적은 전기 차량의 배터리팩 충전시 충전 전류에 의한 열의 발생을 최소화함으로써 충전효율의 상승을 도모하며, 배터리팩 충전시간을 단축시킬 수 있는 전기 차량의 배터리팩 충전 제어장치 및 방법을 제공하는데 있다.

도 1 내지 도 5는 전기 차량의 배터리팩 충전상태에 따른 특성을 도시한 도면.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량의 배터리팩 충전 제어장치 구성을 도시한 도면.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다수개의 배터리 모듈/셀로 이루어진 배터리팩의 직류(DC) 전압을 인버터 시스템을 통해 3상 교류(AC)로 만든 후 모터를 구동하는 전기 차량의 배터리팩 충전 제어장치에 있어서, 상기 배터리팩 내의 배터리 모듈간 전압 차이를 비교하여 설정 전압 이상의 배터리 모듈이 검출되면, 해당되는 배터리 모듈의 과충전을 방지하도록 충전 차단 제어신호를 발생하는 배터리 관리 시스템(BMS)과; 상기 배터리 모듈의 사이에 각각 전기적으로 회로 연결되며, 상기 배터리 관리 시스템으로부터 공급되는 충전 차단 제어신호의 입력에 따라 구동되어 해당되는 배터리 모듈로 공급되는 충전 전원을 차단하는 릴레이를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전기 차량의 배터리팩 충전 제어방법에 있어서, 상기 배터리팩 내의 배터리 모듈간 전압 차이를 비교하는 단계와; 상기 배터리 모듈 전압 비교단계에서 설정 전압 이상의 배터리 모듈이 검출되면, 해당되는 배터리 모듈의 과충전을 방지하도록 충전 차단 제어신호를 발생하는 단계와; 상기 충전 차단 제어신호의 입력에 따라 구동되어 해당되는 배터리 모듈로 공급되는 충전 전원을 차단하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예는 다수개의 배터리 모듈(610~014)/셀로 이루어진 배터리팩의 직류(DC) 전압을 인버터 시스템을 통해 3상 교류(AC)로 만든 후 모터를 구동하는 전기 차량의 배터리팩 충전 제어장치에 있어서, 배터리 관리 시스템(620)(BMS), 릴레이(630~634)를 포함하여 구성한다.

현재 전기 차량에는 앞에서도 설명한 것처럼 배터리 관리 시스템(620)(BMS)이 배터리팩의 전압 및 온도를 감시하고 있다.(도 3 내지 도 5 참조)

그리고, CC 모드로 충전 시 배터리 모듈(610~014)/셀의 충전상태는 배터리 모듈(610~014) 전압의 크기로 현재 각각의 배터리 모듈(610~014)/셀의 충전상태를 알 수 있다.

CC 모드로 충전하는 이유는 모든 배터리 모듈(610~014)/셀이 균일하게 충전을 하여 배터리팩의 용량을 최대한 만충전 되도록 하는 것과 배터리의 수명을 증가시키는 것이다.

그러므로, 각 모듈의 전압을 배터리 관리 시스템(620)이 감지하고 있으므로 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이 배터리 모듈(610~014) 전압의 차이로 먼저 충전된배터리 모듈(610~014 가운데 어느 하나)에는 충전이 되지 않도록 하면 종래 기술에서 설명하였던 문제점을 모두 해결할 수 있다.

배터리 관리 시스템(620)은 배터리팩 내의 배터리 모듈(610~014)간 전압 차이를 비교하여 설정 전압 이상의 배터리 모듈(610~014 가운데 어느 하나)이 검출되면, 해당되는 배터리 모듈(610~014 가운데 어느 하나)의 과충전을 방지하도록 해당되는 릴레이(630~634 가운데 어느 하나)로 충전 차단 제어신호를 발생한다.

이와는 달리, 배터리 관리 시스템(620)은 배터리팩 내의 배터리 모듈 (610~014)간 전압 차이를 비교하여 설정 전압 이상의 배터리 모듈(610~014 가운데 어느 하나)이 검출되지 않으면, 해당되는 릴레이(630~634 가운데 어느 하나)로 충전 제어신호를 공급한다.

릴레이(630~634)는 도 6에 도시된 바와 같이 배터리 모듈(610~014)의 사이에 각각 전기적으로 회로 연결되며, 배터리 관리 시스템(620)으로부터 공급되는 충전 차단 제어신호의 입력에 따라 구동되어 해당되는 배터리 모듈(610~014 가운데 어느 하나)로 공급되는 충전 전원을 차단한다.

한편, 릴레이(630~634)는 배터리 관리 시스템(620)으로부터 공급되는 충전 제어신호의 입력에 따라 구동되어 각각의 배터리 모듈(610~014)로 충전 전원을 공급한다.

이때 각각의 배터리 모듈(610~014)은 직렬 연결된 상태를 유지한다.

즉, 본 발명의 실시예는 각각의 배터리 모듈(610~014) 위에 3단자 릴레이 (630~634)를 설치하여 평상시에는 모든 배터리 모듈(610~014)이 직렬로 연결된다.(이를 A접점이라 한다.)

이러한 상태에서, 어느 하나의 배터리 모듈(610~014 가운데 어느 하나) 전압이 높게 상승하면 이때 배터리 관리 시스템(620)은 도 6에 도시된 바와 같이 해당되는 배터리 모듈(610~014 가운데 어느 하나)의 릴레이(630~634 가운데 어느 하나)만을 B접점으로 스위칭 하도록 제어하여 독립적으로 배터리 모듈(610~014 가운데 어느 하나)을 제어할 수 있다.

또한 높은 전압만을 분리한다는 위의 제어 방법은 여러 가지로 변경이 가능하다.

예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 배터리 모듈(610~014)의 최고 전압, 평균 전압, 최소 전압 및 각 배터리 모듈(610~614)의 전압을 알고있으므로 배터리 관리 시스템(620)의 제어 방법을 (Vmax-Vmin) < 설정값 이상이 되는 배터리 모듈(610~014 가운데 어느 하나)만을 분리할 수 있다.

또한, "(Vavg-Vmin) < 설정값" 이상이 되는 배터리 모듈(610~014 가운데 어느 하나)만을 분리하거나, "(Vmodule-Vmin) < 설정값" 이상이 되는 배터리 모듈(610~014 가운데 어느 하나)을 분리하거나, "(Vavg + 설정값) < Vmodule" , "(Vmin + 설정값) < Vmodule"로 되는 배터리 모듈(610~014 가운데 어느 하나)을 분리하는 등 여러 가지 방법으로 배터리 자체의 특성에 따라 제어하는 방법을 바꾸면서 최적의 방법으로 CC 모드 충전을 할 수 있다.

또한, "(Tmax-Tmin) < 설정값" 등 위의 제안된 여러 가지 방법들을 온도에 따라서도 적용 할 수 있다.

마지막으로 릴레이(630~634)의 개수는 배터리 모듈(610~014)당 한 개에서 여러 배터리 모듈(610~014)당 한 개씩으로 배터리 특성에 맞게 변경할 수 있음에 유의해야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전기 차량의 배터리팩 충전 제어장치 및 방법은 전기 차량용 배터리팩을 충전 시 충전시간 단축, 충전에 따른 열 발생 최소화, 열에 의한 배터리 수명 단축 현상 회피, 배터리 트레이 내부의 쿨링 시스템의 간소화, 충전 전류에 의한 열의 발생을 최소화함으로써 충전효율의 상승 등이 기대되므로 전체적으로는 전기 차량의 안전성 및 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

Claims

다수개의 배터리 모듈/셀로 이루어진 배터리팩의 직류(DC) 전압을 인버터 시스템을 통해 3상 교류(AC)로 만든 후 모터를 구동하는 전기 차량의 배터리팩 충전 제어장치에 있어서,

상기 배터리팩 내의 배터리 모듈간 전압 차이를 비교하여 설정 전압 이상의 배터리 모듈이 검출되면, 해당되는 배터리 모듈의 과충전을 방지하도록 충전 차단 제어신호를 발생하는 배터리 관리 시스템(BMS)과;

상기 배터리 모듈의 사이에 각각 전기적으로 회로 연결되며, 상기 배터리 관리 시스템으로부터 공급되는 충전 차단 제어신호의 입력에 따라 구동되어 해당되는 배터리 모듈로 공급되는 충전 전원을 차단하는 릴레이를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 배터리팩 충전 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 배터리팩 내의 배터리 모듈간 전압 차이를 비교하여 설정 전압 이상의 배터리 모듈이 검출되지 않으면, 상기 릴레이로 충전 제어신호를 공급하여 각각의 배터리 모듈이 직렬연결 상태를 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 배터리팩 충전 제어장치.
제1항의 구성을 갖는 전기 차량의 배터리팩 충전 제어방법에 있어서,

상기 배터리팩 내의 배터리 모듈간 전압 차이를 비교하는 단계와;

상기 배터리 모듈 전압 비교단계에서 설정 전압 이상의 배터리 모듈이 검출되면, 해당되는 배터리 모듈의 과충전을 방지하도록 충전 차단 제어신호를 발생하는 단계와;

상기 충전 차단 제어신호의 입력에 따라 구동되어 해당되는 배터리 모듈로 공급되는 충전 전원을 차단하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 배터리팩 충전 제어방법.
제3항에 있어서, 상기 배터리 모듈 전압 비교단계에서 설정 전압 이상의 배터리 모듈이 검출되지 않으면, 상기 릴레이로 충전 제어신호를 공급하여 각각의 배터리 모듈이 직렬연결 상태를 유지하도록 제어하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 배터리팩 충전 제어방법.