KR20050069056A

KR20050069056A - 전기자동차의 충전 제어장치 및 방법

Info

Publication number: KR20050069056A
Application number: KR1020030100896A
Authority: KR
Inventors: 구재승
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2003-12-30
Publication date: 2005-07-05
Also published as: KR100534719B1

Abstract

전기자동차의 충전에서 배터리팩을 구성하고 있는 각 배터리 모듈에 균등 충전을 제공하여 배터리팩에서 최대 SOC(State Of Charge)를 유지하는 모듈과 최소 SOC를 유지하는 모듈간의 편차를 일정값 이하로 관리하도록 하는 것으로,

배터리의 표준 충전이 진행되는 과정에서 SOC가 100%에 도달되어 표준 충전의 종료 조건인지를 판단하는 과정과, 표준 충전의 종료 조건이 아니면 표준 충전을 지속적으로 유지하고, 표준 충전의 종료 조건이면 균등 충전 요구 플래그가 설정되어 있는지를 판단하는 과정과, 균등 충전 요구 플래그가 설정되어 있지 않은 상태이면 배터리의 충전을 종료하고, 균등 충전 요구가 플래그가 설정되어 있는 상태이면 저전류를 공급하는 균등 충전모드를 수행하는 과정과, 균등 충전 모드가 설정된 일정시간 유지되면 균등 충전모드를 종료한 다음 균등 충전 요구 플래그를 해제하여 배터리의 충전을 종료하는 과정을 포함한다.

Description

전기자동차의 충전 제어장치 및 방법{CHARGING CONTROL SYSTEM OF ELECTRIC VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 전기자동차의 충전에 관한 것으로, 더 상세하게는 배터리팩을 구성하고 있는 각 배터리 모듈에 균등 충전을 제공하여 배터리팩에서 최대 SOC(State Of Charge)를 유지하는 모듈과 최소 SOC를 유지하는 모듈간의 편차를 일정값 이하로 관리하도록 하는 전기자동차의 충전 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 내연기관을 사용하는 자동차의 폭발적인 증가에 따른 대기 오염이 사회적 문제로 대두되고 있어, 환경 친화적인 전기자동차의 연구 개발이 활발하게 진행되어 실용화 단계에 접어들고 있다.

전기자동차는 주동력원으로 배터리를 사용하고 있으며, 구동력 발생을 위하여 배터리 전압에 의해 구동되는 전동기인 모터를 적용하고 있으며, 이 모터는 배터리로부터 전원이 공급되는 경우에 모터로 작동하고, 차량의 제동시 발전기로 작동하여 제동시 발생되는 회생 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 배터리에 충전 전압으로 공급한다.

전기자동차에 장착되는 배터리팩은 통상적으로 25개 이상의 모듈이 직렬로 연결되어 구성되며, 운행 종료후 혹은 운행 도중에 배터리의 SOC가 목적지로의 안정된 주행이 확보되지 못하는 경우 상용 전원을 이용하여 충전한다.

전기자동차의 배터리 충전은 충전 방식과 목적에 따라 3단계로 구분된다.

즉, 별치형 충전기를 이용하여 충전하는 별치형 충전기로 충전하는 급속 충전 방식과 차량에 탑재된 충전기를 사용하여 충전하는 표준 충전 방식 및 균등 충전 방식 등으로 구분되어 진다.

급속 충전 방식은 잠시 주차중인 상태에서 배터리의 충전 상태를 20%에서 80%로 단시간, 바람직하게는 20분 이내에 충전하여 재주행에 필요한 전기에너지를 충전하는 것을 목적으로 한다.

표준 충전 방식은 주행 후 차고에서 밤샘(overnight) 충전을 실행하는 것으로 배터리팩을 만 충전하여 충전 상태를 100%로 종료하는 것을 목적으로 한다.

균등 충전 방식은 직렬로 연결된 다수개 배터리 모듈간의 에너지 편차를 줄이기 위해 표준 충전 방식으로의 만 충전이 종료된 다음 조건이 만족하는 경우 일정시간, 바람직하게는 대략 2시간 동안 저 전류를 공급하여 충전하는 것이다.

현재 균등 충전은 배터리 제조회사의 사양에 따라 표준 충전을 10회 정도 실시한 후에 1회를 실시하고 있다.

그러나, 다수개의 배터리 모듈이 직렬로 연결된 배터리팩은 배터리 트레이 내부의 온도 편차와 배터리 모듈의 서로 다른 자기방전 특성 등으로 인해 배터리 모듈간에 에너지 편차가 발생한다.

이 에너지 편차를 보상하지 않고 배터리를 지속적으로 사용하는 경우에는 첨부된 도 4에 도시된 바와 같이 배터리 모듈간의 전압 편차가 발생한다.

따라서, 배터리 모듈의 평균 전압과 최소 전압의 편차가 설정된 기준 전압, 바람직하게는 0.5 V 이상 발생되는 경우 BMS(Battery Management System)는 배터리 손상을 방지하기 위해 출력 파워를 제한하게 되어 차량 운행에 문제를 야기한다.

이는 배터리의 모듈간의 에너지 편차 상태를 고려하지 않고 단순히 충전 횟수로 균등 충전의 진입 조건을 판단하기 때문에 발생되는 문제이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 주행중에 균등 충전 요구의 조건이 만족하는지를 판단하여 균등 충전 요구의 조건이 만족되는 경우 그에 대한 플레그를 설정하여 표준 충전이 완료되는 경우 자동적으로 균등 충전모드를 실행하도록 하여 배터리팩의 각 모듈간 에너지 편차가 안정되게 유지되도록 함으로써, 배터리팩에서 최대 SOC를 갖는 모듈과 최소 SOC를 갖는 모듈간의 편차를 일정값 이하로 관리하여 일 충전 주행거리를 확보하며, 이에 따라 배터리의 내구성을 향상시키도록 한 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 전기자동차에 탑재되어 상용 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 배터리에 충전 전압을 공급하는 충전기와; 배터리의 온도, 전류, 전압을 검출하여 충전 및 출력에 대한 전류 및 전압을 결정 제어하며, 주행 중 균등 충전 요구의 조건이 만족되는지를 판단하여 그에 대한 플래그를 설정하며, 표준 충전 완료 후 균등 충전을 제어하는 BMS와; 상기 BMS의 제어에 따라 충전기와 배터리간의 전원 패스를 단속하는 PDU를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 충전 제어장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 배터리의 표준 충전이 진행되는 과정에서 SOC가 100%에 도달되어 표준 충전의 종료 조건인지를 판단하는 과정과; 표준 충전의 종료 조건이 아니면 표준 충전을 지속적으로 유지하고, 표준 충전의 종료 조건이면 균등 충전 요구 플래그가 설정되어 있는지를 판단하는 과정과; 균등 충전 요구 플래그가 설정되어 있지 않은 상태이면 배터리의 충전을 종료하고, 균등 충전 요구가 플래그가 설정되어 있는 상태이면 저전류를 공급하는 균등 충전모드를 수행하는 과정과; 균등 충전 모드가 설정된 일정시간 유지되면 균등 충전모드를 종료한 다음 균등 충전 요구 플래그를 해제하여 배터리의 충전을 종료하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 충전 제어방법을 제공한다.

상기 균등 충전 요구 플래그는 주행중에 검출되는 방전 전류가 설정된 일정 범위내에서 진행되고 있는지를 판단하는 과정과; 전류의 방전이 일정 범위내에서 진행되고 있는 것으로 판단되면 배터리 모듈의 평균 전압과 최소 전압을 검출하여 그 편차를 연산하는 과정과; 상기 연산되는 편차가 설정된 전압값(ContVolt)에서 방전 전류에 배터리의 내부 저항값(ContR)을 곱 연산한 값 보다 큰 상태를 유지하는지를 판단하는 과정 및; 상기에서 편차값이 큰 상태로 판단되며, 주행중 그 횟수가 설정된 횟수 이상 검출되면 균등 충전 요구 플래그를 설정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 충전 제어방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 전기자동차의 충전 제어장치는 충전기(10)와 PDU(20), 배터리(30) 및 BMS(40)를 포함하여 구성된다.

충전기(10)는 차량에 탑재된 충전기로서, 상용 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 배터리(30)에 충전 전압을 공급하여 준다.

상기의 충전기(10)는 BMS(40)의 제어에 따라 표준 충전 모드와 균등 충전모드로 DC 전원을 출력한다.

PDU(20)는 전원 단속 스위칭 소자로 배터리(30)의 충전 상태가 만충전인 경우 BMS(40)의 제어에 의해 단속되어 과전류가 공급됨에 따라 배터리팩이 파손되는 것을 원천적으로 차단한다.

배터리(30)는 다수개의 배터리 모듈이 직렬로 연결되어 구성되며, 도시되지 않은 모터에 구동 전원을 공급한다.

BMS(30)는 배터리(30)의 각 모듈에 대한 온도, 전류, 전압을 검출하여 충전 및 출력에 대한 전류 및 전압을 결정 제어하며, 주행중 균등 충전 요구의 조건이 만족되는지를 판단하여 그에 대한 플래그를 설정하여 표준 충전이 완료되는 경우 균등 충전이 이루어질 수 있도록 충전기(10)를 제어한다.

전술한 바와 같은 기능을 갖는 본 발명에 따른 구성에서 충전 제어를 실행하는 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.

운행 후 차량에 탑재된 충전기(10)에 상용 전원을 연결하여 배터리(30)의 표준 충전을 진행하는 과정에서(S101) BMS(40)는 배터리(30)의 SOC가 100%를 유지하는 만충전이 되어 표준 충전의 종료 조건이 만족되는지를 판단한다(S102).

상기에서 표준 충전의 종료 조건이 만족되면 BMS(40)는 차량의 주행중에 균등 충전 요구 플래그가 설정되었는지를 판단한다(S103).

상기에서 균등 충전 요구 플래그가 설정되어 있는 것으로 판단되면 BMS(40)는 충전기(10)의 전류 출력 모드를 저전류를 출력하는 균등 충전모드로 제어하여 직렬로 연결된 다수개 배터리 모듈간의 편차를 최소화하는 균등 충전을 실행한다(S104).

상기와 같이 균등 충전을 실행하는 상태에서 설정된 일정시간, 바람직하게는 2시간이 경과하여 균등 충전의 종료 조건이 만족되는지를 판단하여(S105), 균등 충전의 종료 조건으로 판단되면 BMS(40)는 PDU(20)의 제어를 통해 충전기(10)와 배터리(30)간의 동력 전달 패스를 단속하여 충전 동작을 종료하며, 동시에 주행중에 설정되어 있는 균등 충전 요구 플래그를 해제한다(S106).

상기에서 주행중 균등 충전 요구 플래그를 설정하는 동작에 대하여 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

임의의 목적지로 주행하는 과정에서(S301) BMS(40)는 배터리(30)의 방전 전류를 검출하여(S302) 설정된 일정 범위, 바람직하게는 0.5 ~ 2A의 범위내에서 방전이 진행되고 있는지를 판단한다(S203).

상기에서 배터리(30)의 방전이 설정된 일정 범위내에서 방전되고 있는 것으로 판단되면 배터리팩을 구성하고 있는 전체 모듈의 평균 전압과 최소 전압을 검출하여(S204) 평균 전압과 최소 전압의 편차가 설정된 전압값(ContVolt)에서 방전 전류에 해당하는 전류에 배터리(30)의 내부 저항값(ContR)을 곱 연산한 값 보다 큰 상태를 유지하는지를 판단한다(S205).

상기에서 평균 전압과 최소 전압의 편차가 설정된 전압값(ContVolt)에서 방전 전류에 해당하는 전류에 배터리(30)의 내부 저항값(ContR)을 곱 연산한 값 보다 큰 상태를 유지하는 것으로 판단되면 그 횟수가 설정된 일정횟수, 바람직하게는 3회 이상 반복 검출되는지를 판단한다(S206).

상기 S206에서 S205의 조건이 설정된 일정횟수 이상 반복되어 검출되면 BMS(40)는 배터리팩의 각 모듈간 전압 편차가 존재하는 것으로 판정하여 이를 보상하기 위하여 균등 충전 요구 플래그를 설정하여 운행후 충전시 자동적으로 균등 충전이 실행되도록 한다(S207).

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전기자동차에서 배터리의 안전된 관리를 통해 최대의 SOC를 갖는 모듈과 최소의 SOC를 갖는 모듈간의 편차를 일정값 이하로 유지시켜 배터리의 손상 방지 및 수명을 연장하고, 배터리팩의 에너지를 최대화하여 일 충전 주행거리를 증대시켜 운행에 안정성 및 신뢰성을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 전기자동차의 충전 제어장치에 대한 개략적 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 전기자동차에서 충전 제어를 실행하는 일 실시예의 흐름도.

도 3은 본 발명에 따른 전기자동차에서 균등 충전 요구 플레그 설정에 대한 흐름도.

도 4는 종래의 전기자동차에서 배터리 모듈의 전압 편차를 보이는 상태도.

Claims

전기자동차에 탑재되어 상용 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 배터리에 충전 전압을 공급하는 충전기와;

배터리의 온도, 전류, 전압을 검출하여 충전 및 출력에 대한 전류 및 전압을 결정 제어하며, 주행 중 균등 충전 요구의 조건이 만족되는지를 판단하여 그에 대한 플래그를 설정하며, 표준 충전 완료 후 균등 충전을 제어하는 BMS와;

상기 BMS의 제어에 따라 충전기와 배터리간의 전원 패스를 단속하는 PDU를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 충전 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 BMS는 주행중 배터리 모듈의 평균 전압과 최소 전압의 편차가 기준값 이상으로 판단되는 조건에서 균등 충전 요구 플래그를 설정하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 충전 제어장치.
배터리의 표준 충전이 진행되는 과정에서 SOC가 100%에 도달되어 표준 충전의 종료 조건인지를 판단하는 과정과;

표준 충전의 종료 조건이 아니면 표준 충전을 지속적으로 유지하고, 표준 충전의 종료 조건이면 균등 충전 요구 플래그가 설정되어 있는지를 판단하는 과정과;

균등 충전 요구 플래그가 설정되어 있지 않은 상태이면 배터리의 충전을 종료하고, 균등 충전 요구가 플래그가 설정되어 있는 상태이면 저전류를 공급하는 균등 충전모드를 수행하는 과정과;

균등 충전모드가 설정된 일정시간 유지되면 균등 충전모드를 종료한 다음 균등 충전 요구 플래그를 해제하여 배터리의 충전을 종료하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 충전 제어방법.
제3항에 있어서,

상기 균등 충전 요구 플래그는 주행중에 자동으로 설정되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 충전 제어방법.
제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 균등 충전 요구 플래그는 주행중에 검출되는 방전 전류가 설정된 일정 범위내에서 진행되고 있는지를 판단하는 과정과;

전류의 방전이 일정 범위내에서 진행되고 있는 것으로 판단되면 배터리 모듈의 평균 전압과 최소 전압을 검출하여 그 편차를 연산하는 과정과;

상기 연산되는 편차가 설정된 전압값(ContVolt)에서 방전 전류에 배터리의 내부 저항값(ContR)을 곱 연산한 값 보다 큰 상태를 유지하는지를 판단하는 과정 및;

상기에서 편차값이 큰 상태로 판단되며, 주행중 그 횟수가 설정된 횟수 이상 검출되면 균등 충전 요구 플래그를 설정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 충전 제어방법.