KR20110065011A - 배터리 팩 충전 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 팩 충전 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 사용되는 차량용 배터리 팩을 비상 충전하는 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 사용되는 차량용 배터리 팩을 비상 충전하는 장치는, 상기 차량용 배터리 팩에 구비되어 공급되는 비상 충전 전력을 상기 차량용 배터리 팩의 배터리 셀로 제공하기 위한 충전 경로를 제공하는 비상충전용 전력 라인; 상기 비상충전용 전력 라인 상에 구비되어 상기 충전 경로를 선택적으로 개폐하는 비상충전 스위치; 상기 비상충전용 전력 라인 상에 구비되어 상기 공급되는 비상 충전 전력의 전압을 상기 차량용 배터리 팩의 충전이 가능한 전압으로 변환시키는 전압변환 모듈; 상기 비상충전용 전력 라인에 연결되어 상기 비상 충전 전력의 공급 감지 신호를 제어 모듈로 전송하는 비상충전 감지 라인; 및 상기 비상충전 감지 라인을 통해 상기 비상 충전 전력의 공급이 감지된 경우, 상기 차량용 배터리 팩의 충방전 경로 상에 설치된 충전제어 스위치 및 방전제어 스위치를 오프시키고 상기 비상충전 스위치를 온시켜, 상기 배터리 셀로 비상 충전 전력이 제공되도록 하는 제어 모듈;을 포함한다.
전기 자동차, 하이브리드 자동차, 배터리 팩, 비상 충전, 전력 라인

Description

전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 사용되는 차량용 배터리 팩을 비상 충전하는 장치 및 방법{Emergency charging Apparatus and method for Electric vehicle or Hybrid electric vehicle}
본 발명은 차량용 배터리 팩을 비상 충전하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 사용되는 차량용 배터리 팩의 만방전시 이를 비상으로 충전시킬 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
근래에 들어서, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
한편, 최근에는 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면 서, 미국, 유럽, 일본, 한국을 비롯하여 전 세계적으로 하이브리드 자동차와 전기 자동차에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차는 배터리 팩의 충방전 에너지를 이용하여 차량 구동력을 얻기 때문에, 엔진만을 이용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있다는 점에서 많은 소비자들에게 좋은 반응을 얻고 있다. 따라서, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 핵심적 부품인 차량용 배터리에 보다 많은 관심과 연구가 집중되고 있다.
이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 사용되는 차량용 배터리는, 방전으로 에너지를 얻는 배터리의 본질상 만방전되는 경우가 발생할 수 있다. 물론, 이러한 차량용 배터리의 만방전 사태를 방지하기 위해, 일반적인 전기 자동차나 하이브리드 자동차는 배터리의 충전 상태를 운전자가 알 수 있도록 운전석 계기판 등에 이를 디스플레이하고 있다. 또한, 배터리의 충전량이 일정 수준 이하인 경우 경고 램프나 경고음 등을 발생시켜 운전자로 하여금 충전을 하도록 하는 경보 시스템 등을 장착하고 있다. 그러나, 차량용 배터리를 충전할 수 있는 충전소가 없는 곳을 운행하거나 운행 중 이러한 충전소를 찾지 못한 경우, 또는 만방전 경고 램프 등을 인지하지 못하거나 이를 잊어버린 상태에서 차량 운행을 계속한 경우 등과 같이 여러 원인에 의해 배터리가 만방전될 수 있다. 또한, 차량용 배터리의 충전량이 적은 상태에서 오랜 시간 동안 자동차를 사용하지 않은 경우에도 자가 방전으로 인해 차량용 배터리가 만방전될 수 있다.
다른 휴대 제품의 배터리가 만방전된 경우에는 대체로 큰 문제가 발생하지 않는다. 해당 휴대 제품을 잠시 사용하지 않으면 되기 때문이다. 그러나, 이러한 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 배터리가 만방전된 경우에는 다른 휴대 제품과 달리 즉시 충전을 해야 하는 경우가 대부분이다. 특히, 전기 자동차의 경우 배터리만으로 차량이 구동되기 때문에 배터리가 만방전되면 더 이상 차량을 이용할 수 없게 된다. 따라서, 차량을 꼭 이용해야 하는 상황이나, 자신의 거주지가 아닌 외부 지역으로 이동 중에 배터리가 만방전된 경우에는 차량용 배터리를 다시 급히 충전시켜야 한다.
이때, 차량용 배터리를 충전할 수 있는 장소가 아닌 이상, 차량을 견인할 수 있는 견인 차량을 호출하여 배터리를 충전할 수 있는 곳까지 차량이 견인되도록 해야 한다. 그런데 이러한 견인 과정은 오랜 시간이 걸릴 수 있고, 별도의 견인 비용도 지출해야 한다. 또한, 차량 운전자나 탑승자는 견인 차량에 탑승해야 하지만 매우 불편하고, 탑승자가 많은 경우에는 견인 차량에 탑승하지 못해 원래 탑승했던 차량, 즉 견인되는 차량에 탑승하거나 다른 교통 수단을 이용해야 하므로 매우 번거롭게 된다. 뿐만 아니라 견인되는 차량에 탑승하는 경우 사고 위험이 높고 사고가 일어나는 경우 목숨을 잃는 등 대형 사고로 이어지는 경우가 많아 탑승자의 안전에 큰 문제가 발생할 수 있다.
한편, 아직까지 도로 상에는 전기 자동차나 하이브리드 자동차가 많지 않고, 휘발유나 LPG, 경유 등을 이용해 엔진을 구동시키는 자동차가 대부분이다. 때문에, 일반 자동차의 경우, 배터리가 방전되어 시동을 걸 수 없다 하더라도 점프 케이블만 구비되어 있다면, 주변의 다른 차량을 이용하여 배터리 충전이 가능하다. 그러 나, 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 사용되는 배터리는 일반 자동차의 배터리와 달리 고전압으로 구동되기 때문에 충전 전압이 달라 일반 자동차의 배터리를 이용하여 배터리를 충전할 수 없다. 따라서, 전기 자동차나 하이브리드 자동차용 배터리 팩을 충전할 수 있는 차량이 올 때까지 기다리거나 충전이 가능한 충전소로 이동해야 하는 불편함이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 이용되는 차량용 배터리 팩이 만방전된 경우, 출력 전압이 다른 주변 차량의 배터리 팩 또는 다른 전력 공급 수단을 통해 배터리 팩을 비상 충전할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 사용되는 차량용 배터리 팩을 비상 충전하는 장치는, 상기 차량용 배터리 팩에 구비되어 공급되는 비상 충전 전력을 상기 차량용 배터리 팩의 배터리 셀로 제공하기 위한 충전 경로를 제공하는 비상충전용 전력 라인; 상기 비상충전용 전력 라인 상에 구비되어 상기 충전 경로를 선택적으로 개폐하는 비상충전 스위치; 상기 비상충전용 전력 라인 상에 구비되어 상기 공급되는 비상 충전 전력의 전압을 상기 차량용 배터리 팩의 충전이 가능한 전압으로 변환시키는 전압변환 모듈; 상기 비상충전용 전력 라인에 연결되어 상기 비상 충전 전력의 공급 감지 신호를 제어 모듈로 전송하는 비상충전 감지 라인; 및 상기 비상충전 감지 라인을 통해 상기 비 상 충전 전력의 공급이 감지된 경우, 상기 차량용 배터리 팩의 충방전 경로 상에 설치된 충전제어 스위치 및 방전제어 스위치를 오프시키고 상기 비상충전 스위치를 온시켜, 상기 배터리 셀로 비상 충전 전력이 제공되도록 하는 제어 모듈;을 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 사용되는 차량용 배터리 팩을 비상 충전하는 방법은, (S1) 상기 차량용 배터리 팩에 구비되어 공급되는 비상 충전 전력을 상기 차량용 배터리 팩의 배터리 셀로 제공하기 위한 충전 경로를 제공하는 비상충전용 전력 라인과 상기 비상충전용 전력 라인 상에 구비되어 상기 충전 경로를 선택적으로 개폐하는 비상충전 스위치를 제공하는 단계; (S2) 상기 비상 충전용 전력 라인에 연결된 비상충전 감지 라인을 통해 상기 비상 충전 전력의 공급을 감지하는 단계; (S3) 상기 차량용 배터리 팩의 충방전 경로 상에 설치된 충전제어 스위치 및 방전제어 스위치를 오프시키는 단계; (S4) 상기 비상충전 스위치를 온시키는 단계; (S5) 상기 공급되는 비상 충전 전력의 전압을 상기 차량용 배터리 팩의 충전이 가능한 전압으로 변환시키는 단계; 및 (S6) 상기 전압 변환된 비상 충전 전력이 상기 배터리 셀로 공급되는 단계;를 포함한다.
본 발명에 의하면, 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 장착된 차량용 배터리 팩이 만방전된 경우, 출력 전압이 다른 전압 공급 수단으로부터 배터리 팩을 충전시킬 수 있다.
따라서, 전기 자동차나 하이브리드 자동차가 아닌 일반 자동차의 배터리 팩으로부터 충전 전력을 공급받아 비상 충전하는 것이 가능하다. 아직까지 전기 자동차나 하이브리드 자동차보다는 그 이외의 일반 자동차를 훨씬 많이 접할 수 있기 때문에 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 배터리 팩이 만방전된 경우라 하더라도 주변 차량을 통해 신속하고 용이하게 충전할 수 있다. 또한, 자동차뿐만 아니라 출력 전압에 구애받지 않고 다양한 전력공급 수단을 통해 배터리를 충전할 수 있다.
그러므로, 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 충전 가능 차량이 올 때까지 기다리거나 충전 가능 장소까지 차량이 견인될 필요가 없어, 시간이나 비용을 절약하고 차량 견인에 따른 사고 위험 등을 방지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치(100)의 기능적 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치(100)는 비상충전용 전력 라인(110), 비상충전 스위치(120), 전압변환 모듈(130), 비상충전 감지 라인(140) 및 제어 모듈(150)을 포함한다.
상기 비상충전용 전력 라인(110)은, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 차량용 배터리 팩에 구비될 수 있다. 이러한 비상충전용 전력 라인(110)은, 전력공급 수단(300)으로부터 공급되는 비상 충전 전력을 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 차량용 배터리 팩의 배터리 셀로 제공하기 위한 충전 경로를 제공한다. 여기서 비상 충전 전력을 공급하는 전력공급 수단(300)으로는 엔진구동 차량의 배터리가 이용될 수 있다. 그러나, 본 발명이 반드시 이러한 전력공급 수단(300)의 특정 형태에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태의 전력공급 수단(300)이 존재할 수 있다.
비상충전용 전력 라인(110)의 일단에는 전력공급 수단(300)이 접속하기 위한 접속 단자가 구비될 수 있다. 또한, 비상충전용 전력 라인(110)의 다른 단은 충전 전력을 배터리 셀로 제공하기 위해 배터리 셀과 병렬로 연결되어 있다.
상기 비상충전 스위치(120)는, 상기 비상충전용 전력 라인(110) 상에 구비되어 충전 경로를 선택적으로 개폐한다. 따라서, 비상충전용 전력 라인(110)에 전력공급 수단(300)이 접속된다 하더라도 충전전력이 곧바로 배터리 셀로 제공되지는 않는다. 만일 비상충전 스위치(120)가 없다면, 전력공급 수단(300)이 접속되는 경우 배터리 셀로 즉시 과도한 전력이 공급되어 배터리 셀의 손상을 일으키거나 차량 모터 등으로 전력이 공급되어 모터를 파괴시킬 수 있다. 그러므로, 비상충전 스위치(120)는 전력공급 수단(300)의 전력 유입을 제어할 수 있도록 하는 구성 요소이다.
상기 전압변환 모듈(130)은, 상기 비상충전용 전력 라인(110) 상에 구비되어 상기 공급되는 비상 충전 전력의 전압을 차량용 배터리 팩의 충전 가능한 전압으로 변환한다. 예를 들어, 엔진구동 차량의 배터리 팩은 차량 시동시 또는 전자 기기를 작동시키는데만 이용되므로 출력 전압이 12V 정도로 낮다. 반면, 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 배터리 팩은 차량 운행을 위해 모터를 구동시켜야 하기 때문에 고전압 배터리 팩이 이용된다. 따라서, 엔진구동 차량의 배터리 팩으로부터 출력되는 전력을 그대로 이용하여 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 배터리 팩을 충전시킬 수는 없다. 이에, 상기 전압변환 모듈(130)은 비상 충전용 전력 라인(110)으로 입력되는 비상 충전용 전력의 전압을 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 차량용 배터리의 충전 가능 범위 이내의 전압으로 변환시킨다.
상기 전압변환 모듈(130)은 내부에 전압을 승압하는 트랜스포머를 구비할 수 있다. 따라서, 상기 전력공급 수단(300)으로부터 공급되는 비상 충전 전력을 배터리 셀의 충전 가능 전압으로 변환시켜 충전 전력을 배터리 셀로 공급할 수 있다. 상기 트랜스포머(transformer)는 전압의 승압률을 자동으로 변동시키는 기능을 갖는 것이 바람직하다. 그러면, 상기 전력공급 수단(300)으로부터 공급되는 전압의 크기에 상관 없이 배터리 셀의 충전 가능 전압으로 전력을 변환시킬 수 있다. 또는, 전압변환 모듈(130) 내부에 발전기를 구비하여, 상기 전력공급 수단(300)으로부터 공급되는 비상 충전 전력을 이용해 내부 발전기를 구동시켜 배터리 셀의 충전 가능 전압으로 변환시킨 후 전력을 공급할 수 있다. 그러나, 본 발명이 이러한 전압변환 모듈(130)의 구체적인 실시 형태에 의해 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태로 구현될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
상기 비상충전 감지 라인(140)은, 비상충전용 전력 라인(110)에 연결되어 비상 충전 전력의 공급 감지 신호를 제어 모듈(150)로 전송한다. 따라서, 이러한 비상충전 감지 라인(140)을 통해 제어 모듈(150)이 전력공급 수단(300)의 접속을 감지할 수 있다. 이때, 제어 모듈(150)은 비상충전 감지 라인(140) 양단의 전위차 변화를 이용할 수 있다. 다시 말해, 비상충전 감지 라인(140)의 양단은 평소에는 개방된 상태에 놓여있기 때문에 전위차가 감지되지 않는다. 그러나, 전력공급 수단(300)이 비상충전용 전력 라인(110)에 접속되면, 비상충전 감지 라인(140)의 양단은 일정 크기의 전위차를 갖게 된다. 예를 들어, 엔진구동 차량의 배터리 팩이 비상충전용 전력 라인(110)에 접속된 경우, 상기 비상충전 감지 라인(140)의 양단 전위차는 12V가 되므로, 제어 모듈(150)은 전력공급 수단(300)이 접속되었다는 것을 알 수 있게 된다. 나아가 제어 모듈(150)은 상기 비상충전 감지 라인(140)의 양단 전위차에 따라 전압변환 모듈(130)을 제어하여 전력의 승압비를 배터리 셀의 충전 전력에 맞도록 조절할 수 있다.
이와 같이 상기 비상충전 감지 라인(140)을 통해 비상 충전 전력의 공급이 감지된 경우, 상기 제어 모듈(150)은 충전제어 스위치 및 방전제어 스위치를 오프(off)시킨다. 여기서, 충전제어 스위치 및 방전제어 스위치는 차량용 배터리 팩의 충방전 경로 상에 설치되어 충전 전류와 방전 전류의 흐름을 선택적으로 차단하는 역할을 하는 스위치로서, 배터리 팩에 일반적으로 구비되어 있다. 이와 같이, 충전제어 스위치 및 방전제어 스위치를 오프시킴으로써, 제어 모듈(150)은 충방전 경로를 차단하여 전력공급 수단(300)에 의해 공급된 전력이 차량 모터 등으로 공급되거나 전력공급 수단(300) 이외의 전력이 배터리 셀로 공급되는 것을 방지한다. 그리고 나서, 상기 제어 모듈(150)은 비상충전 스위치(120)를 온(on)시킨다. 이로써, 전력공급 수단(300)에 의한 충전 전력이 배터리 셀로 제공되는 경로가 형성될 수 있게 된다.
한편, 상기 제어 모듈(150)은 BMS(Battery Management System)로 구현되는 것이 바람직하다. 여기서, BMS란 배터리 팩의 충방전 동작을 전반적으로 제어하는 배터리 관리 장치를 의미한다. 그러나, 본 발명이 반드시 이러한 제어 모듈(150)의 실시 형태에 의해 한정되는 것은 아니며, 제어 모듈(150)은 BMS와 별도로 구성될 수 있다. 또한, 제어 모듈(150)은 배터리 팩 외부에 별도로 구성될 수도 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 충전표시 모듈(160)을 더 포함할 수 있다.
상기 충전표시 모듈(160)은, 차량용 배터리 팩의 충전 상황을 사용자에게 표시한다. 예를 들어, 차량용 배터리 팩의 충전이 완료된 경우 이를 사용자에게 알릴 수 있다. 또는 차량용 배터리 팩의 충전 중 과충전과 같이 충전에 문제가 발생한 경우 이러한 문제 상황을 사용자에게 경고할 수 있다. 이때, 상기 충전표시 모듈(160)은, 램프, 스피커 또는 디스플레이 장치를 이용하여 충전상황을 사용자에게 표시할 수 있다. 이를테면, 충전이 완료된 경우에는 녹색 LED 램프를 켜고, 충전 중 문제가 발생한 경우에는 적색 LED 램프를 켜는 경우와 같이, 충전 상황별로 색상을 달리하여 LED 램프를 켤 수 있다. 또는 스피커를 통해 경고음이나 경고음성을 발생시켜 사용자에게 충전 상황을 알릴 수 있다. 그 밖에도 LCD 계기판과 같이 운전석에 구비된 디스플레이 장치를 통해 문자로 메시지를 전달할 수도 있다. 이를 위해 상기 제어 모듈(150)은 인터페이스를 통해 램프, 스피커, 디스플레이 장치와 같은 충전표시 모듈(160)과 연결될 수 있다.
도 2는, 본 발명에 따른 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치(100)가 차량용 배터리 팩 내에서 연결된 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 차량용 배터리 팩에는 일반적으로 배터리 셀(200), 충전제어 스위치(180), 방전제어 스위치(190) 및 BMS(210)를 포함한다. 본 발명에 따른 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치(100)의 비상충전용 전력 라인(110)의 일단은 배터리 셀(200)과 병렬로 연결되어 있으며, 다른 단은 전력공급 수단(300)과 접속하기 위한 접속 단자(111)를 구성하고 있다. 그리고, 이러한 비상충전용 전력 라인(110) 상에 비상충전 스위치(120)와 전압변환 모듈(130)이 구비되어 있다. 또한, 도 2에서는, 제어 모듈(150)이 BMS(210)로 구현되어 있으며, BMS(210)와 비상충전용 전력 라인(110) 사이에 비상충전 감지 라인(140)이 연결되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 12V 전압을 갖는 엔진구동 차량의 배터리 팩(310) 이 비상충전용 전력 라인(110)의 접속 단자에 접속되면, 비상충전 감지 라인(140)의 양 단자에 12V의 전위차가 발생한다. 따라서, BMS(210)는 이러한 전위차를 통해 전력공급 수단(300), 즉 엔진구동 차량의 배터리 팩(310)이 비상충전용 전력 라인(110)에 접속되었다고 파악할 수 있다. 이와 같이 비상충전용 전력 라인(110)으로 엔진구동 차량의 배터리 팩(310)이 접속되면 상기 BMS(210)가 충전제어 스위치(180) 및 방전제어 스위치(190)를 오프시킨다. 그리고, 비상충전 스위치(120)를 온시켜 충전 경로가 형성되도록 한다. 그러면, 전압변환 모듈(130)이 엔진구동 차량의 배터리 팩(310)으로부터 공급된 12V 전압을 배터리 셀(200)의 충전 가능 전압으로 변환시킨다. 그리고 나서, 배터리 셀(200) 충전 가능 전압으로 변환된 충전 전력은 배터리 셀(200)로 공급되어 차량용 배터리 팩의 비상 충전이 이루어지게 된다. 한편, 비상충전이 완료되었거나 또는 충전 중 문제가 발생한 경우, 도면에 도시된 바와 같이 BMS(210)는 LED 램프(161)나 스피커(162) 등의 충전표시 모듈(160)을 통해 운전자에게 해당 상황을 전달할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 배터리모듈 선택 스위치(170)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 배터리모듈 선택 스위치(170)는, 비상충전용 전력 라인(110) 상에 구비되어 배터리 셀(200)을 구성하는 복수의 배터리 모듈 중 일부 배터리 모듈을 선택한다. 차량용 배터리 팩의 배터리 셀(200)은 일반적으로 둘 이상의 배터리 모듈로 이루어져 있으며, 이러한 배터리 모듈은 차량 모터를 구동시키기 위한 고전압을 생성할 수 있도록 직병렬로 연결되어 있다. 상기 배터리모듈 선택 스위치(170)는 직 렬로 연결된 복수의 배터리 모듈 중 일부 배터리 모듈을 선택함으로써 배터리 모듈 단위로 충전이 수행되도록 한다. 따라서, 배터리 셀(200) 충전시 필요한 충전 전압을 낮출 수 있게 된다. 예를 들어, 각 배터리 모듈의 용량이 동일하다면 직렬로 연결된 2개의 배터리 모듈을 충전시킬 때보다 1개의 배터리 모듈을 충전시킬 때 더 낮은 충전 전압이 필요하다. 그러므로, 상기 실시예에 따르면, 배터리모듈 선택 스위치(170)를 통해 배터리 셀(200)에 포함된 단위 배터리 모듈을 순차적으로 선택하여 충전이 배터리 모듈 단위로 순차적으로 이루어지도록 할 수 있다. 따라서, 상대적으로 낮은 충전 전압으로도 전체 배터리 모듈에 대한 충전이 가능해진다. 이러한 실시예는, 전력공급 수단(300)으로부터 공급되는 전력의 전압이 매우 낮거나 전압변환 모듈(130)의 승압비가 낮은 경우에 더욱 유용하게 이용될 수 있다.
한편, 상기 배터리모듈 선택 스위치(170)는 제어 모듈(150)의 제어 하에 동작을 수행할 수 있으며, 이 경우 인터페이스를 통해 제어 모듈(150)에 연결될 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리모듈 선택 스위치(170)를 포함하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치(100)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 배터리 셀(200)이 제1 배터리 모듈(201), 제2 배터리 모듈(202) 및 제3 배터리 모듈(203), 3개의 배터리 모듈로 이루어져 있으며, 비상충전용 전력 라인(110) 상에 배터리모듈 선택 스위치(170)가 구비되어 있다. 이러한 배터리모듈 선택 스위치(170)는 각 배터리 모듈(201, 202, 203)의 + 단자와 - 단자에 각각 접속되어 3개의 배터리 모듈(201, 202, 203) 중 일부 배터리 모듈을 선택 한다. 여기서, 이러한 배터리모듈 선택 스위치(170)의 선택 동작은 인터페이스를 통해 연결된 BMS(210)의 제어 하에 수행될 수 있다.
도 3에서, 배터리모듈 선택 스위치(170)가 먼저 제1 배터리 모듈(201)을 선택하였다면, 엔진구동차량 배터리 팩(310)으로부터 공급되어 전압변환모듈(130)에 의해 변환된 구동 전력은 제1 배터리 모듈(201)로 공급된다. 따라서, 제1 배터리 모듈(201)의 충전이 수행된다. 다음으로, 배터리모듈 선택 스위치(170)가 제2 배터리 모듈(202)을 선택한다면, 구동 전력은 제2 배터리 모듈(202)로 공급되어 제2 배터리 모듈(202)이 충전된다. 그리고 나서, 배터리모듈 선택 스위치(170)가 제3 배터리 모듈(203)을 선택한다면, 구동 전력은 제3 배터리 모듈(203)로 공급되어 제3 배터리 모듈(203)이 충전된다. 이와 같이 상기 실시예에 의하면, 배터리모듈 선택 스위치(170)에 의해 단위 배터리 모듈(201, 202, 203)을 순차적으로 충전할 수 있으므로 배터리 모듈(201, 202, 203) 전체를 한꺼번에 충전하는 경우에 비해 낮은 충전 전압으로도 배터리 셀(200)에 대한 충전이 가능해진다.
도 4는, 도 3의 실시예에서 배터리모듈 선택 스위치(170)의 구성에 대한 일 실시예를 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 3개의 배터리 모듈(201, 202, 203) 중 일부 배터리 모듈을 선택하기 위해 각 배터리 모듈(201, 202, 203)의 + 단자와 - 단자에 배터리모듈 선택 스위치(170)가 접속되어 있다. 그리고, 배터리모듈 선택 스위치(170)는 제1 스위치 ~ 제6 스위치(171 ~ 176)의 6개 온오프 스위치로 구성되어, 이러한 6개의 온오프 스위치(171~176)의 온오프 동작을 통해 단위 배터리 모듈(201, 202, 203)을 선택하게 된다. 예를 들어, 배터리모듈 선택 스위치(170)가 제1 배터리 모듈(201)을 선택하고자 한다면, 상기 배터리모듈 선택 스위치(170)는 제1 스위치(171)와 제4 스위치(174)를 온시키고, 나머지 제2 스위치(172), 제3 스위치(173), 제5 스위치(175) 및 제6 스위치(176)는 오프시킨다. 그러면, 충전 경로는 제1 배터리 모듈(201)로만 형성된다. 다른 예로, 배터리모듈 선택 스위치(170)가 제2 배터리 모듈(202)을 선택하고자 한다면, 상기 배터리모듈 선택 스위치(170)는 제2 스위치(172)와 제5 스위치(175)를 온시키고, 나머지 제1 스위치(171), 제3 스위치(173), 제4 스위치(174) 및 제6 스위치(176)를 오프시킨다. 그러면, 충전 경로는 제2 배터리 모듈(202)로만 형성된다. 또 다른 예로, 배터리 모듈 선택 스위치(170)가 제3 배터리 모듈(203)을 선택하고자 한다면, 상기 배터리모듈 선택 스위치(170)는 제3 스위치(173)와 제6 스위치(176)를 온시키고, 나머지 제1 스위치(171), 제2 스위치(172), 제4 스위치(174) 및 제5 스위치(175)를 오프시킨다. 그러면, 충전 경로가 제3 배터리 모듈(203)로만 형성된다.
한편, 도 3 및 도 4에서는 배터리 모듈(201, 202, 203)이 3개인 경우가 도시되었으나, 이는 일 실시예에 불과하며, 2개 또는 4개 이상의 배터리 모듈로 이루어진 배터리 셀에 대해서도 본 발명이 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리 팩 비상 충전 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 먼저 차량용 배터리 팩에 구비되어 전력공급 수단으로부터 공급되는 비상 충전 전력을 상기 차량용 배터리 팩의 배터리 셀로 제공하기 위한 충전 경로를 제공하는 비상충전용 전력 라인과 상기 비상충전용 전력 라인 상에 구비되어 상기 충전 경로를 선택적으로 개폐하는 비상충전 스위치가 제공된다(S110). 다음으로, 비상 충전용 전력 라인에 연결된 비상충전 감지 라인을 통해 비상 충전 전력의 공급이 감지되면(S120), 제어 모듈은 차량용 배터리 팩의 충방전 경로 상에 설치된 충전제어 스위치 및 방전제어 스위치를 오프시키고(S130), 비상충전 스위치를 온시킨다(S140). 다음으로, 전력공급 수단으로부터 공급되는 비상 충전 전력의 전압을 차량용 배터리 팩의 충전이 가능한 전압으로 변환시킨다(S150). 여기서, 상기 전압 변환은 전압을 승압하는 트랜스포머를 이용해 수행될 수 있는데, 상기 트랜스포머는 전압의 승압률을 자동으로 변동시키는 기능을 갖는 것이 바람직하다. 또는, 제어 모듈이 비상충전 감지 라인의 양단 전위차에 따라 전력의 승압비를 배터리 셀의 충전전력에 맞도록 조절할 수 있다. 그 밖에, 발전기를 구동시켜 전압변환을 시키는 구성도 가능하다. 이와 같이 충전 가능 전압으로 변환된 비상 충전 전력은 배터리 셀로 공급되어 차량용 배터리 팩의 충전이 이루어지게 된다(S160).
바람직하게는, 상기 S160 단계 이후에, 충전이 완료되거나 충전에 문제가 발생한 경우와 같은 상황 발생시 이러한 충전 상황을 사용자에게 표시할 수 있다(S170). 이때, 충전 상황 표시는 충전받는 차량에 구비된 램프, 스피커 또는 디스플레이 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 S160 단계 이전에, 배터리 셀을 구성하는 복수의 배터리 모듈 중 일부 배터리 모듈을 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 S160 단계에서는 비상 충전 전력이 선택된 배터리 모듈로만 공급되므로 배터리 모듈 단위로 순 차적인 충전이 가능해진다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 '모듈'이라는 용어를 사용하였으나, 이는 논리적인 구성 단위를 나타내는 것으로서, 반드시 물리적으로 분리될 수 있는 구성요소를 나타내는 것이 아니라는 점은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 자명하다.
도 1은, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치의 기능적 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는, 본 발명에 따른 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치가 차량용 배터리 팩 내에서 연결된 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리모듈 선택 스위치를 포함하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는, 도 3의 실시예에서 배터리모듈 선택 스위치의 구성에 대한 일례를 도시하는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리 팩 비상 충전 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.

Claims (15)

  1. 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 사용되는 차량용 배터리 팩을 비상 충전하는 장치에 있어서,
    상기 차량용 배터리 팩에 구비되어 공급되는 비상 충전 전력을 상기 차량용 배터리 팩의 배터리 셀로 제공하기 위한 충전 경로를 제공하는 비상충전용 전력 라인;
    상기 비상충전용 전력 라인 상에 구비되어 상기 충전 경로를 선택적으로 개폐하는 비상충전 스위치;
    상기 비상충전용 전력 라인 상에 구비되어 상기 공급되는 비상 충전 전력의 전압을 상기 차량용 배터리 팩의 충전이 가능한 전압으로 변환시키는 전압변환 모듈;
    상기 비상충전용 전력 라인에 연결되어 상기 비상 충전 전력의 공급 감지 신호를 제어 모듈로 전송하는 비상충전 감지 라인; 및
    상기 비상충전 감지 라인을 통해 상기 비상 충전 전력의 공급이 감지된 경우, 상기 차량용 배터리 팩의 충방전 경로 상에 설치된 충전제어 스위치 및 방전제어 스위치를 오프시키고 상기 비상충전 스위치를 온시켜, 상기 배터리 셀로 비상 충전 전력이 제공되도록 하는 제어 모듈;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압변환 모듈은, 전압을 승압하는 트랜스포머를 이용하여 상기 공급되는 비상 충전 전력을 상기 차량용 배터리 팩의 충전이 가능한 전압으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 트랜스포머는, 전압의 승압률을 자동으로 변동시키는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전압변환 모듈은, 상기 공급되는 비상 충전 전력을 통해 내부 발전기를 구동시켜 상기 차량용 배터리 팩의 충전이 가능한 전압으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 차량용 배터리 팩의 충전 상황을 사용자에게 표시하는 충전표시 모듈;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 충전표시 모듈은, 램프, 스피커, 또는 디스플레이 장치를 이용하여 충 전 상황을 표시하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어 모듈은, BMS에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 비상충전용 전력 라인 상에 구비되어 상기 배터리 셀을 구성하는 복수의 배터리 모듈 중 일부 배터리 모듈을 선택하는 배터리모듈 선택 스위치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 장치.
  9. 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 사용되는 차량용 배터리 팩을 비상 충전하는 방법에 있어서,
    (S1) 상기 차량용 배터리 팩에 구비되어 공급되는 비상 충전 전력을 상기 차량용 배터리 팩의 배터리 셀로 제공하기 위한 충전 경로를 제공하는 비상충전용 전력 라인과 상기 비상충전용 전력 라인 상에 구비되어 상기 충전 경로를 선택적으로 개폐하는 비상충전 스위치를 제공하는 단계;
    (S2) 상기 비상 충전용 전력 라인에 연결된 비상충전 감지 라인을 통해 상기 비상 충전 전력의 공급을 감지하는 단계;
    (S3) 상기 차량용 배터리 팩의 충방전 경로 상에 설치된 충전제어 스위치 및 방전제어 스위치를 오프시키는 단계;
    (S4) 상기 비상충전 스위치를 온시키는 단계;
    (S5) 상기 공급되는 비상 충전 전력의 전압을 상기 차량용 배터리 팩의 충전이 가능한 전압으로 변환시키는 단계; 및
    (S6) 상기 전압 변환된 비상 충전 전력이 상기 배터리 셀로 공급되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 S5 단계는, 전압을 승압하는 트랜스포머를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 트랜스포머는, 전압의 승압률을 자동으로 변동시키는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 S5 단계는, 비상 충전 전력을 통해 발전기를 구동시켜 상기 차량용 배터리 팩의 충전이 가능한 전압으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 S6 단계 이후에, 상기 차량용 배터리 팩의 충전 상황을 사용자에게 표시하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 충전 상황 표시 단계는, 램프, 스피커, 또는 디스플레이 장치를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 S6 단계 이전에, 상기 배터리 셀을 구성하는 복수의 배터리 모듈 중 일부 배터리 모듈을 선택하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 S6 단계는 비상 충전 전력이 상기 선택된 배터리 모듈로 공급되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩 비상 충전 방법.
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