KR20120063313A - 전기자동차용 배터리 관리 장치 및 그 방법 - Google Patents

전기자동차용 배터리 관리 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

전기자동차용 배터리 관리 장치가 개시된다. 이 전기자동차용 배터리 관리 장치는 2개의 배터리 셀을 구비하며, 하나의 배터리 셀로 전기자동차가 구동되도록 하고 전기자동차의 주행에 따라 발생되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 다른 하나의 배터리 셀을 충전시킨다. 이에 따라 제한된 배터리 용량을 가지고 전기자동차의 주행거리를 최대한 늘릴 수 있다.

Description

전기자동차용 배터리 관리 장치 및 그 방법{Battery management apparatus for electric automobile and method thereof}
본 발명은 전기자동차에 관한 것으로, 특히 전기자동차의 배터리 관리에 관한 것이다.
전기자동차는 그 내부에 리튬 이온 등의 배터리 셀이 있고, 이 배터리 셀의 전원을 이용하여 구동되는 모터와 배터리 셀을 충전하기 위한 충전 포트가 외부에 연결될 수 있도록 구성되어 있다. 배터리 셀은 충전된 전원으로 구동 모터를 회전시켜 그 회전력으로 차량을 주행할 수 있게 하며, 이것이 전기자동차의 동작 원리이다. 종래에는 배터리 셀이 단일 구조로 되어 있기 때문에, 한번 충전하여 주행한 후 방전되면 다시 충전하여 주행해야 한다. 가정용 전원을 사용하여 배터리 셀을 충전하든, 충전소를 이용하여 배터리 셀을 충전하든 주행 중에 배터리의 전원이 충분하지 못하면 재충전을 한 후 다시 주행해야 한다. 배터리 셀의 용량을 늘리면 주행거리가 길어져 재충전의 불편함을 줄일 수는 있으나, 차량의 중량이 증가하는 문제가 있다.
본 발명은 종래와 동일 용량의 배터리 셀을 가지고도 차량의 주행거리를 늘릴 수 있는 전기자동차용 배터리 관리 장치를 제공함을 목적으로 한다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 전기자동차용 배터리 관리 장치는 다수의 배터리 셀, 다수의 배터리 셀 중 어느 하나의 배터리 셀로부터 공급되는 전기에너지로 륜을 구동시키는 륜 구동부, 전기에너지를 생산하는 전기에너지 생산부, 생산된 전기에너지를 배터리 셀에 적합한 전원으로 변환하여 다수의 배터리 셀 중 어느 하나의 배터리 셀에 공급하는 충전부, 다수의 배터리 셀 각각의 전압 잔량을 모니터링하는 모니터링부, 및 모니터링 결과에 따라 상대적으로 잔량이 높은 배터리 셀의 전원이 륜 구동부로 공급되도록 제어하고 상대적으로 잔량이 가장 낮은 배터리 셀이 충전되도록 제어하는 제어부를 포함한다.
여기서 제어부는 륜 구동부로 전원을 공급하는 배터리 셀의 전압 잔량이 기준치 이하가 될 때까지 륜 구동부로 전원을 공급하도록 제어한다.
나아가 제어부는 륜 구동부에 전원을 공급하는 배터리 셀의 전압 잔량이 기준치 이하가 되면, 다른 배터리 셀의 전원이 상기 륜 구동부로 공급되도록 제어하고 전압 잔량이 기준치 이하가 된 배터리 셀이 충전되도록 제어한다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 전기자동차용 배터리 관리 방법은 차량 전원이 온 되면 다수 배터리 셀 각각의 전압 잔량을 확인하는 단계, 확인 결과 상대적으로 전압 잔량이 가장 높은 배터리 셀의 전원이 전륜 구동을 위한 구동 모터로 공급되도록 제어하는 단계, 및 확인 결과 상대적으로 전압 잔량이 가장 낮은 배터리 셀이 충전되도록 제어하는 단계를 포함한다.
나아가 전기자동차용 배터리 관리 방법은 구동 모터로 전원을 공급하는 배터리 셀의 전압 잔량이 기준치 이하가 되면 다른 배터리 셀로부터 구동 모터로 전원이 공급되도록 제어하는 단계, 및 기준치 이하가 된 배터리 셀이 충전되도록 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명은 하나의 배터리 셀로 전륜 구동 모터를 구동하여 주행하는 동안에 후륜에 연결된 발전기를 통해 다른 배터리 셀을 충전토록 함으로써, 제한된 배터리 용량으로 주행거리를 최대한 늘릴 수 있는 효과를 창출한다. 또한 본 발명은 자체 발전기를 이용한 충전을 통한 추가적인 주행가능거리에 대한 정보를 계기판 스크린에 표시함으로써, 운전자로 하여금 향상된 전기자동차 연비를 인지할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 배터리 관리 장치 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 배터리 관리 방법 흐름도.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 배터리 관리 장치 블록도이다.
배터리(110)는 둘 이상의 배터리 셀로 구성되며, 이하에서는 편의상 배터리(110)가 두 개의 배터리 셀, 즉 제1배터리 셀(111)과 제2배터리 셀(112)로 구성되는 것으로 가정하여 설명한다. 륜 구동부(120)는 차량 바퀴를 구동시키기 위한 구동 모터이다. 일 실시예에 있어서, 륜 구동부(120)는 전류 구동축에 연결되어 전륜을 구동시키는 구동 모터이다. 이러한 륜 구동부(120)는 제1배터리 셀(111) 혹은 제2배터리 셀(112)로부터 전원을 공급받아 동작한다. 구동 스위칭부(130)는 제1배터리 셀(111) 혹은 제2배터리 셀(112)에 충전된 전원이 륜 구동부(120)에 공급될 수 있도록 전원 공급 라인을 연결짓는 스위칭 소자이다. 이 구동 스위칭부(130)는 후술한 제어부(180)에 의해 스위칭 제어된다. 그리고 도시되어 있지는 않으나, 배터리(110)에서 륜 구동부(120)로 공급되는 전원을 륜 구동부(120) 구동에 맞게 변환하기 위한 인버터 구성이 포함될 수 있다.
전기에너지 생산부(140)는 발전기(generator)(140)이다. 일 실시예에 있어서, 전기에너지 생산부(140)는 후륜 구동축에 연결되어 후륜 구동에 의해 발생되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환한다. 일 실시예에 있어서, 전기에너지 생산부(140)는 3상 AC 모터이다. 다른 실시예에 있어서, 전기에너지 생산부(140)는 직류를 발생시키기 위한 DC 모터이다. 충전부(150)는 제1배터리 셀(111)과 제2배터리 셀(112)을 충전하기 위한 구성이다. 충전부(150)는 전기에너지 생산부(140)로부터 공급되는 전기에너지를 배터리 셀에 적합한 전원으로 변환하여 제1배터리 셀(111) 혹은 제2배터리 셀(112)에 공급한다.
일 실시예에 있어서, 충전부(150)는 전기에너지 생산부(140)로부터 출력되는 AC 전원을 DC 전원으로 변환하는 AC/DC 컨버터를 포함하며, 추가로 AC/DC 컨버터에 의해 변환된 DC 전원을 배터리(110)에 적합한 DC 전원으로 안정화시켜 출력하는 DC/DC 컨버터를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 충전부(150)는 전기에너지 생산부(140)로부터 출력되는 DC 전원을 배터리(110)에 적합한 DC 전원으로 변환하는 DC/DC 컨버터일 수 있다. 충전 스위칭부(160)는 충전부(150)에 의해 변환된 전원이 제1배터리 셀(111) 혹은 제2배터리 셀(112)에 공급될 수 있도록 전원 충전 라인을 연결짓는 스위칭 소자이다. 이 충전 스위칭부(160)는 후술할 제어부(180)에 의해 스위칭 제어된다.
모니터링부(170)는 제1배터리 셀(111)을 모니터링하기 위한 제1모니터링부(171)와 제2배터리 셀(112)을 모니터링하기 위한 제2모니터링부(172)를 포함한다. 제1모니터링부(171)와 제2모니터링부(172) 각각은 제1배터리 셀(111)과 제2배터리 셀(112)의 충전 상태(state of charge)를 모니터링한다. 일 실시예에 있어서, 제1모니터링부(171)와 제2모니터링부(172)는 제1배터리 셀(111)과 제2배터리 셀(112)의 방전 개시 시점으로부터 방전전류, 온도, 전압을 수시로 검출하여 충전 상태를 추정한다. 이를 위해 제1배터리 셀(111)과 제2배터리 셀(112) 각각은 전류, 온도, 전압을 검출하기 위한 센서들을 포함할 수 있다. 제1모니터링부(171)와 제2모니터링부(172)에 의해 제1배터리 셀(111)과 제2배터리 셀(112)의 전압 잔량이 파악된다.
제어부(180)는 배터리(110) 관리를 위한 제어를 담당하는 컨트롤러이다. 제어부(180)는 ACC ON 또는 스타트키 동작시 제1모니터링부(171)와 제2모니터링부(172)로부터 제1배터리 셀(111)과 제2배터리 셀(112)의 전압 잔량에 대한 데이터를 입력받아 제1배터리 셀(111)의 전압 잔량과 제2배터리 셀(112)의 전압 잔량을 비교한다. 제1배터리 셀(111)의 전압 잔량이 제2배터리 셀(112)의 전압 잔량보다 높고 주행 가능한 전압 잔량이 남아 있는 것으로 확인되면, 제어부(180)는 제1배터리 셀(111)의 전원이 륜 구동부(120)로 공급될 수 있도록 구동 스위칭부(130)를 제어하며, 충전부(150)에 의해 제2배터리 셀(112)이 충전될 수 있도록 충전 스위칭부(160)를 제어한다.
이후, 차량 주행에 따라 제1배터리 셀(111)의 잔량 전압이 주행에 충분치 않은 기준치 이하로 떨어짐이 제1모니터링부(171)에 의해 파악되면, 제어부(180)는 제2배터리 셀(112)의 전원이 륜 구동부(120)로 공급될 수 있도록 구동 스위칭부(130)를 제어하며, 충전부(150)에 의해 제1배터리 셀(111)이 충전될 수 있도록 충전 스위칭부(160)를 제어한다. 즉, 제어부(180)는 하나의 배터리 셀로 차량이 구동되도록 제어하고, 차량 구동에 따라 발생되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 다른 배터리 셀이 충전되도록 제어하는 것이다.
한편, 제어부(180)는 제1배터리 셀(111)의 전압 잔량과 제2배터리 셀(112)의 전압 잔량에 따른 주행가능거리 및 현재 총 전압 잔량으로 주행시 충전 가능량에 따른 주행가능거리를 산출한다. 그리고 산출된 주행가능거리에 대한 정보를 계기판 스크린으로 출력한다. 이에 따라 운전자는 주행 중 배터리 셀 충전을 통해 늘어난 주행가능거리에 대한 정보를 계기판 스크린을 통해 확인할 수 있다. 한편, 외부 충전 포트를 통해 제1배터리 셀(111)과 제2배터리 셀(112)이 충전될 때, 바람직하게 제1배터리 셀(111)과 제2배터리 셀(112)이 선택적으로 충전되거나 동시에 충전될 수 있도록 설계될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 배터리 관리 방법 흐름도이다.
차량 ACC ON 되거나 스타트키 동작시, 제어부(180)는 제1배터리 셀(111)의 전압 잔량과 제2배터리 셀(112)의 전압 잔량을 확인한다(S210). 제어부(180)는 확인된 제1배터리 셀(111)의 전압 잔량과 제2배터리 셀(112)의 전압 잔량을 비교하여 제1배터리 셀(111)의 전압 잔량이 제2배터리 셀(112)의 전압 잔량보다 높은지 확인한다(S220). 제1배터리 셀(111)의 전압 잔량이 제2배터리 셀(112)의 전압 잔량보다 높으면, 제어부(180)는 제1배터리 셀(111)의 전압 잔량이 주행 가능한 기준치보다 높은지 아니면 그 이하인지를 확인한다(S230). 제1배터리 셀(111)의 전압 잔량이 주행 가능한 기준치보다 높다면, 제어부(180)는 제1배터리 셀(111)의 전원이 전륜 구동을 위한 구동 모터로 공급되도록 구동 스위칭부(130)를 제어하고, 후륜에 연결된 발전기에 의해 생산되는 전기적 에너지로 제2배터리 셀(112)이 충전되도록 충전 스위칭부(160)를 제어한다(S240).
이후, 제어부(180)는 제1배터리 셀(111)의 전압 잔량이 기준치 이하가 되는지를 확인한다(S250). 제1배터리 셀(111)의 전압 잔량이 기준치 이하이면, 제어부(180)는 제2배터리 셀(112)의 전압 잔량이 기준치보다 높은지 확인한다(S260). 제2배터리 셀(112)의 전압 잔량이 기준치보다 높다면, 제어부(180)는 제2배터리 셀(112)의 전원이 전륜 구동을 위한 구동 모터로 공급되도록 구동 스위칭부(130)를 제어하고, 후륜에 연결된 발전기에 의해 생산되는 전기적 에너지로 제1배터리 셀(111)이 충전되도록 충전 스위칭부(160)를 제어한다(S270). 이후, 제어부(180)는 제2배터리 셀(112)의 전압 잔량이 기준치 이하가 되는지를 확인한다(S280). 제2배터리 셀(112)의 전압 잔량이 기준치 이하이면, 제어부(180)는 S230으로 회귀한다.
한편, S230 과정에서의 확인 결과 제1배터리 셀(111)의 전압 잔량이 기준치 이하이거나 S260 과정에서의 확인 결과 제2배터리 셀(112)의 전압 잔량이 기준치 이하라면, 이는 제1배터리 셀(111)과 제2배터리 셀(112) 모두 외부 충전이 필요한 상태임을 의미한다. 이 경우, 제어부(180)는 “외부 충전이 필요함”이라는 문자메시지를 계기판 스크린으로 출력한다(S290). 이에 따라 운전자는 외부 충전이 필요한 상태임을 인지할 수 있다. 한편, 도 2에 도시되어 있지는 않으나, 제어부(180)는 제1배터리 셀(111)의 전압 잔량과 제2배터리 셀(112)의 전압 잔량에 따라 기본 주행가능거리를 산출하고, 주행시 충전 가능량에 따른 추가적인 주행가능거리를 산출한다. 그리고 제어부(180)는 산출된 기본 주행가능거리와 추가 주행가능거리에 대한 정보를 계기판 스크린으로 출력한다. 이에 따라 운전자는 자체 충전을 통해 늘어난 추가 주행가능거리를 확인할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 배터리 관리 방법은 자체 충전을 통해 주행가능거리를 늘릴 수 있다. 그러나 자체 충전을 하더라도, 에너지 손실 법칙에 의해서 충전된 전압에 따른 전기적 에너지가 모터 구동을 통한 운동 에너지로 변환시 효율이 100%가 될 수 없기 때문에, 어느 한 배터리 셀에서 소비된 전압이 100% 다른 배터리 셀에 저장될 수는 없다. 따라서 결국 외부 충전은 요구되나, 제한된 배터리 용량을 가지고 주행가능거리를 최대한 늘릴 수 있는 것이다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 배터리 111 : 제1배터리 셀
112 : 제2배터리 셀 120 : 륜 구동부
130 : 구동 스위칭부 140 : 전기에너지 생산부
150 : 충전부 160 : 충전 스위칭부
170 : 모니터링부 171 : 제1모니터링부
172 : 제2모니터링부 180 : 제어부

Claims (8)

  1. 다수의 배터리 셀;
    상기 다수의 배터리 셀 중 어느 하나의 배터리 셀로부터 공급되는 전기에너지로 륜을 구동시키는 륜 구동부;
    전기에너지를 생산하는 전기에너지 생산부;
    상기 생산된 전기에너지를 배터리 셀에 적합한 전원으로 변환하여 상기 다수의 배터리 셀 중 어느 하나의 배터리 셀에 공급하는 충전부;
    상기 다수의 배터리 셀 각각의 전압 잔량을 모니터링하는 모니터링부; 및
    상기 모니터링 결과에 따라 상대적으로 잔량이 높은 배터리 셀의 전원이 상기 륜 구동부로 공급되도록 제어하고, 상대적으로 잔량이 가장 낮은 배터리 셀이 충전되도록 제어하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 륜 구동부로 전원을 공급하는 배터리 셀의 전압 잔량이 기준치 이하가 될 때까지 상기 륜 구동부로 전원을 공급하도록 제어함을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 관리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 륜 구동부에 전원을 공급하는 배터리 셀의 전압 잔량이 기준치 이하가 되면, 다른 배터리 셀의 전원이 상기 륜 구동부로 공급되도록 제어하고 상기 전압 잔량이 기준치 이하가 된 배터리 셀이 충전되도록 제어함을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 관리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 다수의 배터리 셀의 전압 잔량 및 상기 충전부의 충전 가능량에 따른 주행가능거리를 산출하고, 산출된 주행가능거리에 대한 정보를 계기판 스크린으로 출력함을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 관리 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기에너지 생산부는 차량의 후륜에 연결된 발전기임을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 관리 장치.
  6. 차량 전원이 온 되면, 다수 배터리 셀 각각의 전압 잔량을 확인하는 단계;
    상기 확인 결과 상대적으로 전압 잔량이 가장 높은 배터리 셀의 전원이 전륜 구동을 위한 구동 모터로 공급되도록 제어하는 단계; 및
    상기 확인 결과 상대적으로 전압 잔량이 가장 낮은 배터리 셀이 충전되도록 제어하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 관리 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 구동 모터로 전원을 공급하는 배터리 셀의 전압 잔량이 기준치 이하가 되면, 다른 배터리 셀로부터 상기 구동 모터로 전원이 공급되도록 제어하는 단계; 및
    상기 기준치 이하가 된 배터리 셀이 충전되도록 제어하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 관리 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    차량 전원이 온 되면, 상기 다수의 배터리 셀의 전압 잔량에 따른 주행가능거리 및 충전 가능량에 따른 추가 주행가능거리를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 주행가능거리 및 추가 주행가능거리에 대한 정보를 계기판 스크린으로 출력하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 관리 방법.
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