KR20150051494A - 급속 충전용 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 급속 충전용 배터리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 하나 이상의 배터리 팩에 하나 이상의 충전 채널을 연결시킴으로써 외부 전원으로부터 전원을 공급받아 배터리를 충전하고, 또한 하나 이상의 배터리 팩을 직렬 또는 병렬로 연결시킴으로써 배터리의 최대 허용 충전 전류값에 구애 받지 않고도 배터리를 단시간에 급속 충전할 수 있도록 하는 급속 충전용 배터리 시스템에 관한 것이다.

Description

급속 충전용 배터리 시스템{Battery system for rapid charging}
본 발명은 급속 충전용 배터리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 하나 이상의 배터리 팩에 하나 이상의 충전 채널을 연결시킴으로써 외부 전원으로부터 전원을 공급받아 배터리를 충전하고, 또한 하나 이상의 배터리 팩을 직렬 또는 병렬로 연결시킴으로써 배터리의 최대 허용 충전 전류값에 구애 받지 않고도 배터리를 단시간에 급속 충전할 수 있도록 하는 급속 충전용 배터리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 전기차량(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle) 및 가정용 또는 산업용으로 이용되는 배터리(Battery) 즉, 이차 전지는 제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가진다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
이때, 다수의 이차 전지가 충전과 방전을 번갈아 가면서 수행하는 경우에는 이들의 충방전을 효율적으로 제어하여 배터리가 적정한 동작 상태 및 성능을 유지하도록 관리할 필요성이 있다.
이를 위해, 배터리의 상태 및 성능을 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)이 구비된다. BMS은 배터리의 전류, 전압, 온도 등을 측정하여 이를 바탕으로 배터리의 잔존 용량(State Of Charging; SOC)을 추정하며, 연료 소비 효율이 가장 좋아지도록 SOC를 제어한다. SOC를 정확히 제어하기 위해서는 충방전을 행하고 있는 배터리의 SOC를 정확히 측정하는 것이 필요하다.
한편, 이러한 전기차량의 주행 거리를 늘리기 위해서는 탑재되는 배터리의 저장 에너지 용량이 확대되어야 하는데, 저장 에너지 용량이 확대된 배터리를 단시간에 급속 충전하기 위해서는 충전 에너지도 비례해서 증가하여야 한다. 그런데 이때 최대 충전 에너지는 충전기의 전압 및 전류의 최대치에 의해 제한된다.
예를 들어, 단일 충전기 및 단일 배터리 팩의 최대 허용 전류값이 200암페어(A)로 제한된 배터리 팩의 충전에너지가 24kWh일때, 해당 배터리의 완충을 위해서는 63암페어(A)의 충전 전류로 1시간을 충전하거나, 또는 94암페어(A)의 충전 전류로 40분을 충전하거나, 또는 189암페어(A)의 충전 전류 20분을 충전하여야 한다.
만약에 15분 내에 충전을 완료하여야 하는 경우, 15분 내에 배터리를 완충하기 위해서는 252암페어(A)의 충전 전류로 충전을 진행하여야 하는데 배터리 팩의 최대 허용 전류가 200암페어(A)이기 때문에 15분 내에는 급속 충전이 불가능하게 된다.
결과적으로, 종래의 전기차의 경우 급속 충전 소켓 또는 완속 충전 소켓이 구비되어 있지만, 단일 충전기 및 단일 배터리 팩의 구성에 의하여 15분 내의 급속 충전의 경우 최대 허용 충전 전류값 200암페어(A)를 초과해버려서 급속 충전이 불가능하다는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명자는 이러한 종래의 단일 배터리 팩이 가지는 문제점을 해결하기 위해, 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 하나 이상의 배터리 팩에 하나 이상의 충전 채널을 연결시킴으로써 외부 전원으로부터 전원을 공급받아 배터리를 충전하고, 또한 하나 이상의 배터리 팩을 직렬 또는 병렬로 연결시킴으로써 배터리의 최대 허용 충전 전류값에 구애 받지 않고도 배터리를 단시간에 급속 충전할 수 있도록 하는 급속 충전용 배터리 시스템을 발명하기에 이르렀다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 하나 이상의 배터리 팩에 하나 이상의 충전 채널을 연결시킴으로써 외부 전원으로부터 전원을 공급받아 배터리를 충전하고, 또한 하나 이상의 배터리 팩을 직렬 또는 병렬로 연결시킴으로써 배터리의 최대 허용 충전 전류값에 구애 받지 않고도 배터리를 단시간에 급속 충전할 수 있도록 하는 급속 충전용 배터리 시스템을 제공하고자 한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 하나 이상의 배터리 팩을 직렬 또는 병렬로 연결하여 단일 채널이 아닌 다중 채널로 한꺼번에 충전할 수 있도록 하는 급속 충전용 배터리 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 목적은 하나 이상의 배터리 모듈 각각에 급속 충전채널 및 완속 충전채널을 모두 구비할 수 있도록 하는 급속 충전용 배터리 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 목적은 하나 이상의 배터리 팩을 구비함으로써 배터리의 에너지 용량을 높여 전기 자동차의 주행 거리를 최대로 연장할 수 있는 급속 충전용 배터리 시스템을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 급속 충전용 배터리 시스템은 하나 이상의 배터리 모듈(Battery module)을 각각 포함하는 하나 이상의 배터리 팩; 및 상기 하나 이상의 배터리 모듈에 각각 구비되며 외부 전원으로부터 전원을 공급받기 위한 다중 충전채널;을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 하나 이상의 배터리 모듈은 직렬 또는 병렬로 연결되며, 상기 다중 충전채널을 통해 상기 전원을 공급받아 충전될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 각각의 배터리 모듈은 15 내지 30 kWh의 충전에너지를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 각각의 배터리 모듈은 20 내지 25 kWh의 충전에너지를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 다중 충전채널은 급속 충전채널 및 완속 충전채널 중 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 각각의 배터리 모듈은 상기 급속 충전채널 및 완속 충전채널 중 하나 이상과 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배터리 팩은 하기의 수학식에 의하여 결정되는 변수에 상응하도록 상기 하나 이상의 배터리 모듈을 구비할 수 있다.
[수학식]
V=P/M
여기에서, V는 변수, 상기 P는 배터리 팩 충전에너지, 상기 M은 배터리 모듈 충전에너지이다
일 실시예에서, 본 발명에 따른 급속 충전용 배터리 시스템은 배터리를 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Manager System; BMS)에 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 시스템은 하나 이상의 배터리 팩을 병렬로 연결하여 단일 채널이 아닌 다중 채널로 한꺼번에 충전할 수 있기 때문에 배터리의 최대 허용 충전 전류값에 구애 받지 않고도 배터리를 단시간에 급속 충전할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 급속 충전이 가능한 배터리 팩을 하나 이상 구비하기 때문에 배터리의 에너지 용량이 증가되어 전기 자동차의 주행 거리가 대폭 증가되는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 각각의 배터리 모듈에 급속 충전 채널 및 완속 충전 채널이 구비되어 있기 때문에 충전이 필요한 배터리 모듈을 선택적으로 충전시킬 수 있어 배터리 충전의 개별화가 가능한 효과를 가진다.
도 1은 전기 자동차(1)의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 종래의 단일 배터리 팩을 통한 충전에너지 및 충전전류를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 급속 충전용 배터리(100)의 구성을 도시한 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 급속 충전용 배터리(100)를 통한 충전에너지 및 충전전류를 도시한 도면이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 전기 자동차(1)의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 전기 자동차(1)는 배터리(2), BMS(Battery Management System, 3), ECU(Electronic Control Unit, 4), 인버터(5) 및 모터(6)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리(2)는 모터(6)에 구동력을 제공하여 전기 자동차(1)를 구동시키는 전기 에너지원이다. 배터리(2)는 모터(6) 또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 인버터(5)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다.
여기서, 배터리(2)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.
또한, 배터리(2)는 하나 이상의 전지 셀이 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 팩으로 형성된다. 그리고, 이러한 팩이 하나 이상 구비되어 배터리(2)를 형성할 수도 있다.
BMS(3)는 배터리(2)의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리(2)를 관리한다. 예컨대, 배터리(2)의 잔존 용량(State Of Charging; SOC), 잔존 수명(State Of Health; SOH), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리(2) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리(2)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리(2)의 교체 시기 추정도 가능하다.
ECU(4)는 전기 자동차(1)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 액셀러레이터(accelerator), 브레이크(break), 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터(6)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다.
또한, ECU(4)는 BMS(3)에 의해 전달받은 배터리(2)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리(2)가 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(5)에 제어 신호를 보낸다.
인버터(5)는 ECU(4)의 제어 신호에 기초하여 배터리(2)가 충전 또는 방전되도록 한다.
모터(6)는 배터리(2)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(4)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 전기 자동차(1)를 구동한다.
상술한 전기 자동차(1)는 배터리(2)의 전기 에너지를 이용하여 구동되므로, 배터리(2)와 모터(6)는 다양한 회로를 통해 연결될 수 있다.
한편, 이러한 전기 자동차(1)의 배터리(2)는 일반적으로 단일 배터리를 이용하거나 또는 하나 이상의 배터리가 직렬로 연결되어 있기 때문에 배터리를 완충하기 위해서는 오랜 시간을 충전하거나 또는 단시간에 충전에너지를 높여 충전되는 전류값을 증폭시키는 방법을 이용하게 된다.
이때, 배터리(2)의 최대 허용 전류는 정해져 있기 때문에, 정해진 최대 허용 전류를 벗어나는 경우 과전류로 인한 화재가 발생할 수 있다. 이러한 점에 대해서는 후술되는 도 2를 통해 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
도 2는 종래의 단일 배터리 팩을 통한 충전에너지 및 충전전류를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 예를 들어 충전전압이 380V로 제한되어 있고 충전기 및 배터리 팩의 최대 허용 전류가 200암페어(A)인 배터리 팩이 있다고 가정하면, 도 2에 도시된 바와 같이 배터리 팩을 완충하기 위해선 24kW의 충전에너지와 63암페어(A)의 충전 전류로 1시간 동안 충전하거나, 또는 36kW의 충전에너지와 94암페어(A)의 충전 전류로 40분 동안 충전하거나, 또는 72kW의 충전에너지와 189암페어(A)의 충전 전류로 20분 동안 충전하거나, 또는 296kW의 충전에너지와 252암페어(A)의 충전 전류로 15분 동안 충전하여야 한다.
이때, 해당 배터리 팩의 최대 허용 전류는 200암페어(A)로 제한되어 있기 때문에 252암페어(A)로 충전을 하는 경우 과전류로 인한 화재가 발생하게 되고, 결과적으로 해당 배터리는 15분 내에 급속 충전이 불가능하게 된다.
따라서, 이러한 종래의 배터리가 가지는 급속 충전의 문제점을 해결하기 위한 급속 충전용 배터리 시스템(100)을 도 3 및 도 4를 통해 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 급속 충전용 배터리(100)의 구성을 도시한 구성도이고, 도 4는 도 3에 도시된 급속 충전용 배터리(100)를 통한 충전에너지 및 충전전류를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 급속 충전용 배터리(100)는 하나 이상의 배터리 모듈(Battery module, 111)을 포함하는 배터리 팩(110) 및 다중 충전채널(120)을 포함할 수 있다.
배터리 팩(110)은 하나 이상의 배터리 모듈(111)을 포함하며 일반적으로 화학에너지가 전기에너지로 변환되는 방전과 역방향인 충전 과정을 통하여 반복적으로 사용할 수 있는 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지, 리튬이온전지, 리튬이온폴리머전지 등이 해당될 수 있다.
하나 이상의 배터리 모듈(111)은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있는데, 병렬로 연결되는 경우 후술되는 다중 충전채널(120)을 통해 외부 전원으로부터 전원을 병렬적으로 공급받을 수 있으며 그에 따라 모든 배터리 모듈(111)이 한꺼번에 충전될 수 있다.
한편, 배터리 팩(110)은 하기의 수학식에 의하여 결정되는 변수에 상응하도록 배터리 모듈(111)을 구비할 수 있다.
[수학식]
V=P/M
여기에서, V는 변수이고 P는 배터리 팩(110)의 충전에너지이며 M은 배터리 모듈(111)의 충전에너지이다.
예를 들어, 배터리 팩(110)의 충전에너지가 25kWh이고, 배터리 모듈(111)의 충전에너지가 25kWh인 경우 배터리 모듈(111)의 개수는 한개가 되고, 배터리 팩(110)의 충전에너지가 50kWh인 경우 배터리 모듈(111)의 개수는 두개가 되며, 배터리 팩(110)의 충전에너지가 75kWh인 경우 배터리 모듈(111)의 개수는 세개가 되고, 배터리 팩(110)의 충전에너지가 100kWh인 경우 배터리 모듈(111)의 개수는 4개가 된다.
따라서, 배터리 팩(110)의 충전에너지에 따라 배터리 모듈(111)의 개수가 늘어나게 되면 전류값이 감소하게 되고 결과적으로 배터리 팩(110)의 전류값이 감소됨에 따라 충전기의 최대 허용 전류를 초과하지 않기 때문에 15분 내에 급속 충전이 가능하게 된다.
예를 들어, 도 2에 도시된 종래의 단일 배터리 팩의 경우 15분 내에 완충하기 위해선 296kW의 충전에너지와 252암페어(A)의 충전전류로 충전을 하여야 했지만, 본 발명에 따른 급속 충전용 배터리 시스템(100)은 하나의 배터리 팩(110)에 2개의 배터리 모듈(111)을 각각 126암페어(A)의 충전전류로 충전하여 15분 내에 완충을 할 수 있으며 최대 허용 전류값도 초과하지 않게 되어 화재의 위험도 사라지게 된다.
또한, 이러한 배터리 팩(110)에 포함된 하나 이상의 배터리 모듈(111)은 각각 15 내지 30kWh의 충전에너지(충전 파워)를 가지거나 또는 20 내지 25kWh의 충전에너지를 가질 수 있다. 한편, 각각의 배터리 모듈(111)이 가지는 충전에너지는 상술한 범위 내에 국한되는 것이 아니라 변경이 가능할 수 있다.
다중 충전채널(120)은 상술한 하나 이상의 배터리 모듈(111)에 각각 구비되며, 각각의 배터리 모듈(111)이 외부 전원으로부터 전원을 공급받을 수 있도록 커넥터(Connecter)역할을 수행할 수 있다.
이러한 역할을 수행하는 다중 충전채널(120)은 급속 충전채널(121) 및 완속 충전채널(122) 중 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
급속 충전채널(121)은 배터리 모듈(111)의 급속 충전을 원하는 경우 사용될 수 있고, 완속 충전채널(122)은 배터리 모듈(111)의 완속 충전을 원하는 경우 사용될 수 있다.
이러한 급속 충전채널(121) 및 완속 충전채널(122)은 각각의 배터리 모듈(111)에 하나 이상 연결되어 있고, 해당 배터리 모듈(111)은 각각 병렬적으로 연결되어 있기 때문에 급속 충전채널(121) 및 완속 충전채널(122)은 외부 전원으로부터 각각의 배터리 모듈(111)에 전원을 병렬적으로 공급할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 전기 자동차
2 : 배터리
3 : BMS(Battery Management System)
4 : ECU(Electronic Control Unit)
5 : 인버터
6 : 모터
100 : 급속 충전용 배터리 시스템
110 : 배터리 팩
111 : 배터리 모듈
120 : 다중 충전채널
121 : 급속 충전채널
122 : 완속 충전채널

Claims (7)

  1. 전기 자동차에 구비되는 배터리를 충전시키기 위한 급속 충전용 배터리 시스템에 있어서,
    하나 이상의 배터리 모듈(Battery module)을 각각 포함하는 하나 이상의 배터리 팩; 및
    상기 하나 이상의 배터리 모듈에 각각 구비되며 외부 전원으로부터 전원을 공급받기 위한 다중 충전채널;을 포함하고,
    상기 하나 이상의 배터리 모듈은 직렬 또는 병렬로 연결되며, 상기 다중 충전채널을 통해 상기 전원을 공급받아 충전되는 것을 특징으로 하는,
    급속 충전용 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 배터리 모듈은,
    15 내지 30 kWh의 충전에너지를 가지는 것을 특징으로 하는,
    급속 충전용 배터리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 배터리 모듈은,
    20 내지 25 kWh의 충전에너지를 가지는 것을 특징으로 하는,
    급속 충전용 배터리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다중 충전채널은,
    급속 충전채널 및 완속 충전채널 중 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는,
    급속 충전용 배터리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 각각의 배터리 모듈은,
    상기 급속 충전채널 및 완속 충전채널 중 하나 이상과 연결되는 것을 특징으로 하는,
    급속 충전용 배터리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 하기의 수학식에 의하여 결정되는 변수에 상응하도록 상기 하나 이상의 배터리 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는,
    급속 충전용 배터리 시스템.
    [수학식]
    V=P/M
    여기에서, V는 변수, 상기 P는 배터리 팩 충전에너지, 상기 M은 배터리 모듈 충전에너지이다
  7. 제1항에 있어서,
    배터리를 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Manager System; BMS)에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는,
    급속 충전용 배터리 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102233848B1 (ko) * 2019-12-31 2021-03-29 김도형 배터리 교환용 충전 스테이션 및 그 스테이션의 제조방법

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