KR20160062620A - 차량용 배터리 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 배터리 제어장치에 관한 것으로, 특히 승온저항을 이용하여 전기차량 간의 배터리를 충전하고 승온시킬 수 있도록 하는 기술이다. 이러한 본 발명은 제 1승온저항을 포함하는 제 1차량, 제 1차량과 충전케이블을 통해 연결되고 제 2승온저항을 포함하는 제 2차량을 포함하고, 제 1차량과 제 2차량 각각은 배터리 전압과 배터리 온도에 대응하여 충전 전류의 흐름을 가변시켜 배터리를 선택적으로 충전시키고 제 1승온저항과 제 2승온저항에 의해 배터리를 선택적으로 승온시키도록 제어하는 파워 릴레이 어셈블리를 포함한다.

Description

차량용 배터리 제어장치{Battery control device of vehicle}
본 발명은 차량용 배터리 제어장치에 관한 것으로, 특히 승온저항을 이용하여 전기차량 간의 배터리를 충전하고 승온시킬 수 있도록 하는 기술이다.
오늘날 고유가와 이산화탄소 규제 등으로 인해 기존의 내연기관 자동차를 대체할 수 있는 친환경자동차의 개발이 활발히 진행되고 있다. 최근, 전기모터를 구동시켜 주행하는 순수 전기자동차나 내연기관과 전기모터를 구동원으로 함께 사용하는 하이브리드 자동차가 자동차 제조사에 따라 이미 상용화되어 출시되고 있거나 상용화를 앞두고 있는 상황이다.
전기자동차나 하이브리드 자동차는 구동원이 되는 전기모터(Traction Motor)에 전력을 공급하기 위한 주 동력원으로 고전압 배터리(메인 배터리)를 탑재하고 있다. 더불어 배터리 충전을 위한 충전장치, 전기모터를 구동시키기 위한 인버터 등을 구비하고 있다.
또한, 배터리의 상태를 감시하는 배터리 제어기(Battery Management System, BMS)가 탑재된다. 이 배터리 제어기는 배터리의 온도, 전압, 충/방전 전류, 배터리 SOC(State Of Charge) 등에 관한 배터리 상태 정보를 수집한다. 그리고, 배터리 제어기는 수집되는 배터리 상태 정보를 차량 제어에 이용될 수 있도록 차량 내 타 제어기에 제공한다.
특히, 배터리 제어기는 배터리 상태를 확인하여 배터리 상태가 일정한 수준 이상을 유지하도록 관리하며, 배터리 내구성 저하에 따른 수명 단축을 방지한다. 한편, 총합제어를 수행하는 차량 제어기에 배터리 SOC 정보를 알려줌으로써 배터리 상태를 고려한 차량 주행이 이루어질 수 있도록 한다.
한편, 차량용 배터리 팩은 외부 온도 환경에 쉽게 노출되어 있어, 열관리 시스템에서 제어 운행되어 진다. 특히, 저온의 경우 배터리의 저항 증가에 의한 출력 및 충전 효율 한계로 인해 배터리를 미리 승온시켜 사용하여야 한다.
일반적으로 배터리를 승온시키는 방법에는 발열체를 이용한 외부 열원 방식이 널리 사용된다. 하지만, 배터리 팩 전체의 온도 구배를 균일하게 하면서 승온하여야 하기 때문에 외부 열원과 열전달체의 구조 설계에 많은 비용과 노하우가 필요하다.
기본적으로 배터리 팩의 열관리는 배터리의 수명과 안전성에 영향을 주는데, 셀의 온도와 배터리 팩 내의 셀간 온도 편차를 주요 인자로 관리한다. 저온의 경우, 외부 열원과 열전달체를 이용하여 승온시킬 경우, 셀의 온도와 편차를 모두 유지하기에는 열량을 셀에 고르게 분포시켜야 한다.
이러한 종래의 차량용 배터리 팩은 차량 자체의 승온시스템을 이용하여 자가 배터리를 승온시키게 된다. 하지만, 차량 자체에 고전압 배터리가 없는 경우 배터리를 승온하지 못하게 된다.
본 발명은 다음과 같은 특징을 갖는다.
첫째, 차량의 승온저항을 이용하여 전기 차량 간을 고전압 경로로 연결하고 SOC(State Of Charge)가 높은 차량에서 낮은 차량으로 배터리를 충전할 수 있도록 한다.
둘째, 배터리 온도가 낮은 차량의 배터리를 승온시킬 수 있도록 하는 특징을 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 제어장치는, 제 1승온저항을 포함하는 제 1차량; 제 1차량과 충전케이블을 통해 연결되고 제 2승온저항을 포함하는 제 2차량을 포함하고, 제 1차량과 제 2차량 각각은 배터리 전압과 배터리 온도에 대응하여 충전 전류의 흐름을 가변시켜 배터리를 선택적으로 충전시키고 제 1승온저항과 제 2승온저항에 의해 배터리를 선택적으로 승온시키도록 제어하는 파워 릴레이 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 본 발명은 차량 간의 충전을 통해 배터리 온도가 낮은 차량의 배터리를 승온시킬 수 있도록 한다.
둘째, 본 발명은 차량 간의 충전시 저항에 의해 소모되는 에너지를 배터리 승온에 사용함으로써 에너지 효율을 높일 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
아울러 본 발명의 실시예는 예시를 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 제어장치의 간략 구성도.
도 2는 도 1의 차량의 급속충전구의 형상을 나타낸 도면.
도 3은 도 1의 충전케이블에 관한 형상을 나타낸 도면.
도 4는 도 1에서 차량 내의 버튼 형상을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에서 승온저항을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 제어장치의 구성도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 제어장치의 구성도이다.
본 발명의 실시예는 제 1차량과 제 2차량이 충전케이블(10)을 통해 서로 연결된다. 즉, 전기차량 간의 고전압 경로를 연결하기 위해 차량간에 급속 충전 포트를 별도의 케이블로 연결한다. 그리고, 제 1차량과 제 2차량의 후단부에는 충전케이블(10)이 삽입되는 급속충전구(20)가 마련된다.
도 2는 도 1의 차량의 급속충전구(20)의 형상을 나타낸 도면이다. 그리고, 도 3은 도 1의 충전케이블(10)에 관한 형상을 나타낸 도면이다.
차량의 급속충전구(20)를 통해 충전케이블(10)이 삽입되어 차량 간의 배터리를 충전하고 배터리를 승온시킬 수 있도록 한다.
충전케이블(10)은 차량 간에 고전압을 공급하기 위해 포지티브(+) 고전압 라인(12)과 네가티브(-) 고전압 라인(13)을 포함한다. 충전케이블(10)의 포지티브(+) 고전압 라인(12)과 네가티브(-) 고전압 라인(13)으로 차량 간의 충전 전류를 전송하게 된다.
그리고, 충전케이블(10)은 제 1차량과 제 2차량 간에 제어신호를 송수신하기 위해 통신라인(11)을 포함한다. 여기서, 통신라인(11)은 캔(CAN) 통신을 이용할 수 있다. 충전케이블(10)의 통신라인(11)을 이용하여 차량 간의 제어를 수행한다.
도 4는 도 1에서 차량 내의 버튼 형상을 나타낸 도면이다.
제 1차량과 제 2차량에서 차량 간의 배터리 충전을 수행하기 위해서 사용자는 "V2V 충전 시작" 버튼(20)을 누르게 된다. "V2V 충전 시작" 버튼은 차량의 비상등 버튼과 같이 별도의 하드웨어 스위치로 차량 내에 형성될 수 있다. 운전자가 "V2V 충전 시작" 버튼을 누르는 경우 제 1차량 또는 제 2차량에서 차량 간의 충전 모드를 인식하게 된다.
여기서, 제 1차량과 제 2차량이 상호 통신을 수행하기 위해서는 차량과 차량 간 통신(Vehicle to vehicle, 이하 V2V) 통신을 이용할 수 있다.
만약, 제 1차량 또는 제 2차량이 호스트 차량인 경우에 "호스트(HOST)" 버튼(21)을 누르고, 제 1차량 또는 제 2차량이 클라이언트 차량인 경우에 "클라이언트(Client)" 버튼(22)을 누르게 된다.
이렇게 운전자가 "호스트(HOST)" 버튼(21) 또는 "클라이언트(Client)" 버튼(22)을 눌러 차량 제어의 주체를 선정하게 된다.
즉, 호스트로 정해진 차량이 특정 캔 ID를 송신하면 클라이언트로 정해진 차량에서 특정 캔 ID를 수신한다. 그리고, 수신된 특정 캔 ID 와는 다른 캔 ID로 응답하여 핸드 쉐이킹(Handshaking) 제어를 수행하게 된다.
여기서, 각 ID에는 배터리팩 전압, SOC(State Of Charge), 전류, 배터리 최소/최대 온도, 충전종료 신호, 릴레이 턴 온 신호 등을 포함한다. 그리고, 두 차량의 배터리 온도를 비교한 후 고전압 릴레이를 턴 온 또는 턴 오프시키기 위한 시퀀스 제어를 수행한다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 승온저항을 설명하기 위한 도면이다.
승온저항은 고전압 배터리의 각 모듈에 설치된 승온패드저항(R)의 직렬 연결된 합을 의미한다. 즉, 승온저항은 열선으로 이루어진 다수의 승온패드저항(R)이 서로 직렬 연결되어 고전압 배터리의 각 모듈에 설치된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 제어장치의 구성도이다.
차량용 배터리 제어장치는 제 1차량(100)과 제 2차량(200)이 충전케이블(10)을 통해 서로 연결된다.
여기서, 제 1차량(100)은 고전압 배터리(110), 승온저항(120), 파워 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly,PRA)(130)를 포함한다. 파워 릴레이 어셈블리(130)는 배터리 전원을 선택적으로 개폐하기 위해 복수의 릴레이(132~137)을 포함한다.
고전압 배터리(110)는 차량의 동력원이 되어 전압 V1을 생성한다.
그리고, 파워 릴레이 어셈블리(130)는 배터리 전원이 차량에 선택적으로 공급되도록 스위칭한다. 메인 릴레이(133, 137)는 고전압 배터리(110)의 양측 전원접점과 연결된다. 즉, 메인 릴레이(133)는 고전압 배터리(110)의 포지티브(+) 단자와 연결된다. 그리고, 메인 릴레이(137)는 고전압 배터리(110)의 네가티브(-) 단자에 연결된다.
그리고, 프리차지 릴레이(132)는 메인 릴레이(133)를 우회하는 바이패스 회로 상에 연결된다. 또한, 프리차지 저항(131)은 프리차지 릴레이(132)와 연결된다.
그리고, 릴레이(134, 136)는 급속충전기(Quick Charger System, QCS)용 릴레이에 해당한다. 릴레이(134)는 메인 릴레이(133)와 급속충전구(140) 사이에 연결된다. 그리고, 릴레이(136)는 메인 릴레이(137)과 급속충전구(140) 사이에 연결된다.
또한, 승온저항(120)은 메인 릴레이(133)의 출력노드와 승온 릴레이(135) 사이에 연결된다. 그리고, 승온 릴레이(135)는 릴레이(134)와 승온저항(120) 사이에 연결된다.
그리고, 제 2차량(200)은 고전압 배터리(210), 승온저항(220), 파워 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly,PRA)(230)를 포함한다. 파워 릴레이 어셈블리(230)는 배터리 전원을 선택적으로 개폐하기 위해 복수의 릴레이(232~237)을 포함한다.
고전압 배터리(210)는 차량의 동력원이 되어 전압 V2을 생성한다.
그리고, 파워 릴레이 어셈블리(230)는 배터리 전원이 차량에 선택적으로 공급되도록 스위칭한다. 메인 릴레이(133, 137)는 고전압 배터리(210)의 양측 전원접점과 연결된다. 즉, 메인 릴레이(133)는 고전압 배터리(110)의 포지티브(+) 단자와 연결된다. 그리고, 메인 릴레이(137)는 고전압 배터리(110)의 네가티브(-) 단자에 연결된다.
그리고, 프리차지 릴레이(232)는 메인 릴레이(233)를 우회하는 바이패스 회로 상에 연결된다. 또한, 프리차지 저항(231)은 프리차지 릴레이(232)와 연결된다.
그리고, 릴레이(234, 236)는 급속충전기(Quick Charger System, QCS)용 릴레이에 해당한다. 릴레이(234)는 메인 릴레이(233)와 급속충전구(240) 사이에 연결된다. 그리고, 릴레이(236)는 메인 릴레이(237)과 급속충전구(240) 사이에 연결된다.
또한, 승온저항(220)은 메인 릴레이(233)의 출력노드와 승온 릴레이(235) 사이에 연결된다. 그리고, 승온 릴레이(235)는 릴레이(234)와 승온저항(220) 사이에 연결된다.
이러한 파워 릴레이 어셈블리(130, 230)의 릴레이들(132~137, 232~237)은 배터리 제어기(BMS; Battery Management System) 또는 모터 제어기(MCU; Motor Control Unit)에서 출력되는 릴레이 제어신호에 따라 온/오프(On/Off) 제어될 수 있다.
위와 같은 구성을 갖는 본 발명의 실시예에서 배터리 승온시의 동작 과정을 아래의 [표 1]을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
고전압 배터리 전압 배터리 온도 전류 흐름 방향 효과
V1>V2
 T1>T2 ① 제 2차량 배터리 충전 및 배터리 승온
T1<T2 ② 제 2차량 배터리 충전 및 제 1차량 배터리 승온
V1<V2
 T1>T2 ③ 제 1차량 배터리 충전 및 제 2차량 배터리 승온
T1<T2 ④ 제 1차량 배터리 충전 및 배터리 승온
위의 [표 1]에서 V1은 제 1차량(100)의 배터리 전압을 나타내고, V2는 제 2차량(200)의 배터리 전압을 나타낸다. 그리고, T1은 제 1차량(100)의 배터리 온도를 나타내고, T2는 제 2차량(200)의 배터리 온도를 나타낸다.
예를 들어, 배터리 전압 V1이 배터리 전압 V2 보다 크고, 배터리 온도 T1이 배터리 온도 T2 보다 높은 경우 전류의 흐름이 ①과 같은 방향이 된다. 이에 따라, 제 2차량(200)의 배터리가 충전되고 승온저항(220)에 의해 배터리가 승온된다.
그리고, 배터리 전압 V1이 배터리 전압 V2 보다 크고, 배터리 온도 T1이 배터리 온도 T2 보다 낮은 경우 전류의 흐름이 ②와 같은 방향이 된다. 이에 따라, 제 2차량(200)의 배터리가 충전되고 승온저항(120)에 의해 제 1차량(100)의 배터리가 승온된다.
또한, 배터리 전압 V1이 배터리 전압 V2 보다 작고, 배터리 온도 T1이 배터리 온도 T2 보다 높은 경우 전류의 흐름이 ③과 같은 방향이 된다. 이에 따라, 제 1차량(100)의 배터리가 충전되고 승온저항(220)에 의해 제 2차량(200)의 배터리가 승온된다.
그리고, 배터리 전압 V1이 배터리 전압 V2 보다 작고, 배터리 온도 T1이 배터리 온도 T2 보다 낮은 경우 전류의 흐름이 ④와 같은 방향이 된다. 이에 따라, 제 1차량(100)의 배터리가 충전되고 승온저항(120)에 의해 배터리가 승온된다.
또한, 도 6에서 제 1차량(100)과 제 2차량(200)에서 배터리의 승온시 각 릴레이의 동작 과정을 아래의 [표 2]를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
전류 경로 릴레이(134) 승온 릴레이(135) 릴레이(234) 승온 릴레이(235)
① 온 오프 오프 온
② 오프 온 온 오프
③ 온 오프 오프 온
④ 오프 온 온 오프
위의 [표 2]에서 보는 바와 같이 각각의 전류 경로에서 제 1차량(100)의 릴레이(134), 승온 릴레이(135)와, 제 2차량(200)의 릴레이(135), 승온 릴레이(235)가 선택적으로 턴 온 또는 턴 오프되어 배터리 충전 및 승온 동작을 수행하게 된다.
예를 들어, 전류경로가 ①과 같은 방향으로 흐르는 경우 릴레이(134)와 승온 릴레이(235)가 턴 온 되고, 릴레이(135)와 승온 릴레이(234)가 턴 오프 된다. 이에 따라, 제 1차량(100)의 릴레이(134), 충전케이블(10)을 통해 제 1차량(100)의 전류가 제 2차량(200)에 전달되고, 승온 릴레이(235)가 턴 온 되어 제 2차량(200)의 배터리가 충전되고 승온된다.
그리고, 전류경로가 ②와 같은 방향으로 흐르는 경우 승온 릴레이(135)와 릴레이(234)가 턴 온 되고, 승온 릴레이(134)와 릴레이(235)가 턴 오프된다. 이에 따라, 제 1차량(100)의 승온 릴레이(135)가 턴 온 되어 제 1차량(100)의 배터리가 승온되고, 릴레이(234)가 턴 온 되어 제 2차량(200)의 배터리가 충전된다.
그리고, 전류경로가 ③과 같은 방향으로 흐르는 경우 릴레이(134)와 승온 릴레이(235)가 턴 온 되고, 릴레이(135)와 승온 릴레이(234)가 턴 오프 된다. 이에 따라, 제 2차량(200)의 승온 릴레이(235)가 턴 온 되어 제 2차량(200)의 배터리가 승온되고, 릴레이(134)가 턴 온 되어 제 1차량(100)의 배터리가 충전된다.
그리고, 전류경로가 ④와 같은 방향으로 흐르는 경우 승온 릴레이(135)와 릴레이(234)가 턴 온 되고, 승온 릴레이(134)와 릴레이(235)가 턴 오프된다. 이에 따라, 제 2차량(200)의 릴레이(234), 충전케이블(10)을 통해 제 2차량(200)의 전류가 제 1차량(100)에 전달되고, 승온 릴레이(135)가 턴 온 되어 제 1차량(100)의 배터리가 충전되고 승온된다.
이상에서 기술한 일 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합 된 형태로 실시될 수 있다.

Claims (7)

  1. 제 1승온저항을 포함하는 제 1차량;
    상기 제 1차량과 충전케이블을 통해 연결되고 제 2승온저항을 포함하는 제 2차량을 포함하고,
    상기 제 1차량과 상기 제 2차량 각각은
    배터리 전압과 배터리 온도에 대응하여 충전 전류의 흐름을 가변시켜 배터리를 선택적으로 충전시키고 상기 제 1승온저항과 상기 제 2승온저항에 의해 배터리를 선택적으로 승온시키도록 제어하는 파워 릴레이 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1차량과 상기 제 2차량 각각은 상기 충전케이블이 삽입되는 급속충전구를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 제어장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1차량과 상기 제 2차량 각각은 운전자에 의해 선택되는 충전시작 버튼, 차량의 주체를 설정하기 위한 호스트 버튼, 클라이언트 버튼을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 제어장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1차량은
    상기 제 1차량의 배터리의 전압을 상기 충전케이블에 전달하는 제 1릴레이; 및
    상기 충전케이블로부터 인가되는 전류를 상기 제 1승온저항에 전달하는 제 1승온 릴레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 제어장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제 2차량은
    상기 제 2차량의 배터리의 전압을 상기 충전케이블에 전달하는 제 2릴레이; 및
    상기 충전케이블로부터 인가되는 전류를 상기 제 2승온저항에 전달하는 제 2승온 릴레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 제어장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1릴레이와 상기 제 2승온 릴레이가 턴 온 되면 상기 제 2차량의 배터리 또는 제 1차량의 배터리가 충전 및 승온되고,
    상기 제 1승온 릴레이와 상기 제 2릴레이가 턴 온 되면, 상기 제 2차량의 배터리가 충전되고 상기 제 1차량의 배터리가 승온되거나, 상기 제 1차량의 배터리가 충전되고 상기 제 2차량의 배터리가 승온되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 제어장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1차량의 배터리 전압과 배터리 온도가 상기 제 2차량보다 높은 경우 상기 제 2차량의 배터리가 충전 및 승온되고,
    상기 제 1차량의 배터리 전압이 상기 제 2차량보다 높고 상기 제 1차량의 배터리 온도가 상기 제 2차량보다 낮은 경우, 상기 제 2차량의 배터리가 충전되고 상기 제 1차량의 배터리가 승온되며,
    상기 제 1차량의 배터리 전압과 배터리 온도가 상기 제 2차량보다 낮은 경우 상기 제 1차량의 배터리가 충전 및 승온되고,
    상기 제 1차량의 배터리 전압이 상기 제 2차량보다 나고 상기 제 1차량의 배터리 온도가 상기 제 2차량보다 높은 경우, 상기 제 1차량의 배터리가 충전되고 상기 제 2차량의 배터리가 승온되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 제어장치.
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