KR20160103962A - 배터리 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 서로 상이한 에너지 밀도를 가지는 복수의 배터리를 서로 연결하고, 해당 복수의 배터리를 통해 공급되는 전력을 제어함으로써 구동체의 구동이 제어되도록 하는 배터리 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

배터리 제어 장치 및 방법{Battery management apparatus and method}
본 발명은 배터리 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 서로 상이한 에너지 밀도를 가지는 복수의 배터리를 서로 연결하고, 해당 복수의 배터리를 통해 공급되는 전력을 제어함으로써 구동체의 구동이 제어되도록 하는 배터리 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 산업 및 경제가 급속도로 발전함에 따라, 이러한 발전을 가능케 하는 전기의 사용량과 함께 축전지라 불리기도 하는 배터리(Battery)의 사용량도 증가하게 되었다.
일반적으로, 배터리라 함은, 축전지 또는 2차 전지라고도 하며 배터리 내에서 존재하는 화학물질(예를 들어, 황산 등)이 동판, 아연판 등과 같은 두 개의 판을 이용한 화학적 작용에 의해 전기분해 되면서 전기적 에너지를 발생시키게 되고, 이러한 전기적 에너지를 저장 또는 출력하는 저장장치를 의미한다.
이러한 배터리는 +극(양극)과 -극(음극)으로 이루어지며, 전류는 +극을 통해 유입되고 -극을 통해 유출된다.
한편, 이러한 배터리는 복수의 배터리의 +극 및 -극을 차례로 연결하여 각 배터리 간의 전류값이 동일한 직렬 연결 또는 복수의 배터리의 +극은 +극끼리, -극은 -극끼리 연결하여 각 배터리 간의 전압값이 동일한 병렬 연결로 연결할 수 있다.
이때, 배터리는 충전량이 일정한 수치로 정해지기 때문에 무한정 사용할 수 없다. 따라서, 배터리를 외부 전원과 상시 연결하여 사용하거나 이종의 배터리와 연결시켜 충전시켜줌으로써 배터리와 연결된 모터등과 같은 구동체의 구동이 원활하게 이루어지도록 한다.
하지만, 종래의 배터리 제어 장치들을 살펴보면, 24kWh 용량의 리튬이온 배터리를 적용한 차량의 경우 최대 주행거리가 160km에 불과하며, 리튬이온 전지의 최대 가능 에너지 밀도인 250Wh/kg의 배터리를 사용하더라도 최대주행거리는 300km 내외에 불과하기 때문에 아이씨디(Internal Combustion Engine) 차량의 최대 주행거리인 500km에는 못 미치기 때문에 에너지 효율이 떨어지는 문제점을 가진다.
이에, 본 발명자는 상술된 종래의 배터리 제어장치들이 가지는 문제점을 해결하기 위해, 배터리의 전체적인 크기는 동일하면서도 복수의 배터리를 이용하여 전력이 서로 교환되도록 함으로써 다양한 상황에 따라 구동체에 전력을 공급하는 배터리를 선택적으로 제어할 수 있는 배터리 제어 장치 및 방법을 발명하기에 이르렀다.
한국공개특허 제10-2013-0020482호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 서로 상이한 에너지 밀도를 가지는 복수의 배터리를 서로 연결하고, 해당 복수의 배터리를 통해 공급되는 전력을 제어함으로써 구동체의 구동이 제어되도록 하는 배터리 제어 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 서로 상이한 에너지 밀도를 가지는 복수의 배터리를 하나 이상의 구동체와 연결되도록 함으로써 구동체에 공급되는 전력을 선택적으로 제어하도록 하는 배터리 제어 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 복수의 배터리가 서로 전력을 상호 보완함으로써 어느 한쪽 배터리의 출력이 저하되더라도 다른 배터리를 통해 구동체의 구동이 비정상적으로 작동되지 않도록 하는 배터리 제어 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 배터리 제어 장치는 전력을 공급받아 구동되는 구동체와 연결되고 상기 구동체가 구동되기 위한 전력을 공급하며, 리튬이온(Li-ion) 전지에 해당하는 제1 전지, 상기 제1 전지와 연결되어 상기 제1 전지를 충전시키기 위한 전력을 공급하거나 또는 상기 구동체와 연결되어 상기 구동체가 구동되기 위한 전력을 공급하며, 금속산화(Metal-Air) 전지 또는 전고체(All Solid State) 전지 중 어느 하나에 해당하는 제2 전지, 상기 제1 전지에서 상기 구동체로 공급되는 전력량, 상기 제2 전지에서 상기 구동체로 공급되는 전력량 및 상기 제2 전지에서 상기 제1 전지로 공급되는 전력량 중 하나 이상을 제어하는 제어부 및 상기 제어부의 제어를 받으며 상기 구동체, 상기 제1 전지, 상기 제2 전지 및 상기 제어부 중 둘 이상을 서로 연결하는 스위치부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 전지는 리튬이온 전지 및 금속산화 전지 조합 또는 리튬이온 전지 및 전고체 전지 조합으로부터 선택된 어느 하나의 조합으로 이루어지며, 상기 조합에 있어서, 상기 제2 전지의 출력 밀도는, 제1 전지의 출력 밀도보다 낮고, 상기 제2 전지의 용량은, 제1 전지의 용량보다 크며, 또한 상기 제1 전지의 에너지 밀도는 상기 제2 전지의 에너지 밀도보다 낮은 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 상기 제2 전지의 전력을 통해 상기 구동체가 구동되도록 상기 제2 전지의 전력공급을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위치부는 상기 제1 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체에 각각 연결되는 제1 스위치부 및 상기 제2 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체에 각각 연결되는 제2 스위치부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 상기 제1 스위치부를 오프(Off)시키고 상기 제2 스위치부를 온(On) 시키고, 그리고 상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량을 초과하는 경우, 상기 제2 스위치부를 오프(Off) 시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 상기 제2 전지가 상기 제1 전지를 충전하도록 상기 제2 전지의 전력을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 전지는 상기 제1 전지와 연결되고 상기 제1 전지에 전력량을 공급하며, 상기 스위치부는 상기 제1 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체에 각각 연결되는 제1 스위치부 및 상기 제1 및 제2 전지 사이에 제공되는 제2 스위치부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 상기 제2 스위치부를 온(On)시켜 상기 제2 전지의 전력을 통해 상기 제1 전지가 충전되도록 하고, 그리고 상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량을 초과하는 경우, 상기 제2 스위치부를 오프(Off)시켜 상기 제2 전지의 전력이 상기 제1 전지에 공급되지 않도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 제2 전지의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과하는 경우, 상기 제1 전지를 통해 상기 구동체를 구동시키도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위치부는 상기 제2 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체에 각각 연결되는 제1 스위치부 및 상기 제1 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체에 각각 연결되는 제2 스위치부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 제2 전지의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과하지 않는 경우, 상기 제2 스위치부를 오프(Off) 시키고, 그리고 상기 제2 전지의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과하는 경우, 상기 제1 스위치부를 오프(Off)시키고 상기 제2 스위치부를 온(On)시켜 상기 제1 전지의 전력을 통해 상기 구동체가 구동되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 제어 방법은 전력을 공급받아 구동되는 구동체와 상기 구동체가 구동되기 위한 전력을 공급하며, 리튬이온(Li-ion) 전지에 해당하는 제1 전지를 연결하는 단계, 상기 제1 전지를 충전시키기 위한 전력을 공급하거나 또는 상기 구동체가 구동되기 위한 전력을 공급하며 금속산화(Metal-Air) 전지 또는 전고체(All Solid State) 전지 중 어느 하나에 해당하는 제2 전지를 상기 제1 전지 또는 상기 구동체와 연결하는 단계, 제어부가 상기 제1 전지에서 상기 구동체로 공급되는 전력량, 상기 제2 전지에서 상기 구동체로 공급되는 전력량 및 상기 제2 전지에서 상기 제1 전지로 공급되는 전력량 중 하나 이상을 제어하는 단계 및 스위치부가 상기 구동체, 상기 제1 전지, 상기 제2 전지 및 상기 제어부 중 둘 이상을 서로 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 상기 제어부에서 상기 제1 전지의 충전량(SOC)을 계산하는 단계 및 상기 제어부에서 기 설정된 충전량과 상기 제1 전지의 충전량을 비교 판단하여 상기 구동체에 공급되는 전력을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구동체에 공급되는 전력을 제어하는 단계는 상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 상기 제어부에서 상기 제2 전지의 전력을 통해 상기 구동체가 구동되도록 상기 스위치부를 제어하여 상기 제2 전지의 전력공급을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 전지의 전력공급을 제어하는 단계는 제1 스위치부가 상기 제1 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체를 각각 연결하는 단계, 제2 스위치부가 상기 제2 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체를 각각 연결하는 단계 및 상기 제어부에서 상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 상기 제1 스위치부를 오프(Off)시키고 상기 제2 스위치부를 온(On) 시키고, 그리고 상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량을 초과하는 경우, 상기 제2 스위치부를 오프(Off) 시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구동체에 공급되는 전력을 제어하는 단계는 상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 상기 제2 전지가 상기 제1 전지를 충전하도록 상기 제2 전지의 전력을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 전지의 전력을 제어하는 단계는 제1 스위치부가 상기 제1 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체를 각각 연결시키는 단계, 상기 제1 및 제2 전지 사이에 제2 스위치부를 제공하여 서로 연결시키는 단계 및 상기 제어부에서 상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 상기 제2 스위치부를 온(On)시켜 상기 제2 전지의 전력을 통해 상기 제1 전지가 충전되도록 하고, 그리고 상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량을 초과하는 경우, 상기 제2 스위치부를 오프(Off)시켜 상기 제2 전지의 전력이 상기 제1 전지에 공급되지 않도록 하는 단계를 포함하되, 상기 제2 전지는 상기 제1 전지와 연결되고 상기 제1 전지에 전력량을 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구동체에 공급되는 전력을 제어하는 단계는 상기 제2 전지의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과하는 경우, 상기 제1 전지의 전력을 통해 상기 구동체가 구동되도록 상기 제1 전지의 전력공급을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 전지의 전력공급을 제어하는 단계는 제1 스위치부가 상기 제2 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체를 각각 연결하는 단계, 제2 스위치부가 상기 제1 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체를 각각 연결하는 단계 및 상기 제어부에서 상기 제2 전지의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과하지 않는 경우, 상기 제1 전지와 연결된 상기 제2 스위치부를 오프(Off) 시키고, 그리고 상기 제2 전지의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과하는 경우, 상기 제2 전지와 연결된 상기 제1 스위치부를 오프(Off)시키고 상기 제1 전지와 연결된 상기 제2 스위치부를 온(On)시켜 상기 제1 전지의 전력을 통해 상기 구동체가 구동되도록 하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 장치 및 방법은 서로 상이한 에너지 밀도를 가지는 복수의 배터리를 서로 연결함으로써, 출력이 저하되는 배터리가 발생하는 경우 복수의 배터리가 서로 전력을 상호 보완함으로써 구동체의 구동이 언제나 정상적으로 작동되도록 유지하는 효과를 가진다.
또한, 복수의 배터리를 연결함에 있어서 기존의 한 개의 배터리 사이즈와 동일한 사이즈로 형성하기 때문에 전기 자동차에 배터리를 부착하는 경우에도 기존의 배터리 수용공간에 안착시킬 수 있어 공간활용이 용이한 효과를 가진다.
또한, 에너지 밀도가 높고 용량이 큰 제2 전지를 구비하기 때문에 출력효율이 증가하여 전기 자동차의 최대 주행거리가 획기적으로 증가하는 효과를 가진다.
도 1은 기존의 배터리(10)와 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100)를 비교하여 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100)의 구성을 보다 구체적으로 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100)의 회로도를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 배터리 제어 장치(100)의 동작을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100')의 회로도를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 배터리 제어 장치 (100')의 동작을 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100'')의 회로도를 도시한 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 배터리 제어 장치(100'')의 동작을 도시한 흐름도이다.
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 기존의 배터리(10)와 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100)를 비교하여 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 기존의 배터리(10)는 단일 개수로 형성되는 배터리(10)가 구동체(20)와 연결되는데, 이때 기존의 배터리(10)의 출력이 저하되는 경우 기존의 배터리(10)에 전력을 공급하거나 또는 기존의 배터리(10)를 충전시키기 위한 수단이 구비되지 않기 때문에 기존의 배터리(10)와 연결된 구동체(20)의 구동출력도 함께 저하될 수 밖에 없다.
하지만 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100)는 제1 및 제2 전지(110, 120)을 서로 연결되도록 형성함으로써 제1 전지(110)의 출력이 저하되더라도 제2 전지(120)를 통해 전력을 보완 공급해주거나 혹은 제2 전지(120)를 이용하여 구동체(20)를 직접 구동시킬 수 도 있다.
그리고 기존의 배터리(10)와 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100)의 부피를 비교하여 보면, 전체적인 부피는 동일하면서도 두 개의 배터리로 나눔으로써 기존의 전기 자동차에서 기존의 배터리(10)를 탈거하고 배터리 제어 장치(100)를 해당 부착시킴으로써 별도의 안착공간을 형성할 필요 없이도 전기 자동차에서 배터리 제어 장치(100)를 그대로 사용할 수 있다.
이러한 배터리 제어 장치(100)의 구성은 도 2를 통해 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100)의 구성을 보다 구체적으로 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100)는 제1 전지(110), 제2 전지(120) 및 제어부(130)를 포함한다.
먼저, 제1 전지(110)는 전력을 공급받아 구동되는 구동체(20)와 연결되며, 구동체(20)가 구동되기 위한 전력을 공급하는 역할을 수행할 수 있다.
여기에서, 구동체(20)라 함은 전력을 이용하여 작동하는 모든 전기 제품을 의미할 수 있으며, 예를 들어 전동 모터(motor)에 해당할 수 있다.
전동 모터는 전력을 공급받아 내부의 회전체를 회전시킴으로써 전력을 소모하고, 그와 동시에 회전되는 회전체를 이용하여 다른 운동에너지를 생성하게 된다.
한편, 제1 전지(110)에서 구동체(20)에 공급되는 전력이 저하되는 경우에는 구동체(20)의 출력도 저하될 수 있으므로 구동체(20)가 공급 전력의 부족으로 인해 비정상적으로 작동하는 것을 방지하기 위하여 제1 및 제2 전지(110, 120) 그리고 제어부(130)가 상호 보완적으로 동작된다.
이러한 역할을 수행하는 제1 전지(110)의 에너지 밀도는 후술되는 제2 전지(120)의 에너지 밀도보다 낮게 형성될 수 있는데, 이는 제1 전지(110)에 해당하는 배터리의 종류의 영향일 수 있다.
제1 전지(110)는 리튬이온(Li-ion) 전지에 해당할 수 있다.
이러한 제1 전지(110)는 후술되는 제2 전지(120) 및 제어부(130)와 연결될 수 있고, 제2 전지(120)를 통해 충전이 가능하도록 형성될 수 있으며 또한 제어부(130)의 제어를 통해 출력전력이 제어될 수 있는데, 이는 후술되는 도 3 내지 도 5를 통해 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
다음으로, 제2 전지(120)는 상술한 제1 전지(110)와 연결되어 제1 전지(110)에 전력을 공급하거나 또는 제1 전지(110)를 충전시킬 수 있고, 또는 구동체(20)와 직접적으로 연결되어 구동체(20)가 구동되기 위한 전력을 공급하는 역할을 수행할 수 있다.
이러한 역할을 수행하는 제2 전지(120) 또한 구동체(20)에 공급되는 전력이 저하되는 경우 구동체(20)의 출력이 저하될 수 있으므로 구동체(20)가 공급 전력의 부족으로 인해 비정상적으로 작동하는 것을 방지하기 위하여 제2 전지(120)도 제1 전지(110)와 마찬가지로 후술되는 제어부(130)와 상호 보완적으로 동작된다.
이러한 제2 전지(120)의 에너지 밀도는 상술한 제1 전지(110)의 에너지 밀도보다 높게 형성될 수 있는데 예를 들어, 250Wh/kg 이상에 해당할 수 있으며 이는 제2 전지(120)에 해당하는 배터리의 종류의 영향일 수 있다.
제2 전지(120)는 금속산화(Metal-Air) 전지 또는 전고체(All solid state) 전지 중 어느 하나에 해당할 수 있다.
또한, 제2 전지(120)는 충방전이 가능한 전지로 구성되어, 제2 전지(120)가 모두 방전되더라도 교체할 필요 없이, 충전하여 사용할 수 있다.
그리고 제2 전지(120)는 제1 전지(110)보다 고용량에 해당할 수 있는데, 이렇게 제2 전지(120)를 고용량으로 구성함에 따라 배터리 제어 장치(100)는 기존의 배터리(10)에 비해 구동체(20)를 보다 오랜 시간동안 구동시킬 수 있게 된다. 그리고 제2 전지(120)는 제1 전지(110)에 비해 출력밀도가 낮고 저가의 전지로 구성되므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100)는 저비용으로 오랜 시간 구동 가능한 배터리(10)를 구현할 수 있게 된다.
또한, 제2 전지(120)는 제1 전지(110)를 충전시키는 역할을 수행할 수 있으며, 이는 제1 전지(110)의 출력이 떨어짐에 따라 발생되는 구동체(20)의 비정상적인 작동을 방지하기 위함이며, 이는 후술되는 도 3 내지 도 5를 통해 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
한편, 제2 전지(120)가 상술한 역할(구동체(20)를 구동시키기 위한 전력을 공급하거나 또는 제1 전지(110)를 충전시키는 역할)을 수행하는 한, 제2 전지(120)의 종류, 출력 전력 및 용량은 제한되지 않음을 유의한다.
마지막으로, 제어부(130)는 상술한 제1 전지(110) 및 제2 전지(120)에서 구동체(20)에 공급되는 전력의 전력량을 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
즉, 제어부(130)는 전기 차량에 구비되는 배터리를 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)에 해당할 수 있는데, 제어부(130)는 크게 3가지의 방법을 통해 제1 전지(110) 및 제2 전지(120)의 전력량을 제어할 수 있고, 이를 도 3 내지 도 5를 통해 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100)의 회로도를 도시한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 배터리 제어 장치(100)의 동작을 도시한 흐름도이며, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100')의 회로도를 도시한 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 배터리 제어 장치 (100')의 동작을 도시한 흐름도이며, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100'')의 회로도를 도시한 도면이고, 도 8은 도 7에 도시된 배터리 제어 장치(100'')의 동작을 도시한 흐름도이다.
먼저 도 3을 살펴보면, 제1 및 제2 전지(110, 120)는 구동체(20)와 각각 연결되어 있고, 각각의 연결단 사이에는 스위치부(140)가 연결되어 있다.
여기에서 스위치(140)는 제어부(130)와도 연결되어 제어부(130)의 제어를 받아 제1 및 제2 전지(110, 120)의 전력을 개별적으로 차단 및 연결하는 역할을 수행할 수 있다.
이러한 스위치부(140)는 제1 전지(110)와 연결되는 제1 스위치부(140a) 및 제2 전지(120)와 연결되는 제2 스위치부(140b)를 포함하여 구성될 수 있으며, 제1 및 제2 스위치부(140a, 140b)가 온(On) 상태에 해당하는 경우 제1 또는 제2 전지(110, 120)가 구동체(20)와 통전되고 그에 따라 구동체(20)가 구동되게 된다.
반대로, 제1 및 제2 스위치부(140a, 140b)가 오프(Off) 상태에 해당하는 경우 제1 또는 제2 전지(110, 120)가 구동체(20)와 차단되고 그에 따라 구동체(20)의 구동도 중지된다.
또한 제1 및 제2 전지(110, 120)는 제어부(130)와도 연결되어 있는데, 제어부(130)에서는 제1 및 제2 전지(110, 120)로부터 충전량(SOC)을 전달받게 되고, 충전량에 따라 구동체(20)에 공급되는 전력을 제어하게 된다.
즉, 제1 전지(110)의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 제어부(130)는 제2 전지(120)의 전력을 통해 구동체(20)가 구동되도록 제2 전지(120)의 전력을 제어하게 된다.
여기에서, 제1 전지(110)의 충전량이 기 설정된 충전량 이하에 해당하는 경우에는 구동체(20)의 출력이 저하되면서 비정상적으로 작동되게 된다.
도 4를 살펴보면, 먼저 구동체(20)는 제1 전지(110)로부터 전력을 얻어 구동을 시작한다(S401). 그 다음, 제어부(130)에서는 제1 및 제2 전지(110, 120)로부터 충전량(SOC)에 대한 데이터를 수신한다(S402). 그리고 나서 제어부(130)에서는 수신한 충전량을 기초로 하여 제1 전지(110)의 충전량과 구동체(20)가 구동되기에 필요토록 설정된 기본 충전량을 서로 비교 판단하게 되는데(S403), 이때 만약 제1 전지(110)의 충전량이 기 설정된 충전량 초과인 경우, 제어부(130)는 계속 해서 제1 전지(110)의 전력을 통해 구동체(20)가 구동되도록 제1 전지(110)를 제어함과 동시에 제2 전지(120)가 동작하지 않도록 제2 전지(120)와 연결된 제2 스위치부(140b)를 오프(Off)시킨다(S404).
만약, 제1 전지(110)의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 제어부(130)는 제1 전지(110)와 연결된 제1 스위치부(140a)를 오프(Off)시켜 작동을 중단시키고 제2 전지(120)와 연결된 제2 스위치부(140b)를 온(On)시켜 제2 전지(120)의 전력을 통해 구동체(20)가 구동되도록 제2 전지(110)를 제어한다(S405).
그리고 계속해서 구동체(20)가 구동되는 경우 제어부(130)에서는 구동체(20)로부터 구동데이터를 전달받게 되고(S406), 구동데이터를 토대로 제1 및 제2 전지(110, 120)의 제어동작을 반복적으로 수행하게 된다.
다음으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100')를 도 5를 통해 살펴보면, 제1 전지(110)는 제1 스위치부(140a')를 통해 구동체(20)와 서로 연결되어 있고, 제1 및 제2 전지(110, 120)는 제2 스위치부(140b')를 통해 연결되어 있다.
그에 따라 제2 전지(120)는 제2 스위치부(140b')의 온/오프 상태에 따라 제1 전지(110)와 연결될 수도 있고 차단될 수도 있다.
또한, 제1 및 제2 전지(110, 120)는 제어부(130)와 연결되어 있으며 이는 상술한 도 3의 내용과 상응하기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 제1 전지(110)와 구동체(20) 사이의 제1 스위치부(140a') 및 제1 전지(110)와 제2 전지(120) 사이의 제2 스위치부(140b')는 모두 제어부(130)와 연결되어 제어부(130)의 제어를 받게 된다.
그리고 제어부(130)에서는 제1 및 제2 전지(120)로부터 충전량에 대한 데이터를 전달받게 되고, 충전량에 따라 구동체(20)에 공급되는 전력을 제어하게 된다.
즉, 제1 전지(110)의 충전량이 기 설정된 충전량 이하에 해당하는 경우, 제어부(130)는 제 2 전지(120)의 전력을 통해 제1 전지(110)를 충전시키게 된다.
도 6을 살펴보면, 먼저 구동체(20)는 제1 전지(110)로부터 전력을 얻어 구동을 시작한다(S601). 그 다음, 제어부(130)에서는 제1 및 제2 전지(110, 120)로부터 충전량(SOC)에 대한 데이터를 수신한다(S602). 그리고 나서 제어부(130)에서는 수신한 충전량을 기초로 하여 제1 전지(110)의 충전량과 구동체(20)가 구동되기에 필요하도록 설정된 기본 충전량을 서로 비교 판단하게 되는데(S603), 이때 만약 제1 전지(110)의 충전량이 기 설정된 충전량 초과에 해당하는 경우, 제어부(130)는 계속 해서 제1 전지(110)의 전력을 통해 구동체(20)가 구동되도록 제1 전지(110)를 제어함과 동시에 제2 전지(120)가 제1 전지를 충전시키지 않도록 제2 전지(120)와 연결된 제2 스위치부(140b')를 오프(Off)시킨다(S604).
만약, 제1 전지(110)의 충전량이 기 설정된 충전량 이하에 해당하는 경우, 제어부(130)는 제2 전지(120)와 연결된 제2 스위치부(140b')를 온(On)시켜 제2 전지(120)의 전력을 통해 제1 전지(110)를 충전시킬 수 있도록 한다(S605). 그에 따라, 제1 전지(110)는 제2 전지(120)로부터 전력을 공급받기 때문에 계속해서 구동체(20)를 정상적으로 구동시킬 수 있게 된다.
그리고 계속해서 구동체(20)가 구동되는 경우 제어부(130)에서는 구동체(20)로부터 구동데이터를 전달받게 되고(S606), 구동데이터를 토대로 제1 및 제2 전지(110, 120)의 제어동작을 반복적으로 수행하게 된다.
다음으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100')를 도 7을 통해 살펴보면, 배터리 제어 장치(100')는 도 3에 도시된 배터리 제어 장치(100)와 기술적 구성이 동일하게 형성되기 때문에 상이하게 형성되는 제어부(130)를 중심으로 살펴보기로 한다.
제어부(130)는 차량 제어부(131)와 연결될 수 있으며, 차량 제어부(131)에서는 제어부(130)에 출력 요구 정보를 제공하게 되고, 제어부(130)에서는 이러한 출력 요구 정보를 기초로 하여 제1 및 제2 전지(110, 120)를 제어하게 된다.
여기에서 제어부(130)는 제2 전지(120)의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과하는 경우, 제2 전지(120)의 전력공급을 중단시키고 제1 전지(110)의 전력을 통해 구동체(20)가 구동되도록 한다.
여기에서, 제2 전지(120)의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과한다는 의미는, 제2 전지(120)의 출력량은 불안정하기 때문에 높아질 수도 있고 낮아질 수도 있다. 따라서 제2 전지(120)의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위 이하인 경우일 수도 있고, 제2 전지(120)의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 크게 벗어나는 경우일 수도 있다.
따라서, 제2 전지(120)의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과한다는 의미는 제2 전지(120)의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위에 못 미친다거나 또는 기 설정된 출력허용 범위를 크게 넘어서는 것을 의미할 수 있다.
도 8을 살펴보면, 먼저 구동체(20)는 제2 전지(120)로부터 전력을 얻어 구동을 시작한다(S801). 그 다음, 제어부(130)에서는 제1 및 제2 전지(110, 120)로부터 출력량에 대한 데이터를 수신한다(S802). 그리고 나서 제어부(130)에서는 수신한 출력량을 기초로 하여 제2 전지(120)의 출력량과 구동체(20)가 구동되기에 필요토록 설정된 기본 출력량을 서로 비교 판단하게 되는데(S803), 이때 만약 제2 전지(120)의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과하지 않는 경우, 제어부(130)는 계속 해서 제2 전지(120)의 전력을 통해 구동체(20)가 구동되도록 제2 전지(120)를 제어함과 동시에 제1 전지(110)가 동작하지 않도록 제1 전지(110)와 연결된 제2 스위치부(140b'')를 오프(Off) 시킨다(S804).
만약, 제2 전지(120)의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과하는 경우, 제어부(130)는 제2 전지(120)와 연결된 제1 스위치부(140a'')를 오프(Off)시켜 작동을 중단시키고, 제1 전지(110)와 연결된 제2 스위치부(140b'')를 온(On)시켜 제1 전지(110)의 전력을 통해 구동체(20)가 구동되도록 제1 전지(110)를 제어한다(S805).
그리고 계속해서 구동체(20)가 구동되는 경우 제어부(130)에서는 구동체(20)로부터 구동데이터를 전달받게 되고(S806), 구동데이터를 토대로 제1 및 제2 전지(110, 120)의 제어동작을 반복적으로 수행하게 된다.
다음은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100)에 따른 차량의 운행 효율을 살펴보기로 한다.
일 실시에에서, 종래의 리튬-이온 전지를 장착한 차량의 리튬-이온 전지는 총 무게 300kg, 24kWh의 출력량, 140Wh/kg의 무게당 에너지밀도를 가질 수 있으며, 최대 160km의 거리를 주행할 수 있다.
이때, 1kWh의 출력량을 출력하기 위해서는 750달러가 필요하며, 이때 총 주행거리인 160km를 주행하기 위해서는 최대 18,000달러의 비용이 소요되어야 한다.
즉, 종래의 리튬-이온 전지 만으로는 주행거리도 짧고 또한 그에 따라 소모되는 비용이 많다는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100)의 제1 및 제2 전지(110, 120)를 장착한 차량의 제1 전지(110)는 무게 200kg, 16kWh의 출력량, 140Wh/kg의 무게당 에너지밀도를 가질 수 있다. 또한 제2 전지(120)는 무게 100kg, 29kWh의 출력량, 500Wh/kg의 무게당 에너지밀도를 가질 수 있다.
따라서, 제1 및 제2 전지(110, 120)의 총 무게는 300kg이므로 종래의 리튬-이온 전지와 동일한 무게를 가지게 된다.
또한, 최대 297km의 거리를 주행할 수 있고 이때, 1kWh의 출력량을 출력하기 위해서는 333달러가 필요하며, 이때 총 주행거리인 297km를 주행하기 위해서는 최대 14,857달러의 비용이 소요된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2 전지(110, 120)는 종래의 리튬-이온 전지 대비 주행거리가 획기적으로 늘어나며 비용 또한 20% 이상 감소되는 것을 알 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100)의 제2 전지(120)를 장착한 차량의 제2 전지(120)는 무게 300kg, 86kWh의 출력량, 500Wh/kg의 무게당 에너지밀도를 가질 수 있다.
따라서, 제2 전지(120)의 총 무게는 300kg이므로 종래의 리튬-이온 전지와 동일한 무게를 가지게 된다.
또한, 최대 500km 이상의 거리를 주행할 수 있고 이때, 1kWh의 출력량을 출력하기 위해서는 100달러가 필요하며, 이때 총 주행거리인 500km를 주행하기 위해서는 최대 8,600달러의 비용이 소요된다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 제어 장치(100)는 종래의 리튬-이온 전지 대비 주행거리가 획기적으로 늘어나며 비용 또한 50% 이상 감소되는 것을 알 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.
10 : 기존의 배터리 20: 구동체
100 : 배터리 제어 장치
100' : 배터리 제어 장치
100'' : 배터리 제어 장치
110 : 제1 전지 120 : 제2 전지
130 : 제어부 131 : 차량 제어부
140 : 스위치부
140a, 140a', 140a'' : 제1 스위치부
140b, 140b', 140b'' : 제2 스위치부

Claims (15)

  1. 전력을 공급받아 구동되는 구동체와 연결되고 상기 구동체가 구동되기 위한 전력을 공급하며, 리튬이온(Li-ion) 전지에 해당하는 제1 전지;
    상기 제1 전지와 연결되어 상기 제1 전지를 충전시키기 위한 전력을 공급하거나 또는 상기 구동체와 연결되어 상기 구동체가 구동되기 위한 전력을 공급하며, 금속산화(Metal-Air) 전지 또는 전고체(All Solid State) 전지 중 어느 하나에 해당하는 제2 전지;
    상기 제1 전지에서 상기 구동체로 공급되는 전력량, 상기 제2 전지에서 상기 구동체로 공급되는 전력량 및 상기 제2 전지에서 상기 제1 전지로 공급되는 전력량 중 하나 이상을 제어하는 제어부; 및
    상기 제어부의 제어를 받으며 상기 구동체, 상기 제1 전지, 상기 제2 전지 및 상기 제어부 중 둘 이상을 서로 연결하는 스위치부;를 포함하되,
    상기 제1 및 제2 전지는,
    리튬이온 전지 및 금속산화 전지 조합 또는 리튬이온 전지 및 전고체 전지 조합으로부터 선택된 어느 하나의 조합으로 이루어지며, 상기 조합에 있어서,
    상기 제2 전지의 출력 밀도는, 제1 전지의 출력 밀도보다 낮고,
    상기 제2 전지의 용량은, 제1 전지의 용량보다 크며, 또한
    상기 제1 전지의 에너지 밀도는 상기 제2 전지의 에너지 밀도보다 낮은 것을 특징으로 하는,
    배터리 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 상기 제2 전지의 전력을 통해 상기 구동체가 구동되도록 상기 제2 전지의 전력공급을 제어하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    상기 제1 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체에 각각 연결되는 제1 스위치부;및
    상기 제2 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체에 각각 연결되는 제2 스위치부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 상기 제1 스위치부를 오프(Off)시키고 상기 제2 스위치부를 온(On) 시키고, 그리고
    상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량을 초과하는 경우, 상기 제2 스위치부를 오프(Off) 시키는 것을 특징으로 하는,
    배터리 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 상기 제2 전지가 상기 제1 전지를 충전하도록 상기 제2 전지의 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 전지는,
    상기 제1 전지와 연결되고 상기 제1 전지에 전력량을 공급하며,
    상기 스위치부는,
    상기 제1 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체에 각각 연결되는 제1 스위치부; 및
    상기 제1 및 제2 전지 사이에 제공되는 제2 스위치부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 상기 제2 스위치부를 온(On)시켜 상기 제2 전지의 전력을 통해 상기 제1 전지가 충전되도록 하고, 그리고
    상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량을 초과하는 경우, 상기 제2 스위치부를 오프(Off)시켜 상기 제2 전지의 전력이 상기 제1 전지에 공급되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 전지의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과하는 경우, 상기 제1 전지를 통해 상기 구동체를 구동시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    상기 제2 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체에 각각 연결되는 제1 스위치부;및
    상기 제1 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체에 각각 연결되는 제2 스위치부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제2 전지의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과하지 않는 경우, 상기 제2 스위치부를 오프(Off) 시키고, 그리고
    상기 제2 전지의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과하는 경우, 상기 제1 스위치부를 오프(Off)시키고 상기 제2 스위치부를 온(On)시켜 상기 제1 전지의 전력을 통해 상기 구동체가 구동되도록 하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 제어 장치.
  8. 전력을 공급받아 구동되는 구동체와 상기 구동체가 구동되기 위한 전력을 공급하며, 리튬이온(Li-ion) 전지에 해당하는 제1 전지를 연결하는 단계;
    상기 제1 전지를 충전시키기 위한 전력을 공급하거나 또는 상기 구동체가 구동되기 위한 전력을 공급하며 금속산화(Metal-Air) 전지 또는 전고체(All Solid State) 전지 중 어느 하나에 해당하는 제2 전지를 상기 제1 전지 또는 상기 구동체와 연결하는 단계;
    제어부가 상기 제1 전지에서 상기 구동체로 공급되는 전력량, 상기 제2 전지에서 상기 구동체로 공급되는 전력량 및 상기 제2 전지에서 상기 제1 전지로 공급되는 전력량 중 하나 이상을 제어하는 단계; 및
    스위치부가 상기 구동체, 상기 제1 전지, 상기 제2 전지 및 상기 제어부 중 둘 이상을 서로 연결하는 단계;를 포함하되,
    상기 제1 및 제2 전지는,
    리튬이온 전지 및 금속산화 전지 조합 또는 리튬이온 전지 및 전고체 전지 조합으로부터 선택된 어느 하나의 조합으로 이루어지며, 상기 조합에 있어서,
    상기 제2 전지의 출력 밀도는, 제1 전지의 출력 밀도보다 낮고,
    상기 제2 전지의 용량은, 제1 전지의 용량보다 크며, 또한
    상기 제1 전지의 에너지 밀도는 상기 제2 전지의 에너지 밀도보다 낮은 것을 특징으로 하는,
    배터리 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부에서 상기 제1 전지의 충전량(SOC)을 계산하는 단계; 및
    상기 제어부에서 기 설정된 충전량과 상기 제1 전지의 충전량을 비교 판단하여 상기 구동체에 공급되는 전력을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 구동체에 공급되는 전력을 제어하는 단계는,
    상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 상기 제어부에서 상기 제2 전지의 전력을 통해 상기 구동체가 구동되도록 상기 스위치부를 제어하여 상기 제2 전지의 전력공급을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 전지의 전력공급을 제어하는 단계는,
    제1 스위치부가 상기 제1 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체를 각각 연결하는 단계;
    제2 스위치부가 상기 제2 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체를 각각 연결하는 단계; 및
    상기 제어부에서 상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 상기 제1 스위치부를 오프(Off)시키고 상기 제2 스위치부를 온(On) 시키고, 그리고 상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량을 초과하는 경우, 상기 제2 스위치부를 오프(Off) 시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 제어 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 구동체에 공급되는 전력을 제어하는 단계는,
    상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 상기 제2 전지가 상기 제1 전지를 충전하도록 상기 제2 전지의 전력을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 전지의 전력을 제어하는 단계는,
    제1 스위치부가 상기 제1 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체를 각각 연결시키는 단계;
    상기 제1 및 제2 전지 사이에 제2 스위치부를 제공하여 서로 연결시키는 단계; 및
    상기 제어부에서 상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량 이하인 경우, 상기 제2 스위치부를 온(On)시켜 상기 제2 전지의 전력을 통해 상기 제1 전지가 충전되도록 하고, 그리고 상기 제1 전지의 충전량이 기 설정된 충전량을 초과하는 경우, 상기 제2 스위치부를 오프(Off)시켜 상기 제2 전지의 전력이 상기 제1 전지에 공급되지 않도록 하는 단계;를 포함하되,
    상기 제2 전지는,
    상기 제1 전지와 연결되고 상기 제1 전지에 전력량을 공급하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 제어 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 구동체에 공급되는 전력을 제어하는 단계는,
    상기 제2 전지의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과하는 경우, 상기 제1 전지의 전력을 통해 상기 구동체가 구동되도록 상기 제1 전지의 전력공급을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 전지의 전력공급을 제어하는 단계는,
    제1 스위치부가 상기 제2 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체를 각각 연결하는 단계;
    제2 스위치부가 상기 제1 전지, 상기 제어부 및 상기 구동체를 각각 연결하는 단계; 및
    상기 제어부에서 상기 제2 전지의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과하지 않는 경우, 상기 제1 전지와 연결된 상기 제2 스위치부를 오프(Off) 시키고, 그리고 상기 제2 전지의 출력량이 기 설정된 출력허용 범위를 초과하는 경우, 상기 제2 전지와 연결된 상기 제1 스위치부를 오프(Off)시키고 상기 제1 전지와 연결된 상기 제2 스위치부를 온(On)시켜 상기 제1 전지의 전력을 통해 상기 구동체가 구동되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 제어 방법.
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