KR20170002085A - 배터리 팩 및 이를 포함하는 전기 자동차의 충전 제어 시스템 - Google Patents

배터리 팩 및 이를 포함하는 전기 자동차의 충전 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

배터리 팩 및 이를 포함하는 전기 자동차의 충전 제어 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차의 충전 제어 시스템은, 충방전 가능한 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 상기 배터리 팩의 보호 전류 레벨을 설정하고, 상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류의 크기가 상기 보호 전류 레벨 이상인 경우, 상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류를 차단하는 보호부, 상기 배터리 모듈로부터 출력되는 방전 전류에 의해 구동되는 구동부 및 상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류의 특성을 분석하여 제1 충전모드 또는 제2 충전모드 여부를 판단하는 충전모드 판단부를 포함하고, 상기 보호부는 상기 보호 전류 레벨을 상기 제1 충전모드 또는 제2 충전모드에 대응하여 서로 다르게 설정한다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 전기 자동차의 충전 제어 시스템{Battery Pack and Charge Controlling System for Electric Vehicle Including Thereof}
본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 전기 자동차의 충전 제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 과충전으로 인한 배터리 이상 상태 발생 시 새로운 방전 경로를 형성함으로써 배터리를 과충전으로부터 보호하는 배터리 팩 및 이를 포함하는 과충전 보호 시스템에 관한 것이다.
충방전이 가능한 2차 전지는 모바일 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더, PDA 등 휴대용 전자기기의 개발로 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 이러한 2차 전지는 니켈-카드뮴 전지, 납 축전지, 니켈-수소 전지, 리튬-이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 금속 리튬 전지, 공기 아연 축전지 등 다양한 종류가 개발되고 있다.
이러한 2차 전지는 셀 형태로 제작된 후, 충방전 회로와 합쳐져서 배터리 팩을 구성하며, 배터리 팩에 설치되는 외부 단자를 통해 외부 전원 또는 부하에 의한 충전 또는 방전이 이루어진다.
배터리 팩은 전기 에너지를 필요로 하는 다양한 장치에 설치되어 사용될 수 있으며, 일반적으로 배터리 팩을 과충전, 과방전 등 이상 상태로부터 보호하기 위한 구성을 포함하고 있다. 그리고, 배터리 팩을 이상 상태로부터 보호하기 위해서 배터리 셀의 전압, 전류 등을 모니터링할 수 있다.
배터리 팩에 이상 상태 발생 여부를 판단하기 위해서는 이상 상태와 정상 상태를 구분하기 위한 기준이 되는 값이 필요하며, 이러한 기준값이 오직 하나의 값으로 설정되어 있는 경우에는 다양한 환경에서 배터리 팩을 효율적이고 안정적으로 사용하는데에 문제가 될 수 있다.
본 발명은 배터리 팩에 제공되는 충전 전류의 특성에 따라 보호 레벨을 다르게 설정함으로써 상이한 환경에서 배터리 팩을 효율적으로 사용할 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 전기 자동차의 충전 제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 충방전 가능한 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 상기 배터리 모듈의 보호 전류 레벨을 설정하고, 상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류의 크기가 상기 보호 전류 레벨 이상인 경우, 상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류를 차단하는 보호부 및 상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류의 특성을 분석하여 제1 충전모드 또는 제2 충전모드 여부를 판단하는 충전모드 판단부를 포함하고, 상기 보호부는 상기 보호 전류 레벨을 상기 제1 충전모드 또는 제2 충전모드에 대응하여 서로 다르게 설정한다.
또한, 상기 보호부는 상기 제2 충전모드에서의 보호 전류 레벨을 상기 제1 충전모드에서의 보호 전류 레벨보다 높게 설정할 수 있다.
또한, 상기 충전모드 판단부는 상기 충전 전류의 파형 특성을 분석하여 충전모드를 판단할 수 있다.
또한, 상기 충전모드 판단부는 상기 충전 전류가 일정 시간동안 제1 임계값 이상 제2 임계값 이하의 값을 갖는 경우, 제1 충전모드로 판단할 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류 및 상기 배터리 모듈로부터 출력되는 방전 전류를 차단하기 위한 충전 스위치 및 방전 스위치를 더 포함하고, 상기 보호부는 상기 충전 스위치 및 방전 스위치를 제어하는 제어 신호를 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차의 충전 제어 시스템은, 충방전 가능한 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 상기 배터리 팩의 보호 전류 레벨을 설정하고, 상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류의 크기가 상기 보호 전류 레벨 이상인 경우, 상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류를 차단하는 보호부, 상기 배터리 모듈로부터 출력되는 방전 전류에 의해 구동되는 모터부 및 상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류의 특성을 분석하여 제1 충전모드 또는 제2 충전모드 여부를 판단하는 충전모드 판단부를 포함하고, 상기 보호부는 상기 보호 전류 레벨을 상기 제1 충전모드 또는 제2 충전모드에 대응하여 서로 다르게 설정한다.
또한, 상기 제1 충전모드는 충전기에 의한 충전모드이고, 상기 제2 충전모드는 상기 모터부로부터 공급되는 회생 전류에 의한 충전모드일 수 있다.
또한, 상기 보호부는 상기 제2 충전모드에서의 보호 전류 레벨을 상기 제1 충전모드에서의 보호 전류 레벨보다 높게 설정할 수 있다.
또한, 상기 충전모드 판단부는 상기 충전 전류의 파형 특성을 분석하여 충전모드를 판단할 수 있다.
또한, 상기 충전모드 판단부는 상기 충전 전류가 일정 시간동안 제1 임계값 이상 제2 임계값 이하의 값을 갖는 경우, 제1 충전모드로 판단할 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류 및 상기 배터리 모듈로부터 출력되는 방전 전류를 차단하기 위한 충전 스위치 및 방전 스위치를 더 포함하고, 상기 보호부는 상기 충전 스위치 및 방전 스위치를 제어하는 제어 신호를 출력할 수 있다.
본 발명은 배터리 팩에 제공되는 충전 전류의 특성에 따라 보호 레벨을 다르게 설정함으로써 상이한 환경에서 배터리 팩을 효율적으로 사용할 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 전기 자동차의 충전 제어 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩과 충전기의 연결을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차의 충전 제어 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 회생 충전시의 충전 전류의 파형을 나타내는 도면이다.
도 5는 충전기를 이용한 충전시의 충전 전류 및 충전 전압을 나타내는 도면이다.
이제, 예시적인 실시예들이 첨부 도면들을 참조로 아래에서 더욱 자세히 설명될 것이다. 그러나, 여러 형태로 구체화될 수 있으며, 본 명세서에서 설명되는 실시예들로 한정되는 것으로 간주되어서는 안 된다. 이러한 실시예들은 본 개시가 완전하고 완벽해지며, 예시적인 구현예들은 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 완전하게 전달할 수 있도록 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 예시적인 실시예들이 도시되는 첨부 도면들을 참조하여 더욱 완벽하게 실시예들이 설명될 것이다. 전체적으로 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 도면들에서, 동일하거나 대응하는 구성요소들에는 동일한 도면부호가 부여되고, 이에 대하여 중복하여 설명되지 않을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 배터리 모듈(11), 보호부(12) 및 충전모드 판단부(130)를 포함한다. 배터리 모듈(11)은 전력을 저장하는 부분으로, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 모듈(11)은 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결되는 복수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 배터리 모듈(11)에 포함되는 배터리 셀들의 개수는 요구되는 출력 전압에 따라서 결정될 수 있다.
배터리 모듈(11)은 단자들(P+, P-)을 통해 부하 및 충전 장치에 연결될 수 있다. 배터리 모듈(11)은 방전 시에 단자들(P+, P-)을 통해 부하에 전기 에너지를 출력하고, 충전 시에 단자들(P+, P-)을 통해 충전 장치로부터 입력되는 전기 에너지를 저장한다. 배터리 팩(10)이 전기 에너지로만 구동되는 순수 전기 자동차나 전기 에너지와 화석 연료로 구동되는 하이브리드 자동차와 같은 전기 자동차에 설치되는 경우, 상기 부하는 상기 전기 자동차의 구동 모터이고, 상기 충전 장치는 전기 자동차용 충전기 및 제동 시에 발생하는 에너지를 회생하여 발전하는 회생 발전기일 수 있다.
배터리 팩(10)이 발전 시스템, 부하 및/또는 계통과 배터리 팩(10) 사이에 연결되고 이들 상에 전기 에너지를 변환하는 전력 변환 장치와 함께 에너지 저장 장치를 구성하는 경우, 상기 부하는 상기 부하 및/또는 상기 계통일 수 있으며, 상기 충전 장치는 상기 발전 시스템 및/또는 상기 계통일 수 있다.
배터리 셀은 충전 가능한 이차 전지를 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀은 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal bydride battery), 리튬-이온 전지(lithium-ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등을 포함할 수 있다.
보호부(12)는 상기 배터리 모듈(11)의 보호 전류 레벨을 설정하고, 상기 배터리 모듈(11)로 공급되는 충전 전류의 크기가 상기 보호 전류 레벨 이상인 경우, 상기 배터리 모듈(11)로 공급되는 충전 전류를 차단한다.
보호부(12)는 배터리 모듈(11)에 과전류가 유입되는 것을 차단하기 위해서 보호 전류 레벨을 설정할 수 있다. 보호부(120)는 배터리 모듈(11)로 공급되는 충전 전류의 크기를 모니터링할 수 있으며, 배터리 모듈(11)로 일정 크기 이상의 높은 충전 전류가 공급되는 경우, 이를 차단함으로써 배터리 모듈(11)을 보호할 수 있다.
한편, 보호부(12)는 배터리 모듈(11)의 상태를 모니터링하고 배터리 모듈(11)의 충전 및 방전 동작을 포함하는 전반적인 동작을 제어한다. 보호부(12)는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)으로 지칭될 수 있다.
보호부(12)는 배터리 모듈(11)의, 예컨대, 셀 전압, 온도, 충전 및 방전 전류 등과 같은 파라미터들을 측정하고, 측정된 데이터들을 기초로 배터리 모듈(11)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다. 보호부(12)는 측정된 데이터들로부터 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, SOC) 등을 산출하거나, 배터리 모듈(11)에 이상이 발생하였는지 여부를 판단할 수 있다. 예컨대, 과충전, 과방전, 과전류, 과전압, 과열, 배터리 셀 임밸런싱, 배터리 셀의 열화 등과 같은 이상이 발생하였는지를 판단할 수 있다. 이상이 발생한 경우, 보호부(12)는 내부의 알고리즘에 따라 정해진 동작을 수행할 수 있다. 예컨대, 보호부(12)는 충전 스위치 및/또는 방전 스위치를 제어하거나, 퓨즈를 절단시킬 수 있다. 보호부(12)는 측정된 데이터들 및 미리 정해진 알고리즘에 따라서 배터리 모듈(11)의 배터리 셀들의 셀 밸런싱 동작을 제어할 수 있다.
충전모드 판단부(13)는 상기 배터리 모듈(11)로 공급되는 충전 전류의 특성을 분석하여 제1 충전모드 또는 제2 충전모드 여부를 판단한다. 배터리 모듈(11)로 공급되는 충전 전류는 다양한 소스로부터 제공될 수 있는데, 상기 배터리 팩(10)이 전기 에너지로만 구동되는 순수 전기 자동차나 전기 에너지와 화석 연료로 구동되는 하이브리드 자동차와 같은 전기 자동차에 설치되는 경우, 상기 충전 전류는 상기 전기 자동차에 연결되는 충전 장치로부터 제공될 수 있다. 또는, 상기 충전 전류는 내리막 길이나 제동시에 상기 전기 자동차의 구동 모터에서 출력되는 회생 전류일 수 있다.
배터리 팩(10)이 발전 시스템, 부하 및/또는 계통과 배터리 팩(10) 사이에 연결되고 이들 상에 전기 에너지를 변환하는 전력 변환 장치와 함께 에너지 저장 장치를 구성하는 경우, 상기 충전 전류는 상기 계통으로부터 제공될 수 있다.
배터리 팩(10)에 충전 전류를 제공하는 소스의 종류 및/또는 특성에 따라서 충전 전류는 서로 다른 특성을 가질 수 있으며, 상기 특성은 대표적으로 일정 시간 당 전류 크기의 변화량으로 나타낼 수 있다.
충전모드 판단부(13)는 상기 충전 전류의 특성에 대응하여 충전모드를 판단하고 현재의 충전모드에 관한 정보를 보호부(12)에 제공할 수 있다.
보호부(12)는 충전모드 판단부(13)로부터 제공된 충전모드에 따라 상기 보호 전류 레벨을 다르게 설정한다. 예를 들어, 제1 충전모드에서의 보호 전류 레벨은 제2 충전모드에서의 보호 전류 레벨보다 높게 설정될 수 있다. 또는, 제2 충전모드에서의 보호 전류 레벨이 제1 충전모드에서의 보호 전류 레벨보다 높게 설정될 수 있다.
충전 장치, 계통 또는 구동 모터로부터 제공되는 충전 전류의 크기 또는 시간에 따른 변화는 서로 다를 수 있으며, 과전류를 제한하는 보호 전류 레벨이 하나의 값으로 설정되어 있는 경우, 정상적인 충전 전류임에도 불구하고 보호부(12)의 보호 동작이 수행되어 충전이 차단될 수 있다. 운행중인 전기 자동차에서 정상적인 충전 전류를 과전류로 판단하여 릴레이 등 보호 소자가 턴-오프(turn-off) 되면 차량이 갑자기 정지하는 문제가 발생할 가능성도 존재한다.
충전모드 판단부(13)는 충전 전류의 특성을 분석하여 상기 충전 전류를 제공하는 소스의 유형을 판단하고, 보호부(12)는 충전모드 판단부(13)의 판단 결과에 대응하는 보호 전류 레벨을 설정함으로써 배터리 팩(10)이 정상 동작할 수 있는 환경을 제공할 수 있다.
한편, 충전모드 판단부(13)는 충전 전류의 파형을 분석하여 충전모드를 판단할 수 있는데, 예를 들어, 충전 전류의 크기가 미리 설정된 시간 동안 제1 임계값 내지 제2 임계값의 범위에서 변화하는지 여부를 기준으로 제1 충전모드인지 제2 충전모드인지 여부를 판단할 수 있다.
예를 들어, 충전모드 판단부(13)는 3분 동안 충전 전류가 10A 내지 30A의 범위에서만 변화하는 경우, 충전기와 같은 일반적인 충전 장치에 의한 충전으로 판단할 수 있다. 반대로, 3분 동안 10A 미만 또는 30A를 초과하는 충전 전류가 인가되는 경우에는 충전기가 아닌 다른 소스에 의한 충전으로 판단할 수 있다.
배터리 팩(10)이 전기 자동차에 장착되어 사용되는 경우, 3분 동안 30A를 초과하는 충전 전류가 인가되는 경우에는, 충전모드 판단부(13)는 모터에 의한 회생 충전으로 판단할 수 있다. 이때, 모터에 의한 회생 충전은 제2 충전모드일 수 있으며, 충전모드 판단부(13)는 현재 제2 충전모드로 충전 중임을 보호부(12)에 알려준다. 보호부(12)는 제2 충전모드에 대응하는 보호 전류 레벨을 설정할 수 있으며, 이 경우에 제2 충전모드에 대응하는 보호 전류 레벨은 제1 충전모드에 대응하는 보호 전류 레벨보다 높을 수 있다.
일반적으로, 충전기를 이용한 충전의 경우에는 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage) 충전을 하기 ‹š문에 전류의 변화량이 작고, 충전 전류의 크기가 제한적이다. 예컨대, 20A의 충전기인 경우에 충전 전류는 20A 이하이다.
배터리 모듈(11)에 인가되는 충전 전류가 충전기의 전류 용량 이하로 인가되고, 미리 설정된 시간 동안 전류의 변화량이 일정량 이하인 경우, 충전모드 판단부(13)는 충전기가 연결되어 있다고 판단할 수 있다.
한편, 배터리 팩(10)은 상기 배터리 모듈(11)로 공급되는 충전 전류 및 상기 배터리 모듈(11)로부터 출력되는 방전 전류를 차단하기 위한 충전 스위치(14) 및 방전 스위치(15)를 더 포함할 수 있다.
충전 스위치(14)가 턴-오프 되면, 단자들(P+, P-)을 통해 외부에서 배터리 모듈(11)로 공급되는 충전 전류가 차단되고, 방전 스위치(15)가 턴-오프 되면, 배터리 모듈(11)에서 출력되어 부하로 공급되는 방전 전류가 차단된다.
충전 스위치(14) 및 방전 스위치(15)의 스위칭 동작은 보호부(12)에 의해 이루어질 수 있으며, 보호부(12)는 충전 스위치(14)와 방전 스위치(15)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.
보호부(12)는 현재 설정된 보호 전류 레벨을 초과하는 크기의 충전 전류가 공급되는 경우, 충전 스위치(14)를 턴-오프 함으로써, 배터리 팩(10)에 과전류로 인한 이상 상태가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩과 충전기의 연결을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 배터리 팩과 연결된 충전기(160)를 나타내며, 배터리 팩과 충전기(160)는 단자들(P+, P-)을 통해 서로 연결된다. 배터리 팩은 배터리 모듈(110), 보호부(120), 충전모드 판단부(130) 및 충방전 스위치(140, 150)를 포함하며, 도 1을 참조로 하여 설명한 바와 같은 동작을 수행한다.
충전기(160)에 의해 배터리 팩으로 충전 전류가 공급되면, 충전모드 판단부(130)는 상기 충전 전류의 특성을 분석한다. 충전기(160)에 의한 충전이 이루어지는 경우에 공급되는 충전 전류는 대체로 전류의 변화량이 적으므로 이러한 전류 특성에 따라 충전모드 판단부(130)는 현재 충전기에 의한 충전 전류가 공급되고 있는 것으로 판단할 수 있다.
충전모드 판단부(130)는 이러한 정보를 보호부(120)에 제공하고, 보호부(120)는 충전기에 의한 충전모드에 대응하는 보호 전류 레벨에 따라 배터리 팩에 대한 보호 동작을 수행한다.
예컨대, 충전기에 의한 충전모드를 제1 충전모드라 하고, 제1 충전모드에서의 보호 전류 레벨이 30A인 경우, 보호부(120)는 30A를 초과하는 크기의 충전 전류가 인가되면 충전 스위치(140)에 제어 신호를 출력하여 충전 스위치(140)를 턴-오프 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차의 충전 제어 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
전기 자동차의 충전 제어 시스템(100)은, 충방전 가능한 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈(110), 상기 배터리 모듈(110)의 보호 전류 레벨을 설정하고, 상기 배터리 모듈(110)로 공급되는 충전 전류의 크기가 상기 보호 전류 레벨 이상인 경우, 상기 배터리 모듈(110)로 공급되는 충전 전류를 차단하는 보호부(120), 상기 배터리 모듈(110)로 공급되는 충전 전류의 특성을 분석하여 제1 충전모드 또는 제2 충전모드 여부를 판단하는 충전모드 판단부(130)를 포함한다.
그리고, 상기 시스템(100)은 상기 배터리 모듈로부터 출력되는 방전 전류에 의해 구동되는 구동부(170)를 포함한다. 도 3에서 구동부(170)는 3상 모터로 표현되어 있으며, 상기 시스템(100)은 구동부(170)에서 발생한 전력을 변환하여 배터리 팩에 제공하기 위한 컨버터(180)를 포함할 수 있다.
컨버터(180)는 구동부(170)에 포함되는 코일과 각각 연결되는 트랜지스터를 포함할 수 있으며, 직렬로 연결되는 한 쌍의 트랜지스터가 하나의 코일과 직렬로 연결될 수 있다. 도 3과 같이 구동부(170)에 3 개의 코일이 포함된 경우, 컨버터(180)는 3 쌍의 트랜지스터를 포함할 수 있으며, 상기 3 쌍의 트랜지스터는 서로 병렬로 연결될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 상기 시스템(100)은 전기 자동차에 사용되는 것으로 기재되어 있으나, 반드시 전기 자동차에 사용하기 위한 것으로 제한되는 것은 아니며, 전기 자전거, 전기 오토바이와 같이 2차 전지로부터 공급받은 전력을 활용하여 동력을 얻는 이동 수단에도 상기 시스템(100)이 적용될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다.
구동부(170)는 배터리 팩으로부터 전기 에너지를 공급받고, 공급받은 전기 에너지를 운동 에너지로 변환하여 전기 자동차를 움직일 수 있다. 그리고, 구동부(170)는 전기 자동차의 바퀴와 연결되어 회생 에너지를 생성할 수 있다.
내리막 길을 주행하는 경우에는 배터리 팩으로부터 공급되는 전기 에너지가 없는 경우에도 주행이 가능하고, 이때 바퀴의 회전을 통해 생성되는 에너지를 이용하여 구동부(170)에서 회생 에너지가 생성될 수 있다. 구동부(170)는 회생 에너지를 배터리 팩으로 공급할 수 있으며, 배터리 팩은 구동부(170)으로부터 제공된 회생 에너지를 배터리 모듈(110)에 저장할 수 있다. 그리고, 회생 에너지는 회생 전류의 형태로 배터리 팩에 공급된다.
한편, 구동부(170)에 의한 배터리 모듈(110)의 충전은 전기 자동차의 제동시에도 이루어질 수 있다. 전기 자동차에 제동력이 가해지면 구동부(170)의 토크의 방향이 바뀌어 토크가 음의 값이 되므로 구동부(170)가 발전기로 동작할 수 있다. 이때, 생성되는 전기 에너지는 배터리 팩으로 공급되어 배터리 모듈(110)에 저장될 수 있다.
충전모드 판단부(130)는 구동부(170)로부터 공급되는 충전 전류의 특성을 분석하여, 구동부(170)에 의해 충전 중인지 여부를 판단한다. 보호부(120)는 충전모드 판단부(130)의 판단 결과에 따라 배터리 팩에 대한 보호 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 구동부(170)에서 출력되는 회생 전류에 의한 충전모드는 제2 충전모드이고, 제2 충전모드에서의 보호 전류 레벨이 50A 인 경우, 보호부(120)는 50A 이하의 전류가 공급되는 경우에는 보호 동작을 수행하지 않을 수 있으며, 50A를 초과하는 전류가 공급되는 경우에는 충전 전류를 차단하는 보호 동작을 수행할 수 있다.
한편, 상기 배터리 모듈(110), 보호부(120) 및 충전모드 판단부(130)는 배터리 팩을 구성할 수 있으며, 상기 배터리 팩은 충전 스위치(140)와 방전 스위치(150)를 더 포함할 수 있다.
앞선 예시와 같이 제2 충전모드에서 보호 전류 레벨을 초과하는 전류가 상기 배터리 팩으로 인가되는 경우, 보호부(120)는 제어 신호를 출력하여 상기 충전 스위치(140)를 턴-오프 시킨다. 충전 스위치(140)가 턴-오프 되면 배터리 팩 외부에서 공급되는 충전 전류의 경로가 차단되어, 배터리 모듈(110)은 더 이상 충전되지 않으며, 결과적으로 배터리 팩을 과전류에 의한 이상 상태 발생으로부터 보호할 수 있다.
도 4는 회생 충전시의 충전 전류의 파형을 나타내는 도면이다.
도 4의 그래프는 시간에 따른 회생 전류(충전 전류)의 크기 변화량을 나타낸다. 상기 그래프에서 음의 값을 갖는 전류는 배터리 팩에서 출력되는 방전 전류를 나타내며, 방전 전류가 존재하는 구간에서는 배터리 팩에서 출력되는 에너지에 의해 전기 자동차가 구동되는 것으로 이해할 수 있다.
반대로, 양의 값을 갖는 전류는 도 3을 참조로 하여 설명한 바와 같은 구동부(170)에서 발생한 회생 전류일 수 있으며, 회생 전류가 존재하는 구간은 전기 자동차가 내리막 길에서 스스로 전기 에너지를 생성하거나, 제동을 통해 전기 에너지를 생성하고, 생성된 전기 에너지가 배터리 팩에 저장되는 구간으로 이해할 수 있다.
한편, 도 4의 그래프와 같이 회생 충전시 발생하는 회생 전류는 시간에 따라 불규칙한 형태로 발생할 수 있으며, 회생 충전에 의한 배터리 충전과 배터리의 방전은 일관된 패턴을 갖지 않으므로, 회생 충전시의 보호 전류 레벨은 일반적인 충전기에 의한 충전시와는 다른 값으로 설정되어야 한다.
도 4에 도시되는 바와 같이, 회생 충전시에는 불규칙적인 피크를 갖는 충전 전류가 인가될 수 있으며, 이러한 전류를 과전류로 판단하여 충전 스위치가 턴-오프 되는 경우에는 전기 자동차가 주행 중 갑자기 멈춰버리는 문제가 발생할 수 있으며, 이는 심각한 사고로도 이어질 수 있다.
도 5는 충전기를 이용한 충전시의 충전 전류 및 충전 전압을 나타내는 도면이다.
도 5의 그래프에서 실선은 충전 전압의 크기를 나타내고, 파선은 충전 전류의 크기를 나타낸다. 그리고, x축은 시간을 의미한다. 도 5를 참조하면, CC(Constant Current) 충전 구간에서는 일정한 크기의 전류가 인가되어 배터리 팩의 전압이 서서히 증가하고, CC 충전이 끝나고 CV(Constant Voltage) 구간에서는 일정한 크기의 전압이 인가되고, 충전 전류의 크기는 충전 종료 전류(Terminate Current)까지 감소한다.
도 5를 참조하면, 충전기를 이용한 충전의 경우에는 CC-CV 충전을 하기 ‹š문에 전류의 변화량이 작고, 충전 전류의 크기가 제한적이다. 예를 들어, 20A의 충전기인 경우에 충전 전류는 20A 이하이다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩(10) 또는 전기 자동차의 충전 제어 시스템(100)에서 충전모드 판단부(13, 130)는 도 5의 그래프와 같은 충전 전류가 인가되는 경우에는, 일반적인 충전기에 의한 충전이 이루어지고 있는 것으로 판단하고, 보호부(12, 120)는 이에 대응하는 보호 전류 레벨에 따른 보호 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 충전기에 의한 충전이 이루어지는 경우, 충전모드 판단부(13, 130)는 이를 제1 충전모드로 판단하고, 보호부(12, 120)는 제1 충전모드에 따른 보호 전류 레벨에 대응하는 보호 동작을 수행할 수 있다. 제1 충전모드에서의 보호 전류 레벨은 충전기의 정격 충전 전류에 따라 달라질 수 있으며, 예컨대, 20A의 충전기의 경우의 보호 전류 레벨은 30A로 설정될 수 있다.
한편, 도 4를 참조로 하여 설명한 바와 같이, 전기 자동차의 구동부에 의한 회생 충전이 이루어지는 경우, 충전모드 판단부(13, 130)는 이를 제2 충전모드로 판단하고, 보호부(12, 120)는 제2 충전모드에 따른 보호 전류 레벨에 대응하는 보호 동작을 수행할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 회생 충전시에는 불규칙한 충전 전류가 인가되므로, 제2 충전모드에서의 보호 전류 레벨은 제1 충전모드에서의 보호 전류 레벨보다 높게 설정될 수 있다. 예를 들어, 제2 충전모드에서의 보호 전류 레벨은 40A로 설정될 수 있으며, 이때에는, 40A를 초과하지 않되, 제1 충전모드에서의 보호 전류 레벨을 초과하는 충전 전류가 인가되는 경우에도 보호부(12, 120)에 의한 충전 차단 동작이 수행되지 않는다.
이상, 도 1 내지 도 5를 참조로 하여 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩(10) 및 이를 포함하는 전기 자동차의 충전 제어 시스템(100)은, 배터리 팩으로 공급되는 충전 전류의 특성에 따라 보호 전류 레벨, 즉 충전 차단 전류의 크기를 다르게 설정함으로써 다양한 환경에서 배터리 팩을 효율적이고 안정적으로 사용할 수 있는 효과를 제공한다.
본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한, 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 배터리 팩 11, 110: 배터리 모듈
12, 120: 보호부 13, 130: 충전모드 판단부
14, 140: 충전 스위치 15, 150: 방전 스위치
160: 충전 장치 170: 구동부
180: 컨버터

Claims (11)

  1. 충방전 가능한 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈의 보호 전류 레벨을 설정하고, 상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류의 크기가 상기 보호 전류 레벨 이상인 경우, 상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류를 차단하는 보호부; 및
    상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류의 특성을 분석하여 제1 충전모드 또는 제2 충전모드 여부를 판단하는 충전모드 판단부;
    를 포함하고,
    상기 보호부는 상기 보호 전류 레벨을 상기 제1 충전모드 또는 제2 충전모드에 대응하여 서로 다르게 설정하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보호부는 상기 제2 충전모드에서의 보호 전류 레벨을 상기 제1 충전모드에서의 보호 전류 레벨보다 높게 설정하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충전모드 판단부는 상기 충전 전류의 파형 특성을 분석하여 충전모드를 판단하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충전모드 판단부는 상기 충전 전류가 일정 시간동안 제1 임계값 이상 제2 임계값 이하의 값을 갖는 경우, 제1 충전모드로 판단하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류 및 상기 배터리 모듈로부터 출력되는 방전 전류를 차단하기 위한 충전 스위치 및 방전 스위치를 더 포함하고,
    상기 보호부는 상기 충전 스위치 및 방전 스위치를 제어하는 제어 신호를 출력하는 배터리 팩.
  6. 충방전 가능한 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈의 보호 전류 레벨을 설정하고, 상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류의 크기가 상기 보호 전류 레벨 이상인 경우, 상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류를 차단하는 보호부;
    상기 배터리 모듈로부터 출력되는 방전 전류에 의해 구동되는 구동부; 및
    상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류의 특성을 분석하여 제1 충전모드 또는 제2 충전모드 여부를 판단하는 충전모드 판단부;
    를 포함하고,
    상기 보호부는 상기 보호 전류 레벨을 상기 제1 충전모드 또는 제2 충전모드에 대응하여 서로 다르게 설정하는 전기 자동차의 충전 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 충전모드는 충전기에 의한 충전모드이고, 상기 제2 충전모드는 상기 구동부로부터 공급되는 회생 전류에 의한 충전모드인 전기 자동차의 충전 제어 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 보호부는 상기 제2 충전모드에서의 보호 전류 레벨을 상기 제1 충전모드에서의 보호 전류 레벨보다 높게 설정하는 전기 자동차의 충전 제어 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 충전모드 판단부는 상기 충전 전류의 파형 특성을 분석하여 충전모드를 판단하는 전기 자동차의 충전 제어 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 충전모드 판단부는 상기 충전 전류가 일정 시간동안 제1 임계값 이상 제2 임계값 이하의 값을 갖는 경우, 제1 충전모드로 판단하는 전기 자동차의 충전 제어 시스템.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 배터리 모듈로 공급되는 충전 전류 및 상기 배터리 모듈로부터 출력되는 방전 전류를 차단하기 위한 충전 스위치 및 방전 스위치를 더 포함하고,
    상기 보호부는 상기 충전 스위치 및 방전 스위치를 제어하는 제어 신호를 출력하는 전기 자동차의 충전 제어 시스템.
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