KR20170025629A

KR20170025629A - 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치

Info

Publication number: KR20170025629A
Application number: KR1020150122361A
Authority: KR
Inventors: 양기일
Original assignee: (주)엠피에스코리아
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2017-03-08

Abstract

본 발명은 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치는 발전 모듈 및 구동모터와 전기적으로 연결되어 제1, 제2 단자를 통하여 발전 모듈 및 구동모터와 병렬 연결되어 발전모듈로 전송되는 전력을 수신받아 배터리부로 충전전력을 저장하고, 구동모터로 전력을 공급하는 배터리 팩, 외부 장치와 동력으로 연동되어, 차량의 충전 장치와 구동모터의 구동에 따른 동력을 전기적인 출력으로 변환하여 배터리 팩의 충전전력 생성을 위해 배터리 팩의 제1, 제2 단자를 통하여 해당 전원을 생성, 저장하는 발전 모듈, 배터리 팩)의 제1, 제2 단자를 통하여 저장된 전력을 공급받아, 차량 엔진의 시동, 배터리 팩과 연동된 구동장치의 구동신호에 따라 구동축을 회전시켜 장치의 동작에 관여하는 구동모터를 포함하여 구성된다.

Description

복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치{An apparatus of algorism for charging and recharging numerous battery}

본 발명은 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬 이온 전지를 이용함으로써 충방전 전위 프로파일 특성을 이용하여, 간단한 연산으로 배터리 모듈의 SOC 상태를 예측하여 배터리를 일정구간에서 반복적으로 사용하여도 메모리 효과가 방지될수 있고, 메모리 효과를 인한 배터리 사용 에너지 감소를 미연에 방지하여 차량 또는 구동장치의 효율 개선 및 배터리 수명을 연장시킬 수 있는 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘에 관한 것이다.

일반적으로, 각종 물품, 중량물을 운반하기 위한 수단으로 운반차가 많이 사용되고 있다. 전기 운반차는 기존 운반차에 배터리, 모터, 컨트롤러, 기계 장치 및 제어 장치 등을 장착하여 전기의 힘으로 구동하게 되는데, 현재 많은 곳에서 배터리를 이용한 기기가 사용되어지고 있다. 스마트폰, 노트북 등 휴대용 전자기기부터 배터리를 이용한 충전 가능한 전기차 등 배터리를 이용한 물품들이 사용되어지고 있는 상황에서 배터리의 성능이 전체 기기의 성능을 가늠할 수 있는 척도가 되고 있다.

대용량의 배터리를 사용하기 위해서 배터리 셀 또는 팩을 여러개의 직병렬 연결을 통한 배터리 팩 형태의 이차전지로 사용하고 있다. 배터리 팩 형태를 구성하는 방법에는 배터리 셀의 양극과 음극 단자에 니켈 극판을 대어서 점(spot) 용접을 하는 경우와 배터리 셀들을 고정 할 수 있는 구조물과 배터리 셀 간의 양극 단자들을 니켈 극판 등을 연결 및 고정 시켜서 배터리 셀을 포함한 배터리 팩을 제작하는 경우가 있다.

통상적으로 이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 이차전지는 적용되는 외부기기의 종류에 따라 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 다수의 전지들을 연결하여 하나의 단위로 묶은 전지 모듈의 형태로 사용하게 되는데, 엔진 시동을 위한 고출력을 낼 수 있는 출력 특성과 잦은 시동에도 불구하고 충, 방전특성이 강건하게 유지되고, 장 수명이 보장되어야 한다. 그런데, 기존의 납 축전지는 ISG 시스템 하에서 빈번하게 엔진 중지 및 재시동이 반복됨에 따라 충, 방전 특성이 열화되고 장시간 사용할 수 없다는 문제가 있다. 따라서, ISG 시스템 상에서 필요한 배터리의 리튬 이온 이차 전지의 사용이 증가하고 있으며, 고출력이 가능한 리튬 이온 이차 전지의 사용이 증가하고 있다.

따라서, 간단한 연산을 통해 배터리 충.방전 확인을 통해 메모리 효과의 효율적인 개선 및 배터리 수명 연장에 대한 기술적인 고찰이 필요하다.

이에 본 발명은 배터리 팩 내에 알고리즘을 통해 충.방전 확인 및 메모리의 효율적인 상태를 확인하는 장치를 제공하기 위해 본 발명을 제안한다.

1. 셀 홀더(Cell Holder) (특허출원번호 제10-2012-0011174호) 2. 2차 전지용 배터리팩(A BATTERY PACK FOR SECONDARY BATTERY) (특허출원번호 제10-2007-0002135호)

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 리튬 이온 전지를 이용함으로써 충방전 전위 프로파일 특성을 이용하여, 간단한 연산으로 배터리 모듈의 SOC 상태를 예측하여 배터리를 일정구간에서 반복적으로 사용하여도 메모리 효과가 방지될수 있고, 메모리 효과를 인한 배터리 사용 에너지 감소를 미연에 방지하여 차량 또는 구동장치의 효율 개선 및 배터리 수명을 연장시킬 수 있는 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치는 발전 모듈 및 구동모터와 전기적으로 연결되어 제1, 제2 단자를 통하여 발전 모듈 및 구동모터와 병렬 연결되어 발전모듈로 전송되는 전력을 수신받아 배터리부로 충전전력을 저장하고, 구동모터로 전력을 공급하는 배터리 팩, 외부 장치와 동력으로 연동되어, 차량의 충전 장치와 구동모터의 구동에 따른 동력을 전기적인 출력으로 변환하여 배터리 팩의 충전전력 생성을 위해 배터리 팩의 제1, 제2 단자를 통하여 해당 전원을 생성, 저장하는 발전 모듈, 배터리 팩)의 제1, 제2 단자를 통하여 저장된 전력을 공급받아, 차량 엔진의 시동, 배터리 팩과 연동된 구동장치의 구동신호에 따라 구동축을 회전시켜 장치의 동작에 관여하는 구동모터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명의 실시예에 따른 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치는 상기 배터리 팩은, 차량 등 구동장치의 동작 및 구동의 반복적인 엔진의 중지와 재시동이 빈번하게 반복됨에 따라 발전모듈을 통해 전원을 충전전원을 변환하거나 전원 충.방전상태 및 과충전, 과방전 보호, 과전압 보호, 과열 방지, 과열 보호, 배런싱 동작을 통해 배터리 팩의 전반적인 동작을 제어하는 제어부, 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 발전모듈을 통해 인가되는 전원을 배터리 구동에 필요한 DC 전원 변환하여 충전하거나, 차량 등 구동장치의 동작에 필요한 전원으로 사용하는 배터리부, 사기 제어부의 제어신호에 반응하여 직병렬로 연결된 다수의 배터리 셀의 연결 조합을 통해 정격 충전전압 및 충전용량을 조정하거나 배터리 팩의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, SOC 등을 측정하여 측정결과를 상기 제어부의 제어신호에 따라 발전모듈 또는 구동 모터를 제어에 필요한 알고리즘이 구비된 SOC 알고리즘부를 더 포함하는 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치는 상기 SOC 알고리즘부은 상기 제어부의 제어신호에 따라 배터리 부의 충방전을 위한 전원을 획득하거나, 선형 충방전 특성을 획득하여 해당 배터리 팩의 충방전 특성 및 상태 정보를 예측, 획득하는 배터리 특성 획득부, 상기 제어부의 제어신호에 반응하여 배터리부의 과충전, 과방전, 과전류, 과전압, 과열 등의 상태 정보를 확인하기 위하여 해당 배터리 팩의 충방전 특성 및 상태를 모니터하는 모니터링부, 배터리 팩의 SOC(State of Charge) 충전 상태를 예측하게 되는 상기 배터리 특성 획득부는 미리 입력받은 배터리 특성을 보여주는 데이터를 기초로 직접 충방전의 반복적인 통작을 통해 시간에 대한 SOC를 기록한 데이터를 참조하여충.방전 상태를 확인하는 상기 SOC 예측부, 상기 상기 모니터링부에서 해당 배터리 팩의 충방전 특성 및 상태에 따라 배터리 팩의 과충전, 과방전, 과전류, 과전압, 과열 등의 상태 정보를 송출하는 출력부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치는 리튬 이온 전지를 이용함으로써 충방전 전위 프로파일 특성을 이용하여, 간단한 연산으로 배터리 모듈의 SOC 상태를 예측하여 배터리를 일정구간에서 반복적으로 사용하여도 메모리 효과가 방지될수 있고, 메모리 효과를 인한 배터리 사용 에너지 감소를 미연에 방지하여 차량 또는 구동장치의 효율 개선 및 배터리 수명을 연장시킬 수 있는 효과를 제공한다.

도 1에는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치의 내부 단면도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치의 SOC 알고리즘부의 내부 구성을 도시한 블록도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

첨부되 도 1은 본 발명의 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치의 내부 단면도로서 외부 주변장치와 연동되어 구동하게 된다.

본 발명에 따른 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치는 크게 배터리 팩(100), 발전모듈(200), 구동 모터(300)로 구성되고, 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치의 세부동작을 살펴보면, 먼저, 배터리 팩(100)는 제1, 제2 단자(P1, P2)와, 상기 제1, 제2 단자(P1,P2) 사이에 연결되어 충전전력을 공급받고, 제어부(110), 배터리부(130) 및 SOC 알고리즘부(150)를 포함하여 구성된다.

상기 배터리 팩(100)은 발전 모듈(200) 및 구동모터(300)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 제1, 제2 단자(P1,P2)를 통하여 발전 모듈(200) 및 구동모터 모터(300)와 병렬 연결될 수 있다.

즉 상기 배터리 팩(100)는 발전모듈(200)로 전송되는 전력을 수신받아 배터리부(130)로 충전전력을 저장하고, 구동모터(300)로 방전전력을 공급한다

상기 발전 모듈(200)은 외부 장치와 동력으로 연동되어, 차량 등 충전 장치와 구동모터(300)의 구동에 따른 동력을 전기적인 출력으로 변환하는데, 발전 모듈(200)로부터 생성된 충전전력은, 배터리 팩(100)의 제1, 제2 단자(P1,P2)를 통하여 배터리부(130)에 저장된다.

상기 배터리 팩(100)은, 차량 등 구동장치의 동작 및 구동의 반복적인 엔진의 중지와 재시동이 빈번하게 반복됨에 따라 배터리 팩(100)의 충, 방전이 반복된다.

상기 제어부(110)는 발전모듈을 통해 전원을 충전전원을 변환하거나 전원 충.방전상태 및 과충전, 과방전 보호, 과전압 보호, 과열 방지, 과열 보호, 배런싱 동작을 통해 배터리 팩의 전반적인 동작을 제어한다.

상기 배터리부(130)는 상기 제어부(110)의 제어신호에 따라 상기 발전모듈(200)을 통해 인가되는 전원을 배터리 구동에 필요한 DC 전원 변환하여 충전하거나, 차량 등 구동장치의 동작에 필요한 전원으로 사용할 수 있도록 제공하게 된다.

상기 SOC 알고리즘부(150)는 제어부(110)의 제어신호에 반응하여 직병렬로 연결된 다수의 배터리 셀의 연결 조합을 통해 정격 충전전압 및 충전용량을 조정하거나 배터리 팩(100)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, SOC 등을 측정하여 측정결과를 상기 제어부(110)의 제어신호에 따라 발전모듈(200) 또는 구동 모터(300)을 제어하는 필요 알고리즘이 구비된다.

상기 발전모듈(200)은 차량 등의 구동장치의 알터네이터(alternator)를 포함하는 것으로 배터리팩(100)에 충전 전력을 공급할 뿐만 아니라, 차량의 구동에 따른 엔진이 가동을 위한 전력을 공급하게 된다.

상기 구동 모터(300)는, 차량의 시동, 배터리 팩과 연동된 구동장치의 구동신호에 따라 엔진의 구동축을 회전시키는 초기 회전동력을 제공하거나, 구동장치의 구동에 필요한 절차를 수행한다.

상기 구동모터(300)는 배터리 팩(100)의 제1, 제2 단자(P1,P2)를 통하여 저장된 전력을 공급받아, 차량 엔진의 시동, 구동장치의 동작신호에 따라 구동축을 회전시켜 장치의 동작에 관여한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치의 SOC 알고리즘부의 내부 구성을 도시한 블록도를 나타내는데, 상기 SOC 알고리즘부(150)는 배터리 특성 획득부(151), 모니터링부(153), SOC 예측부(155) 및 출력부(157)로 구성된다.

첨부된 도 1 내지 도 2를 참조하여 SOC 알고리즘부(150)의 세부동작을 살펴보면, 상기 배터리 특성 획득부(151)는 상기 제어부(110)의 제어신호에 따라 배터리 부(130)의 충방전을 위한 전원을 획득하게 된다.

상기 모니터링부(153)는 상기 제어부(110)의 제어신호에 반응하여 배터리부(130)의 과충전, 과방전, 과전류, 과전압, 과열 등의 상태 정보를 확인하기 위하여 해당 배터리 팩(100)의 충방전 특성 및 상태를 모니터링 한다.

즉 상기 배터리 특성 획득부(151)의 선형 충방전 특성을 획득하여 해당 배터리 팩(100)의 충방전 특성 및 상태 정보를 예측하게 된다.

상기 SOC 예측부(153)는 배터리 팩(100)의 SOC(State of Charge) 충전 상태를 예측하게 되는 상기 배터리 특성 획득부(151)는 미리 입력받은 배터리 특성을 보여주는 데이터를 기초로 직접 충방전의 반복적인 통작을 통해 시간에 대한 SOC를 기록한 데이터를 참조하는 것으로, 예측의 세부적인 동작은 후술하도록 한다.

또한, 상기 출력부(167)은 상기 상기 모니터링부(153)에서 해당 배터리 팩(100)의 충방전 특성 및 상태에 따라 배터리 팩(100)의 과충전, 과방전, 과전류, 과전압, 과열 등의 상태 정보를 송출하도록 구성된다.

상기 SOC 예측부(123)의 배터리 메모리 상태의 예측은 자동차가 일정영역을 반복 주행할 때 발생하는 메모리 현상을 방지할 수 있도록 수학식2에 의해서 충전상태를 계산하게 된다.

[수학식1]

여기에서

SOC : 충전 상태, I : 배터리로 충전/방전되는 전류

Ah_basic : 배터리의 기본 전류 용량이다.

상기 수학식은 배터리의 기본 전류 용량인 Ah_basic 변수를 통상 충전상태 영역 보존 모드와 고 충전상태 영역 확장 모드 및 저 충전상태 영역 확장 모드 등으로 구분하여 배터리 충전 방전에 따라 값을 틀리게 하는 것이다.

각 모드의 기준전류 용량은 표1에 나타낸 바와 같다.

모드별 기준전류 용량

	기준 전류용량(Ah_basic)
	배터리 충전(1 < OA)	배터리 충전(1 > OA)
일반 SOC 모드	Ah_basic	Ah_basic
고 SOC 영역 확장모드	Ah_basic * (a)	Ah_basic * (b)
저 SOC 영역 확장모드	Ah_basic * (b)	Ah_basic * (a)

여기에서 나타낸 바와 같이 통상 충전상태 보존 모드에서는 Ah_basic이 충전/방전 모드시 같으므로 통상 충전상태를 유지할 수 있고, 고 충전상태 영역 확장 모드에서는 Ah_basic에 충전시에는 a의 이득계수를 곱하며, 방전시에는 b의 이득 계수를 곱한다.

예를 들어 a를 1.1 b를 0.9로 설정하여 식2와 같이 충전상태를 계산하면 충전시 차량제어기에 보내주는 충전상태는 실제충전된 양보다 적게 계산되고 방전시에는 실제 방전된 양보다 많게 계산되어 실제 배터리는 고충전상태(High SOC)로 유도 된다.

이와 같은 방식으로 저 충전상태 영역 확장 모드에서는 충전시에는 배터리에 실제 충전되는 양보다 많게 계산되고 방전시에는 실제 방전되는 양보다 적게 계산되어 실제 배터리는 저 충전상태 영역으로 확장된다.

이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100 : 배터리 팩
110 : 제어부 130 : 배터리 부
150 : SOC 알고리즘부 151 : 배터리 특성 획득부
153 : 모니터링부 155 : SOC 예측부
157 : 출력부
200 : 발전모듈 300 : 구동모터

Claims

발전 모듈(200) 및 구동모터(300)와 전기적으로 연결되어 제1, 제2 단자(P1,P2)를 통하여 발전 모듈(200) 및 구동모터(300)와 병렬 연결되어 발전모듈(200)로 전송되는 전력을 수신받아 배터리부(130)로 충전전력을 저장하고, 구동모터(300)로 전력을 공급하는 배터리 팩(100),
외부 장치와 동력으로 연동되어, 차량의 충전 장치와 구동모터(300)의 구동에 따른 동력을 전기적인 출력으로 변환하여 배터리 팩의 충전전력 생성을 위해 배터리 팩(100)의 제1, 제2 단자(P1,P2)를 통하여 해당 전원을 생성, 저장하는 발전 모듈(200),
배터리 팩(100)의 제1, 제2 단자(P1,P2)를 통하여 저장된 전력을 공급받아, 차량 엔진의 시동, 배터리 팩과 연동된 구동장치의 구동신호에 따라 구동축을 회전시켜 장치의 동작에 관여하는 구동모터(300)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치
제 1 항에 있어서,
상기 배터리 팩(100)은,
차량 등 구동장치의 동작 및 구동의 반복적인 엔진의 중지와 재시동이 빈번하게 반복됨에 따라 발전모듈을 통해 전원을 충전전원을 변환하거나 전원 충.방전상태 및 과충전, 과방전 보호, 과전압 보호, 과열 방지, 과열 보호, 배런싱 동작을 통해 배터리 팩의 전반적인 동작을 제어하는 제어부(110),
상기 제어부(110)의 제어신호에 따라 상기 발전모듈(200)을 통해 인가되는 전원을 배터리 구동에 필요한 DC 전원 변환하여 충전하거나, 차량 등 구동장치의 동작에 필요한 전원으로 사용하는 배터리부(130),
사기 제어부(110)의 제어신호에 반응하여 직병렬로 연결된 다수의 배터리 셀의 연결 조합을 통해 정격 충전전압 및 충전용량을 조정하거나 배터리 팩(100)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, SOC 등을 측정하여 측정결과를 상기 제어부(110)의 제어신호에 따라 발전모듈(200) 또는 구동 모터(300)을 제어에 필요한 알고리즘이 구비된 SOC 알고리즘부(150)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치
제 2 항에 있어서,
상기 SOC 알고리즘부(150)은
상기 제어부(110)의 제어신호에 따라 배터리 부(130)의 충방전을 위한 전원을 획득하거나, 선형 충방전 특성을 획득하여 해당 배터리 팩(100)의 충방전 특성 및 상태 정보를 예측, 획득하는 배터리 특성 획득부(151),
상기 제어부(110)의 제어신호에 반응하여 배터리부(130)의 과충전, 과방전, 과전류, 과전압, 과열 등의 상태 정보를 확인하기 위하여 해당 배터리 팩(100)의 충방전 특성 및 상태를 모니터하는 모니터링부(153),
배터리 팩(100)의 SOC(State of Charge) 충전 상태를 예측하게 되는 상기 배터리 특성 획득부(121)는 미리 입력받은 배터리 특성을 보여주는 데이터를 기초로 직접 충방전의 반복적인 통작을 통해 시간에 대한 SOC를 기록한 데이터를 참조하여충.방전 상태를 확인하는 상기 SOC 예측부(155),
상기 상기 모니터링부(153)에서 해당 배터리 팩(100)의 충방전 특성 및 상태에 따라 배터리 팩(100)의 과충전, 과방전, 과전류, 과전압, 과열 등의 상태 정보를 송출하는 출력부(167)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복수의 배터리 충전 및 방전을 위한 알고리즘 장치.