KR20170087821A - 배터리 팩 충전 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 팩 충전 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 팩 충전 장치 및 방법이 개시된다. 일 실시 예에 따르면, 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 충전 장치는 배터리 정보를 기초로 배터리 팩의 충전 그룹별 충전 인자를 설정하는 충전 인자 설정부, 설정된 충전 그룹별 충전 인자를 기초로 배터리 팩을 충전 그룹 단위로 순차 충전하는 순차 충전부 및 충전 그룹 단위로 순차로 충전이 진행되는 도중에 개별 그룹 제어 인자 및 팩 제어 인자 중의 적어도 하나를 기초로 각 충전 그룹의 충전을 제어하는 충전 제어부를 포함할 수 있다.

Description

배터리 팩 충전 장치 및 방법 {Apparatus and Method for battery pack charging}
다수의 배터리 모듈 또는 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩의 충전 장치 및 방법과 관련된다.
최근 모바일 기기, 전기 자동차 등에서 배터리 사용이 급증하고 있으며, 배터리 용량이 점차 늘어나는 추세에 있다. 배터리 용량이 늘어남에 따라 배터리 급속 충전 기술에 대한 요구가 점차 증대되고 있다. 배터리 급속 충전 방법은 Step 충전 방법, 펄스 충전 방법 등 다양한 방법이 개발되고 있다. 배터리 충전속도와 배터리 수명은 trade-off관계에 있으나, 펄스 충전 방법을 통해 충전속도를 향상 시키면서도 수명저하를 지연시킬 수 있다. 일반적인 펄스 충전 방법은 고 전류의 펄스 충전 후 일정시간의 휴지기를 갖는 방식으로 이루어져있다. 이때 펄스의 크기와 펄스 유지 시간, 파형, 휴지기 시간 등을 다양한 방법을 통해 설계할 수 있다. 기존의 연구들은 배터리 셀 또는 팩 하나에 대해 전압, 온도 및 배터리 내부 상태 변수(과전압 등) 정보를 이용하여 충전 알고리즘을 도출한다.
배터리의 급속 충전을 수행하고, 배터리의 상태를 고려하여 순차 충전을 수행하는 장치 및 방법이 제시된다.
일 양상에 따르면, 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 충전 장치는 배터리 정보를 기초로 배터리 팩의 충전 그룹별 충전 인자를 설정하는 충전 인자 설정부, 설정된 충전 그룹별 충전 인자를 기초로 배터리 팩을 충전 그룹 단위로 순차 충전하는 순차 충전부 및 충전 그룹 단위로 순차로 충전이 진행되는 도중에, 개별 그룹 제어 인자 및 팩 제어 인자 중의 적어도 하나를 기초로 각 충전 그룹의 충전을 제어하는 충전 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 배터리 팩 충전 장치는 배터리 셀 또는 배터리 모듈의 성능, 배터리 팩 충전 장치의 최대 허용 피크 파워(peak power) 및 SOH(State Of Health)중 적어도 하나를 기초로, 배터리 팩의 배터리 셀 또는 배터리 모듈 중 적어도 하나를 기준 단위로 하여, 충전 그룹을 설정하는 그룹 설정부를 더 포함할 수 있다.
배터리 팩 충전 장치는 충전 그룹의 충전 중에 충전 상태를 모니터링하고, 배터리 셀, 배터리 모듈 및 충전 그룹 단위 중의 적어도 하나의 단위로 배터리 정보를 수집하는 모니터링부를 더 포함하고, 그룹 설정부는, 충전 그룹의 충전 진행에 따라 수집되는 배터리 정보를 기초로 상기 충전 그룹을 조정할 수 있다.
충전 그룹별 충전 인자는, 각 충전 그룹별 펄스 전류의 크기, 펄스 전류 유지 시간 및 펄스 주기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
순차 충전부는, 설정된 충전 그룹별 충전 인자에 따라 각 충전 그룹에 순차적으로 펄스 전류를 인가하되, 펄스 전류가 인가된 이전 충전 그룹의 휴지기에 다음 충전 그룹에 펄스 전류를 인가할 수 있다.
충전 제어부는 충전 그룹의 충전 중 충전 조건의 도달 여부를 판단하고, 충전 조건에 도달하지 않은 경우, 개별 그룹 제어 인자 및 팩 제어 인자 중의 적어도 하나를 미리 설정된 임계값과 비교하여 그 결과를 기초로 충전 그룹의 충전 인자를 조정할 수 있다.
충전 제어부는 조정된 충전 인자 중에서, 펄스 유지 시간을 미리 설정된 최소 유지 시간 과 비교하여, 비교 결과를 기초로 펄스 유지 시간을 초기값으로 초기화할 수 있다.
이때, 충전 제어부는 펄스 유지 시간이 초기화되면, 각 충전 그룹의 펄스 전류 크기를 공통 펄스 전류 크기로 조정할 수 있다.
충전 조건은 완전 충전 여부 및, 완전 충전이 아닌 경우 충전량 및 충전 시간 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
개별 그룹 제어 인자는 전압, 과 전위, 이온 농도분포, 온도 중의 적어도 하나를 포함하고, 팩 제어 인자는 온도편차, SOC(State Of Charge) 편차 및 SOH(State Of Health)편차 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
충전 제어부는 미리 정의된 SOC에 따른 충전 그룹별 최대 전류를 기초로 충전 그룹의 충전 인자를 조정할 수 있다.
충전 제어부는, 충전 조건과 각 충전 그룹의 배터리 정보를 기초로 그룹 연계 제어 여부를 결정하고, 각 충전 그룹을 연계하여 제어하는 것으로 결정되면, 각 충전 그룹의 충전 조건의 도달 비율에 따라 각 충전 그룹의 충전 인자를 그룹 연계하여 조정할 수 있다.
충전 제어부는, 펄스 유지 시간이 최소 유지시간 미만으로 조정된 충전 그룹의 펄스 유지 시간을 초기값으로 초기화하고, 각 충전 그룹의 충전 조건의 도달 비율에 따라 다른 충전 그룹의 펄스 유지 시간을 조정할 수 있다.
일 양상에 따른 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 충전 방법은 배터리 정보를 기초로 배터리 팩의 충전 그룹별 충전 인자를 설정하는 단계, 설정된 충전 그룹별 충전 인자를 기초로 배터리 팩을 충전 그룹 단위로 순차 충전하는 단계, 충전 그룹 단위로 순차로 충전이 진행되는 도중에, 개별 그룹 제어 인자 및 팩 제어 인자 중의 적어도 하나를 기초로 각 충전 그룹의 충전을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 배터리 팩 충전 방법은 배터리 셀 또는 배터리 모듈의 성능, 배터리 팩 충전 방법의 최대 허용 피크 파워(peak power) 및 SOH(State Of Health)중 적어도 하나를 기초로, 배터리 팩의 배터리 셀 또는 배터리 모듈 중 적어도 하나를 기준 단위로 하여, 충전 그룹을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
충전 그룹의 충전 중 충전 상태를 모니터링하고, 배터리 셀, 배터리 모듈 및 충전 그룹 단위 중의 적어도 하나의 단위로 배터리 정보를 수집하는 단계를 더 포함하고, 그룹 설정부는 충전 그룹의 충전 진행에 따라 수집되는 배터리 정보를 기초로 충전 그룹을 조정할 수 있다.
충전 그룹별 충전 인자는, 각 충전 그룹별 펄스 전류의 크기, 펄스 전류 유지 시간 및 펄스 주기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
순차 충전하는 단계는, 설정된 그룹별 충전 인자에 따라 각 충전 그룹에 순차적으로 펄스 전류를 인가하되, 펄스 전류가 인가된 이전 충전 그룹의 휴지기에 다음 충전 그룹에 펄스 전류를 인가할 수 있다.
각 충전 그룹의 충전을 제어하는 단계는, 충전 그룹의 충전 중 충전 조건의 도달 여부를 판단하고, 충전 조건에 도달하지 않은 경우, 개별 그룹 제어 인자 및 팩 제어 인자 중의 적어도 하나를 미리 설정된 임계값과 비교하여 그 결과를 기초로 충전 그룹의 충전 인자를 조정할 수 있다.
각 충전 그룹의 충전을 제어하는 단계는 조정된 충전 인자 중에서, 펄스 유지 시간을 미리 설정된 최소 유지 시간 과 비교하여, 비교 결과를 기초로 펄스 유지 시간을 초기값으로 초기화할 수 있다.
또한, 충전 그룹의 충전을 제어하는 단계는 상기 펄스 유지 시간이 초기화되면, 각 충전 그룹의 펄스 전류 크기를 공통 펄스 전류 크기로 조정할 수 있다.
충전 조건은 완전 충전 여부 및, 완전 충전이 아닌 경우 충전량 및 충전 시간 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
개별 그룹 제어 인자는 전압, 과 전위, 이온 농도분포, 온도 중의 적어도 하나를 포함하고, 팩 제어 인자는 온도편차, SOC(State Of Charge) 편차 및 SOH(State Of Health)편차 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
각 충전 그룹의 충전을 제어하는 단계는, 미리 정의된 SOC에 따른 충전 그룹별 최대 전류를 기초로 충전 그룹의 충전 인자를 조정할 수 있다.
각 충전 그룹의 충전을 제어하는 단계는 충전 조건과 각 충전 그룹의 배터리 정보를 기초로 그룹 연계 제어 여부를 결정하고, 각 충전 그룹을 연계하여 제어하는 것으로 결정되면, 각 충전 그룹의 충전 조건의 도달 비율에 따라 각 충전 그룹의 충전 인자를 조정할 수 있다.
각 충전 그룹의 충전을 제어하는 단계는, 펄스 유지 시간이 최소 유지시간 미만으로 조정된 충전 그룹의 펄스 유지 시간을 초기값으로 초기화하고, 각 충전 그룹의 충전 조건의 도달 비율에 따라 다른 충전 그룹의 펄스 유지 시간을 조정할 수 있다.
다른 양상에 따른 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 충전 장치는 프로세서를 포함하고, 배터리 정보를 기초로 상기 배터리 팩의 충전 그룹별 충전 인자를 설정하고, 설정된 상기 충전 그룹별 충전 인자를 기초로 상기 배터리 팩을 충전 그룹 단위로 순차 충전하되, 상기 충전 그룹 단위로 순차로 충전이 진행되는 도중에, 개별 그룹 제어 인자 및 팩 제어 인자 중의 적어도 하나를 기초로 상기 각 충전 그룹의 충전을 제어할 수 있다. 또한, 일 양상에 따른 배터리 관리 시스템은 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리와, 배터리를 충전 그룹 단위로 순차 충전하되, 순차로 충전이 진행되는 도중에, 개별 그룹 제어 인자 및 팩 제어 인자 중의 적어도 하나를 기초로 상기 충전 그룹의 충전을 제어하는 배터리 관리 장치를 포함할 수 있다.
순차 충전을 통한 배터리 팩의 수명 유지 및 충전 용량을 극대화 하는 장치 및 방법이 제시된다.
도 1은 일 실시 예에 따른 배터리 팩 충전 장치의 블록도이다.
도 2는 다양한 SOC(State Of Charge) 및 SOH(State Of Health)의 배터리 상태를 나타낸 예시도이다.
도 3a 내지 도 3d는 배터리 순차 충전을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 일 양상에 따른 SOC별 최대 펄스 전류를 나타낸 그래프이다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 배터리 팩 충전 장치의 블록도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 배터리 팩 충전 방법의 흐름도이다.
도 7은 다른 실시 예에 따른 배터리 팩 충전 방법의 흐름도이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템의 블록도이다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 기재된 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체
에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 배터리 팩 충전 장치 및 방법의 실시 예들을 도면들을 참고하여 자세히 설명하도록 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 배터리 팩 충전 장치의 블록도이다. 도 2는 다양한 SOC(State Of Charge) 및 SOH(State Of Health)의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 나타낸 예시도이다. 또한, 도 3a 내지 도 3d는 배터리 순차 충전을 설명하기 위한 예시도이며, 도 4는 일 양상에 따른 SOC별 최대 펄스 전류를 나타낸 그래프이다.
본 실시 예에 따르면, 배터리 팩 충전 장치(100)는 배터리, 예컨대 대용량 EV 배터리에서 피크 파워(Peak Power)를 최소화하면서 펄스 충전이 가능하도록 배터리의 순차 펄스 충전을 지원할 수 있다. 이때, 배터리 팩은 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 또한, 각 배터리 모듈은 다수의 개별 배터리 셀을 포함할 수 있다. 이때, 각 배터리 모듈 또는 각 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리 등의 2차 전지일 수 있다. 또한, 각 배터리 모듈의 용량은 서로 동일할 수도 있고, 서로 상이할 수도 있다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩 충전 장치(100)는 충전 인자 설정부(110), 순차 충전부(120) 및 충전 제어부(130)를 포함할 수 있다.
충전 인자 설정부(110)는 배터리 정보를 기초로 배터리 팩의 충전 인자를 설정할 수 있다.
예를 들어, 충전 인자 설정부(110)는 배터리의 충방전 과정에서 지속적으로 수집되는 배터리 정보, 예컨대 전압(V), 전류(I), 온도 정보(T)를 포함하는 센싱 데이터와, SOC(State Of charge), SOH(State Of Health), 과 전위(Overpotential), 이온 농도 분포, 배터리 내부 온도를 포함하는 예측 데이터를 기초로 배터리 팩의 순차 충전을 위한 충전 인자를 설정할 수 있고, 여기서 배터리 팩의 충전을 위해 설정되는 충전 인자는 펄스 전류의 크기, 펄스 전류 유지 시간 및 펄스 주기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 충전 인자는 펄스 충전 인자 및 순차 펄스 충전 인자로 분류될 수 있다.
펄스 충전 인자란 펄스 충전을 위한 펄스 전류의 크기를 의미할 수 있다. 예컨대, 충전 인자 설정부(110)는 충전할 배터리 팩의 SOC 정보를 이용하여 도 4에 도시된 SOC별 최대 펄스 전류를 초과하지 않는 범위 내에서 펄스 전류의 크기를 설정할 수 있다. 또한, 여기서 순차 펄스 충전 인자란 순차 펄스 충전을 위한 펄스 전류 유지 시간, 펄스 전류 인가 후 펄스의 휴지기가 유지되는 시간을 펄스-휴지기로 하는 펄스의 펄스 주기가 될 수 있고, 충전 인자 설정부(110)는 순차 충전의 기본 단위의 개수에 따라 펄스 주기를 설정할 수 있다.
충전 인자 설정부(110)는 순차 충전을 위해 설정된 배터리 팩의 충전 그룹별로 충전 인자를 설정할 수 있다. 또한, 충전 인자 설정부(110)는 충전 그룹의 수에 따라 순차 펄스 충전 인자를 결정할 수 있다. 여기서, 충전 그룹은 순차적으로 충전이 이루어지는 기본 단위로서, 배터리 팩의 배터리 모듈 또는 배터리 셀을 단위로 설정될 수 있다. 예를 들어, 각 배터리 모듈이 각각 하나의 충전 그룹으로 설정될 수 있으며, 둘 이상의 배터리 모듈이 하나의 충전 그룹으로 설정되는 것도 가능하다. 또한, 충전 그룹은 필요에 따라 둘 이상의 배터리 셀이 하나의 충전 그룹으로 설정될 수도 있다.
예를 들어, 충전 인자 설정부(110)는 배터리 팩이 4개의 충전 그룹으로 설정되는 경우, 시간 t의 펄스 전류가 인가 되고, 시간 3t동안 휴지기를 갖는 주기 4t를 순차 펄스 충전 인자로 결정하고, 각 충전 그룹의 SOC 정보를 이용하여, 각 SOC에 따른 최대 펄스 전류를 초과하지 않는 범위 내에서 펄스 충전 인자를 설정 할 수 있다. 이때, 충전 인자는 각 충전 그룹의 SOC 및/또는 SOH등 배터리 정보에 따라 각 충전 그룹별로 동일하거나 다르게 설정될 수도 있다.
예를 들어, 도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 팩 A의 배터리 모듈 1, 2, 3, 4는 모두 동일한 SOH를 가지지만, 배터리 모듈 1과 배터리 모듈 2, 3 그리고 배터리 모듈 4는 서로 다른 SOC를 가진다. 이때, 배터리 팩의 각 배터리 모듈이 하나의 충전 그룹으로 설정된 경우, 충전 인자 설정부(110)는 각 충전 그룹의 서로 다른 SOC를 고려하여 충전 그룹별로 차별적인(Discriminative) 충전 인자를 설정할 수 있다.
순차 충전부(120)는 충전인자 설정부(110)에서 결정된 충전 인자를 기초로 각 충전 그룹을 순차적으로 충전 할 수 있다.
도 3a는 모듈 단위의 순차 펄스 충전의 이해를 돕기 위한 예시도이다. 도 1 및 도 3a를 참조하면, 순차 충전부(120)는 설정된 그룹별 충전 인자에 따라 각 충전 그룹에 순차적으로 펄스 전류를 인가하여 배터리 팩을 순차적으로 충전할 수 있다. 이때, 순차 충전부(120)는 이전 충전 그룹에 대하여 펄스 전류 인가가 완료되어 휴지기가 된 경우, 이전 충전 그룹의 휴지기에 다음 충전 그룹에 펄스 전류를 인가하여 각 충전 그룹을 순차적으로 충전할 수 있다.
예를 들어, 도 3a는 배터리 팩의 각 배터리 모듈이 하나의 충전 그룹으로 설정된 것을 예시한 것으로, 각 배터리 모듈 1, 2, 3, 4는 각각 충전 그룹1, 2, 3, 4를 구성한다.
순차 충전부(120)는 충전 인자 설정부(110)에서 결정된 펄스 전류를 시간 t 동안 인가하고, 시간 3t동안 휴지기를 가지는 펄스 주기 4t의 순차 펄스 충전 인자를 결정한 경우, 각 충전 그룹은 시간 t동안 충전을 수행하고, 시간 3t동안 이온 확산을 위한 휴지기를 가질 수 있다. 예컨대, 순차 충전부(120)는 충전 그룹 1(301a)에 시간 t에 펄스 전류를 인가하여 충전을 수행하였다면, 시간 2t에 충전 그룹 2(302a)에 펄스 전류를 인가 하여 충전을 수행하며, 시간 3t에 충전 그룹 3(303a)에 펄스 전류를 인가 하여 순차적으로 충전 그룹 4(304a)까지 펄스 충전을 진행 할 수 있다. 이때, 순차 충전부(120)는, 이전 충전 그룹의 휴지기에 다음 충전 그룹의 충전을 진행하여 펄스 주기 4t동안 각 충전 그룹1(301a), 충전 그룹2(302a), 충전 그룹3(303a), 충전 그룹4(304a)를 순차적으로 충전을 진행할 수 있다.
이때, 그룹별 순차 충전은 배터리 팩의 각 모듈 및/또는 배터리 셀의 개별 제어를 위한 스위치 또는 바이패스 회로 (bypass circuit)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 충전 그룹의 충방전을 제어하는 디지털 회로를 포함할 수 있다.
또한, 도 3a는 설명의 편의를 위하여 병렬로 연결된 충전 그룹의 순차 충전 방법에 관하여 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 배터리 팩의 각 배터리 모듈 및 배터리 셀은 직렬 또는 직렬 및 병렬의 복합 구조를 가질 수 있다.
한편, 도 3a는 하나의 배터리 모듈 단위로 하나의 충전 그룹이 설정되는 것을 예시한 것이나 이에 한정되지 않으며, 배터리 팩 정보, 예컨대 SCO를 기초로 복수의 배터리 셀 및/또는 모듈 단위로 충전 그룹이 구성될 수도 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 배터리 팩 A의 배터리 모듈 1, 2, 3, 4는 모두 동일한 SOH를 가지지만 배터리 모듈 1과 배터리 모듈 2, 3 그리고 배터리 모듈 4는 서로 다른 SOC를 가진다. 이때, 모듈 2, 3은 동일한 SOC를 가지므로 하나의 충전 그룹을 구성되는 것이 가능하다.
이때, 충전 인자 설정부(110)는 각 충전 그룹의 서로 다른 SOC를 고려하여 펄스 전류의 크기 및 펄스 전류의 유지 시간을 결정할 수 있다. 예를 들어, 충전 인자 설정부(110)는 충전 그룹 1(모듈 1)은 4A의 펄스 전류, 그룹2(모듈 2,3)는 3.5A의 펄스 전류, 그룹 3(모듈 4)는 3A의 펄스 전류로 결정하고, 충전 그룹 1 내지 3의 펄스 유지 시간을 1초로 초기 설정할 수 있다. 이때, 충전 인자 설정부(110)는 도 4에 도시된 SOC별 최대 펄스 전류를 초과하지 않는 범위에서 각 충전 그룹별 SOC에 따른 차별적인(Discriminative) 충전 인자를 설정할 수 있다.
충전 제어부(130)는 배터리 팩이 충전 그룹 단위로 순차로 충전이 진행되는 도중에, 충전 그룹의 충전 조건 도달 여부를 판단할 수 있다. 여기서 충전 조건은, 배터리 팩의 완전 충전, 배터리 팩의 일정 시간 충전, 배터리 팩의 일정 용량 충전 등이 될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 배터리 팩의 완전 충전 조건은 각 충전 그룹 기본 단위의 SOC가 100%가 될 때까지 충전을 수행하고, 배터리 팩의 일정 시간 충전은 배터리 팩을 배터리 팩 충전 장치에 연결하여 예컨대, 30분간 충전을 수행하는 것이 될 수 있고, 배터리 팩의 일정 용량 충전은 예컨대, 배터리 팩 충전 장치로부터 공급받는 전력을 50kW로 한정하여 충전을 수행하는 것을 의미할 수 있다.
다른 예로, 충전 조건이 배터리 팩의 완전 충전인 경우, 충전 제어부(130)는 연결된 배터리 팩의 각 충전 그룹이 충전 조건에 도달하였는지 판단하여 충전이 완료된 충전 그룹의 충전을 정지하거나 순차 충전부(120)의 순차 충전을 종료하게 할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 순차 충전부(120)는 그룹 연계 제어를 통해 각 충전 그룹이 충전 조건에 동일하게 도달 하도록 조정할 수도 있다.
또 다른 예로, 충전 조건이 배터리 팩의 일정 시간 충전인 경우, 충전 제어부(130)는 배터리 팩 충전 장치(100)의 충전 능력, 배터리 팩 충전 장치(100)와 연결된 배터리 팩의 각 충전 그룹의 배터리 정보를 기초로 배터리 팩의 일정 시간 충전 완료 후 그룹 연계 제어를 통해 배터리 팩의 각 충전 그룹별 충전 상태의 편차가 최소가 되도록 충전 인자를 조정할 수 있다.
충전 제어부(130)는 충전 그룹이 충전 조건에 도달하지 못하여 계속 순차 충전을 수행하는 경우, 개별 그룹 제어 인자를 미리 설정된 임계값과 비교하여 그 결과를 기초로 충전 그룹의 충전 인자를 조정할 수 있다. 여기서, 개별 그룹 제어 인자는 배터리 팩의 각 충전 그룹 또는 각 충전 그룹에 포함되는 개별 배터리 셀 및/또는 모듈의 전압, 과 전위, 이온 농도 분포, 온도 중의 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 충전 제어부(130)는 특정 충전 그룹의 모니터링 결과를 이용하여 충전 그룹의 전압이 미리 설정된 임계값을 초과하는 경우 해당 충전 그룹의 충전 인자를 미리 정의된 기준에 따라 조정할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 특정 충전 그룹이 복수의 배터리 셀 및/또는 배터리 모듈로 구성된 경우, 충전 제어부(130)는 특정 충전 그룹내의 배터리 셀 및/또는 배터리 모듈 사이의 전압 편차가 미리 설정된 임계값을 초과하는 경우에, 그 충전 그룹내의 배터리 셀 및/또는 배터리 모듈 별로 펄스 전류를 다르게 인가하는 것도 가능하다. 예컨대, 어느 충전 그룹의 개별 배터리 셀의 전압이 4.2V를 초과하는 경우 해당 충전 그룹의 펄스 전류를 0.5C(C-rate) 낮추도록 조정할 수 있고, 음극 과전위(Overpotential)가 0.01V에 도달하는 경우 해당 충전 그룹의 펄스 전류를 0.3C(C-rate) 낮추도록 조정할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며 해당 배터리 셀을 해당 충전 그룹의 순차 충전 과정에서 배제하여 충전을 일시적으로 중지하는 것도 가능하다.
여기서 임계값은 개별 배터리 셀의 안전 범위(safety range)에 해당하는 전압, 과 전위, 온도 등이 될 수 있으나 이에 한정되지 않으며, SOC(State Of Charge), SOH(State Of Helth), 현재 펄스 전류의 크기에 따라 달라질 수 있고, 사용자 또는 운용자는 개별 배터리 셀의 충전 용량 또는 배터리 팩 충전 장치의 성능 예컨대, 최대 허용 피크 전력 등을 고려하여 조정할 수 있다.
또한, 충전 제어부(130)는 충전 그룹이 충전 조건에 도달하지 못하여 계속 충전을 수행하는 경우에 팩 제어 인자를 미리 설정된 임계값과 비교하여 팩 제어 인자가 미리 설정된 임계값을 초과하는 경우 해당 팩 제어 인자의 최대 또는 최소 값을 나타내는 각 충전 그룹의 충전 인자를 미리 정의된 기준에 따라 조정할 수 있다. 여기서 팩 제어 인자는 각 충전 그룹 또는 각 충전 그룹에 포함되는 개별 배터리 셀 및/또는 모듈의 온도편차, SOC(State Of Charge) 편차 및 SOH(State Of Health)편차 중의 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 개별 그룹 제어 인자의 편차를 팩 제어 인자로 사용할 수도 있다.
예를 들어, 충전 제어부(130)는 각 충전 그룹의 평균 SOC가 50% 이상이고 각 충전 그룹 간 SOC 편차가 10%를 초과하는 경우, 최대 SOC값을 가지는 충전 그룹의 전류를 0.3C(C-rate) 낮추도록 조정할 수 있고, 충전 그룹간의 온도 편차가 10도 이상인 경우 비교 대상 중 최대 온도인 충전 그룹의 펄스 전류 크기를 0.5C(C-rate) 낮추도록 조정 하여 SOC 및 온도 편차를 줄일 수 있다. 또한, 충전 그룹의 충전 인자를 조정하는 것에 한정되지 않고 해당 충전 그룹의 충전을 일시적으로 중지하는 것도 가능하다.
이때, 팩 제어 인자를 통한 충전 인자의 조정은 각 충전 그룹의 개별 그룹 제어 인자가 미리 설정된 임계값을 초과하지 않는 경우 수행할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 개별 그룹 제어 인자에 의한 충전 인자 조정과 병렬적으로 수행될 수 있다.
충전 제어부(130)는 개별 그룹 제어 인자 및/또는 팩 제어 인자를 기초로 충전 인자를 조정할 때, 각 충전 그룹별 충전 인자가 안전 범위(safety range) 에 포함되도록 미리 설정된 임계 값과 비교하여 충전 인자를 조정할 수 있다.
예를 들어, 충전 제어부(130)는 조정된 충전 인자 중에서, 조정된 펄스 유지 시간을 미리 설정된 최소 유지 시간과 비교하여, 비교 결과를 기초로 펄스 유지 시간을 초기값으로 초기화할 수 있다. 일 예로, 일부 충전 그룹의 충전 인자 중에 조정된 펄스 유지 시간이 미리 설정된 최소 유지 시간(예: 0.5초)보다 짧게 설정(예: 0.1초)되는 경우 펄스 유지 시간을 충전 인자 설정부(110)에 의해 설정된 초기값(예: 1초)으로 초기화할 수 있다. 이와 같이, 충전 제어부(130)는 조정되는 각 충전 그룹별 충전 인자가 안전 범위(safety range)를 벗어나는 경우 해당 충전 인자를 미리 설정된 안전 범위(safety range) 내의 초기값으로 초기화함으로써 배터리 팩 충전 장치(100)가 안전 범위(safety range) 내에서 동작하도록 제어할 수 있다.
충전 제어부(130)는 충전 인자 중의 적어도 하나가 초기화되는 경우, 이와 연계하여 다른 충전 인자를 조정할 수 있다. 예를 들어, 충전 제어부(130)는 펄스 유지 시간이 미리 설정된 최소 유지 시간보다 짧게 설정되어, 펄스 유지 시간을 초기화 하는 경우, 이와 연계하여 각 충전 그룹의 펄스 전류 크기를 공통 전류 크기로 조정할 수 있다. 여기서 공통 전류 크기는 각 충전 그룹에 공통적이고 일괄적으로 적용되는 전류 크기를 의미할 수 있다. 또한, 공통 전류 크기는 후술하는 바와 같이, 각 충전 그룹의 충전 조건 도달 비율을 기초로 조정될 수 있다.
또한, 충전 제어부(130)는 충전 인자를 조정할 때, SOC에 따른 최대 펄스 전류를 기초로 충전 인자를 조정할 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 4를 참조하면, 배터리의 SOC가 증가함에 따라 최대 충전 펄스 전류는 점차 감소하는 경향을 나타낸다. 이때, 충전 제어부(130)는 순차 충전부(120)의 순차 충전에 따라 변화하는 배터리의 SOC값 및 SOC에 따른 최대 펄스 전류를 기초로 충전 그룹의 펄스 전류의 크기를 조정할 수 있다. 예를 들면, 4C(C-rate)의 펄스 전류로 순차 충전 중인 충전 그룹의 SOC가 56%를 초과하게 되는 경우 충전 제어부(130)는 도 4의 SOC별 최대 펄스 전류 크기를 고려하여 해당 충전 그룹의 펄스 전류 크기를 3C(C-rate)로 조정 할 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면 3C(C-rate)의 펄스 전류를 최대 펄스 전류로 하는 SOC는 약74%이고, 충전 제어부(130)는 순차 충전 진행 중 해당 충전 그룹의 SOC가 74%에 도달 하게 되면, SOC별 최대 펄스 전류를 고려하여 펄스 전류의 크기를 다시 조정할 수 있다.
한편, 충전 제어부(130)는 개별 그룹 제어 인자 또는 팩 제어 인자를 기초로 충전 인자를 조정하는 경우 충전 조건과 각 충전 그룹의 배터리 정보를 기초로 그룹 연계 제어 여부를 결정할 수 있다. 여기서 그룹 연계 제어는, 충전 그룹의 충전 인자를 조정하는 경우, 배터리 팩의 각 충전 그룹의 충전 조건의 도달 비율에 따라 다른 충전 그룹의 충전 인자를 함께 연계 제어하는 것을 의미할 수 있다.
예를 들어, 충전 제어부(130)는 충전 그룹의 조정된 충전 인자가 안전 범위(safety range)를 벗어나도록 설정되어, 해당 충전 인자를 초기화하는 경우 각 충전 그룹의 충전 조건의 도달 비율에 따라 다른 충전 그룹의 충전 인자를 연계하여 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 1 및 도 3c를 참조하면, 304c는 충전 그룹 1 내지 4의 펄스 전류 크기가 공통 펄스 전류로 조정되고, 각 충전 그룹의 충전 조건 도달 비율에 따라 펄스 유지 시간이 조정된 상태를 도시한다. 충전 제어부(130)는 충전 그룹의 충전 인자 중에 조정된 펄스 유지 시간이 미리 설정된 최소 유지 시간(예: 0.5초)보다 짧게 설정(예: 0.1초)된 경우 펄스 유지 시간을 충전 인자 설정부(110)에 의해 설정된 초기값(예: 1초)으로 초기화할 수 있다. 이때, 충전 제어부(130)는 펄스 유지 시간의 초기화와 함께 각 충전 그룹의 펄스 전류 크기를 공통 펄스 전류 크기(예: 2.5A)로 조정할 수 있다.
한편, 충전 제어부(130)는 조정된 공통 펄스 전류 크기 및 각 충전 그룹의 충전 조건 도달 비율을 기초로, 충전 그룹의 펄스 유지 시간을 조정할 수 있다.
충전 제어부(130)는 충전 조건과 각 충전 그룹의 배터리 정보를 기초로 각 충전 그룹을 그룹 연계 제어할 수 있다.
예를 들어, 충전 조건이 완전 충전인 경우, 충전 제어부(130)는 그룹 연계 제어를 수행하지 않고, 먼저 충전이 완료된 충전 그룹을 순차 충전에서 제외하여 배터리 팩을 충전할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며 사용자 또는 운용자의 의도에 따라 그룹 연계 제어를 통한 순차 충전을 수행할 수 있다. 예컨대, 충전 제어부(130)는 배터리 팩의 평균 충전량이 50% 이상이 되면, 각 충전 그룹을 연계 제어하여, 각 충전 그룹별로 충전해야 하는 용량 또는 SOC의 비율에 따라 충전 인자를 그룹 연계 제어 하여 충전을 수행할 수도 있다.
또한, 충전 조건이 일정 충전 용량의 충전인 경우, 충전 제어부(130)는 각 충전 그룹을 연계 제어 하여, 어느 충전 그룹의 연계 제어 시점에서 각 충전 그룹별로 충전해야 하는 충전량의 비율로 충전 인자를 그룹 연계 제어 할 수 있다. 구체적으로, 배터리 팩의 충전 시작 전에 각 충전 그룹의 배터리 상태(예컨대, SOC 및/또는 SOH 등)에 따라 각 충전 그룹별로 충전할 충전 용량을 할당하고, 할당된 충전 용량을 기준으로 충전 인자를 연계 제어할 수 있다.
예를 들어, 배터리 팩 충전 장치로부터 55kW를 공급받아 충전 그룹 A, B, C, D로 구성된 배터리 팩의 충전을 수행하는 경우, 배터리 팩 충전 장치(100)는 최초 충전 그룹의 상태에 따라 각 충전 그룹별로 10kW, 10kW, 15kW 및 20kW의 충전량을 할당하여 충전을 수행할 수 있다. 그 후, 충전에 따라 충전 용량의 50%를 충전하여, 각 충전 그룹의 할당된 충전량이 5kW, 5kW, 7.5kW 및 10kW가 되는 시점에 충전 제어부(130)가 충전 그룹 A의 펄스 전류 크기를 10A로 조정하도록 충전 인자를 조정한 경우, 충전 제어부(130)는 다른 충전 그룹의 충전 용량의 비율에 따라 충전 그룹의 펄스 전류 크기를 각각 조절할 수 있다. 다시 말하면, 각 충전 그룹의 충전해야 하는 충전량의 비는 A:B:C:D = 5kW:5kW : 7.5kW:10kW = 1:1:1.5:2이므로, 충전그룹 A의 펄스 전류의 크기를 10A로 조정하는 경우에, 충전 제어부(130)는 그룹 연계제어를 통해 충전그룹 B, C 및 D의 펄스 전류 크기를 각각 10A, 15A 및 20A가 되도록 조정할 수 있다.
또한, 충전 제어부(130)는 그룹 연계 제어를 통해 펄스 전류의 크기를 조정할 때, 도 4에 도시된 SOC별 최대 펄스 전류의 크기를 고려하여, 각 충전 그룹별 SOC에 따른 최대 펄스 전류의 크기를 초과하는 충전 그룹에 대해서는 해당 충전 그룹의 SOC에 대응하는 최대 펄스 전류 값으로 조정할 수 있다.
한편, 충전 제어부(130)는 충전 시간을 지정하여 배터리 팩의 충전을 수행할 수도 있다. 예컨대, 충전 제어부(130)는 지정된 충전 시간의 50%가 소요된 이후부터 그룹 연계 제어를 수행하여 각 충전 그룹을 충전할 수 있고, 이때 그룹 연계 제어는 완전 충전을 가정하고, 완전 충전 용량을 기준으로 각 충전 그룹 별 남은 충전 용량비를 계산하거나 지정된 시간을 기초로 가상의 충전 가능한 용량을 계산하여, 이를 기초로 그룹 연계 제어를 수행할 수 있다. 이와 같이 남은 충전 용량비 또는 가상의 충전 가능한 용량이 계산되면, 위에서 설명한 충전 조건이 일정 충전 용량의 충전인 경우와 동일하게 그룹 연계 제어를 통해 순차 충전을 수행할 수 있다.
도1 및 도 3d를 참조하면, 각 충전 조건에 따라 충전 그룹의 그룹 연계 제어 여부를 결정한 경우, 배터리 팩 충전 장치(100)에 배터리 팩을 연결한 직후에는 각 충전 그룹별 SOC값에 따라 초기 충전 인자를 결정하여 충전을 수행하고, 그 이후, 충전을 수행하는 과정에서 개별적인 충전 인자를 적용하여 배터리 팩을 순차적으로 충전할 수 있다. 그 후 충전이 진행됨에 따라 배터리 팩의 각 충전 그룹의 SOC가 일정 수준에 도달하게 되면, 충전 제어부(130)는 각 충전 그룹의 펄스 전류 크기를 연계 조정하여 각 충전 그룹이 충전 조건에 동일하게 도달하도록 연계 제어여부를 결정할 수 있다.
충전 제어부(130)는 충전 그룹을 연계하여 제어하는 것으로 결정되면, 개별 그룹 제어인자 또는 팩 제어인자를 통해 어느 특정 그룹의 충전인자를 조정할 때, 다른 충전 그룹의 충전 조건 도달 비율(또는 충전해야 하는 용량 비율) 에 따라 충전 그룹의 충전 인자를 연계하여 조정할 수 있다. 이와 같이, 배터리 팩 충전 장치(100)는 특정 그룹의 충전 인자를 조정하며 다른 충전 그룹의 충전 인자를 함께 조정하는 그룹 연계 제어를 통하여 각 충전 그룹 사이의 충전 상태(예컨대, SOC비율 등) 편차가 점차 감소되도록 제어할 수 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 각 충전 그룹을 연계제어 하는 경우, 충전 제어부(130)는 어느 특정 충전 그룹의 펄스 전류를 조정하며 조정 시점에서 다른 충전 그룹의 각 충전 그룹별 SOC에 해당하는 최대 펄스 전류 값을 구하고, 조정된 펄스 전류의 크기가 SOC별 최대 펄스 전류 크기를 초과하는 경우 그 충전 그룹의 SOC에 따른 최대 전류 값으로 설정할 수 있다.
다만, 이에 한정되지 않으며, 충전 제어부(130)는 충전 그룹에 포함되는 개별 배터리 셀 및/또는 모듈 사이의 충전 상태(예: SOC비율 등) 편차가 점차 감소되도록 충전 그룹을 세밀하게 제어하는 것도 가능하다.
예를 들어, 개별 그룹 제어 인자에 따라 충전 인자를 조정하는 경우, 예컨대, 어느 하나의 충전 그룹에 포함되는 개별 배터리 셀의 전압이 4.2V를 초과하여 펄스 전류를 0.5C(C-rate) 낮추도록 조정하는 경우, 해당 개별 배터리 셀의 펄스 전류를 조정하고 해당 충전 그룹의 나머지 배터리 셀의 펄스 전류를 연계하여 조정할 수 있다. 즉, 어느 충전 그룹의 개별 배터리 셀의 펄스 전류가 조정된 경우, 해당 개별 배터리 셀의 펄스 전류 크기를 기준으로 할 때 그 펄스 전류 크기를 한계 전류로 하는 SOC값을 기준으로 나머지 개별 배터리 셀들의 충전해야 할 SOC 비율에 기초하여 나머지 셀들의 펄스 전류를 조정할 수 있다.
예를 들어, 도 4를 참조하면, 어느 충전 그룹은 배터리 셀 A, B, C, D로 구성되고, 이들의 각 현재 SOC는 20%, 26%, 46%, 56%라고 가정하면, SOC가 20%인 개별 배터리 셀 A를 4C(C-rate)로 충전 중 배터리 셀A의 온도가 미리 설정된 임계값을 초과하여 펄스 전류의 크기를 3.5C(C-rate)로 조정하는 경우에, 조정된 펄스 전류 3.5C를 최대 펄스 전류로 하는 SOC값은 약 66%에 해당하게 된다. 이때, 현재 다른 배터리 셀 B, C, D의 SOC값과 배터리 셀 A의 조정된 펄스 전류의 크기를 최대 펄스 전류로 하는 SOC를 비교한 SOC값의 차이 SOC는 각각 40%, 20%, 10%가 된다.
충전 제어부(130)는 SOC를 기초로 개별 배터리 셀 B의 펄스 전류를 3.5C(C-rate)또는 그와 동등한 수준으로 설정하고, 개별 배터리 셀 C는 3.5C(C-rate)미만의 값으로 설정하고, 개별 배터리 셀 D는 SOC별 최대 펄스 전류 범위 내의 최소의 펄스 전류를 설정하거나 다른 배터리 셀의 SOC가 일정 범위 내에 도달할 때까지 충전을 중지하는 방법으로 펄스 전류를 조정할 수 있다. 배터리 팩 충전 장치(100)는 이와 같이 조정된 개별 배터리 셀의 전류를 기준으로 하고, 충전해야 할 SOC의 비율을 기초로 그룹 연계 제어를 함으로써 각 개별 배터리 셀 별 SOC편차를 최소화여 충전 조건에 도달하도록 할 수 있다.
도1 및 3d를 참조하면, 도 3d의 구간 B는 각 충전 그룹을 연계 제어한 경우에 시간에 따른 각 충전 그룹의 SOC변화를 예시한 것이다. 충전 제어부(130)는 배터리 팩의 충전 그룹의 충전 인자를 그룹 연계 제어하여, 미리 정해진 충전 조건에 배터리 팩의 충전 그룹 또는 충전 그룹의 기준 단위의 SOC 및/또는 SOH의 편차를 저감하여 배터리 팩의 수명을 향상시키고, 용량이 서로 다른 배터리가 팩으로 구성된 경우에도 균등하게 충전 조건에 도달하도록 할 수 있다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 배터리 팩 충전 장치의 블록도이다.
도 5를 참조하면, 배터리 팩 충전 장치(500)는 충전 인자 설정부(510), 순차 충전부(520), 모니터링부(530), 충전 제어부(540) 및 그룹 설정부(550)를 더 포함할 수 있다. 이때, 충전 인자 설정부(510), 순차 충전부(520) 및 충전 제어부(540)는 도 1에 도시된 충전 인자 설정부(110), 순차 충전부(120) 및 충전 제어부(130)과 기본적으로 동일한 구성일 수 있으며 이하, 중복되지 않는 구성을 중심으로 설명한다.
도 5를 참조하면, 모니터링부(530)는 충전 그룹의 충전 중 충전 상태를 모니터링하고, 배터리 셀, 배터리 모듈 및 충전 그룹 단위 중의 적어도 하나의 단위로 배터리 정보를 수집할 수 있다. 여기서, 배터리 정보는 전압(V), 전류(I), 온도 정보(T)를 포함하는 센싱 데이터 및 SOC(State Of charge), SOH(State Of Health), 과 전위(Overpotential), 이온 농도 분포, 배터리 내부 온도를 포함하는 예측 데이터가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일 양상에 따르면, 모니터링부(530)는 배터리 팩이 배터리 팩 충전장치(500)에 연결되면, 충전 시작 전에 연결된 배터리 팩의 배터리 정보를 수집하여 충전 인자 설정부(510)에 제공할 수 있다. 이때, 충전 인자 설정부(510)는 연결된 배터리 팩의 충전 전에 수집된 배터리 팩의 정보를 기초로 순차 펄스 충전인자 및 초기 펄스 충전 인자를 설정할 수 있다. 또한, 충전 인자 설정부(510)는 모니터링부(530)에 의한 초기 배터리 팩 정보의 제공이 없는 경우에도 연결된 배터리 팩의 개별 배터리 셀 또는 배터리 모듈이 동일한 성능을 내는 것으로 가정하여 충전 인자를 초기 설정할 수 있다.
한편, 그룹 설정부(550)는 모니터링부(530)에서 수집된 배터리 팩 정보를 이용하여, 배터리 팩의 배터리 셀 또는 배터리 모듈 중 적어도 하나를 기준 단위로 하는 충전 그룹을 설정할 수 있다.
예를 들면, 연결된 배터리 팩은 다수의 배터리 셀을 포함하는 다수의 배터리 모듈로 구성될 수 있다. 이때, 그룹 설정부(550)는 다수의 배터리 셀을 포함하는 하나의 배터리 모듈을 하나의 그룹으로 설정함으로써 모듈 단위의 충전 그룹을 설정할 수 있다. 또한, 그룹 설정부(550)는 하나의 배터리 모듈내의 다수 배터리 셀을 일정 기준 예컨대 SOC값에 따라 유사한 SOC값을 가지는 배터리 셀 별로 그룹화 하여 배터리 셀 단위의 충전 그룹을 설정할 수도 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 그룹 설정부(550)는 모니터링부(530)에서 수집된 배터리 팩의 정보를 기초로 유사한 배터리 정보를 가지는 개별 배터리 셀 및 개별 배터리 모듈의 셀-모듈 단위의 충전 그룹을 설정할 수도 있다.
예컨대, 배터리 팩은 배터리 모듈 A, B를 포함하고, 각 모듈은 배터리 셀 A1, A2, A3, A4 및 B1, B2, B3, B4를 포함하고, 배터리 셀 A1, A2, A3의 SOC값은 각각 10%, 20%, 30%이고, 배터리 셀 A4 및 배터리 모듈 B의 SOC 값은 50%인 경우, 그룹 설정부(550)는 개별 배터리 셀 A1, A2 및 A3 를 각각 충전 그룹 1, 충전 그룹 2 및 충전 그룹 3으로 설정하고, 배터리 셀 A4 및 배터리 모듈 B를 충전 그룹 4로 설정 하는 것도 가능하다.
한편, 그룹 설정부(550)는 배터리 셀 또는 배터리 모듈의 성능, 배터리 팩 충전 장치(500)의 최대 허용 피크 파워(peak power) 및 SOH(State Of Health)중 적어도 하나를 기초로 충전 그룹을 설정할 수 있다.
예를 들어, 배터리 팩이 배터리 팩 충전장치(500)에 연결되면 그룹 설정부(550)는 배터리 팩의 개별 배터리 모듈 또는 개별 배터리 셀이 모두 동일한 성능을 내는 것으로 가정하고 연결된 배터리 팩을 적어도 1개 이상의 충전 그룹으로 설정할 수 있다. 이때, 그룹 설정부(550)는 순차 펄스 충전의 펄스-휴지기 시간을 고려하여 4개 또는 5개의 충전 그룹으로 배터리 팩을 분류할 수 있다.
또한, 그룹 설정부(550)는 배터리 팩 충전 장치로부터 전달 받은 배터리 팩 충전 장치의 최대 허용 피크 파워(peak power)을 이용하여, 배터리 팩 충전을 위한 최대 펄스 전력을 배터리 팩 충전 장치의 최대 허용 피크 파워(peak power)으로 나눈 값의 올림 값을 그룹의 수로 결정할 수 있다.
예를 들면, 배터리 팩 충전 장치의 최대 허용 피크 파워(peak power)가 1VA이고, 배터리 팩의 충전을 위한 최대펄스 전류가 5A이고, 충전 전압이 1V인 경우 배터리 팩 충전을 위한 최대 펄스 전력은 5VA가 된다. 이때 배터리 팩 충전을 위한 최대 펄스 전력을 배터리 팩 충전 장치의 최대 허용 피크 파워(peak power)로 나눈 값은 5VA/1VA=5가 되며 그룹 설정부(550)는 배터리 팩의 배터리 셀 또는 배터리 모듈 중 적어도 하나를 기준 단위로 하여 5개의 충전 그룹으로 설정할 수 있다.
이와 같은 그룹 설정에 의한 배터리 순차 펄스 충전은 배터리 팩 충전 장치(500)의 최대 허용 피크 파워(peak power)을 저감할 수 있고, 이에 따라 배터리 팩 충전 장치(500)의 발열을 저감시킬 수 있다.
예를 들어 도 3b를 참조하면, 펄스 충전을 위한 배터리 팩이 내부 저항이 동일한 4개의 배터리 모듈이 병렬로 연결되고, 배터리 팩 단위 펄스 충전시 펄스 전류 및 충전 전압이 각각 20A 및 1V이면 펄스 충전시 배터리 팩 충전 장치에 요구되는 피크 파워(peak power)는 20VA가 되고, 이때, 각 배터리 모듈의 충전 전력은 각 배터리 모듈당 5VA가 된다. 이와 비교하여 배터리 팩의 각 모듈을 하나의 충전 그룹으로 설정하고, 충전 그룹별로 순차 충전을 수행하여 위와 동일하게 각 배터리 모듈당 5VA의 충전 전력을 공급하는 경우, 각 각 충전 그룹에 요구되는 펄스 전류 및 전압은 각각 5A 및 1V만이 요구된다. 이와 같은 결과는 배터리 팩 충전 장치의 최대 허용 피크 파워(peak power)의 요구 성능을 20VA에서 5VA로 저감 시킬 수 있어, 상대적으로 저 용량의 배터리 팩 충전 장치(500)를 이용하여, EV등 대용량의 배터리 팩의 펄스 충전을 가능하게 한다.
또한, 그룹 설정부(550)는 배터리의 SOH(State Of Health)를 기초로 유사한 배터리의 SOH를 갖는 개별 배터리 셀 또는 모듈 별로 그룹을 설정할 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 배터리 팩 B의 배터리 모듈 1, 2, 3 및 4는 모두 동일한 SOC를 가지지만 배터리 모듈 1과 배터리 모듈 2, 3 그리고 배터리 모듈 4는 서로 다른 SOH의 비율에 기초하여 서로 다른 충전 그룹으로 설정될 수 있다.
그룹 설정부(550)는 각 그룹의 순차 충전에 따라 각 그룹별로 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health), 배터리 내부 온도, 충전 가능 용량 중 적어도 하나의 배터리 정보를 기준으로 최초 설정된 충전 그룹을 조정할 수 있다.
예를 들어, 도 2를 참조하면, 그룹 설정부(550)는 배터리 팩 A는 최초 동일한 SOH를 가진다. 이때, 그룹 설정부(550)는 SOH정보를 기초로 각 배터리 모듈을 서로 다른 충전 그룹 1 내지 4로 설정할 수 있다. 이후, 각 충전 그룹의 순차 충전에 따라 각 충전 그룹별로 SOH의 변화가 생기는 경우 예컨대, 충전 그룹 1 내지 4의 SOH가 각각 95%, 95%, 100% 및 90%로 변경된 경우 그룹 설정부(550)는 최초 설정된 충전 그룹을 조정하여 충전 그룹 1, 2를 충전 그룹 1로 하고 충전 그룹 3을 충전 그룹 2로, 충전 그룹4를 충전 그룹3으로 조정할 수 있다. 다만, 이는 하나의 실시 예로 이에 한정되지 않으며, 그룹 설정부(550)는 펄스 충전의 가장 효율적인 펄스-휴지기 시간을 고려하여 그룹을 조정할 수도 있다.
충전 제어부(540)는 충전 그룹이 조정되면, 조정된 그룹에 대응하여 어댑티브하게(adaptive)충전 인자를 조정할 수 있다. 예를 들어, 도 3c를 참조하면, 각 충전 그룹의 순차 충전에 따라 각 충전 그룹별로 배터리 상태의 변화가 생기는 경우 각 조정된 충전 그룹은 서로 다른 충전 인자 예컨대, 서로 다른 펄스 전류 크기, 펄스 전류 유지 시간 및 펄스 주기를 가지도록 조정될 수 있다.
예를 들어, 각 충전 그룹을 구성하는 개별 배터리 셀 또는 개별 배터리 모듈이 모두 동일한 성능을 가지는 것으로 가정하고 충전 그룹 1 내지 4를 설정한 경우(301c), 순차 충전이 진행 됨에 따라 충전 그룹의 SOH 또는 SOC등의 변화가 있을 수 있고, 충전 제어부(540)는 모니터링부(530)의 배터리 모니터링 결과를 기초로 서로 유사한 배터리 정보를 가지는 개별 배터리 셀 또는 개별 배터리 모듈로 조정된 그룹에 어댑티브(adaptive)하게 충전 인자를 조정할 수 있다. 예컨대, SOC가 낮은 충전 그룹은 펄스 전류를 높게 조정하거나, 펄스 전류 유지 시간이 다른 충전 그룹에 비하여 길도록 조정할 수 있으며, SOC가 다른 충전 그룹에 비해 높은 충전 그룹은 펄스 주기를 조정하여, 다른 충전 그룹에 2회의 펄스 전류를 인가하는 동안 1회의 펄스 전류만이 인가되도록 조정할 수도 있다(302c, 303c).
다른 예로, 충전 제어부(540)는 충전 그룹의 조정된 충전 인자가 안전 범위(safety range)를 벗어나도록 설정되면, 해당 충전 인자를 초기화하고 각 충전 그룹의 충전 조건의 도달 비율에 따라 다른 충전 그룹의 충전 인자를 연계하여 제어할 수 있다. 일 예로, 충전 제어부(540)는 충전 그룹의 충전 인자 중에 조정된 펄스 유지 시간이 미리 설정된 최소 유지 시간(예: 0.5초)보다 짧게 설정(예: 0.1초)된 경우 펄스 유지 시간을 충전 인자 설정부(540)에 의해 설정된 초기값(예: 1초)으로 초기화할 수 있다. 이때, 충전 제어부(540)는 펄스 유지 시간의 초기화와 함께 각 충전 그룹의 펄스전류 크기를 연계 제어하여 조정할 수 있다.
예를 들어, 도5 및 도 3c를 참조하면, 충전 제어부(540)는 펄스 유지 시간이 초기화된 충전 그룹 및 다른 충전 그룹의 펄스 전류 크기를 공통 펄스 전류 크기로 조정하고, 각 충전 그룹의 충전 조건의 도달 비율을 기초로 다른 충전 그룹의 펄스 유지 시간을 연계하여 조정할 수 있다(304c). 이와 같이, 충전 제어부(540)는 일부 충전 그룹의 펄스 유지 시간의 초기화와 같은 충전 인자의 조정시에, 각 충전 그룹의 펄스 전류 크기 및 다른 충전 그룹의 펄스 유지 시간을 연계하여 조정할 수 있다.
순차 충전부(520)는 충전이 진행됨에 따라 변화하는 배터리 정보에 따라 충전 그룹이 조정되고, 각 충전 그룹별 및/또는 각 충전 그룹의 기준 단위별로 충전 인자가 조정 면, 조정된 충전 그룹 및 충전 인자에 따라 순차 충전을 수행할 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따른 배터리 팩 충전 방법의 흐름도이다.
도 6은, 도 1의 배터리 팩 충전 장치(100)가 수행하는 배터리 팩 충전 방법의 일 실시예일 수 있다.
도 6을 참조하면, 배터리 팩 충전 장치(100)는 순차 충전을 위해 충전 그룹별로 펄스 전류의 크기, 펄스 전류 유지 시간 및 펄스 주기 중 적어도 하나를 포함하는 충전 인자를 설정할 수 있다(610).
예를 들어, 배터리 팩 충전 장치(100)는 배터리 팩의 개별 배터리 셀 및 개별 배터리 모듈의 성능이 모두 동일하다고 가정하고, 가장 효율적인 순차 펄스 충전의 펄스-휴지기 시간을 고려하여 펄스 주기를 결정할 수 있다. 예컨대 4개의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 순차 충전의 경우 배터리 팩의 개별 배터리 셀 및 개별 배터리 모듈의 성능이 모두 동일하다고 가정하여 각 배터리 모듈을 하나의 충전 그룹으로 설정하고, 순차 펄스 전류 유지 시간을 t로, 휴지기를 3t로 하고 펄스 주기를 4t로 하며, 각 충전 그룹별로 동일한 펄스 전류 크기를 인가하도록 초기 충전 그룹별 충전 인자를 설정할 수 있다(610).
이때 충전 그룹의 설정은, 전술한 바와 같이 배터리 팩의 개별 배터리 셀 및 개별 배터리 모듈의 성능이 모두 동일하다고 가정하고, 가장 효율적인 순차 펄스 충전의 펄스-휴지기 시간을 고려하여 펄스 주기를 결정할 수도 있으나, 이에 한정 되지 않고, 배터리 팩 충전 장치의 최대 허용 피크 파워(peak power) 및 SOH(State Of Health)중 적어도 하나를 기초로 충전 그룹을 설정할 수 있다(610).
예를 들어 도 2를 참조하면, 배터리 정보 모니터링 결과 배터리 충전 장치(100)에 연결된 배터리 팩이 배터리 팩 A와 같다면, 배터리 팩 충전 장치(100)는 각 배터리 모듈의 SOC를 기준으로 배터리 모듈 1을 충전 그룹 1, 배터리 모듈 2, 3을 충전 그룹 2, 배터리 모듈 4를 충전 그룹 3으로 설정하는 방법도 가능하다.
충전 인자가 설정되면, 배터리 팩 충전 장치(100)는 결정된 충전 그룹별로 순차 충전을 수행할 수 있다(620).
도 3a를 참조하면, 배터리 팩 충전 장치(100)는 설정된 그룹별 충전 인자에 따라 각 충전 그룹에 순차적으로 펄스 전류를 인가하여 각 충전 그룹을 순차적으로 충전을 수행할 수 있다.
예를 들어, 배터리 팩 충전 장치(100)에 연결된 배터리 팩은 4개의 개별 배터리 모듈을 포함하고, 각 배터리 모듈이 모두 동일한 성능을 가진다고 가정하여 각 배터리 모듈을 하나의 충전 그룹으로 하여 배터리 모듈 1을 충전 그룹 1(301a)로, 배터리 모듈 2를 충전 그룹2(302a)로 그룹화하는 방식으로 충전 그룹을 설정하고, 설정된 충전 그룹을 순차 충전 하는 경우, 순차 충전을 위한 펄스는 주기 4t를 가지고 시간 t동안 펄스 전류를 인가하고 시간 3t동안 휴지기를 가질 수 있다.
이때, 배터리 팩 충전 장치(100)는 시간 t에 충전 그룹 1에 펄스 전류를 인가하고, 시간 2t에 충전 그룹 2에 펄스 전류를 인가하고, 시간 3t에 충전그룹 3에 펄스 전류를 인가하여 배터리 팩의 충전 그룹을 순차적으로 충전할 수 있다. 이때, 배터리 팩 충전 장치(100) 충전 그룹 1(301a)의 휴지기에 충전 그룹 2(302a)의 충전을 진행하여 펄스 주기 4t동안 각 충전 그룹1(301a), 충전 그룹2(302a), 충전 그룹3(303a), 충전 그룹4(304a)를 순차적으로 충전을 진행할 수 있다(620). 한편, 도 3a는 설명의 편의상 각 모듈 별로 서로 다른 충전 그룹으로 설정 되어 4개의 충전 그룹을 순차 충전하는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며, 충전 그룹의 개수 및/또는 순차 펄스 전류의 인가 주기는 배터리 정보를 기초로 조정될 수 있다.
또한, 배터리 팩의 순차 충전이 진행되며 각 충전 그룹의 배터리 상태가 변동되는 경우 배터리 팩 충전 장치(100)는 배터리 팩의 충전 조건 도달 여부를 판단하여, 배터리 팩의 충전을 진행할 수 있다. 여기서 충전 조건은 배터리 팩의 완전 충전, 배터리 팩의 일정 시간 충전, 배터리 팩의 일정 용량 충전 등이 될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 충전 조건이 배터리 팩의 완전 충전인 경우, 배터리 팩 충전 장치(100)는 각 충전 그룹이 완충 될 때까지 순차 충전하여 먼저 완충된 충전 그룹은 순차 충전에서 제외하는 방식으로 배터리 팩을 충전 할 수 있다. 또한, 배터리 팩 충전 장치(100)에 의해 각 충전 그룹을 그룹 연계 제어 하여 각 충전 그룹의 충전 상태의 편차를 줄여가며 순차 충전을 수행할 수 있다. 예컨대, 배터리 팩의 평균 충전량이 50% 이상이 되면, 각 충전 그룹을 연계 제어하여, 각 충전 그룹별로 충전해야 하는 용량 또는 SOC의 비율에 따라 충전 인자를 그룹 연계제어 하여 충전을 수행할 수 있다.
배터리 팩 충전 장치(100)는 배터리 팩이 충전 조건에 도달하지 못하여 충전을 계속 진행하는 경우, 개별 그룹 제어인자를 기초로 충전 인자를 조정할 수 있다. 여기서, 개별 그룹 제어 인자는 배터리 팩의 각 충전 그룹 또는 각 충전 그룹에 포함되는 개별 배터리 셀 및/또는 모듈의 전압, 과 전위, 이온 농도 분포, 온도 중의 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 배터리 팩 충전 장치(100)는 개별 그룹 제어 인자를 기초로 각 충전 그룹이 안전범위 내에서 충전 가능 하도록 충전 인자를 조정하고, 배터리 팩의 각 충전 그룹 또는 각 충전 그룹에 포함되는 개별 배터리 셀 및/또는 모듈의 충전 인자를 조정할 수 있다. 예컨대, 개별 그룹 제어 인자는 배터리 팩의 각 충전 그룹의 정보를 기초로 해당 충전 그룹의 온도가 미리 설정된 임계값을 초과하는 경우 충전 인자를 조정하여 해당 충전 그룹의 펄스 전류 크기를 낮추거나 해당 충전 그룹의 온도가 미리 설정된 임계값 이하로 될 때까지 해당 충전 그룹의 충전을 일시적으로 중단할 수도 있다(630).
또한, 배터리 팩 충전 장치(100)는 배터리 팩이 충전 조건에 도달하지 못하여 충전을 계속 진행하는 경우 배터리 팩의 개별 그룹 제어 인자가 모두 임계값 이하인 경우라도 배터리 팩 충전 장치(100)는 팩 제어 인자를 기초로 충전 상태 편차를 저감하도록 충전 인자를 조정할 수 있다(630). 여기서, 팩 제어인자는 배터리 팩의 각 충전 그룹의 온도편차, SOC(State Of Charge) 편차 및 SOH(State Of Health)편차 중의 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 각 충전 그룹에 포함되는 개별 배터리 셀 및/또는 개별 배터리 모듈간의 온도, SOC 및 SOH의 편차를 포함할 수 있다.
예를 들면, 배터리 팩 충전 장치(100)는 충전 그룹의 온도가 미리 설정된 임계값을 초과하지 않는 경우라도, 다른 충전 그룹과의 온도 편차가 10도 이상인 경우 그 중 최대 온도의 충전 그룹의 펄스 전류 크기를 낮추거나 해당 충전 그룹과 다른 충전 그룹의 온도 편차가 미리 설정된 임계값 이하가 될 때까지 해당 충전 그룹의 충전을 일시적으로 중단할 수도 있다.
그 다음, 배터리 팩 충전 장치(100)는 순차 충전 진행을 고려하여 충전 그룹을 조정할 수 있다. 예컨대, 최초 배터리 팩의 개별 배터리 셀 및 개별 배터리 모듈의 성능이 모두 동일하다고 가정하고 충전 그룹을 설정한 경우에, 순차 충전 진행에 따라서 배터리의 SOH 또는 SOC등의 차이가 발생할 수 있으며, 이때, 배터리 팩 충전 장치(100)는 충전 인자를 조정하면서, 유사한 배터리 정보 예컨대 유사한 SOC 또는 SOH를 가지는 개별 배터리 셀 또는 개별 배터리 모듈을 기준 단위로 하여 충전 그룹을 조정할 수 있다.
예를 들어, 도 2를 참조하면, 배터리 팩 충전 장치(100)는 배터리 팩 B의 SOC 및 펄스-휴지기 시간을 기초로 각 배터리 모듈을 서로 다른 충전 그룹 1 내지 4로 설정할 수 있다. 이때, 충전을 수행하기 전 충전 그룹 1 내지 4의 SOH는 각각 100%, 95%, 95% 및 90%이지만, 각 충전 그룹에 동일한 크기의 펄스 전류를 인가하여 순차 충전하는 경우에도, 각 충전 그룹별로 SOC가 서로 달라질 수 있다. 예컨대, 충전 그룹 1 내지 4의 SOC가 충전의 진행에 따라 각각 20%, 25%, 25% 및 35%로 변경된 경우 배터리 팩 충전 장치(100)는 최초 설정된 충전 그룹을 조정하여 충전 그룹 2 및 3을 충전 그룹 2로 하고 충전 그룹 4를 충전 그룹 3으로 조정할 수 있다.
도 7은 다른 실시 예에 따른 배터리 팩 충전 방법의 흐름도이다.
도 7은, 도 5의 배터리 팩 충전 장치(500)가 수행하는 배터리 팩 충전 방법의 일 실시예일 수 있다.
배터리 팩 충전 장치(500)는 배터리 팩이 연결되면, 충전 인자를 설정할 수 있다(710). 여기서 충전 인자는 각 충전 그룹별 펄스 전류의 크기, 펄스 전류 유지 시간 및 펄스 주기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그 다음, 충전 인자가 설정되면, 배터리 팩 충전 장치(500)는 결정된 충전 그룹 단위로 순차 충전을 수행할 수 있다(720). 순차 충전은 설정된 그룹별 충전 인자에 따라 각 충전 그룹에 순차적으로 펄스 전류를 인가하되, 펄스 전류가 인가된 이전 충전 그룹의 휴지기에 다음 충전 그룹에 펄스 전류를 인가하여 각 충전 그룹을 순차적으로 충전할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 순차 펄스 충전의 가장 효율적인 펄스-휴지기 시간을 고려하여 각 충전 그룹을 순차 충전할 수 있다(720).
순차 충전을 진행하면서 배터리 팩 충전장치(500)는 배터리 정보를 지속적으로 모니터링 하여 수집할 수 있다(730). 이때, 배터리 정보는 전압(V), 전류(I), 온도 정보(T)를 포함하는 센싱 데이터 및 SOC(State Of charge), SOH(State Of Health), 과 전위(Overpotential), 이온 농도 분포, 배터리 내부 온도를 포함하는 예측 데이터가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
한편, 도 7은 순차 충전의 진행 도중 배터리 정보를 모니터링 하는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 배터리 팩을 배터리 충전 장치에 연결함과 동시에 배터리 정보를 모니터링 하여 충전 그룹별 초기 충전 인자를 설정하는데 모니터링 결과를 이용할 수도 있다.
그 다음, 배터리 팩 충전 장치(500)는 배터리 정보를 지속적으로 모니터링 함으로써 충전이 진행됨에 따라 배터리 팩의 충전 조건의 도달 여부를 판단하여 순차 충전의 계속 진행 여부를 결정할 수 있다.
예컨대, 충전 조건이, 연결된 배터리 팩의 완전 충전인 경우 배터리 팩 충전 장치(500)는 배터리 정보 모니터링 결과를 기초로 완전히 충전된 배터리 팩의 충전 그룹의 순차 충전을 정지 시킬 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 충전 그룹을 연계 제어하여 각 충전 그룹별로 충전해야 하는 용량 또는 SOC의 비율이 미리 결정된 완전 충전 범위에 포함된다고 판단되는 경우 해당 충전 그룹의 순차 충전을 정지 시킬 수도 있다.
예를 들어, 배터리 팩 충전 장치(500)는 연결된 배터리 팩의 충전 그룹의 평균 SOC가 90%를 초과하고, 각 충전 그룹 사이의 SOC 편차가 5% 이내인 경우 완전 충전된 것으로 간주할 수 있고, 이 경우 해당 충전 그룹의 충전을 정지할 수 있다.
한편, 배터리 정보 모니터링 결과 배터리 팩이 충전 조건을 도달하지 못하여 계속해서 순차 충전을 진행하는 경우, 배터리 팩 충전장치(500)는 개별 그룹 제어인자를 미리 설정된 임계값과 비교하여 충전 그룹의 충전 인자 조절 여부를 결정할 수 있다(750). 여기서, 개별 그룹 제어 인자는 배터리 팩의 각 충전 그룹의 전압, 과 전위, 이온 농도 분포, 온도 중의 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 배터리 팩 충전 장치(500)는 충전 그룹의 온도가 미리 설정된 임계값을 초과하는 경우, 해당 충전 그룹의 펄스 전류를 미리 정의된 펄스 전류 값에 따라 낮추도록 조정할 수 있다. 다만 이에 한정되지 않으며, 개별 그룹 제어인자는 사용자 또는 운용자의 의도, 배터리 팩의 성능 및 배터리 팩 충전 장치의 제공 사양에 따라 다르게 결정될 수 있다.
예컨대, 충전 그룹의 SOC가 90%를 초과하는 경우, 과 충전에 의한 배터리 팩의 손상 내지 폭발의 위험을 줄이기 위해, 배터리 팩 충전 장치(500)는 이전 충전 펄스 전류의 1/5 수준의 펄스 전류를 인가하여 충전을 수행 하도록 해당 충전 그룹의 충전 인자를 조정할 수 있다.
또한, 배터리 팩 충전장치(500)는 개별 그룹 제어 인자가 임계값을 초과하지 않는 경우, 팩 제어인자를 미리 설정된 임계값과 비교하여 충전 그룹의 충전 인자 조절 여부를 결정할 수 있다. 여기서 팩 제어인자는 각 충전 그룹 또는 각 충전 그룹에 포함되는 개별 배터리 셀 및/또는 모듈의 온도편차, SOC(State Of Charge) 편차 및 SOH(State Of Health)편차 중의 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 배터리 팩 충전 장치(500)는 연결된 배터리 팩의 각 충전 그룹의 평균 SOC가 50% 이상일 때, 각 충전 그룹의 SOC편차가 10%이상인 경우 배터리 팩의 충전 그룹 중 최대 SOC값을 가지는 충전 그룹의 펄스 전류를 0.3C(C-rate) 낮출 수 있다.
한편, 도 7은 설명의 편의를 위해 개별 그룹 제어 인자가 미리 정해진 임계값을 초과하지 않는 경우 팩 제어 인자를 미리 정해진 임계값과 비교하여(760) 충전 그룹별 충전 인자를 조절하는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 개별 그룹 제어 인자가 임계값을 초과하여 충전 그룹의 충전 인자를 조절하게 되는 경우에도 배터리 팩 충전 장치(500)는 팩 제어 인자를 미리 설정된 임계값과 비교하여 충전 그룹별 충전 인자를 조정하는데 사용할 수 있다.
그 다음, 배터리 팩 충전 장치(500)는 개별 그룹 제어 인자 및 팩 제어 인자를 미리 설정된 임계값과 비교한 결과 개별 그룹 제어 인자 또는 팩 제어 인자가 임계값을 초과하는 경우에는 해당 충전 그룹의 충전 인자를 조정할 수 있다(770). 다만, 이에 한정되지 않으며, 개별 그룹 제어 인자가 미리 정의된 임계값을 초과하는 해당 충전 그룹을 순차 충전에서 일시적으로 배제하는 방법으로 순차 충전을 진행하는 것도 가능하다.
충전 그룹의 충전 인자를 조정하는 경우, 배터리 팩 충전 장치(500)는 다른 충전 그룹을 연계하여 충전 인자를 조절하는 그룹 연계 제어 여부를 판단할 수 있다(780).
예를 들면, 배터리 팩 충전 장치(500)가 배터리 팩의 각 충전 그룹의 충전 조건 도달 비율에 따라 그룹 연계 제어를 판단할 때, 충전 조건이 일정 시간 배터리 팩의 충전으로 설정된 경우, 배터리 팩 충전 장치(500)는 완전 충전을 가정하고, 완전 충전 용량을 기준으로 각 충전 그룹 별 남은 충전 용량비를 계산하거나 지정된 시간을 기초로 가상의 충전 가능한 용량을 계산함으로써 충전 그룹을 연계제어 할 수 있다.
예컨대, 배터리 팩 충전 장치(500)는 어느 충전 그룹의 전압이 4.2V를 초과하여 펄스 전류의 크기를 0.5C(C-rate) 낮추도록 조정하는 경우, 해당 충전 그룹의 전류를 조정하고 나머지 충전 그룹의 펄스 전류를 연계하여 조정할 수 있다(790).
예를 들면, 배터리 팩 충전 장치(500)는 어느 충전 그룹의 펄스 전류가 조정된 경우, 해당 충전 그룹의 펄스 전류 크기를 기준으로 할 때 그 펄스 전류 크기를 최대 전류로 하는 SOC값을 기준으로 나머지 충전 그룹의 충전해야 할 SOC 비율에 기초하여 나머지 충전 그룹의 펄스 전류를 조정할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 팩 충전 장치(500)는 해당 충전 그룹의 충전 인자만을 조정하고 나머지 충전 그룹은 그 충전 그룹의 배터리 정보를 기초로 독립적으로 충전 인자를 제어하는 것도 가능하다. 또한, 배터리 팩 충전 장치(500)는 조정된 펄스 전류의 크기가 SOC별 최대 펄스 전류 크기를 초과하는 경우 그 충전 그룹의 SOC에 따른 최대 전류 값으로 설정할 수도 있다.
다른 예로, 배터리 팩 충전 장치(500)는 충전 그룹의 조정된 충전 인자가 안전 범위(safety range)를 벗어나도록 설정 되어, 해당 충전 인자를 조정 하는 경우 각 충전 그룹의 충전 조건의 도달 비율에 따라 다른 충전 그룹의 충전 인자를 연계하여 제어할 수 있다. 일 예로, 배터리 팩 충전 장치(500)는 충전 그룹의 충전 인자 중에 조정된 펄스 유지 시간이 미리 설정된 최소 유지 시간(예: 0.5초)보다 짧게 설정(예: 0.1초)된 경우 펄스 유지 시간을 초기 설정값(예: 1초)으로 초기화할 수 있다. 이때, 배터리 팩 충전 장치(500)는 펄스 유지 시간의 초기화와 함께 각 충전 그룹의 펄스전류 크기를 연계 제어하여 조정할 수 있다. 예컨대, 배터리 팩 충전 장치(500)는 펄스 유지 시간이 초기화된 충전 그룹 및 다른 충전 그룹의 펄스 전류 크기를 공통 펄스 전류 크기로 조정하고, 각 충전 그룹의 충전 조건의 도달 비율을 기초로 다른 충전 그룹의 펄스 유지 시간을 연계하여 조정할 수 있다. 이와 같이, 배터리 팩 충전 장치(500)는 일부 충전 그룹의 펄스 유지 시간의 초기화와 같은 충전 인자의 조정시에, 각 충전 그룹의 펄스 전류 크기 및 다른 충전 그룹의 펄스 유지 시간을 연계하여 조정할 수 있다.
그 다음, 배터리 팩 충전 장치(500)는 순차 충전 진행 상태에 따라 변경되는 배터리 정보를 반영하여 변경된 충전 인자를 사용하여 그룹단위 순차 충전을 계속 진행할 수 있다(720).
일 양상에 따른 배터리 팩 충전 장치는 프로세서(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 프로세서는 수신된 배터리 정보를 기초로 배터리 팩의 충전 그룹별로 충전 인자를 설정할 수 있다. 여기서 충전 그룹은 순차적으로 충전이 이뤄지는 이루어지는 기본 단위로서, 배터리 팩의 배터리 모듈 또는 배터리 셀을 단위로 설정될 수 있다. 예컨대, 각 배터리 모듈이 각각 하나의 충전 그룹으로 설정될 수 있으며, 또는 둘 이상의 배터리 모듈이 하나의 충전 그룹으로 설정되는 것도 가능하다. 또한, 필요에 따라 둘 이상의 배터리 셀이 하나의 충전 그룹으로 설정될 수도 있다.
충전 인자가 설정되면, 프로세서(미도시)는 설정된 충전 인자에 따라서 각 충전 그룹을 순차적으로 충전할 수 있고, 순차 충전이 진행되는 도중에 개별 그룹 제어 인자 및 팩 제어 인자 중의 적어도 하나를 기초로 상기 각 충전 그룹의 충전을 제어할 수도 있다.
이때, 배터리 팩의 순차 충전 및 충전의 제어는 도 6 및 도 7에 도시된 배터리 팩 충전 방법에 따라 프로세서(미도시)에 의해 구현될 수 있다.
또한, 배터리 팩 충전 장치의 프로세서는 수행하는 기능에 따라 별개의 프로세서로 독립적으로 구성될 수도 있다. 예를 들면, 하나의 프로세서가 배터리 팩 충전과 관련된 일련의 과정을 모두 수행할 수도 있으나, 배터리 상태의 모니터링을 수행하는 프로세서와 순차 충전을 수행하는 프로세서는 독립된 별개의 프로세서로 구성될 수도 있다.
도 8은 일 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템의 블록도이다.
도 8을 참조하면, 배터리 관리 시스템(800)은 배터리 관리 장치(810) 및 배터리(820)를 포함할 수 있다.
배터리 관리 장치(810)는 도 1 및 도 5에 도시된 배터리 팩 충전 장치(100, 500)가 적용된 일 실시 예일 수 있다.
배터리 관리 장치(810)는 배터리(820)가 연결되면, 충전 인자 설정을 위해 배터리 정보를 모니터링 할 수 있다. 배터리 정보가 수집되면 배터리 관리 장치(810)는 배터리 정보를 기초로 순차 충전을 위해 연결된 배터리(820)의 충전 그룹을 설정할 수 있다. 여기서 배터리(820)는 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 될 수 있다. 또한, 배터리 팩에 포함된 각 배터리 모듈은 다수의 개별 배터리 셀을 포함할 수 있고, 각 배터리 모듈 또는 각 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리 등의 2차 전지일 수 있다. 또한, 각 배터리 모듈의 용량은 서로 동일할 수도 있고, 서로 상이할 수도 있다.
예를 들어 도 2를 참조하면, 배터리 정보 모니터링 결과 배터리 관리 시스템(800)의 배터리(820)가 배터리 팩 A와 같다면, 배터리 관리 장치(820)는 각 배터리 모듈의 SOC를 기준으로 배터리 모듈 1을 충전 그룹 1, 배터리 모듈 2,3을 충전 그룹 2, 배터리 모듈 4를 충전 그룹 3으로 설정할 수 있다.
한편, 배터리 관리 장치(810)는 설정된 충전 그룹별로 순차 충전을 위한 충전 그룹별 충전 인자를 설정하고, 설정된 충전 인자를 기초로 배터리(820)의 충전 그룹 단위로 순차 충전하되, 충전을 진행하는 도중에 개별 그룹 제어인자 및 팩 제어인자 중의 적어도 하나를 기초로 충전 그룹의 충전을 제어할 수 있다.
한편, 본 실시 예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를
들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 실시 예들을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 개시된 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 배터리 팩 충전 장치
110 : 충전 인자 설정부
120 : 순차 충전부
130 : 충전 제어부
301a : 충전 그룹 1
302a : 충전 그룹 2
303a : 충전 그룹 3
304a : 충전 그룹 4
500 : 배터리 팩 충전 장치
510 : 충전 인자 설정부
520 : 순차 충전부
530 : 모니터링부
540 : 충전 제어부
550 : 그룹 설정부
800 : 배터리 관리 시스템
810 : 배터리 관리 장치
820 : 배터리

Claims (28)

  1. 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 충전 장치에 있어서,
    배터리 정보를 기초로 상기 배터리 팩의 충전 그룹별 충전 인자를 설정하는 충전 인자 설정부;
    상기 설정된 충전 그룹별 충전 인자를 기초로 상기 배터리 팩을 충전 그룹 단위로 순차 충전하는 순차 충전부; 및
    상기 충전 그룹 단위로 순차로 충전이 진행되는 도중에, 개별 그룹 제어 인자 및 팩 제어 인자 중의 적어도 하나를 기초로 상기 각 충전 그룹의 충전을 제어하는 충전 제어부;를 포함하는 배터리 팩 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    배터리 셀 또는 배터리 모듈의 성능, 배터리 팩 충전 장치의 최대 허용 피크 파워(peak power) 및 SOH(State Of Health)중 적어도 하나를 기초로, 상기 배터리 팩의 배터리 셀 또는 배터리 모듈 중 적어도 하나를 기준 단위로 하여, 상기 충전 그룹을 설정하는 그룹 설정부;를 더 포함하는 배터리 팩 충전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충전 그룹의 충전 중에 충전 상태를 모니터링하고, 배터리 셀, 배터리 모듈 및 상기 충전 그룹 단위 중의 적어도 하나의 단위로 상기 배터리 정보를 수집하는 모니터링부;를 더 포함하고,
    상기 그룹 설정부는,
    상기 충전 그룹의 충전 진행에 따라 수집되는 배터리 정보를 기초로 상기 충전 그룹을 조정하는 배터리 팩 충전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충전 그룹별 충전 인자는,
    각 충전 그룹별 펄스 전류의 크기, 펄스 전류 유지 시간 및 펄스 주기 중 적어도 하나를 포함하는 배터리 팩 충전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 순차 충전부는,
    설정된 상기 충전 그룹별 충전 인자에 따라 각 충전 그룹에 순차적으로 펄스 전류를 인가하되, 펄스 전류가 인가된 이전 충전 그룹의 휴지기에 다음 충전 그룹에 펄스 전류를 인가하는 배터리 팩 충전 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 충전 제어부는,
    상기 충전 그룹의 충전 중 충전 조건의 도달 여부를 판단하고, 충전 조건에 도달하지 않은 경우, 상기 개별 그룹 제어 인자 및 팩 제어 인자 중의 적어도 하나를 미리 설정된 임계값과 비교하여 그 결과를 기초로 상기 충전 그룹의 충전 인자를 조정하는 배터리 팩 충전 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 충전 제어부는,
    조정된 충전 인자 중에서, 펄스 유지 시간을 미리 설정된 최소 유지 시간 과 비교하여, 비교 결과를 기초로 상기 펄스 유지 시간을 초기값으로 초기화하는 배터리 팩 충전 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 충전 제어부는,
    상기 펄스 유지 시간이 초기화되면, 각 충전 그룹의 펄스 전류 크기를 공통 펄스 전류 크기로 조정하는 배터리 팩 충전 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 충전 조건은 완전 충전 여부 및, 완전 충전이 아닌 경우 충전량 및 충전 시간 중의 적어도 하나를 포함하는 배터리 팩 충전 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 개별 그룹 제어 인자는 전압, 과 전위(Overpotential), 이온 농도분포, 온도 중의 적어도 하나를 포함하고,
    상기 팩 제어 인자는 온도편차, SOC(State Of Charge) 편차 및 SOH(State Of Health)편차 중의 적어도 하나를 포함하는 배터리 팩 충전 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 충전 제어부는,
    상기 미리 정의된 SOC에 따른 충전 그룹별 최대 전류를 기초로 상기 충전 그룹의 충전 인자를 조정하는 배터리 팩 충전 장치.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 충전 제어부는,
    충전 조건과 각 충전 그룹의 배터리 정보를 기초로 그룹 연계 제어 여부를 결정하고, 상기 각 충전 그룹을 연계하여 제어하는 것으로 결정되면, 상기 각 충전 그룹의 충전 조건의 도달 비율에 따라 상기 각 충전 그룹의 충전 인자를 그룹 연계하여 조정하는 배터리 팩 충전 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 충전 제어부는,
    펄스 유지 시간이 최소 유지시간 미만으로 조정된 충전 그룹의 펄스 유지 시간을 초기값으로 초기화하고, 각 충전 그룹의 충전 조건의 도달 비율에 따라 다른 충전 그룹의 펄스 유지 시간을 조정하는 배터리 팩 충전 장치.
  14. 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 충전 방법에 있어서,
    배터리 정보를 기초로 상기 배터리 팩의 충전 그룹별 충전 인자를 설정하는 단계;
    상기 설정된 충전 그룹별 충전 인자를 기초로 상기 배터리 팩을 충전 그룹 단위로 순차 충전하는 단계; 및
    상기 충전 그룹 단위로 순차로 충전이 진행되는 도중에, 개별 그룹 제어 인자 및 팩 제어 인자 중의 적어도 하나를 기초로 상기 각 충전 그룹의 충전을 제어하는 단계;를 포함하는 배터리 팩 충전 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    배터리 셀 또는 배터리 모듈의 성능, 배터리 팩 충전 방법의 최대 허용 피크 파워(peak power) 및 SOH(State Of Health)중 적어도 하나를 기초로, 상기 배터리 팩의 배터리 셀 또는 배터리 모듈 중 적어도 하나를 기준 단위로 하여, 상기 충전 그룹을 설정하는 단계;를 더 포함하는 배터리 팩 충전 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 충전 그룹의 충전 중 충전 상태를 모니터링하고, 배터리 셀, 배터리 모듈 및 상기 충전 그룹 단위 중의 적어도 하나의 단위로 상기 배터리 정보를 수집하는 단계를 더 포함하고,
    상기 충전 그룹을 설정하는 단계는,
    상기 충전 그룹의 충전 진행에 따라 수집되는 배터리 정보를 기초로 상기 충전 그룹을 조정하는 배터리 팩 충전방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 충전 그룹별 충전 인자는,
    각 충전 그룹별 펄스 전류의 크기, 펄스 전류 유지 시간 및 펄스 주기 중 적어도 하나를 포함하는 배터리 팩 충전 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 순차 충전하는 단계는,
    상기 설정된 그룹별 충전 인자에 따라 각 충전 그룹에 순차적으로 펄스 전류를 인가하되, 펄스 전류가 인가된 이전 충전 그룹의 휴지기에 다음 충전 그룹에 펄스 전류를 인가하는 배터리 팩 충전 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 각 충전 그룹의 충전을 제어하는 단계는,
    상기 충전 그룹의 충전 중 충전 조건의 도달 여부를 판단하고, 충전 조건에 도달하지 않은 경우, 상기 개별 그룹 제어 인자 및 팩 제어 인자 중의 적어도 하나를 미리 설정된 임계값과 비교하여 그 결과를 기초로 상기 충전 그룹의 충전 인자를 조정하는 배터리 팩 충전 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 각 충전 그룹의 충전을 제어하는 단계는,
    조정된 충전 인자 중에서, 펄스 유지 시간을 미리 설정된 최소 유지 시간 과 비교하여, 비교 결과를 기초로 상기 펄스 유지 시간을 초기값으로 초기화하는 배터리 팩 충전 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 각 충전 그룹의 충전을 제어하는 단계는,
    상기 펄스 유지 시간이 초기화되면, 각 충전 그룹의 펄스 전류 크기를 공통 펄스 전류 크기로 조정하는 배터리 팩 충전 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 충전 조건은 완전 충전 여부 및, 완전 충전이 아닌 경우 충전량 및 충전 시간 중의 적어도 하나를 포함하는 배터리 팩 충전 방법.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 개별 그룹 제어 인자는 전압, 과전위, 이온 농도분포, 온도 중의 적어도 하나를 포함하고,
    상기 팩 제어 인자는 온도편차, SOC(State Of Charge) 편차 및 SOH(State Of Health)편차 중의 적어도 하나를 포함하는 배터리 팩 충전 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 각 충전 그룹의 충전을 제어하는 단계는,
    상기 미리 정의된 SOC에 따른 충전 그룹별 최대 전류를 기초로 상기 충전 그룹의 충전 인자를 조정하는 배터리 팩 충전 방법.
  25. 제19항에 있어서,
    상기 각 충전 그룹의 충전을 제어하는 단계는,
    충전 조건과 각 충전 그룹의 배터리 정보를 기초로 그룹 연계 제어 여부를 결정하고, 상기 각 충전 그룹을 연계하여 제어하는 것으로 결정되면, 상기 각 충전 그룹의 충전 조건의 도달 비율에 따라 상기 각 충전 그룹의 충전 인자를 조정하는 배터리 팩 충전 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 각 충전 그룹의 충전을 제어하는 단계는,
    펄스 유지 시간이 최소 유지시간 미만으로 조정된 충전 그룹의 펄스 유지 시간을 초기값으로 초기화하고, 각 충전 그룹의 충전 조건의 도달 비율에 따라 다른 충전 그룹의 펄스 유지 시간을 조정하는 배터리 팩 충전 방법.
  27. 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 충전 장치에 있어서,
    상기 배터리 팩 충전 장치는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    배터리 정보를 기초로 상기 배터리 팩의 충전 그룹별 충전 인자를 설정하고, 설정된 상기 충전 그룹별 충전 인자를 기초로 상기 배터리 팩을 충전 그룹 단위로 순차 충전하되, 상기 충전 그룹 단위로 순차로 충전이 진행되는 도중에, 개별 그룹 제어 인자 및 팩 제어 인자 중의 적어도 하나를 기초로 상기 각 충전 그룹의 충전을 제어하는 배터리 팩 충전 장치.
  28. 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리; 및
    상기 배터리를 충전 그룹 단위로 순차 충전하되, 순차로 충전이 진행되는 도중에, 개별 그룹 제어 인자 및 팩 제어 인자 중의 적어도 하나를 기초로 상기 충전 그룹의 충전을 제어하는 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템.
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