KR20180045694A - 배터리 충전 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 충전 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치는 배터리 충전 장치에 있어서, 상기 배터리의 온도 및 전압을 측정하는 BMS(Battery Management System); 및 상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 온도가 제1 임계값 이하인 경우, 펄스 충방전 방식을 통해 상기 배터리를 충전하고, 상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 온도가 상기 제1 임계값을 초과하고 제2 임계값 이하인 경우, 스텝 충전 방식을 통해 상기 배터리를 충전하고, 상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 온도가 상기 제2 임계값을 초과하는 경우, DC 충전 방식을 통해 상기 배터리를 충전하는 충전기를 포함한다.

Description

배터리 충전 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CHARGING BATTERY}
본 발명은 배터리 충전 기술에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 배터리의 온도에 따라 서로 다른 충전 방식을 적용하여 배터리를 충전하는 기술에 관한 것이다.
최근 고전압의 배터리를 사용하는 산업기기, 가정기기 및 자동차 등 다양한 장치가 등장하고 있으며 특히 자동차 기술분야에서는 고전압 배터리 사용이 더욱 활발해지고 있다.
가솔린이나 중유 등의 화석연료를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
전기자동차(EV; Electric Vehicle)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차를 말한다. 즉, 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시키는 전기자동차는 가솔린 자동차보다 먼저 개발되었으나, 배터리의 무거운 중량 및 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 최근 에너지 및 환경 문제가 심각해지면서 1990년대부터 실용화를 위한 연구가 시작되었다.
한편, 최근 배터리 기술이 비약적으로 발전하면서 전기자동차 및 화석연료와 전기에너지를 적응적으로 사용하는 하이브리드 자동차(HEV)가 상용화되고 있다.
HEV는 가솔린과 전기를 함께 동력원으로 사용하기 때문에 연비 개선 및 배기가스 저감 측면에서 긍정적인 평가를 받고 있다. 이러한 HEV도 가솔린 자동차와의 가격 차이를 어떻게 극복하느냐가 관건으로서, 2차 전지 탑재량을 전기자동차의 1/3수준까지 낮출 수 있어 완전한 전기 자동차로 진화하는 중간 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
이러한 전기 에너지를 이용하는 HEV 및 EV 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다. 이때, 2차 전지는 리튬 계열의 배터리인 리툼 이온, 리툼 폴리머 또는 리튬 인산철 배터리를 포함한다.
한편, 전기 자동차 등에 내장된 배터리는 일정한 전류를 제공받는 DC 충전 방식에 의해 충전되는 것이 일반적이다. 그러나, 리튬 계열의 배터리가 겨울철 등 외부 온도에 의해서 배터리 온도가 낮아져 저온 환경에서 DC 충전 방식으로 충전되는 경우, 배터리의 파손이 발생될 수 있는 문제점이 있다. 또한, 리튬 계열의 배터리가 저온 환경에서 DC 충전 방식으로 충전되는 경우, 배터리의 수명 저하가 발생될 수 있는 문제점이 있다.
대한민국 특허등록공보 제10-1448774호
본 발명은 배터리의 온도에 따라 서로 다른 방식의 충전 방식을 적용하여 배터리를 충전하는 배터리 충전 장치 및 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치는 배터리 충전 장치에 있어서, 상기 배터리의 온도 및 전압을 측정하는 BMS(Battery Management System); 및 상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 온도가 제1 임계값 이하인 경우, 펄스 충방전 방식을 통해 상기 배터리를 충전하고, 상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 온도가 상기 제1 임계값을 초과하고 제2 임계값 이하인 경우, 스텝 충전 방식을 통해 상기 배터리를 충전하고, 상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 온도가 상기 제2 임계값을 초과하는 경우, DC 충전 방식을 통해 상기 배터리를 충전하는 충전기를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 충전기는 상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 온도가 제1 임계값 이하인 경우, 펄스 충방전 방식을 통해 상기 배터리의 온도가 상기 제1 임계값에 도달할 때까지 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 충전기는 상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 온도가 제1 임계값을 초과하고 제2 임계값 이하인 경우, 스텝 충전 방식을 통해 상기 배터리의 온도가 상기 제2 임계값에 도달할 때까지 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 충전기는 상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 온도에 따라 서로 다른 충전 방식을 적용하여 상기 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 충전기는 상기 배터리로 충전되는 전류의 크기 또는 주파수를 조절하여 상기 충전 방식을 변화시켜 상기 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 충전기는 상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 전압이 소정 전압 이상인 경우, 상기 배터리의 충전을 중단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법은 배터리 충전 방법에 있어서, 상기 배터리의 온도를 측정하는 온도 측정 단계; 및 상기 온도 측정 단계에서 측정된 상기 배터리의 온도가 제1 임계값 이하인 경우, 펄스 충방전 방식을 통해 상기 배터리를 충전하고, 상기 온도 측정 단계에서 측정된 상기 배터리의 온도가 상기 제1 임계값을 초과하고 제2 임계값 이하인 경우, 스텝 충전 방식을 통해 상기 배터리를 충전하고, 상기 온도 측정 단계에서 측정된 상기 배터리의 온도가 상기 제2 임계값을 초과하는 경우, DC 충전 방식을 통해 상기 배터리를 충전하는 충전 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 충전 단계는 상기 온도 측정 단계에서 측정된 상기 배터리의 온도가 제1 임계값 이하인 경우, 펄스 충방전 방식을 통해 상기 배터리의 온도가 상기 제1 임계값에 도달할 때까지 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 온도 측정 단계에서 측정된 상기 배터리의 온도가 제1 임계값을 초과하고 제2 임계값 이하인 경우, 스텝 충전 방식을 통해 상기 배터리의 온도가 상기 제2 임계값에 도달할 때까지 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 충전 단계에서 상기 배터리를 충전하는 중 상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정 단계; 및 상기 전압 측정 단계에서 측정된 상기 배터리의 전압이 소정 전압 이상인 경우, 상기 배터리의 충전을 중단하는 중단 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 배터리의 온도에 따라 서로 다른 방식의 충전 방식을 적용하여 배터리를 충전하는 효과가 있다.
이에 따라, 저온 환경에서 배터리를 충전하는 경우에도 배터리의 파손을 방지하는 효과가 있다.
또한, 저온 환경에서 배터리를 충전하는 경우에도 배터리의 수명 저하를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치가 포함된 블록도이다.
도 2는 배터리의 온도에 따라 배터리를 충전하는 방식을 설명하는 설명도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치의 배터리 충전 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치가 포함된 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치는 BMS(20) 및 충전기(30)를 포함한다.
이때, 배터리(10)는 고전압 배터리로, 리튬 이온 전지를 포함한다. 이때, 리튬 이온 전지는 양극에 망간계 재료를, 음극에 비정질계 탄소재료를 각각 이용한 복수의 셀로 구성될 수 있다. 예를 들어 96개의 셀이 직렬로 접속 되어 구성될 수 있다. 리튬 이온 전지의 각각의 셀의 정격 용량은 5.5 Ah(Ampere Hour), 정격 전압은 3.6 V(Volt) 일 수 있다.
BMS(20)는 배터리(10)의 온도 및 전압 등을 측정한다. 구체적으로, BMS(20)는 배터리(10)의 전압, 전류, 충전 상태, 온도 등과 같은 작동 특성을 측정한다. 이때, BMS(20)는 배터리(10)의 작동 특성을 소정 시간 간격마다 수시로 측정할 수 있다. 예를 들어, BMS(20)는 10ms 마다 배터리(10)의 작동 특성을 측정할 수 있다.
또한, BMS(20)는 배터리(10)의 작동 특성을 측정한 결과를 통해 배터리(10)의 충전 또는 방전을 제어할 수 있다. 예를 들어, 배터리(10)에 포함된 특정 셀이 과충전된 것으로 판단된 경우, BMS(20)는 특정 셀이 방전되도록 제어할 수 있다. 또한, 배터리(10)에 포함된 특정 셀이 과방전된 것으로 판단된 경우, BMS(20)는 특정 셀이 충전되도록 제어할 수 있다.
충전기(30)는 BMS(20)에서 측정된 배터리(10)의 온도에 따라 서로 다른 충전 방식을 적용하여 배터리(10)를 충전시킨다. 즉, 충전기(30)는 배터리(10)로 충전되는 전류의 크기 또는 주파수를 조절하여 상기 충전 방식을 변화시켜 배터리(10)를 충전시킬 수 있다.
구체적으로, 충전기(30)는 BMS(20)에서 측정된 배터리(10)의 온도가 제1 임계값 이하인 경우, 펄스 충방전 방식을 통해 배터리(10)를 충전한다. 이때, 충전기(30)는 배터리(10)의 온도가 상기 제1 임계값에 도달할 때까지 상기 펄스 충방전 방식을 통해 배터리(10)를 충전시킨다. 상기 펄스 충방전 방식은 배터리(10)로 충전되는 전류의 크기를 펄스의 진폭으로 하고, 배터리(10)로 충전되는 전류의 주파수의 역수를 상기 펄스의 주기로 하는 펄스파를 통해 배터리(10)를 충전하는 방식을 의미한다.
바람직하게는, 충전기(30)는 BMS(20)에서 측정된 배터리(10)의 온도가 제1 임계값 이하인 경우, 펄스 방전 방식을 통해 배터리(10)를 충전할 수 있다. 이는 상기 펄스 충전 방식에 비해 상기 펄스 방전 방식으로 배터리(10)를 충전하는 경우에 배터리(10)의 온도 상승 속도가 더 큰 것을 고려한 것이다.
또한, 충전기(30)는 BMS(20)에서 측정된 배터리(10)의 온도가 상기 제1 임계값을 초과하고 제2 임계값 이하인 경우, 스텝 충전 방식을 통해 배터리(10)를 충전한다. 이때, 충전기(30)는 배터리(10)의 온도가 상기 제2 임계값에 도달할 때까지 상기 스텝 충전 방식을 통해 배터리(10)를 충전시킨다. 상기 스텝 충전 방식은 배터리(10)로 충전되는 전류의 크기를 소정 시간 간격마다 단계적으로 증가시켜 배터리(10)를 충전하는 방식을 의미한다.
또한, 충전기(30) BMS(20)에서 측정된 배터리(10)의 온도가 상기 제2 임계값을 초과하는 경우, DC 충전 방식을 통해 배터리(10)를 충전한다. 상기 DC 충전 방식은 배터리(10)로 충전되는 전류의 크기를 일정하게 하여 배터리(10)를 충전하는 방식을 의미한다.
이때, 상기 제2 임계값은 배터리(10)를 충전시키기 위한 최적의 온도를 의미한다. 예를 들어, 상기 제2 임계값은 30도를 의미할 수 있다. 또한, 상기 제1 임계값은 배터리(10)의 충전시 파손을 방지하기 위한 최소 온도를 의미한다. 예를 들어, 상기 제1 임계값은 상기 제2 임계값의 80%가 되는 온도를 의미할 수 있다.
도 2는 배터리의 온도에 따라 배터리를 충전하는 방식을 설명하는 설명도이다. 이때, 배터리(10)의 온도가 상승하는 과정을 시간 흐름에 따라 설명한다.
도 2를 참조하면, 배터리(10)의 온도가 제1 임계값(T1) 이하인 경우, 펄스 방전 방식을 통해 배터리(10)가 충전되는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 배터리(10)의 온도가 급격하게 상승하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 배터리(10)가 펄스 충전 방식을 통해 충전됨으로써 배터리(10)의 온도가 상승하여 제1 임계값(T1)을 초과하는 경우, 스텝 충전 방식을 통해 배터리(10)가 충전되는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 배터리(10)의 온도가 서서히 상승하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 배터리(10)가 스텝 충전 방식을 통해 충전됨으로써 배터리(10)의 온도가 상승하여 제2 임계값(T2)을 초과하는 경우, DC 충전 방식을 통해 배터리(10)가 충전되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 충전기(30)는 BMS(20)에서 측정된 배터리(10)의 전압이 소정 전압 이상인 경우, 배터리(10)의 충전을 중단한다. 예를 들어, BMS(20)에서 측정된 배터리(10)의 전압이 배터리(10)의 정격 전압의 80%에 도달한 경우, 충전기(30)는 배터리(10)의 충전을 중단할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 방법에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치의 배터리 충전 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 먼저, BMS(20)에서 배터리(10)의 온도를 충전한다(S101).
이후, 충전기(30)는 S101 단계에서 측정된 배터리(10)의 온도가 제1 임계값 이하인 경우, 펄스 충방전 방식을 통해 배터리(10)를 충전한다(S103, S105).
한편, 충전기(30)는 S101 단계에서 측정된 배터리(10)의 온도가 상기 제1 임계값을 초과하고 제2 임계값 이하인 경우, 스텝 충전 방식을 통해 배터리(10)를 충전한다(S107, S109).
한편, 충전기(30)는 S101 단계에서 측정된 배터리(10)의 온도가 상기 제2 임계값을 초과하는 경우, DC 충전 방식을 통해 배터리(10)를 충전한다(S111, S113).
이후, BMS(20)는 충전기(30)에서 배터리(10)를 충전하는 중 배터리(10)의 전압을 측정한다(S115).
이후, 충전기(30)는 S115 단계에서 측정된 배터리(10)의 전압이 소정 전압 이상인 경우, 배터리(10)의 충전을 중단한다(S117, S119).
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 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. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 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 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10 : 배터리 20 : BMS
30 : 충전기

Claims (10)

  1. 배터리 충전 장치에 있어서,
    상기 배터리의 온도 및 전압을 측정하는 BMS(Battery Management System); 및
    상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 온도가 제1 임계값 이하인 경우, 펄스 충방전 방식을 통해 상기 배터리를 충전하고, 상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 온도가 상기 제1 임계값을 초과하고 제2 임계값 이하인 경우, 스텝 충전 방식을 통해 상기 배터리를 충전하고, 상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 온도가 상기 제2 임계값을 초과하는 경우, DC 충전 방식을 통해 상기 배터리를 충전하는 충전기를 포함하는 배터리 충전 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 충전기는 상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 온도가 제1 임계값 이하인 경우, 펄스 충방전 방식을 통해 상기 배터리의 온도가 상기 제1 임계값에 도달할 때까지 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 충전기는 상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 온도가 제1 임계값을 초과하고 제2 임계값 이하인 경우, 스텝 충전 방식을 통해 상기 배터리의 온도가 상기 제2 임계값에 도달할 때까지 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 충전기는 상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 온도에 따라 서로 다른 충전 방식을 적용하여 상기 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 충전기는 상기 배터리로 충전되는 전류의 크기 또는 주파수를 조절하여 상기 충전 방식을 변화시켜 상기 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전기는 상기 BMS에서 측정된 상기 배터리의 전압이 소정 전압 이상인 경우, 상기 배터리의 충전을 중단하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  7. 배터리 충전 방법에 있어서,
    상기 배터리의 온도를 측정하는 온도 측정 단계; 및
    상기 온도 측정 단계에서 측정된 상기 배터리의 온도가 제1 임계값 이하인 경우, 펄스 충방전 방식을 통해 상기 배터리를 충전하고, 상기 온도 측정 단계에서 측정된 상기 배터리의 온도가 상기 제1 임계값을 초과하고 제2 임계값 이하인 경우, 스텝 충전 방식을 통해 상기 배터리를 충전하고, 상기 온도 측정 단계에서 측정된 상기 배터리의 온도가 상기 제2 임계값을 초과하는 경우, DC 충전 방식을 통해 상기 배터리를 충전하는 충전 단계를 포함하는 배터리 충전 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 충전 단계는 상기 온도 측정 단계에서 측정된 상기 배터리의 온도가 제1 임계값 이하인 경우, 펄스 충방전 방식을 통해 상기 배터리의 온도가 상기 제1 임계값에 도달할 때까지 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 온도 측정 단계에서 측정된 상기 배터리의 온도가 제1 임계값을 초과하고 제2 임계값 이하인 경우, 스텝 충전 방식을 통해 상기 배터리의 온도가 상기 제2 임계값에 도달할 때까지 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  10. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전 단계에서 상기 배터리를 충전하는 중 상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정 단계; 및
    상기 전압 측정 단계에서 측정된 상기 배터리의 전압이 소정 전압 이상인 경우, 상기 배터리의 충전을 중단하는 중단 단계를 더 포함하는 배터리 충전 방법.
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