KR20180057191A - 보조배터리의 방전 방지방법 - Google Patents

보조배터리의 방전 방지방법 Download PDF

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Abstract

고전압 배터리와 보조배터리를 구비한 차량(하이브리드차, 플러그인 하이브리드차, 순수 전기차)에서 차량 키-오프 상태에서 보조배터리 충전량을 감지하여 일정 레벨 이하가 되면 상위 제어기를 웨이크-업(wake-up)시켜 자동으로 보조배터리를 충전할 수 있도록 한 보조배터리의 방전 방지장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 시동 키가 오프 상태이면 보조배터리의 충전량을 감지하고, 보조배터리 충전 시점이 되면 웨이크-업 명령을 발생하는 충전량 감시부, 충전량 감시부에서 발생한 웨이크-업 명령에 따라 기동하여, 고전압 배터리 및 전력변환기를 자동으로 기동시키는 차량 제어기를 포함하여 보조배터리의 방전 방지장치를 구현하고, 전력 변환기는 시동키 오프 상태에서 차량 제어기에 의해 웨이크-업되면 고전압 배터리의 공급 전압으로 보조배터리를 충전한다.

Description

보조배터리의 방전 방지장치 및 그 방법{Discharge preventing device and method of auxiliary battery}
본 발명은 보조배터리의 방전 방지장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 고전압 배터리와 보조배터리를 구비한 차량(하이브리드차, 플러그인 하이브리드차, 순수 전기차)에서 차량 키-오프 상태에서 보조배터리 충전량을 감지하여 일정 레벨 이하가 되면 상위 제어기를 웨이크-업(wake-up)시켜 자동으로 보조배터리를 충전할 수 있도록 한 보조배터리의 방전 방지장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기차는 전기에너지의 사용 비중에 따라 순수 전기차(PEV; Pure Electric Vehicle), 하이브리드 전기차(HEV; Hybrid Electric Vehicle), 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV; Plug-in Hybrid Electric Vehicle)로 구별된다.
이러한 전기차들은 차량의 전원 공급을 위해, 도 1과 같이 메인 배터리인 고전압 배터리(11), 전력변환기(DC-DC Converter)(12) 및 12V 배터리인 보조배터리(13)를 구비한다.
상기 전력변환기(12)는 고전압 배터리(11)로부터 전기에너지를 공급받아, 상대적으로 낮은 전압의 보조배터리(13)를 충전하기 적당한 수준의 전압으로 낮추어 보조배터리(13)를 충전한다.
상기와 같이 고전압 배터리와 보조배터리를 이용하는 전기차에서 배터리 충전을 제어하는 종래의 기술이 하기의 <특허문헌 1 > 내지 <특허문헌 3> 에 개시되어 있다.
<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 현재 충전 또는 방전되고 있는 배터리의 SOC까지 고려함으로써 적정한 SOC 밸런스를 제어함으로써, 더욱 효율적인 하이브리드 자동차의 주행환경을 유지할 수 있도록 한 하이브리드 자동차의 배터리 충방전 제어방법을 제공한다.
또한, <특허문헌 2> 에 개시된 종래기술은 저전압 배터리의 충전상태, 차량의 운전 모드 및 고전압 배터리의 충전상태에 따라 저전압 배터리의 최종 충전전압을 가변 제어하는 저전압 배터리 충전 제어방법 및 장치를 제공한다.
또한, <특허문헌 3> 에 개시된 종래기술은 하이브리드 자동차에서 메인 배터리 또는 전기기기의 용량 증대나 성능 개선 없이 에너지의 효율적인 이용, 에너지 회수량의 극대화, 연비 및 운전성 향상을 도모하여, 하이브리드 자동차의 배터리 충전 상태 제어 방법을 제공한다.
대한민국 등록특허 10-1664156호(2016.10.04. 등록)(하이브리드 자동차의 배터리 충방전 제어방법) 대한민국 등록특허 10-1664562호(2016.10.04. 등록)(저전압 배터리 충전 제어방법 및 장치) 대한민국 등록특허 10-1655609호(2016.09.01. 등록)(하이브리드 자동차의 배터리 충전 상태 제어 장치 및 방법)
그러나 상기와 같은 일반적인 전기차 및 종래기술들은 차량의 키-오프상태에서, 블랙박스 등의 사용으로 인해 보조배터리가 방전되어 엔진 시동이 걸리지 않는 등의 이유로 운전자가 불편을 겪는 것을 미리 방지할 수 없는 단점이 있다.
특히, 일반적인 전기차 및 종래기술들은 차량의 키-오프 상태에서 보조배터리의 충전량을 검출하여 일정 전압 이하인 상태에서도 상위 제어기에 웨이크-업을 줄 수 없어, 차량의 키-오프 상태에서 보조배터리를 충전하는 것은 불가능한 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 고전압 배터리와 보조배터리를 구비한 차량(하이브리드차, 플러그인 하이브리드차, 순수 전기차)에서 차량 키-오프 상태에서 보조배터리 충전량을 감지하여 일정 레벨 이하가 되면 상위 제어기를 자동으로 웨이크-업(wake-up)시켜 보조배터리를 충전할 수 있도록 한 보조배터리의 방전 방지장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 보조배터리의 방전 방지장치는 시동 키가 오프 상태이면 보조배터리의 충전량을 감지하고, 보조배터리 충전 시점이 되면 웨이크-업 명령을 발생하는 충전량 감시부; 상기 충전량 감시부에서 발생한 웨이크-업 명령에 따라 기동하여, 고전압 배터리 및 전력변환기를 자동으로 기동시키는 차량 제어기를 포함하고,
상기 전력 변환기는 시동키 오프 상태에서 상기 차량 제어기에 의해 웨이크-업 되면 상기 고전압 배터리의 공급 전압으로 상기 보조배터리를 충전하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 충전량 감시부는 상기 보조배터리의 충전량이 권장 충전량 하한치가 되면 보조배터리 충전 시점으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 보조배터리의 방전 방지방법은 (a) 보조배터리의 충전량을 감지하는 충전량 감시부에서 차량이 키-오프 상태이면 보조배터리의 충전량을 검출하는 단계; (b) 상기 충전량 감시부에서 상기 검출한 보조배터리의 충전량을 분석하여 보조배터리 충전시점이 되면 자동으로 차량 제어기에 웨이크-업 명령을 전송하는 단계; (c) 상기 차량 제어기에서 웨이크-업 명령이 수신되면 기동을 하고, 고전압 배터리 및 전력변환기를 웨이크-업 시키는 단계; (d) 상기 전력변환기에서 웨이크-업된 고전압 배터리로부터 공급되는 전압을 변환하여 상기 보조배터리를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (b)단계의 충전 시점은 상기 보조배터리의 충전량이 권장 충전량 하한치 이하가 되면 보조배터리 충전 시점으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 차량 키-오프 상태에서 보조배터리 충전량을 감지하여 일정 레벨 이하가 되면 상위 제어기를 자동으로 웨이크-업(wake-up) 시켜, 키-오프 상태에서도 보조배터리를 충전함으로써, 시동키 오프 상태에서 블랙박스 등의 사용으로 12V 보조배터리가 기준레벨 이하로 방전되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 전기차의 보조배터리 충전 시스템의 개략 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 보조배터리의 방전 방지장치의 블록 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 보조배터리의 방전 방지방법을 보인 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 보조배터리의 방전 방지장치 및 그 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 보조배터리의 방전 방지장치의 블록 구성도로서, 충전량 감시부(21), 차량 제어기(22), 고전압 배터리(23), 전력변환기(24) 및 보조배터리(25)를 포함한다.
상기 고전압 배터리(23)는 차량의 구동전력을 공급하는 역할을 하며, 보조배터리(25)는 저전압 배터리(12V)로서 전장부하에 동력을 공급해주는 역할을 한다. 예컨대, 보조배터리(25)는 차량의 시동이 오프 된 상태에서도 블랙박스 등에 구동 전원을 공급해준다.
상기 전력변환기(24)는 상기 고전압 배터리(23)로부터 전기에너지를 공급받아, 상대적으로 낮은 전압의 보조배터리(25)를 충전하기 적당한 수준의 전압으로 낮추어 보조배터리(25)를 충전하는 역할을 한다.
상기 충전량 감시부(21)는 시동 키의 오프(off) 시 상기 보조배터리(25)의 충전량을 계산 또는 측정하고, 계산 또는 측정한 보조배터리 충전량을 분석하여 충전 시점을 결정하며, 보조배터리 충전 시점이 되면 상기 차량 제어기(22)에 웨이크-업 명령을 전달하는 역할을 한다.
여기서 충전량 감시부(21)는 상기 보조배터리(25)의 현재 충전량을 검출하는 충전량 검출기를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 차량 제어기(22)는 상기 충전량 감시부(21)에 의해 웨이크-업 명령이 전달되면 기동을 하여 상기 고전압 배터리(23) 및 전력변환기(24)를 자동으로 기동시키는 역할을 한다.
이러한 차량 제어기(22)는 전기차에 기본적으로 구현된 Hybrid Control Unit(HCU) 또는 Vehicle Control Unit(VCU) 등으로 구현할 수 있다.
상기 전력 변환기(24)는 시동키 오프 상태에서 상기 차량 제어기(22)에 의해 웨이크-업 되면 상기 고전압 배터리(23)의 공급 전압으로 상기 보조배터리(25)를 충전하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 보조배터리의 방전 방지장치의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 차량의 시동키가 온 되면 충전량 감시부(21)는 동작을 하지 않으며, 이때 차량 제어기(22)의 제어하에 기존과 같은 동일한 방법으로 보조배터리(25)를 충전한다.
상기 전기차의 시동키가 오프되면 상기 충전량 감시부(21)는 시동키 오프 신호를 인터럽트 신호로 입력 받아 기동을 한다. 이어, 충전량 검출기를 이용하여 상기 보조배터리(25)의 충전량을 검출한다. 여기서 충전량 검출기는 일반적인 차량 또는 전기차에서 저전압 배터리인 보조배터리의 충전량을 검출하는 간단한 충전량 검출기로서 대기전력을 매우 적게 소모하는 기기이다.
상기 충전량 감시부(21)는 상기 충전량 검출기를 통해 검출한 보조배터리의 현재 충전량을 배터리 업체에서 권장한 권장 충전량 하한치와 비교하여, 보조배터리의 충전 시점을 결정한다.
예컨대, 보조배터리의 수명 상태인 SOH(State Of Health)를 무시하고, 보조배터리의 수명이 100% 남았다고 가정한다. 이때, 보조배터리가 100Ah의 용량을 가진 것으로 가정하고, 현재 충전량이 80%라고 가정하면 이 보조배터리가 방전할 수 있는 전류의 양은 총 80Ah가 된다. 만약, 보조배터리의 권장 충전량의 최저치가 50%라고 하면, 이 보조배터리의 방전 가능 전류가 50Ah가 되었을 때 이 보조배터리는 충전이 되어야 보조배터리의 수명에도 영향이 적고 차량에도 이상이 없다.
따라서 충전량 감시부(21)는 시동키 오프 상태가 되면, 보조배터리(25)의 현재 충전량을 검출하고, 배터리 업체에서 설정한 권장 충전량 하한치(예를 들어, 상기 50Ah)를 비교하여, 상기 검출한 보조배터리의 현재 충전량이 상기 권장 충전량 하한치 이하가 되면 보조배터리의 충전 시점으로 결정한다.
여기서 본 발명은 보조배터리의 충전량을 측정하고, 이를 권장 충전량 하한치와 비교하여 보조배터리의 충전 시점을 결정하는 것으로 설명하였으나, 이것에 한정되는 것은 아니며, 검출한 보조배터리의 충전량에 다양한 조건(예를 들어, SOH, 대기 전력)을 고려하여 보조배터리의 충전량을 다시 계산하고, 계산된 보조배터리의 충전량을 상기 권장 충전량과 하한치와 비교하는 방식으로 충전 시점을 결정하는 것도 가능하다.
보조배터리의 충전 시점으로 결정되면, LIN이나 CAN과 같은 통신 장치나 인터럽트로 상위 제어기인 차량 제어기(22)에 웨이크-업 명령을 전달한다.
상기 웨이크-업 명령을 수신한 차량 제어기(22)는 기동을 하고, 이어 고전압 배터리(23) 및 전력변환기(24)를 웨이크-업 시킨다.
여기서 차량의 시동키 오프가 되면 일정 시간 후 대부분의 제어기는 슬립 모드가 되어 대기 전력을 최소화하게 된다. 즉, 보조배터리를 충전하기 위해 필요한 고전압 배터리와 전력변환기에 대해 충전 명령을 내릴 수 있는 상위 제어기인 하이브리드 및 플러그인 전기차의 HCU 및 순수 전기차의 VCU도 대기 전력 최소를 위해 슬립 모드로 들어간다.
따라서 차량 제어기(22)는 슬립 모드로 진입한 상태에서, 상기 웨이크-업 명령이 수신되면 기동을 한다. 기동을 한 후에는 자동으로 고전압 배터리(23) 및 전력변환기(24)를 웨이크-업 시킨다. 여기서 고전압 배터리(23)의 웨이크-업은 배터리 관리기(BMS)를 웨이크-업 하는 것을 의미한다.
다음으로, 상기 전력변환기(24)는 웨이크-업이 되면, 상기 고전압 배터리(23)로부터 공급되는 고전압을 상기 보조배터리(25)에 충전하기에 알맞은 저전압으로 변환을 하여, 상기 보조배터리(25)를 충전하게 된다.
일반적으로 보조배터리(25)를 충전하기 적당한 전압은 일반 차량의 알터네이터의 출력 전압과 동일한 수준의 전압인 12~15V 사이의 전압이다.
이러한 과정으로 보조배터리(25)를 충전하게 되면, 상기 고전압 배터리(23)가 일정 전압 이하로 방전되지 않는 이상, 시동키 오프 상태에서 블랙박스 등을 장시간 사용하여도 보조배터리(25)가 설정된 최저 전압 레벨 이하로 방전되는 것을 방지할 수 있게 되는 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 보조배터리의 방전 방지방법을 보인 흐름도로서, S는 단계(step)를 나타내며, 도 2와 같은 보조배터리의 방전 방지장치에서 보조배터리의 방전을 방지하는 과정을 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 보조배터리의 방전 방지방법은 (a) 보조배터리(25)의 충전량을 감지하는 충전량 감시부(21)에서 차량이 키-오프 상태이면 보조배터리(25)의 충전량을 검출하는 단계(S11 ~ S12), (b) 상기 충전량 감시부(21)에서 상기 검출한 보조배터리(25)의 충전량을 분석하여 보조배터리 충전 시점이 되면 자동으로 차량 제어기(22)에 웨이크-업 명령을 전송하는 단계(S13 ~ S14), (c) 상기 차량 제어기(22)에서 웨이크-업 명령이 수신되면 기동을 하고, 고전압 배터리(23) 및 전력변환기(24)를 웨이크-업 시키는 단계(S15), (d) 상기 전력변환기(24)에서 웨이크-업된 고전압 배터리(23)로부터 공급되는 전압을 변환하여 상기 보조배터리(25)를 충전하는 단계(S16 ~ S18)를 포함한다.
상기 (b)단계의 충전 시점은 상기 보조배터리(25)의 충전량이 권장 충전량 하한치 이하가 되면 보조배터리 충전 시점으로 결정하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 보조배터리의 방전 방지방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 차량의 시동키가 온 되면 충전량 감시부(21)는 동작을 하지 않으며, 이때 차량 제어기(22)의 제어하에 기존과 같은 동일한 방법으로 보조배터리(25)를 충전한다.
다음으로, 단계 S11에서 상기 전기차의 시동키가 오프 되면 상기 충전량 감시부(21)는 시동키 오프 신호를 인터럽트 신호로 입력 받아 기동을 한다.
이어, 단계 S12에서 충전량 검출기를 이용하여 상기 보조배터리(25)의 충전량을 검출한다. 여기서 충전량 검출기는 일반적인 차량 또는 전기차에서 배터리의 충전량을 검출하는 간단한 충전량 검출기로서 대기전력을 매우 적게 소모하는 기기이다.
이어, 단계 S13에서 상기 충전량 감시부(21)는 상기 충전량 검출기를 통해 검출한 보조배터리(25)의 현재 충전량을 배터리 업체에서 권장한 권장 충전량과 최저치와 비교하여, 보조배터리의 충전 시점을 결정한다.
예컨대, 보조배터리의 수명 상태인 SOH(State Of Health)를 무시하고, 보조배터리의 수명이 100% 남았다고 가정한다. 이때, 보조배터리가 100Ah의 용량을 가진 것으로 가정하고, 현재 충전량이 80%라고 가정하면 이 보조배터리가 방전할 수 있는 전류의 양은 총 80Ah가 된다. 만약, 보조배터리의 권장 충전량의 최저치가 50%라고 하면, 이 보조배터리의 방전 가능 전류가 50Ah가 되었을 때 이 보조배터리는 충전이 되어야 보조배터리의 수명에도 영향이 적고 차량에도 이상이 없다.
따라서 충전량 감시부(21)는 시동키 오프 상태가 되면, 보조배터리(25)의 현재 충전량을 검출하고, 배터리 업체에서 설정한 권장 충전량(예를 들어, 상기 50Ah)을 최저치를 비교하여, 상기 검출한 보조배터리(25)의 현재 충전량이 상기 권장 충전량 하한치 이하가 되면 보조배터리(25)의 충전 시점으로 결정한다.
여기서 본 발명은 보조배터리의 충전량을 측정하고, 이를 권장 충전량과 하한치와 비교하여 보조배터리의 충전 시점을 결정하는 것으로 설명하였으나, 이것에 한정되는 것은 아니며, 검출한 보조배터리의 충전량에 다양한 조건(예를 들어, SOH, 대기 전력)을 고려하여 보조배터리의 충전량을 다시 계산하고, 계산된 보조배터리의 충전량을 상기 권장 충전량과 하한치와 비교하는 방식으로 충전 시점을 결정하는 것도 가능하다.
보조배터리의 충전 시점으로 결정되면, 단계 S14에서 LIN이나 CAN과 같은 통신 장치나 인터럽트로 상위 제어기인 차량 제어기(22)에 웨이크-업(wake-up) 명령을 전달한다.
상기 웨이크-업 명령을 수신한 차량 제어기(22)는 단계 S15에서 기동을 하고, 이어 고전압 배터리(23) 및 전력변환기(24)를 웨이크-업 시킨다.
여기서 차량의 시동키 오프가 되면 일정 시간 후 대부분의 제어기는 슬립 모드가 되어 대기 전력을 최소화하게 된다. 즉, 보조배터리를 충전하기 위해 필요한 고전압 배터리와 전력변화기에 대해 충전 명령을 내릴 수 있는 상위 제어기인 하이브리드 및 플러그인 전기차의 HCU 및 순수 전기차의 VCU도 대기 전력 최소를 위해 슬립 모드로 들어간다.
따라서 차량 제어기(22)는 슬립 모드로 진입한 상태에서, 상기 웨이크-업 명령이 수신되면 기동을 한다. 기동을 한 후에는 자동으로 고전압 배터리(23) 및 전력변환기(24)를 웨이크-업 시킨다. 여기서 고전압 배터리(23)의 웨이크-업은 배터리 관리기(BMS)를 웨이크-업 하는 것을 의미한다.
다음으로, 상기 전력변환기(24)는 웨이크-업이 되면, 단계 S16에서 상기 고전압 배터리(23)로부터 공급되는 고전압을 상기 보조배터리(25)에 충전하기에 알맞은 저전압으로 변환을 하여, 상기 보조배터리(25)를 충전하게 된다.
그리고 보조배터리(25)의 충전이 시작되면, 지속적으로 보조배터리의 충전량과 권장 충전량을 비교하여(S17), 상기 보조배터리의 충전량이 상기 권장 충전량 상한치 이상이 되면 단계 S18로 이동하여 상기 보조배터리(25)의 충전을 종료하게 된다.
이러한 과정으로 보조배터리(25)를 충전하게 되면, 상기 고전압 배터리(23)가 일정 전압 이하로 방전되지 않는 이상, 시동키 오프 상태에서 블랙박스 등을 장시간 사용하여도 보조배터리(25)가 설정된 최저 전압 레벨 이하로 방전되는 것을 방지할 수 있게 되는 것이다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
21: 충전량 감시부 22: 차량 제어기
23: 고전압 배터리 24: 전력 변환기
25: 보조배터리

Claims (4)

  1. 메인 배터리(고전압 배터리)와 보조배터리(저전압 배터리)를 구비한 전기차에서 보조배터리가 최저 전압 레벨 이하로 방전하는 것을 방지하기 위한 장치로서,
    시동 키가 오프 상태이면 보조배터리의 충전량을 감지하고, 보조배터리 충전 시점이 되면 웨이크-업 명령을 발생하는 충전량 감시부; 및
    상기 충전량 감시부에서 발생한 웨이크-업 명령에 따라 기동하여, 고전압 배터리 및 전력변환기를 자동으로 기동시키는 차량 제어기를 포함하고,
    상기 전력 변환기는 시동키 오프 상태에서 상기 차량 제어기에 의해 웨이크-업 되면 상기 고전압 배터리의 공급 전압으로 상기 보조배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 보조배터리의 방전 방지장치.
  2. 청구항 1에서, 상기 충전량 감시부는 상기 보조배터리의 충전량이 권장 충전량 하한치 이하가 되면 보조배터리 충전 시점으로 결정하는 것을 특징으로 하는 보조배터리의 방전 방지장치.
  3. 메인 배터리(고전압 배터리)와 보조배터리(저전압 배터리)를 구비한 전기차에서 보조배터리가 최저 전압 레벨 이하로 방전하는 것을 방지하기 위한 방법으로서,
    (a) 보조배터리의 충전량을 감지하는 충전량 감시부에서 차량이 키-오프 상태이면 보조배터리의 충전량을 검출하는 단계;
    (b) 상기 충전량 감시부에서 상기 검출한 보조배터리의 충전량을 분석하여 보조배터리 충전시점이 되면 자동으로 차량 제어기에 웨이크-업 명령을 전송하는 단계;
    (c) 상기 차량 제어기에서 웨이크-업 명령이 수신되면 기동을 하고, 고전압 배터리 및 전력변환기를 웨이크-업 시키는 단계; 및
    (d) 상기 전력변환기에서 웨이크-업 된 고전압 배터리로부터 공급되는 전압을 변환하여 상기 보조배터리를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 보조배터리의 방전 방지방법.
  4. 청구항 3에서, 상기 (b)단계의 충전 시점은 상기 보조배터리의 충전량이 권장 충전량 하한치(최저값) 이하가 되면 보조배터리 충전 시점으로 결정하는 것을 특징으로 하는 보조배터리의 방전 방지방법.


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