KR20190071459A

KR20190071459A - 배터리 충전 시스템 및 이를 이용한 배터리 모듈의 최대용량 충전 제어방법

Info

Publication number: KR20190071459A
Application number: KR1020170172527A
Authority: KR
Inventors: 강선두; 박진영; 박현석; 조진호; 원충연; 엄태호; 이정; 김준모; 김성훈
Original assignee: 현대오트론 주식회사; 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2019-06-24
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: KR102020044B1

Abstract

본 발명은 우수한 SOH를 가지는 배터리 모듈이 최대용량 충전 될 수 있도록 고전압 배터리의 모듈별 분산형 LDC을 적용하여 저용량화된 모듈에 대해 방전을 진행시켜 전체 배터리 모듈에 최대용량 충전이 가능한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 배터리 충전 시스템은, 복수개의 배터리 모듈을 갖는 고전압 배터리, 상기 고전압 배터리 각각의 배터리 모듈별로 충전 상태(SOC)를 검출하는 충전률 검출부, 상기 검출된 각 배터리 모듈의 충전 상태를 기반으로 선택되는 배터리 모듈을 선택적 제어하기 위한 방전 제어신호를 출력하는 방전 선택부, 및 상기 방전 제어신호에 대응되는 배터리 모듈의 충전전압을 선택적으로 저전압으로 강압시켜 방전시키는 LDC 충전부를 포함한다.

Description

배터리 충전 시스템 및 이를 이용한 배터리 모듈의 최대용량 충전 제어방법{Battery charging system, and method for controlling maximum capacity charging in battery module using the same}

본 발명은 배터리 충전 시스템에 관한 것으로, 구체적으로, 배터리 팩의 모듈별 SOH 불균형을 고려한 최대용량 충전 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.

제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(Electric Vehicle : EV) 또는 하이브리드 차량(Hybrid Vehicle : HV) 등에 보편적으로 응용되고 있다.

이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성을 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.

한편, 전기차량 등에 적용되는 배터리 팩은 통상적으로 직렬 및/또는 병렬 구조로 연결되는 복수개의 배터리 모듈로 구성되며, 또한 상기 배터리 모듈은 단위 배터리 셀 또는 2개 이상의 배터리 셀의 집합체이다. 이러한 배터리 팩을 갖는 고전압 배터리의 고전압을 전장부하 전원장치를 이용하여 저전압으로 강압시켜 전장 부하용 저전압이 저장되는 저전압 배터리에 충전전압으로 공급하고, 동시에 전장부하에 전원으로 공급한다.

따라서, 전기차량의 경우 미운행시 슬립(Sleep) 모드로 진행 가능한 BMS와 고전압 배터리를 이용하여 저전압 배터리를 충전하는 저전압 직류변환장치(Low Voltage DC-DC Converter : LDC)가 있으므로 차량이 운행되지 않을 경우라도 측정한 로직을 통해 저전압 배터리의 충전이 가능하며, LDC로 출력전류 체크 로직을 이용하여 전장부하의 이상 발생으로 인한 문제가 확인 가능하다는 장점을 갖는다.

한편, 배터리 팩을 구성하는 복수 개의 배터리 모듈의 성능은 다양한 원인에 의해 편차가 존재할 수 있다. 그리고 배터리 모듈의 성능 편차 등에 의해 배터리 모듈 간의 전압 불균형이 발생하게 된다.

특히, 배터리의 충전 시 배터리 팩 구성상 각 배터리 모듈에 동일한 충전량을 충전하도록 구성되어 있다. 그리고 각 배터리 모듈의 과충전을 방지하기 위해서 최소용량을 보유하는 배터리 모듈을 기준으로 충전을 시행하게 된다.

그러나 배터리 모듈의 성능 편차 등에 의해 각 배터리 모듈마다 SOH가 다르게 나타나면 배터리의 용량 감소가 나타나고, 이에 따라 모듈마다 충전시간 편차가 나타나게 된다. 그런데 각 배터리 모듈의 과충전을 방지하기 위해서 최소용량을 보유하는 배터리 모듈을 기준으로 충전을 시행하게 됨에 따라 최대 사용 용량으로의 충전에 한계점이 나타나고 있다.

즉, 배터리 충전 시 복수 개의 배터리 모듈 중 SOH의 성능이 떨어진 저용량화된 특정 배터리 모듈이 가장 먼저 완충되게 되는데, 이때, 나머지의 배터리 모듈은 아직 완전 충전이 이루어지지 않은 상태임에도 최소용량을 보유하는 배터리 모듈을 기준으로 충전을 시행하게 됨에 따라 불완전 충전임에도 배터리 팩의 충전이 중지되는 문제점이 발생된다.

본 발명은, 배터리 팩의 모듈별 SOH 불균형을 고려한 최대용량 충전 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 우수한 SOH를 가지는 배터리 모듈이 최대용량 충전 될 수 있도록 고전압 배터리의 모듈별 분산형 LDC을 적용하여 저용량화된 모듈에 대해 방전을 진행시켜 전체 배터리 모듈에 최대용량 충전이 가능한 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 배터리 충전 시스템은, 복수개의 배터리 모듈을 갖는 고전압 배터리, 상기 고전압 배터리 각각의 배터리 모듈별로 충전 상태(SOC)를 검출하는 충전률 검출부, 상기 검출된 각 배터리 모듈의 충전 상태를 기반으로 선택되는 배터리 모듈을 선택적 제어하기 위한 방전 제어신호를 출력하는 방전 선택부, 및 상기 방전 제어신호에 대응되는 배터리 모듈의 충전전압을 선택적으로 저전압으로 강압시켜 방전시키는 LDC 충전부를 포함한다.

또한, 상기 방전 제어신호는 완전 충전된 배터리 모듈에 대응되는 상기 LDC 충전부의 DC/DC 충전기를 선택적으로 제어하여 배터리 모듈이 선택적으로 방전되도록 제어한다.

또한, 상기 방전 선택부에서 선택되는 배터리 모듈은 완전 충전된 배터리 모듈 및 전체 배터리 모듈의 충전률의 평균 값 이상 되는 배터리 모듈 중 적어도 하나를 포함한다.

또한, 상기 충전률 검출부는 고전압 배터리의 배터리 모듈별로 전압 및 전류를 측정하는 측정부, 상기 측정된 전압 값, 전류 값과 기 설정된 상기 배터리 모듈의 최초 측정 전압(Open Circuit Voltage : OCV) 값을 이용하여 각 배터리 모듈의 현재 용량을 연산하는 연산부, 상기 OCV 값과 상기 OCV 값에 대응하는 SOC(State of Charge) 값을 테이블화한 OCV 테이블을 저장하는 저장부, 및 상기 OCV 테이블을 이용하여 각 배터리 모듈의 SOC 값을 추정하는 SOC 추정부를 포함한다.

또한, 상기 측정부는 전압 값과 전류 값의 최초 측정 여부를 판단하고, 상기 판단 결과 최초로 측정된 값으로 판단되면, 상기 전압 값을 OCV 값으로 설정한다.

또한, 상기 SOC 추정부는 각 배터리 모듈의 현재 용량을 통해 추정된 SOC 값을 이용하여 상기 OCV 테이블을 갱신한다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 배터리 충전 시스템을 이용한 배터리 모듈의 최대용량 충전 제어방법은, 충전률 검출부에서 충전 중인 고전압 배터리에 포함되는 각각의 배터리 모듈의 충전 상태(SOC)를 검출하는 단계, 방전 선택부에서 상기 검출된 각 배터리 모듈의 충전 상태(SOC)를 기반으로 완전 충전된 배터리 모듈 여부를 판단하는 제 1 판단 단계, 상기 제 1 판단 결과, 완전 충전된 배터리 모듈이 있는 경우, 대용량 배터리에 포함된 모든 배터리 모듈이 완전 충전되었는지 판단하는 제 2 판단 단계, 상기 제 2 판단 결과, 일부 배터리 모듈만이 완전 충전된 경우, 방전 선택부에서 완전 충전된 배터리 모듈에 대응되는 선택적 제어를 위한 방전 신호를 출력하는 단계, 및 LDC 충전부에서 상기 출력되는 방전 제어신호를 기반으로 이에 대응되는 배터리 모듈의 충전전압을 선택적으로 방전시키는 단계를 포함한다.

또한, 상기 각각의 배터리 모듈의 충전 상태(SOC)를 검출하는 단계는 측정부를 이용하여 고전압 배터리의 배터리 모듈별로 전압 및 전류를 측정하는 단계; 연산부를 이용하여 상기 측정된 전압 값 및 전류 값과 기 설정된 배터리 모듈의 OCV 값을 이용하여 각 배터리 모듈의 현재 용량을 연산하는 단계; 상기 OCV 값과 상기 OCV 값에 대응하는 SOC(State of Charge) 값을 테이블화한 OCV 테이블을 저장하는 단계; 및 SOC 추정부를 이용하여 상기 저장된 OCV 테이블 또는 기 설정된 배터리의 설계용량을 이용하여 각 배터리 모듈의 SOC 값을 추정하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 배터리 모듈별로 전압 및 전류를 측정하는 단계는 상기 측정된 전압 값 및 전류 값의 최초 측정 여부를 판단하여, 최초로 측정된 값으로 판단되면, 상기 전압 값을 최초 측정 전압(Open Circuit Voltage : OCV) 값으로 설정하는 단계를 더 포함한다.

또한, 상기 각 배터리 모듈의 현재 용량을 연산하는 단계는 내부 저항 값, 전압 값 및 전류 값을 이용하여 각 배터리 모듈의 손실 출력 값과 부하 측 출력 값을 계산하는 단계, 상기 계산된 손실 출력 값과 부하 측 출력 값을 이용하여 배터리 에너지량을 계산하는 단계, 및 상기 계산된 배터리 에너지량을 이용하여 각 배터리 모듈의 현재 용량을 연산하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 각 배터리 모듈의 SOC 값을 추정하는 단계는 OCV 값에 대응하는 SOC 값을 상기 OCV 테이블로부터 획득하여 각 배터리 모듈의 SOC 값을 추정하거나, 또는 각 배터리 모듈의 현재 용량을 기 설정된 배터리의 설계용량으로 나누어 각 배터리 모듈의 SOC 값을 추정한다.

또한, 상기 추정된 SOC 값을 이용하여 상기 OCV 테이블을 갱신한다.

또한, 상기 배터리 모듈의 충전전압을 선택적으로 방전시키는 단계는 방전 제어신호를 기반으로 DC/DC 충전기를 선택적으로 제어하여 충전전압이 방전되는 배터리 모듈을 선택한다.

또한, 상기 배터리 모듈의 충전전압을 선택적으로 방전시키는 단계는 배터리 모듈의 고전압을 저전압으로 강압시켜 방전시킨다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 본 발명의 배터리 충전 시스템 및 이를 이용한 배터리 모듈의 최대용량 충전 제어방법은, 고전압 배터리의 모듈별 분산형 LDC를 이용하여 충전과 동시에 방전을 진행함으로써, 전체 배터리 모듈에 충전 용량의 최대 용량 구현이 가능하다.

이에 따라, 전기차량의 주행거리 상승 증가가 가능하며, 충전용량 증대에 따른 충방전 수행 횟수를 감소시킬 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 시스템의 구성을 나타낸 블록도
도 2 는 도 1에서 충전률 검출부의 구성을 상세히 나타낸 블록도
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 이용한 배터리 모듈의 최대용량 충전 제어방법을 설명하기 위한 흐름도
도 4 는 충전률 검출부(300)에서 각각의 배터리 모듈의 충전 상태(SOC)를 검출하는 방법을 상세히 설명하기 위한 흐름도

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

이하에서는, 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 배터리 충전 시스템 및 이를 이용한 배터리 모듈의 최대용량 충전 제어방법에 대해 설명하도록 한다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 시스템은 고전압 배터리(100), 충전률 검출부(200), LDC 충전부(300), 방전 선택부(400) 및 저전압 배터리(500)를 포함한다.

본 발명의 배터리 충전 시스템은 전기차량에 장착된 고전압 배터리(100)의 BMS와는 구별된다. 즉, 상기 BMS는 고전압 배터리(100) 내에 구성되어 배터리 모듈들(110)에 대한 충전과 방전 제어, 과충전과 과방전 보호 및 모듈 밸런싱 등을 수행하며, 상기 배터리 충전 시스템은 이와는 별도로 고전압 배터리(100) 내에 구성되는 배터리 모듈별(110)로 최대용량 충전을 위해 제어하기 위한 시스템으로, 상기 BMS와 연동하여 동작할 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 후술하도록 한다.

고전압 배터리(100)는 직렬 및/또는 병렬 구조로 연결되는 복수개의 배터리 모듈들(110)로 구성되며, 또한 배터리 모듈(110)은 단위 배터리 셀 또는 2개 이상의 배터리 셀의 집합체로서, 외부충전장치로부터 전력을 공급받아 배터리 모듈들(110)을 충전한다. 고전압 배터리(100)는 차량을 움직이는 동력원으로 사용하는 배터리로서, 100V 이상의 고전압을 제공한다.

LDC 충전부(200)는 고전압 배터리(100)의 고전압을 DC/DC 충전기(210)를 이용하여 저전압으로 강압시켜 전장 부하용 저전압이 저장되는 저전압 배터리(500)로 고전압 배터리(100)의 충전전압을 방전시키며, 이때, 방전 선택부(400)에서 전달되는 방전 제어신호를 기반으로 고전압 배터리(100)의 배터리 모듈(110)들 중 상기 방전 제어신호에 대응되는 배터리 모듈(110)의 충전전압을 선택적으로 저전압 배터리(500)로 방전시킨다. 상기 저전압 배터리(500)로 충전전압을 방전시킬 때, LDC 충전부(200)는 내부의 DC/DC 충전기(210)를 이용하여 배터리 모듈(110)의 고전압을 저전압으로 강압시켜 저전압 배터리(500)로 방전시킴에 따라, 저전압 배터리(500)는 전장 부하용 저전압이 충전되게 된다.

한편, 배터리 모듈(110)의 충전전압을 저전압 배터리(500)로 방전시키는 것은 하나의 일 실시예일 뿐, 이에 한정되지 않으며 차량에 마련된 전장품들로 전원으로 방전시킬 수도 있다.

충전률 검출부(300)는 고전압 배터리(100)를 충전 시, 각각의 배터리 모듈별(110)로 충전 상태(SOC)를 검출한다.

이를 위해, 충전률 검출부(300)는 고전압 배터리(100)의 배터리 모듈별(110)로 전압 및 전류를 측정하는 측정부(310)와, 상기 측정부(310)에 의해 측정된 전압 값, 전류 값과 기 설정된 상기 배터리 모듈(110)의 최초 측정 전압(Open Circuit Voltage : OCV) 값을 이용하여 각 배터리 모듈의 현재 용량을 연산하는 연산부(320)와, 상기 OCV 값과 상기 OCV 값에 대응하는 SOC(State of Charge) 값을 테이블화한 OCV 테이블을 저장하는 저장부(330)와, 상기 OCV 테이블을 이용하여 각 배터리 모듈의 SOC 값을 추정하는 SOC 추정부(340)를 포함한다.

이때, 상기 측정부(310)는 전압 값과 전류 값의 최초 측정 여부를 판단하고, 상기 판단 결과 최초로 측정된 값으로 판단되면, 상기 전압 값을 OCV 값으로 설정한다.

그리고 상기 연산부(320)는 측정부(310)의 판단 결과 최초 측정이 아닌 경우, 측정된 전압 값과 전류값 및 OCV 값을 이용하여, 각 배터리 모듈(110)의 내부 저항 값을 계산하고, 내부 저항 값과 기 설정된 임계 저항 값의 크기를 비교한다. 상기 비교 결과, 내부 저항 값이 임계 저항 값 이상으로 확인되거나, 전류 값이 0으로 확인되면, OCV 값을 SOC 추정부(340)에 전달한다. 또한 상기 비교 결과, 내부 저항 값이 기 설정된 임계 저항 값보다 작고 전류 값이 0보다 크면, 내부 저항 값을 이용하여 각 배터리 모듈의 현재 용량은 연산한다.

이처럼, 상기 연산부(320)는 내부 저항 값, 전압 값 및 전류 값을 이용하여 각 배터리 모듈(110)의 손실 출력 값과 부하 측 출력 값을 계산하고, 계산된 손실 출력 값과 부하 측 출력 값을 이용하여 배터리 에너지량을 계산하고, 계산된 배터리 에너지량을 이용하여 각 배터리 모듈(110)의 현재 용량을 연산한다.

또한 상기 SOC 추정부(340)는 OCV 값에 대응하는 SOC 값을 상기 OCV 테이블로부터 획득하여 각 배터리 모듈(110)의 SOC 값을 추정한다. 또는 각 배터리 모듈(110)의 현재 용량을 기 설정된 배터리의 설계용량으로 나누어 각 배터리 모듈(110)의 SOC 값을 추정한다. 그리고 상기 SOC 추정부(340)는 각 배터리 모듈(110)의 현재 용량을 통해 추정된 SOC 값을 이용하여 상기 OCV 테이블을 갱신한다.

방전 선택부(400)는 충전률 검출부(300)에서 검출된 각 배터리 모듈(110)의 충전 상태(SOC)를 기반으로 완전 충전된 배터리 모듈(110)에 대응되는 LDC 충전부(200)의 DC/DC 충전기(210)를 선택적으로 제어하기 위한 방전 제어신호를 LDC 충전부(200)에 전달하여 배터리 모듈(110)이 선택적으로 저전압 배터리(500)에 방전되도록 제어한다. 이때, 완전 충전은 배터리 모듈의 과충전을 방지하기 위해서 임의의 초소용량을 보유한 충전을 말한다. 이때, 고전압 배터리(100) 충전 시에 SOH의 성능이 가장 떨어진 저용량화된 특정 배터리 모듈이 가장 먼저 완전 충전되게 됨에 따라, 복수개의 배터리 모듈(110) 중 먼저 완전 충전되는 배터리 모듈은 SOH의 성능이 떨어진 저용량화된 배터리 모듈이 된다.

상기 방전 선택부(400)는 충전 시에 배터리 모듈들(110) 중 충전 상태가 완전 충전되는 배터리 모듈(110)이 적어도 하나 이상이 나타나면, 상기 완전 충전된 배터리 모듈(110)만을 선택적으로 방전되도록 제어한다. 이에 따라 방전이 되는 배터리 모듈을 제외한 나머지 배터리 모듈들은 방전 없이 충전만 이루어지게 된다. 이처럼 우수한 SOH를 가지는 배터리 모듈이 완전 충전 될 수 있도록 저용량화된 배터리 모듈에 대해 선택적으로 방전되도록 제어한다.

예로서, 배터리 모듈들 중 제 4 배터리 모듈이 가장 먼저 완전 충전되면, 상기 방전 선택부(400)는 완전 충전된 제 4 배터리 모듈만 저전압 배터리(500)로 방전되도록 제어하고, 나머지 배터리 모듈은 방전 없이 충전만이 이루어지게 된다. 이후 제 4 배터리 모듈이 방전 중에 다시 제 5 배터리 모듈만이 완전 충전되면, 상기 방전 선택부(400)는 상기 제 4 배터리 모듈과 함께 제 5 배터리 모듈도 저전압 배터리(500)로 방전되도록 제어한다. 이때, 제 4 배터리 모듈 및 제 5 배터리 모듈은 방전을 통해 충전된 충전률이 미리 설정된 충전률 이하로 떨어지면 방전을 멈추게 된다.

한편, 상기 방전 선택부(400)는 방전되도록 하기 위한 조건으로 완전 충전된 배터리 모듈(110)을 선택하여 방전되도록 기재하고 있으나, 이는 하나의 바람직한 실시예일 뿐, 이에 한정되는 것이 아니며 동일한 기술적 사상을 갖는 다양한 실시예가 가능할 것이다. 즉, 방전 선택부(400)에서 방전되도록 선택되는 배터리 모듈(110)은 전체 배터리 모듈의 충전률의 평균 값 이상이면 방전되도록 제어하거나, 또는 미리 설정된 충전률 이상이면 방전되도록 제어할 수 있다.

또한, 고전압 배터리(100)는 외부충전장치와 연결되어 충전을 공급하는 AC/DC 충전기(미도시)가 배터리 모듈들과 공통으로 연결되어 있음에 따라, 배터리 모듈별(110)로 개별적 충전이 불가능한 구성이다. 따라서, 상기 방전되는 배터리 모듈(110)은 방전되는 동안에도 충전이 이루어지게 되며, 충전되는 전압이 방전되는 전압보다 높아 상기 방전되는 배터리 모듈의 충전률이 완전 충전률을 넘어가게 되는 경우에는 고전압 배터리(100)의 충전을 일시 중지시키는 것이 바람직하다.

저전압 배터리(500)는 고전압 배터리(100)의 고전압이 LDC 충전부(200)를 통해 저전압으로 강압된 전장 부하용 저전압을 충전전압으로 공급받아 충전한다. 저전압 배터리(500)는 차량의 시동은 물론 각종 램프, 시스템, ECU(Electronic Control Unit) 등과 같은 차량에 마련된 전장품들에 필요한 전원을 공급하는 역할을 수행하며, 고전압 배터리(100)를 충전하기 위한 전원을 BMS에 공급할 수도 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 배터리 관리 시스템을 이용한 배터리 모듈의 최대용량 충전 제어에 따른 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1, 2와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 수행하는 동일한 부재를 지칭한다.

도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 이용한 배터리 모듈의 최대용량 충전 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 3을 참조하여 설명하면, 먼저 외부충전장치를 통해 전기차량에 장착된 고전압 배터리의 충전이 시작되면(S100), 충전률 검출부(300)에서 충전 중인 고전압 배터리에 포함되는 각각의 배터리 모듈의 충전 상태(SOC)를 검출한다(S200).

도 4 는 충전률 검출부(300)에서 각각의 배터리 모듈의 충전 상태(SOC)를 검출하는 방법을 상세히 설명하기 위한 흐름도이다.

도 4를 참조하여 설명하면, 먼저 측정부(310)를 이용하여 고전압 배터리(100)의 배터리 모듈별(110)로 전압 및 전류를 측정한다(S201). 이때, 측정된 전압 값 및 전류 값의 최초 측정 여부를 판단하여, 최초로 측정된 값으로 판단되면, 상기 전압 값을 최초 측정 전압(Open Circuit Voltage : OCV) 값으로 설정한다.

이어서, 연산부(320)를 이용하여 상기 측정된 전압 값 및 전류 값과 기 설정된 배터리 모듈(110)의 OCV 값을 이용하여 각 배터리 모듈(110)의 현재 용량을 연산한다(S202). 즉, 연산부(320)는 측정된 전압 값이 최초 측정이 아닌 경우, 측정된 전압 값과 전류값 및 OCV 값을 이용하여, 각 배터리 모듈(110)의 내부 저항 값을 계산하고, 내부 저항 값과 기 설정된 임계 저항 값의 크기를 비교한다. 상기 비교 결과, 내부 저항 값이 임계 저항 값 이상으로 확인되거나, 전류 값이 0으로 확인되면, OCV 값을 SOC 추정부(340)에 전달한다. 또한 상기 비교 결과, 내부 저항 값이 기 설정된 임계 저항 값보다 작고 전류 값이 0보다 크면, 내부 저항 값을 이용하여 각 배터리 모듈의 현재 용량은 연산한다.

이처럼, 연산부(320)는 내부 저항 값, 전압 값 및 전류 값을 이용하여 각 배터리 모듈(110)의 손실 출력 값과 부하 측 출력 값을 계산하고, 계산된 손실 출력 값과 부하 측 출력 값을 이용하여 배터리 에너지량을 계산하고, 계산된 배터리 에너지량을 이용하여 각 배터리 모듈(110)의 현재 용량을 연산한다.

한편, 상기 OCV 값과 상기 OCV 값에 대응하는 SOC(State of Charge) 값을 테이블화한 OCV 테이블을 저장한다(S203).

그리고 SOC 추정부(340)를 이용하여 상기 저장된 OCV 테이블을 이용하여 각 배터리 모듈의 SOC 값을 추정한다(S204). 즉, OCV 값에 대응하는 SOC 값을 상기 OCV 테이블로부터 획득하여 각 배터리 모듈(110)의 SOC 값을 추정하거나, 또는 각 배터리 모듈(110)의 현재 용량을 기 설정된 배터리의 설계용량으로 나누어 각 배터리 모듈(110)의 SOC 값을 추정한다.

그리고 SOC 추정부(340)는 각 배터리 모듈(110)의 현재 용량을 통해 추정된 SOC 값을 이용하여 상기 OCV 테이블을 갱신한다.

이렇게 각각의 배터리 모듈의 충전 상태(SOC)가 검출되면(S200), 방전 선택부(400)에서 검출된 각 배터리 모듈(110)의 충전 상태(SOC)를 기반으로 완전 충전된 배터리 모듈(110)이 있는지를 판단한다(S300).

상기 완전 충전된 배터리 모듈 여부의 판단 결과(S300), 완전 충전된 배터리 모듈(110)이 있는 경우, 대용량 배터리(100)에 포함된 모든 배터리 모듈(110)이 완전 충전되었는지 판단한다(S400). 이때, 모든 배터리 모듈(110)이 완전 충전되지 않고 일부 배터리 모듈(110)만이 완전 충전된 경우는 각 배터리 모듈의 성능 편차 등에 의해 배터리 모듈 간의 전압 불균형이 발생하게 된 경우에 나타난다. 즉, 배터리의 충전 시 배터리 팩 구성상 각 배터리 모듈에 동일한 충전량을 충전하도록 구성되어 있다. 그러나 배터리 모듈의 성능 편차 등에 의해 각 배터리 모듈마다 SOH가 다르게 나타나면 배터리의 용량 감소가 나타나고, 이에 따라 모듈마다 충전시간 편차가 나타나게 된다. 그리고 고전압 배터리(100) 충전 시에 SOH의 성능이 가장 떨어진 저용량화된 특정 배터리 모듈이 가장 먼저 완전 충전되게 됨에 따라, 복수개의 배터리 모듈(110) 중 먼저 완전 충전되는 배터리 모듈은 SOH의 성능이 떨어진 저용량화된 배터리 모듈이 된다.

따라서, 상기 모든 배터리 모듈(110)의 완전 충전 여부 판단 결과(S400), 일부 배터리 모듈(하나 이상)만이 완전 충전된 경우, 방전 선택부(400)는 완전 충전된 배터리 모듈에 대응되는 LDC 충전부(200)의 DC/DC 충전기(210)를 선택적으로 제어하기 위한 방전 제어신호를 전달한다(S500).

그리고 LDC 충전부(200)는 전달되는 방전 제어신호를 기반으로 이에 대응되는 DC/DC 충전기(210)를 선택적으로 제어하여 고전압 배터리(100)의 배터리 모듈(110)의 충전전압을 선택적으로 저전압 배터리(500)로 방전시킨다(S600). 상기 저전압 배터리(500)로 충전전압을 방전시킬 때, LDC 충전부(200)는 내부의 DC/DC 충전기(210)를 이용하여 배터리 모듈(110)의 고전압을 저전압으로 강압시켜 저전압 배터리(500)로 방전시킴에 따라, 저전압 배터리(500)는 전장 부하용 저전압이 충전되게 된다.

한편, 상기 모든 배터리 모듈(110)의 완전 충전 여부 판단 결과(S400), 모든 배터리 모듈의 충전률이 완전 충전된 경우, 고전압 배터리(100)의 충전을 중지한다(S700).

이에 따라, 배터리 모듈의 성능 편차 등에 의해 발생되는 우수한 SOH를 가지는 배터리 모듈의 불완전 충전을 해소할 수 있어, 전체 배터리 모듈에 충전 용량의 최대 용량 구현이 가능하다. 이는 전기차량의 주행거리 상승 증가 및 충전용량 증대에 따른 충방전 수행 횟수를 감소시킬 수 있다.

전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

100 : 고전압 배터리 110 : 배터리 모듈
200 : LDC 충전부 210 : DC/DC 충전기
300 : 충전률 검출부 310 : 측정부
320 : 연산부 330 : 저장부
340 : SOC 추정부 400 : 방전 선택부
500 : 저전압 배터리

Claims

복수개의 배터리 모듈을 갖는 고전압 배터리;
상기 고전압 배터리 각각의 배터리 모듈별로 충전 상태(SOC)를 검출하는 충전률 검출부;
상기 검출된 각 배터리 모듈의 충전 상태를 기반으로 선택되는 배터리 모듈을 선택적 제어하기 위한 방전 제어신호를 출력하는 방전 선택부; 및
상기 방전 제어신호에 대응되는 배터리 모듈의 충전전압을 선택적으로 저전압으로 강압시켜 방전시키는 LDC 충전부를 포함하는
배터리 관리 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 방전 제어신호는
완전 충전된 배터리 모듈에 대응되는 상기 LDC 충전부의 DC/DC 충전기를 선택적으로 제어하여 배터리 모듈이 선택적으로 방전되도록 제어하는 배터리 관리 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 방전 선택부에서 선택되는 배터리 모듈은 완전 충전된 배터리 모듈 및 전체 배터리 모듈의 충전률의 평균 값 이상 되는 배터리 모듈 중 적어도 하나를 포함하는 배터리 관리 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 충전률 검출부는
고전압 배터리의 배터리 모듈별로 전압 및 전류를 측정하는 측정부;
상기 측정된 전압 값, 전류 값과 기 설정된 상기 배터리 모듈의 최초 측정 전압(Open Circuit Voltage : OCV) 값을 이용하여 각 배터리 모듈의 현재 용량을 연산하는 연산부;
상기 OCV 값과 상기 OCV 값에 대응하는 SOC(State of Charge) 값을 테이블화한 OCV 테이블을 저장하는 저장부; 및
상기 OCV 테이블을 이용하여 각 배터리 모듈의 SOC 값을 추정하는 SOC 추정부를 포함하는
배터리 관리 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 측정부는 전압 값과 전류 값의 최초 측정 여부를 판단하고, 상기 판단 결과 최초로 측정된 값으로 판단되면, 상기 전압 값을 OCV 값으로 설정하는 배터리 관리 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 SOC 추정부는 각 배터리 모듈의 현재 용량을 통해 추정된 SOC 값을 이용하여 상기 OCV 테이블을 갱신하는
배터리 관리 시스템.
충전률 검출부에서 충전 중인 고전압 배터리에 포함되는 각각의 배터리 모듈의 충전 상태(SOC)를 검출하는 단계;
방전 선택부에서 상기 검출된 각 배터리 모듈의 충전 상태(SOC)를 기반으로 완전 충전된 배터리 모듈 여부를 판단하는 제 1 판단 단계;
상기 제 1 판단 결과, 완전 충전된 배터리 모듈이 있는 경우, 대용량 배터리에 포함된 모든 배터리 모듈이 완전 충전되었는지 판단하는 제 2 판단 단계;
상기 제 2 판단 결과, 일부 배터리 모듈만이 완전 충전된 경우, 방전 선택부에서 완전 충전된 배터리 모듈에 대응되는 선택적 제어를 위한 방전 신호를 출력하는 단계; 및
LDC 충전부에서 상기 출력되는 방전 제어신호를 기반으로 이에 대응되는 배터리 모듈의 충전전압을 선택적으로 방전시키는 단계를 포함하는
배터리 관리 시스템을 이용한 배터리 모듈의 최대용량 충전 제어방법.
제 7 항에 있어서,
상기 각각의 배터리 모듈의 충전 상태(SOC)를 검출하는 단계는
측정부를 이용하여 고전압 배터리의 배터리 모듈별로 전압 및 전류를 측정하는 단계;
연산부를 이용하여 상기 측정된 전압 값 및 전류 값과 기 설정된 배터리 모듈의 OCV 값을 이용하여 각 배터리 모듈의 현재 용량을 연산하는 단계;
상기 OCV 값과 상기 OCV 값에 대응하는 SOC(State of Charge) 값을 테이블화한 OCV 테이블을 저장하는 단계; 및
SOC 추정부를 이용하여 상기 저장된 OCV 테이블 또는 기 설정된 배터리의 설계용량을 이용하여 각 배터리 모듈의 SOC 값을 추정하는 단계를 포함하는
배터리 관리 시스템을 이용한 배터리 모듈의 최대용량 충전 제어방법.
제 8 항에 있어서,
상기 배터리 모듈별로 전압 및 전류를 측정하는 단계는
상기 측정된 전압 값 및 전류 값의 최초 측정 여부를 판단하여, 최초로 측정된 값으로 판단되면, 상기 전압 값을 최초 측정 전압(Open Circuit Voltage : OCV) 값으로 설정하는 단계를 더 포함하는
배터리 관리 시스템을 이용한 배터리 모듈의 최대용량 충전 제어방법.
제 8 항에 있어서,
상기 각 배터리 모듈의 현재 용량을 연산하는 단계는
내부 저항 값, 전압 값 및 전류 값을 이용하여 각 배터리 모듈의 손실 출력 값과 부하 측 출력 값을 계산하는 단계;
상기 계산된 손실 출력 값과 부하 측 출력 값을 이용하여 배터리 에너지량을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 배터리 에너지량을 이용하여 각 배터리 모듈의 현재 용량을 연산하는 단계를 포함하는
배터리 관리 시스템을 이용한 배터리 모듈의 최대용량 충전 제어방법.
제 8 항에 있어서,
상기 각 배터리 모듈의 SOC 값을 추정하는 단계는
OCV 값에 대응하는 SOC 값을 상기 OCV 테이블로부터 획득하여 각 배터리 모듈의 SOC 값을 추정하거나, 또는 각 배터리 모듈의 현재 용량을 기 설정된 배터리의 설계용량으로 나누어 각 배터리 모듈의 SOC 값을 추정하는 배터리 관리 시스템을 이용한 배터리 모듈의 최대용량 충전 제어방법.
제 11 항에 있어서,
상기 추정된 SOC 값을 이용하여 상기 OCV 테이블을 갱신하는 배터리 관리 시스템을 이용한 배터리 모듈의 최대용량 충전 제어방법.
제 7 항에 있어서,
상기 배터리 모듈의 충전전압을 선택적으로 방전시키는 단계는
방전 제어신호를 기반으로 DC/DC 충전기를 선택적으로 제어하여 충전전압이 방전되는 배터리 모듈을 선택하는 배터리 관리 시스템을 이용한 배터리 모듈의 최대용량 충전 제어방법.
제 7 항에 있어서,
상기 배터리 모듈의 충전전압을 선택적으로 방전시키는 단계는
배터리 모듈의 고전압을 저전압으로 강압시켜 방전시키는 배터리 관리 시스템을 이용한 배터리 모듈의 최대용량 충전 제어방법.