KR20200068206A

KR20200068206A - 저온 시 배터리 충전 방법

Info

Publication number: KR20200068206A
Application number: KR1020180154898A
Authority: KR
Inventors: 하동길
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2020-06-15
Also published as: US11296530B2; US20200185928A1; CN111267669A; KR102554926B1

Abstract

배터리의 충전을 위한 전력을 제공하는 충전기 및 상기 배터리의 온도를 상승시키기 위해 상기 충전기에서 제공되는 전력을 이용하여 발열하는 승온 장치를 포함하는 배터리 시스템에서 저온 시 상기 배터리를 충전하는 방법이 개시된다.

Description

저온 시 배터리 충전 방법{METHOD FOR CHARGING BATTERY AT LOW TEMPERATURE}

본 발명은 저온 시 배터리 충전 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저온 환경에서 배터리 충전 효율의 개선을 위해 승온 장치를 사용할 경우 승온 장치에 의해 배터리 충전 전류가 부족하여 충전이 지연되는 현상을 최소화 하여 최적의 충전을 가능하게 하는 저온 시 배터리 충전 방법에 관한 것이다.

지구 온난화와 환경 오염 등의 문제가 심각하게 대두 되면서 자동차 산업 분야에서도 환경 오염을 최대한 감소시킬 수 있는 친환경 차량에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있으며 그 시장도 점차 확대되고 있다.

친환경 차량으로서 기존의 화석 연료를 연소시켜 구동력을 발생시키는 엔진 대신 전기 에너지를 이용하여 구동력을 생성하는 전동기를 적용한 전기 차량, 하이브리드 차량 및 플러그인 하이브리드 차량이 세계적으로 출시되고 있는 상황이다. 이러한 전기 에너지를 이용한 친환경 차량들 중 전기 차량과 플러그인 하이브리드 차량은 계통(grid)에 연결된 외부 충전 설비로부터 전력을 제공받아 차량에 구비된 배터리를 충전하고, 배터리의 충전된 전력을 이용하여 차량 구동에 필요한 운동 에너지를 생산한다.

한편, 차량의 배터리는 상온 대비 저온에서 충전 속도가 느려지고 충전량이 감소하는 등 충전 효율이 저하된다. 저온에서의 배터리 충전 성능을 향상시키기 위해 충전기에서 배터리로 제공되는 전류의 일부를 이용하여 발열함으로써 배터리의 온도를 상승시키기 위한 승온 장치를 장착하고 있다. 배터리 충전 시 배터리 관리 시스템(Battery Management System: BMS)는 현재 온도에 따라 사전 결정된 승온 목표 온도까지 충전기에서 제공되는 전류를 사용하여 발열하는 승온 장치를 이용하여 배터리의 온도를 상승시킨다. 통상, 승온 목표 온도는 충전 개시 때 배터리 온도에 따라 충전량을 최대로 할 수 있는 온도로 실험적인 방식을 통해 사전에 미리 설정된다. 또한, 배터리 온도 별로 배터리에 제공되는 충전 허용 전류 및 충전 상한 전압 역시 사전에 미리 실험적인 방법을 통해 결정되어 저장해두고, 배터리 관리 시스템은 배터리 온도 별 충전 허용 전류 및 충전 상한 전압을 고려하여 충전기에 전류지령 및 전압지령을 송출하여 충전을 제어한다.

이 때, 승온 장치는 충전 시 충전기로부터 에너지를 공급받기 때문에 과도하게 사용할 경우 배터리를 충전할 수 있는 에너지가 줄어들어 충전 속도가 느려지는 단점이 있다. 그러나, 종래에는 승온 장치에서 사용되는 에너지를 고려하여 배터리의 충전을 적절하게 제어함으로써 배터리 충전 시간을 최소화할 수 있는 적절한 기술이 존재하지 않는다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2014-0010664 A KR 10-2015-0059246 A

이에 본 발명은, 배터리의 저온 충전 시 승온 장치에서 소모되는 전력에 의해 배터리의 충전이 지연되는 것을 방지하여 충전 시간을 최적화 할 수 있는 배터리 충전 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

배터리의 충전을 위한 전력을 제공하는 충전기 및 상기 배터리의 온도를 상승시키기 위해 상기 충전기에서 제공되는 전력을 이용하여 발열하는 승온 장치를 포함하는 배터리 시스템에서 저온 시 상기 배터리를 충전하는 방법에 있어서,

상기 배터리의 충전이 개시되면 상기 배터리의 온도, 상기 배터리의 충전 상태 및 상기 배터리의 목표 충전 상태를 입력 받는 단계;

상기 배터리의 온도에 따른 상기 배터리의 승온 목표 온도를 확인하고 상기 승온 목표 온도에서의 상기 배터리로 제공할 수 있는 충전 허용 전류를 확인하는 단계;

상기 승온 목표 온도에서 충전 허용 전류와 상기 승온 목표 온도에서 상기 승온 장치의 승온 소모 전류의 합과 상기 충전기의 공급 가능 전류의 크기를 비교하는 단계;

상기 비교 결과에 기반하여 상기 배터리로 제공 가능한 전류가 온도 별로 사전 설정된 충전 허용 전류보다 작아지는 제1 온도를 추정하는 단계; 및

상기 제1 온도까지 충전한 경우 배터리의 충전 상태와 상기 충전 목표 온도까지 충전한 경우 배터리의 충전 상태 및 상기 목표 충전 상태를 비교한 결과에 기반하여 상기 승온 장치의 작동을 오프시키는 시점을 결정하고, 상기 목표 충전 상태까지 충전한 경우 소요되는 충전 시간을 연산하는 단계;

를 포함하는 저온 시 배터리 충전 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태는, 상기 배터리의 충전 시 상기 배터리의 온도 별 상기 배터리 제공 가능한 상기 충전 허용 전류와 충전 상한 전압, 상기 배터리의 온도 별 상기 승온 장치에 의한 상기 승온 목표 온도 및 상기 배터리 온도 별 상기 승온 장치 가동 시 단위 온도 상승에 소요되는 온도 상승 시간에 대한 정보를 사전에 입력 받아 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 비교하는 단계의 비교 결과 상기 승온 목표 온도에서 상기 배터리의 충전 허용 전류와 상기 승온 장치가 소모하는 전류의 합이 상기 충전기가 공급 가능한 전류를 초과하는 경우, 상기 추정하는 단계는, 상기 승온 목표 온도에서 단위 온도 만큼 감소시키면서 감소된 온도에서 상기 충전 허용 전류와 상기 승온 장치의 승온 소모 전류의 합과 상기 충전기의 공급 가능 전류의 크기를 비교하고 상기 충전 허용 전류와 상기 승온 장치의 승온 소모 전류의 합이 상기 충전기의 공급 가능 전류의 크기보다 작아지는 온도를 찾을 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 추정하는 단계는, 상기 충전 허용 전류와 상기 승온 장치의 승온 소모 전류의 합이 상기 충전기의 공급 가능 전류의 크기보다 작아지는 온도에 단위 온도를 더한 온도를 상기 제1 온도로 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 승온 소모 전류는, 상기 승온 장치의 사전 설정된 승온 전력에 상기 배터리 온도 별로 사전 결정된 상기 배터리의 충전 상한 전압을 나누어 온도 별로 도출될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 연산하는 단계는, 상기 제1 온도까지 충전한 경우에 해당하는 상기 배터리의 제1 충전량과 제1 충전 상태 및 상기 충전 목표 온도까지 충전한 경우에 해당하는 상기 배터리의 제2 충전량과 제2 충전 상태를 예측하는 단계; 상기 제1 충전 상태와 상기 제2 충전 상태 및 상기 목표 충전 상태를 비교하는 단계; 상기 목표 충전 상태가 상기 제1 충전 상태보다 작은 경우, 상기 승온 장치의 오프 시점을 충전 종료 시점으로 결정하는 제1 결정 단계; 상기 목표 충전 상태가 상기 제1 충전 상태보다 크거나 같거나 상기 제2 충전 상태보다 작은 경우, 상기 승온 장치의 오프 시점을 상기 배터리의 온도가 제1 온도에 도달하는 시점으로 결정하는 제2 결정 단계; 및 상기 목표 충전 상태가 상기 제2 충전 상태보다 크거나 같은 경우, 상기 승온 장치의 오프 시점을 상기 목표 승온 온도에 도달하는 시점으로 결정하는 제3 결정 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 예측하는 단계는, 상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 온도에서 상기 제1 온도까지 사전 설정된 상기 승온 장치 작동 시 상기 배터리의 온도 별 온도 상승 시간과 상기 온도 별 충전 허용 전류를 각각 곱한 값을 합산하여 상기 제1 충전량을 연산하고, 상기 제1 충전량이 상기 배터리의 전체 용량에서 차지하는 비율을 백분율을 연산하여 상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 충전 상태에 합산함으로써 상기 제1 충전 상태를 연산할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 예측하는 단계는, 상기 제1 온도에서 상기 승온 목표 온도까지 사전 설정된 상기 승온 장치 작동 시 상기 배터리의 온도 별 온도 상승 시간과 상기 온도 별 충전 허용 전류를 각각 곱한 값을 합산한 후 합산된 값을 상기 제1 충전량에 합산하여 상기 제2 충전량을 연산하고, 상기 제2 충전량이 상기 배터리의 전체 용량에서 차지하는 비율을 백분율을 연산하여 상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 충전 상태에 합산함으로써 상기 제2 충전 상태를 연산할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 결정 단계는, 상기 목표 충전 상태에 상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 충전 상태를 차감한 값에 해당하는 목표 충전량을 연산하고, 상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 온도값을 증가시키면서 해당 온도에서의 상기 충전 허용 전류와 사전 설정된 상기 승온 장치 작동 시 상기 배터리의 온도 별 온도 상승 시간을 곱한 값을 누적하고, 누적된 값이 상기 목표 충전량을 초과하기 시작하는 온도까지의 총 누적된 시간을 충전 예상 시간으로 연산할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 결정 단계는, 상기 목표 충전 상태에 상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 충전 상태를 차감한 값에 해당하는 목표 충전량을 연산하고, 상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 온도값을 증가시키면서 해당 온도에서의 상기 충전 허용 전류와 사전 설정된 상기 승온 장치 작동 시 상기 배터리의 온도 별 온도 상승 시간을 곱한 값을 누적하고, 누적된 값이 상기 목표 충전량을 초과하기 시작하는 온도까지의 총 누적된 시간을 충전 예상 시간으로 연산할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제3 결정 단계는, 상기 목표 충전 상태에 상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 충전 상태를 차감한 값에 해당하는 목표 충전량을 연산하고, 상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 온도값을 상기 제1 온도까지 증가시키면서 해당 온도에서의 상기 충전 허용 전류와 사전 설정된 상기 승온 장치 작동 시 상기 배터리의 온도 별 온도 상승 시간을 곱한 값을 누적하여 제1 누적값을 생성하고, 상기 제1 온도에서의 충전 허용 전류와 상기 제1 온도에서 상기 승온 목표 온도까지의 온도 별 온도 상승 시간을 합산한 값을 곱하여 상기 제1 누적값에 더하여 제2 누적값을 생성하고, 상기 제2 누적값에 상기 승온 목표 온도의 온도값을 증가 시키면서 해당 온도에서의 충전 허용 전류와 온도 상승 시간을 곱한 값을 누적하여 제3 누적값을 생성하고, 상기 제3 누적값이 상기 목표 충전량을 초과하기 시작하는 온도까지의 총 누적된 시간을 충전 예상 시간으로 연산할 수 있다.

상기 저온 시 배터리 충전 방법에 따르면, 배터리의 충전 목표 SOC에 따라 적절한 충전이 이루어질 수 있도록 승온 장치를 온/오프 시킬 수 있으며, 불필요하게 승온 목표 온도까지 승온 장치를 가동하여 충전 전류의 부족으로 인한 충전 시간 지연을 예방하고 효율적인 배터리 충전이 가능해지는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 저온 시 배터리 충전 방법이 적용되는 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 저온 시 배터리 충전 방법에서 사용되는 사전 결정된 배터리 온도 관련 데이터들의 예시를 도시한 데이터 맵의 일례를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법을 도시한 흐름도이다.

이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시형태에 따른 저온 시 배터리 충전 방법을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 저온 시 배터리 충전 방법이 적용되는 시스템의 블록 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 저온 시 배터리 충전 방법이 적용되는 시스템은, 전기차 및 플러그인 하이브리드 차량과 같이 외부의 전력을 제공받아 배터리를 충전하여 모터 구동을 위한 전력을 확보하는 차량(10)에는 배터리(13)와 외부 충전 설비(20)로부터 교류 전력을 제공받아 배터리(13)를 충전할 수 있는 적절한 전압 레벨을 갖는 직류전력으로 변환하는 차량 탑재 충전기(On board Charger: OBC)(11)와 저온 시 배터리(13)를 가열하도록 발열하는 승온 장치(15) 및 배터리(13)의 상태를 모니터링하고 승온 장치(15)의 온/오프를 제어하며 차량 탑재 충전기(11)의 전압/전류를 제어하는 제어기(17)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 저온 시 배터리 충전 방법은 제어기(17)에 의해 구현될 수 있다. 실제 차량에서 제어기(17)는 배터리 관리 시스템(BMS)의 형태로 구현될 수 있다. 제어기(17)는 본 발명의 여러 실시형태에서 수행되는 제어 동작이 미리 프로그래밍된 프로세서와 본 발명의 여러 실시형태에서 수행되는 제어 동작에서 요구되는 정보를 사전에 저장하거나 제어 동작에서 도출된 정보를 저장하는 메모리를 포함할 수 있다.

제어기(17)에서 요구되는 실시간 정보, 즉 배터리 온도, 배터리 충전 전류의 크기, 배터리 충전 전압 등은 당 기술 분야에 잘 알려진 여러 종류의 센서에 의해 쉽게 획득될 수 있으므로 도 1에서 각종 센서들은 도시하지 않는다.

특히, 제어기(17)는, 사전에 미리 실험적인 방법에 의해 도출된 배터리 온도에 따른 충전 관련 정보가 저장될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 저온 시 배터리 충전 방법에서 사용되는 사전 결정된 배터리 온도 관련 데이터들의 예시를 도시한 데이터 맵의 일례를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 제어기(17)가 미리 저장하고 있는 배터리 온도 관련 충전 정보로, 충전 허용 전류, 충전 상한 전압, 승온 목표 온도 및 온도 상승 시간이 있을 수 있다.

충전 허용 전류는 배터리 온도 별로 배터리(13)로 제공 가능한 전류의 크기를 의미하는 것으로, 이는 배터리(10)의 사양으로 배터리 제조 단계에서 미리 결정될 수 있다.

충전 상한 전압은 배터리 온도 별로 배터리(13)로 인가 가능한 전압의 최대 크기를 의미하는 것으로, 이 역시 배터리(10)의 사양으로서 배터리 제조 단계에서 미리 결정될 수 있다.

승온 목표 온도는 배터리 충전 시작 시 배터리 온도에 따른 승온 목표 온도를 의미하는 것으로, 배터리(10)로 충전 전류를 가장 짧은 시간에 가장 많이 제공할 수 있는 목표 온도를 의미하는 것이다. 이는 실험적인 방법에 의해 미리 결정될 수 있다.

온도 상승 시간은 배터리(10)에 충전 허용 전류가 공급되고 승온 장치가 작동하는 경우 배터리(10)의 온도를 단위 온도(예를 들어, 도 2에서는 5℃) 만큼 상승시키는데 소요되는 시간을 의미하는 것이다. 예를 들어, 도 2의 테이블에서 -25℃에 해당하는 온도 상승 시간이 3분으로 결정되어 있다면, 이는 배터리 충전시 승온 장치(15)가 작동하는 상태에서 -25℃에서 -20℃까지 배터리 온도를 상승 시키는데 3분이 소요된다는 의미이다. 이러한 온도 상승 시간은 사전에 실험적인 방법에 의해 미리 결정될 수 있다. 한편 온도 상승 시간은 도 2에 도시된 것과 같은 테이블의 형식이 아니라 사전에 실험적인 방법으로 온도 상승 시간을 도출하기 위한 모델링을 수행하고 그에 따른 모델링 수식으로 결정될 수도 있다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 방법을 도시한 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 배터리 충전이 개시되면 제어기(17)는 배터리(13)의 온도와 배터리의 충전 상태(State Of Charge: SOC) 등 배터리(13) 상태 정보와 운전자가 차량에 마련된 입력 장치를 통해 입력한 충전 목표 충전 상태 등에 대한 정보를 입력 받거나 연산하고 확인한다(S11).

이어, 제어기(17)는 도 2와 같은 사전 저장된 테이블을 이용하여 수집된 배터리(13)의 온도에 따른 승온 목표 온도를 확인하고, 승온 목표 온도에서 충전 허용 전류를 확인한다(S12).

이어, 제어기(17)는 승온 목표에서 충전 허용 전류와 승온 장치(15)가 동작하는데 소요되는 승온 소모 전류의 합과 차량 탑재 충전기(OBC)(11)가 공급할 수 있는 전류의 크기를 비교한다(S13).

여기서, 승온 소모 전류는 미리 결정된 승온 장치(15)의 발열에 소모되는 에너지에 해당하는 승온 파워와 배터리(13)의 전압에 의해 결정될 수 있다. 즉, 사전 설정된 승온 장치(15)의 승온 파워에 도 2의 테이블을 이용하여 승온 목표 온도에 해당하는 온도에서 충전 상한 전압을 나눔으로써 승온 목표 온도에서 승온 소모 전류가 도출될 수 있다.

또한, OBC(11)가 공급할 수 있는 OBC 공급 전류는 OBC 사양에 따라 OBC가 공급할 수 있는 최대 전류의 크기로 볼 수 있다.

즉, 단계(S13)에서, 제어기(17)은 승온 목표 온도에서 배터리(13)가 입력 받을 수 있는 충전 전류와 승온 장치(15)가 소모하는 전류의 합이 OBC(11)가 공급 가능한 전류를 초과하는지 확인하는 것이다.

만약, 승온 목표 온도에서 배터리(13)가 입력 받을 수 있는 충전 전류와 승온 장치(15)가 소모하는 전류의 합이 OBC(11)가 공급 가능한 전류보다 작거나 같으면, 승온 목표 온도까지 승온 장치(15)를 가동하여도 승온 장치(15)에서 사용되는 전류에 의해 배터리(13)로 제공되는 전류가 감소되는 경우가 발생하지 않으므로 승온 장치(15)에 대한 별다른 제어가 필요하지 않다.

그러나, 승온 목표 온도에서 배터리(13)가 입력 받을 수 있는 충전 전류와 승온 장치(15)가 소모하는 전류의 합이 OBC(11)가 공급 가능한 전류보다 큰 경우, 승온 목표 온도에 이르기 이전에 승온 소모 전류에 의해 배터리(13)로 제공되는 전류가 충전 허용 전류보다 작아지는 경우가 발생하게 된다.

따라서, 승온 목표 온도에서 배터리(13)가 입력 받을 수 있는 충전 전류와 승온 장치(15)가 소모하는 전류의 합이 OBC(11)가 공급 가능한 전류보다 큰 경우에는 승온 목표 온도에서 단위 온도(a) 만큼 감소시킨 온도에서 전술한 것과 같은 단계(S12)와 단계(S13)을 반복하여 승온 목표 온도에서 배터리(13)가 입력 받을 수 있는 충전 전류와 승온 장치(15)가 소모하는 전류의 합이 OBC(11)가 공급 가능한 전류보다 작거나 같아지는 온도를 찾는다(S14).

여기서 단위 온도란, 해당 온도에서 충전 허용 전류 등을 확인할 수 있도록 도 2에 도시된 것과 같은 표에 나타나는 온도 변화의 크기를 나타낸다. 즉, 도 2에서는 5℃가 단위 온도가 될 수 있다. 그러나, 이 단위 온도는 일례에 불과하며 필요에 따라 단위 온도는 더 작은 값 또는 더 큰 값으로 선택 될 수 있다.

단계(S14)에서, 단위를 감소시키면서 승온 목표 온도에서 배터리(13)가 입력 받을 수 있는 충전 전류와 승온 장치(15)가 소모하는 전류의 합이 OBC(11)가 공급 가능한 전류보다 작거나 같아지는 온도를 확인한 후, 확인된 온도에서 단위 온도를 더한 온도를 충전 전류가 부족해지기 시작하는 온도로 결정할 수 있다(S15). 즉, 단계(S14)에서 확인된 온도까지는 승온 소모 전류에 의해 배터리로 제공되는 충전 전류가 감소하지 않는 상태이므로, 그 다음 단위 온도 만큼 상승된 시점부터 배터리(13)로 제공되는 충전 전류가 부족한 것으로 볼 수 있다. 단계(S15)에서 결정된 배터리 충전 전류가 부족해지기 시작하는 온도를 전류 감소 시작 온도라 칭하기로 한다.

이어, 제어기(17)는 전류 감소 시작 온도까지의 충전량과 전류 감소 시작 온도에서의 배터리(13)의 충전 상태(SOC)와 승온 목표 온도까지의 충전량 및 승온 목표 온도에서의 배터리(13)의 충전 상태(SOC)를 추정한다(S16).

단계(S16)에서, 제어기(17)는 도 2와 같은 테이블을 이용하여 전류 감소 시작 온도까지 온도 구간 별 온도 상승 시간과 각 온도 구간에서의 충전 허용 전류를 이용하여 전류 감소 시작 온도까지의 충전량을 구할 수 있다. 즉, 온도 구간 별 충전 허용 전류와 온도 상승 시간을 곱한 값을 모두 합산하면 충전량을 연산할 수 있다.

또한, 단계(S16)에서, 제어기(17)는 연산된 전류 감소 시작 온도까지의 충전량에 해당하는 SOC를 구하고 이를 충전 시작 시점에서의 배터리 SOC에 합산하여 전류 감소 시작 온도에서의 SOC를 구할 수 있다. 즉, 전류 감소 시작 온도까지의 충전량이 배터리(13)의 전체 용량에서 차지하는 비율을 백분율로 연산하고 이를 충전 시작 시점에서 배터리 SOC에 합산하면, 전류 감소 시작 온도에서의 배터리 SOC(이하, '제1 SOC'라 함)를 도출할 수 있다.

또한, 단계(S16)에서, 제어기(17)는 도 2와 같은 테이블을 이용하여 전류 감소 시작 온도에서 승온 목표 온도까지의 충전량을 구할 수 있다. 여기서, 전류 감소 시작 온도에서 승온 목표 온도까지의 충전량은 각 온도 구간에서 충전 허용 전류에 승온 소모 전류를 감소시킨 값을 구하고, 이와 같이 구한 값에 각 온도 구간 별 온도 상승 시간을 곱한 후 모두 합산하여 구할 수 있다. 제어기(17)는 전류 감소 시작 온도까지의 충전량에 전류 감소 시작 온도에서 승온 목표 온도까지의 충전량을 합산하여 승온 목표 온도까지의 충전량을 구할 수 있다.

또한, 단계(S16)에서, 제어기(17)는 승온 목표 온도까지의 충전량이 배터리(13)의 전체 용량에서 차지하는 비율을 백분율로 연산하고 이를 충전 시작 시점에서 배터리 SOC에 합산하여, 승온 목표 온도에서의 배터리 SOC(이하, '제2 SOC'라 함)를 도출할 수 있다.

이어, 제어기(17)는 운전자로부터 제공 받은 충전 목표 SOC와 제1 SOC를 비교한다(S17). 충전 목표 SOC가 제1 SOC보다 작은 경우, 즉 충전 목표 SOC가 충전 전류가 부족해지는 온도에 도달하기 이전에 충족되는 경우, 제어기(17)는 충전 목표 SOC에 도달하면 승온 장치(15)를 오프시켜 승온을 종료 시키도록 설정하고 충전 목표 SOC에 도달할 때까지의 시간을 추정한다(S18). 단계(S18)에서 충전 목표 SOC에 도달하는 시간은, 충전 목표 SOC에 배터리(13)의 현재 SOC를 차감한 값에 해당하는 목표 충전량을 연산하고, 도 2와 같은 테이블을 이용하여 현재 온도에서부터 단위 온도를 점차 증가시키면서 충전 허용 전류와 온도 상승 시간을 곱한 값을 누적하고 누적된 값이 목표 충전량을 초과하기 시작하는 온도까지의 총 온도 상승 시간을 충전 예상 시간으로 결정할 수 있다.

단계(S17)에서 충전 목표 SOC가 제1 SOC 보다 크거나 같은 경우, 제어기(17)는 충전 목표 SOC와 제2 SOC를 비교한다(S19). 단계(S19)에서 충전 목표 SOC가 제2 SOC 보다 작으면, 전류 감소 시작 온도가 되면 승온 장치(15)를 오프시켜 승온을 종료 시키도록 설정하고 충전 목표 SOC 도달 때까지의 시간을 추정한다(S20). 전류 감소 시작 온도가 될 때 승온 장치(15)를 오프 시키면 승온 소모 전류가 0이 되므로 배터리(13)에는 충전 허용 전류가 모두 공급될 수 있다. 따라서, 단계(S20)에서는 단계(S18)과 동일한 방식으로 충전 예상 시간을 결정할 수 있다.

한편, 단계(S19)에서 충전 목표 SOC가 제2 SOC 보다 크거나 같은 경우에는 많은 승온이 요구되므로 제어기(17)는 승온 장치(15)를 승온 목표 온도까지 작동 시키는 것으로 설정할 수 있다(S21). 또한, 단계(S21)에서, 제어기(17)는 도 2와 같은 테이블을 이용하여, 충전 목표 SOC에 배터리(13)의 현재 SOC를 차감한 값에 해당하는 목표 충전량을 연산하고, 현재 온도에서 전류 감소 시작 온도까지 충전 허용 전류와 온도 상승 시간을 곱한 값을 점차 증가시키면서 누적하고, 이 누적된 값에 전류 감소 시작 온도에서의 충전 허용 전류와 전류 감소 시작 온도에서 승온 목표 온도까지의 총 온도 상승 시간의 곱을 더하고, 이 더한 값에 승온 목표 온도에서 단위 온도를 점차 증가시키면서 충전 허용 전류와 온도 상승 시간을 곱한 값을 누적하여, 누적된 값이 목표 충전량을 초과하기 시작하는 온도까지의 총 온도 상승 시간을 충전 예상 시간으로 결정할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태는, 저온 시 배터리를 충전하는 경우 가동하는 승온 장치에서 소모되는 전류에 의해 배터리로 제공되는 충전 전류가 부족해질 것으로 예측되는 경우, 충전 전류가 부족해지기 시작하는 시점의 SOC 및 승온 목표 온도에서의 SOC를 추정하고 이 추정된 SOC들과 사전 설정된 충전 목표 SOC와의 관계를 고려하여 승온 장치의 온/오프 시점을 결정하고 그에 따른 배터리 충전 예상시간을 연산한다. 이를 통해, 배터리의 충전 목표 SOC에 따라 적절한 충전이 이루어질 수 있도록 승온 장치를 온/오프 시킬 수 있으며, 불필요하게 승온 목표 온도까지 승온 장치를 가동하여 충전 전류의 부족으로 인한 충전 시간 지연을 예방하고 효율적인 배터리 충전을 가능하게 한다.

이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 차량 11: 차량 탑재 충전기
13: 배터리 15: 승온 장치
17: 제어기(BMS) 20: 외부 충전 설비

Claims

배터리의 충전을 위한 전력을 제공하는 충전기 및 상기 배터리의 온도를 상승시키기 위해 상기 충전기에서 제공되는 전력을 이용하여 발열하는 승온 장치를 포함하는 배터리 시스템에서 저온 시 상기 배터리를 충전하는 방법에 있어서,
상기 배터리의 충전이 개시되면 상기 배터리의 온도, 상기 배터리의 충전 상태 및 상기 배터리의 목표 충전 상태를 입력 받는 단계;
상기 배터리의 온도에 따른 상기 배터리의 승온 목표 온도를 확인하고 상기 승온 목표 온도에서의 상기 배터리로 제공할 수 있는 충전 허용 전류를 확인하는 단계;
상기 승온 목표 온도에서 충전 허용 전류와 상기 승온 목표 온도에서 상기 승온 장치의 승온 소모 전류의 합과 상기 충전기의 공급 가능 전류의 크기를 비교하는 단계;
상기 비교 결과에 기반하여 상기 배터리로 제공 가능한 전류가 온도 별로 사전 설정된 충전 허용 전류보다 작아지는 제1 온도를 추정하는 단계; 및
상기 제1 온도까지 충전한 경우 배터리의 충전 상태와 상기 충전 목표 온도까지 충전한 경우 배터리의 충전 상태 및 상기 목표 충전 상태를 비교한 결과에 기반하여 상기 승온 장치의 작동을 오프시키는 시점을 결정하고, 상기 목표 충전 상태까지 충전한 경우 소요되는 충전 시간을 연산하는 단계;
를 포함하는 저온 시 배터리 충전 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 배터리의 충전 시 상기 배터리의 온도 별 상기 배터리 제공 가능한 상기 충전 허용 전류와 충전 상한 전압, 상기 배터리의 온도 별 상기 승온 장치에 의한 상기 승온 목표 온도 및 상기 배터리 온도 별 상기 승온 장치 가동 시 단위 온도 상승에 소요되는 온도 상승 시간에 대한 정보를 사전에 입력 받아 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 시 배터리 충전 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 비교하는 단계의 비교 결과 상기 승온 목표 온도에서 상기 배터리의 충전 허용 전류와 상기 승온 장치가 소모하는 전류의 합이 상기 충전기가 공급 가능한 전류를 초과하는 경우,
상기 추정하는 단계는, 상기 승온 목표 온도에서 단위 온도 만큼 감소시키면서 감소된 온도에서 상기 충전 허용 전류와 상기 승온 장치의 승온 소모 전류의 합과 상기 충전기의 공급 가능 전류의 크기를 비교하고 상기 충전 허용 전류와 상기 승온 장치의 승온 소모 전류의 합이 상기 충전기의 공급 가능 전류의 크기보다 작아지는 온도를 찾는 것을 특징으로 하는 저온 시 배터리 충전 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 추정하는 단계는, 상기 충전 허용 전류와 상기 승온 장치의 승온 소모 전류의 합이 상기 충전기의 공급 가능 전류의 크기보다 작아지는 온도에 단위 온도를 더한 온도를 상기 제1 온도로 결정하는 것을 특징으로 하는 저온 시 배터리 충전 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 승온 소모 전류는, 상기 승온 장치의 사전 설정된 승온 전력에 상기 배터리 온도 별로 사전 결정된 상기 배터리의 충전 상한 전압을 나누어 온도 별로 도출되는 것을 특징으로 하는 저온 시 배터리 충전 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 연산하는 단계는, 상기 제1 온도까지 충전한 경우에 해당하는 상기 배터리의 제1 충전량과 제1 충전 상태 및 상기 충전 목표 온도까지 충전한 경우에 해당하는 상기 배터리의 제2 충전량과 제2 충전 상태를 예측하는 단계;
상기 제1 충전 상태와 상기 제2 충전 상태 및 상기 목표 충전 상태를 비교하는 단계;
상기 목표 충전 상태가 상기 제1 충전 상태보다 작은 경우, 상기 승온 장치의 오프 시점을 충전 종료 시점으로 결정하는 제1 결정 단계;
상기 목표 충전 상태가 상기 제1 충전 상태보다 크거나 같거나 상기 제2 충전 상태보다 작은 경우, 상기 승온 장치의 오프 시점을 상기 배터리의 온도가 제1 온도에 도달하는 시점으로 결정하는 제2 결정 단계; 및
상기 목표 충전 상태가 상기 제2 충전 상태보다 크거나 같은 경우, 상기 승온 장치의 오프 시점을 상기 목표 승온 온도에 도달하는 시점으로 결정하는 제3 결정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 시 배터리 충전 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 예측하는 단계는, 상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 온도에서 상기 제1 온도까지 사전 설정된 상기 승온 장치 작동 시 상기 배터리의 온도 별 온도 상승 시간과 상기 온도 별 충전 허용 전류를 각각 곱한 값을 합산하여 상기 제1 충전량을 연산하고, 상기 제1 충전량이 상기 배터리의 전체 용량에서 차지하는 비율을 백분율을 연산하여 상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 충전 상태에 합산함으로써 상기 제1 충전 상태를 연산하는 것을 특징으로 하는 저온 시 배터리 충전 방법.
청구항 7 있어서, 상기 예측하는 단계는,
상기 제1 온도에서 상기 승온 목표 온도까지 사전 설정된 상기 승온 장치 작동 시 상기 배터리의 온도 별 온도 상승 시간과 상기 온도 별 충전 허용 전류를 각각 곱한 값을 합산한 후 합산된 값을 상기 제1 충전량에 합산하여 상기 제2 충전량을 연산하고, 상기 제2 충전량이 상기 배터리의 전체 용량에서 차지하는 비율을 백분율을 연산하여 상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 충전 상태에 합산함으로써 상기 제2 충전 상태를 연산하는 것을 특징으로 하는 저온 시 배터리 충전 방법.
청구항 6 있어서, 상기 제1 결정 단계는,
상기 목표 충전 상태에 상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 충전 상태를 차감한 값에 해당하는 목표 충전량을 연산하고,
상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 온도값을 증가시키면서 해당 온도에서의 상기 충전 허용 전류와 사전 설정된 상기 승온 장치 작동 시 상기 배터리의 온도 별 온도 상승 시간을 곱한 값을 누적하고, 누적된 값이 상기 목표 충전량을 초과하기 시작하는 온도까지의 총 누적된 시간을 충전 예상 시간으로 연산하는 것을 특징으로 하는 저온 시 배터리 충전 방법.
청구항 6 있어서, 상기 제2 결정 단계는,
상기 목표 충전 상태에 상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 충전 상태를 차감한 값에 해당하는 목표 충전량을 연산하고,
상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 온도값을 증가시키면서 해당 온도에서의 상기 충전 허용 전류와 사전 설정된 상기 승온 장치 작동 시 상기 배터리의 온도 별 온도 상승 시간을 곱한 값을 누적하고, 누적된 값이 상기 목표 충전량을 초과하기 시작하는 온도까지의 총 누적된 시간을 충전 예상 시간으로 연산하는 것을 특징으로 하는 저온 시 배터리 충전 방법.
청구항 6 있어서, 상기 제3 결정 단계는,
상기 목표 충전 상태에 상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 충전 상태를 차감한 값에 해당하는 목표 충전량을 연산하고,
상기 입력 받는 단계에서 입력 받은 상기 배터리의 온도값을 상기 제1 온도까지 증가시키면서 해당 온도에서의 상기 충전 허용 전류와 사전 설정된 상기 승온 장치 작동 시 상기 배터리의 온도 별 온도 상승 시간을 곱한 값을 누적하여 제1 누적값을 생성하고,
상기 제1 온도에서의 충전 허용 전류와 상기 제1 온도에서 상기 승온 목표 온도까지의 온도 별 온도 상승 시간을 합산한 값을 곱하여 상기 제1 누적값에 더하여 제2 누적값을 생성하고,
상기 제2 누적값에 상기 승온 목표 온도의 온도값을 증가 시키면서 해당 온도에서의 충전 허용 전류와 온도 상승 시간을 곱한 값을 누적하여 제3 누적값을 생성하고, 상기 제3 누적값이 상기 목표 충전량을 초과하기 시작하는 온도까지의 총 누적된 시간을 충전 예상 시간으로 연산하는 것을 특징으로 하는 저온 시 배터리 충전 방법.