KR20200102007A - 모듈형 배터리 팩 포터블 충전 시스템 및 그 충전 방법, 이를 이용한 모듈형 배터리 팩 충전 스테이션 - Google Patents

모듈형 배터리 팩 포터블 충전 시스템 및 그 충전 방법, 이를 이용한 모듈형 배터리 팩 충전 스테이션 Download PDF

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Abstract

본 발명은 BMS가 내장된 모듈형 배터리 팩의 충전을 위한 포터블 충전 시스템을 제공하기 위한 것으로서, 포터블 충전 시스템에 포함된 포터블 충전 장치는, 모듈형 배터리 팩에 구비된 커넥터와 대응하되 모듈형 배터리 팩의 커넥터와 탈착 가능하게 결합되는 커넥터, 모듈형 배터리 팩으로 전원 공급원으로부터 인가된 전력을 제공하여 충전시키는 충전부, 커넥터를 통해 모듈형 배터리 팩이 접속되면 모듈형 배터리 팩의 BMS로부터 배터리 상태 데이터를 수신하고 배터리 상태 데이터 및 충전부를 통해 출력되는 실시간 충전 전류 값에 기초하여 충전부의 충전 동작을 제어하는 충전 제어부를 포함하며, 충전 제어부는 배터리 상태 정보에 포함된 배터리 충전 상태(state of charge: SOC) 및 충전부를 통해 출력되는 실시간 충전 전류 값에 기초하여 모듈형 배터리 팩의 충전 종지 전압까지 충전부가 충전을 진행하도록 제어한다.

Description

모듈형 배터리 팩 포터블 충전 시스템 및 그 충전 방법, 이를 이용한 모듈형 배터리 팩 충전 스테이션{PORTABLE CHARGER AND CHARGING METHOD FOR MODULE-TYPE BATTERY PACK, AND CHARGING STATION FOR MODULE-TYPE BATTERY PACK USING THE SAME}
본 발명은 전기 차량(Electric Vehicle, EV) 등에 전원을 공급하는 모듈형 배터리 팩을 충전하기 위한 포터블 충전 시스템 및 그 충전 방법과, 포터블 충전 장치들을 이용한 모듈형 배터리 팩 충전 스테이션에 관한 것이다.
친환경 차량인 전기 차량 또는 연료전지 차량은 차량의 시동에 필요한 전원을 제공하고 저전압으로 동작하는 전장 부하들에 전원을 제공하기 위해 배터리를 구비한다. 또한, 일반적인 내연기관 차량에서도 차량의 시동이나 전장 부하들의 전원을 제공하기 위해 충전이 가능한 배터리를 구비할 수 있다.
전기 자동차는 주로 배터리의 전원을 이용하여 AC 또는 DC 모터를 구동하여 동력을 얻으며, 배터리 전용 전기 자동차는 배터리의 전원을 이용하여 모터를 구동하고 전원이 다 소모되면 재충전된다. 또한, 기존의 연료 자동차에서도 소형의 배터리를 사용하여, 전장 내부의 부하를 동작하거나, 시동을 거는 때에 소형 배터리의 에너지를 사용한다.
이와 같은, 전기 자동차 등에 이용되는 배터리 팩(battery pack)은 대부분 고정 형태로서, 급속 또는 완속 충전기를 사용한 충전 방식을 사용한다. 그러나 이러한 충전 방식에는 충전 인프라 구축이 필수적이며, 이는 전기 자동차의 단점이자 공급 확대에 걸림돌이 되고 있다.
따라서, 전기 자동차에서 완충된 배터리를 교환해서 사용할 수 있도록 하되, 편리하게 충전 서비스를 제공할 수 있는 기술이 필요하다.
대한민국 공개특허 제 10-2015-0053452 호(발명의 명칭: 전기자동차용 모듈식 차량 탑재형 완속 충전 시스템 및 충전 방법)
본 발명의 실시예는 전기 차량에 완충된 배터리 팩을 편리하게 제공할 수 있는 모듈형 배터리 팩과, 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 장치를 포함하는 모듈형 배터리 팩 포터블 충전 시스템 및 그 충전 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 복수의 포터블 충전 장치들을 구비하는 포터블 충전기 스테이션을 제공하고자 한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 BMS(Battery Management System)가 내장된 모듈형 배터리 팩의 충전을 위한 포터블 충전 장치는, 상기 모듈형 배터리 팩에 구비된 커넥터와 대응하되, 상기 모듈형 배터리 팩의 커넥터와 탈착 가능하게 결합되는 커넥터; 상기 모듈형 배터리 팩으로 전원 공급원으로부터 인가된 전력을 제공하여 충전시키는 충전부; 상기 커넥터를 통해 상기 모듈형 배터리 팩이 접속되면 상기 모듈형 배터리 팩의 BMS로부터 배터리 상태 데이터를 수신하고, 상기 배터리 상태 데이터 및 상기 충전부를 통해 출력되는 실시간 충전 전류 값에 기초하여 상기 충전부의 충전 동작을 제어하는 충전 제어부를 포함하며, 상기 충전 제어부는, 상기 배터리 상태 정보에 포함된 배터리 충전 상태(state of charge: SOC) 및 상기 충전부를 통해 출력되는 실시간 충전 전류 값에 기초하여 상기 모듈형 배터리 팩의 충전 종지 전압까지 상기 충전부가 충전을 진행하도록 제어한다.
이때, 상기 배터리 상태 데이터는 배터리 팩에 대한 설정 전압 정보, 온도 정보, 배터리 사이클 넘버, 식별 정보 중 적어도 하나를 포함한다.
또한, 상기 충전 제어부는, 상기 배터리 상태 데이터에 기초하여 기설정된 충전용 기준 전류 이하의 전류 값으로 충전하는 프리-충전 모드의 실행 여부를 결정하고, 상기 프리-충전 모드가 실행되지 않을 경우, 정전류(Constant Current, CC) 모드 및 정전압(Constant Voltage, CV) 모드 중 어느 하나를 실행하도록 상기 충전부를 제어한다.
또한, 포터블 충전 장치는 내부에 냉각용 팬(fan), 가열용 히터(heater) 및 온도 센서를 더 포함하되, 상기 충전 제어부는, 상기 온도 센서를 통해 측정된 내부 온도와 기준 온도를 비교한 결과에 기초하여 팬 또는 히터의 동작을 제어한다.
또한, 상기 충전부는, 상기 외부의 전원 공급원으로부터 인가된 교류(AC) 전원을 직류(DC)로 변환한 후 상기 모듈형 배터리 팩을 충전시킨다.
또한, 상기 충전 제어부는, 상기 모듈형 배터리 팩의 배터리 충전 상태(SOC)와 충전 종지전압에 기초하여 상기 충전부를 통한 충전 시작, 충전 종료 및 충전 전류 값을 제어한다.
또한, 포터블 충전 장치는 상기 배터리 상태 데이터 및 상기 실시간 충전 전류 값에 기초하여 상기 모듈형 배터리 팩의 실시간 배터리 충전 상태 정보를 출력하는 디스플레이부를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 포터블 충전 장치를 통한 BMS(Battery Management System)가 내장된 모듈형 배터리 팩의 충전 방법은, 커넥터에 상기 모듈형 배터리 팩의 커넥터가 탈착 가능하게 결합되면, 상기 BMS로부터 배터리 상태 데이터를 수신하는 단계; 상기 배터리 상태 데이터에 기초하여, 전원 공급원으로부터 인가된 전력을 상기 커넥터를 통해 상기 모듈형 배터리 팩으로 제공하여 충전을 시작하는 단계; 및 상기 충전의 진행 중, 상기 배터리 상태 데이터 및 상기 커넥터를 통해 출력되는 실시간 충전 전류 값에 기초하여 충전 전류 값을 조절하거나 충전 종료를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 충전 전류 값을 조절하거나 충전 종료를 제어하는 단계는, 상기 배터리 상태 정보에 포함된 배터리 충전 상태(state of charge: SOC) 및 상기 충전부를 통해 출력되는 실시간 충전 전류 값에 기초하여 상기 모듈형 배터리 팩의 충전 종지 전압까지 상기 충전부가 충전을 진행하도록 제어한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 스테이션은, 상기 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 장치를 둘 이상 구비하되, 상기 둘 이상의 포터블 충전 장치 별 관련 데이터를 출력하는 통합 디스플레이부; 사용자가 상기 둘 이상의 포터블 충전 장치 중 어느 하나를 선택하고, 충전 동작을 제어하기 위한 명령을 입력할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공하는 사용자 인터페이스 유닛; 및 상기 사용자 인터페이스 유닛을 통해 입력된 명령에 따른 처리를 수행하여, 상기 통합 디스플레이부를 통해 데이터를 출력하는 통합 컨트롤러를 포함한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 전기 자동차 또는 전기 이륜차 등에 적용되는 배터리 팩을 내부에 BMS가 내장된 모듈형으로 제공하되, 모듈형 배터리 팩을 장소 등에 상관없이 편리하게 충전시킬 수 있는 포터블 충전 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 모듈형 배터리 팩의 배터리 충전 상태에 기초하여 포터블 충전 장치가 공급하는 충전 전압 및 전류를 조절함으로써, 배터리 충전량의 정확도를 크게 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 휴대가 가능한 포터블 충전 장치들 뿐만 아니라 복수의 포터블 충전 장치가 결합된 충전 스테이션을 제공함으로써, 복수의 모듈형 배터리 팩을 동시에 충전시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 배터리 팩의 효과적인 충전을 위해 포터블 충전 장치 내부의 온도 유지가 가능하다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 배터리 팩의 단위 셀에 대한 라이프 사이클 관리가 가능하여, 배터리 팩의 수명에 따른 실시간 사용 범위 관리가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 시스템의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 배터리 팩의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 도 1의 주요 구성 간 연결 관계를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포터블 충전 장치를 통한 모듈형 배터리 팩 충전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 도 1에 도시된 포터블 충전 장치의 물리적 구조를 세부적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 스테이션의 구성도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 도면에서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 또한, 도면을 참고하여 설명하면서, 같은 명칭으로 나타낸 구성일지라도 도면에 따라 도면 번호가 달라질 수 있고, 도면 번호는 설명의 편의를 위해 기재된 것에 불과하고 해당 도면 번호에 의해 각 구성의 개념, 특징, 기능 또는 효과가 제한 해석되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 있어서 ‘부(部)’ 또는 ‘모듈’이란, 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함하며, 하나의 유닛이 둘 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 둘 이상의 유닛이 하나의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 차량용 모듈 타입 배터리 팩 및 이를 충전시키기 위한 포터블 충전 장치를 포함하는 시스템과, 복수의 포터블 충전 장치가 구비된 충전 스테이션에 대해서 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 타입 배터리 팩은, 수명이 길고 전기적 특성이 우수한 리튬 배터리 팩((lithium battery pack)인 것을 예로서 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 시스템의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 시스템(이하, 설명의 편의상 “포터블 충전 시스템”으로 지칭함)(10)은 모듈형 배터리 팩(100) 및 포터블 충전 장치(200)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 배터리 팩(100)은 전력을 공급할 대상(예: 전기 자동차 등)으로부터 분리 및 장착이 가능하도록 모듈화된 배터리 팩을 의미한다. 이에 따라, 모듈형 배터리 팩(100)은 전력 공급 대상에 고정 설치되는 것이 아니라 탈착이 가능하며, 어느 하나의 모듈형 배터리 팩의 방전 시 완충된 다른 모듈형 배터리 팩으로 교환하여 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 배터리 팩의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 모듈형 배터리 팩(100)은 하나 이상의 배터리 셀(battery cell)(111)이 직렬 또는 병렬로 연결된 형태의 셀 팩(cell pack)(110), 셀 팩(110)의 전압을 외부로 출력하는 출력 단자(120), 및 셀 팩(110)의 충/방전을 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(130)를 포함한다.
또한, 모듈형 배터리 팩(100)은 포터블 충전 장치(200)와의 연결을 위한 탈착형 커넥터(140)를 포함한다. 참고로, 모듈형 배터리 팩(100)의 탈착형 커넥터(140)에 대응하여 포터블 충전 장치(200)에도 탈착형 커넥터가 구비되며, 두 커넥터는 서로 전기적으로 결합 가능한 형태로 구현된다.
배터리 셀(111)은 음극판(negative plate) 및 양극판(positive plate)을 포함한다. 그리고 출력 단자(120)는 배터리 셀(111)의 음극판의 전압을 출력하는 음극(cathode) 출력 단자 및 배터리 셀(111)의 양극판의 전압을 출력하는 양극(anode) 출력 단자를 포함한다.
이때, 출력 단자(120)의 일단은 배터리 팩(100) 내부의 셀 팩(110)으로부터 전기적으로 연결되며, 타단은 탈착형 커넥터(140)에 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 모듈형 배터리 팩(100)이 포터블 충전 장치(200)에 장착되면, 탈착형 커넥터(140)를 통해 포터블 충전 장치(200)로부터 인가된 공급 전력이 셀 팩(110)의 배터리 셀(111)에 전달되어 셀 팩(110)이 충전된다.
BMS(130)는 셀 팩(110)의 상태를 검출한 결과에 기초하여 배터리 팩(100)의 상태를 나타내는 배터리 상태 데이터를 생성한다. 그리고 BMS(130)는 커넥터(140)를 통해 배터리 팩(100)이 포터블 충전 장치(200)에 연결되면, 배터리 상태 데이터를 포터블 충전 장치(200)로 전송한다.
여기서, 배터리 상태 데이터는 셀 팩(110)의 전압(이하, ‘팩 전압’이라고 지칭함), 셀 팩(110)의 충전 상태(즉, 배터리 충전 상태(state of charge: SOC)), 배터리 팩(100) 내부의 온도, 실시간 충/방전 전류에 대한 각각의 정보를 포함한다.
이때, BMS(130)는 포터블 충전 장치(200)로 배터리 상태 데이터 전송 시, 해당 모듈형 배터리 팩(100)의 식별 정보(예: 배터리 팩 제조 시 부여된 ID 또는 BMS ID 등) 및 배터리 사이클 넘버를 더 포함하는 배터리 상태 데이터를 전송할 수 있다.
참고로, SOC는 배터리 잔존 용량을 백분율로 표현할 수 있다. 예를 들어, SOC의 종류로는, 배터리 설계 용량(design capacity, DC)에 대한 잔존 용량(remain capacity, RC)의 비율을 나타내는 ASOC(absolute SOC)와, 배터리의 만충전 용량(full charge capacity, FCC)에 대한 잔존 용량의 비율을 나타내는 RSCO(relative SOC) 등이 있다.
만충전 용량은 배터리가 실제로 수용할 수 있는 최대 전하량을 의미하며, 설계 용량과는 달리 배터리가 충전 및 방전이 반복됨에 따라 만충전 용량은 점차 감소된다. 따라서, 배터리가 완전 충전되거나 완전 방전될 때마다 만충전 용량은 변경될 수 있다. 이러한 특성을 반영하기 위하여, BMS(130)는 배터리의 충전 및 방전이 발생된 횟수를 나타내는 사이클을 카운트하며, 그 카운팅된 결과로서 배터리 사이클 넘버를 생성할 수 있다.
또한, BMS(130)는 셀 팩(100)의 배터리 셀(111) 간의 전압차를 균일하게 유지하는 처리를 수행할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 포터블 충전 장치(200)는 충전부(210), 충전 제어부(220), 전원 공급부(230), 통신 인터페이스부(240), 디스플레이부(250) 및 온도조절부(260)를 포함한다.
또한, 포터블 충전 장치(200)는 모듈형 배터리 팩(100)의 커넥터(140)와 연결되는 탈착형 커넥터(211)를 포함한다.
모듈형 배터리 팩(100)의 커넥터(140)와 포터블 충전 장치(200)의 커넥터(211)가 전기적으로 결합되면, 포터블 충전 장치(200)의 충전부(210)의 출력 단자와 모듈형 배터리 팩(100)의 샐 팩(110)의 출력 단자(120)가 전기적으로 접속되어 충전이 가능하다. 또한, 모듈형 배터리 팩(100)의 커넥터(140)와 포터블 충전 장치(200)의 커넥터(211)가 전기적으로 결합되면, 포터블 충전 장치(200)의 충전 제어부(220)와 모듈형 배터리 팩(100)의 BMS(130) 간에 통신이 가능하여, 모듈형 배터리 팩(100)의 커넥터(140)와 포터블 충전 장치(200)의 커넥터(211)를 통해 각종 데이터가 송수신된다. 이를 위해, 모듈형 배터리 팩(100)의 커넥터(140)와 포터블 충전 장치(200)의 커넥터(211)는 각각 내부에 복수의 핀이 구성된 단자 형태로 구현될 수 있다.
충전부(210)는 전원 공급부(230)를 통해 공급받은 전력을 커넥터(211)를 통해 연결된 모듈형 배터리 팩(100)으로 전달하여, 모듈형 배터리 팩(100)을 충전시킨다.
이때, 충전부(210)는 전원 공급부(230)로부터 교류(AC)를 인가받아 직류(DC)로 변환하여 출력할 수 있다. 즉, 충전부(210)는 일종의 AC/DC 컨버터일 수 있다.
충전부(210)는 충전 제어부(220)의 제어에 따라 충전 동작이 온/오프(on/off)된다.
또한, 충전부(210)는 모듈형 배터리 팩(100)으로 출력되는 전하량에 따른 충전 전압 및 전류 정보와, 충전부(210) 내부 온도 정보를 충전 제어부(220)로 제공한다. 이를 위해, 충전부(210) 내부 또는 외부의 일 영역에는 온도 센서(미도시)가 더 포함될 수 있다.
충전 제어부(220)는 장착된 모듈형 배터리 팩(100)의 실시간 상태(즉, BMS(130)로부터 생성된 배터리 상태 데이터)를 수집하고 충전을 제어하며, 충전부(210)의 주변 상태를 모니터링하는 통합 제어기이다.
이때, 충전 제어부(220)는 모듈형 배터리 팩(100)의 상태를 나타내는 배터리 상태 데이터를 수집하고, 충전부(210)의 상태를 나타내는 충전 상태 데이터를 수집한다. 그리고 충전 제어부(220)는 수집된 배터리 상태 데이터 및 충전 상태 데이터에 기초하여, 모듈형 배터리 팩(100)에 대한 충전 진행 및 충전 종료를 제어한다.
구체적으로, 충전 제어부(220)는 모듈형 배터리 팩(100)으로부터 수신된 배터리 상태 데이터 및 충전부(210)로부터 수신된 충전 상태 정보에 기초하여, 충전부(210)의 충전 모드를 결정한다. 이때, 충전 모드는 프리-차지(pre-charge) 모드, 정전류(Constant Current, CC) 모드, 정전압(Constant Voltage, CV) 모드를 포함한다.
프리-차지 모드는, 기준 전압 이하로 과방전된 배터리 팩의 경우 갑자기 높은 전류로 충전을 진행되면 배터리의 성능에 문제가 생길 수 있으므로, 정상 충전용 전류 미만의 낮은 전류로부터 충전을 시작하여 배터리 팩을 우선 정상 상태로 회복시키는 충전을 의미한다.
CC 모드는, 배터리 팩의 전압을 점차 높여 주기 위한 충전 방식으로서, 기설정된 정상 충전용 전류를 공급하는 충전을 의미한다.
그리고 CV 모드는, 배터리 팩의 전압이 기설정된 만충 전압에 도달하여 유지되는 경우, 배터리 팩의 전압과 충전부(210)의 전압 사이의 전위차를 0(mAh)로 유지되도록 하는 것을 의미한다.
충전 제어부(220)는 먼저 CC 모드로 충전부(210)를 제어하고, 모듈형 배터리 팩(100)의 실시간 충전 전압을 확인하여 전압 값이 일정 값(즉, 만충 전압)에 도달하면 충전부(210)를 CV 모드로 제어한다.
또한, 충전 제어부(220)는 충전 전류의 값을 제어하되, 배터리 상태 데이터에 기초하여 실시간으로 충전 전류의 C-rate를 제어한다.
예를 들어,100Ah의 용량을 가진 배터리를 100A로 방전시키면 1시간에 방전이 종료되며, 이를 1C(즉, 1C-rate)라고 한다. 즉, C-rate는 충방전 속도를 의미할 수 있다. 참고로, 배터리의 충전 종지 전압은 충전이 끝나는 전압을 의미하며, C-rate가 높을수록 충전 종지 전압에 빨리 도달하게 된다.
한편, 서로 다른 배터리 팩의 경우 각 팩 마다 충전 종료 시 SOC는 100% 충전된 것으로 표시되나, 충전 종지 전압은 서로 상이할 수 있다. 따라서, 충전 제어부(220)는 충전 종지 전압과 해당 모듈형 배터리 팩(100)의 실시간 전압 및 전류에 기초하여 충전 전압 및 전류를 조정함으로써, 해당 모듈형 배터리 팩(100)에 대응하는 정확한 완전 충전을 진행한다.
종래의 배터리 팩 충전 방식에 따르면, 충전 중인 배터리 팩의 충전 전압이 사전에 설정된 일정 전압에 도달할 경우 충전을 종료시키는 방식이나, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어부(220)는 실시간으로 충전 전류를 모니터링하여 C-rate를 조정함으로써 SOC의 정확도를 높인다.
충전 제어부(220)는 실시간 충전 전류 모니터링을 수행하여 모듈형 배터리 팩(100)에 대한 SOC의 정확도를 개선한다. 이때, 충전 제어부(220)는 전류적산법(Current Integral Method, CIM)을 사용하여 모듈형 배터리 팩(100)에 대한 충전량을 계산한다. 이는, 기존의 “OCV-SOC” 테이블에 기반한 충전 종료 방식에 의한 오차를 개선하는 효과가 있다. 참고로 “OCV-SOC” 테이블 기법은, OCV(Open Circuit Voltage)에 대응하는 SOC를 나타내는 표로서, 주변 온도 및 배터리 사이클에 따른 오차가 매우 크다는 단점이 있다.
또한, 충전 제어부(220)는 온도조절부(260)를 제어하여 최적의 충전 환경을 유지할 수 있다.
이때, 충전 제어부(220)는 포터블 충전 장치(200) 내 일 영역에 장착된 온도 센서(미도시)를 통해 센싱된 포터블 충전 장치(200) 내 온도와 기설정된 기준 온도(예: 23°C± 2°C)를 비교하여, 센싱된 온도가 기준 온도 미만인 경우 온도조절부(260)가 가열 수단(예: 히터 등)을 동작시키도록 하고, 기준 온도 이상인 경우 냉열 수단(예: 팬 등)을 동작시키도록 제어할 수 있다.
전원 공급부(230)는 포터블 충전 장치(100) 외부의 전원(예: 전력 공급자가 제공하는 전기 배선 등으로부터 공급된 전원)으로부터 공급된 전력을 포터블 충전 장치(100) 내의 충전부(210)로 공급한다. 이와 같이, 충전부(210)로 공급된 전원은 충전부(210)에 의해 AC에서 DC로 변환되어 모듈형 배터리 팩(100)에 충전될 수 있다.
통신 인터페이스부(240)는 포터블 충전 장치(200)의 원격 제어 및 모니터링을 처리하기 위한 통신 모듈을 포함한다.
예를 들어, 통신 인터페이스부(240)의 통신 모듈은, 포터블 충전 장치(200) 내부의 유선 네트워크 통신을 처리하기 위한 통신 프로토콜(예: RS-485, CAN(controller area network) 등)을 처리하고, 포터블 충전 장치(200) 외부와의 무선 네트워크 통신을 위한 통신 프로토콜(예: BLE(bluetooth low energy), WiFi 등)을 각각 처리할 수 있다.
이때, 통신 인터페이스부(240)는 무선 네트워크 통신을 통해 외부 디바이스(예: 사용자 단말)로부터 포터블 충전 장치(200)를 원격으로 제어하기 위한 데이터를 수신할 수 있으며, 수신된 원격 제어 명령에 따라 처리된 결과(예: 모니터링 결과) 데이터를 해당 외부 디바이스로 송출할 수 있다.
디스플레이부(250)는 충전 제어부(220)의 제어에 따라, 모듈형 배터리 팩(200)의 식별 정보, 실시간 충전 상태 정보, 충전 전압/전류 정보, 충전부(210) 및 모듈형 배터리 팩(200) 각각의 온도 정보 등의 모니터링 정보를 화면에 표시한다.
또한, 디스플레이부(250)는 통신 인터페이스부(240)를 통해 포터블 충전 장치(200) 내부 및 외부에서 수신된 각종 정보를 화면에 출력할 수 있다.
이때, 디스플레이부(250)는 사용자가 위와 같은 모니터링 정보 등을 확인할 수 있도록 출력하되, 포터블 충전 장치(200)의 동작을 제어할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스(UI)를 출력한다.
이를 위해, 디스플레이부(250)는 사용자의 선택에 따른 정보를 입력할 수 있는 입력 수단과 연동되거나, 상기 입력 수단 자체로서 동작할 수 있다. 즉, 포터블 충전 장치(200)는 자체적으로 키보드 및 키버튼 등의 입력 수단(미도시)을 더 포함하거나 그와 연동될 수 있다. 또한, 디스플레이부(250)는 사용자가 정보를 입력할 수 있는 입력 수단으로서의 기능을 더 수행하는 부재(예: 터치스크린 등)로서 구현될 수도 있다.
온도조절부(260)는 충전부(210)의 내부 환경을 제어하기 위한 것으로서, 온도 조절을 위한 팬(fan) 및 히터(heater) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이때, 온도조절부(260)는 충전 제어부(220)의 제어에 따라 온도 조절 수단(즉, 팬 또는 히터 등)을 온/오프시키되, 온도 조절 수단의 동작 세기 등을 가변시킬 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 포터블 충전 시스템(100)의 주요 구성 간 연결 관계 및 그 동작을 설명하도록 한다.
도 3은 도 1의 주요 구성 간 연결 관계를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 포터블 충전 장치(200)의 충전 제어부(220)는 그 내부에 각 명령을 처리하는 마이크로 컨트롤러(221) 및 전류 센서(222)를 포함할 수 있으며, PCB 형태의 충전 제어 보드(charging control board)로 구현될 수 있다.
이때, 충전 제어부(220)에는 마이크로 컨트롤러(221)가 모듈형 배터리 팩(100)을 충전시키기 위한 각종 처리들을 수행하도록 하는 알고리즘이 저장된 메모리(미도시)가 더 포함될 수 있다.
마이크로 컨트롤러(221)는 통신 인터페이스부(240)를 통해 수신되는 내부 데이터(즉, 충전 상태 데이터) 및 외부 데이터(즉, 배터리 상태 데이터)를 수신한다.
이때, 도 3에 도시한 바와 같이, 충전부(110)로부터 공급된 전류는 전류 센서(222)를 통해 모듈형 배터리 팩(100)의 출력 단자(120)로 공급된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 단자(120)는 실제적으로 충전 전력이 입력되는 입력 단자로서의 역할 또한 수행할 수 있다.
마이크로 컨트롤러(221)는 전류 센서(222)로부터 현재 모듈형 배터리 팩(100)으로 공급되고 있는 실시간 전류 값(즉, 충전 전류)을 수신한다. 그리고 마이크로 컨트롤러(221)는 수신된 현재 충전 전류 값에 기초하여 해당 모듈형 배터리 팩(100)에 대한 SOC를 산출하고, 충전 종지 값에 최대한 가까워지도록 충전 전류 값을 세밀하게 조절한다. 즉, 마이크로 컨트롤러(221)는 충전 전압이 충전 종지 전압에 가까워질수록 충전 전류를 좀 더 세밀하게 조절하여 출력되도록 충전부(210)를 제어한다.
이하 도 4를 참조하여 충전 제어부(220)의 동작에 기반한 모듈형 배터리 팩 충전 방법에 대해서 좀 더 상세히 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포터블 충전 장치를 통한 모듈형 배터리 팩 충전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
먼저, 모듈형 배터리 팩(100)이 포터블 충전 장치(200)에 장착되어 연결된다(S410).
즉, 모듈형 배터리 팩(100)의 커넥터(140)와 포터들 충전 장치(200)의 커넥터(211)가 결합된다.
그러면, 장착된 모듈형 배터리 팩(100)으로부터 식별자(ID)를 포함하는 배터리 상태 데이터를 수신한다(S420).
배터리 상태 데이터는 SOC, 팩 전압, 온도 정보, 사이클 넘버 등을 포함한다.
다음으로, 수신된 배터리 상태 데이터에 기초하여, 모듈형 배터리 팩(100)의 상태 정보를 디스플레이를 통해 출력하고(S430), 배터리 상태 데이터 중 기설정된 충전 조건들에 따른 파라미터들을 확인한다(S440).
이때, 배터리 상태 데이터를 사용자가 확인할 수 있도록 출력하는 단계는, 충전 조건을 검토하는 단계와 병렬적으로 수행되며 그 순서는 한정되지 않는다.
또한, 충전부(210)의 정상 동작 여부와 커넥터(140, 211) 정상 연결 여부 등의 충전 조건이 확인되면, 모듈형 배터리 팩(100)으로 전력을 공급하여 충전을 시작한다(S450).
충전이 진행되는 과정은 프리 차지(pre-charge) 모드, CC 모드, CV 모드로 진행될 수 있다.
충전 진행 중, 충전 상태 데이터를 실시간으로 확인하여 충전 전류를 감시하고, 데이터 무결성을 검토한다(S460).
그런 다음, 충전 전류 감시 결과에 기초하여, 모듈형 배터리 팩(100)의 전압이 기설정된 완전 충전 조건에 도달했는지 확인한다(S470).
이때, 완전 충전 조건은 충전 전류, 충전 종지 전압, 충전 진행 시간을 포함한다.
충전 전류 감시 결과, 완전 충전 조건이 만족된 시점에 충전을 종료한다(S480).
즉, 전류적산법에 기반하여 모듈형 배터리 팩(100)에 대한 SOC를 산출하고, 충전 전류의 값이 충전 종지 전압에 대응하도록 도달한 경우 완전 충전된 것으로 판단한다.
그럼 다음, 사용자가 충전이 완료된 것을 인지하되, 완전 충전된 배터리 팩(100)의 실시간 상태 조건들을 확인할 수 있도록 충전 완료 알람을 디스플레이를 통해 출력한다(S490).
이때, 충전 장치(200)는 충전 완료 알람을 오디오 신호로 생성하여 오디오 출력 수단(예: 스피커 등, 미도시)을 통해 출력하는 것도 가능하다.
이하, 포터블 충전 장치(200)의 구조 및 다수의 포터블 충전 장치(200)를 구비하는 충전 스테이션의 구조를 좀 더 쉽게 이해할 수 있도록, 도 5 및 도 6의 구조도를 참고하여 상세히 설명하도록 한다.
도 5는 도 1에 도시된 포터블 충전 장치의 물리적 구조를 세부적으로 도시한 도면이다.
도 5의 (a)는 포터블 충전 장치(200)를 모듈형 배터리 팩이 접속되는 방향에서 바라본 정면도이고, 도 5의 (b)는 포터블 충전 장치(200)의 내부 구성을 위에서 바라본 정면도이다.
도 5의 (a) 및 (b)에서 실선은 포터블 충전 장치(200)의 외부에서 확인 가능한 구성을 의미하며, 점선은 포터블 충전 장치(200)의 내부에 구비되어 있는 구성을 의미한다. 또한, 도 5의 (a) 및 (b)에는 도 1내지 4를 통해 설명한 포터블 충전 장치(200)의 일부 구성이 생략되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서, 도 5의 포터블 충전 장치(200)는 앞서 설명한 모든 구성들을 구비할 수 있다.
도 5의 (a)를 참조하면, 포터블 충전 장치(200) 케이스 외부의 일면(예: 정면)에는 모듈형 배터리 팩(100)이 투입(또는 삽입)되어 안정적으로 고정될 수 있도록 하는 투입구(P210)가 형성되어 있으며, 투입구(P210)의 내부 방향 종단에는 모듈형 배터리 팩(100)의 커넥터(140)가 결합될 수 있도록 하는 커넥터(211)가 구비되어 있다.
또한, 포터블 충전 장치(200) 케이스 외부 일면(예: 정면)에는 사용자가 입력할 데이터 또는 확인할 데이터를 입/출력할 수 있는 디스플레이부(250)가 외부로 노출되도록 설치되어 있다.
이러한 커넥터(211) 및 디스플레이부(250)는 각각 포터블 충전 장치(200) 내부의 충전 제어부(220)(도 5에서는 “충전 컨트롤 보드” 형태로 도시함)와 연결되어 있다.
도 5의 (b)를 참조하면, 투입구(P210) 및 커넥터(211)에 인접한 내부 공간에 온도조절부(260)의 적어도 일 구성이 설치되어 있으며, 이 또한 충전 제어부(220)와 연결되어 있다. 이는, 모듈형 배터리 팩(100)의 충전 진행 시 배터리 팩(100)이 발열하여 온도가 올라갈 수 있는 바, 최적의 온도로 온도를 낮추기 위해서 온도조절부(260)의 팬이 설치되는 것이 바람직하다.
이와는 별개로, 포터블 충전 장치(200) 내부의 온도를 적당한 온도로 유지시키기 위해, 내부 일 공간에는 온도조절부(260)의 적어도 일 구성이 설치될 수 있다. 이때, 설치되는 온도조절부(260)의 일 구성은 팬 및 히터 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
또한, 포터블 충전 장치(200) 내부의 일 공간에는 커넥터(211) 및 전원 공급부(미도시)와 연결되어, 충전 제어부(220)의 제어에 따라 커넥터(211)로 전력을 공급하는 충전부(210)(도 5에서는 “AC/DC 컨버터”로 도시함)가 설치되어 있다.
한편, 이상에서 설명한 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 시스템(10)은 포터블 충전 장치(200)를 복수 개 구비한 충전 스테이션을 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 스테이션의 구성도이다.
모듈형 배터리 팩 충전을 위한 포터블 충전 장치(200)들이 구비된 충전 스테이션(이하, “포터블 충전 스테이션”이라고 지칭함)(300)는, 다수의 포터블 충전 장치(200-1 내지 200-8) 별 관련 정보를 선택적으로 또는 전체적으로 출력하는 통합 디스플레이부(310), 사용자가 포터블 충전 스테이션(300) 및 통합 디스플레이(310)의 구동을 제어할 수 있도록 각종 데이터를 입력할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스 유닛(320)을 포함하며, 각각의 포터블 충전 장치(200-1 내지 200-8)가 구비된다.
도 6에서는 포터블 충전 스테이션(300)에 8개의 포터블 충전 장치(200-1 내지 200-8)가 포함된 것을 도시하였으나, 포터블 충전 스테이션(300)에 포함될 수 있는 포터블 충전 장치의 개수는 한정되지 않는다.
한편, 도 6에서는 포터블 충전 스테이션(300)의 내부에 구비된 일부 구성들이 생략되어 있으나, 포터블 충전 스테이션(300)은 통합 디스플레이부(310) 및 사용자 인터페이스 유닛(320)을 제어하되, 각 포터블 충전 장치(200-1~200-8)의 통신 인터페이스부(240)와 통신하여 데이터를 송수신하는, 통합 컨트롤러(미도시)를 포함할 수 있다.
이때, 포터블 충전 스테이션(300)의 통합 컨트롤러(미도시)는 다수의 포터블 충전 장치(200-1~200-8) 각각의 충전 제어부(220)로부터 해당 모듈형 배터리 팩(100)에 대한 각종 정보(즉, 식별 정보, 실시간 충전 정보, 충/방전 단계 정보 등)를 획득하고, 이를 통합 디스플레이부(310)를 통해 출력할 수 있다.
또한, 포터블 충전 스테이션(300)의 통합 컨트롤러(미도시)는 사용자 인터페이스 유닛(320)을 통해 사용자에 의해 선택된 포터블 충전 장치(200-1~200-8) 중 어느 하나에 관련된 데이터를 통합 디스플레이부(310)를 통해 출력하거나 제어할 수 있다.
예를 들어, 사용자는 다수의 포터블 충전 장치(200-1~200-8) 중 어느 하나의 투입구(P210)에 모듈형 배터리 팩(100)을 투입하여 장착시킨 후, 통합 디스플레이부(310) 및 사용자 인터페이스 유닛(320)을 통해 해당 포터블 충전 장치를 선택하여 충전을 시작할 수 있다.
또한, 통합 디스플레이부(310) 및 사용자 인터페이스 유닛(320)을 통해 선택된 포터블 충전 장치의 충전 상태(충전 용량 및 시간 등)에 따라, 배터리 충전 비용이 출력되고 그에 대한 과금 처리를 실행할 수도 있다.
이때, 개별 포터블 충전 장치(200-1~200-8) 별 디스플레이부(250)를 통해 충전을 시작하고, 해당 모듈형 배터리 팩(100)에 관한 충전 진행 과정을 모니터링하는 것도 가능하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 시스템
100: 모듈형 배터리 팩
110: 셀 팩 111: 배터리 셀
120: 출력 단자 130: 배터리 관리 시스템
140: 탈착형 커넥터
200: 포터블 충전 장치
210: 충전부 211: 탈착형 커넥터
220: 충전 제어부 230: 전원 공급부
240: 통신 인터페이스부 250: 디스플레이부
260: 온도조절부

Claims (9)

  1. BMS(Battery Management System)가 내장된 모듈형 배터리 팩의 충전을 위한 포터블 충전 장치에 있어서,
    상기 모듈형 배터리 팩에 구비된 커넥터와 대응하되, 상기 모듈형 배터리 팩의 커넥터와 탈착 가능하게 결합되는 커넥터;
    상기 모듈형 배터리 팩으로 전원 공급원으로부터 인가된 전력을 제공하여 충전시키는 충전부;
    상기 커넥터를 통해 상기 모듈형 배터리 팩이 접속되면 상기 모듈형 배터리 팩의 BMS로부터 배터리 상태 데이터를 수신하고, 상기 배터리 상태 데이터 및 상기 충전부를 통해 출력되는 실시간 충전 전류 값에 기초하여 상기 충전부의 충전 동작을 제어하는 충전 제어부를 포함하며,
    상기 충전 제어부는,
    상기 배터리 상태 정보에 포함된 배터리 충전 상태(state of charge: SOC) 및 상기 충전부를 통해 출력되는 실시간 충전 전류 값에 기초하여 상기 모듈형 배터리 팩의 충전 종지 전압까지 상기 충전부가 충전을 진행하도록 제어하는 것인, 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 상태 데이터는 배터리 팩에 대한 설정 전압 정보, 온도 정보, 배터리 사이클 넘버, 식별 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 제어부는,
    상기 배터리 상태 데이터에 기초하여 기설정된 충전용 기준 전류 이하의 전류 값으로 충전하는 프리-충전 모드의 실행 여부를 결정하고,
    상기 프리-충전 모드가 실행되지 않을 경우, 정전류(Constant Current, CC) 모드 및 정전압(Constant Voltage, CV) 모드 중 어느 하나를 실행하도록 상기 충전부를 제어하는 것인, 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    내부에 냉각용 팬(fan), 가열용 히터(heater) 및 온도 센서를 더 포함하되,
    상기 충전 제어부는, 상기 온도 센서를 통해 측정된 내부 온도와 기준 온도를 비교한 결과에 기초하여 팬 또는 히터의 동작을 제어하는, 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전부는,
    상기 외부의 전원 공급원으로부터 인가된 교류(AC) 전원을 직류(DC)로 변환한 후 상기 모듈형 배터리 팩을 충전시키는 것인, 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 제어부는,
    상기 모듈형 배터리 팩의 배터리 충전 상태(SOC)와 충전 종지전압에 기초하여 상기 충전부를 통한 충전 시작, 충전 종료 및 충전 전류 값을 제어하는, 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 상태 데이터 및 상기 실시간 충전 전류 값에 기초하여 상기 모듈형 배터리 팩의 실시간 배터리 충전 상태 정보를 출력하는 디스플레이부를 더 포함하는, 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 장치.
  8. 포터블 충전 장치를 통한 BMS(Battery Management System)가 내장된 모듈형 배터리 팩의 충전 방법에 있어서,
    커넥터에 상기 모듈형 배터리 팩의 커넥터가 탈착 가능하게 결합되면, 상기 BMS로부터 배터리 상태 데이터를 수신하는 단계;
    상기 배터리 상태 데이터에 기초하여, 전원 공급원으로부터 인가된 전력을 상기 커넥터를 통해 상기 모듈형 배터리 팩으로 제공하여 충전을 시작하는 단계; 및
    상기 충전의 진행 중, 상기 배터리 상태 데이터 및 상기 커넥터를 통해 출력되는 실시간 충전 전류 값에 기초하여 충전 전류 값을 조절하거나 충전 종료를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 충전 전류 값을 조절하거나 충전 종료를 제어하는 단계는,
    상기 배터리 상태 정보에 포함된 배터리 충전 상태(state of charge: SOC) 및 상기 충전부를 통해 출력되는 실시간 충전 전류 값에 기초하여 상기 모듈형 배터리 팩의 충전 종지 전압까지 상기 충전부가 충전을 진행하도록 제어하는 것인, 포터블 충전 장치를 통한 모듈형 배터리 팩의 충전 방법.
  9. 제 1항의 모듈형 배터리 팩 충전용 포터블 충전 장치를 둘 이상 구비하되,
    상기 둘 이상의 포터블 충전 장치 별 관련 데이터를 출력하는 통합 디스플레이부;
    사용자가 상기 둘 이상의 포터블 충전 장치 중 어느 하나를 선택하고, 충전 동작을 제어하기 위한 명령을 입력할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 제공하는 사용자 인터페이스 유닛; 및
    상기 사용자 인터페이스 유닛을 통해 입력된 명령에 따른 처리를 수행하여, 상기 통합 디스플레이부를 통해 데이터를 출력하는 통합 컨트롤러를 포함하는, 모듈형 배터리 팩 충전용 충전 스테이션.
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