KR20220151962A - 차량 비상 시동 장치, 그 제어 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 - Google Patents

차량 비상 시동 장치, 그 제어 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 Download PDF

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Abstract

차량 배터리 비상 충전 장치는 제 1 스위치, 커패시터 모듈, 제 2 스위치, 승압부, 및 제 3 스위치를 포함한다. 제 1 스위치는 배터리 모듈을 차량의 시동 모터에 연결하고, 커패시터 모듈은 배터리 모듈과 병렬 연결되고, 제 2 스위치는 커패시터 모듈을 시동 모터에 연결하고, 승압부는 배터리 모듈에서 공급되는 전류를 이용하여 커패시터 모듈을 승압하며, 제 3 스위치는 승압부를 통해 배터리 모듈과 커패시터 모듈을 연결한다. 이와 같은 구성에 의하면, 승압부가 배터리 모듈의 전압을 승압하여 커패시터 모듈에 공급하기 때문에 차량 배터리의 전압이 배터리 충전을 위한 고 정전용량 저장장치의 전압보다 낮은 경우에도 고 정전용량 저장장치를 충전할 수 있고, 차량 배터리와 고 정전용량 저장장치 모두가 방전된 경우에도 차량 시동을 위한 전압을 공급할 수 있게 된다.

Description

차량 배터리 비상 충전 장치, 그 제어 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 {Vehicle battery emergency charging device, control method thereof and recording medium recording computer readable program for executing the method}
본 발명은 배터리 충전 관련 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 배터리가 고장 또는 방전되는 경우에도 차량의 시동이 가능하도록 해 주는 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
자동차 배터리 방전시 이용가능한 종래의 방법으로는, 다른 차량의 배터리와 점프선을 통해 차량의 시동을 거는 방법, 전용 배터리 충전기를 이용하여 자동차 배터리를 충전하는 방법 등이 통상적으로 이용되고 있으나, 다른 차량이나 전용 배터리가 없는 상황에서는 문제 해결이 불가능한 단점이 있다.
이런 문제를 해결하기 위한 종래기술로서, 대한민국 특허 제10-1571110호는 저항이 작고 급속 충방전이 가능한 고 정전용량 저장 장치(예를 들어, 슈퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 전기이중층 커패시터)를 이용하여 방전된 배터리로부터 전류를 받아 전압을 충전하고 고출력 방전을 통해 다시 방전된 차량의 배터리에 전류를 제공하는 기술을 개시하고 있다.
그러나, 상기 종래기술에서 차량에 장착된 배터리가 시동을 걸 수 없는 상태로 방전된 경우처럼 차량 배터리의 전압이 고 정전용량 저장장치의 전압보다 낮으면 고 정전용량 저장장치를 충전할 수 없게 되고, 또 차량 배터리와 고 정전용량 저장장치 모두가 방전된 경우에는 아무런 조치도 취할 수 없게 되는 문제점이 있다.
KR 101571110 B1
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 차량 배터리의 전압이 배터리 충전을 위한 고 정전용량 저장장치의 전압보다 낮은 경우에도 고 정전용량 저장장치를 충전할 수 있고, 차량 배터리와 고 정전용량 저장장치 모두가 방전된 경우에도 차량 시동을 위한 전압을 공급할 수 있는 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 차량 배터리 비상 충전 장치는 제 1 스위치, 커패시터 모듈, 제 2 스위치, 승압부, 및 제 3 스위치를 포함한다. 제 1 스위치는 배터리 모듈을 차량의 시동 모터에 연결하고, 커패시터 모듈은 배터리 모듈과 병렬 연결되고, 제 2 스위치는 커패시터 모듈을 시동 모터에 연결하고, 승압부는 배터리 모듈에서 공급되는 전류를 이용하여 커패시터 모듈을 승압하며, 제 3 스위치는 승압부를 통해 배터리 모듈과 커패시터 모듈을 연결한다.
이와 같은 구성에 의하면, 승압부가 배터리 모듈의 전압을 승압하여 커패시터 모듈에 공급하기 때문에 차량 배터리의 전압이 배터리 충전을 위한 고 정전용량 저장장치의 전압보다 낮은 경우에도 고 정전용량 저장장치를 충전할 수 있고, 차량 배터리와 고 정전용량 저장장치 모두가 방전된 경우에도 차량 시동을 위한 전압을 공급할 수 있게 된다.
이때, 차량 배터리 비상 충전 장치에 의한 차량의 시동 가능 여부를 판단하고, 시동이 불가능하다고 판단되는 경우 제 3 스위치를 연결하는 제어부를 더 포함할 수 있으며, 제어부는 제 3 스위치를 연결하는 경우, 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 분리하고, 승압부의 승압에 의해 시동이 가능하다고 판단되는 경우 제 2 스위치를 다시 연결할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 제어부에 의해 방전 차량의 시동시 커패시터 모듈의 전력이 방전된 배터리로 흐르거나 차량의 암전류로 흐르는 것을 차단하여 확보된 시동전력의 손실을 줄일 수 있게 된다.
또한, 제어부는 배터리 모듈에서의 온도가 미리 설정된 온도 이하인 경우 배터리 모듈의 충전 전류를 제한할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 감지된 온도에 따라 충전전류를 결정함으로써, 저온시에는 충전을 제한하여 리튬계열의 배터리의 리스크를 줄여 저온시에도 배터리 장치의 안정적 사용이 가능해 진다.
또한, 제어부는 승압부의 연결이 미리 설정된 기준 횟수 이상인 경우 제 3 스위치의 자동 연결을 중단할 수 있으며, 제 3 스위치의 자동 연결이 중단된 경우에는 사용자의 입력이 있는 경우에만 제 3 스위치의 연결을 수행할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 시동전력을 확보한 경우에도, 장시간 방치로 인한 재방전과 잔류에너지의 한계를 고려하여 최후의 방전 상황을 대비할 수 있게 된다.
또한, 배터리 모듈은 차량 배터리 비상 충전 장치의 내부 배터리 모듈, 및 내부 배터리 모듈과 직렬 연결된 차량 배터리 비상 충전 장치의 외부 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 차량의 기존 배터리를 일부 교체하여 배터리 비상 충전 장치를 구성할 수 있게 된다.
또한, 배터리 모듈은 차량 배터리 비상 충전 장치의 내부 배터리 모듈, 및 내부 배터리 모듈과 병렬 연결된 차량 배터리 비상 충전 장치의 외부 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 차량의 기존 배터리에 배터리를 추가하여 배터리 비상 충전 장치를 구성할 수 있게 된다.
또한, 배터리 모듈은 차량 배터리 비상 충전 장치의 외부 배터리 모듈일 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 차량의 기존 배터리만을 이용하여 비상 충전 장치를 구성할 수 있게 된다.
또한, 제어부는 병렬 연결된 배터리 모듈과 커패시터 모듈의 단자 전압, 또는 배터리 모듈의 내부 저항의 크기를 이용하여 차량의 시동 가능 여부를 판단할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 차량의 시동 가능 여부를 더욱 정확하게 판단할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 태양에 따른 차량 배터리 비상 충전 장치는, 배터리 모듈과 병렬 연결되는 커패시터 모듈, 커패시터 모듈을 차량의 시동 모터에 연결하는 제 2 스위치, 배터리 모듈에서 공급되는 전류를 이용하여 상기 커패시터 모듈을 승압하는 승압부, 및 승압부를 통해 배터리 모듈과 커패시터 모듈을 연결하는 제 3 스위치를 포함한다.
이와 같은 구성에 의하면, 두 개의 스위치만을 이용하여, 차량 배터리의 전압이 배터리 충전을 위한 고 정전용량 저장장치의 전압보다 낮은 경우에도 고 정전용량 저장장치를 충전할 수 있고, 차량 배터리와 고 정전용량 저장장치 모두가 방전된 경우에도 차량 시동을 위한 전압을 공급할 수 있게 된다.
이때, 제 2 스위치는 배터리 모듈을 시동 모터에 더 연결하거나, 배터리 모듈과 시동 모터가 연결된 노드와 커패시터 모듈 사이에 배치될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 차량 배터리 비상 충전 장치 제어 방법은, 배터리 모듈을 차량의 시동 모터에 연결하는 제 1 스위치, 배터리 모듈과 병렬 연결되는 커패시터 모듈, 커패시터 모듈을 시동 모터에 연결하는 제 2 스위치, 배터리 모듈에서 공급되는 전류를 이용하여 커패시터 모듈을 승압하는 승압부, 및 승압부를 통해 상기 배터리 모듈과 상기 커패시터 모듈을 연결하는 제 3 스위치를 포함하는 차량 배터리 비상 충전 장치를 제어하기 위한 방법으로서, 커패시터 모듈에서의 전압이 미리 설정된 충전 기준전압 이하인 경우 제 3 스위치를 연결하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 태양에 따른 차량 배터리 비상 충전 장치 제어 방법은, 배터리 모듈과 병렬 연결되는 커패시터 모듈, 커패시터 모듈을 차량의 시동 모터에 연결하는 제 2 스위치, 배터리 모듈에서 공급되는 전류를 이용하여 커패시터 모듈을 승압하는 승압부, 및 승압부를 통해 배터리 모듈과 커패시터 모듈을 연결하는 제 3 스위치를 포함하는 차량 배터리 비상 충전 장치를 제어하기 위한 방법으로서, 커패시터 모듈에서의 전압이 미리 설정된 충전 기준전압 이하인 경우 제 3 스위치를 연결하는 단계를 포함한다.
아울러, 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체가 함께 개시된다.
본 발명에 의하면, 승압부가 배터리 모듈의 전압을 승압하여 커패시터 모듈에 공급하기 때문에 차량 배터리의 전압이 배터리 충전을 위한 고 정전용량 저장장치의 전압보다 낮은 경우에도 고 정전용량 저장장치를 충전할 수 있고, 차량 배터리와 고 정전용량 저장장치 모두가 방전된 경우에도 차량 시동을 위한 전압을 공급할 수 있게 된다.
또한, 제어부에 의해 방전 차량의 시동시 커패시터 모듈의 전력이 방전된 배터리로 흐르거나 차량의 암전류로 흐르는 것을 차단하여 확보된 시동전력의 손실을 줄일 수 있게 된다.
또한, 감지된 온도에 따라 충전전류를 결정함으로써, 저온시에는 충전을 제한하여 리튬계열의 배터리의 리스크를 줄여 저온시에도 배터리 장치의 안정적 사용이 가능해 진다.
또한, 시동전력을 확보한 경우에도, 장시간 방치로 인한 재방전과 잔류에너지의 한계를 고려하여 최후의 방전 상황을 대비할 수 있게 된다.
또한, 차량의 기존 배터리를 일부 교체하여 배터리 비상 충전 장치를 구성할 수 있게 된다.
또한, 차량의 기존 배터리에 배터리를 추가하여 배터리 비상 충전 장치를 구성할 수 있게 된다.
또한, 차량의 기존 배터리만을 이용하여 비상 충전 장치를 구성할 수 있게 된다.
또한, 두 개의 스위치만을 이용하여, 차량 배터리의 전압이 배터리 충전을 위한 고 정전용량 저장장치의 전압보다 낮은 경우에도 고 정전용량 저장장치를 충전할 수 있고, 차량 배터리와 고 정전용량 저장장치 모두가 방전된 경우에도 차량 시동을 위한 전압을 공급할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비상 충전 장치의 개략적인 블록도.
도 2는 도 1의 제 1 구현 예가 도시된 개략적인 회로도.
도 3 및 도 4는 각각 도 2의 active process와 passive process의 흐름도.
도 5는 active process와 passive process에서의 스위치들의 기능을 정리한 표.
도 6은 도 1의 제 2 구현 예가 도시된 개략적인 회로도.
도 7은 도 1의 제 3 구현 예가 도시된 개략적인 회로도.
도 8은 도 1의 제 4 구현 예가 도시된 개략적인 회로도.
도 9 내지 도 11은 각각 배터리 모듈, 커패시터 모듈, 배터리 모듈과 커패시터 모듈의 조합의 경우에서의 SOC와 단자 전압과의 관계를 도시한 그래프.
도 12는 내연기관 시동 시스템의 등가 회로도.
13 및 도 14는 도 2에서 제 1 스위치가 생략된 형태의 구현 예를 각각 도시한 개략적인 회로도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비상 충전 장치의 개략적인 블록도이다. 도 1에서, 차량 배터리 비상 충전 장치는 제 1 스위치(110), 커패시터 모듈(120), 제 2 스위치(130), 승압부(140), 제 3 스위치(150), 제어부(160), 및 배터리 모듈(170)을 포함한다.
제 1 스위치(110)는 배터리 모듈(170)을 차량의 시동 모터에 연결하고, 커패시터 모듈(120)은 배터리 모듈(170)과 병렬 연결되고, 제 2 스위치(130)는 커패시터 모듈(120)을 시동 모터에 연결하고, 승압부(140)는 배터리 모듈에서 공급되는 전류를 이용하여 커패시터 모듈(120)을 승압하며, 제 3 스위치(150)는 승압부(140)를 통해 배터리 모듈(170)과 커패시터 모듈(120)을 연결한다.
이와 같은 구성에 의하면, 승압부가 배터리 모듈의 전압을 승압하여 커패시터 모듈에 공급하기 때문에 차량 배터리의 전압이 배터리 충전을 위한 고 정전용량 저장장치의 전압보다 낮은 경우에도 고 정전용량 저장장치를 충전할 수 있고, 차량 배터리와 고 정전용량 저장장치 모두가 방전된 경우에도 차량 시동을 위한 전압을 공급할 수 있게 된다.
제어부(160)는 차량 배터리 비상 충전 장치에 의한 차량의 시동 가능 여부를 판단하고, 시동이 불가능하다고 판단되는 경우 제 3 스위치(150)를 연결한다. 제 3 스위치(150)를 연결하는 경우, 제 1 스위치(110) 및 제 2 스위치(130)를 분리하고, 승압부(140)에 의해 시동이 가능하다고 판단되는 경우 제 2 스위치(130)를 다시 연결할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 제어부에 의해 방전 차량의 시동시에 커패시터 모듈의 전력이 방전된 배터리로 흐르거나 차량의 암전류로 흐르는 것을 차단하여 확보된 시동전력의 손실을 줄일 수 있게 된다.
또한, 제어부(160)는 배터리 모듈(170)에서의 온도에 따라 커패시터 모듈(120)의 충전 전류를 제한할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 감지된 온도에 따라 충전전류를 결정함으로써, 저온시에는 충전을 제한하여 리튬계열의 배터리의 리스크를 줄여 저온시에도 배터리 장치의 안정적 사용이 가능해 진다.
또한, 제어부(160)는 승압부(140)의 연결이 미리 설정된 기준 횟수 이상인 경우 제 3 스위치(150)의 자동 연결을 중단할 수 있으며, 제 3 스위치(150)의 자동 연결이 중단된 경우에는 사용자의 입력이 있는 경우에만 제 3 스위치(150)의 연결을 수행할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 시동전력을 확보한 경우에도, 장시간 방치로 인한 재방전과 잔류에너지의 한계를 고려하여 최후의 방전 상황을 대비할 수 있게 된다.
도 2는 도 1의 제 1 구현 예가 도시된 개략적인 회로도이다. 외부구조의 접속부가 2개인 일반적인 배터리의 회로를 도시하고 있다. 일반적으로 차량에서 배터리로의 연결 접속부가 2개이므로, 기존의 배터리를 대체하여 사용하는 하이브리드 배터리 및 장치 형태이다,
MCU와 ADC, DAC 회로를 통하여 전압, 전류, 온도 등을 모니터링 및 제어하는 active process 회로로서, 병렬 연결된 배터리 모듈과 커패시터, 모듈 사이의 승압 장치, 전압, 전류, 온도 등의 감지 센서, mcu 및 제어부, 각 모듈 간의 BMS 및 스위칭부로 구성된다. S1의 스위칭부는 수십A 이상이 흐르는 대전류 회로로서, 회로 동작 시 유지되는 소모전력을 최소화하기 위하여 FET나 b접점 릴레이 또는 래칭 릴레이로 구성될 수 있다.
배터리의 방전으로 인해 시동이 불가한 차량에서 방전된 배터리의 남은 전력으로 승압하여 커패시터를 통해 시동전력을 확보할 수 있는 비상시동장치의 회로 구성으로서, 방전 시에 자체적으로 방전된 차량의 시동을 가능하게 한다. 또한, 방전 차량의 시동을 시도할 시에 커패시터 모듈의 확보된 시동전력이 방전된 배터리로 흐르는 전류와 차량의 암전류로 흐르는 전류를 차단하여 확보된 시동전력의 손실을 줄일 수 있게 된다.
한편, 배터리모듈의 구성이 리튬계열일 때 영하 온도에서의 충전은 plating, dendrite의 성장으로 인한 내부저항 증가와 심각할 경우 내부의 단락 상황을 초래할 수 있다. 따라서, 도 2에서는 온도를 감지하는 센서와 mcu 제어부, S3 스위칭 부를 통하여 감지된 온도에 따라 충전전류를 결정한다. 즉, 영하 시 저온 운용모드로 낮은 전류 또는 충전을 제한하고 상온 시의 충전으로 리튬계열의 배터리의 리스크를 줄여 영하 시에도 배터리 장치의 안정적 사용이 가능하다.
구성된 Active Process에서 시동전력을 확보하였으나, 장시간 방치로 인한 재방전과 잔류에너지의 한계를 고려하여 일정횟수를 제한하고 Passive process로 전환하여, 수동 동작으로 최후의 방전 상황을 대비할 수도 있다. 도 3 및 도 4는 각각 도 2의 active process와 passive process의 흐름도이고, 도 5는 active process와 passive process에서의 스위치들의 기능을 정리한 표이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 동작 과정을 설명하면, 평시에는 스위치 1,2는 close, 스위치 3은 open한다. 배터리가 고장나거나 시동을 불가할 정도로 방전된 경우, S1을 open하여 배터리 모듈로의 전력 손실을 차단하고, S2를 open하여 차량의 암전류로의 전력 손실 차단하여, 컨트롤 유닛을 통한 배터리모듈의 잔류에너지로 커패시터모듈의 시동전력을 확보한다. 이후, S2와 S3를 close하여 차량을 시동하고, 시동 완료 센싱 후 S1을 close한다.
한편, 배터리 모듈(170)은 차량 배터리 비상 충전 장치의 내부 배터리 모듈(172), 및 내부 배터리 모듈(172)과 직렬 연결된 차량 배터리 비상 충전 장치의 외부 배터리 모듈(174)을 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 차량의 기존 배터리를 일부 교체하여 배터리 비상 충전 장치를 구성할 수 있게 된다.
도 6은 도 1의 제 2 구현 예가 도시된 개략적인 회로도이다. 도 6에는 전장 장치가 12v를 요구하는 일반 승용/승합 차량 등을 제외한 24v 이상을 요구하는 차량, 발전기 등의 배터리 장치 회로 및 구조가 도시되어 있다.
이러한 차량, 내연기관, 발전기 등의 배터리 구성은 12v 배터리 2개 이상을 직렬 또는 직병렬하여 구성된다. 그런데, 장치 및 배터리가 방전이 되어도 잔류 에너지를 이용하여 차량의 시동을 걸 수 있는 시동전력을 확보하는 비상시동회로를 기반으로 잔류에너지를 이용하기에 에너지가 적다. 또한, 엔진을 시동하기 위해서는 주변 환경온도가 낮음에 따라 요구되는 전력이 높아지기 때문에 에너지의 손실을 줄이는 것이 중요하다.
도 6은 구성되는 2개 이상의 배터리 중 전체 또는 일부 교체를 하거나 기존의 배터리를 두고 추가하여 설치하는 경우의 방법을 도시하고 있다. 일반적으로 차량(부하) 등에서 쓰이는 배터리의 연결 접속부는 2개이나, 이 장치는 3개 이상으로 구성되며, 이러한 구조는 차량의 암전류와 방전된 배터리로 흐르는 전력을 제한할 수 있어 비상충전으로 확보된 시동전력의 손실을 줄이는 효과가 있다,
도 6에 도시된 장치는 기존 배터리를 일부 교체하는 비상시동 하이브리드 배터리 장치로서, MCU와 ADC, DAC 회로를 통하여 전압, 전류, 온도 등을 모니터링 및 제어하는 active process 회로가 도시되어 있다. 2개 이상의 직렬 병렬을 갖는 배터리 모듈과 2개 이상의 직렬 병렬을 갖는 커패시터 모듈, 모듈 사이의 승압 장치의 구성과 전압, 전류, 온도 등의 감지 센서, mcu 및 제어부, 각 모듈간의 BMS 및 스위칭부로 구성된다.
S1의 스위칭부는 수십A(암페어) 이상의 대전류 회로로서 회로 동작 시 유지되는 소모전력을 최소화하기 위하여 FET나 b접점 릴레이 또는 래칭 릴레이로 구성될 수 있다. 배터리 장치는 3개 이상의 외부 접속부를 갖추고, 배터리 장치 내부의 배터리 모듈과 외부 배터리는 직렬로 구성되며, 배터리 장치 내부의 배터리 모듈과 커패시터 모듈은 병렬로 구성된다.
배터리가 고장이 나거나 방전이 되어도 자체적으로 시동전력을 확보할 수 있는 비상 시동이 가능한 배터리 장치로서, 방전 차량 등의 시동을 시도할 시에 커패시터 모듈의 확보된 시동전력이 방전된 배터리, 또는 차량의 암전류로 흐르는 것을 차단하여 확보된 시동전력의 손실을 줄일 수 있다.
구체적인 동작을 설명하자면, 평시에는 스위치 1,2를 close하다가, 배터리가 고장나거나 시동을 불가할 정도로 방전된 경우 S1을 open하여 배터리 모듈로의 전력 손실을 차단하고, S2를 open하여 차량의 암전류로의 전력 손실 차단한다. 컨트롤 유닛을 통한 배터리모듈의 잔류에너지로 커패시터모듈 시동전력을 확보하기 위해 S3를 close하며, S2를 close하고 S3를 open하여 차량을 시동한다. 시동 완료 센싱 후 S1을 close한다.
또한, 배터리 모듈(170)은 차량 배터리 비상 충전 장치의 내부 배터리 모듈(172), 및 내부 배터리 모듈(172)과 병렬 연결된 차량 배터리 비상 충전 장치의 외부 배터리 모듈(174)을 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 차량의 기존 배터리에 배터리를 추가하여 배터리 비상 충전 장치를 구성할 수 있게 된다.
도 7은 도 1의 제 3 구현 예가 도시된 개략적인 회로도이다. 도 7에는 기존 배터리 교체 및 추가시의 구조가 도시되어 있다. 도 7에 도시된 장치는 기존 배터리를 대체 또는 추가하는 비상시동 하이브리드 배터리 장치로서, MCU와 ADC, DAC 회로를 통하여 전압, 전류, 온도 등을 모니터링 및 제어하는 active process 회로가 도시되어 있다.
2개 이상의 직렬 병렬을 갖는 배터리 모듈과 2개 이상의 직렬 병렬을 갖는 커패시터 모듈, 모듈 사이의 승압 장치의 구성과 전압, 전류, 온도 등의 감지 센서, mcu 및 제어부, 각 모듈간의 BMS 및 스위칭부로 구성된다. S1의 스위칭부는 수십A(암페어) 이상의 대전류 회로로서 회로 동작 시 유지되는 소모전력을 최소화하기 위하여 FET나 b접점 릴레이 또는 래칭 릴레이로 구성될 수 있다.
배터리 장치는 3개 이상의 외부 접속부를 갖추고, 배터리 장치 내부의 배터리 모듈과 외부 배터리는 병렬로 구성되며, 배터리 장치 내부의 배터리 모듈과 커패시터 모듈은 병렬로 구성된다.
배터리가 고장이 나거나 방전이 되어도 자체적으로 시동전력을 확보할 수 있는 비상 시동이 가능한 배터리 장치로서, 방전 차량 등의 시동을 시도할 시에 커패시터 모듈의 확보된 시동전력이 방전된 배터리, 또는 차량의 암전류로 흐르는 것을 차단하여 확보된 시동전력의 손실을 줄일 수 있게 된다.
또한, 배터리 모듈(170)은 차량 배터리 비상 충전 장치의 외부 배터리 모듈일 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 차량의 기존 배터리만을 이용하여 비상 충전 장치를 구성할 수 있게 된다.
도 8은 도 1의 제 4 구현 예가 도시된 개략적인 회로도이다. 도 8에는 기존 배터리에서 추가시의 구조가 도시되어 있다. 기존 배터리를 추가하는 비상시동 하이브리드 배터리 장치로서, MCU와 ADC, DAC 회로를 통하여 전압, 전류, 온도 등을 모니터링 및 제어하는 active process 회로가 도시되어 있으며, 2개 이상의 직렬 병렬을 갖는 커패시터 모듈, 모듈 사이의 승압 장치의 구성과 전압, 전류, 온도 등의 감지 센서, mcu 및 제어부, BMS 및 스위칭부로 구성된다.
S1의 스위칭부는 수십A(암페어) 이상의 대전류 회로로서 회로 동작 시 유지되는 소모전력을 최소화하기 위하여 FET나 b접점 릴레이 또는 래칭 릴레이로 구성될 수 있다. 배터리 장치는 3개 이상의 외부 접속부를 갖추고, 배터리 장치 내부의 배터리 모듈과 외부 배터리는 병렬로 구성되며, 배터리 장치 내부의 배터리 모듈과 커패시터 모듈은 병렬로 구성된다.
배터리가 고장이 나거나 방전이 되어도 자체적으로 시동전력을 확보할 수 있는 비상 시동이 가능한 배터리 장치로서, 방전 차량 등의 시동을 시도할 시에 커패시터 모듈의 확보된 시동전력이 방전된 배터리, 또는 차량의 암전류로 흐르는 것을 차단하여 확보된 시동전력의 손실을 줄일 수 있다.
또한, 제어부(160)는 병렬 연결된 배터리 모듈과 커패시터 모듈의 단자 전압, 또는 배터리 모듈의 내부 저항의 크기를 이용하여 차량의 시동 가능 여부를 판단할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 차량의 시동 가능 여부를 더욱 정확하게 판단할 수 있다. 도 9 내지 도 11은 각각 배터리 모듈, 커패시터 모듈, 배터리 모듈과 커패시터 모듈의 조합의 경우에서의 SOC와 단자 전압과의 관계를 도시한 그래프이다.
도 9의 경우, SOC가 낮아도 전압감소가 적기 때문에, 전압을 이용해서 SOC를 파악하는 것이 어렵다. 에너지가 고갈된 상태에서도 높은 전압이 나오기 때문에 전압 모니터링을 통해서 차량 시동 가능 여부를 판단하기 어렵기 때문이다. 도 10의 경우, SOC가 낮아지면서 전압감소도 동시에 일어나기 때문에, 전압확인을 통해서 차량의 시동여부를 판단할 수 있으며, 도 11에서와 같이 배터리와 캡을 조합할 경우, SOC 20% 이하에서 급격한 전압감소를 보인다. 이 특성을 이용하여 차량의 시동가능 여부를 정확하게 판단할 수 있다.
이와 같이, 배터리 방전이 상당한 수준으로 진행된 경우 배터리(배터리 단독 사용) 전압을 통한 배터리 출력을 파악하는 것은 정확도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 배터리와 캡을 병렬연결 하여 단자 전압을 측정하면 병렬 연결된 시스템의 에너지 및 출력을 여부를 비교적 정확하게 판단할 수 있게 된다.
도 12는 내연기관 시동 시스템의 등가 회로도이다. 도 12를 참조하여, 캡, 배터리, 시동모터로 공급되는 전류에 대한 정의는 수식
Figure pat00001
로, 배터리 전압, 단자전압, 저항 전압과의 관계는 수식
Figure pat00002
로 각각 나타낼 수 있다. 이때, Vb는 배터리 전압, Rb는 배터리 내부저항, Rs는 시동모터의 로터 저항, E는 단자전압이다.
시동함수는 단자전압의 함수로서, 수식
Figure pat00003
로 나타낼 수 있고, 이때, Ess는 정상상태에서의 단자 전압이고, IL은 시동 전류이다. 시동모터가 시동을 걸기 위해서 필요한 회전 속도에 대한 정의는 수식
Figure pat00004
와 같고, 이때, Ec는 시동을 위한 전압이고, k는 비례상수이며, wc는 시동을 걸기 위한 각속도이다.
시동을 걸기 위해서는 정상상태의 단자전압이 Ec 값보다 커야 하며, 이는 수식
Figure pat00005
로 나타낼 수 있다. 배터리의 내부저항이 RbC보다 낮아야 시동 가능하고, 이는 수식
Figure pat00006
로 나타낼 수 있으며, 이때, Rb는 시동모터가 시동을 걸기 위한 각속도로 회전할 때의 배터리 내부저항이다.
즉, 시동을 시도할 때 정해진 설정값(RbC)보다 배터리의 내부저항이 작아야 성공적인 시동이 가능하며, Rb가 RbC보다 큰 경우에는 시동을 할 수 없는 배터리(방전이 상당한 수준으로 진행된 배터리)로 판단한다. 하지만, 시동능력이 없는 배터리인 경우에도 엔진 시동을 위한 충분한 에너지를 저장할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 다른 실시예에서, 제 1 스위치는 생략될 수도 있다. 예를 들어, 도 2에서 제 1 스위치(110)가 생략되어도 접속부가 3개라면 가능(방전 배터리, 암전류로 인한 손실 차단)하다.
접속부가 3개인 경우 제 2 스위치(130), 제 3 스위치(150)만 있어도 효과가 가능하기 때문이다. 즉, 2에서 제 1 스위치(110) 생략 시에 접속부가 3개라면 동일 효과의 손실(암전류, 방전 배터리)을 줄일 수 있다.
도 13 및 도 14는 도 2에서 제 1 스위치가 생략된 형태의 구현 예를 각각 도시한 개략적인 회로도이다. 도 13에는 제 2 스위치(130)가 배터리 모듈(170)과 커패시터 모듈(120)을 시동 모터에 동시에 연결하는 구성이, 도 14에는 제 2 스위치(130)가 배터리 모듈(170)과 시동 모터가 연결된 노드와 커패시터 모듈(120)사이에 배치된 예가 각각 도시되어 있다.
정리하면, 비상시동장치는 이미 방전되어 남은 잔류에너지를 이용하기에 에너지가 적고, 엔진을 시동하기 위해서는 주변 환경온도가 낮음에 따라 요구되는 전력이 높아지기 때문에 에너지의 손실을 줄이는 것이 중요하다. 확보된 시동전력이 시동 시에 방전된 배터리로 에너지가 소비된다면 한정된 에너지의 손실이 발생하고, 차량의 암전류가 있다면 이 또한 시동전력 확보에 시간이 지체될 뿐 아니라 시동전력의 손실이 발생하기 때문이다.
본 발명은 차량의 배터리가 고장 또는 방전이 되어도 외부도움 없이 차량 시동이 가능한 장치 및 배터리 설계방법을 제시한다. 남은 잔류에너지를 이용하여 차량의 시동을 걸 수 있는 시동전력을 확보하는데, 이때 차량의 암전류 또는 방전된 배터리 모듈로 흐르는 전류를 제어함으로써, 확보된 시동전력의 손실을 줄일 수 있게 된다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.
110: 제 1 스위치
120: 커패시터 모듈
130: 제 2 스위치
140: 승압부
150: 제 3 스위치
160: 제어부
170: 배터리 모듈
172: 내부 배터리 모듈
174: 외부 배터리 모듈

Claims (18)

  1. 배터리 모듈을 차량의 시동 모터에 연결하는 제 1 스위치;
    상기 배터리 모듈과 병렬 연결되는 커패시터 모듈;
    상기 커패시터 모듈을 상기 시동 모터에 연결하는 제 2 스위치;
    상기 배터리 모듈에서 공급되는 전류를 이용하여 상기 커패시터 모듈을 승압하는 승압부; 및
    상기 승압부를 통해 상기 배터리 모듈과 상기 커패시터 모듈을 연결하는 제 3 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 차량 배터리 비상 충전 장치에 의한 상기 차량의 시동 가능 여부를 판단하고, 시동이 불가능하다고 판단되는 경우 상기 제 3 스위치를 연결하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 3 스위치를 연결하는 경우, 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치를 분리하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는 상기 승압부의 승압에 의해 시동이 가능하다고 판단되는 경우 상기 제 2 스위치를 연결하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리 모듈에서의 온도가 미리 설정된 온도 이하인 경우 상기 배터리 모듈의 충전 전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는 상기 승압부의 연결이 미리 설정된 기준 횟수 이상인 경우 상기 제 3 스위치의 자동 연결을 중단하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 3 스위치의 자동 연결이 중단된 경우에는 사용자의 입력이 있는 경우에만 상기 제 3 스위치의 연결을 수행하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 상기 차량 배터리 비상 충전 장치의 내부 배터리 모듈, 및 상기 내부 배터리 모듈과 병렬 연결된 상기 차량 배터리 비상 충전 장치의 외부 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 상기 차량 배터리 비상 충전 장치의 내부 배터리 모듈, 및 상기 내부 배터리 모듈과 직렬 연결된 상기 차량 배터리 비상 충전 장치의 외부 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 상기 차량 배터리 비상 충전 장치의 외부 배터리 모듈인 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  11. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 병렬 연결된 상기 배터리 모듈과 상기 커패시터 모듈의 단자 전압을 이용하여 상기 차량의 시동 가능 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  12. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리 모듈의 내부 저항의 크기를 이용하여 상기 차량의 시동 가능 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  13. 배터리 모듈과 병렬 연결되는 커패시터 모듈;
    상기 커패시터 모듈을 차량의 시동 모터에 연결하는 제 2 스위치;
    상기 배터리 모듈에서 공급되는 전류를 이용하여 상기 커패시터 모듈을 승압하는 승압부; 및
    상기 승압부를 통해 상기 배터리 모듈과 상기 커패시터 모듈을 연결하는 제 3 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제 2 스위치는 상기 배터리 모듈을 상기 시동 모터에 더 연결하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 제 2 스위치는 상기 배터리 모듈과 상기 시동 모터가 연결된 노드와 상기 커패시터 모듈 사이를 배치되는 것을 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  16. 배터리 모듈을 차량의 시동 모터에 연결하는 제 1 스위치, 상기 배터리 모듈과 병렬 연결되는 커패시터 모듈, 상기 커패시터 모듈을 상기 시동 모터에 연결하는 제 2 스위치, 상기 배터리 모듈에서 공급되는 전류를 이용하여 상기 커패시터 모듈을 승압하는 승압부, 및 상기 승압부를 통해 상기 배터리 모듈과 상기 커패시터 모듈을 연결하는 제 3 스위치를 포함하는 차량 배터리 비상 충전 장치를 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 커패시터 모듈에서의 전압이 미리 설정된 충전 기준전압 이하인 경우 상기 제 3 스위치를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치 제어 방법.
  17. 배터리 모듈과 병렬 연결되는 커패시터 모듈, 상기 커패시터 모듈을 차량의 시동 모터에 연결하는 제 2 스위치, 상기 배터리 모듈에서 공급되는 전류를 이용하여 상기 커패시터 모듈을 승압하는 승압부, 및 상기 승압부를 통해 상기 배터리 모듈과 상기 커패시터 모듈을 연결하는 제 3 스위치를 포함하는 차량 배터리 비상 충전 장치를 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 커패시터 모듈에서의 전압이 미리 설정된 충전 기준전압 이하인 경우 상기 제 3 스위치를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치 제어 방법.
  18. 청구항 16 또는 청구항 17의 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체.
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