KR20220152176A - 차량 배터리 비상 충전 장치, 그 제어 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 - Google Patents

차량 배터리 비상 충전 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 그룹을 차량의 시동 모터에 연결하고, 커패시터 모듈은 배터리 그룹과 병렬 연결되고, 제 2 스위치는 커패시터 모듈을 시동 모터에 연결하고, 승압부는 배터리 그룹에서 공급되는 전류를 이용하여 커패시터 모듈을 승압하며, 제 3 스위치는 승압부를 통해 배터리 그룹과 커패시터 모듈을 연결한다. 이와 같은 구성에 의하면, 승압부가 배터리 그룹의 전압을 승압하여 커패시터 모듈에 공급하기 때문에 배터리 그룹의 전압이 커패시터 모듈의 전압보다 낮은 경우에도 커패시터 모듈을 충전할 수 있고, 배터리 그룹과 커패시터 모듈 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 비상 충전 및 차량 비상 시동 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량용 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.
대한민국 특허 제10-1571110호
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 차량 배터리의 전압이 고 정전용량 저장장치(즉, 커패시터 모듈)의 전압보다 낮은 경우에도 고 정전용량 저장장치를 충전할 수 있고, 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 위한 본 발명에 따른 차량 배터리 비상 충전 장치는, 차량의 시동 모터에 연결가능한 배터리 그룹; 상기 배터리 그룹과 병렬로 상기 시동 모터에 연결가능한 커패시터 모듈; 상기 배터리 그룹과 상기 커패시터 모듈 사이에 연결되어 상기 배터리 그룹에서 공급되는 전류를 이용하여 상기 커패시터 모듈의 전압을 승압하는 승압부를 포함하며, 상기 배터리 그룹은 제 1 스위치를 통해 상기 시동 모터에 연결되며, 상기 커패시터 모듈은 제 2 스위치를 통해 상기 시동 모터에 연결되며, 상기 승압부는 제 3 스위치를 통해 상기 배터리 그룹과 상기 커패시터 모듈 사이에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리 그룹 또는 상기 커패시터 모듈에 의한 상기 차량의 시동 가능 여부를 판단하고, 시동이 불가능하다고 판단되는 경우 상기 제 3 스위치를 연결하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 제 3 스위치를 연결하는 경우, 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치를 분리하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 승압된 상기 커패시터 모듈 의해 시동이 가능하다고 판단되는 경우 상기 제 2 스위치를 연결하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 배터리 그룹 중 적어도 하나의 배터리의 온도가 미리 설정된 온도 이하인 경우 상기 배터리 그룹에 인가되는 충전 전류를 제한하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 제 3 스위치의 연결이 미리 설정된 기준 횟수 이상인 경우 상기 제 3 스위치의 자동 연결을 중단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 제 3 스위치의 자동 연결이 중단된 경우에는 사용자의 입력이 있는 경우에만 상기 제 3 스위치의 연결을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상호 병렬 연결된 상기 배터리 그룹과 상기 커패시터 모듈의 단자 전압을 이용하여 상기 차량의 시동 가능 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 배터리 그룹의 내부 저항의 크기를 이용하여 상기 차량의 시동 가능 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리 그룹은 차량에 장착된 외부 배터리와 상기 차량 배터리 비상 충전 장치에 내장된 내부 배터리 모듈의 직렬 연결로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 달리, 상기 배터리 그룹은 차량에 장착된 외부 배터리와 상기 차량 배터리 비상 충전 장치에 내장된 내부 배터리 모듈의 병렬 연결로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이와 달리, 상기 배터리 그룹은 차량에 장착된 적어도 하나의 외부 배터리인 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량 배터리 비상 충전 장치의 제어 방법은, 상기 차량 배터 비상 충전 장치에 있어서 상기 커패시터 모듈에서의 전압이 미리 설정된 충전 기준 전압 이하인 경우 상기 제 3 스위치를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기록 매체는 상기 차량 배터리 비상 충전 장치의 제어 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체임을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 승압부가 배터리 모듈의 전압을 승압하여 커패시터 모듈에 공급하기 때문에 배터리 모듈의 전압이 배터리 충전을 위한 고 정전용량 저장장치(즉, 커패시터 모듈)의 전압보다 낮은 경우에도 고 정전용량 저장장치를 충전할 수 있고, 배터리 모듈과 고 정전용량 저장장치 모두가 방전된 경우에도 차량 시동을 위한 전압을 공급할 수 있게 된다.
또한, 제어부에 의해 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 배터리로 구성된 배터리 모듈의 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 대체하도록 차량 배터리 비상 충전 장치를 구성할 수 있어서 별도의 차량 배터리가 불필요하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 비상 충전 장치의 개략적인 블록도.
도 2는 도 1의 예시적 실시예(제 1 실시예)가 도시된 개략적인 회로도.
도 3 및 도 4는 각각 도 2의 회로의 능동 프로세스와 수동 프로세스의 흐름도.
도 5는 능동 프로세스와 수동 프로세스에서의 스위치들의 기능을 정리한 표.
도 6 내지 도 8은 각각 배터리 모듈 단독 사용, 커패시터 모듈 단독 사용, 배터리 모듈과 커패시터 모듈의 조합 사용의 경우에서의 SOC와 단자 전압과의 관계를 도시한 그래프.
도 9는 내연기관 시동 시스템의 등가 회로도.
도 10은 도 1의 다른 예시적 실시예(제 2 실시예)가 도시된 개략적인 회로도.
도 11은 도 1의 다른 예시적 실시예(제 3 실시예)가 도시된 개략적인 회로도.
도 12는 도 1의 다른 예시적 실시예(제 4 실시예)가 도시된 개략적인 회로도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 배터리 비상 충전 장치의 개략적인 블록도이며, 도 2는 도 1의 제 1 실시예가 도시된 개략적인 회로도이다.
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.
도 2의 차량 배터리 비상 충전 장치에는 배터리 모듈(170)이 포함되어 있으며, 따라서 종래의 차량에 장착된 배터리가 불필요하다. 도 2의 차량 배터리 비상 충전 장치는 종래의 차량에 장착된 배터리 대신에 동일 위치에 장착가능하도록 외형적 구성을 구비하는 것이 바람직하다. 즉, 도 2에서 말하는 차량 배터리는 장치에 내장된 (차량용) 배터리 모듈을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
도 2에서, 배터리 모듈(170)과 커패시터 모듈(120)은 차량의 시동 모터에 병렬로 연결되며, 배터리 모듈(170)은 직렬 연결된 제 1 스위치(110)(단, 배터리 모듈(170)을 위한 배터리관리시스템(BMS)를 포함하여 구현될 수 있음)를 통해 차량의 시동 모터에 연결되고, 커패시터 모듈(120)은 직렬 연결된 제 2 스위치(130)를 통해 차량의 시동 모터에 연결된다. 승압부(140)는 배터리 모듈(170)과 커패시터 모듈(120) 사이에 직렬 연결되어 배터리 모듈(170)에서 공급되는 전류를 이용하여 커패시터 모듈(120)을 승압하며, 승압부(140)는 제 3 스위치(150)를 통해 배터리 모듈(170)과 커패시터 모듈(120)을 연결한다.
이와 같은 구성에 의하면, 승압부(140)가 배터리 모듈(170)의 전압을 승압하여 커패시터 모듈(120)에 공급하기 때문에 배터리 모듈(170)의 전압이 커패시터 모듈(120)의 전압보다 낮은 경우에도 커패시터 모듈(120)을 충전할 수 있고, 배터리 모듈(170)과 커패시터 모듈(120) 모두가 방전된 경우에도 승압을 통해 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 경우에는 제 1 스위치(110) 및 제 2 스위치(130)를 분리하고, 승압부(140)에 의해 차량의 시동이 가능해 졌다고 판단되는 경우 제 3 스위치(150)를 분리하고 제 2 스위치(130)를 다시 연결할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 제어부에 의해 차량의 시동시에 커패시터 모듈(120)의 전력이 방전된 배터리 모듈(170)로 흐르거나 차량의 암전류로 흐르는 것을 차단하여 확보된 시동전력의 손실을 줄일 수 있게 된다.
한편, 제어부(160)는 병렬 연결된 배터리 모듈(170)과 커패시터 모듈(120)의 단자 전압, 또는 배터리 모듈(170)의 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, 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 리튬계열 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 수행하도록 구현할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 시동전력을 확보한 경우에도, 장시간 방치로 인한 재방전과 잔류에너지의 한계를 고려하여 최후의 방전 상황을 대비할 수 있게 된다.
일반적으로 차량에서 배터리로의 연결 접속부가 2개이므로, 도 2의 차량 배터리 비상 충전 장치 회로 또한 외부 접속부가 2개이며, 따라서 도 2의 차량 배터리 비상 충전 장치는 기존의 배터리를 대체하여 사용하는 장치 형태임을 알 수 있다.
도 2에서, 예시적인 제어부(160)는 MCU와 ADC, DAC 등을 구비한 회로를 통하여 전압, 전류, 온도 등을 모니터링 및 제어하는 능동 프로세스 회로로서, 배터리 모듈과 커패시터 모듈 사이의 승압부, 전압, 전류, 온도 등의 감지 센서 및 BMS와 스위칭부로 구성된다.
배터리 모듈(170)에 연결된 제 1 스위치(S1)(110)는 수십A 이상이 흐르는 대전류 회로의 일부로서, 회로 동작 시 소모전력을 최소화하기 위하여 FET나 b접점 릴레이 또는 래칭 릴레이로 구성될 수 있다.
한편, 배터리 모듈(170)의 구성이 리튬계열일 때 영하 온도에서의 충전은 플레이팅(pating), 덴드라이트(dendrite)의 성장으로 인한 내부저항 증가를 유발하며 심각할 경우 내부 단락 상황을 초래할 수 있다. 따라서, 도 2에서는 온도를 감지하는 센서와 MCU를 포함하는 제어부를 통하여 감지된 온도에 따라 충전전류를 결정한다. 즉, 영하 시 저온 운용모드로 낮은 전류로 배터리 모듈을 충전하거나 또는 아예 충전을 제한하고 상온 시에 배터리 모듈을 충전함으로써, 리튬계열의 배터리의 리스크를 줄여 영하 시에도 배터리 장치의 안정적 사용이 가능하다.
도 2의 회로는 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, 능동 프로세스에서 시동전력을 확보하였으나, 장시간 방치로 인한 재방전과 잔류에너지의 한계를 고려하여 시동 횟수를 일정 횟수로 제한하고 수동 프로세스로로 전환하여, 수동 동작으로 최후의 방전 상황을 대비할 수도 있다.
도 3 및 도 4는 각각 도 2의 회로의 능동 프로세스와 수동 프로세스의 흐름도이고, 도 5는 능동 프로세스와 수동 프로세스에서의 스위치들의 기능을 정리한 표이다.
도 3 및 도 5를 참조하여 능동 프로세스의 동작 과정을 설명하면, 평시에는 제 1, 2 스위치(S1, S2)(110, 130)는 클로즈(close)하고, 제 3 스위치(S3)(150)는 오픈(open)한다. 제어부(160)에서 전압, 온도를 감지하고 시동 가능 여부 또는 비상 충전의 필요성을 판단한다. 차량의 시동이 성공한 후에도 전압, 전류, 온도 등의 감지를 통해 영하의 기온에서는 제 1 스위치(S1)(110)를 오픈하여 리튬이온계열 배터리 모듈(110)의 충전을 제한한다.
한편, 배터리 모듈(170)이 고장나거나 시동을 불가할 정도로 방전되고 커패시터 모듈(120)도 동시에 시동 불가 상태로 방전되어 시동이 불가능하다고 판단된 경우, 제어부(160)는 제 1 스위치(S1)(110)를 오픈하여 배터리 모듈(170)로의 전력 손실을 차단하고, 제 2 스위치(S2)(130)를 오픈하여 차량의 암전류로의 전력 손실 차단하며, 제어부(160)을 통한 승압 과정을 거쳐 배터리 모듈(170)의 잔류에너지로 커패시터 모듈(120)의 시동전력을 확보한다. 이를 비상 충전 과정이라 한다.
이후, 제어부(160)는 커패시터 모듈(120)의 전압을 감지하여 시동 가능한 전압이 검출하는데 감지된 온도에 따라 필요한 충전 완료 전압을 결정할 수 있다. 충전 완료 전압이 검출되면, 제어부(160)는 제 2 스위치(S2)(130)와 제 3 스위치(S3)(150)를 클로즈하여 커패시터 모듈(120)을 충전 완료 전압까지 충전한 후 커패시터 모듈(120) 전압을 이용하여 차량을 시동하고, 차량 시동 완료 후에는 제 1 스위치(S1)(110)를 클로즈하고 제 3 스위치(S3)(150)를 오픈하여 평시 상태로 전환한다.
또한, 도 3의 흐름도에서 시동 가능 상태를 유지하는 것은 제어부(160)에서 커패시터 모듈(120)의 전압을 감지하여 충전 완료 전압 미만일 경우 제 3 스위치(S3)(150)를 자동으로 클로즈하여 커패시터 모듈(120)을 충전하는 과정을 통해서 이루어진다.
그러나, 제어부(160)는 승압부(140)의 연결이 미리 설정된 기준 횟수 이상인 경우 제 3 스위치(150)의 자동 연결 및 이에 따른 자동 비상 충전을 중단할 수 있으며, 제 3 스위치(150)의 자동 연결이 중단된 경우에는 사용자의 입력이 있는 경우에만 제 3 스위치(150)의 연결을 수행하는 수동 프로세스로 전환하도록 구현할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 시동전력을 확보한 경우에도, 장시간 방치로 인한 재방전과 잔류에너지의 한계를 고려하여 최후의 방전 상황을 대비할 수 있게 된다.
도 4에 도시된 수동 프로세스의 동작 과정은 제어부(160)에서의 커패시터 모듈(120) 전압 감지 및 필요시 자동 충전 과정을 배제하는 것으로서, 커패시터 모듈(120)의 충전을 위한 승압부(140)의 연결이 미리 설정된 기준 횟수 이상일 경우에 자동 충전 과정을 중단하고, 사용자의 별도 스위치(미도시) 조작 등 개입이 있는 경우에 한에 승압부(140)를 통한 커패시터 모듈(120)의 충전을 수행하는 점에서 능동 프로세스와 차이가 있다.
도 6 내지 도 8은 각각 배터리 모듈, 커패시터 모듈, 배터리 모듈과 커패시터 모듈의 조합의 경우에서의 충전 상태(SOC, State Of Charge)와 단자 전압과의 관계를 도시한 그래프이다.
도 6의 배터리 모듈의 경우, SOC가 낮아도 전압감소가 적기 때문에, 전압을 이용해서 SOC를 파악하는 것이 어렵다. 배터리 모듈의 경우 에너지가 고갈된 상태에서도 높은 전압이 나오기 때문에 전압 모니터링을 통해서 차량 시동 가능 여부를 판단하기 어렵기 때문이다.
도 7의 커패시터 모듈의 경우, SOC가 낮아지면서 전압감소도 동시에 일어나기 때문에, 전압확인을 통해서 차량의 시동여부를 판단할 수 있다.
도 8에서와 같이 배터리 모듈과 커패시터 모듈을 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 배터리의 전압을 통한 배터리 출력을 파악하는 것은 정확도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 배터리 모듈과 커패시터 모듈을 병렬 연결하여 단자 전압을 측정하는 본 발명의 방식에 따르면 병렬 연결된 시스템의 에너지 및 출력을 여부를 보다 정확하게 판단할 수 있게 된다.
도 9는 본 발명의 차량 배터리 비상 충전 장치의 등가 회로도이다.
도 9를 참조하여, 커패시터 모듈, 배터리 모듈, 시동 모터로 공급되는 전류에 대한 정의는 수식
Figure pat00001
로, 배터리 모듈 전압(Vb), 단자전압(E), 저항 (Rb+Rs) 전압과의 관계는 수식
Figure pat00002
로 각각 나타낼 수 있다. 이때, Vb는 배터리 모듈 전압, Rb는 배터리 내부저항, Rs는 시동모터의 로터 저항, E는 단자 전압이다.
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. 따라서, 시동능력이 없는 배터리도 전압이 부족할 뿐 엔진 시동을 위한 충분한 잔류 에너지를 저장할 수 있음을 확인할 수 있다.
다음으로, 도 10 내지 도 12를 이용하여 제 2 내지 제 4 실시예를 각기 설명하기로 한다. 이하에서, 별도의 언급이 없는 한, 각 회로의 능동 프로세스와 수동 프로세스의 흐름, 능동 프로세스와 수동 프로세스에서의 스위치들의 기능, SOC 단자와 전압과의 관계, 및 시동 시스템의 등가 회로는 제 1 실시예의 경우와 동등한 것으로 이해해야 한다.
먼저, 도 10은 도 1의 다른 예시적 실시예(제 2 실시예)가 도시된 개략적인 회로도이다.
도 10의 차량 배터리 비상 충전 장치에는 내부 배터리 모듈(172)이 포함되어 있고, 차량에는 별도로 배터리 즉, 외부 배터리(174)가 장착되어 있다. 따라서, 이러한 장치에서 비상 충전 대상이 되는 '차량 배터리'는 직렬 연결된 내부 배터리 모듈(172)과 외부 배터리(174)라고 이해되어야 할 것이다.
이러한 구성은 차량의 시동을 위해 24V 전원이 필요한 경우에 적용하는 것이 바람직하며, 도 10의 차량 배터리 비상 충전 장치는 종래의 차량에 장착된 2개의 외부 배터리(즉, 직렬 연결된 2개의 12V 배터리) 중 하나를 대체하는 방식으로 동일 위치에 장착가능하도록 외형적 구성을 구비하는 것이 바람직하다.
도 10에서 커패시터 모듈(120)의 전압은 시동에 필요한 24V를 출력할 수 있어야 한다. 외부 배터리(174)와 내부 배터리 모듈(172)이 직렬 연결된 24V 배터리 그룹(이하, '배터리 그룹')과 커패시터 모듈(120)은 차량의 시동 모터에 병렬로 연결되며, 배터리 그룹은 제 1 스위치(110)((단, 배터리 모듈(172)을 위한 배터리관리시스템(BMS)를 포함하여 구현될 수 있음)를 통해 차량의 시동 모터에 연결되고(경우에 따라, 제 1 스위치(110)의 일단이 제 2 스위치(130)의 일단과 연결되고 배터리 그룹이 제 1, 2 스위치를 통해 차량의 시동 모터에 연결되는 것도 가능함), 커패시터 모듈(120)은 직렬 연결된 제 2 스위치(130)를 통해 차량의 시동 모터에 연결된다. 제어부(컨트롤 유닛) 내의 승압부(140)는 배터리 모듈(172)과 커패시터 모듈(120) 사이에 직렬 연결되어 배터리 그룹(172, 174)에서 공급되는 전류를 이용하여 커패시터 모듈(120)을 승압하며, 승압부(140)는 제 3 스위치(150)를 통해 배터리 모듈(172)과 커패시터 모듈(120)을 연결한다.
이와 같은 구성에 의하면, 승압부(140)가 배터리 그룹(172, 174)의 잔류 전압을 승압하여 커패시터 모듈(120)에 공급하기 때문에 배터리 그룹(172, 174)의 전압이 커패시터 모듈(120)의 전압보다 낮은 경우에도 커패시터 모듈(120)을 충전할 수 있고, 배터리 그룹(172, 174)과 커패시터 모듈(120) 모두가 방전된 경우에도 승압을 통해 차량 시동을 위한 전압을 공급할 수 있게 된다.
제어부(160)의 MCU는 차량 배터리 비상 충전 장치에 의한 차량의 시동 가능 여부를 판단하고, 시동이 불가능하다고 판단되는 경우 제 3 스위치(150)를 연결하여 비상 충전을 수행한다. 제 3 스위치(150)를 연결하는 경우에는 제 1 스위치(110) 및 제 2 스위치(130)를 분리하고, 승압부(140)에 의해 차량의 시동이 가능해 졌다고 판단되는 경우 제 3 스위치(150)를 분리하고 제 2 스위치(130)를 다시 연결할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 제어부에 의해 차량의 시동시에 커패시터 모듈(120)의 전력이 방전된 배터리 그룹(172, 174)으로 흐르거나 차량의 암전류로 흐르는 것을 차단하여 확보된 시동전력의 손실을 줄일 수 있게 된다.
한편, 제어부(160)는 병렬 연결된 배터리 모듈(172)과 커패시터 모듈(120)의 단자 전압, 또는 배터리 모듈(172)의 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, 제어부(160)는 배터리 모듈(172)의 온도에 따라 커패시터 모듈(120)의 충전 전류를 제한할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 감지된 온도에 따라 충전전류를 결정함으로써, 저온시에는 충전을 제한하여 리튬계열 배터리 모듈(172)의 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 중단(즉, 능동 프로세스를 중단)할 수 있으며, 제 3 스위치(150)의 자동 연결이 중단된 경우에는 사용자의 입력이 있는 경우에만 제 3 스위치(150)의 연결을 수행(즉, 수동 프로세스의 수행)하도록 구현할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 시동전력을 확보한 경우에도, 장시간 방치로 인한 재방전과 잔류에너지의 한계를 고려하여 최후의 방전 상황을 대비할 수 있게 된다.
도 10의 차량 배터리 비상 충전 장치 회로는 시동 모터와 접속하는 외부 접속부 2개 외에 외부 배터리(174)의 일단과 접속하는 제 3의 접속부를 구비한다. 따라서 도 10의 차량 배터리 비상 충전 장치는 기존의 외부 배터리 중 일부를 대체하여 사용하는 장치 형태임을 알 수 있다.
도 10의 회로는 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, 배터리 방전이 상당한 수준으로 진행된 경우 배터리의 전압을 통한 배터리 출력을 파악하는 것은 정확도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 배터리 그룹과 커패시터 모듈을 병렬 연결하여 단자 전압을 측정하는 본 발명의 방식에 따르면 배터리 그룹과 커패시터 모듈이 상호 병렬 연결된 시스템의 에너지 및 출력을 여부를 보다 정확하게 판단할 수 있게 된다.
도 11은 도 1의 다른 예시적 실시예(제 3 실시예)가 도시된 개략적인 회로도이다.
도 11의 차량 배터리 비상 충전 장치에는 내부 배터리 모듈(172)이 포함되어 있고, 차량에는 별도로 배터리 즉, 2개의 12V 배터리가 직렬 연결된 외부 배터리(174)가 장착되어 있다. 따라서, 이러한 장치에서 비상 충전 대상이 되는 '차량 배터리'는 상호 병렬 연결된 내부 배터리 모듈(172)과 외부 배터리(174)라고 이해되어야 할 것이다.
이러한 구성은 차량의 시동을 위해 24V 전원이 필요한 경우에 적용하는 것이 바람직하며, 도 11의 차량 배터리 비상 충전 장치는 종래의 차량에 장착된 2개의 외부 배터리(즉, 직렬 연결된 2개의 12V 배터리) 외에 추가로 차량에 장착가능하도록 외형적 구성을 구비하는 것이 바람직하다.
도 11에서 커패시터 모듈(120) 및 내부 배터리 모듈(172)의 전압은 시동에 필요한 24V를 출력할 수 있어야 한다. 외부 배터리(174)와 내부 배터리 모듈(172)이 병렬 연결된 24V 배터리 그룹(이하, '배터리 그룹')과 커패시터 모듈(120)은 차량의 시동 모터에 병렬로 연결되며, 배터리 그룹의 내부 배터리 모듈(172)은 제 1 스위치(110)((단, 배터리 모듈(170)을 위한 배터리관리시스템(BMS)를 포함하여 구현될 수 있음)를 통해 차량의 시동 모터에 연결되고, 커패시터 모듈(120)은 직렬 연결된 제 2 스위치(130)를 통해 차량의 시동 모터에 연결된다. 제어부(컨트롤 유닛) 내의 승압부(140)는 배터리 모듈(172)과 커패시터 모듈(120) 사이에 직렬 연결되어 배터리 그룹(172, 174)에서 공급되는 전류를 이용하여 커패시터 모듈(120)을 승압하며, 승압부(140)는 제 3 스위치(150)를 통해 내부 배터리 모듈(172)과 커패시터 모듈(120)을 연결한다.
이와 같은 구성에 의하면, 승압부(140)가 배터리 그룹(172, 174)의 잔류 전압을 승압하여 커패시터 모듈(120)에 공급하기 때문에 배터리 그룹(172, 174)의 전압이 커패시터 모듈(120)의 전압보다 낮은 경우에도 커패시터 모듈(120)을 충전할 수 있고, 배터리 그룹(172, 174)과 커패시터 모듈(120) 모두가 방전된 경우에도 승압을 통해 차량 시동을 위한 전압을 공급할 수 있게 된다.
제어부(160)의 MCU는 차량 배터리 비상 충전 장치에 의한 차량의 시동 가능 여부를 판단하고, 시동이 불가능하다고 판단되는 경우 제 3 스위치(150)를 연결하여 비상 충전을 수행한다. 제 3 스위치(150)를 연결하는 경우에는 제 1 스위치(110) 및 제 2 스위치(130)를 분리하고, 승압부(140)에 의해 차량의 시동이 가능해 졌다고 판단되는 경우 제 3 스위치(150)를 분리하고 제 2 스위치(130)를 다시 연결할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 제어부에 의해 차량의 시동시에 커패시터 모듈(120)의 전력이 방전된 배터리 그룹(172, 174)으로 흐르거나 차량의 암전류로 흐르는 것을 차단하여 확보된 시동전력의 손실을 줄일 수 있게 된다.
한편, 제어부(160)는 병렬 연결된 배터리 모듈(170)과 커패시터 모듈(120)의 단자 전압, 또는 배터리 모듈(170)의 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, 제어부(160)는 배터리 모듈(172)의 온도에 따라 커패시터 모듈(120)의 충전 전류를 제한할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 감지된 온도에 따라 충전전류를 결정함으로써, 저온시에는 충전을 제한하여 리튬계열 배터리 모듈(172)의 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 중단(즉, 능동 프로세스를 중단)할 수 있으며, 제 3 스위치(150)의 자동 연결이 중단된 경우에는 사용자의 입력이 있는 경우에만 제 3 스위치(150)의 연결을 수행(즉, 수동 프로세스의 수행)하도록 구현할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 시동전력을 확보한 경우에도, 장시간 방치로 인한 재방전과 잔류에너지의 한계를 고려하여 최후의 방전 상황을 대비할 수 있게 된다.
도 11의 차량 배터리 비상 충전 장치 회로는 시동 모터와 접속하는 외부 접속부 2개 외에 외부 배터리(174)의 일단과 접속하는 제 3의 접속부를 구비한다. 따라서 도 11의 차량 배터리 비상 충전 장치는 기존의 외부 배터리에 추가하여 사용하는 장치 형태임을 알 수 있다.
도 11의 회로는 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, 배터리 방전이 상당한 수준으로 진행된 경우 배터리의 전압을 통한 배터리 출력을 파악하는 것은 정확도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 배터리 그룹과 커패시터 모듈을 병렬 연결하여 단자 전압을 측정하는 본 발명의 방식에 따르면 배터리 그룹과 커패시터 모듈이 상호 병렬 연결된 시스템의 에너지 및 출력을 여부를 보다 정확하게 판단할 수 있게 된다.
도 12는 도 1의 다른 예시적 실시예(제 4 실시예)가 도시된 개략적인 회로도이다.
도 12의 차량 배터리 비상 충전 장치에는 내부 배터리 모듈이 포함되어 있지 차 않고, 차량에 장착된 외부 배터리 즉, 2개의 12V 배터리가 직렬 연결된 외부 배터리(174)가 존재한다. 따라서, 이러한 장치에서 비상 충전 대상이 되는 '차량 배터리'는 차량에 장착된 통상의 외부 배터리(174)라고 이해되어야 할 것이다.
이러한 구성은 차량의 시동을 위해 24V 전원이 필요한 경우(또는, 차량 시동에 12V 전원이 필요한 경우는 외부 배터리(174)와 커패시터 모듈(120)을 12V 용량으로 대체 가능함)에 적용하는 것이 바람직하며, 도 12의 차량 배터리 비상 충전 장치는 종래의 차량에 장착된 2개의 외부 배터리(즉, 직렬 연결된 2개의 12V 배터리) 외에 추가로 차량에 장착가능하도록 외형적 구성을 구비하는 것이 바람직하다.
도 12에서 커패시터 모듈(120)의 전압은 시동에 필요한 24V를 출력할 수 있어야 한다. 외부 배터리(174) 그룹(이하, '배터리 그룹')과 커패시터 모듈(120)은 차량의 시동 모터에 병렬로 연결되며, 배터리 그룹은 장치 내부의 제 1 스위치(110)를 통해 차량의 시동 모터에 연결되고, 커패시터 모듈(120)은 직렬 연결된 제 2 스위치(130)를 통해 차량의 시동 모터에 연결된다. 제어부(컨트롤 유닛) 내의 승압부(140)는 배터리 그룹(174)과 커패시터 모듈(120) 사이에 직렬 연결되어 배터리 그룹(174)에서 공급되는 전류를 이용하여 커패시터 모듈(120)을 승압하며, 승압부(140)는 제 3 스위치(150)를 통해 배터리 그룹(174)과 커패시터 모듈(120)을 연결한다.
이와 같은 구성에 의하면, 승압부(140)가 배터리 그룹(174)의 잔류 전압을 승압하여 커패시터 모듈(120)에 공급하기 때문에 배터리 그룹(174)의 전압이 커패시터 모듈(120)의 전압보다 낮은 경우에도 커패시터 모듈(120)을 충전할 수 있고, 배터리 그룹(174)과 커패시터 모듈(120) 모두가 방전된 경우에도 승압을 통해 차량 시동을 위한 전압을 공급할 수 있게 된다.
제어부(160)의 MCU는 차량 배터리 비상 충전 장치에 의한 차량의 시동 가능 여부를 판단하고, 시동이 불가능하다고 판단되는 경우 제 3 스위치(150)를 연결하여 비상 충전을 수행한다. 제 3 스위치(150)를 연결하는 경우에는 제 1 스위치(110) 및 제 2 스위치(130)를 분리하고, 승압부(140)에 의해 차량의 시동이 가능해 졌다고 판단되는 경우 제 3 스위치(150)를 분리하고 제 2 스위치(130)를 다시 연결할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 제어부에 의해 차량의 시동시에 커패시터 모듈(120)의 전력이 방전된 배터리 그룹(174)으로 흐르거나 차량의 암전류로 흐르는 것을 차단하여 확보된 시동전력의 손실을 줄일 수 있게 된다.
한편, 제어부(160)는 커패시터 모듈(120)의 단자 전압, 또는 배터리 그룹(174)의 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, 제어부(160)는 배터리 그룹(174)의 온도에 따라 커패시터 모듈(120)의 충전 전류를 제한할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 감지된 온도에 따라 충전전류를 결정함으로써, 저온시에는 충전을 제한하여 리튬계열 배터리 그룹(174)의 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 중단(즉, 능동 프로세스를 중단)할 수 있으며, 제 3 스위치(150)의 자동 연결이 중단된 경우에는 사용자의 입력이 있는 경우에만 제 3 스위치(150)의 연결을 수행(즉, 수동 프로세스의 수행)하도록 구현할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 시동전력을 확보한 경우에도, 장시간 방치로 인한 재방전과 잔류에너지의 한계를 고려하여 최후의 방전 상황을 대비할 수 있게 된다.
도 12의 차량 배터리 비상 충전 장치 회로는 시동 모터와 접속하는 외부 접속부 2개 외에 외부 배터리 그룹(174)의 일단과 접속하는 제 3의 접속부를 구비한다. 따라서 도 12의 차량 배터리 비상 충전 장치는 기존의 외부 배터리에 추가하여 사용하는 장치 형태임을 알 수 있다.
도 12의 회로는 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, 배터리 방전이 상당한 수준으로 진행된 경우 배터리의 전압을 통한 배터리 출력을 파악하는 것은 정확도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 배터리 그룹과 커패시터 모듈을 병렬 연결하여 단자 전압을 측정하는 본 발명의 방식에 따르면 배터리 그룹과 커패시터 모듈이 상호 병렬 연결된 시스템의 에너지 및 출력을 여부를 보다 정확하게 판단할 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.

Claims (14)

  1. 차량의 시동 모터에 연결가능한 배터리 그룹;
    상기 배터리 그룹과 병렬로 상기 시동 모터에 연결가능한 커패시터 모듈;
    상기 배터리 그룹과 상기 커패시터 모듈 사이에 연결되어 상기 배터리 그룹에서 공급되는 전류를 이용하여 상기 커패시터 모듈의 전압을 승압하는 승압부를 포함하며,
    상기 배터리 그룹은 제 1 스위치를 통해 상기 시동 모터에 연결되며,
    상기 커패시터 모듈은 제 2 스위치를 통해 상기 시동 모터에 연결되며,
    상기 승압부는 제 3 스위치를 통해 상기 배터리 그룹과 상기 커패시터 모듈 사이에 연결되는,
    차량 배터리 비상 충전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 그룹 또는 상기 커패시터 모듈에 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 승압된 상기 커패시터 모듈 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 그룹 중 적어도 하나의 배터리의 온도가 미리 설정된 온도 이하인 경우 상기 배터리 그룹에 인가되는 충전 전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 3 스위치의 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 2에 있어서,
    상기 제어부는 상호 병렬 연결된 상기 배터리 그룹과 상기 커패시터 모듈의 단자 전압을 이용하여 상기 차량의 시동 가능 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리 그룹의 내부 저항의 크기를 이용하여 상기 차량의 시동 가능 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 그룹은 차량에 장착된 외부 배터리와 상기 차량 배터리 비상 충전 장치에 내장된 내부 배터리 모듈의 직렬 연결로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 그룹은 차량에 장착된 외부 배터리와 상기 차량 배터리 비상 충전 장치에 내장된 내부 배터리 모듈의 병렬 연결로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 그룹은 차량에 장착된 적어도 하나의 외부 배터리인 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 하나의 청구항에 따른 차량 배터리 비상 충전 장치의 제어 방법으로서,
    상기 커패시터 모듈에서의 전압이 미리 설정된 충전 기준 전압 이하인 경우 상기 제 3 스위치를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 비상 충전 장치 제어 방법.
  14. 청구항 1의 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체.
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