KR20230050495A - 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템 및 그 방법 - Google Patents

전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템은, 전기차의 운행에 따른 각종 센서로부터 운전정보를 검출하는 운전정보 검출부; 모터에 구동 전원을 공급하는 메인 배터리부와 탈착형으로 상기 메인 배터리부의 전력을 보조하는 보조 배터리부; 운전자의 설정에 의해 회생제동 시 상기 보조 배터리부를 우선 충전하는 제1 회생제동 모드와 메인 배터리부를 우선 충전하는 제2 회생제동 모드 중 어느 하나를 선택하기 위한 조건을 설정하는 배터리 관리 설정부; 및 상기 운전정보에 기초한 회생제동 시 상기 운전자의 배터리 관리 설정에 따라 상기 모터에서 발생되는 회생제동 전력을 상기 보조 배터리부에 우선 충전하거나 메인 배터리부에 우선 충전하도록 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING REMOVABLE AUXILIARY BATTERT OF ELECTROIC VEHICLE}
본 발명은 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기차의 항속거리 향상을 위해 탑재되는 보조 배터리의 관리를 위한 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기차(Electric Vehicle, EV)는 전기에너지를 이용한 모터의 동력으로 구동되는 차량을 의미하며, 상기 전기에너지를 저장하기 위한 고전압 배터리가 장착된다.
전기차는 일반적인 내연기관차량과 달리 모터를 통해 구동력을 얻기 때문에 항속거리를 늘리기 위해서는 고전압 배터리의 충전용량을 증가시켜야 한다. 하지만, 고전압배터리의 충전용량을 증가 시키기 위해서는 배터리 모듈 추가에 따라 원가가 증가하고 차체 하중 증가에 따른 연비(전비)에 불리하며, 충전시간이 늘어나는 단점이 있다.
이에 최근에는 전기차에 기본 탑재되는 고전압배터리의 용량을 줄이고, 착탈식으로 추가 탑재가능한 보조 배터리를 연결하는 방안이 개발되고 있다.
또한, 개인 전동식 이동 수단(Personal Mobility)의 보급이 늘어나면서, 필요시 전기차에 전동식 이동 수단의 배터리를 연결하여 보조 배터리로 이용하기 위한 연구가 지속되고 있다.
그러나, 전기차에 다양한 사양의 이종 배터리를 연결할 경우 호환성에 한계가 있고, 기존 고전압 배터리와 보조 배터리를 상호 연계하여 관리하기 위한 시스템의 부재로 전기차의 운용에 에러를 유발하거나 배터리 열화나 화재 위험이 존재한다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 전기차의 운전상태와 운전자의 설정에 따라 메인 배터리와 항속거리 증가를 위해 탑재된 보조 배터리 간의 회생제동 충전 알고리즘과 상호 에너지 교환을 제어하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템은, 전기차의 운행에 따른 각종 센서로부터 운전정보를 검출하는 운전정보 검출부; 모터에 구동 전원을 공급하는 메인 배터리부와 탈착형으로 상기 메인 배터리부의 전력을 보조하는 보조 배터리부; 운전자의 설정에 의해 회생제동 시 상기 보조 배터리부를 우선 충전하는 제1 회생제동 모드와 메인 배터리부를 우선 충전하는 제2 회생제동 모드 중 어느 하나를 선택하기 위한 조건을 설정하는 배터리 관리 설정부; 및 상기 운전정보에 기초한 회생제동 시 상기 운전자의 배터리 관리 설정에 따라 상기 모터에서 발생되는 회생제동 전력을 상기 보조 배터리부에 우선 충전하거나 메인 배터리부에 우선 충전하도록 제어하는 제어부;를 포함한다.
또한, 상기 운전정보 검출부는 상기 전기차의 주행 차속을 측정하는 차속 센서, 상기 운전자가 가속페달을 밟는 양에 따른 가속신호를 측정하는 가속 센서 및 상기 운전자가 감속페달을 밟는 양에 따른 감속 신호를 측정하는 감속 센서 중 적어도 하나로부터 상기 운전정보를 검출할 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 설정부는 운전석의 센터페시아나 스티어링 휠 영역에 설치되는 조작계 또는 네비게이션 디스플레에 표시되는 버튼키로 구성될 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 설정부는 상기 제1 회생제동 모드 시 상기 보조 배터리부를 우선 충전하기 위한 조건으로 메인 배터리 잔량에 대한 제1 임계치(Y1)와 상기 보조 배터리부의 우선 충전 상태에서 상기 메인 배터리부의 충전으로 전환시키기 위한 조건으로 보조 배터리 잔량에 대한 상한 임계치(Z)를 설정할 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 설정부는 상기 전기차의 정차 또는 시동 오프(OFF) 조건에서 상기 보조 배터리부와 메인 배터리부 간의 에너지 교환을 위한 조건으로 메인 배터리 잔량에 대한 제2 임계치(Y2)를 더 설정할 수 있다.
또한, 상기 메인 배터리부는 다수의 배터리 모듈로 구성되어 고전압 에너지를 저장하는 메인 배터리; 상기 모터로부터 발생되는 회생제동 전력을 임시로 저장하고, 상기 전기차의 감속이나 정차 시 저장된 전력을 상기 메인 배터리로 공급하여 충전하는 중간 배터리; 및 상기 메인 배터리와 중간 배터리의 충방전 특성과 열화 방지를 위한 운용상태를 관리하는 메인 BMS(Battery Management System);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 보조 배터리부는 배터리 셀과 모듈 단위로 분리 가능하게 구성되는 적어도 하나의 보조 배터리; 상기 보조 배터리와 전기적으로 연결되는 이종 인터페이스 모듈; 및 상기 이종 인터페이스 모듈을 통해 연결된 보조 배터리들의 충방전을 통합 관리하는 보조 BMS(Battery Management System);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 보조 배터리는 상기 이종 인터페이스 모듈에 형성된 수납공간에 표준화된 카세트 형식으로 결합될 수 있다.
또한, 상기 이종 인터페이스 모듈은 트렁크 하단의 스페어타이어가 위치하는 공간부에 수납공간을 형성할 수 있다.
또한, 상기 이종 인터페이스 모듈은 다양한 이종 규격으로 구성된 상기 보조 배터리를 이종 케이블 커넥터를 통해 전기적으로 연결할 수 있다.
또한, 상기 보조 BMS는 상기 이종 인터페이스 모듈을 통해 연결된 보조 배터리들의 충방전을 통합 관리하며, 보조 배터리 잔량을 파악하고 상기 제어부로 제공할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 배터리 관리 설정에 따라 상기 제1 회생제동 모드에 진입한 상태에서 메인 배터리 잔량이 설정된 제1 임계치(Y1)를 초과하면 상기 회생제동 전력을 상기 보조 배터리부에 우선 충전하고, 보조 배터리 잔량이 설정된 상한 임계치(Z)를 초과하면 상기 제2 회생제동 모드로 전환하여 상기 회생제동 전력을 상기 메인 배터리부에 우선 충전할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 운전정보에 기초한 전기차의 정차 혹은 시동 오프(OFF) 시 상기 배터리 관리 설정에 따라 상기 보조 배터리부와 메인 배터리부간 에너지 교환을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 에너지 교환을 제어 시 상기 메인 배터리 잔량이 설정된 2 임계치(Y2)를 초과하면 변압기를 통해 상기 메인 배터리부의 전력으로 보조 배터리부를 충전하며, 상기 메인 배터리 잔량이 설정된 2 임계치(Y2)를 초과하지 않으면 상기 변압기를 통해 상기 보조 배터리의 전력으로 상기 메인 배터리부를 충전할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 모터에 구동 전원을 공급하는 메인 배터리와 탈착형으로 상기 메인 배터리의 전력을 보조하는 보조 배터리가 장착된 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 방법은, a) 전기차의 운행 중 운전정보를 수집하여 주행 중 가속도 신호가 수신되지 않거나 감속 신호가 수신되면 모터를 이용한 회생제동 발전을 수행하는 단계; b) 운전자에 의해 설정된 배터리 관리 설정이 제1 회생제동 모드이면, 메인 배터리 잔량이 설정된 제1 임계치(Y1)를 초과하는지 여부를 파악하는 단계; c) 상기 메인 배터리 잔량이 상기 제1 임계치(Y1)를 초과하면, 상기 제1 회생제동 모드로 진입하여 상기 모터에서 발생되는 회생제동 전력을 보조 배터리에 우선 충전하는 단계; 및 d) 상기 제1 회생제동 모드로 제어 중 보조 배터리 잔량이 설정된 보조 배터리 상한 임계치(Z)를 초과하면, 제2 회생제동 모드로 전환하여 상기 회생제동 전력을 메인 배터리에 우선 충전하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 c) 단계는, 상기 메인 배터리 잔량이 상기 제1 임계치(Y1)를 초과하지 않으면, 상기 제2 회생제동 모드로 진입하여 상기 회생제동 전력을 메인 배터리에 우선 충전하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 회생제동 모드는 상기 모터로부터 발생되는 회생제동 전력을 중간 배터리에 임시로 저장하는 단계; 및 상기 전기차의 감속이나 정차 시 상기 중간 배터리에 저장된 전력을 상기 메인 배터리로 공급하여 충전하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 a) 단계는, 상기 운전정보에 기초한 전기차의 정차 혹은 시동 오프(OFF) 시 상기 배터리 관리 설정에 따라 상기 보조 배터리와 메인 배터리간 에너지 교환을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 에너지 교환을 제어하는 단계는, 상기 메인 배터리 잔량이 설정된 제2 임계치(Y2)를 초과하는지 여부를 파악하는 단계; 및 상기 메인 배터리 잔량이 상기 제2 임계치(Y2)를 초과하면 변압기를 통해 상기 메인 배터리의 전력을 변환하여 상기 보조 배터리를 충전하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 에너지 교환을 제어하는 단계는, 상기 메인 배터리 잔량이 상기 제2 임계치(Y2)를 초과하지 않으면 상기 변압기를 통해 상기 보조 배터리의 전력을 변환하여 상기 메인 배터리를 충전하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 전기차의 탈착형 보조 배터리를 통해 항속거리를 증가시키고 운전자의 배터리 관리 설정을 통해 회생제동 시 메인 배터리와 보조 배터리간 우선충전을 선택적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 운전자의 배터리 관리 설정에 따라 전기차의 정차 시 메인 배터리와 보조 배터리간 에너지 교환을 수행함으로써 충전효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 운전자의 배터리 관리 설정에 따라 전기차에 탑재된 개인 전동식 이동 수단의 배터리 모듈을 메인 배터리를 이용하여 충전함으로써 서로 다른 전동식 이동 수단 간의 에너지 공유를 토해 사용자 편의성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 운전자의 배터리 관리 설정 예시를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 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 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결된다'거나 '접속된다'고 언급되는 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결된다'거나 '직접 접속된다'고 언급되는 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 아니하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서, '포함한다', '가진다' 등과 관련된 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 포함한다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템(100)은 운전정보 검출부(110), 배터리 관리 설정부(120), 모터(130), 인버터(140), 메인 배터리부(150), 보조 배터리부(160), 변압기(170) 및 제어부(180)를 포함한다.
운전정보 검출부(110)는 전기차의 운행에 따른 각종 센서 및 제어기로부터 탈착형 보조 배터리 운용 시스템(100)의 제어에 필요한 운전정보를 검출하여 제어부(180)로 전달한다.
예컨대, 운전정보 검출부(110)는 전기차의 운행에 따른 차속 센서(111), 가속 센서(Accelerator Position Sensor, APS)(112), 감속 센서(Brake pedal Sensor, BPS)(113) 등으로부터 측정된 운전정보를 검출할 수 있다.
차속 센서(111)는 전기차의 주행 차속을 측정한다.
가속 센서(112)는 운전자가 가속페달을 밟는 양에 따른 가속신호를 측정하며, 이를 APS 값 이라고도 한다.
감속 센서(113)는 운전자가 감속페달을 밟는 양에 따른 감속신호를 측정하며, 이를 BPS 값 이라고도 한다.
즉, 운전정보 검출부(110)는 전기차의 운용에 따른 차속, 가속신호(APS), 감속신호(BPS) 중 적어도 하나를 포함하는 운전정보를 수집할 수 있다.
배터리 관리 설정부(120)는 운전자가 전기차의 운전상태에 따라 메인 배터리부와 보조 배터리부를 선택적으로 충전 하도록 배터리 관리 조건을 설정하며, 하드웨어 및 소프트웨어 중 적어도 하나의 조작계로 구성된다. 예컨대, 배터리 관리 설정부(120)는 운전석의 센터페시아나 스티어링 휠 영역에 설치되는 물리적 조작계(버튼/스위치)나 네비게이션 디스플레에 표시되는 버튼키로 구성될 수 있다.
배터리 관리 설정부(120)는 전기차의 회생제동 시 보조 배터리부(160)를 우선 충전하는 제1 회생제동 모드 혹은 메인 배터리부(150)를 우선 충전하는 제2 회생제동 모드를 설정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 운전자의 배터리 관리 설정 예시를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 관리 설정부(120)는 운전자의 설정/조작에 따라 전기차의 회생제동 시 보조 배터리부(160)를 우선 충전하는 제1 회생제동 모드로 제어하거나 메인 배터리부(150)를 우선 충전하는 제2 회생제동 모드로 제어하기 위한 운용조건을 설정한다.
이 때, 배터리 관리 설정부(120)는 운전자의 설정에 따라 제1 회생제동 모드 시 보조 배터리부(160)를 우선 충전하기 위한 조건으로 메인 배터리 제1 임계치(Y1)를 설정하고, 보조 배터리부(160)를 우선 충전 중인 상태에서 메인 배터리부(150)의 충전으로 전환시키기 위한 조건으로 보조 배터리 상한 임계치(Z)를 설정할 수 있다.
또한, 배터리 관리 설정부(120)는 운전자의 설정에 따라 차속이 "0"인 정차 또는 시동 오프(OFF) 조건에서 탑재된 보조 배터리부(150)와 메인 배터리부(150) 간의 에너지 교환 조건으로 메인 배터리 제2 임계치(Y2)를 더 설정할 수 있다.
상기 에너지 교환 조건은 차량의 정차/시동 오프 시 현재 메인 배터리 잔량(SoC)이 메인 배터리 제2 임계치(Y2)를 초과하는지 여부에 따라 메인 배터리부(150)의 전력으로 보조 배터리부(160)를 충전하거나 보조 배터리부(150)의 전력으로 메인 배터리부(150)를 충전할지를 판단하는 조건을 말한다.
다만, 배터리 관리 설정부(120)는 전기차의 안정적인 에너지 관리를 위하여 운전자가 메인 배터리에 기본값으로 설정된 SoC 하한 임계치 이하로는 상기 메인 배터리 제1 임계치(Y1)와 상기 제2 임계치(Y2)를 설정할 수 없도록 제한할 수 있다.
모터(130)는 전기차의 구동계에 속하는 주 구동원으로 운전정보로 수집된 상기 가속신호에 따라 구동 모터(Motor)로 동작하거나 상기 감속신호에 따라 회생제동 전력을 발생하는 제너레이터(Generator)로 동작한다.
모터(130)의 회생제동은 전기차의 보조 배터리부(150)를 충전할 목적의 제1 회생제동 전력과 메인 배터리부(150)를 충전 할 목적의 제2 회생제동으로 나뉜다. 모터(130)의 회생제동 전력은 교류로 생산되므로 AC-DC 컨버터(미도시)를 통해 직류로 변환하여 각 배터리부에 저장된다.
인버터(140)는 메인 배터리부(150)에서 공급되는 직류(DC) 전원을 3상 교류(AC) 전압으로 변환하여 모터(130)의 구동 토크를 발생시킨다.
메인 배터리부(150)는 외부에서 공급된 전력을 저장하고 모터(130)에 구동 전원을 공급하거나 그 회생 에너지를 저장(충전)하며, 세부 구성으로 메인 배터리(151), 중간 배터리(152) 및 메인 BMS(Battery Management System)(153)를 포함하는 시스템으로 구성된다.
메인 배터리(151)는 다수의 배터리 모듈로 구성된 고전압 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS)이며, 전기 에너지를 충전하거나 방전한다.
중간 배터리(152)는 모터(130)로부터 발생되는 회생제동 전력을 임시로 저장하고, 전기차의 감속이나 정차 시 저장된 전력을 메인 배터리(151)로 공급하여 충전한다.
이러한, 중간 배터리(152)는 전기차의 주행으로 메인 배터리(151)가 방전 중인 경우 회생제동 충전이 동시에 이루어지면 배터리수명이 단축되므로 이를 방지하는 역할을 한다.
또한, 중간 배터리(152)는 메인 배터리(151)의 발열 지속으로 인해 회생제동 충전 효율이 저하되는 것을 방지한다.
또한, 중간 배터리(152)는 전기차의 시동 오프(OFF) 상태에서도 회생제동으로 저장된 잔여 전력을 메인 배터리(151)에 충전할 수 있어 회생제동 충전효율을 극대화 할 수 있다.
메인 BMS(153)는 메인 배터리(151)와 중간 배터리(152)의 충방전 특성과 열화 방지를 위한 운용상태를 관리한다.
메인 BMS(153)는 메인 배터리(151)의 작동 영역 내에서 전류, 전압, 온도 등을 센서를 통해 검출하여 충방전과 잔량(State of Charge, SOC)을 최적의 유지상태로 관리하고, 그 관리 상태 정보를 제어부(180)로 제공한다.
메인 BMS(153)는 메인 배터리(151)의 안전한 관리를 위한 충방전 동작을 제어하며, 충방전 파워 제한치를 설정하여 한계전압 이하로 과방전 되거나 한계전압 이상으로 과충전 되는 것을 방지할 수 있다.
보조 배터리부(160)는 메인 배터리(151)의 전력을 보조하여 전기차에 탈착 가능하게 구비된 적어도 하나의 보조 배터리(161)를 포함하며, 예컨대 4V ~ 96V의 전압구간을 가질 수 있다.
보조 배터리(161)는 이종 인터페이스 모듈(162)을 통해 보조 BMS(Battery Management System)(163)에 전기적으로 연결된다.
보조 배터리(161)는 전기차의 항속거리 증가를 위해 보조 배터리#1 내지 보조 배터리#n 개가 탑재될 수 있으며, 교체 또는 대여 서비스를 통해 방전된 보조 배터리는 충전된 다른 보조 배터리와 즉시 교체될 수 있다.
보조 배터리(161)는 배터리 셀과 모듈이 단위로 분리 가능하게 구성되고 이종 인터페이스 모듈(162)에 형성된 수납공간에 표준화된 카세트 형식으로 결합될 수 있다. 여기서, 이종 인터페이스 모듈(162)의 수납공간은 트렁크 하단의 스페어타이어가 위치하는 공간부에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않고, 보조 배터리(161)는 다양한 규격(모델)으로 구성될 수 있으며 이종 인터페이스 모듈(162)에 구비된 이종 케이블 커넥터를 통해 전기적으로 연결할 수 있다. 예컨대, 운전자가 전기차에 개인 전동식 이동 수단(Personal Mobility)을 탑재하는 경우 그 배터리를 보조 배터리(161)로 하여 상기 이종 케이블 커넥터를 통해 연결할 수 있다.
이를 통해, 운전자는 전기차를 통해 원거리 1차 목적지까지 이동하는 동안 탑재된 개인 전동식 이동 수단(예; 전동식 킥보드 등)의 배터리를 충전하고, 상기 1차 목적지에 도착하면 근거리 2차 목적지 까지 충전된 개인 전동식 이동 수단을 이용하여 이동할 수 있다.
보조 BMS(163)는 이종 인터페이스 모듈(162)을 통해 연결된 보조 배터리(161)들의 충방전을 통합 관리하며, 전류, 전압, 온도 등의 센서를 통해 전체 보조 배터리(161)의 잔량(SOC)을 파악하고 이를 제어부(180)로 제공한다.
변압기(170)는 고전압(예; 800V)을 사용하는 메인 배터리(151)와 저전압을 사용하는 보조 배터리(161) 사이에 위치하는 양방향 DC-DC 커넥터이며, 두 배터리 간의 에너지 교환 시 정격전압에 맞게 변환한다.
즉, 변압기(170)는 배터리 관리 설정부(120)에 따른 배터리간 에너지 교환 제어 시 보조 배터리(161)의 전력을 메인 배터리(151)에 충전 가능한 전압으로 변환하여 공급한다. 또한, 이와 반대된 동작으로 메인 배터리(151)의 전력을 보조 배터리(161)에 충전 가능한 전압으로 변환하여 공급할 수 있다.
제어부(180)는 본 발명의 실시 예에 따른 탈착형 보조 배터리 운용 시스템(100)을 동작을 위한 상기 각 구성부의 전반적인 동작을 제어하며, 이를 위한 적어도 하나의 프로그램과 데이터를 포함한다.
제어부(180)는 전기차의 운행 중 수집된 운전정보와 운전자의 배터리 관리 설정에 기초하여 회생충전시 메인 배터리 혹은 보조 배터리의 우선 충전을 제어하고, 정차 시 배터리간 상호 에너지 교환을 제어하여 충전효율을 극대화 한다.
이러한 제어부(180)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시 예에 따른 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍 된 것일 수 있다.
이러한 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 방법은 아래의 도면을 참조하여 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템(100)의 제어부(180)는 시동 온(ON) 후 운전정보 검출부(110)로부터 전기차의 운행에 따른 차속, 가속신호(APS), 감속신호(BPS) 중 적어도 하나를 포함하는 운전정보를 수집한다.
제어부(180)는 수집된 운전정보를 토대로 차속이 0이 아닌 주행 상태이고(S1;아니오), 운전자의 가속페달 작동에 따른 가속도 신호가 수신되면(S2; 예), 메인 배터리(151)의 전력으로 모터(130)를 구동하여 전기차의 운행을 제어한다(S3).
반면, 제어부(180)는 전기차의 이동상태에서(S1;아니오), 가속도 신호가 수신되지 않거나 감속 신호가 수신되면(S2; 아니오), 모터(130)를 이용한 회생제동 발전을 수행한다.
제어부(180)는 주행 시 회생제동 알고리즘을 수행하며, 운전자에 조작에 의해 설정된 배터리 관리 설정부(120)의 설정 값에 따라 회생제동 전력으로 보조 배터리를 우선 충전하는 제1 회생제동 모드로 제어하거나 메인 배터리를 우선 충전하는 제2 회생제동 모드로 제어할 수 있다(S4).
이하, 설명의 편의상 배터리 관리 설정부(120)의 설정 값은 도 2에 표시된 설정 값(Z, Y1, Y2)을 참조한 예시로 설명하되, 본 발명의 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.
제어부(180)는 제1 회생제동 모드가 온(ON)으로 설정되면(S4; 예), 현재 메인 배터리 잔량(SoC)이 설정된 제1 임계치(Y1: 50%)를 초과하는지 여부를 파악한다(S5).
제어부(180)는 상기 현재 메인 배터리 잔량(SoC)이 제1 임계치(Y1)를 초과하면(S5; 예), 제1 회생제동 모드로 진입하여 상기 회생제동 전력을 보조 배터리(161)에 우선 충전한다(S6). 이를 통해, 운전자의 의지에 따라 메인 배터리 잔량(SoC)이 충분한 조건에서 여유 회생제동 전력으로 보조 배터리(161)를 충전시킬 수 있다.
제어부(180)는 상기 제1 회생제동 모드로 제어 중 현재 보조 배터리 잔량(SoC)이 보조 배터리 상한 임계치(Z: 95%)를 초과하는지 여부를 파악하여(S7), 초과하지 않으면(S7; 아니오), 상기 제1 회생제동 모드 설정에 따른 과정을 반복한다.
제어부(180)는 현재 보조 배터리 잔량(SoC)이 보조 배터리 상한 임계치(Z)를 초과하면(S5; 예), 제2 회생제동 모드로 전환하여 상기 회생제동 전력을 메인 배터리(151)에 우선 충전한다(S6). 상기 제2 회생제동 모드는 모터(130)로부터 발생되는 회생제동 전력을 중간 배터리(152)에 임시로 저장하는 단계 및 상기 전기차의 감속이나 정차 시 상기 중간 배터리에 저장된 전력을 상기 메인 배터리로 공급하여 충전하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 상기 S5 단계에서, 제어부(180)는 상기 현재 메인 배터리 잔량(SoC)이 제1 임계치(Y1: 50%)를 초과하지 않으면(S5; 아니오), 제2 회생제동 모드로 진입하여 상기 회생제동 전력을 메인 배터리(151)에 우선 충전한다(S9). 이를 통해, 제1 회생제동 모드가 온(ON)으로 설정되더라도 메인 배터리 잔량(SoC)이 충분하지 않은 조건에서는 안전한 주행을 위해 보조 배터리(161)의 충전을 제안하고 메인 배터리(151)의 충전 잔량을 확보한다.
한편, 상기 S1 단계에서, 제어부(180)는 수집된 운전정보를 분석하여 차속이 0인 정차 혹은 시동 오프(OFF)된 상태이면(S1; 아니오), 배터리 관리 설정에 따라 메인 배터리(151)와 보조 배터리(161) 간 에너지 교환 알고리즘을 수행한다.
도 4를 살펴보면, 전기차의 정차 혹은 시동 오프 상태는 전기차의 다른 운전상황에 비해 전력 소비가 적거나 없어 메인 배터리(151)의 방전이 최저이다. 그리고, 모터(130)를 구동하지 않아 배터리 충전을 위한 최적의 조건을 갖추게 되므로 변압기(170)를 통해 보조 배터리(161)와 메인 배터리(151)간 에너지 교환을 제어한다.
제어부(180)는 전기차의 정차 혹은 시동 오프 시 메인 배터리 잔량(SoC)이 설정된 제2 임계치(Y2: 70%)를 초과하는지 여부를 파악한다(S10). 상기 제2 임계치는 현재 메인 배터리 잔량(SoC)이 보조 배터리(161)를 충전하는데 충분한지 판단하기 위한 기준이다.
이 때, 제어부(180)는 상기 메인 배터리 잔량(SoC)이 제2 임계치(Y2)를 초과하면(S10; 예), 상기 메인 배터리 잔량(SoC)이 충분한 것으로 판단하고 변압기(170)를 통해 메인 배터리(151)의 전력으로 보조 배터리(161)를 충전한다(S11).
반면, 제어부(180)는 상기 메인 배터리 잔량(SoC)이 제2 임계치(Y2)를 초과하지 않으면(S10; 아니오), 상기 메인 배터리 잔량(SoC)이 부족한 것으로 판단하고 변압기(170)를 통해 보조 배터리(161)의 전력으로 메인 배터리(151)를 충전한다(S12).
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 전기차의 탈착형 보조 배터리를 통해 항속거리를 증가시키고 운전자의 배터리 관리 설정을 통해 회생제동 시 메인 배터리와 보조 배터리간 우선충전을 선택적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 운전자의 배터리 관리 설정에 따라 전기차의 정차 시 메인 배터리와 보조 배터리간 에너지 교환을 수행함으로써 충전효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 운전자의 배터리 관리 설정에 따라 전기차에 탑재된 개인 전동식 이동 수단의 배터리 모듈을 메인 배터리를 이용하여 충전함으로써 서로 다른 전동식 이동 수단 간의 에너지 공유를 토해 사용자 편의성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 탈착형 보조 배터리 운용 시스템
110: 운전정보 검출부
120: 배터리 관리 설정부
130: 모터
140: 인버터
150; 메인 배터리부
151; 메인 배터리
152; 중간 배터리
153; 메인 BMS
160; 보조 배터리부
161: 보조 배터리
162: 이종 인터페이스 모듈
170: 변압기

Claims (20)

  1. 전기차의 운행에 따른 각종 센서로부터 운전정보를 검출하는 운전정보 검출부;
    모터에 구동 전원을 공급하는 메인 배터리부와 탈착형으로 상기 메인 배터리부의 전력을 보조하는 보조 배터리부;
    운전자의 설정에 의해 회생제동 시 상기 보조 배터리부를 우선 충전하는 제1 회생제동 모드와 메인 배터리부를 우선 충전하는 제2 회생제동 모드 중 어느 하나를 선택하기 위한 조건을 설정하는 배터리 관리 설정부; 및
    상기 운전정보에 기초한 회생제동 시 상기 운전자의 배터리 관리 설정에 따라 상기 모터에서 발생되는 회생제동 전력을 상기 보조 배터리부에 우선 충전하거나 메인 배터리부에 우선 충전하도록 제어하는 제어부;
    를 포함하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 운전정보 검출부는
    상기 전기차의 주행 차속을 측정하는 차속 센서, 상기 운전자가 가속페달을 밟는 양에 따른 가속신호를 측정하는 가속 센서 및 상기 운전자가 감속페달을 밟는 양에 따른 감속 신호를 측정하는 감속 센서 중 적어도 하나로부터 상기 운전정보를 검출하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리 설정부는
    운전석의 센터페시아나 스티어링 휠 영역에 설치되는 조작계 또는 네비게이션 디스플레에 표시되는 버튼키로 구성되는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리 설정부는
    상기 제1 회생제동 모드 시 상기 보조 배터리부를 우선 충전하기 위한 조건으로 메인 배터리 잔량에 대한 제1 임계치(Y1)와 상기 보조 배터리부의 우선 충전 상태에서 상기 메인 배터리부의 충전으로 전환시키기 위한 조건으로 보조 배터리 잔량에 대한 상한 임계치(Z)를 설정하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 관리 설정부는
    상기 전기차의 정차 또는 시동 오프(OFF) 조건에서 상기 보조 배터리부와 메인 배터리부 간의 에너지 교환을 위한 조건으로 메인 배터리 잔량에 대한 제2 임계치(Y2)를 더 설정하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 메인 배터리부는
    다수의 배터리 모듈로 구성되어 고전압 에너지를 저장하는 메인 배터리;
    상기 모터로부터 발생되는 회생제동 전력을 임시로 저장하고, 상기 전기차의 감속이나 정차 시 저장된 전력을 상기 메인 배터리로 공급하여 충전하는 중간 배터리; 및
    상기 메인 배터리와 중간 배터리의 충방전 특성과 열화 방지를 위한 운용상태를 관리하는 메인 BMS(Battery Management System);
    를 포함하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보조 배터리부는
    배터리 셀과 모듈 단위로 분리 가능하게 구성되는 적어도 하나의 보조 배터리;
    상기 보조 배터리와 전기적으로 연결되는 이종 인터페이스 모듈; 및
    상기 이종 인터페이스 모듈을 통해 연결된 보조 배터리들의 충방전을 통합 관리하는 보조 BMS(Battery Management System);
    를 포함하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보조 배터리는
    상기 이종 인터페이스 모듈에 형성된 수납공간에 표준화된 카세트 형식으로 결합되는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이종 인터페이스 모듈은
    트렁크 하단의 스페어타이어가 위치하는 공간부에 수납공간을 형성하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 이종 인터페이스 모듈은
    다양한 이종 규격으로 구성된 상기 보조 배터리를 이종 케이블 커넥터를 통해 전기적으로 연결하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 보조 BMS는
    상기 이종 인터페이스 모듈을 통해 연결된 보조 배터리들의 충방전을 통합 관리하며, 보조 배터리 잔량을 파악하고 제어부로 제공하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 배터리 관리 설정에 따라 상기 제1 회생제동 모드에 진입한 상태에서 메인 배터리 잔량이 설정된 제1 임계치(Y1)를 초과하면 상기 회생제동 전력을 상기 보조 배터리부에 우선 충전하고,
    보조 배터리 잔량이 설정된 상한 임계치(Z)를 초과하면 상기 제2 회생제동 모드로 전환하여 상기 회생제동 전력을 상기 메인 배터리부에 우선 충전하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 운전정보에 기초한 전기차의 정차 혹은 시동 오프(OFF) 시 상기 배터리 관리 설정에 따라 상기 보조 배터리부와 메인 배터리부간 에너지 교환을 제어하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 에너지 교환을 제어 시 상기 메인 배터리 잔량이 설정된 2 임계치(Y2)를 초과하면 변압기를 통해 상기 메인 배터리부의 전력으로 보조 배터리부를 충전하며,
    상기 메인 배터리 잔량이 설정된 2 임계치(Y2)를 초과하지 않으면 상기 변압기를 통해 상기 보조 배터리의 전력으로 상기 메인 배터리부를 충전하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 시스템.
  15. 모터에 구동 전원을 공급하는 메인 배터리와 탈착형으로 상기 메인 배터리의 전력을 보조하는 보조 배터리가 장착된 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 방법에 있어서,
    a) 전기차의 운행 중 운전정보를 수집하여 주행 중 가속도 신호가 수신되지 않거나 감속 신호가 수신되면 모터를 이용한 회생제동 발전을 수행하는 단계;
    b) 운전자에 의해 설정된 배터리 관리 설정이 제1 회생제동 모드이면, 메인 배터리 잔량이 설정된 제1 임계치(Y1)를 초과하는지 여부를 파악하는 단계;
    c) 상기 메인 배터리 잔량이 상기 제1 임계치(Y1)를 초과하면, 상기 제1 회생제동 모드로 진입하여 상기 모터에서 발생되는 회생제동 전력을 보조 배터리에 우선 충전하는 단계; 및
    d) 상기 제1 회생제동 모드로 제어 중 보조 배터리 잔량이 설정된 보조 배터리 상한 임계치(Z)를 초과하면, 제2 회생제동 모드로 전환하여 상기 회생제동 전력을 메인 배터리에 우선 충전하는 단계;
    를 포함하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    상기 메인 배터리 잔량이 상기 제1 임계치(Y1)를 초과하지 않으면, 상기 제2 회생제동 모드로 진입하여 상기 회생제동 전력을 메인 배터리에 우선 충전하는 단계를 포함하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 제2 회생제동 모드는
    상기 모터로부터 발생되는 회생제동 전력을 중간 배터리에 임시로 저장하는 단계; 및
    상기 전기차의 감속이나 정차 시 상기 중간 배터리에 저장된 전력을 상기 메인 배터리로 공급하여 충전하는 단계;
    를 포함하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 a) 단계는,
    상기 운전정보에 기초한 전기차의 정차 혹은 시동 오프(OFF) 시 상기 배터리 관리 설정에 따라 상기 보조 배터리와 메인 배터리간 에너지 교환을 제어하는 단계를 포함하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 방법.
  19. 제15항 또는 제18항에 있어서,
    상기 에너지 교환을 제어하는 단계는,
    상기 메인 배터리 잔량이 설정된 제2 임계치(Y2)를 초과하는지 여부를 파악하는 단계; 및
    상기 메인 배터리 잔량이 상기 제2 임계치(Y2)를 초과하면 변압기를 통해 상기 메인 배터리의 전력을 변환하여 상기 보조 배터리를 충전하는 단계;
    를 포함하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 에너지 교환을 제어하는 단계는,
    상기 메인 배터리 잔량이 상기 제2 임계치(Y2)를 초과하지 않으면 상기 변압기를 통해 상기 보조 배터리의 전력을 변환하여 상기 메인 배터리를 충전하는 단계;
    를 더 포함하는 전기차의 탈착형 보조 배터리 운용 방법.
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