KR20230126257A - 전동화 차량 및 그를 위한 전원 관리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탈착식 배터리를 추가로 장착할 수 있는 전동화 차량 및 그를 위한 전원 관리 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 배터리 및 상기 제1 배터리를 제어하는 제1 배터리 제어기를 구비하되 고정식으로 배치된 메인 배터리부를 포함하는 전동화 차량의 전원 관리 방법은, 일단이 상기 메인 배터리부와 전기적으로 직렬로 연결된 직류 변환기의 타단에 구비된 커넥터에 제2 배터리 및 상기 제2 배터리를 제어하는 제2 배터리 제어기를 구비하는 탈착식 배터리부가 연결되는 단계; 상기 차량 제어기에서 인버터와 모터를 포함하는 전력 구동부에 공급할 목표 통합 전압을 상기 제1 배터리에 대한 제1 배터리 정보와 상기 제2 배터리에 대한 제2 배터리 정보를 기반으로 판단하는 단계; 및 상기 차량제어기에서 상기 판단된 목표 통합 전압에 따라, 상기 직류 변환기의 상기 일단에서 상기 제2 배터리의 전압을 승압하거나 강압하여 출력될 목표 출력 전압에 대응되는 전압 지령을 상기 직류 변환기에 전달하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

전동화 차량 및 그를 위한 전원 관리 방법{ELECTRIFIED VEHICLE AND METHOD OF POWER SOURCE CONTROL FOR THE SAME}
본 발명은 탈착식 배터리를 추가로 장착할 수 있는 전동화 차량 및 그를 위한 전원 관리 방법에 관한 것이다.
최근 환경에 대한 관심이 높아짐과 함께, 전기 모터를 동력원으로 구비한 전동화 차량이 증가하는 추세이다.
전동화 차량 이용자의 상당수가 단거리 도심 위주의 주행 패턴을 갖고 있음에도, 전동화 차량에서는 내연기관 차량의 주유 시간 대비 배터리의 충전 시간이 상대적으로 긴 편이기 때문에 일 회의 완충을 통해 주행 가능한 최대 EV(Electric Vehicle) 주행 거리가 중요하다.
그러나, EV 주행 거리를 증대시키기 위해 배터리 용량을 증대시킬 경우 차량의 중량 증가는 물론, 전동화 차량에서는 배터리 가격이 큰 비중을 차지하므로 차량 가격까지 크게 상승한다.
일부 제조사에서는 배터리 열화로 인한 주행 거리 감소와 충전 시간의 문제를 해소하기 위하여 배터리를 탈착 가능하게 하여 교체하는 방법을 고려하기도 한다. 전동 스쿠터 등의 소형 모빌리티의 경우 저전압/저용량 배터리의 적용이 가능하여 사용자가 직접 교환할 수 있으나 차량용 대용량 배터리는 중량과 안전성 문제로 자가 교체가 어려워 전용 인프라가 요구된다. 그러나, 배터리 교체를 위한 인프라를 확충하는데는 큰 비용을 들여 부지와 교체 장비를 확보해야 하고, 인프라가 갖추어진다고 해도 교체 횟수 누적시 체결부의 물리적 손상이나 접전 소손이 있을 경우 주행 자체가 어렵게 되는 문제점도 있다.
본 발명은 탈착식 배터리를 추가로 장착할 수 있는 전동화 차량 및 그를 위한 전원 관리 방법을 제공하기 위한 것이다.
특히, 본 발명은 탈착식 배터리를 이용하여 전력 전자 계통에 공급되는 전압을 가변할 수 있는 전동화 차량 및 그를 위한 전원 관리 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 배터리 및 상기 제1 배터리를 제어하는 제1 배터리 제어기를 구비하되 고정식으로 배치된 메인 배터리부를 포함하는 전동화 차량의 전원 관리 방법은, 일단이 상기 메인 배터리부와 전기적으로 직렬로 연결된 직류 변환기의 타단에 구비된 커넥터에 제2 배터리 및 상기 제2 배터리를 제어하는 제2 배터리 제어기를 구비하는 탈착식 배터리부가 연결되는 단계; 상기 차량 제어기에서 인버터와 모터를 포함하는 전력 구동부에 공급할 목표 통합 전압을 상기 제1 배터리에 대한 제1 배터리 정보와 상기 제2 배터리에 대한 제2 배터리 정보를 기반으로 판단하는 단계; 및 상기 차량제어기에서 상기 판단된 목표 통합 전압에 따라, 상기 직류 변환기의 상기 일단에서 상기 제2 배터리의 전압을 승압하거나 강압하여 출력될 목표 출력 전압에 대응되는 전압 지령을 상기 직류 변환기에 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 방법은 상기 탈착식 배터리부가 상기 커넥터에 연결되면, 상기 제1 배터리 제어기가 상기 제2 배터리 제어기로부터 상기 제2 배터리 정보를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 획득하는 단계는, 상기 제1 배터리 제어기가 상기 제2 배터리 정보를 상기 직류 변환기를 경유하여 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 방법은 상기 제1 배터리의 현재 전압과 상기 직류 변환기의 현재 출력 전압의 합인 현재 통합 전압이 상기 목표 통합 전압보다 낮아지는 경우, 상기 차량 제어기에서 상기 직류 변환기의 추가 승압 가능 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 방법은 상기 직류 변환기의 추가 승압이 불가한 경우, 상기 차량 제어기에서 상기 직류 변환기의 현재 변환 배율이 유지되도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 방법은 상기 제2 배터리가 기 설정된 방전 제한 상태에 도달하면 상기 차량 제어기에서 상기 직류 변환기와 상기 메인 배터리부의 연결을 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 방법은 상기 직류 변환기와 상기 메인 배터리부의 연결이 차단되면, 상기 차량 제어기에서 상기 메인 배터리부가 단독으로 상기 전력 구동부에 전력을 공급하도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 방법은 상기 직류 변환기의 추가 승압이 가능한 경우, 상기 차량 제어기에서 상기 목표 통합 전압을 재판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 탈착식 배터리부는 냉각팬을 더 포함하고, 상기 방법은 상기 제2 배터리 제어기에서 상기 직류 변환기를 통한 전압 변환이 수행됨에 따라 차속과 상기 제2 배터리의 온도에 기반하여 상기 냉각팬의 동작을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동화 차량은, 모터 및 인버터를 구비하는 전력 구동부; 상기 전력 구동부와 전기적으로 연결되며, 제1 배터리 및 상기 제1 배터리를 제어하는 제1 배터리 제어기를 구비하되, 상기 전동화 차량에 고정식으로 배치된 메인 배터리부; 일단이 상기 메인 배터리부와 전기적으로 직렬로 연결되며, 타단에 커넥터를 구비하고, 제2 배터리 및 상기 제2 배터리를 제어하는 제2 배터리 제어기를 구비하는 탈착식 배터리부가 상기 커넥터에 연결되면 상기 커넥터를 통해 입력되는 전력을 승압 또는 강압하여 상기 일단으로 출력하는 직류 변환기; 및 상기 전력 구동부에 공급할 목표 통합 전압을 판단하고, 상기 판단된 목표 통합 전압에 따라 상기 직류 변환기의 상기 일단에서 출력될 목표 출력 전압에 대응되는 전압 지령을 상기 직류 변환기에 전달하는 차량 제어기를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 배터리 제어기는, 상기 탈착식 배터리부가 상기 커넥터에 연결되면, 상기 제2 배터리 제어기가 출력하는 제2 배터리 정보를 획득할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 배터리 제어기는, 상기 제2 배터리 정보를 상기 직류 변환기를 경유하여 획득할 수 있다.
예를 들어, 상기 차량 제어기는, 상기 제1 배터리의 현재 전압과 상기 직류 변환기의 현재 출력 전압의 합인 현재 통합 전압이 상기 목표 통합 전압보다 낮아지는 경우, 상기 직류 변환기의 추가 승압 가능 여부를 판단할 수 있다.
예를 들어, 상기 차량 제어기는, 상기 직류 변환기의 추가 승압이 불가한 경우, 상기 직류 변환기의 현재 변환 배율을 유지할 수 있다.
예를 들어, 상기 차량 제어기는, 상기 제2 배터리가 기 설정된 방전 제한 상태에 도달하면 상기 직류 변환기와 상기 메인 배터리부의 연결을 차단할 수 있다.
예를 들어, 상기 차량 제어기는, 상기 직류 변환기와 상기 메인 배터리부의 연결이 차단되면, 상기 메인 배터리부가 단독으로 상기 전력 구동부에 전력을 공급하도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 차량 제어기는, 상기 직류 변환기의 추가 승압이 가능한 경우, 상기 목표 통합 전압을 재판단할 수 있다.
예를 들어, 상기 탈착식 배터리부는 냉각팬을 더 포함하고, 상기 제2 배터리 제어기는, 상기 직류 변환기를 통한 전압 변환이 수행됨에 따라 차속과 상기 제2 배터리의 온도에 기반하여 상기 냉각팬의 동작을 제어할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 의해, 메인 배터리 외에 탈착식 배터리를 추가로 장착할 수 있도록 함으로써 불필요한 차량 가격 상승이나 중량 증가를 방지할 수 있다.
또한, 장착된 탈착식 배터리의 상태를 다양한 방법으로 획득하고 메인 배터리의 에너지와 통합 관리가 가능하다.
아울러, 전력 전자 계통의 효율을 고려하여 다양한 전압을 전력 전자 계통에 공급할 수 있다.
본 발명에서 얻은 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈착식 배터리를 장착한 전동화 차량의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동화 차량의 전원 관리 방법의 일례를 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈착식 배터리부의 제2 배터리 상태 추정 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 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 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 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.
또한, 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Control Unit), 차량 통합 제어기(VCU: Vehicle Control Unit) 등의 명칭에 포함된 유닛(Unit) 또는 제어 유닛(Control Unit)은 차량 특정 기능을 제어하는 제어 장치(Controller)의 명명에 널리 사용되는 용어일 뿐, 보편적 기능 유닛(Generic function unit)을 의미하는 것은 아니다. 예컨대, 각 제어기는 담당하는 기능의 제어를 위해 다른 제어기나 센서와 통신하는 통신 장치, 운영체제나 로직 명령어와 입출력 정보 등을 저장하는 메모리 및 담당 기능 제어에 필요한 판단, 연산, 결정 등을 수행하는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 전동화 차량에 구동 모터와 전기적으로 연결된 메인 배터리와 함께, 탈착식(swappable) 배터리를 추가로 연결 가능하도록 하여 메인 배터리의 전력과 탈착식 배터리의 전력을 통합 관리할 것을 제안한다. 특히,탈착식 배터리의 전력을 전력 전자(PE: Power Electic) 계통에 공급함에 있어서 직류 변환기를 통해 전압을 가변하되, 직류 변환기와 메인 배터리를 직렬 연결함으로써 직류 변환기의 출력 전압과 메인 배터리의 전압이 합산되도록 할 것을 제안한다. 이를 통해, 전력 전자 계통에 공급되는 전압이 메인 배터리의 전압보다 높게 가변될 수 있다.
먼저, 도 1을 참조하여 실시예에 따른 전동화 차량의 구성을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈착식 배터리를 장착한 전동화 차량의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 전동화 차량(100)은 탈착식 배터리부(110), 직류 변환기(120), 메인 배터리부(130), 전력 구동부(PE: Power Electric, 140), 차량 통합 제어기(VCU, 150), 커넥터(160), 스위치(170) 및 메인 릴레이(180)를 포함할 수 있다.
도 1은 본 실시예와 관련된 구성 요소를 위주로 나타낸 것으로, 실제 차량의 구현에 있어서는 이보다 더 적거나 많은 구성 요소를 포함할 수 있음은 물론이다.
이하, 각 구성요소를 설명한다.
탈착식 배터리부(110)는 제2 배터리(111)와 제2 배터리 제어기(BMS: Battery Management System, 112)를 포함할 수 있다. 제2 배터리 제어기(112)는 제2 배터리(111)의 전압, 전류, 온도, 충전 상태(SOC: State Of Charge), 내구 상태(SOH: State Of Health) 등을 관리하며, 제2 배터리(111)의 충/방전을 제어할 수 있다. 또한, 제2 배터리 제어기(112)는 제2 배터리(111)의 SOC에 대한 상한과 하한을 설정 및 관리할 수 있으며, 제2 배터리(111)의 셀타입 정보, 정격 용량 정보 등을 저장해둘 수 있다. 아울러, 제2 배터리 제어기(112)는 소정의 차량 통신 프로토콜(예컨대, CAN: Controller Area Network)을 통해 제2 배터리(111)에 대한 정보를 외부(즉, 직류 변환기(120))로 전송하고, 제2 배터리(111)의 충/방전에 대한 지령을 수신할 수도 있다. 편의상, 이하의 기재에서 차량 통신 프로토콜은 CAN 통신인 것으로 가정하나, CAN-FD(Flexible Data-rate), 이더넷 등 다른 프로토콜로 대체될 수도 있음은 당업자에 자명하다.
비록 도 1에 도시되지는 않았으나, 탈착식 배터리부(110)에 제2 배터리(111)의 냉각을 위한 냉각 장치, 예컨대, 공랭식 팬이 구비될 수도 있으며, 이러한 경우 제2 배터리 제어기(112)는 제2 배터리(111)의 상태나 차속 등에 따라 팬의 동작 상태를 제어할 수 있다. 물론, 탈착식 배터리부(110)는 자연 냉각 방식으로 구현될 수도 있고, 차량에서 탈착식 배터리부(110)가 거치되는 부분에 냉각수가 순환되는 냉각 패드를 배치하여 수냉식으로 냉각될 수도 있다.
한편, 탈착식 배터리부(110)는 전동화 차량의 루프 상에 거치되거나, 트렁크 내 공간이나 차량 하부 공간에 수용될 수도 있으며, 별도의 휠을 구비하여 트레일러 형태로 차량에 연결될 수도 있으나 이는 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
탈착식 배터리부(110)는 커넥터(160)를 통해 직류 변환기(120)와 연결될 수 있다. 여기서 연결된다고 함은, 고전압 파워 케이블과 CAN 통신 라인이 각각 연결됨을 의미할 수 있다. 또한, 커넥터(160)는 직류 변환기(120)의 입력단에 연결되며, 직류 변환기(120)의 출력단은 메인 배터리부(130)와 직렬로 연결될 수 있다.
직류 변환기(120)는 제2 배터리(111)의 전압에 따라서 제2 배터리(111)의 전압을 승압하는 HDC(High DC-DC Converter) 타입일 수도 있고, 제2 배터리(111)의 전압을 강합하는 LDC(Low DC-DC Converter) 타입일 수도 있다. 예컨대, 탈착식 배터리부(110)의 제2 배터리(111)가 메인 배터리부(130)의 제1 배터리(131) 대비 소형, 즉, 저전압/저용량임을 상정할 경우, HDC 타입으로 구비되어 제2 배터리(111)의 전압을 승압할 수 있다.
또한, 직류 변환기(120)는 탈착식 배터리부(110)의 제2 배터리 제어기(112)와 메인 배터리부(130)의 제1 배터리 제어기(132) 사이의 통신을 중계할 수 있으며, VCU(150)의 목표 전압 지령에 따라 제2 배터리(111)의 전압을 승압 또는 강압하여 출력 전압을 가변할 수 있다.
아울러, 직류 변환기(120)의 출력단은 메인 배터리부(130)와 직렬로 연결되어, 직류 변환기(120)의 출력 전압이 메인 배터리부(130)의 제1 배터리(131)의 출력 전압과 합산되어 전력 구동부(140)에 공급되도록 할 수 있다.
메인 배터리부(130)는 도시된 바와 같이 제1 배터리(131)와 제1 배터리 제어기(132)를 포함할 수 있으며, 차량에 고정형으로 상시 장착된 상태인 것이 바람직하다. 제1 배터리 제어기(132)는 시동이 켜지면(예컨대, IG On, EV Ready 등) 제2 배터리 제어기(112)가 직류 변환기(120)에 전달한 제2 배터리(111)의 상태 정보를 직류 변환기(120)로부터 획득하고, 이를 기반으로 제1 배터리(131)와 제2 배터리(111)의 합산 총 에너지를 판단할 수 있다. 만일, 제2 배터리 제어기(112)가 SOC나 SOH 정보를 제공하지 않고 셀타입 정보와 정격 용량 정보만 제공하는 경우, 제1 배터리 제어기(111)는 제공된 정보를 기반으로 제2 배터리(111)의 SOC와 SOH를 추정할 수도 있다. 여기에 대해서는 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.
메인 배터리부(130)는 전력 구동부(140)와 연결될 수 있으며, 전력 구동부(140)는 모터와 인버터를 포함(미도시)할 수 있다.
차량 통합 제어기(150)는 가속 페달 센서(APS: Accelerator pedal Position Sensor)의 APS 값에 따라 요구 구동력을 판단할 수 있으며, 요구 구동력이나 요구 회생 제동력에 따라 전력 구동부(140)의 모터가 출력할 구동 토크나 회생 제동 토크를 결정하고 그에 따른 토크 지령을 모터 제어기(미도시)나 인버터(미도시)에 전달할 수 있다. 또한, 차량 통합 제어기(150)는 제1 배터리 제어기(132)로부터 수신한 제1 배터리(131)와 제2 배터리(111) 각각의 상태 정보, 총 가용 에너지 정보 등을 획득할 수 있으며, 직류 변환기(120)로부터는 직류 변환기(120)의 출력 전압 정보, 제2 배터리(111)의 전압 대비 출력 전압별 효율 정보 등을 획득할 수 있다. 여기서 제2 배터리(111)의 전압 대비 출력 전압별 효율 정보는 테이블 형태로 준비될 수 있으며, 직류 변환기(120)가 차량 통합 제어기(150)에 전달하는 대신 차량 통합 제어기(150)에 미리 준비될 수도 있다.
아울러, 차량 통합 제어기(150)는 PE 시스템, 즉, 전력 구동부(140)의 최적 효율 가동이 가능한 최적 효율 전압을 판단하고, 그에 대응되는 목표 전압 지령을 직류 변환기(120)에 전달할 수 있다. 예컨대, 차량 통합 제어기(150)는 최적 효율 전압에서 제1 배터리(131)의 전압을 차감하여 목표 전압을 획득하거나, 최적 효율 전압에서 제1 배터리(131)의 전압을 차감한 값에서 소정 마진을 더하여 목표 전압을 획득할 수 있으나 이는 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 제1 배터리(131)와 제2 배터리(111)의 통합 에너지 관리에 있어서 탈착식 배터리인 제2 배터리(111)의 특성을 고려한 제어가 필요하다. 이는 일반적인 고전압 배터리 시스템에서는 셀 타입과 열화도(SOH)가 동일한 셀들로 구성된 메인 배터리를 사용했기 때문에 제어가 용이했으나, 탈착식 배터리가 연결될 경우 메인 배터리와 전압, 셀타입, 열화도 등이 상이할 가능성이 높기 때문이다.
아래 표 1은 다양한 메인 배터리와 탈착식 배터리의 조합례를 나타낸다.
Case Main 배터리 Swappable 배터리 Capacity SOH 비고
1


NCM811
(800V/73kwh)		 NCM811(NCM811+α 혼용 30kwh 100% 셀동일
(high Nickel Li-ion 배터리 용량상이, SOH동일
2 NCM811
(NE셀대비혼합비율상이)		 32kwh 100% 셀상이
용량상이, SOH동일
3 LFP(인산철) 20kwh 100% 셀상이
용량상이, SOH동일
4 NCM622 25kwh 70% 셀상이
(재사용배터리적용) 용량상이, SOH상이
표 1에서 NCM은 배터리 양극재의 조성물로 순서대로 니켈, 코발트, 망간을 의미하며 NCM 뒤어 세 숫자는 10분위로 나타낸 성분비를 나타낸다. 즉, NCM811 배터리는 양극재의 니켈:코발트:망간 비율이 8:1:1임을 의미할 수 있다.
표 1을 참조하면, 메인 배터리와 탈착식 배터리 사이에 셀타입, 용량 및 SOH 중 적어도 하나가 상이한 다양한 예시적 조합례가 나타나 있다.
상술한 바와 같이 각 배터리의 종류나 상태가 상이할 수 있을 뿐 아니라 직류 변환기(120)의 출력 전압과 제2 배터리(111)의 현재 전압에 따른 변환 효율에 따라서도 총 가용 에너지가 달라질 수 있다. 따라서, 차량 통합 제어기(150)는 제2 배터리(111)의 특성과 전류 변환기(120)의 변환 효율까지 고려하여 총 가용 에너지를 산출하고, 그에 따른 주행 가능 거리를 판단함으로써 보다 정확한 총 주행 가능 거리 정보를 운전자에 제공할 수 있게 된다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이 직류 변환기(120)와 메인 배터리부(130) 사이의 고전압 파워 케이블에는 스위치(170)가 배치될 수 있으며, 메인 배터리부(130)와 전력 구동부 사이의 고전압 파워 케이블에는 메인 릴레이(180)가 구비될 수 있다.
상술한 차량 구성을 바탕으로 실시예에 따른 전동화 차량의 전원 관리 방법을 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동화 차량의 전원 관리 방법의 일례를 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 탈착식 배터리부(110)가 차량(100)에 장착되고 직류 변환기(120)와 연결된 커넥터(160)가 체결(즉, 고전압 파워 케이블 및 통신 라인 연결)될 수 있다(S201).
탈착식 배터리부(110)가 연결된 후 시동이 켜지면(S202), 제2 배터리 제어기(112), 직류 변환기(120), 제1 배터리 제어기(132) 및 차량 통합 제어기(150) 등의 각종 전장 부품의 전원이 켜지면서 통신이 개시되고, 그에 따른 정보 교환이 수행될 수 있다(S203).
보다 상세히, 제2 배터리 제어기(112)가 제2 배터리(111)의 정보(SOC, SOH, 온도, 전압 등)를 직류 변환기(120)에 전달하고, 직류 변환기(120)는 다시 해당 정보를 제1 배터리 제어기(132)로 전달할 수 있다. 또한, 제1 배터리 제어기(132)는 제2 배터리(111)의 SOC와 제1 배터리(131)의 SOC를 기반으로 총 가용 에너지를 판단할 수 있다. 또한, 차량 통합 제어기(150)는 제1 배터리 제어기(132)가 보유한 정보를 기반으로 상술한 바와 같이 총 주행 가능거리를 판단할 수 있다.
만일, 제2 배터리 제어기(112)가 CMU(Cell Management Unit) 타입으로 구성되는 등 SOC, SOH 정보 등을 직접 출력하지 않고 셀타입 정보와 정격 용량 정보 등 제한된 정보만 출력하는 경우에는 제1 배터리 제어기(131)가 제2 배터리(111)의 정보를 추정할 수 있다. 이는 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈착식 배터리부의 제2 배터리 상태 추정 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 먼저 제1 배터리 제어기(132)가 직류 변환기(120)를 경유하여 제2 배터리 제어기(112)로부터 제2 배터리(111)의 셀타입 정보 및 정격 용량 정보를 수신할 수 있다(310).
이후 제1 배터리 제어기(132)는 무부하 상태로 제2 배터리(111)의 전압을 측정하고(S320), 측정 전압을 기반으로 SOC를 추정할 수 있다(S330). 이를 위해, 제1 배터리 제어기(132)는 셀타입 정보(NCM x/y/z, LFP 등)별로 개방회로전압(OCV: Open Circuit Voltage)에 대한 SOC가 정의된 테이블을 보유 및 참조할 수 있다.
또한, 제1 배터리 제어기(132)는 제2 배터리(111)에 기 설정된 시간 동안 기 설정된 크기의 테스트 전류를 인가하여 제2 배터리(111)의 내부 저항을 측정하고(S340), 측정된 저항을 기반으로 SOH를 추정할 수 있다(S350). 이를 위해, 제1 배터리 제어기(132)는 셀타입 정보(NCM x/y/z, LFP 등)별로 저항값에 대한 SOH가 정의된 테이블을 보유 및 참조할 수 있다. 이와 달리, SOH의 추정에 있어서 일정 전력으로 제2 배터리(111)를 충전하고, 충전 전력 인가량 또는 인가 시간 대비 전압 상승량이 이용될 수도 있는 등, 다양한 방법이 적용될 수도 있다.
제1 배터리 제어기(132)는 추정된 SOC와 SOH 및 수신한 정격 용량 정보를 기반으로 제2 배터리(111)의 가용 에너지를 연산할 수 있다(S360).
다만, 도 3을 참조하여 상술한 방법은 탈착식 배터리부(110)에 구비된 제2 배터리(111)의 셀타입에 대한 표준화가 이루어진 환경에서 적용되는 것이 바람직하다. 이는 표준화가 되어 있어야 제1 배터리 제어기(132)가 보유하고 있어야 할 셀타입별 SOC-OCV 테이블과 SOH-저항값 테이블의 적용을 보장받을 수 있기 때문이다. 만일, 셀타입 정보가 테이블에 기 규정되지 않은 셀타입을 나타낼 경우, 제1 배터리 제어기(132)는 이러한 상황을 차량 통합 제어기(150)에 통지하여 경고 메시지가 표출되도록 할 수도 있다.
다시 도 2로 돌아와서, 차량 통합 제어기(150)는 통신 과정(S203)을 통해 획득된 정보를 기반으로, 전력 구동부(140)의 구동에 최적 효율을 낼 수 있는 최적 효율 PE 시스템 전압을 판단할 수 있다(S204). 즉, 차량 통합 제어기(150)는 직류 변환기(120)의 변환 비율과 제2 배터리(111)의 전압, 제1 배터리(132)의 전압을 기반으로 제2 배터리(111)의 전압과 직류 변환기(120)의 가용 출력 전압을 합산한 통합 전압 내에서 최적 효율 PE 시스템 전압을 판단할 수 있다. 예컨대, 직류 변환기(120)의 변환 비율이 최대 3배인 HDC 타입이고, 제2 배터리(111)의 전압이 48V, 제1 배터리의 전압이 700V라 가정하면, 통합 전압의 범위는 748V 내지 844V일 수 있다. 최적 효율 PE 시스템 전압은 미리 설정된 효율맵을 참조하는 형태가 될 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
차량 통합 제어기(150)는 결정된 최적 효율 PE 시스템 전압을 만족시킬 수 있도록 직류 변환기(120)에 목표 전압 지령을 전달할 수 있다(S205).
그에 따라, 직류 변환기(120)는 제2 배터리(111)의 전압을 목표 전압 지령을 만족하도록 타입에 따라 승압 또는 강압하여 출력단에서 출력되도록 할 수 있다(S206).
합산 전압이 최적 효율 PE 시스템 전압에 도달하면 메인 릴레이(180)가 단락되어 전력 구동부(140)에 전력이 공급될 수 있다(S207).
전력 공급이 시작됨에 따라 탈착식 배터리부(110)의 대한 냉각 제어가 수행될 수 있다(S208). 일 구현에 따르면, 냉각 제어는 온도/차속 기반 냉각맵을 이용한 형태가 될 수 있다. 예컨대, 탈착식 배터리부(110)가 냉각 수단으로 냉각 팬을 가질 경우, 제2 배터리 제어기(112)는 아래 표 2와 같은 냉각맵을 참조하여 냉각 팬을 제어할 수 있다.
차속 A A+5 A+10 A+…
온도℃ (~최고속)
냉각시작최저온도 X X+y X+y1 X+y2
T+5 X1 X1+y' X1+y1' X1+y2'
T+10 X2 X2+y" X1+y1" X1+y2"
T+…
(~배터리최대온도)		 X3 X2+z X1+z1 X1+z2
표 2를 참조하면, 냉각맵은 복수의 온도 범위 및 차속 범위에 따라 냉각팬의 작동 단수나 듀티(duty)를 정의된 형태를 가질 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로 다양한 변형이 가능함은 당업자에 자명하다.
차량 운행에 따라 제1 배터리(131)와 제2 배터리(111)의 방전이 진행되면 전압 강하가 발생할 수 있다. 따라서, 차량 통합 제어기(150)는 통합 전압을 모니터링하여(S209), 최적 효율 PE 시스템 전압보다 낮아지면(S209의 Yes) 직류 변환기(120)에서 추가로 출력 전압을 높일 수 있는지 여부를 판단할 수 있다(S210).
추가적 승압이 가능한 경우(S210의 Yes), 차량 통합 제어기(150)는 다시 현재 상황에서의 최적 효율 PE 시스템 전압을 판단할 수 있다(S204).
이와 달리, 이미 직류 변환기(120)가 최대 승압 한도로 동작하고 있었던 경우 추가 승압이 불가하다(S210의 No). 강압은 통합 전압의 하락을 가져와 동일 파워를 전력 구동부(140)에 제공함에 있어 더 많은 전류를 요구하므로 제1 배터리(131)의 SOC 소모를 가속화시킨다. 따라서, 이러한 경우 차량 통합 제어기(150)는 직류 변환기(120)의 동작 상태를 기 설정된 제2 배터리(111)의 방전 기준에 도달할 때까지 유지시킬 수 있다(S211). 여기서 방전 기준은 SOC로 설정될 수도 있고, 전압으로 설정될 수도 있다.
차량 통합 제어기(150)는 제2 배터리(111)의 상태가 방전 기준에 도달한 경우(S211의 Yes), 스위치(170)를 오프하여 탈착식 배터리부(110) 및 직류 변환기(120)와 고전압 회로 연결을 해제하여 탈착식 배터리부(110)의 사용을 종료하고(S212), 제1 배터리(131)의 전력이 전력 구동부(140)로 공급되도록 할 수 있다.
지금까지 설명한 실시예들에 의하면, 직류 변환기(120)의 출력단이 메인 배터리부(130)와 직렬로 연결되므로, 메인 배터리부(130)의 제1 배터리(131)의 전압보다 큰 통합 전압의 구현이 가능하다.
따라서, 최적 효율 PE 시스템 전압이 제1 배터리(131)의 전압보다 높더라도 직류 변환기(120)의 승압/강압 범위 내에서 최적 효율 PE 시스템 전압에 대응되는 통합 전압을 전력 구동부(140)로 공급할 수 있다.
뿐만 아니라, 동일 파워를 전력 구동부(140)에 공급함에 있어서 메인 배터리부(130)를 단독으로 이용하는 경우 대비 전압이 높아지므로 전류가 상대적으로 감소한다. 따라서 제1 배터리(131)의 SOC 감소 속도를 늦출 수 있게 된다.
한편, 전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (19)

  1. 제1 배터리 및 상기 제1 배터리를 제어하는 제1 배터리 제어기를 구비하되 고정식으로 배치된 메인 배터리부를 포함하는 전동화 차량의 전원 관리 방법에 있어서,
    일단이 상기 메인 배터리부와 전기적으로 직렬로 연결된 직류 변환기의 타단에 구비된 커넥터에 제2 배터리 및 상기 제2 배터리를 제어하는 제2 배터리 제어기를 구비하는 탈착식 배터리부가 연결되는 단계;
    상기 차량 제어기에서 인버터와 모터를 포함하는 전력 구동부에 공급할 목표 통합 전압을 상기 제1 배터리에 대한 제1 배터리 정보와 상기 제2 배터리에 대한 제2 배터리 정보를 기반으로 판단하는 단계; 및
    상기 차량제어기에서 상기 판단된 목표 통합 전압에 따라, 상기 직류 변환기의 상기 일단에서 상기 제2 배터리의 전압을 승압하거나 강압하여 출력될 목표 출력 전압에 대응되는 전압 지령을 상기 직류 변환기에 전달하는 단계를 포함하는, 전동화 차량의 전원 관리 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 탈착식 배터리부가 상기 커넥터에 연결되면, 상기 제1 배터리 제어기가 상기 제2 배터리 제어기로부터 상기 제2 배터리 정보를 획득하는 단계를 더 포함하는, 전동화 차량의 전원 관리 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 획득하는 단계는,
    상기 제1 배터리 제어기가 상기 제2 배터리 정보를 상기 직류 변환기를 경유하여 획득하는 단계를 포함하는, 전동화 차량의 전원 관리 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 배터리의 현재 전압과 상기 직류 변환기의 현재 출력 전압의 합인 현재 통합 전압이 상기 목표 통합 전압보다 낮아지는 경우, 상기 차량 제어기에서 상기 직류 변환기의 추가 승압 가능 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는, 전동화 차량의 전원 관리 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 직류 변환기의 추가 승압이 불가한 경우, 상기 차량 제어기에서 상기 직류 변환기의 현재 변환 배율이 유지되도록 제어하는 단계를 더 포함하는, 전동화 차량의 전원 관리 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 배터리가 기 설정된 방전 제한 상태에 도달하면 상기 차량 제어기에서 상기 직류 변환기와 상기 메인 배터리부의 연결을 차단하는 단계를 더 포함하는, 전동화 차량의 전원 관리 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 직류 변환기와 상기 메인 배터리부의 연결이 차단되면, 상기 차량 제어기에서 상기 메인 배터리부가 단독으로 상기 전력 구동부에 전력을 공급하도록 제어하는 단계를 더 포함하는, 전동화 차량의 전원 관리 방법.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 직류 변환기의 추가 승압이 가능한 경우, 상기 차량 제어기에서 상기 목표 통합 전압을 재판단하는 단계를 더 포함하는, 전동화 차량의 전원 관리 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 탈착식 배터리부는 냉각팬을 더 포함하고,
    상기 제2 배터리 제어기에서 상기 직류 변환기를 통한 전압 변환이 수행됨에 따라 차속과 상기 제2 배터리의 온도에 기반하여 상기 냉각팬의 동작을 제어하는 단계를 더 포함하는, 전동화 차량의 전원 관리 방법.
  10. 제1 항 내지 제9 항에 따른 전동화 차량의 전원 관리 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 해독 가능 기록 매체.
  11. 모터 및 인버터를 구비하는 전력 구동부;
    상기 전력 구동부와 전기적으로 연결되며, 제1 배터리 및 상기 제1 배터리를 제어하는 제1 배터리 제어기를 구비하되, 상기 전동화 차량에 고정식으로 배치된 메인 배터리부;
    일단이 상기 메인 배터리부와 전기적으로 직렬로 연결되며, 타단에 커넥터를 구비하고, 제2 배터리 및 상기 제2 배터리를 제어하는 제2 배터리 제어기를 구비하는 탈착식 배터리부가 상기 커넥터에 연결되면 상기 커넥터를 통해 입력되는 전력을 승압 또는 강압하여 상기 일단으로 출력하는 직류 변환기; 및
    상기 전력 구동부에 공급할 목표 통합 전압을 판단하고, 상기 판단된 목표 통합 전압에 따라 상기 직류 변환기의 상기 일단에서 출력될 목표 출력 전압에 대응되는 전압 지령을 상기 직류 변환기에 전달하는 차량 제어기를 포함하는, 전동화 차량.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 배터리 제어기는,
    상기 탈착식 배터리부가 상기 커넥터에 연결되면, 상기 제2 배터리 제어기가 출력하는 제2 배터리 정보를 획득하는, 전동화 차량.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 배터리 제어기는,
    상기 제2 배터리 정보를 상기 직류 변환기를 경유하여 획득하는, 전동화 차량.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 차량 제어기는,
    상기 제1 배터리의 현재 전압과 상기 직류 변환기의 현재 출력 전압의 합인 현재 통합 전압이 상기 목표 통합 전압보다 낮아지는 경우, 상기 직류 변환기의 추가 승압 가능 여부를 판단하는, 전동화 차량.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 차량 제어기는,
    상기 직류 변환기의 추가 승압이 불가한 경우, 상기 직류 변환기의 현재 변환 배율을 유지하는, 전동화 차량.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 차량 제어기는,
    상기 제2 배터리가 기 설정된 방전 제한 상태에 도달하면 상기 직류 변환기와 상기 메인 배터리부의 연결을 차단하는, 전동화 차량.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 차량 제어기는,
    상기 직류 변환기와 상기 메인 배터리부의 연결이 차단되면, 상기 메인 배터리부가 단독으로 상기 전력 구동부에 전력을 공급하도록 제어하는, 전동화 차량.
  18. 제14 항에 있어서,
    상기 차량 제어기는,
    상기 직류 변환기의 추가 승압이 가능한 경우, 상기 목표 통합 전압을 재판단하는, 전동화 차량,
  19. 제11 항에 있어서,
    상기 탈착식 배터리부는 냉각팬을 더 포함하고,
    상기 제2 배터리 제어기는,
    상기 직류 변환기를 통한 전압 변환이 수행됨에 따라 차속과 상기 제2 배터리의 온도에 기반하여 상기 냉각팬의 동작을 제어하는, 전동화 차량.
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