WO2014182096A1 - 자동차용 충전 시스템 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

자동차용 충전 시스템 및 이를 포함하는 자동차 Download PDF

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김성종
안순호
이중재
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Definitions

  • the present invention relates to a charging system for an automobile and a vehicle including the same.
  • the charging system for an automobile capable of supplying stable electric power to an electronic device provided in the automobile as well as ensuring excellent startability of the vehicle includes the same. It's about cars.
  • the high performance of the storage battery applied to the vehicle has a large impact directly or indirectly on the development of the performance of the vehicle
  • the conventional lead acid battery is due to the performance limitation of the power supply required for the smooth start of the vehicle or mounted on the vehicle
  • An object of the present invention is to provide a charging system for a vehicle that can supply more stable power to the electronic device provided in the.
  • the automotive power source according to the present invention for solving the above technical problem is to support both the power required for starting the vehicle and the power required for the electronic device provided in the vehicle, the operating voltage range of 9V to 19V
  • the average voltage of the battery pack may have a larger value than the nominal voltage of the electronic device provided in the vehicle.
  • the lithium secondary battery having a positive electrode active material consisting of any one or more selected from the group consisting of NMC, LCO, LMO and NCA-based active material; And a negative electrode active material including one or more selected from the group consisting of graphite, LTO, soft carbon, and hard carbon.
  • the alternator may apply a charging voltage between both ends of the secondary battery pack, but may apply a voltage higher than the voltage indicated by the secondary battery pack.
  • the alternator may produce a charging current in a range of 0A to 300A and supply the secondary battery pack.
  • the output voltage of the secondary battery pack at any SOC may be higher than the output voltage of the lead acid battery pack for a 12V system at the same SOC.
  • the output voltage difference between the secondary battery pack and the 12V system lead acid battery pack in the same SOC may be 4.4V or less.
  • the vehicle power source may include an ISG release unit for releasing the ISG mode of the vehicle when the voltage of the secondary battery pack falls below a reference voltage value.
  • the above technical problem can be solved by the vehicle according to an embodiment of the present invention, the vehicle according to an embodiment of the present invention, the power required to start the vehicle and the electronic device provided in the vehicle A secondary battery pack having an operating voltage range of 9V to 19V, a maximum operating voltage range of 16V to 19V, and an average voltage of 12V or more; And an alternator for producing charging power for the secondary battery pack according to the engine driving of the vehicle.
  • the average voltage of the battery pack may have a larger value than the nominal voltage of the electronic device provided in the vehicle.
  • the lithium secondary battery having a positive electrode active material consisting of any one or more selected from the group consisting of NMC, LCO, LMO and NCA-based active material; And a negative electrode active material including one or more selected from the group consisting of graphite, LTO, soft carbon, and hard carbon.
  • the alternator may apply a charging voltage between both ends of the secondary battery pack, but may apply a voltage higher than the voltage indicated by the secondary battery pack.
  • the alternator may produce a charging current in a range of 0A to 300A and supply the secondary battery pack.
  • the output voltage of the secondary battery pack at any SOC may be higher than the output voltage of the lead acid battery pack for a 12V system at the same SOC.
  • the output voltage difference between the secondary battery pack and the 12V system lead acid battery pack in the same SOC may be 4.4V or less.
  • the vehicle may include an ISG release unit for releasing the ISG mode of the vehicle when the voltage of the secondary battery pack falls below a reference voltage value.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a charging system for a vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph comparing voltage profiles of a secondary battery pack employing LFP as a positive electrode active material and a lead acid battery pack for a 12V system.
  • FIG. 3 is a graph comparing voltage profiles of secondary battery packs employing NMC and LFP as positive electrode active materials, respectively.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a charging system for a vehicle according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a vehicle charging system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a graph comparing the voltage profile of the secondary battery pack employing LFP as a positive electrode active material and the lead acid battery pack for 12V system
  • 3 is a graph comparing voltage profiles of secondary battery packs employing NMC and LFP as positive electrode active materials, respectively.
  • the vehicle charging system 10 the starter (S) for starting the electronic device (D) and the vehicle (V) provided in the vehicle (V) Alternator 12, which charges the secondary battery pack 11 with the generated power by using the rotational force of the secondary battery pack 11 and the engine E provided in the vehicle V for supplying power required for driving of the vehicle. ).
  • the secondary battery pack 11 may have a form in which a plurality of lithium secondary batteries are connected in series, or have a form in which a plurality of lithium secondary batteries are connected in series.
  • the number of lithium secondary batteries constituting the secondary battery pack 11 is determined in consideration of the capacity and voltage required for the secondary battery pack 11, and has, for example, a form in which 30 lithium secondary batteries are connected in parallel.
  • Four secondary battery modules 11a may be formed by being connected in series.
  • the overall capacity of the secondary battery pack 11 may be changed by reducing or increasing the number of lithium secondary batteries connected in parallel, or by reducing or increasing the number of secondary battery modules 11a connected in series. Obviously, the output voltage of the battery pack 11 can be changed.
  • the operating voltage range of the secondary battery pack 11 is in the range of about 9.0V to 19.0V, and the maximum value of the operating voltage is in the range of about 16.0V to 19.0V.
  • the operating voltage range of the secondary battery pack 11 refers to the start of the vehicle and the vehicle in the range indicated by the voltage between the both ends of the secondary battery pack 11 that changes together with the SOC change of the secondary battery pack 11. It means the voltage range that enables the drive to the electrical components mounted on the.
  • the operating voltage range of the secondary battery pack 11 is set in consideration of both the smooth startability of the vehicle V and the operating voltage range of various electronic devices D included in the vehicle V.
  • the average voltage represented by the secondary battery pack 11 may be about 12V or more, preferably 13V or more, where the average voltage represented by the secondary battery pack 11 is the secondary battery pack 11 of the SOC
  • a secondary battery pack 11 capable of stably supplying sufficient power to the starter S is required.
  • a voltage range of 9 V to 19 V satisfies such a startability while The electronic device D provided in V) corresponds to an operable range.
  • the secondary battery pack 11 since the average voltage of the secondary battery pack 11 is equal to or larger than the nominal voltage 12V of the operating voltage according to the international standard (ISAD0103) of the electronic devices D applied to the vehicle, the secondary battery pack 11 Even when applied to an ISG system requiring frequent starting, it is possible to supply a stable power to electronic devices (D) mounted in a vehicle.
  • the secondary battery pack 11 having such an operating voltage range will be referred to as a secondary battery pack 11 for a 16V system.
  • the secondary battery pack 11 for the 16V system includes a lithium secondary battery having an operating voltage range of approximately 2.25V to 4.75V per unit, or a plurality of secondary battery modules 11a in which a plurality of such lithium secondary batteries are connected. It can be connected to form.
  • the type of active material constituting the lithium secondary battery and the number of lithium secondary batteries (or secondary battery modules) connected in series may be appropriately selected to satisfy the operating voltage range of the secondary battery pack 11.
  • the above-mentioned active material group is merely an example, and the active material applied to the present invention is not limited thereto.
  • various active materials such as NCA-based (lithium nickel cobalt aluminum-based) may be applied. will be.
  • a secondary battery employing such a cathode active material has an advantage of lower cost and higher output than a secondary battery employing an olivine (LFP; LiFePO 4 ) series cathode active material.
  • the negative electrode of such a lithium secondary battery may employ one or more selected from the group containing graphite, LTO (Li 4 Ti 5 O 12 ) and soft carbon as a negative electrode active material.
  • the secondary battery pack 11 for the 16V system employing the NMC as the cathode active material includes not only a lead acid battery pack for the 12V system but also a lithium secondary battery employing the LFP as the cathode active material. Even when compared to the rechargeable battery pack, the output voltage is high in all operating voltage ranges.
  • the secondary battery pack 11 for the 16V system is always high compared to the output voltage of the lead-acid battery pack for 12V system in the same SOC the output voltage of any SOC in the operating voltage range (approximately 10V to 17.4V). (The difference in the output voltage appears to be approximately 0V or more and 4.4V or less), even when compared with a secondary battery pack made of a lithium secondary battery to which LFP is applied as a cathode active material.
  • the lead acid battery pack for the 12V system is a lead acid battery having an operating voltage range of approximately 10.8V to 13.0V or a battery formed by connecting six lead acid battery modules in which a plurality of such lead acid batteries are connected in parallel. It means a pack and it is the same below.
  • the operating voltage range of the secondary battery pack 11 for the 16V system as described above, the nominal voltage (12V) according to the international standard of the various electronic devices (D) used in the vehicle to which the existing 12V system is applied
  • the electronic device D can be operated more stably by providing a voltage higher than that provided by a lead acid battery pack for a 12V system.
  • the secondary battery pack 11 for the 16V system can be used even in a lower voltage range compared to the lead acid battery pack. That is, when the lead acid battery pack is used at a lower limit of 10.8 V, which is a lower limit of the operating voltage, the rechargeable battery pack becomes impossible to be recharged, whereas the secondary battery pack 11 for the 16V system applied to the present invention is It can be used down to about 9V, lower than 10.8V.
  • the alternator 12 includes a rotor 12a having an electromagnet, a stator 12a surrounding the rotor, a stator, a regulator 12c and a regulator 12c for maintaining a generated voltage at a predetermined level.
  • a rectifier 12d for converting the alternating current to the direct current is provided.
  • the alternator 12 an alternator generally used for automobiles may be applied.
  • the battery pack applied to the vehicle charging system 10 is a secondary battery pack 11 for a 16V system
  • the use voltage band is different from that of a lead acid battery pack for a 12V system.
  • the charging voltage of the alternator 12 also needs to be changed, and the charging voltage of the alternator 12 is output by the secondary battery pack 11 at the time of charging. It must be higher than the voltage.
  • This charging voltage band can be changed by partially changing the design of the voltage regulating circuit (excitation circuit) of the regulator 12c included in the alternator 12, for example, by changing some resistance values on the circuit or on the circuit. It can be changed by simple measures such as changing the breakdown voltage value of the installed zener diode.
  • the vehicle charging system 10 despite the application of the secondary battery pack 11 for the 16V system having a higher band operating voltage, other devices used under the existing 12V system It can be used almost without changing their structure.
  • the alternator 12 may supply a charging current in the range of about 0A to 300A to the secondary battery pack 11, and preferably, may supply a charging current in the range of about 80A to 250A.
  • This charging current range supplied by the alternator 12 is much larger in maximum value compared to the range of charging current values (approximately 80A to 110A) set for a conventional lead acid battery for a 12V system.
  • the secondary battery pack 11 applied to the vehicle charging system 10 according to the present invention adopts a lithium secondary battery having a high operating voltage band, so that even if a charging current having such a large value is supplied, the secondary battery pack 11 smoothly receives the charging current efficiently. Make it happen.
  • the vehicle charging system 10 includes a secondary battery pack 11 having an increased maximum operating voltage range compared to an existing system, and thus, particularly in a vehicle to which an ISG system is applied. This ensures relatively stable starting even in situations where the output voltage can be easily reduced due to frequent starting.
  • the vehicle charging system 11 has an increased maximum operating voltage range in comparison with the existing vehicle charging system, thereby further providing electronic devices D mounted in the vehicle. It can supply stable power.
  • the secondary battery pack 11 applied to the vehicle charging system 10 may efficiently receive power provided from the alternator 12 by employing a lithium secondary battery instead of a lead acid battery.
  • the secondary battery pack 11 can receive the regenerative braking energy very efficiently, particularly when the vehicle V is provided with a charging system using the regenerative braking energy, thereby providing a more stable power supply. .
  • the secondary battery pack 11 applied to the vehicle charging system 10 has a lower minimum operating voltage compared to a lead acid battery pack, the current consumption increases rapidly (for example, in the application of an ISG system). It is possible to supply the power more stably in the restart.
  • the ISG release unit 13 initializes the electronic devices D mounted in the vehicle when the voltage of the secondary battery pack 11 decreases rapidly due to a sharp increase in current in restarting the vehicle to which the ISG system is applied. In order to prevent the phenomenon, when the voltage of the secondary battery pack 11 drops below a certain level, the ISG mode is released to prevent starting even when the vehicle is stopped.
  • the ISG release unit 13 may operate by outputting an ISG mode release signal to a main control unit (MCU) of the vehicle with reference to the voltage (or SOC) of the secondary battery pack 11.
  • the voltage measurement of the secondary battery pack 11 may be performed by a voltage measuring means separately provided or may be directly performed by the ISG release unit 13.
  • the reference voltage (or SOC) on which the ISG mode is released may be variously set according to the displacement of the vehicle, the type of starter used, and the like.
  • the vehicle when the ISG mode is released, the vehicle is kept in the starting state until the user turns off the engine through the key off, so that the secondary battery pack 11 can be freed from the low voltage danger by charging the secondary battery pack 11 by the operation of the alternator. do.
  • each component illustrated in FIG. 1 should be understood as logically divided components rather than physically divided components.
  • each component of the present invention corresponds to a logical component for realizing the technical idea of the present invention, so that even if each component is integrated or separated, the function according to the logical configuration of the present invention can be realized. Should be interpreted to be within the scope of.
  • any component that performs the same or similar functions should be construed as being within the scope of the present invention regardless of whether the names match.

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 파워 소스는, 자동차의 시동에 요구되는 전력 및 상기 자동차에 구비된 전자기기에 요구되는 전력을 함께 지원하는 것으로서, 9V 내지 19V의 동작 전압 범위를 가지며, 최대 동작 전압 범위가 16V 내지 19V 에 해당하고, 평균 전압은 12V 이상인 이차전지 팩; 및 상기 자동차의 엔진 구동에 따라 상기 이차전지 팩에 대한 충전전력을 생산하는 알터네이터를 포함한다.

Description

자동차용 충전 시스템 및 이를 포함하는 자동차
본 발명은 자동차용 충전 시스템 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 구체적으로는 자동차의 우수한 시동성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 자동차에 구비되는 전자기기에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 자동차용 충전 시스템 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2013년 05월 08일에 출원된 한국특허출원 제10-2013-0052089호에 기초한 우선권 주장을 하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
또한, 본 출원은 2014년 05월 08일에 출원된 한국특허출원 제10-2014-0055108호에 기초한 우선권 주장을 하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
최근의 자동차 산업에 있어서 연비의 향상과 CO2 저감은 큰 숙제로 남아 있는데, 자동차 업계는 축전지의 고도화에 의하여 엔진 부하를 줄임으로써 연비를 향상시키려는 노력을 지속적으로 하고 있다.
아울러, 최근에 많은 개발이 이루어지고 있는 ISG 시스템(Idle stop and go system)과 마이크로 하이브리드 시스템(Micro hybrid system)이 성공적으로 정착하기 위해서는 이러한 축전지의 고성능화가 더욱 절실히 요구된다.
이처럼, 자동차에 적용되는 축전지의 고성능화는 자동차의 성능 발전에 있어서 직간접적으로 많은 영향을 미치는데, 종래의 납축전지는 그 성능적인 한계로 인해 자동차의 원활한 시동에 필요한 전력의 공급이나 자동차에 탑재된 수 많은 전자기기에 대한 안정적인 출력 공급 등에 있어서 많은 한계를 드러내고 있다.
따라서, 자동차에 적용되는 다른 부품들의 변화를 최소화 하면서도 상술한 문제점들을 충분히 해소할 수 있는 충전 시스템의 도입이 절실히 요구되는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 현재 자동차에 적용되는 부품의 전체적인 구성을 크게 변화시키지 않고도 자동차의 우수한 시동성을 확보할 수 있고, 더욱 우수한 충전 효율을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 자동차에 구비된 전자기기에 대해 더욱 안정적인 전력을 공급할 수 있는 자동차용 충전 시스템을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 위에서 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 자동차용 파워 소스는, 자동차의 시동에 요구되는 전력 및 상기 자동차에 구비된 전자기기에 요구되는 전력을 함께 지원하는 것으로서, 9V 내지 19V의 동작 전압 범위를 가지며, 최대 동작 전압 범위가 16V 내지 19V 에 해당하고, 평균 전압은 12V 이상인 이차전지 팩; 및 상기 자동차의 엔진 구동에 따라 상기 이차전지 팩에 대한 충전전력을 생산하는 알터네이터를 포함한다.
상기 배터리 팩의 평균 전압은 자동차에 구비된 전자기기가 갖는 공칭 전압보다 더 큰 값을 가질 수 있다.
상기 리튬 이차전지는, NMC, LCO, LMO 및 NCA 계열의 활물질을 포함하는 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 이루어지는 양극 활물질을 구비하는 양극; 및 흑연, LTO, 소프트 카본 및 하드 카본을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어지는 음극 활물질을 구비하는 음극을 포함할 수 있다.
상기 알터네이터는, 상기 이차전지 팩의 양 단 사이에 충전 전압을 인가하되, 이차전지 팩이 나타내는 전압보다 더 높은 전압을 인가할 수 있다.
상기 알터네이터는, 0A 내지 300A 범위의 충전전류를 생산하여 상기 이차전지 팩에 공급할 수 있다.
임의의 SOC 에서의 상기 이차전지 팩의 출력 전압은 동일한 SOC 에서의 12V 시스템용 납축전지 팩의 출력전압과 비교하여 높게 나타날 수 있다.
상기 동일한 SOC 에서의 상기 이차전지 팩과 12V 시스템 납축전지 팩 사이의 출력 전압 차이는 4.4V 이하일 수 있다.
상기 자동차용 파워 소스는, 이차전지 팩의 전압이 기준 전압 값 미만으로 떨어지는 경우에는 상기 자동차의 ISG 모드를 해제시키는 ISG 해제 유닛을 구비할 수 있다.
한편, 상술한 기술적 과제는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차에 의해서도 해결될 수 있는데, 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 자동차의 시동에 요구되는 전력 및 상기 자동차에 구비된 전자기기에 요구되는 전력을 함께 지원하는 것으로서, 9V 내지 19V의 동작 전압 범위를 가지며, 최대 동작 전압 범위가 16V 내지 19V 에 해당하고, 평균 전압은 12V 이상인 이차전지 팩; 및 상기 자동차의 엔진 구동에 따라 상기 이차전지 팩에 대한 충전전력을 생산하는 알터네이터를 포함한다.
상기 배터리 팩의 평균 전압은 자동차에 구비된 전자기기가 갖는 공칭 전압보다 더 큰 값을 가질 수 있다.
상기 리튬 이차전지는, NMC, LCO, LMO 및 NCA 계열의 활물질을 포함하는 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 이루어지는 양극 활물질을 구비하는 양극; 및 흑연, LTO, 소프트 카본 및 하드 카본을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어지는 음극 활물질을 구비하는 음극을 포함할 수 있다.
상기 알터네이터는, 상기 이차전지 팩의 양 단 사이에 충전 전압을 인가하되, 이차전지 팩이 나타내는 전압보다 더 높은 전압을 인가할 수 있다.
상기 알터네이터는, 0A 내지 300A 범위의 충전전류를 생산하여 상기 이차전지 팩에 공급할 수 있다.
임의의 SOC 에서의 상기 이차전지 팩의 출력 전압은 동일한 SOC 에서의 12V 시스템용 납축전지 팩의 출력전압과 비교하여 높게 나타날 수 있다.
상기 동일한 SOC 에서의 상기 이차전지 팩과 12V 시스템 납축전지 팩 사이의 출력 전압 차이는 4.4V 이하일 수 있다.
상기 자동차는, 이차전지 팩의 전압이 기준 전압 값 미만으로 떨어지는 경우에는 상기 자동차의 ISG 모드를 해제시키는 ISG 해제 유닛을 구비할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리의 출력 전압이 상승함에도 불구하고 그 전압의 범위가 자동차에 탑재된 전자기기의 동작 전압 범위를 벗어나지 않으므로 현재 이용되는 자동차용 충전 시스템의 전반적인 구성을 바꿀 필요가 없다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 종래의 충전 시스템 대비 높은 출력 전압으로 통해 자동차의 우수한 시동성을 확보할 수 있으며, 특히 ISG 시스템(Idle stop and go system)이 적용된 자동차와 같이 잦은 시동을 필요로 하는 자동차에 대해 안정적인 시동성을 확보할 수 있도록 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 종래의 충전 시스템 대비 높은 전압 대역으로 인해 자동차의 알터네이터(Alternator)로부터 공급되는 충전전압 및 회생제동 에너지를 더욱 효율적으로 받아들일 수 있게 되며, 이로써 더욱 효율적인 충전이 가능하게 된다.
다만, 본 발명의 구성을 통해 얻을 수 있는 효과는 상기 언급한 효과들에 한정되는 것은 아니며, 위에서 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 충전 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 LFP를 양극 활물질로서 채용한 이차전지 팩과 12V 시스템용 납축전지 팩의 전압 프로파일을 비교한 그래프이다.
도 3은 양극 활물질로서 각각 NMC와 LFP를 채용한 이차전지 팩의 전압 프로파일을 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동차용 충전 시스템을 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 충전 시스템 혹은 파워 소스(10)를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 충전 시스템을 나타내는 블록도이고, 도 2는 LFP를 양극 활물질로서 채용한 이차전지 팩과 12V 시스템용 납축전지 팩의 전압 프로파일을 비교한 그래프이고, 도 3은 양극 활물질로서 각각 NMC와 LFP를 채용한 이차전지 팩의 전압 프로파일을 비교한 그래프이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 충전 시스템(10)은, 자동차(V)에 구비된 전자기기(D) 및 자동차(V)의 시동을 위한 스타터(S)의 구동에 요구되는 전력을 공급하는 이차전지 팩(11) 및 자동차(V)에 구비된 엔진(E)의 회전력을 이용하여 발생된 전력으로 이차전지 팩(11)을 충전시키는 알터네이터(12, Alternator)를 포함한다.
상기 이차전지 팩(11)은 리튬 이차전지 복수개가 직렬로 연결된 형태를 갖거나, 이러한 리튬 이차전지 복수개가 병렬로 연결되어 구현된 이차전지 모듈(11a) 복수개가 직렬로 연결된 형태를 가질 수 있다.
상기 이차전지 팩(11)을 이루는 리튬 이차전지의 개수는 이차전지 팩(11)에 요구되는 용량 및 전압 등을 고려하여 결정되는 것으로서, 예를 들어 30개의 리튬 이차전지가 병렬로 연결된 형태를 갖는 이차전지 모듈(11a) 4개가 직렬로 연결됨으로써 형성될 수 있다. 물론, 병렬로 연결된 리튬 이차전지의 개수를 감소시키거나 늘림으로써 이차전지 팩(11)의 전체적인 용량을 변화시킬 수도 있고, 직렬로 연결되는 이차전지 모듈(11a)의 개수를 감소시키거나 늘림으로써 이차전지 팩(11)의 출력 전압을 변화시킬 수 있음은 자명한 것이다.
상기 이차전지 팩(11)이 갖는 동작전압 범위는 대략 9.0V 내지 19.0V 범위이며, 동작전압의 최대 값은 대략 16.0V 내지 19.0V 범위에 해당한다. 여기서, 이차전지 팩(11)이 갖는 동작 전압 범위라 함은, 이차전지 팩(11)의 SOC 변화에 따라 함께 변하는 이차전지 팩(11) 양 단 사이의 전압이 나타내는 범위 중에서 자동차의 시동 및 자동차에 탑재된 전장부품에 대한 구동을 가능하게 하는 전압 범위를 의미하는 것이다. 또한, 이러한 이차전지 팩(11)의 동작전압 범위는 자동차(V)의 원활한 시동성 및 자동차(V)에 구비된 각종 전자기기(D)들의 동작 전압 범위를 모두 고려하여 설정된 것이다.
한편, 상기 이차전지 팩(11)이 나타내는 평균 전압은 대략 12V 이상, 바람직하게는 13V 이상을 나타날 수 있는데, 여기서 이차전지 팩(11)이 나타내는 평균 전압은 SOC에 따른 이차전지 팩(11)의 전압 값의 최대치와 최소치의 산술 평균을 의미하는 것이다.
자동차(V)의 원활한 시동을 위해서는 스타터(S)에 충분한 전력을 안정적으로 공급해 줄 수 있는 이차전지 팩(11)이 요구되는데, 9V 내지 19V의 전압 범위는 이러한 시동성의 요구를 충족시켜 주면서도 자동차(V)에 구비된 전자기기(D)가 동작 가능한 범위에 해당하는 것이다.
특히, 이러한 이차전지 팩(11)의 평균 전압은, 자동차에 적용되는 전자기기(D)들의 국제표준(ISAD0103)에 따른 동작 전압의 공칭 전압(12V)과 동일하거나 더 크기 때문에 이차전지 팩(11)이 잦은 시동이 요구되는 ISG 시스템에 적용되는 경우에도 자동차에 탑재된 전자기기(D)들에 대해서 안정적인 전력 공급이 가능하게 된다.
이하, 이러한 동작전압 범위를 갖는 이차전지 팩(11)을 16V 시스템용 이차전지 팩(11)이라 칭하기로 한다.
이러한 16V 시스템용 이차전지 팩(11)은, 개당 대략 2.25V 내지 4.75V 범위에 속하는 동작 전압 범위를 갖는 리튬 이차전지 또는 이러한 리튬 이차전지가 복수개 연결되어 구현된 이차전지 모듈(11a) 복수개가 직렬로 연결되어 형성될 수 있다.
리튬 이차전지를 이루는 활물질의 종류 및 직렬 연결되는 리튬 이차전지(또는 이차전지 모듈)의 개수는, 이러한 이차전지 팩(11)의 동작 전압 범위를 만족시키기 위해서 적절히 선택될 수 있다.
아울러, 상기와 같은 동작전압 범위를 갖는 리튬 이차전지의 양극은, 예를 들어 NMC(Li(NixCoyMoz)O2(단, x>0, y>0, z>0, x+y+z=1)), LCO(LiCoO2) 및 LMO(LiMoO2)를 포함하는 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상을 양극 활물질로 채용한 것일 수 있다.
다만, 상기 언급한 활물질 그룹은 예시적인 것일 뿐 본 발명에 적용되는 활물질이 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외에도 예를 들어 NCA 계열(리튬 니켈 코발트 알루미늄 계열) 등의 활물질과 같이 다양한 활물질들이 적용될 수 있는 것이다.
이러한 양극 활물질을 채용한 이차전지는, 올리빈(LFP; LiFePO4) 계열의 양극 활물질을 채용한 이차전지와 비교하여 그 코스트(cost)가 낮고 더 고출력을 낼 수 있다는 장점이 있다.
또한, 이러한 리튬 이차전지의 음극은, 예를 들어 흑연, LTO(Li4Ti5O12) 및 소프트 카본을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 음극 활물질로서 채용한 것일 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, NMC를 양극 활물질로 채용한 16V 시스템용 이차전지 팩(11)은 기존의 12V 시스템용 납축전지 팩 뿐만 아니라, LFP를 양극 활물질로 채용한 리튬 이차전지로 구성되는 이차전지 팩과 비교하더라도 모든 동작전압 구간에서 높은 출력 전압을 나타낸다.
즉, 상기 16V 시스템용 이차전지 팩(11)은 동작전압 구간(대략 10V 내지 17.4V)의 임의의 SOC에서의 출력전압이 동일한 SOC에서의 12V 시스템용 납축전지 팩의 출력전압과 비교하여 항상 높으며(출력전압의 차이는 대략 0V 초과 4.4V 이하 수준으로 나타남), 이는 양극 활물질로서 LFP가 적용된 리튬 이차전지로 이루어진 이차전지 팩과 비교하더라도 마찬가지이다.
여기서, 상기 12V 시스템용 납축전지 팩이라 함은, 대략 10.8V 내지 13.0V 의 동작전압 범위를 갖는 납축전지 또는 이러한 납축전지가 복수개 병렬로 연결되어 구현된 납축전지 모듈 6개가 직렬로 연결되어 형성된 전지 팩을 의미하는 것이며, 이하 동일하다.
한편, 상기 16V 시스템용 이차전지 팩(11)이 갖는 동작전압 범위는, 상술한 바와 같이 기존의 12V 시스템이 적용된 자동차에서 사용되는 각종 전자기기(D)들의 국제표준 규격에 따른 공칭전압(12V)보다 큰 평균 전압 범위를 가질 뿐만 아니라, 기존의 12V 시스템용 납축전지 팩이 제공하는 전압보다 더 높은 전압을 제공함으로써 전자기기(D)를 더욱 안정적으로 동작시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 16V 시스템용 이차전지 팩(11)은, 납축전지 팩과 비교하여 더 낮은 전압 대역까지도 사용이 가능하다. 즉, 상기 납축전지 팩은 동작 전압의 하한 값인 10.8V 이하까지 사용하는 경우, 재충전이 불가능하게 되어 이차전지로서의 기능을 상실하게 되는 반면, 본 발명에 적용되는 16V 시스템용 이차전지 팩(11)은 10.8V보다 더 낮은 대략 9V 정도까지도 사용이 가능하다.
다음은, 도 1에 도시된 상기 알터네이터(12)를 설명하기로 한다. 상기 알터네이터(12)는 전자석을 구비하는 로터(12a, rotor), 로터의 주위를 감싸는 스테이터(12a, stator), 발생된 전압을 일정 수준으로 유지시켜 주는 레귤레이터(12c, regulator) 및 레귤레이터(12c)를 거쳐 나온 교류를 직류로 바꾸어 주는 렉티파이어(12d, rectifier)를 구비한다.
상기 알터네이터(12)로는 통상적으로 자동차용으로 사용되는 알터네이터가 적용될 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 충전 시스템(10)에 적용되는 전지 팩은 16V 시스템용 이차전지 팩(11)으로서 기존의 12V 시스템용 납축전지 팩과는 사용 전압 대역이 다르므로 이러한 16V 시스템용 이차전지 팩(11)을 원활하게 충전하기 위해서는 알터네이터(12)의 충전전압 역시 변경될 필요가 있으며, 이러한 알터네이터(12)의 충전전압은 충전 시점에 이차전지 팩(11)이 나타내는 출력 전압보다는 더 높아야 한다.
이러한 충전전압 대역은, 알터네이터(12)에 구비된 레귤레이터(12c)의 전압조절 회로(여자회로)의 설계를 일부 바꾸어 줌으로서 변경이 가능한데, 예를 들어 회로 상의 일부 저항 값을 바꾸어주거나 회로상에 설치된 제너다이오드의 항복전압 값을 바꾸어 주는 등의 간단한 조치를 통해 변경될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 충전 시스템(10)은 더 높은 대역의 동작전압을 갖는 16V 시스템용 이차전지 팩(11)을 적용했음에도 불구하고, 기존의 12V 시스템 하에서 사용되던 다른 장치들의 구조를 크게 변경시키지 않고 거의 그대로 사용할 수 있는 것이다.
아울러, 상기 알터네이터(12)는 대략 0A 내지 300A 범위의 충전전류를 이차전지 팩(11)에 공급할 수 있으며, 바람직하게는 대략 80A 내지 250A 범위의 충전전류를 공급할 수 있다. 상기 알터네이터(12)가 공급하는 이러한 충전전류 범위는, 기존의 12V 시스템용 납축전지에 적합하게 설정된 충전전류 값의 범위(대략 80A 내지 110A)와 비교해 볼 때 그 최대 값이 훨씬 더 크다.
본 발명에 따른 자동차용 충전 시스템(10)에 적용된 이차전지 팩(11)은 높은 동작전압 대역을 갖는 리튬 이차전지를 채용 함으로써 이러한 큰 값을 갖는 충전전류를 공급하더라도 이를 원활하게 받아들여 효율적인 충전이 이루어질 수 있도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 충전 시스템(10)은, 기존의 시스템 대비 상승된 최대 동작전압 범위를 갖는 이차전지 팩(11)을 구비함으로써 특히 ISG 시스템이 적용된 차량에 있어서 잦은 시동으로 인해 출력 전압이 쉽게 감소할 수 있는 상황에서도 상대적으로 안정적인 시동성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 충전 시스템(11)은, 기존의 자동차용 충전 시스템과 비교하여 상승된 최대 동작전압 범위를 가짐으로써 자동차에 탑재된 전자기기(D)들에 대해서 더욱 안정적인 전력을 공급할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 자동차용 충전 시스템(10)에 적용된 이차전지 팩(11)은 납축전지 대신 리튬 이차전지를 채용함으로써 알터네이터(12)로부터 제공되는 전력을 효율적으로 받아들일 수 있다. 상기 이차전지 팩(11)은, 특히 자동차(V)에 회생제동 에너지를 이용한 충전 시스템이 구비된 경우에 있어서, 이러한 회생제동 에너지를 매우 효율적으로 받아들일 수 있어 더욱 안정적인 전력 공급을 할 수 있게 된다.
또한, 상기 자동차용 충전 시스템(10)에 적용된 이차전지 팩(11)은, 납축전지 팩과 비교하여 더 낮은 최소 동작전압을 가짐으로써 전류 사용량이 급격히 증가 하는 경우(예를 들어, ISG 시스템 적용에 따른 재시동 등)에 있어서 더욱 안정적으로 전력을 공급할 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 충전 시스템(10)이 잦은 재시동을 요하는 ISG 시스템이 적용된 자동차에 이용되는 경우, 이러한 자동차용 충전 시스템(10)은 재시동에 따른 전압의 급감으로 인해 이차전지 팩(11)의 전압이 일정 미만으로 떨어짐으로써 자동차에 탑재된 모든 전자기기들이 리셋(reset)되는 현상을 방지하기 위해 ISG 해제 유닛(13)을 더 구비할 수도 있다.
이 경우, 상기 ISG 해제 유닛(13)은, ISG 시스템이 적용된 자동차의 재시동에 있어서 전류의 급격한 증가로 인한 이차전지 팩(11)의 전압 급감 시에 자동차에 탑재된 전자기기(D)들이 초기화 되는 현상을 방지하기 위해 이차전지 팩(11)의 전압이 일정 수준 미만으로 떨어지는 경우에는 ISG 모드를 해제시킴으로써 자동차가 정지하더라도 시동이 꺼지지 않도록 한다.
이러한 ISG 해제 유닛(13)은, 예를 들어, 이차전지 팩(11)의 전압(또는 SOC)을 참조하여 차량의 MCU(Main control unit)에 ISG 모드 해제 신호를 출력하는 방식으로 동작할 수 있으며, 이차전지 팩(11)의 전압 측정은 별도로 구비된 전압 측정 수단에 의해 실행될 수도 있고 ISG 해제 유닛(13)에 의해 직접 수행될 수도 있다.
여기서, ISG 모드 해제가 실행되는 기준 전압(또는 SOC)은 자동차의 배기량, 사용되는 스타터의 종류 등에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
이처럼, ISG 모드가 해제되는 경우 자동차는 사용자가 키 오프(off)를 통해 시동을 끄기 전에는 시동 상태를 유지함으로써 알터네이터의 동작에 의한 이차전지 팩(11)의 충전을 통해 저 전압 위험으로부터 벗어날 수 있게 된다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 도 1에 도시된 각 구성요소들은 물리적으로 구분되는 구성요소라기 보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.
즉, 본 발명의 각각의 구성요소들은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위한 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되더라도 본 발명의 논리 구성에 따른 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 한다. 뿐만 아니라, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭의 일치 여부와 무관하게 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (18)

  1. 자동차의 시동에 요구되는 전력 및 상기 자동차에 구비된 전자기기에 요구되는 전력을 함께 지원하는 것으로서, 9V 내지 19V의 동작 전압 범위를 가지며, 최대 동작 전압 범위가 16V 내지 19V 에 해당하고, 평균 전압은 12V 이상인 이차전지 팩; 및
    상기 자동차의 엔진 구동에 따라 상기 이차전지 팩에 대한 충전전력을 생산하는 알터네이터를 포함하는 자동차용 파워 소스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 평균 전압은 자동차에 구비된 전자기기가 갖는 공칭 전압보다 더 큰 값을 갖는 것을 특징으로 하는 자동차용 파워 소스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 이차전지는,
    NMC, LCO, LMO 및 NCA 계열의 활물질을 포함하는 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 이루어지는 양극 활물질을 구비하는 양극; 및
    흑연, LTO, 소프트 카본 및 하드 카본을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어지는 음극 활물질을 구비하는 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 파워 소스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 알터네이터는,
    상기 이차전지 팩의 양 단 사이에 충전 전압을 인가하되, 이차전지 팩이 나타내는 전압보다 더 높은 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 자동차용 파워 소스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 알터네이터는,
    0A 내지 300A 범위의 충전전류를 생산하여 상기 이차전지 팩에 공급하는 것을 특징으로 하는 자동차용 파워 소스.
  6. 제1항에 있어서,
    임의의 SOC 에서의 상기 이차전지 팩의 출력 전압은 동일한 SOC 에서의 12V 시스템용 납축전지 팩의 출력전압과 비교하여 높게 나타나는 것을 특징으로 하는 자동차용 파워 소스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 동일한 SOC 에서의 상기 이차전지 팩과 12V 시스템 납축전지 팩 사이의 출력 전압 차이는 4.4V 이하인 것을 특징으로 하는 자동차용 파워 소스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이차전지 팩은,
    13V 이상의 평균 전압을 나타내는 것을 특징으로 하는 자동차용 파워 소스.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자동차용 파워 소스는,
    이차전지 팩의 전압이 기준 전압 값 미만으로 떨어지는 경우에는 상기 자동차의 ISG 모드를 해제시키는 ISG 해제 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 자동차용 파워 소스.
  10. 자동차의 시동에 요구되는 전력 및 상기 자동차에 구비된 전자기기에 요구되는 전력을 함께 지원하는 것으로서, 9V 내지 19V의 동작 전압 범위를 가지며, 최대 동작 전압 범위가 16V 내지 19V 에 해당하고, 평균 전압은 12V 이상인 이차전지 팩; 및
    상기 자동차의 엔진 구동에 따라 상기 이차전지 팩에 대한 충전전력을 생산하는 알터네이터를 포함하는 자동차.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 평균 전압은 자동차에 구비된 전자기기가 갖는 공칭 전압보다 더 큰 값을 갖는 것을 특징으로 하는 자동차.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 리튬 이차전지는,
    NMC, LCO, LMO 및 NCA 계열의 활물질을 포함하는 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 이루어지는 양극 활물질을 구비하는 양극; 및
    흑연, LTO, 소프트 카본 및 하드 카본을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어지는 음극 활물질을 구비하는 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 알터네이터는,
    상기 이차전지 팩의 양 단 사이에 충전 전압을 인가하되, 이차전지 팩이 나타내는 전압보다 더 높은 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 자동차.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 알터네이터는,
    0A 내지 300A 범위의 충전전류를 생산하여 상기 이차전지 팩에 공급하는 것을 특징으로 하는 자동차.
  15. 제10항에 있어서,
    임의의 SOC 에서의 상기 이차전지 팩의 출력 전압은 동일한 SOC 에서의 12V 시스템용 납축전지 팩의 출력전압과 비교하여 높게 나타나는 것을 특징으로 하는 자동차.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 동일한 SOC 에서의 상기 이차전지 팩과 12V 시스템 납축전지 팩 사이의 출력 전압 차이는 4.4V 이하인 것을 특징으로 하는 자동차.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 이차전지 팩은,
    13V 이상의 평균 전압을 나타내는 것을 특징으로 하는 자동차.
  18. 제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자동차는,
    이차전지 팩의 전압이 기준 전압 값 미만으로 떨어지는 경우에는 상기 자동차의 ISG 모드를 해제시키는 ISG 해제 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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