KR101698766B1 - 배터리 팩, 이의 충전 방법, 및 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

배터리 팩, 이의 충전 방법, 및 배터리 팩을 포함하는 자동차 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예들은 배터리 팩, 이의 충전 방법, 및 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것으로, 전력을 저장하는 배터리 셀과, 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부를 포함하며, 배터리 관리부는 배터리 셀의 충전 동안, 충전 전류가 증가하는 제1 구간, 충전 전류가 감소하는 제2 구간, 및 충전 전류가 다시 증가하는 제3 구간을 포함하여 배터리 셀을 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.

Description

배터리 팩, 이의 충전 방법, 및 배터리 팩을 포함하는 자동차{Battery pack, charging method of the battery pack, and vehicle including the battery pack}
본 발명의 실시 예들은 배터리 팩, 이의 충전 방법, 및 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이다.
휴대용 전자기기, 예를 들어 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등이 널리 사용됨에 따라서 이들 휴대용 전자기기를 동작시키기 위한 전원을 공급하는 배터리에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다. 또한 최근에는 전기 자동차, 무정전 전원 장치(UPS)나 에너지 저장 시스템 등에 사용되는 대용량 배터리 시스템에 대한 연구 개발도 활발하다.
배터리는 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 보호회로와 함께 배터리 팩 형태로 제공되며, 배터리를 효율적으로 그리고 안전하게 충전 또는 방전하기 위하여 보호회로에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 또한 배터리의 수명을 증가시키기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
미국 등록 특허공보 제5500584호(1996.03.19) 일본 등록 특허공보 제4768090호(2011.06.24)
본 발명의 실시 예들이 해결하고자 하는 과제는 배터리 셀의 수명을 증가시킬 수 있는 배터리 팩, 이의 충전 방법 및 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시 예들의 일 측면은 전력을 저장하는 배터리 셀과, 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부를 포함하며, 배터리 관리부는 배터리 셀의 충전 동안, 충전 전류가 증가하는 제1 구간, 충전 전류가 감소하는 제2 구간, 및 충전 전류가 다시 증가하는 제3 구간을 포함하여 배터리 셀을 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
이러한 본 발명의 다른 특징에 따르면, 제1 구간 내지 제3 구간은 배터리 셀의 총 충전 시간의 절반의 시간 동안 수행될 수 있다.
이때, 제1 구간 내지 제3 구간 동안 충전하는 양을 총 충전 시간 동안 충전하는 양의 절반이 되도록 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제2 구간과 제3 구간 사이에 충전 전류를 일정하게 유지하는 제4 구간을 더 포함할 수 있다.
그리고 제1 구간 내지 제4 구간은 배터리 셀의 총 충전 시간의 절반의 시간 동안 수행될 수 있다.
이때, 제1 구간 내지 제4 구간 동안 충전하는 양을 총 충전 시간 동안 충전하는 양의 절반이 되도록 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제1 구간 및 제 3구간에서, 충전 전류를 서서히 증가시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 시간에 따른 충전 전류의 곡선 그래프에 있어서, 제1 구간과 제3 구간 사이에 변곡점을 구비할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시 예들의 다른 측면은 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하는 제어부를 포함하는 자동차로서, 상기 제어부는, 상기 배터리 셀의 충전 동안, 충전 전류가 증가하는 제1 구간, 상기 충전 전류가 감소하는 제2 구간, 및 상기 충전 전류가 다시 증가하는 제3 구간을 포함하여 상기 배터리 셀을 충전하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
상기와 같은 구성에 의하여 배터리 셀의 수명을 증가시킬 수 있는 배터리 팩, 이의 충전 방법 및 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 충전 전류 파형을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩의 충전 전류 파형을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 충전 전류 파형에 따른 수명을 나타내는 표이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩의 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동차의 구성을 나타내는 블럭도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 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. 본 출원에서, "포함하다" 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.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(10)을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(10)은 배터리(100)와 보호회로(200)를 포함한다. 보호회로(200)는 배터리 관리부(Battery Management System, 이하 'BMS'라고 한다)(210), 전류 조절부(220), 충전 제어 스위치(230), 방전 제어 스위치(240), 보호소자(250), 퓨즈 제어 스위치(260), 단자부(270)를 포함한다.
배터리(100)는 전력을 저장하고, 배터리 팩(10)이 장착되는 전자기기에 저장된 전력을 공급한다. 또한 충전기가 배터리 팩(10)에 연결되는 경우 배터리(100)는 외부 전력에 의하여 충전될 수 있다. 배터리(100)는 적어도 하나의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 배터리 셀로는 리튬-이온 전지(lithium ion battery)가 사용될 수 있다.
BMS(210)는 배터리(100)의 충전 및 방전 동작을 제어하며, 보호회로(200)의 전반적인 동작을 제어한다. BMS(210)는 전원 단자(VDD), 그라운드 단자(VSS), 전류 제어 단자(CC), 충전 제어 단자(CHG), 방전 제어 단자(DCG), 퓨즈 제어 단자(FC), 데이터 단자(Data), 전류 측정 단자(ID1,ID2)를 포함할 수 있다.
BMS(210)는 전원 단자(VDD)와 그라운드 단자(VSS)를 통하여 전원 전압과 그라운드 전압이 각각 인가된다.
BMS(210)는 충전 동작 동안 배터리 팩(10)에 이상이 있는 경우, 충전 제어 단자(CHG)를 통하여 충전 제어 신호를 출력하여 충전 제어 스위치(230)에 인가한다. 또한 BMS(210)는 방전 동작 동안 배터리 팩(10)에 이상이 있는 경우, 방전 제어 단자(DCG)를 통하여 방전 제어 신호를 출력하여 방전 제어 스위치(240)에 인가한다.
BMS(210)는 전류 제어 단자(CC)를 통하여 전류 제어 신호를 출력하여 전류 조절부(220)로 인가한다. 또한 BMS(210)는 퓨즈 제어 단자(FC)를 통하여 퓨즈 제어 스위치(260)로 퓨즈 제어 신호를 출력한다.
BMS(210)는 데이터 단자(Data)를 통하여 데이터를 출력하며, 출력한 데이터는 통신 단자(273)를 통하여 외부 장치로 전달된다. 그리고 BMS(210)는 통신 단자(273)로 인가된 데이터나 명령을 데이터 단자(Data)를 통하여 수신할 수 있다.
또한 BMS(210)는 전류 측정 단자(ID1,ID2)를 통하여 전류 측정 저항(Ri) 양단의 전압을 측정한다. 전류 측정 단자(ID1,ID2)와 전류 측정 저항(Ri) 사이에는 저항(R1,R2)이 연결될 수 있다. BMS(210)는 전류 측정 저항(Ri)의 크기 및 측정한 양단 전압을 사용하여 배터리(100)에 흐르는 전류를 측정할 수 있다.
BMS(210)는 배터리(100)의 충전 상태 또는 방전 상태, 온도, 배터리 팩(10) 내부의 전류 흐름 상태 등을 모니터링 한다. 또한 BMS(210)는 배터리 셀들 사이의 중간 전압을 측정할 수 있다. BMS(210)는 모니터링 또는 측정 결과에 따라서 배터리 셀의 셀 밸런싱, 배터리(100)의 충전 및 방전을 제어한다. 도 1에서는 도시하지 않았으나 BMS(210)는 중간 전압, 온도 등을 측정하거나, 충전 상태나 방전 상태 또는 전류의 흐름을 모니터링 하기 위한 단자들을 더 구비할 수 있을 것이다.
본 실시 예에서는 BMS(210)가 배터리 팩(10) 내의 각 구성을 모두 제어하는 것으로 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 배터리(100)의 상태를 모니터링 하고, 충전 제어 스위치(230) 및 방전 제어 스위치(240)의 동작을 제어하는 아날로그 프론트 엔드(미도시)를 더 포함하고, BMS(210)가 아날로그 프론트 엔드를 제어하도록 구성할 수도 있다.
전류 조절부(220)는 전류 제어 신호에 기초하여 배터리(100)로 설정된 전류가 흐르도록 한다. 전류 조절부(220)는 흐르는 전류가 일정하도록 조절할 수도 있으며, 서서히 증가하거나 서서히 감소하도록 조절할 수도 있을 것이다. 또한 전류 조절부(220)는 전류가 증가 또는 감소하는 속도도 조절할 수 있을 것이다.
충전 제어 스위치(230) 및 방전 제어 스위치(240)는 대전류 경로 상에 형성되어 충전 전류 및 방전 전류의 흐름을 제어하는 스위치이다. 충전 제어 스위치(230)는 충전 전류의 흐름을 제어하며, 방전 제어 스위치(240)는 방전 전류의 흐름을 제어한다.
충전 제어 스위치(230)는 전계 효과 트랜지스터 FET1과 기생 다이오드 D1을 포함한다. FET1은 양극 단자(271)로부터 배터리(100) 또는 배터리(100)로부터 음극 단자(272)로의 전류 흐름을 제한하도록 접속된다. 즉, FET1을 사용하여 충전 전류가 흐르는 것을 차단한다. 이때, 기생 다이오드 D1을 통하여 방전 전류가 흐를 수 있도록 FET1을 형성한다.
방전 제어 스위치(240)는 전계 효과 트랜지스터 FET2와 기생 다이오드 D2를 포함한다. FET2는 음극 단자(272)로부터 배터리(100) 또는 배터리(100)로부터 양극 단자(271)로의 전류 흐름을 제한하도록 접속된다. 즉, FET2를 사용하여 방전 전류가 흐르는 것을 차단한다. 이때, 기생 다이오드 D2를 통하여 충전 전류가 흐를 수 있도록 FET2를 형성한다. FET2의 소스 전극과 드레인 전극의 접속 방향은 FET1의 소스 전극과 드레인 전극의 접속 방향과 반대이다.
충전 제어 스위치(230) 및 방전 제어 스위치(240)는 스위칭 소자로서, 전계 효과 트랜지스터에 한정되는 것은 아니며, 스위칭 기능을 수행하는 다양한 소자가 사용될 수 있다.
보호소자(250)는 배터리 팩(10)에 이상이 발생한 경우, 배터리 팩(10)의 충전 및 방전을 영구적으로 차단한다. 보호소자(250)로서 퓨즈가 사용될 수 있다. 일단 보호소자(250)가 동작한 경우, 배터리 팩(10)은 더 이상 사용할 수 없다. 따라서 BMS(210)는 보호소자(250)의 동작 이전에 먼저 충전 제어 스위치(230) 및 방전 제어 스위치(240)를 제어하여 배터리(100)의 충전 및 방전을 제어한다. 상기 제어에도 불구하고 배터리 팩(10)의 불안정한 상태가 지속되는 경우, 예를 들어 배터리(100)의 전압이 미리 설정된 전압 또는 온도 이상인 경우에는, BMS(210)는 보호소자(250)가 동작하도록 제어하며, 보호소자(250)는 대전류 경로를 완전히 차단하여 배터리(100)의 충전 및 방전을 영구적으로 차단한다.
퓨즈 제어 스위치(260)는 BMS(210)의 퓨즈 제어 단자(FC)로부터 출력된 퓨즈 제어 신호에 따라서 온/오프 동작을 수행한다.
퓨즈 제어 스위치(260)로는 전계 효과 트랜지스터(FET3)가 사용될 수 있다. 퓨즈 제어 신호에 의하여 퓨즈 제어 스위치(260)가 온 상태가 되면 퓨즈 제어 스위치(260) 및 저항(R3)을 통하여 보호소자(250)에 구비된 퓨즈로부터 그라운드로 전류가 흐른다. 이로 인하여 퓨즈가 가열되어 끊어지게 된다.
단자부(270)는 배터리 팩(10)과 외부 장치를 연결한다. 여기서 외부 장치는 전자기기, 자동차, 전기 자동차 혹은 충전기 등일 수 있다. 단자부(270)는 양극 단자(271), 음극 단자(272), 통신 단자(273) 등을 포함한다. 양극 단자(271)로는 충전 전류가 유입되고 방전 전류가 나간다. 반대로 음극 단자(272)로는 충전 전류가 나가고 방전 전류가 유입된다. 통신 단자(273)는 BMS(210)의 데이터 단자(Data)와 연결되어 BMS(210)와 외부 장치 사이의 데이터 및 명령이 전달되는 통로로 사용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(10)의 충전 전류 파형을 나타내는 도면이다. 도 2의 파형에서 가로축은 시간을 나타내며 세로축은 전류의 크기를 나타낸다.
도 2를 참조하면, BMS(210)는 배터리(100)의 충전 동안 충전 전류를 서서히 증가시킨다. 충전 전류는 충전 개시시에는 0부터 시작하며, 미리 설정된 전류, 여기서는 i1까지 증가시킨다. 충전 전류가 0부터 i1까지 증가하는 구간이 제1 구간(T1)으로서, 제1 구간(T1)은 0~t1 사이의 구간이다.
BMS(210)는 제1 구간(T1)의 종료 후, t1~t2 사이의 구간인 제2 구간(T2) 동안 충전 전류를 다시 i1부터 미리 설정된 전류, 여기서는 i2까지 서서히 감소시킨다.
그리고 BMS(210)는 제2 구간(T2)의 종료 후, t2~t3 사이의 구간인 제3 구간(T3) 동안 충전 전류를 다시 i2부터 미리 설정된 전류, 여기서는 i3까지 서서히 증가시킨다.
마지막으로 BMS(210)는 제3 구간(T3)의 종료 후, 충전 전류를 ic로 변경하여 충전을 계속해서 수행한다.
본 실시 예에서, 충전 전류가 증가하는 제1 구간(T1), 충전 전류가 감소하는 제2 구간(T2), 다시 충전 전류가 증가하는 제3 구간(T3)이 순차적으로 배열된다. 따라서 시간에 대한 충전 전류 파형을 함수의 그래프라는 관점에서 바라볼 때, 제2 구간(T2)에서는 변곡점을 구비하게 될 것이다.
본 실시 예에 있어서, 총 충전 시간은 Ttotal이다. BMS(210)는 배터리(100)의 전압을 측정하여 총 충전 시간(Ttotal)을 예측할 수 있을 것이다. 또는 BMS(210)는 배터리(100)의 충전 상태(State of Charge, SOC)와 방전 전류의 적산 등으로부터 총 충전 시간(Ttotal)을 예측할 수도 있을 것이다. 상술한 총 충전 시간(Ttotal)의 예측 방법은 예시적인 것으로 다양한 방법에 의하여 총 충전 시간(Ttotal)을 예측할 수 있을 것이다.
또한 본 실시 예에 있어서, BMS(210)는 제1 구간(T1) 내지 제3 구간(T3)의 총 합, 즉 0~t3의 시간이 총 충전 시간(Ttotal)의 절반인 Ttotal/2가 되도록 제1 구간(T1), 제2 구간(T2) 및 제3 구간(T3)의 길이를 각각 조절한다.
그리고 BMS(210)는 제1 구간(T1) 내지 제3 구간(T3), 즉 0~t3 동안 충전한 충전 량이 나머지 절반의 시간 동안 충전 전류 ic로 충전한 충전 량과 같도록 i1, i2, i3 값을 설정한다. 다시 말해, 제1 구간(T1) 내지 제3 구간(T3) 동안의 충전 량이 총 충전 량의 절반이 되도록 한다. 도 2에서 살펴보면, 그래프의 가로 빗금 친 영역의 넓이와 세로 빗금 친 영역의 넓이가 같도록 하는 것이다.
BMS(210)는 상기와 같은 시간 및 충전 량의 조건을 만족시키기 위하여 t1~t3의 값 및 i1~i3의 값을 적절히 조절할 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩(10)의 충전 전류 파형을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, BMS(210)는 충전 전류를 서서히 증가시킨다. 충전 전류는 충전 개시시에는 0부터 시작하며, 미리 설정된 전류, 여기서는 i1까지 증가시킨다. 충전 전류가 0부터 i1까지 증가하는 구간이 제1 구간(T1)으로서, 제1 구간(T1)은 0~t1 사이의 구간이다.
BMS(210)는 제1 구간(T1)의 종료 후, t1~t2 사이의 구간인 제2 구간(T2) 동안 충전 전류를 다시 i1부터 미리 설정된 전류, 여기서는 i2까지 서서히 감소시킨다.
BMS(210)는 제2 구간(T2)의 종료 후, t2~t4 사이의 구간인 제4 구간(T4) 동안 충전 전류를 i2로 일정하게 유지한다.
그리고 BMS(210)는 제2 구간(T2)의 종료 후, t4~t3 사이의 구간인 제3 구간(T3) 동안 충전 전류를 다시 i2부터 미리 설정된 전류, 여기서는 i3까지 서서히 증가시킨다.
마지막으로 BMS(210)는 제3 구간(T3)의 종료 후, 충전 전류를 ic로 변경하여 충전을 계속해서 수행한다.
본 실시 예에서도, 충전 전류가 증가하는 제1 구간(T1), 충전 전류가 감소하는 제2 구간(T2), 다시 충전 전류가 증가하는 제3 구간(T3)이 순차적으로 배열된다. 따라서 시간에 대한 충전 전류 파형을 함수의 그래프라는 관점에서 바라볼 때, 제2 구간(T2)에서는 변곡점을 구비하게 될 것이다.
또한 본 실시 예에서도 도 2에서와 마찬가지로, BMS(210)는 제1 구간(T1) 내지 제4 구간(T4)의 총 합이 총 충전 시간(Ttotal)의 절반인 Ttotal/2가 되도록 제1 구간(T1), 제2 구간(T2) 및 제3 구간(T3)의 길이를 각각 조절한다. 또한 BMS(210)는 0~t3 동안 충전한 충전 량이 나머지 절반의 시간 동안 충전 전류 ic로 충전한 충전 량과 같도록 i1, i2, i3 값을 설정한다.
도 4는 본 발명의 충전 전류 파형에 따른 수명을 나타내는 표이다.
도 4를 참조하면, a~e는 충전 전류 파형을 개략적으로 나타낸 도면이다. a는 충전 기간 동안 정전류로 충전을 수행하는 경우이며, b는 Ttotal/2 기간 동안 충전 전류를 계속해서 증가시키면서 충전을 수행하는 경우이다. c는 Ttotal/2 기간 동안 충전 전류를 증가시키다 일정 기간 충전 전류를 유지한 후, 다시 충전 전류를 증가시키는 경우이다. d는 도 2의 실시 예에 따른 충전 파형이며, e는 도 3의 실시 예에 따른 충전 파형이다. a~e 모두 Ttotal/2 이후의 충전 기간 동안에는 충전 전류를 ic로 일정하게 유지하여 나머지 충전을 수행하였다.
각 충전 파형을 사용하여 배터리(100)의 충전을 반복 수행하여 배터리(100)의 수명을 측정하였다. 그 결과 a 파형에서 e 파형으로 갈수록 수명이 증가하였으며, d 파형으로 충전한 경우 586,7000회의 충방전이 가능하여 157,600회 충방전이 가능한 a 파형에 의한 충전에 비하여 약 3.7배 수명이 증가하였다. e 파형으로 충전한 경우 671,900회 충방전이 가능하여 a 파형에 의한 충전에 비하여 약 4.3배 수명이 증가하였다.
또한 a 파형을 사용하여 충전하는 경우 측정된 배터리(100)의 최대 온도가 약 75.9℃였으나, d 파형을 사용하여 충전한 경우에는 약 43.4℃, e 파형을 사용하여 충전한 경우에는 약 42.6℃로 측정되었다. 즉, d 및 e 파형으로 배터리(100)를 충전하는 경우, 배터리(100)의 발열 또한 40% 이상 감소하였다.
상기와 같은 실험 결과에 비추어볼 때, 배터리(100)를 충전하는 총 충전 시간(Ttotal) 중, 초기 절반에 해당하는 Ttotal/2까지의 충전 파형이 배터리(100)의 수명에 직접적인 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다.
특히, 충전 전류를 서서히 증가시키는 것에 그치는 것이 아니라, 충전 전류를 증가시킨 후, 일정 기간 동안 감소시키고, 그 후 다시 충전 전류를 증가시키는 경우 배터리(100)의 수명이 확연하게 증가된다고 판단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(10)의 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, BMS(210)는 충전이 개시되는지를 판단한다(S101). BMS(210)는 충전이 개시된다고 판단한 경우, 배터리(100)를 모니터링한 결과에 기초하여 배터리(100)를 충전하는데 걸리는 총 충전 시간(Ttotal)을 판단한다(S102). BMS(210)는 판단한 총 충전 시간(Ttotal)에 기초하여 제1 구간(T1), 제2 구간(T2), 제3 구간(T3)의 길이 및 i1, i2, i3의 크기를 결정한다.
BMS(210)는 상기 조건들을 결정한 후, 충전 전류를 서서히 증가시켜서 충전을 개시한다(S103). 그리고 충전 시간이 t1이 되었는지를 판단한다(S104). 즉, BMS(210)는 제1 구간(T1)이 종료되었는지를 판단한다. 충전 시간이 t1이 되지 않은 경우에는 다시 S103 단계로 돌아가서 제1 구간(T1)의 충전을 계속해서 수행한다.
S104 단계에서 충전 시간이 t1이 되었다고 판단한 경우, BMS(210)는 충전 전류를 서서히 감소시키면서 충전을 수행한다(S105). 그리고 충전 시간이 t2가 되었는지를 판단한다(S106). 즉, BMS(210)는 제2 구간(T2)이 종료되었는지를 판단한다. 충전 시간이 t2가 되지 않은 경우에는 다시 S105 단계로 돌아가서 제2 구간(T2)의 충전을 계속해서 수행한다.
S106 단계에서 충전 시간이 t2가 되었다고 판단한 경우, BMS(210)는 충전 전류를 서서히 증가시키면서 충전을 수행한다(S107). 그리고 충전 시간이 t3가 되었는지를 판단한다(S108). 즉, BMS(210)는 제3 구간(T3)이 종료되었는지를 판단한다. 충전 시간이 t3가 되지 않은 경우에는 다시 S107 단계로 돌아가서 제3 구간(T3)의 충전을 계속해서 수행한다.
S108 단계에서 충전 시간이 t3가 되었다고 판단한 경우, 충전 전류를 ic로 설정해서 충전을 수행한다(S109). 즉, 총 충전 시간(Ttotal)의 절반이 경과 하였다고 판단하여, 후기 절반의 충전을 수행한다.
그리고 BMS(210)는 충전이 종료되었는지를 판단하고(S110), 충전이 종료될 때까지 S109 단계를 수행한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩(10)의 충전 방법을 나타내는 흐름도이다. 본 실시 예에서는 도 5에 따른 실시 예와의 차이점에 중점을 두어 설명하도록 한다.
도 6을 참조하면, 본 실시 예에서는 S206 단계에서 충전 시간이 t2가 되었다고 판단한 경우, BMS(210)는 충전 전류를 일정하게 유지시키면서 충전을 수행한다(S207). 그리고 충전 시간이 t4가 되었는지를 판단한다(S208). 즉, BMS(210)는 제4 구간(T4)이 종료되었는지를 판단한다. 충전 시간이 t4가 되지 않은 경우에는 다시 S207 단계로 돌아가서 제4 구간(T4)의 충전을 계속해서 수행한다.
그리고 제4 구간(T4)의 충전 이후, 도 5에서와 마찬가지로 제3 구간(T3)의 충전 및 그 이후의 충전을 수행한다(S209~S212).
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동차(1)의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 7을 참조하면, 자동차(1)는 배터리 팩(10), 모터(20), 발전 모듈(30), 전기 부하(40), 메인 제어부(50)를 포함한다.
배터리 팩(10)은 도 1의 배터리 팩(10)이 적용될 수 있다. 배터리 팩(10)은 발전 모듈(30)로부터 생성되는 전류를 공급받아 전기 에너지를 저장하고, 모터(20)로 구동 전류를 공급한다. 또한 배터리 팩(10)은 저장된 전력을 메인 제어부(50) 등의 제어 유닛의 동작 전원으로서 공급할 수 있으며, 전기 부하(40)로 공급할 수도 있을 것이다.
본 실시 예에 따른 배터리 팩(10)은 연비 개선을 위해, ISG(Idle Stop & Go) 기능이 구현된 ISG 시스템의 엔진 시동을 위한 전원공급장치에 적용될 수 있다. ISG 시스템에서는 엔진의 중지와 재시동이 빈번하게 반복됨에 따라 배터리 팩(10)의 충전 및 방전이 반복된다.
종래 ISG 시스템에 적용되는 납 축전지는, 충전 및 방전 동작이 빈번하게 반복되는 경우 수명이 단축되고, 충방전 특성이 저하되는 문제가 있었다. 예를 들어 충전 및 방전의 반복에 따라 충전 용량이 저하되어 엔진의 시동성이 저하되며, 이로 인하여 납 축전지의 교환 주기가 짧아지는 문제가 있었다.
그러나 본 실시 예에 따르면, 배터리 팩(10)이 납 축전지에 비해, 충방전 특성이 비교적 일정하게 유지되며 경시적 열화가 적은 리튬-이온 전지를 포함함으로써, 엔진의 중지 및 재시동이 반복되는 ISG 시스템에 적합하게 적용될 수 있다. 또한 동일 충전 용량의 납 축전지에 비해 무게를 낮출 수 있으므로 연비개선 효과를 기대할 수 있으며, 납 축전지보다 적은 부피로도 동일 충전 용량을 구현할 수 있으므로 탑재 공간을 절약할 수 있다는 장점이 있다.
일 실시 예에 따르면 모터(20)는 스타터 모터일 수 있다. 이때, 모터(20)는 차량의 시동시에 가동되며, 엔진(미도시)의 구동축을 회전시키는 초기 회전 동력을 제공한다. 예를 들어, 모터(20)는 배터리 팩(10)의 제1 단자(P1) 및 제2 단자(P2)를 통하여 전력을 공급받아 엔진의 시동시 또는 아이들 스탑(idle stop) 이후 엔진의 재시동시에 구동축을 회전시켜 엔진을 가동할 수 있다.
또는 다른 실시 예에 따르면 모터(20)는 전기 자동차(1)의 구동용 모터일 수도 있다. 여기서 전기 자동차(1)는 전기로만 구동되는 것일 수도 있으며, 다른 에너지원과 동시에 사용되는 하이브리드형 자동차일 수도 있다.
전기 부하(40)는 배터리 팩(10)에 저장된 전력을 소비하는 구성이다. 전기 부하(40)는 예를 들면 네비게이션, 오디오, 조명등, 차량용 블랙 박스, 도단 방지 장치 등 다양한 종류의 전자 장치일 수 있다. 전기 부하(40)를 이루는 구성의 개수 및 종류는 자동차의 구체적인 구현 예에 따라 달라질 수 있다.
메인 제어부(50)는 배터리 팩(10)이 장착된 자동차(1)의 전체 동작을 제어하는 제어부이다. 메인 제어부(50)는 배터리 팩(10)과 제3 단자(P3)를 통해 연결되어 각종 데이터 및 제어 신호를 교환하고, 배터리 팩(10)의 상태를 모니터링 하고, 배터리 팩(10)의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
1 자동차
10 배터리 팩 20 모터
30 발전 모듈 40 전기 부하
50 메인 제어부
100 배터리 200 보호회로
210 배터리 관리부 220 전류 조절부
230 충전 제어 스위치 240 방전 제어 스위치
250 보호소자 260 퓨즈 차단 회로
270 단자부

Claims (9)

  1. 전력을 저장하는 배터리 셀; 및
    상기 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부;를 포함하며,
    상기 배터리 관리부는,
    상기 배터리 셀의 충전 전류를 초기값으로부터 제1 레벨까지 증가시키는 제1 구간, 상기 충전 전류를 제2 레벨까지 감소시키는 제2 구간, 상기 충전 전류를 제3 레벨까지 다시 증가시키는 제3 구간을 포함하여 상기 배터리 셀을 충전하고, 상기 제3 구간 이후 상기 충전 전류를 제4 레벨로 유지시키며, 상기 제2 구간부터 상기 제3 구간까지 상기 충전 전류가 0보다 크도록 제어하고, 상기 제3 레벨은 상기 제1 레벨 보다 크며, 상기 제4 레벨은 상기 제2 레벨 보다 크고 상기 제3 레벨 보다 작은 것을 특징으로 하는, 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구간 내지 제3 구간은 상기 배터리 셀의 총 충전 시간의 절반의 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 구간 내지 제3 구간 동안 충전하는 양을 상기 총 충전 시간 동안 충전하는 양의 절반이 되도록 하는 것을 특징으로 하는, 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 구간과 상기 제3 구간 사이에 상기 충전 전류를 일정하게 유지하는 제4 구간을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 구간 내지 제4 구간은 상기 배터리 셀의 총 충전 시간의 절반의 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 구간 내지 제4 구간 동안 충전하는 양을 상기 총 충전 시간 동안 충전하는 양의 절반이 되도록 하는 것을 특징으로 하는, 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구간 및 상기 제3 구간에서, 상기 충전 전류를 서서히 증가시키는 것을 특징으로 하는, 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서,
    시간에 따른 상기 충전 전류의 곡선 그래프에 있어서, 상기 제1 구간과 상기 제3 구간 사이에 변곡점을 구비하는 것을 특징으로 하는, 배터리 팩.
  9. 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하는 제어부를 포함하는 자동차로서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리 셀의 충전 전류를 초기값으로부터 제1 레벨까지 증가시키는 제1 구간, 상기 충전 전류를 제2 레벨까지 감소시키는 제2 구간, 상기 충전 전류를 제3 레벨까지 다시 증가시키는 제3 구간을 포함하여 상기 배터리 셀을 충전하고, 상기 제3 구간 이후 상기 충전 전류를 제4 레벨로 유지시키며, 상기 제2 구간부터 상기 제3 구간까지 상기 충전 전류가 0보다 크도록 제어하고, 상기 제3 레벨은 상기 제1 레벨 보다 크며, 상기 제4 레벨은 상기 제2 레벨 보다 크고 상기 제3 레벨 보다 작은 것을 특징으로 하는, 자동차.
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