KR101751236B1

KR101751236B1 - 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101751236B1
Application number: KR1020160169730A
Authority: KR
Inventors: 장원석
Original assignee: 장원석
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2017-06-27
Also published as: EP3556596A4; US20190275908A1; EP3556596A1; WO2018110734A1; JP2020501498A

Abstract

본 발명은 전기자동차 배터리 충전할 때 소요되는 시간을 줄이면서도 제한된 용량을 갖는 전기자동차의 배터리 셀들을 효율적으로 연결, 배치하고 충전하여 전체 배터리 용량을 증가시킬 수 있는 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템 및 방법을 제공한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템은, 복수 개의 배터리 셀로 이루어진 배터리 팩을 충전하는 전기자동차 배터리 충전 시스템에 있어서, 복수 개의 배터리 셀로 이루어진 배터리 팩; 상기 복수 개의 배터리 셀 사이를 전기적으로 연결하여 상기 복수 개의 배터리 셀 사이에서 전류가 흐르도록 하거나 상기 전기적 연결 상태를 차단할 수 있는 스위칭 수단을 포함하는 하나 이상의 연결부; 상기 복수 개의 배터리 셀 각각에 연결되는 복수 개의 충전단자; 상기 연결부의 스위칭 수단의 온/오프 상태를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이를 통해, 전기자동차의 배터리 충전 시간을 효과적으로 단축시킬 수 있다.

Description

다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템 및 방법{BATTERY CHARGING SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLE USING SEPARATED MULTI-LAYER AND METHOD THEREOF}

본 발명은 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템 및 방법에 관한 것으로, 자세하게는 전기자동차 배터리 충전할 때 소요되는 시간을 줄이면서도 제한된 용량을 갖는 전기자동차의 배터리 셀들을 효율적으로 연결, 배치하고 충전하여 전체 배터리 용량을 증가시킬 수 있는 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최근 환경문제 특히 지구온난화와 기후변화에 대한 관심이 높아지고 다수의 국가가 이산화탄소 배출량 감축에 대한 기후변화협약을 이행하기 위한 논의를 진행되었으며, 이러한 논의에서 지구온난화의 원인은 이산화탄소 발생의 증가이며 이산화탄소의 증가는 자동차에서 내뿜는 탄소가 주범으로 지적된 바가 있다.

탄소배출 규제 정책에 따라 자동차 업계에 석유를 기반으로 한 자동차는 연료 효율을 높이고 탄소 배출 감소를 요구하게 되었으며, 이에 전기에 의해 자동차를 이동시키고, 배기가스를 발생시키지 않는 전기자동차가 다양한 형태로 개발되고 있으며, 수요 또한 급속히 증가하고 있는 실정이다.

이러한 전기자동차를 운행시키는 전기 모터는 현재 기술로는 주행 중 전기 에너지를 과도하게 소모하므로, 배터리를 일회 충전시, 주행할 수 있는 거리는 일반 자동차에 비해 짧은 문제점이 있고 이에 따라 전기자동차의 배터리 충전 작업을 자주해야 하는 불편함이 있다.

또한, 전기자동차의 배터리를 충전하는데 소요되는 시간은 일반 자동차에 연료를 급유하는 시간에 비해 상당히 오래 소요되므로 전기자동차의 충전은 전기자동차가 주행하지 않는 주차된 시간 동안 진행되도록 하는 것이 선호되고 있는 실정이다.

특히 현재 전기자동차 배터리를 충전할 때 외부 충전기가 한 번에 제공할 수 있는 전기 용량은 약 50KW 정도인데, 이러한 용량은 충전시에 발생할 수 있는 감전의 위험성이나 폭발의 위험성을 고려한 전력량이다. 이러한 상황에서는 전기자동차의 배터리를 충전하더라도 많은 시간이 소요되고 외부 충전기의 용량이 충분하더라도 배터리 용량 전체를 증가시키기는 상기 위험성 때문에 불가능한 상황이다.

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 종래 기술(한국등록특허 제10-1241670호, 분리 충전할 배터리 셀들을 적응적으로 가변시키는 배터리 충전 장치 및 그의 배터리 충전 제어방법)은, 다수의 배터리 셀들로 구성되는 배터리 팩을 충전할 때 각 셀에 가해진 전압을 측정하고 전압 크기 순서를 정한 후 전압 크기가 낮은 셀들에 충전 전원이 공급되도록 하여 전체적으로 배터리 밸런싱이 이루어질 수 있도록 하는 방법을 제안하고 있다.

그러나, 상기 종래 기술은 배터리 밸런싱 과정을 효과적으로 수행하여 배터리 팩의 충전시간을 줄이는데 목적이 있고, 외부 충전전력이 충분한 상황에서 배터리 팩의 충전시간을 효과적으로 줄이면서 전기자동차에 설치되는 배터리 팩 전체 용량을 증가시킬 수 있는 대안은 제시하고 있지 못하는 문제점이 여전히 존재한다.

따라서, 상기와 같은 종래 기술의 문제점들을 효과적으로 해결할 수 있는 기술개발이 절실히 요구된다고 할 것이다.

한국등록특허 제10-1241670호

본 발명은 전기자동차 배터리 충전할 때 소요되는 시간을 줄이면서도 제한된 용량을 갖는 전기자동차의 배터리 셀들을 효율적으로 연결, 배치하고 충전하여 전체 배터리 용량을 증가시킬 수 있는 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템은, 복수 개의 배터리 셀로 이루어진 배터리 팩을 충전하는 전기자동차 배터리 충전 시스템에 있어서, 복수 개의 배터리 셀로 이루어진 배터리 팩; 상기 복수 개의 배터리 셀 사이를 전기적으로 연결하여 상기 복수 개의 배터리 셀 사이에서 전류가 흐르도록 하거나 상기 전기적 연결 상태를 차단할 수 있는 스위칭 수단을 포함하는 하나 이상의 연결부; 상기 복수 개의 배터리 셀 각각에 연결되는 복수 개의 충전단자; 상기 연결부의 스위칭 수단의 온/오프 상태를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연결부는, 상기 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하는 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는, 상기 복수 개의 배터리 셀 각각에 연결되는 각 충전단자와 외부 충전단자와의 연결 상태에 따라 상기 스위칭 수단의 온/오프 상태를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는, 상기 복수 개의 배터리 셀 각각에 연결되는 각 충전단자가 상기 외부 충전단자와 연결된 경우에는 상기 스위칭 수단이 오프 상태를 유지하도록 제어하고, 상기 각 충전단자 중 어느 하나가 상기 외부 충전단자에 연결된 경우에는 연결 상태를 갖는 배터리 셀의 연결부 스위칭 수단이 온 상태를 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배터리 팩을 이루는 각 배터리 셀은, 서로 다른 충전 용량을 갖고, 상기 제어부는, 상기 각 배터리 셀의 충전 단자와 연결되는 외부 충전단자의 제공 가능 전력량이 상기 각 배터리 셀이 갖는 충전 용량에 비례하도록 상기 충전단자와 상기 외부 충전단자의 연결 상태를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배터리 팩의 복수 개의 배터리 셀 각각은, 서로 같은 충전 용량을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전방법은, 복수 개의 배터리 셀로 이루어진 배터리 팩을 충전하는 전기자동차 배터리 충전 시스템에 있어서, 상기 복수 개의 배터리 셀 각각에 충전단자를 형성하는 제1 단계; 상기 복수 개의 배터리 셀 사이에 전류가 흐르도록 하거나 차단할 수 있는 연결부를 형성하는 제2 단계; 상기 각 배터리 셀에 형성된 충전단자에 연결되는 외부 충전단자의 존재 여부에 따라 상기 연결부의 온/오프 상태를 제어하는 제3 단계 및 상기 연결부의 온/오프 상태에 따라 상기 배터리 팩을 충전하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 3 단계는, 상기 각 배터리 셀에 형성된 충전단자에 외부 충전단자가 하나 연결된 경우에는 상기 연결부가 모두 온 상태가 되도록 제어하고, 상기 각 배터리 셀에 형성된 충전단자에 외부 충전단자가 복수 개 연결된 경우에는 상기 연결부가 모두 오프 상태가 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 전기자동차의 배터리 충전 시간을 효과적으로 단축시킬 수 있다.

또한, 복수 개의 기본 용량 배터리로 이루어진 배터리 팩에 있어서 충전 시간을 효과적으로 단축할 수 있을 뿐만 아니라 배터리 팩 자체가 가질 수 있는 전체 용량을 증대시킬 수 있는 효과를 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템의 배터리 셀이 3개인 경우를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 방법의 과정을 도시한 순서도이다.

이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 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.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템 및 방법에 관하여 첨부된 도면을 기초로 상세하게 설명하면서 구체적인 실시예를 함께 살펴본다.

먼저 본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템의 구성에 대해 도 1 내지 도 2를 기초로 이하에서 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템의 구성을 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템은, 배터리 팩(100), 제어부(10) 및 복수 개의 외부 충전 단자로 이루어진다.

배터리 팩(100)은 복수 개의 배터리 셀로 이루어지는데, 도 1에 도시된 바와 같이 배터리 셀 1(1) 배터리 셀 2(2), … 배터리 셀 N(N)의 N개의 배터리 셀로 이루어질 수 있다. 여기서 각 배터리 셀은 배터리 팩 자체의 안정도 또는 외부 충전장치의 충전 전력 등을 고려하여 적정한 충전량을 가질 수 있도록 분할되어 구획될 수 있다.

구체적인 예로, 현재 일반적으로 유통되고 있는 전기자동차용 충전장치는 충전 용량이 50kw인데 전기자동차에 구비되는 배터리 팩이 만약 다층 분할로 이루어진 배터리 셀 구조를 가지는 경우가 아니라면 전체 배터리 팩을 충전해야 하며 충전 시간이 오래 걸릴 수 밖에 없다.

그러나 본 발명의 실시예에 따르면 전기자동차용 배터리 팩을 적정 용량(50kw 이하)을 갖는 다층으로 분할한 배터리 셀 각각을 충전할 수 있으므로 외부 충전장치가 제공 가능한 전력량이 충분한 경우, 배터리 팩의 충전 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있다.

또한, 배터리 팩(100)을 이루는 복수 개의 배터리 셀 사이에는 연결부(A)가 구비될 수 있는데, 연결부(A)는 복수 개의 배터리 셀 사이를 전기적으로 연결하여 복수 개의 배터리 셀 사이에서 전류가 흐르도록 하거나 전기적 연결 상태를 차단할 수 있는 스위칭 수단을 포함한다.

또한, 스위칭 수단은 구체적으로 전기적 신호를 받아 동작하는 전기적 또는 기계적 스위치 형태가 될 수 있다.

또한, 연결부(A)는 구비되는 배터리 셀의 개수 보다 1개가 적은 수로 구비되고 각 배터리 셀을 전기적으로 연결하는 형태이면 재료, 방식 등에 제한되지 않고 모두 적용될 수 있다.

또한, 제어부(10)는 연결부(A)에 포함되는 스위칭 수단의 온/오프 상태(동작)를 제어한다. 즉, 제어부(10)는 연결부(A)에 포함되는 스위칭 수단의 온/오프 상태를 제어함으로써 배터리 셀 간의 전기적 연결을 유지 또는 차단할 수 있다.

또한, 연결부(A)는 복수 개의 배터리 셀을 연결할 때 직렬로 연결할 수 있다. 즉, 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 순차적으로 배터리 셀이 직렬로 연결 상태가 유지되도록 할 수 있다. 이러한 직렬 방식을 통해 배터리 셀 각각의 충전이 가능하도록 할 수 있다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이 배터리 셀 각각(1, 2, … N)은, 충전단자(1-1, 2-1,… N-1)를 구비하고 이러한 충전단자는 외부 충전장치의 외부단자(1-2, 2-2, … N-2)와 연결되어 배터리 셀 각각의 충전과정이 수행될 수 있다.

만약 배터리 팩(100) 전체에 대한 충전이 필요한 경우(일반적으로 완속 충전 모드의 경우)에는 각 배터리 셀을 하나의 배터리 팩(100) 상태로 만들어야 하므로, 제어부(10)는 연결부(A)의 연결 상태를 온으로 하고 배터리 셀 각각에 형성된 충전단자 중 어느 하나에 외부 충전단자가 연결되어 배터리 팩 전체에 대해 충전이 이루어질 수 있도록 한다.

그리고 배터리 팩(100)을 이루는 배터리 셀 각각에 대한 충전이 필요한 경우(일반적으로 급속 충전 모드의 경우)에는 각 배터리 셀에 형성된 충전단자에 외부 충전단자가 연결되고, 이 때 제어부(10)는 연결부(A)에 구비된 스위칭 수단이 오프 상태가 되도록 한다. 이에 따라 각 배터리 셀은 연결된 외부 충전장치에 의해 개별적으로 충전이 되면 충전이 완료된 후에는 다시 제어부(10)가 연결부(A)의 스위칭 수단 상태를 온 상태로 하여 배터리 팩 전체에 저장된 전력을 전기자동차가 사용할 수 있도록 한다.

또한, 제어부(10)는 복수 개의 배터리 셀 각각에 연결되는 각 충전단자와 외부 충전단자와의 연결 상태에 따라 스위칭 수단의 온/오프 상태를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(10)는 외부 충전단자와 각 배터리 셀에 구비된 충전단자와의 연결 상태에 따라 연결부(A) 스위칭 수단의 온/오프 상태를 제어할 수 있다. 구체적으로 제어부(10)는 각 배터리 셀에 구비된 충전단자 중 어느 하나에 외부 충전단자가 연결되면 전체 배태리 팩(100)에 대한 충전 모드(완속 충전 모드)로 판단하여 연결부(A) 스위칭 수단의 상태가 온이 되도록 제어한다.

그리고, 각 배터리 셀에 구비된 충전단자 모두에 외부 충전단자가 연결되면 전체 배터리 팩(100)을 이루는 각 배터리 셀 각각에 대한 충전이 개별적으로 이루어지는 것으로 보아 연결부(A) 스위칭 수단의 상태가 오프가 되도록 제어한다.

또한, 제어부(10)는 복수 개의 배터리 셀 각각에 연결되는 각 충전단자가 외부 단자와 연결된 경우에는 스위칭 수단이 오프 상태를 유지하도록 제어하고, 각 충전단자 중 어느 하나가 외부 충전단자에 연결된 경우에는 스위칭 수단이 온 상태를 유지하도록 제어한다.

즉, 복수 개의 배터리 셀 충전단자 중에서 일부(총 배터리 셀 개수 미만 2 개 이상)에만 외부 충전단자가 연결된 경우, 제어부(10)는 외부 충전단자와 연결된 배터리 셀과 인접한 배터리 셀을 연결하는 연결부(A)는 온 상태가 되도록 제어하고, 다른 외부 충전단자가 연결된 다른 배터리 셀과의 연결부(A)는 오프 상태가 되도록 제어한다.

또한, 배터리 팩(100)을 구성하는 각 배터리 셀은 서로 다른 충전 용량을 가질 수 있고, 이 때 제어부(10) 각 배터리 셀의 충전 단자와 연결되는 외부 충전단자의 제공 가능 전력량이 각 배터리 셀이 갖는 충전 용량에 비례하도록 충전단자와 외부 충전단자의 연결 상태를 제어할 수 있다.

즉, 제어부(10)는 각 배터리 셀의 충전단자에 연결되는 외부 충전단자의 제공 가능 전력량 정보를 받아서, 이에 기초하여 충전 용량이 다른 각 배터리 셀의 충전 용량에 비례하여 큰 충전 용량을 갖는 배터리 셀에는 제공 가능 전력량이 상대적으로 큰 외부 충전단자가 연결되도록 하고, 작은 충전 용량을 갖는 배터리 셀에는 제공 가능 전력량이 상대적으로 작은 외부 충전단자가 연결되도록 제어할 수 있다.

이를 통해 배터리 팩(100)을 이루는 각 배터리 셀이 서로 다른 용량을 갖더라도 제공 가능 전력량이 다른 복수 개의 외부 충전장치 충전단자를 각 배터리 셀의 특성(용량 크기)에 맞게 연결시킴으로써 충전 시간을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 배터리 팩(100)을 이루는 복수 개의 배터리 셀 각각은 서로 같은 충전 용량을 가질 수 있다. 즉, 일반적으로 제공될 수 있는 외부 충전장치는 보통 같은 제공 가능 전력량을 가지고 이런 상황을 고려할 때 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 시스템의 배터리 셀 각각은 같은 충전 용량을 가질 수 있다.

다음으로 본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템의 배터리 셀이 3개인 경우에 대해 도 3을 기초로 이하에서 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템의 배터리 셀이 3개인 경우를 도시한 개략도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템에서 배터리 팩은 3개의 배터리 셀(1, 2, 3)로 이루어질 수 있다. 여기서 각 배터리 셀(1, 2, 3)은 같은 충전 용량을 가질 수 있고, 각 배터리 셀(1, 2, 3)에는 충전단자(1-1, 2-1, 3-1)가 각각 구비되어 있고, 이 충전단자(1-1, 2-1, 3-1)에 연결될 외부 충전단자(1-2, 2-2, 3-2)가 구비될 수 있다.

또한, 각 배터리 셀(1, 2, 3) 사이에는 연결부(A)가 각각 구비되며 연결부(A)가 포함하는 스위칭 수단을 통해 연결부(A)의 연결상태는 온 상태와 오프 상태가 될 수 있다. 이러한 스위칭 수단의 동작은 제어부(10)를 통해 이루어질 수 있다.

구체적인 동작 과정을 살펴보면 다음과 같다. 즉, 세 개의 배터리 셀(1, 2, 3)의 충전단자(1-1, 2-1, 3-1)에 각각 외부 충전단자(1-2, 2-2, 3-2)가 연결된 경우에는 각 배터리 셀(1, 2, 3)에 독립적으로 충전이 필요한 경우이므로 제어부(10)는 두 개의 연결부(A) 연결 상태가 오프가 되도록 스위칭 수단이 오프 상태가 되도록 한다.

또한, 세 개의 배터리 셀(1, 2, 3) 중에서 어느 하나인 배터리 셀 1의 충전단자(1-1)에 외부 충전단자 1(1-2)가 연결된 경우에는 외부 충전장치가 배터리 셀 1에만 연결된 상태이므로 제어부(10)는 다른 배터리 셀(2, 3)이 배터리 셀 1(1)에 연결된 상태를 유지하도록 제어하여야 하므로 연결부(A)의 연결 상태가 온이 되도록 제어한다. 즉, 이러한 경우는 외부 충전장치가 1개 밖에 없거나 충전 시간이 많이 걸려도 무방한 경우(완속 충족을 요청하는 상황)에 해당한다.

또한, 세 개의 배터리 셀(1, 2, 3) 중에서 두 배터리 셀(1, 2)의 충전단자(1-1, 1-2)에 외부 충전단자 1, 2(1-2, 2-2)가 연결된 경우에는, 배터리 셀 1(1)과 배터리 셀 2(2)는 각각 별도의 충전장치를 통해 충전이 가능한 상황이므로 이 두 배터리 셀을 연결하는 연결부(A)는 그 상태가 오프가 되도록 제어부(10)가 제어하고, 나머지 배터리 셀 3(3)은 별도의 외부 충전장치가 연결된 상태가 아니므로 배터리 셀 2(2)의 충전에 연계되어 충전되어야 할 상황이다. 따라서, 배터리 셀 2(2) 및 배터리 셀 3(3) 사이를 연결하는 연결부(A)는 온 상태를 유지하여야 한다.

이상과 같은 동작 과정을 통해 외부 충전장치의 상황 또는 전기자동차 사용자 의사에 따라 배터리 셀을 각각 또는 그룹으로 충전할 수 있으며, 결국 본 시스템을 통해 다양한 방식으로 전기자동차 배터리를 충전할 수 있다.

마지막으로 본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 방법에 대해 도 4를 기초로 이하에서 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전방법의 과정을 도시한 순서도이다.

본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전방법은, 복수 개의 배터리 셀 각각에 충전단자를 형성하는 제1 단계, 복수 개의 배터리 셀 사이에 전류가 흐르도록 하거나 차단할 수 있는 연결부를 형성하는 제2 단계, 각 배터리 셀에 형성된 충전단자에 연결되는 외부 충전단자의 존재 여부에 따라 연결부의 온/오프 상태를 제어하는 제3 단계 및 연결부의 온/오프 상태에 따라 배터리 팩을 충전하는 제4 단계를 포함하여 실시될 수 있다.

구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전방법은, 도 4에 도시된 바와 같이 복수 개의 배터리 셀 각각에 충전단자를 형성하고(S41), 복수 개의 배터리 셀 사이에 전류가 흐르도록 하거나 차단할 수 있는 연결부(A)를 형성하고(S42), 각 배터리 셀에 형성된 충전단자에 외부 충전단자가 연결되어 있는지 여부를 판단한 뒤(S43), 만약 외부 충전단자가 연결된 상태이면 연결부(A)의 상태를 온 상태로 제어하고(S44), 만약 외부 충전단자가 연결된 상태가 아니라면 연결부(A)의 상태를 오프 상태로 제어한다(S45). 이러한 과정 후에 배터리 팩 충전을 실시한다(S46).

구체적으로 상기 S43 및 S44 단계에서, 외부 충전단자가 연결된 배터리 셀의 경우에는 해당 배터리 셀과 연결될 수 있는 다른 배터리 셀의 연결 상태를 오프 상태로 한다(연결부(A)의 온/오프 동작을 통해). 즉, 외부 충전단자가 연결된 배터리 셀은 다른 배터리 셀과 분리한다. 다만, 해당 배터리 셀과 연결이 가능한 다른 배터리 셀이 만약 외부 충전단자와 연결이 되지 않은 상황이면 다른 배터리 셀이 별도로 충전될 상황이 아니므로 이 경우에는 외부 충전단자가 연결된 해당 배터리 셀과의 연결이 유지되어야 하므로 두 배터리 셀 사이의 연결부(A)는 온 상태가 되도록 한다.

또한, 상기 S43 및 S45 단계에서, 외부 충전단자가 연결되지 않은 배터리 셀의 경우에는 해당 배터리 셀과 연결될 수 있는 다른 배터리 셀의 연결 상태를 온 상태로 한다(연결부(A)의 온/오프 동작을 통해). 즉, 상기에서도 설명한 바와 같이 해당 배터리 셀에 외부 충전단자가 별도로 연결되지 않은 상태에서는 해당 배터리 셀과 연결될 수 있는 다른 배터리 셀과의 연결 상태를 유지하여야 하므로 연결부(A)가 온 상태로 유지되도록 한다.

이상에서 살펴본 본 발명의 실시예에 따르면, 대용량 배터리 적용 승용차의 충전 시간을 효과적으로 단축해준다. 또한 전기 버스나 전기 트럭 등 향후 400kw이상의 배터리가 필요한 대형 자동차의 충전용량과 충전시간 한계의 문제점을 해결할 수 있으므로 관련 산업 전반에 파격적인 효과를 가져올 것이다.

또한, 일 예를 들어 본 발명의 작용 및 효과에 대해 설명하면 아래와 같다.

전기자동차가 가지는 배터리 팩을 100kw로 할 경우, 50kw급 급속 충전기로 충전한다 해도 2 내지 3시간의 시간이 소요된다. 이 경우 전기자동차의 배터리 팩을 50kw + 50kw로 두 개의 구획으로 나누고 설치된 외부 충전장치 역시 50kw의 용량 2개가 구비되는 경우, 2개의 단자로 동시 충전이 가능하므로 총 충전시간을 기존 대비 1/2로 줄일 수 있다.

또한, 위 방식으로 동시 충전 외부 충전단자를 늘릴 경우 충전시간은 동시충전 단자(배터리 셀 각각에 형성되는 단자 및 외부 충전단자)의 개수가 증가하는 만큼 충전시간을 단축시킬 수 있다.

또한, 100kw급 용량을 갖는 배터리 팩을 장착하는 전기자동차의 경우, 50kw급 급속충전기(외부 충전장치) 4개(4단자)로 충전하는 경우, 1시간 정도의 시간 동안 200kw를 충전하는 효과를 가질 수 있기 때문에 총 30분 내외로 100kw급 용량을 갖는 배터리 팩을 완충할 수 있는 효과를 가질 수 있다.

또한, 배터리 팩을 다층 분할하여 여러 개의 배터리 셀로 형성하고, 각 배터리 셀에 각각 충전단자를 구비하는 것은, 향후 500km 주행거리를 필요로 하는 전기자동차의 권장 배터리 용량이 100kw 이상이 될 것이므로 필수적이라 할 것이다.

또한, 일반적으로 개시된 외부 충전장치인 완속 충전기 3kw급으로 전기자동차 배터리를 충전 할 경우, 보통 40시간 이상의 완충 시간이 필요하다. 그리고 50kw급 급속충전기로 충전한다 해도 2 내지 3시간의 충전시간이 필요하며, 이러한 이유 때문에 본 발명의 충전 시스템이 더욱 유용하다 할 것이다.

또한 향후 전기버스가 상용화되면 기본적으로 배터리 팩 용량이 400kw 이상으로 구비될 것이고, 이 때문에 배터리 팩을 분할하여 복수 개의 배터리 셀로 형성하고 각 배터리 셀(배터리 구역)에 대해 동시 충전을 수행해야 충전시간을 획기적으로 줄일 수 있다고 할 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 따른 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템 및 방법에 관하여 구체적인 실시예들을 들면서 설명하였다. 그러나 위에서 살펴 본 실시예들의 범위로만 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 다소간의 수정 및 변형이 가능 할 것이다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이 건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다 할 것이다.

1 : 배터리 셀 1 1-1, 2-1, 3-1, N-1 : 충전단자
2 : 배터리 셀 2 1-2, 2-2, 3-2, N-2 : 외부 충전단자
3 : 배터리 셀 3 N : 배터리 셀 N
A : 연결부 10 : 제어부
100 : 배터리 팩

Claims

복수 개의 배터리 셀로 이루어진 배터리 팩을 충전하는 전기자동차 배터리 충전 시스템에 있어서,
복수 개의 배터리 셀로 이루어진 배터리 팩;
상기 복수 개의 배터리 셀 사이를 전기적으로 연결하여 상기 복수 개의 배터리 셀 사이에서 전류가 흐르도록 하거나 상기 전기적 연결 상태를 차단할 수 있는 스위칭 수단을 포함하는 하나 이상의 연결부;
상기 복수 개의 배터리 셀 각각에 연결되는 복수 개의 충전단자;
상기 연결부의 스위칭 수단의 온/오프 상태를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 연결부는, 상기 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하고,
상기 제어부는, 상기 복수 개의 배터리 셀 각각에 연결되는 각 충전단자와 외부 충전단자와의 연결 상태에 따라 상기 스위칭 수단의 온/오프 상태를 제어하고,
상기 복수 개의 배터리 셀 각각에 연결되는 각 충전단자가 상기 외부 충전단자와 연결된 경우에는 상기 스위칭 수단이 오프 상태를 유지하도록 제어하고, 상기 각 충전단자 중 어느 하나가 상기 외부 충전단자에 연결된 경우에는 연결 상태를 갖는 배터리 셀의 연결부 스위칭 수단이 온 상태를 유지하도록 제어하고,
상기 배터리 팩을 이루는 각 배터리 셀은 서로 같은 충전 용량을 갖거나 다른 충전 용량을 갖도록 형성되며,
상기 배터리 팩의 복수 개의 배터리 셀 각각이, 서로 같은 충전 용량일 경우에,
상기 제어부는, 외부 충전단자와 연결된 배터리 셀과 인접한 배터리 셀을 연결하는 연결부가 온 상태가 되도록 제어하고, 다른 외부 충전단자가 연결된 다른 배터리 셀과의 연결부는 오프 상태가 되도록 제어하고,
상기 배터리 팩을 이루는 각 배터리 셀이, 서로 다른 충전 용량일 경우에,
상기 제어부는, 상기 각 배터리 셀의 충전 단자와 연결되는 외부 충전단자의 제공 가능 전력량이 상기 각 배터리 셀이 갖는 충전 용량에 비례하도록 상기 충전단자와 상기 외부 충전단자의 연결 상태를 제어하고, 각 배터리 셀의 충전단자에 연결되는 외부 충전단자의 제공 가능 전력량 정보를 받아서, 충전 용량이 다른 각 배터리 셀의 충전 용량에 비례하여 큰 충전 용량을 갖는 배터리 셀에는 제공 가능 전력량이 상대적으로 큰 외부 충전단자가 연결되도록 하고, 작은 충전 용량을 갖는 배터리 셀에는 제공 가능 전력량이 상대적으로 작은 외부 충전단자가 연결되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전 시스템.
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복수 개의 배터리 셀로 이루어진 배터리 팩을 충전하는 전기자동차 배터리 충전 시스템에 있어서,
상기 복수 개의 배터리 셀 각각에 충전단자를 형성하는 제1 단계;
상기 복수 개의 배터리 셀 사이에 전류가 흐르도록 하거나 차단할 수 있는 연결부를 형성하는 제2 단계;
상기 각 배터리 셀에 형성된 충전단자에 연결되는 외부 충전단자의 존재 여부에 따라 상기 연결부의 온/오프 상태를 제어하는 제3 단계 및
상기 연결부의 온/오프 상태에 따라 상기 배터리 팩을 충전하는 제4 단계를 포함하고,
상기 제 3 단계는, 상기 각 배터리 셀에 형성된 충전단자에 외부 충전단자가 하나 연결된 경우에는 상기 연결부가 모두 온 상태가 되도록 제어하고, 상기 각 배터리 셀에 형성된 충전단자에 외부 충전단자가 복수 개 연결된 경우에는 상기 연결부가 모두 오프 상태가 되도록 제어하고,
외부 충전단자가 연결된 배터리 셀은 다른 배터리 셀과 분리하고,
외부 충전단자가 연결되지 않은 배터리 셀은 다른 배터리 셀과 연결상태를 유지해야 되는 것을 특징으로 하는 다층 분할 방식을 이용한 전기자동차 배터리 충전방법.
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