KR20090092890A

KR20090092890A - 배터리 시스템의 배터리 균등 충전장치

Info

Publication number: KR20090092890A
Application number: KR1020080018114A
Authority: KR
Inventors: 강동우
Original assignee: 쌍용자동차 주식회사
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2008-02-28
Publication date: 2009-09-02
Also published as: KR100966732B1

Abstract

본 발명은 자동차에 장착되는 소정의 크기 이상의 용량과 전압을 가지는 배터리 시스템을 구성하기 위하여, 단전지를 직렬로 연결하거나, 병렬로 연결된 단전지를 직렬로 연결하여 단전지를 균등하게 충전시키는 배터리 시스템의 배터리 균등 충전장치에 관한 것이다. 이러한 배터리 균등장치는 하나 이상의 단전지들; 및 상기 단전지의 충전상태를 균등하게 유지시키는 배터리 균등 충전부를 구비한다. 배터리 균등 충전부는 상기 각 단전지와 연결된 방전 저항기와 릴레이; 및 상기 릴레이를 통하여 상기 단전지들 사이에 전력(에너지)을 주고 받을 수 있게 하고, 그의 1차 측 단자와 2차 측 단자가 상기 단전지들과 연결된 절연형 전력변환기를 구비한다.

Description

배터리 시스템의 배터리 균등 충전장치{Battery Equalizing-charge Device of Battery System}

본 발명은 배터리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차에 장착되는 소정의 크기 이상의 용량과 전압을 가지는 배터리 시스템을 구성하기 위하여, 단전지를 직렬로 연결하거나, 병렬로 연결된 단전지를 직렬로 연결하여 단전지를 균등하게 충전시키는 배터리 시스템의 배터리 균등 충전장치에 관한 것이다.

전기자동차, 연료전지 자동차, 또는 하이브리드 전기 자동차 등은 고용량의 배터리 시스템을 필요로 한다. 이를 위하여, 단전지의 용량이 상대적으로 큰 경우에는, 그 단전지들을 직렬로 연결하여 고용량의 배터리 시스템을 만든다. 반면에 단전지의 용량이 작은 경우에는, 단전지들을 병렬로 연결함으로써 용량이 커진, 병렬 연결된 단전지 그룹을 만들고, 그 병렬연결된 단전지 그룹들을 직렬로 연결하여 고용량의 배터리 시스템을 만든다.

이러한 배터리 시스템의 전체 충전상태는, 배터리 시스템을 제어하여, 단전지의 전압을 측정하여 검출한다. 배터리 시스템을 제어하기 위해 단전지 전압을 측정, 유지 및 관리가 매우 중요하다. 배터리 충전상태는 배터리의 전압 상태로서 환산이 된다. 배터리 시스템의 수명을 일정기간 동안 보증하기 위해서, 배터리 제어부는 모든 단전지의 충전상태가 항상 일정 범위 내에서 동작하도록 유지 및 관리하여야 한다. 예를 들어, 배터리 시스템이 완전히 방전되거나 과충전이 되면, 배터리 시스템의 수명은 줄어들 수 있다. 종래의 배터리 시스템의 동작 및 구성을 도면과 함께 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 단전지 전압 측정 그래프로서, 배터리 제어부가 각 단전지의 전압을 측정한 결과이다.

도 1에 나타낸 단전지 전압 그래프는 배터리 운전상황에 따라서 그리고 균등 충전 후 많은 시간이 흐른 후에 측정한 단전지의 전압으로서, 단전지들의 전압편차가 크게 나타나고 있음을 보여준다. 이와 같이 단전지들 사이의 전압편차가 크면 단전지들 사이의 충전상태의 차이도 매우 크다는 것을 의미한다. 이런 경우, 배터리 시스템은 그 충전상태를 관리할 수가 없고, 그에 따라 배터리 시스템의 수명이 짧아진다. 특히, 도 1에서 5번 단전지는 정상상태 전압 범위를 벗어나 있다. 이와 같이, 정상상태의 동작 전압 범위를 벗어난 단전지는 수명이 줄어들고 전체 배터리 충전상태의 관리를 어렵게 한다.

배터리 수명에 영향을 주는, 단전지 간의 전압 편차가 사전에 정해진 일정 범위를 벗어나고 그에 따라 배터리 시스템이 일정 시간 동안 동작하지 않으면, 배터리 제어부는 각 단전지의 전압을 측정하여 단전지들 사이의 편차를 줄이기 위해 균등 충전부를 작동시킨다.

도 2는 종래 기술에 따른 균등충전부의 제1 예로서, 단전지들과 그 단전지들의 에너지를 방전시킬 수 있는 저항기들을 각각 병렬로 연결하고, 각 저항기와 각 단전지 사이를 전기적으로 온/오프(on/off) 시키기 위한 릴레이 또는 회로 차단기를 포함한다.

도 3은 종래 기술에 따른 균등충전부의 제2 예이다. 종래의 제2 예는 제1 예에서 소정의 방전용 저항기의 개수를 줄임으로써 구현된다. 도 3의 제2 예에 비하여, 균등충전 시간을 줄이기 위해, 도 2의 제1 예가 더 일반적으로 이용된다.

도 2와 도 3과 같은 형태의 회로로 구성된 균등 충전부를 장착한 종래의 배터리 시스템은, 도 4의 순서도에 따라 균등 충전을 실시한다.

먼저, 장착된 단전지의 전압을 측정한다 (S1). 단전지의 전압이 정상상태의 전압보다 작아서 균등충전이 필요한지 판단한다(S2). 균등충전이 필요하면 방전이 필요한 단전지 릴레이(전원차단기)를 동작시켜 통전시킨다 (단전지 방전)(S3). 그 다음에 단전지의 전압을 측정한다(S4). 단전지의 전압 편차와 허용기준을 비교하여 단전지의 편차가 허용기준보다 작으면 균등 충전을 멈춘다(S5). 반면에 단전지의 전압편차가 허용기준보다 작지 않으면, 단전지 방전단계(S3)를 수행한다. 아울러 S2 단계에서 균등 충전이 필요하지 않으면 균등충전을 멈춘다.

그러나, 도 2와 도 3의 회로에 나타낸 것과 같이, 종래의 균등 충전부는 단전지의 에너지를 방전시킬 수 있는 기능만 가지고 있다. 즉 단전지 중에서 가장 전압이 낮게 검출되어 충전상태가 가장 낮은 단전지에 맞추어 모든 단전지들의 충전상태를 떨어뜨려야 한다. 균등 충전 도중 배터리 제어부는 일정시간마다 각 단전지의 전압을 측정하여 각 단전지의 에너지 방전여부를 결정하여야 하며, 모든 단전지의 충전상태의 편차가 미리 정해진 범위 이내가 될 때까지 방전용 저항기를 이용하여 각 단전지의 에너지를 소멸시켜야 한다. 즉, 충전상태가 낮은 단전지의 방전시간은 짧게 되고 충전상태가 높은 단전지의 경우 방전시간이 길어지게 된다.

종래 기술의 배터리 시스템은 모든 단전지의 충전상태를 가장 낮은 충전상태의 단전지에 맞추어서 균등 충전을 수행한다. 가장 낮은 충전상태의 단전지가 도 1의 경우와 같이 정상 동작범위보다 낮은 경우, 모든 단전지의 충전상태를 그 정상 동작범위의 상태에 맞추어야 하고, 이는 단전지의 수명을 줄이는 문제점을 일으킨다. 뿐만 아니라 배터리 시스템 전체의 충전상태가 상대적으로 너무 낮아져서 배터리 시스템이 정상적으로 동작할 수 없게 되는 문제점을 일으킨다.

본 발명은 하나 이상의 단전지들을 사이의 충전 상태를 검출하여, 절연형 전력변화기를 통하여, 정상 동작범위 이상의 충전상태로 이들 단전지들 사이의 전력(에너지)을 이동시킴으로써 단전지들을 균등하게 충전시키는, 배터리 시스템의 배터리 균등 충전 장치 및 배터리 균등 충전방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명에 따른 배터리 시스템의 배터리 균등 충전장치는, 하나 이상의 단전지들; 및 상기 단전지의 충전상태를 균등하게 유지시키는 배터리 균등 충전부를 구비한다. 여기서, 배터리 균등 충전부는 상기 각 단전지와 연결된 방전 저항기와 릴레이; 및 상기 릴레이를 통하여 상기 단전지들 사이에 전력(에너지)를 주고 받을 수 있게 하고, 그 1차 측 단자와 2차 측 단자가 상기 단전지들과 연결된 절연형 전력변환기를 구비한다.

본 발명에 따른 배터리 시스템의 배터리 균등 충전방법은, 모든 단전지의 전압을 측정하는 단계; 상기 측정한 단전지의 전압을 바탕으로 충전상태를 파악하고 균등 충전이 필요한지 판단하는 단계; 균등 충전이 필요하다고 판단되면, 상기 모든 단전지의 충전 상태가 사전에 정해진 단전지의 정상동작 범위 이내에 있는지 여부를 파악하는 단계; 상기 단전지의 전압이 정상 동작범위의 하한값보다 작으면, 상대적으로 높은 충전상태에 있는 단전지로부터 정상 동작범위의 하한값보다 작은 전압을 갖는 단전지로 전력(에너지)을 공급하는 단계; 모든 단전지의 충전상태가 정상 동작범위가 되었다고 판단되면, 방전이 필요한 단전지가 방전되는 단계; 상기 방전된 단전지의 전압을 측정하는 단계; 및 상기 측정한 방전된 단전지의 전압편차와 허용기준을 비교하여, 상기 방전된 단전지의 전압편차가 허용기준보다 작을 때까지, 단전지의 방전을 수행하고, 상기 방전된 단전지의 전압편차가 허용기준보다 작지 않으면 충전 과정을 끝마치는 단계를 구비한다.

본 발명에 따른 배터리 시스템의 배터리 균등 충전장치 및 배터리 균등 충전방법은 모든 단전지의 충전상태를 검출하여, 절연형 전력변화기를 통하여, 정상 동작범위 이상의 충전상태로 이들 단전지들 사이의 전력(에너지)을 이동시킴으로써 단전지들을 균등하게 충전하기 때문에, 단전지의 수명을 상대적으로 늘일 뿐만 아니라 배터리 시스템의 수명도 늘릴 수 있다.

도 1은 종래의 단전지 전압 측정 파형도이다.

도 2는 종래 기술에 따른 균등충전부의 제1 예이다.

도 3은 종래 기술에 따른 균등충전부의 제2 예이다.

도 4는 종래의 균등충전 방법을 나타낸 순서도이다.

도 5는 본 발명에 따른 균등충전 회로도이다.

도 6은 본 발명의 절연형 전력 변환기의 1 실시예로서, DC/DC 컨버터의 회로 구성도이다.

도 7은 본 발명에 따른 절연형 전력 변환기의 2실시예로서, 푸시풀 (push-pull) 컨버터의 회로이다.

도 8은 본 발명에 따른 절연형 전력 변환기의 3실시예로서, 전-브리지 (full bridge) 컨버터의 회로이다.

도 9는 본 발명에 따른 절연형 전력 변환기의 4실시예로서, 절반-브리지 (half bridge) 컨버터의 회로이다.

도 10은 본 발명에 따른 절연형 전력 변환기의 5실시예로서, 플라이백 (Flyback) 컨버터의 회로이다.

도 11은 본 발명에 따른 절연형 전력 변환기의 6실시예로서, 포워드 (Forward) 컨버터의 회로이다.

도 12는 본 발명에 따른 균등충전 방법을 나타낸 순서도이다

도면과 함께 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다.

전기자동차, 연료전지 자동차, 또는 하이브리드 전기 자동차 등에 장착되는 고용량의 배터리 시스템은 안전회로부, 검출부, 온도조절부, 고장 검출부, 통신 제어부, 균등 충전부, 및 배터리 제어부를 포함한다.

안전회로부는 퓨즈, 회로차단기 및 돌입전류 제한용 저항기를 포함한다. 검출부는 단전지 전압 및 배터리 전체 전압, 배터리 내외부 온도, 배터리의 충방전 전류 등을 검출한다. 온도조절부는 배터리의 내부 온도를 일정 범위로 유지하고 관리한다. 고장 검출부는 배터리 시스템의 고장을 검출한다. 통신 제어부는 외부와 통신을 하는 기능을 수행한다. 균등 충전부는 단전지의 종류에 따라 단전지의 충전상태를 균등하게 유지시킨다. 배터리 제어부는, 단전지들 간의 전압으로 검출할 수 있는 충전상태가 크게 다른 경우, 단전지들 간의 충전상태를 일정 범위로 제어한다.

배터리 시스템의 전체 충전상태는, 배터리 시스템을 제어하여, 단전지의 전압을 측정하여 검출한다. 배터리 시스템을 제어하기 위해 단전지 전압을 측정, 유지 및 관리가 매우 중요하다. 배터리 충전상태는 배터리의 전압 상태로서 환산이 된다. 이러한 배터리 시스템의 수명을 일정기간 동안 보증하기 위해서, 배터리 제어부는 모든 단전지의 충전상태가 항상 일정 범위 내에서 동작하도록 유지 및 관리하여야 한다. 예를 들어, 배터리 시스템이 완전히 방전되거나 과충전이 되면, 배터리 시스템의 수명은 줄어들 수 있다. 이러한 문제점을 방지하기 위하여 배터리 시스템은 균등 충전부를 포함한다.

도 5는 본 발명에 따른 균등충전부의 회로도로서, 복수의 단전지와, 각 단전지와 연결된 방전 저항기와 릴레이 (또는 회로 차단기), 및 릴레이 (또는 회로 차단기)를 통하여 복수의 단전지의 양극 및 음극과 연결된 절연형 전력변환기를 포함한다. 여기서, 절연형 전력변환기는 단전지들 사이에 전력(에너지)을 주고 받을 수 있게 하고, 그 1차 측 단자와 2차 측 단자가 복수의 단전지와 연결된다. 본 발명에 따른 절연형 전력변환기는 절연형 DC/DC 컨버터로 구현된다.

도 6은 본 발명의 절연형 전력 변환기의 1 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 회로 구성도이다.

DC/DC 컨버터는 릴레이 (또는 회로 차단기)를 통해서 단전지와 연결되고, 각각의 단전지와 연결되는 1차 및 2차 전력단, 1차 및 2차 전력단을 연결하는 변압기, 1차 전력단을 구동시키는 게이트 구동부(분리형 전원 발생부), 1차 전력단의 1차 전류 및 1차 전압을 검출하고 2차 전력단의 2차 전류와 2차 전압을 검출하는 배터리 제어부를 포함한다.

본 발명에 따른 절연형 전력 변환기의 1실시예 이외에 다른 실시예들은 도 7 내지 도 11에 나타나 있다.

도 7은 본 발명에 따른 절연형 전력 변환기의 2실시예로서, 푸시풀 (push-pull) 컨버터의 회로이다. 도 8은 본 발명에 따른 절연형 전력 변환기의 3실시예로서, 전-브리지 (full bridge) 컨버터의 회로이다. 도 9는 본 발명에 따른 절연형 전력 변환기의 4실시예로서, 절반-브리지 (half bridge) 컨버터의 회로이다. 도 10은 본 발명에 따른 절연형 전력 변환기의 5실시예로서, 플라이백 (Flyback) 컨버터의 회로이다. 도 11은 본 발명에 따른 절연형 전력 변환기의 6실시예로서, 포워드 (Forward) 컨버터의 회로이다.

본 발명에 따른 균등 충전부의 실시예들이 도 6 내지 도 11에 나타나 있지만, 본 발명에 따른 배터리 시스템의 배터리 균등 충전하는 방법은 도 6에 나타낸 배터리 균등 충전부의 1실시예를 바탕으로 설명한다. 즉, 배터리 균등 충전장치의 2실시예 내지 6실시예는 1실시예와 같이 동작한다.

도 12는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 배터리 균등 충전방법을 나타낸 순서도이다.

먼저, 배터리 제어부가 모든 단전지의 전압을 측정한다 (S 11). 측정한 단전지의 전압을 바탕으로 충전상태를 파악하고 균등 충전이 필요한지 판단한다(S 12).

균등 충전이 필요하다고 판단되면, 배터리 제어부는 모든 단전지의 충전 상태가 사전에 정해진 단전지의 정상동작 범위 이내에 있는지 여부를 파악한다(S 13). 만약 하나 이상의 단전지의 전압이 정상 동작범위의 하한값보다 작으면, 배터리 제어부는 상대적으로 높은 충전상태에 있는 단전지로부터 정상 동작범위의 하한값보다 작은 전압을 갖는 단전지로 전력(에너지)을 공급하게 된다(S 14). 이를 위해, 해당 릴레이 (또는 전원 차단기)를 ON 시키고 절연형 DC/DC 컨버터를 통해서 전력이 전달된다.

이와 같이, 제어기는 단계(S 11)에서 단계(S 14)를 수행하면서, 모든 단전지의 충전상태가 정상 동작범위가 될 때까지, 일정 시간 동안 단전지 충전상태를 검출하면서 이 작업을 반복한다. 예를 들어, 도 1에서, 정상 동작범위 이하의 전압값을 갖는 5번 단전지에 4번 단전지와 2번 단전지와 같이 상대적으로 높은 충전상태를 보이는 단전지의 전력이 전달됨으로써, 모든 단전지가 정상 동작범위 내의 충전상태가 된다.

이러한 충전동작을 반복하는 동안, 모든 단전지의 충전상태가 정상 동작범위가 되었다고 판단되면, 방전이 필요한 단전지가 릴레이(또는 전원차단기)를 통하여 방전된다(S 15). 그 다음에 단전지 전압을 측정한다(S 16). 측정한 단전지의 전압편차와 허용기준을 비교하여(S 17), 단전지의 전압편차가 허용기준보다 작을 때까지, 단전지의 방전을 수행하고, 단전지의 전압편차가 허용기준보다 작지 않으면 충전 과정을 끝마친다.

본 발명의 실시예에서, 균등 충전시간이 충분하거나 특정 목적에 따라, 모든 단전지의 전력(에너지)을 방전 저항기를 통해 소모시키지 않고 높은 충전 상태의 단전지로부터 낮은 충전상태의 단전지로 전력(에너지)을 이동시킴으로써 균등 충전과정을 수행할 수 있다. 이런 경우 절연형 전력변환기의 수가 한정되어 있으므로 균등 충전 시간이 상대적으로 많은 소요될 수 있다.

다른 방법으로는 균등 충전 허용 시간 내에 균등 충전을 끝마칠 수 있는 연산을 통해 가능한 한 가장 낮은 단전지의 충전상태를 절연형 전력 변환기를 통해 높인 후 균등 충전 과정을 수행할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

Claims

배터리 시스템에 있어서,

하나 이상의 단전지들; 및

상기 단전지의 충전상태를 균등하게 유지시키는 배터리 균등 충전부를 구비하고,

여기서, 상기 배터리 균등 충전부는

상기 각 단전지와 연결된 방전 저항기와 릴레이; 및

상기 릴레이를 통하여 상기 단전지들 사이에 전력(에너지)을 주고 받을 수 있게 하고, 그 1차 측 단자와 2차 측 단자가 상기 단전지들과 연결된 절연형 전력변환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 배터리 균등 충전 장치.
상기 배터리 시스템은

상기 단전지들이 전기적 충격을 받지 않도록 하는 안전회로부;

상기 단전지 전압 및 배터리 전체 전압, 배터리 내외부 온도, 배터리의 충방전 전류 등을 검출하는 검출부;

배터리의 내부 온도를 일정 범위로 유지하고 관리하는 온도 조절부;

상기 배터리 시스템의 고장을 검출하는 고장 검출부;

상기 배터리 시스템이 외부와 통신을 하게 하는 통신 제어부; 및

상기 단전지들 전압 및 전류를 검출하는 배터리 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 배터리 균등 충전장치.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,

상기 절연형 전력변환기는

절연형 DC/DC 컨버터, 푸시풀(push-pull) 컨버터, 전-브리지 (full bridge)컨버터, 절반 브리지(half bridge) 컨버터, 플라이백 (flyback) 컨버터, 포워드(forward) 컨버터 중에 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 배터리 균등 충전 장치.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,

상기 절연형 전력변환기는 DC/DC 컨버터를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 배터리 균등 충전장치.
제4 항에 있어서,

상기 DC/DC 컨버터는

상기 릴레이를 통해서 상기 단전지와 연결되고, 각각의 단전지와 연결되는 1차 및 2차 전력단;

상기 1차 및 2차 전력단을 연결하는 변압기;

상기 1차 전력단을 구동시키는 게이트 구동부;

상기 1차 전력단의 1차 전류 및 1차 전압을 검출하고 상기 2차 전력단의 2차 전류와 2차 전압을 검출하는 배터리 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 배터리 균등 충전장치.
고용량의 배터리 시스템의 배터리 충전 방법에 있어서,

모든 단전지의 전압을 측정하는 단계(S11);

상기 측정한 단전지의 전압을 바탕으로 충전상태를 파악하고 균등 충전이 필요한지 판단하는 단계(S 12);

균등 충전이 필요하다고 판단되면, 상기 모든 단전지의 충전 상태가 사전에 정해진 단전지의 정상동작 범위 이내에 있는지 여부를 파악하는 단계(S 13);

상기 단전지의 전압이 정상 동작범위의 하한값보다 작으면, 상대적으로 높은 충전상태에 있는 단전지로부터 정상 동작범위의 하한값보다 작은 전압을 갖는 단전지로 전력(에너지)을 공급하는 단계(S 14);

모든 단전지의 충전상태가 정상 동작범위가 되었다고 판단되면, 방전이 필요한 단전지가 방전되는 단계(S 15);

상기 방전된 단전지의 전압을 측정하는 단계(S 16); 및

상기 측정한 방전된 단전지의 전압편차와 허용기준을 비교하여, 상기 방전된 단전지의 전압편차가 허용기준보다 작을 때까지, 단전지의 방전을 수행하고, 상기 방전된 단전지의 전압편차가 허용기준보다 작지 않으면 충전 과정을 끝마치는 단계을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 배터리 균등충전 방법.
제6 항에 있어서,

상기 모든 단전지의 전압을 측정하는 단계, 균등 충전이 필요한지 판단하는 단계, 상기 모든 단전지의 충전상태가 사전에 정해진 단전지의 정상 동작범위 내에 있는지 여부를 파악하는 단계, 및 상기 전역을 공급하는 단계는,

상기 모든 단전지가 상기 사전에 정해진 단전지의 전상동작 범위에 있을 때까지 반복해서 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 배터리 균등 충전 방법.