KR20230104462A

KR20230104462A - 전동화 차량 및 그를 위한 전원 관리 방법

Info

Publication number: KR20230104462A
Application number: KR1020210194634A
Authority: KR
Inventors: 이정현
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2023-07-10
Also published as: US20230211702A1

Abstract

본 발명은 탈착식 배터리를 추가로 장착할 수 있는 전동화 차량 및 그를 위한 전원 관리 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전동화 차량은, 모터; 상기 모터와 3상 전력을 교환하는 인버터; 상기 인버터와 전기적으로 연결되며, 제1 배터리 및 상기 제1 배터리를 제어하는 제1 배터리 제어기를 구비하되, 상기 전동화 차량에 고정식으로 배치된 메인 배터리부; 상기 메인 배터리부와 상기 인버터 사이에 연결되며, 직류 변환기를 구비하는 온보드 차저; 및 커넥터와 상기 직류 변환기, 또는 상기 커넥터와 상기 모터를 선택적으로 연결하는 스위치부를 포함하고, 상기 제1 배터리 제어기는 제2 배터리 및 상기 제2 배터리를 제어하는 제2 배터리 제어기를 구비하는 탈착식 배터리부가 상기 커넥터에 연결되면, 상기 제2 배터리 제어기가 출력하는 제2 배터리 정보를 획득할 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 별도의 승압 수단 없이도 탈착식 배터리를 통해 메인 배터리를 충전할 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 전동화 차량은, 모터; 상기 모터와 3상 전력을 교환하는 인버터; 상기 인버터와 전기적으로 연결되며, 제1 배터리 및 상기 제1 배터리를 제어하는 제1 배터리 제어기를 구비하되, 상기 전동화 차량에 고정식으로 배치된 메인 배터리부; 상기 메인 배터리부와 상기 인버터 사이에 연결되며, 직류 변환기를 구비하는 온보드 차저; 및 커넥터와 상기 직류 변환기, 또는 상기 커넥터와 상기 모터를 선택적으로 연결하는 스위치부를 포함하고, 상기 제1 배터리 제어기는 제2 배터리 및 상기 제2 배터리를 제어하는 제2 배터리 제어기를 구비하는 탈착식 배터리부가 상기 커넥터에 연결되면, 상기 제2 배터리 제어기가 출력하는 제2 배터리 정보를 획득할 수 있다.

예를 들어, 상기 전동화 차량은 차량 상태를 기반으로 상기 스위치부를 제어하는 차량 제어기를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 차량 제어기는, 상기 전동화 차량이 제1 상태인 경우 상기 커넥터와 상기 직류 변환기가 연결되도록 상기 스위치부를 제어하고, 상기 전동화 차량이 제2 상태인 경우 상기 커넥터와 상기 모터가 연결되도록 상기 스위치부를 제어할 수 있다.

예를 들어, 상기 차량 제어기는, 변속 상태, 상기 모터의 RPM 및 차속 중 적어도 하나를 기반으로 상기 차량 상태를 판단할 수 있다.

예를 들어, 상기 차량 제어기는, 상기 변속 상태가 D단인 경우 또는 상기 RPM이나 상기 차속이 0보다 큰 경우 상기 차량 상태를 상기 제1 상태로 판단하고, 상기 변속 상태가 P단인 경우 또는 상기 RPM이나 상기 차속이 0인 경우 상기 차량 상태를 상기 제2 상태로 판단할 수 있다.

예를 들어, 상기 차량 제어기는, 상기 제1 배터리 정보 및 상기 제2 배터리 정보를 기반으로 상기 제2 배터리의 에너지로 상기 제1 배터리를 충전하는 충전 제어의 수행 여부를 판단할 수 있다.

예를 들어, 상기 차량 제어기는, 상기 제1 배터리가 충전 가능한 상태이고, 상기 제2 배터리가 방전 가능한 상태인 경우 상기 충전 제어의 수행을 결정할 수 있다.

예를 들어, 상기 충전 제어가 수행될 때, 상기 제1 상태에서는 상기 직류변환기에서 상기 제1 배터리의 전력 승압이 수행되고, 상기 제2 상태에서는 상기 모터에서 상기 전력 승압이 수행될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 배터리 제어기는, 상기 제2 배터리 정보와 상기 제1 배터리에 대한 제1 배터리 정보를 기반으로 총 가용 에너지를 판단할 수 있다.

예를 들어, 상기 제2 배터리 정보는 셀타입 정보 및 정격 용량 정보를 포함하고, 상기 제1 배터리 제어기는, 상기 제2 배터리의 무부하 상태 전압을 기반으로 상기 제2 배터리의 충전 상태(SOC)를 추정하고, 테스트 전류 인가로 측정된 내부 저항을 기반으로 상기 제2 배터리의 내구 상태(SOH)를 추정할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 배터리 제어기는, 셀타입별 개방 회로 전압 테이블을 기반으로 상기 충전 상태를 추정하고, 셀타입별 내부 저항 테이블을 기반으로 상기 내구 상태를 추정할 수 있다.

예를 들어, 상기 차량 제어기는 상기 충전 제어의 수행을 결정하면 충전 지령을 상기 제1 배터리 제어기로 전달하고, 상기 제1 배터리 제어기는 상기 충전 지령을 상기 제2 배터리 제어기로 전달할 수 있다.

예를 들어, 상기 제2 배터리 제어기는, 상기 충전 제어가 개시됨에 따라 상기 제2 배터리의 온도에 기반하여 충전 전류 또는 충전 파워를 제어할 수 있다.

예를 들어, 상기 탈착식 배터리부는 냉각팬을 더 포함하고, 상기 제2 배터리 제어기는, 상기 충전 제어가 개시됨에 따라 차속과 상기 제2 배터리의 온도에 기반하여 상기 냉각팬의 동작을 제어할 수 있다.

예를 들어, 상기 차량 제어기는, 상기 충전 제어의 수행을 결정한 후 상기 제1 배터리의 충전 상태가 목표 충전 상태에 도달하면 상기 제1 충전 제어를 중단할 수 있다.

예를 들어, 상기 목표 충전 상태는, 상기 제1 배터리의 가용 에너지와 상기 제2 배터리의 가용 에너지를 기반으로 판단된 총 주행 가능거리보다 전체 경로가 긴 경우, 충전 예약 지점 또는 충전 가능 지점까지 도달 가능한 충전 상태를 포함할 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, 차량 상황에 따른 모터나 온보드차저를 통한 승압으로 별도의 승압 수단 없이도 탈착식 배터리를 통해 메인 배터리를 충전할 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 차량에서 온보드 차저를 이용한 승압 상황을 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동화 차량에서 모터를 이용한 승압 상황을 나타낸다.
도 3c 및 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터를 이용한 승압 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동화 차량의 전원 관리 방법의 일례를 나타낸 순서도이다.
도 5는 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.

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), 온보드 차저(OBC: On Board Charger, 120), 메인 배터리부(130), 인버터(140), 구동 모터(150), 커넥터(160), 차량 통합 제어기(VCU, 170), 스위치부(180), 급속 충전 단자(191) 및 완속 충전 단자(192)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. 또한, 도 1에서 별도의 설명이 없는 한 각 구성요소간을 연결하는 선은 파워 케이블로, 소정의 차량 통신 프로토콜(예컨대, CAN: Controller Area Network)에 따른 통신선의 도시는 생략되었다. 다만, 각 PE(Power Electric) 요소(120, 140, 150 등)나 제어기(112, 132, 170 등)간에는 통신선을 통한 상호 통신이 가능하도록 구성될 수 있다.

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)을 통해 제2 배터리(111)에 대한 정보를 외부(예컨대, 제1 배터리 제어기(132), 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 차량(100)의 고전압 시스템과 연결될 수 있다. 여기서 연결된다고 함은, 고전압 파워 케이블과 CAN 통신 라인(미도시)이 각각 연결됨을 의미할 수 있다.

온보드차저(120)는 승압 직류 컨버터(HDC: High DC-DC Converter, 121))와 정류기(122)를 포함할 수 있다. 따라서, 완속 충전 단자(192)를 통해 일반적인 교류 전원이 입력되면, 정류기(122)가 교류 전원을 직류 전원으로 변환하며, HDC(121)를 통해 변환된 직류 전원이 제1 배터리(131)를 포함하는 고전압 시스템에 해당하는 전압으로 승압될 수 있다. 물론, 급속 충전 단자(191)에는 고전압 직류 전원이 공급될 것이므로 별도의 승압 수단을 거치지 않고 고전압 시스템에 연결될 수 있다.

한편, HDC(121)와 정류기(122) 사이의 분기를 통해 제1 스위치(181)가 연결될 수 있다. 따라서, 탈착식 배터리부(110)가 커넥터(160)를 통해 연결된 상태에서 제1 스위치(181)가 닫히고 제2 스위치(182)가 열리면 제2 배터리(111)의 직류 전원은 HDC(121)를 통해 승압될 수 있게 된다. 이는 탈착식 배터리부(110)의 제2 배터리(111)가 메인 배터리부(130)의 제1 배터리(131) 대비 소형, 즉, 저전압/저용량임을 상정하여 제2 배터리(111)의 전압을 승압하여 제1 배터리(131) 측으로 전달하기 위함이다.

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 출력한 제2 배터리(111)의 상태 정보를 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 5를 참조하여 후술하기로 한다.

또한, 제1 배터리 제어기(132)는 차량 통합 제어기(170)로부터 충전 지령을 수신하는 경우, 제2 배터리 제어기(112)에 충전 지령을 전달하여 제2 배터리(111)의 전력으로 제1 배터리(131)가 충전되도록 할 수도 있다. 경우에 따라서는 제1 배터리(131)의 전력으로 제2 배터리(111)가 충전되도록 제어할 수도 있음은 물론이다.

인버터(140)는 제1 배터리(131)의 직류 전원을 3상 전원으로 변환하여 모터(150)에 공급하거나, 회생 제동을 통해 모터(150)에서 생성된 전력을 직류로 변환하여 제1 배터리(131)로 공급할 수 있다.

모터(150)는 인버터(140)를 통해 공급되는 전력을 통해 구동력을 출력하거나, 회생 제동을 통해 발전을 수행할 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 부스팅(boosting, 151) 동작을 통해 제1 스위치(181)는 오픈되고 제2 스위치(182)는 닫힌 상태에서 제2 배터리(111)로부터 공급된 전력을 승압시킬 수도 있다.

차량 통합 제어기(170)는 가속 페달 센서(APS: Accelerator pedal Position Sensor, 미도시)의 APS 값에 따라 요구 구동력을 판단하고, 브레이크 페달 센서(BPS: Brake pedal Position Sensor, 미도시)의 BPS 값에 따라 요구 제동력을 판단할 수 있다. 차량 통합 제어기(170)는 요구 구동력이나 요구 제동력에 따라 모터(150)가 출력할 구동 토크나 회생 제동 토크를 결정하고 그에 따른 토크 지령을 모터 제어기(미도시)나 인버터(140)에 전달할 수 있다. 또한, 차량 통합 제어기(170)는 주행 상황이나 제1 배터리(131)의 상태에 따라 제1 배터리(131)에 대한 충전 또는 방전 지령을 제1 배터리 제어기(132)로 전달할 수 있다. 이때, 차량 통합 제어기(170)는 후술하는 바와 같이 제2 배터리(111)의 에너지로 제1 배터리(131)를 충전하도록 하는 제어를 수행함에 있어 차량의 동작 상태에 따라 제1 스위치(181)와 제2 스위치(182)의 상태를 결정할 수 있다.

아울러, 차량 통합 제어기(170)는 제1 배터리 제어기(132)로부터 수신한 제1 배터리(131)와 제2 배터리(111) 각각의 상태 정보나 총 가용 에너지 정보를 기반으로 제1 배터리(131)와 제2 배터리(111)의 에너지를 통합 관리할 수 있다.

여기서, 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
		NCM811 (NE셀대비혼합비율상이)			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 총 가용 에너지는 제1 배터리(131)와 제2 배터리(111) 각각의 SOC을 합산한다 하여도, 전력 구동부(140)의 모터는 제1 배터리(131)로부터 전력을 공급받으므로 제2 배터리(111)의 전력이 그대로 주행 거리로 변환되지 않을 수 있다. 따라서, 차량 통합 제어기(150)는 제2 배터리(111)의 전력으로 제1 배터리(131)를 충전함에 있어서의 경로 손실(예컨대, 제2 배터리 방전 효율, 직류 변환기 효율 및 제1 배터리 충전 효율 등)과 배터리 특성(셀타입, SOH 등)을 고려하여 총 가용 에너지와 별도로 총 주행 가능 거리를 관리할 수 있다. 이를 통해 본 실시예에 따른 전동화 차량은 보다 정확한 총 주행 가능 거리 정보를 운전자에 제공할 수 있게 된다.

한편, 도 1에서 도시되지는 않았으나, 메인 배터리부(130)와 인버터(140) 사이의 고전압 파워 케이블에는 메인 릴레이(미도시)가 구비될 수 있다.

상술한 차량 구성을 바탕으로, 이하에서는 도 2 내지 도 3b를 참조하여 실시예에 따른 제2 배터리(111)의 에너지로 제1 배터리(131)를 충전하기 위한 승압 방법을 설명한다.

본 실시예에 따른 승압 방법은 별도의 제2 배터리(111) 승압을 위한 승압 수단을 구비하도록 하는 대신, 스위치(181, 182)의 제어를 통해 전동화 차량의 기 탑재 장치를 통해 승압이 이루어지도록 할 수 있다.

구체적으로, 차량이 주행 중인 경우(예컨대, '차속 > 0kph' 또는 '모터RPM > 0')이거나 주행 가능한 상태(예컨대, 변속상태 D단)에서는 충전 플러그의 체결을 전제로 동작하는 온보드 차저(120)가 일반적으로 동작하지 않는다. 또한, 차량이 정차중인 경우(예컨대, '차속 = 0kph', '모터RPM = 0' 또는 변속상태 P단 등) 모터(150)는 일반적으로 구동되지 않는다. 따라서, 차량이 주행 중이거나 주행 가능한 상태에서는 온보드 차저(120)의 HDC(121)를 통한 승압이 가능하며, 차량이 정차중인 상태에서는 모터(150)의 부스팅 기능을 이용한 승압이 가능하다.

먼저, 도 2를 참조하여 온보드 차저(120)의 HDC(121)를 통한 승압을 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동화 차량에서 온보드 차저를 이용한 승압 상황을 나타낸다.

도 2에서는 간명한 이해를 돕기 위해 메인 배터리부(130)와 탈착식 배터리부(110) 사이에서 제1 스위치(181)가 닫히고 제2 스위치(182)가 열림에 따라 형성되는 전력 경로만 도시되었다.

도시된 바와 같이, 제1 스위치(181)가 닫힘에 따라 제2 배터리(111)는 HDC(121)와 연결되어 HDC(121)를 통해 승압될 수 있으므로, 제2 배터리(111)의 에너지로 제1 배터리(131)를 충전할 수 있게 된다.

다음으로, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 모터(150)의 부스팅 기능을 이용한 승압을 설명한다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동화 차량에서 모터를 이용한 승압 상황, 도 3b는 모터를 이용한 승압시 회로도를 나타낸다.

도 3a에서도 도 2와 유사하게 간명한 이해를 돕기 위해 메인 배터리부(130)와 탈착식 배터리부(110) 사이에서 제1 스위치(181)가 열리고 제2 스위치(182)가 닫힘에 따라 형성되는 전력 경로만 도시되었다.

도 3a 및 도 3b를 함께 참조하면, 제2 스위치(182)가 닫힘에 따라 제2 배터리(111)는 모터(150)가 회전하지 않는 상태에서 활성화되는 DC 부스팅을 통해 승압될 수 있으므로, 제2 배터리(111)의 에너지로 제1 배터리(131)를 충전할 수 있게 된다.

이하에서는 도 3c 및 도 3c를 참조하며 DC 부스팅의 원리를 설명한다. 도 3c 및 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터를 이용한 승압 원리를 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 3c를 참조하면, 인버터(140')와 모터(150)를 포함하는 부스트 컨버터를 간략화시킨 회로도가 도시된다. 도 3c의 회로도에서 입력 전압(V_I)은 제2 배터리(111)의 전압에 해당하고, V_O는 부스트 컨버터의 출력 전압으로 제1 배터리(131)에 공급되는 전압에 해당한다. 또한, 인덕터(L)는 모터(150)의 어느 한 상(phase)에 대한 권선에 대응될 수 있으며, 인버터(140)의 스위칭 동작에 따라서 복수의 상 중 어느 상에 대한 권선이 인덕터(L)에 해당하는지가 결정될 수 있다. 그 외에 나머지 구성 요소, 예컨대, 스위치(T_R), 다이오드(D), 콘덴서(C) 등은 인버터(140)의 일부 구성일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 나머지 구성 요소의 일부는 인버터(140)를 구성하는 소자와 별도의 소자로 구현될 수 있는 등, 당업자라면 다양한 방식으로 도 3c 및 도 3d에 도시된 회로도를 구현할 수 있음은 자명하다.

도 3c에 도시된 바와 같이 스위치(T_R)가 On상태가 되면 인덕터(L)에 전류가 흐르며 에너지가 축적되고, 부하측 저항(R)에는 콘덴서(C)에 축적된 에너지가 소비된다. 이때, 다이오드(D)는 콘덴서(C)의 전하가 스위치(T_R)로 흐르는 것을 차단할 수 있다.

인덕터(L)에 에너지가 축적된 후 동작은 도 3d를 참조하여 설명한다. 도 3d를 참조하면, 스위치(T_R)가 Off상태가 됨에 따라 입력 전압(V_I)에 인덕터(L)에 축적된 에너지가 더해져 다이오드(D)를 지나는 전압은 V_I+V_L이 된다. 즉, 출력 전압(V_O)은 입력 전압에 인덕터에 축적된 에너지 전압을 더한 값이 되므로, 결과적으로 입력 전압이 승압되어 출력단에 전해지는 효과가 발생한다.

이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 전술한 차량 구조 및 스위칭 방법을 통한 전원 관리 방법을 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동화 차량의 전원 관리 방법의 일례를 나타낸 순서도이다.

도 4를 참조하면, 탈착식 배터리부(110)가 차량(100)에 장착되고 커넥터(160)가 체결(즉, 고전압 파워 케이블 및 통신 라인 연결)될 수 있다(S401).

탈착식 배터리부(110)가 연결된 후 시동이 켜지면(S402), 제2 배터리 제어기(112)와 제1 배터리 제어기(132) 및 PE 부품(모터, 인버터, OBC 등) 제어기의 전원이 켜지면서 통신이 개시되고, 통신을 통해 획득된 정보로 총 가용 에너지 및 총 주행 가능거리가 연산될 수 있다(S403).

보다 상세히, 제2 배터리 제어기(112)가 제2 배터리(111)의 정보(SOC, SOH, 온도, 전압 등)를 제1 배터리 제어기(132)로 전달할 수 있다. 또한, 제1 배터리 제어기(132)는 제2 배터리(111)의 SOC와 제1 배터리(131)의 SOC를 합산하여 총 가용 에너지를 판단할 수 있다. 아울러, 차량 통합 제어기(170)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 5를 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈착식 배터리부의 제2 배터리 상태 추정 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.

도 5를 참조하면, 먼저 제1 배터리 제어기(132)가 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.

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 5를 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(170)에 통지하여 경고 메시지가 표출되도록 할 수도 있다.

다시 도 4로 돌아와서, 메인 릴레이(180)가 닫히면서(S404) 제1 배터리(131)의 전력이 인버터(140)로 전달되며, 차량 통합 제어기(170)는 제1 배터리(131)의 상태(SOC, 온도)와 부하(구동 에너지 및 전장 에너지 포함)를 고려하여 제1 배터리의 충전 가능 여부를 판단할 수 있다(S405).

예를 들어, 제1 배터리(131)의 온도가 기 설정된 임계온도 이내이고, 현재SOC가 기 설정된 상한 SOC보다 낮으면 차량 통합 제어기(150)는 제1 배터리(131)의 충전이 가능한 것으로 판단할 수 있다(S405의 Yes).

만일, 현재 SOC가 높아 제1 배터리(131)의 충전이 불가한 것으로 판단되면(S405의 No), 차량 통합 제어기(170)는 제1 배터리(131)의 SOC가 일정량(△SOC) 소모될 때까지 대기할 수 있다(S406).

이후 차량 통합 제어기(170)는 제2 배터리(111)가 방전 가능한 상태인지 여부, 예컨대, 제2 배터리(111)의 SOC가 기 설정된 하한 SOC보다 큰지 여부를 판단할 수 있다(S407). 방전 가능한 것으로 판단되면(S407의 Yes), 차량 통합 제어기(170)는 승압 수단을 결정하기 위해 차량 상태를 판단할 수 있다(S408).

여기서 차량 상태는 차량이 주행 중이거나 주행 가능한 상태를 나타내는 제1 상태와 차량이 정차 중인 제2 상태를 포함할 수 있다. 이러한 차량 상태를 판단하기 위해 차량 통합 제어기(170)는 변속상태, 모터RPM, 차속 중 적어도 하나를 참조할 수 있다. 예컨대, 전술한 바와 같이 '차속 > 0kph', '모터RPM > 0' 또는 변속상태 D단인 경우 제1 상태로 판단될 수 있고, '차속 = 0kph', '모터RPM = 0' 또는 변속상태 P단인 경우 제2 상태로 판단될 수 있다.

제1 상태로 판단된 경우, 차량 통합 제어기(170)는 OBC(120)의 HDC(121)를 승압 수단으로 이용하기 위해 제1 스위치(181)를 클로즈 상태로, 제2 스위치(182)를 오픈 상태로 각각 제어할 수 있다(S409A). 이와 달리, 제2 상태로 판단된 경우, 차량 통합 제어기(170)는 모터(150)의 부스팅 기능(151)을 승압 수단으로 이용하기 위해 제1 스위치(181)를 오픈 상태로, 제2 스위치(182)를 클로즈 상태로 각각 제어할 수 있다(S409B).

스위칭 제어의 수행에 따라 차량 통합 제어기(170)는 제1 배터리 제어기(132)로 충전 지령을 전달하고, 충전 지령이 제1 배터리 제어기(132)에서 제2 배터리 제어기(112)에 전달됨에 따라 제2 배터리(111)의 전력으로 제1 배터리(131)를 충전하는 충전 제어가 수행될 수 있다(S410).

충전 제어(S410) 과정은 온도 기반 충전맵 제어(410A)와 온도/차속 기반 냉각맵 제어(410B)를 포함할 수 있다.

온도 기반 충전맵 제어(410A)는 제2 배터리 제어기(112)가 제2 배터리(111)의 온도에 따른 충전 파워나 전류가 정의된 충전맵을 참조하여 제2 배터리(111)의 방전을 제어함을 의미할 수 있다. 예컨대, 충전맵은 아래 표 2와 같은 형태를 가질 수 있다.

온도(℃	…	A-10	A-5	상온(A)	A+5	A+10	…
	(하한						(상한
	충전온도)						충전온도)
충전파워(kW)	a	b	c	d	e	f	g
(or 전류(A))
Cut-off전압(V)	Y		X				Z

표 2를 참조하면, 충전맵은 복수의 온도 범위에 따라 충전 파워 또는 충전 전류가 컷오프 전압과 함께 정의된 형태를 가질 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로 다양한 변형이 가능함은 당업자에 자명하다.

다음으로, 온도/차속 기반 냉각맵 제어(410B)는 탈착식 배터리부(110)의 냉각 방식에 따라 냉각 수단을 제어함을 의미할 수 있다. 예컨대, 탈착식 배터리부(110)가 냉각 수단으로 냉각 팬을 가질 경우, 제2 배터리 제어기(112)는 아래 표 3과 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 3을 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.

충전 제어(S410) 과정은 제1 배터리(131)의 SOC가 목표 SOC에 도달하기 전까지(S411의 No), 제2 배터리(111)의 방전이 가능한 동안(S407의 Yes) 지속될 수 있다. 다시 말해, 제1 배터리(131)의 SOC가 목표 SOC에 도달하거나(S411의 Yes), 제2 배터리(111)의 방전이 불가해지면(S407의 No), 충전 제어(S410) 과정은 종료될 수 있다.

여기서, 목표 SOC는 다양한 방법으로 설정될 수 있다. 예컨대, 목표 SOC는 만충전(즉, SOC 100%)을 의미할 수도 있고, 제1 배터리 제어기(132)에 기 설정된 상한 SOC(BMS SOC upper limit)를 의미할 수 있다. 다른 예로, 경로 정보가 차량 통합 제어기(170)에 획득된 경우 전체(또는 왕복) 경로 길이가 제1 배터리(131)와 제2 배터리(111)의 에너지를 모두 이용함을 전제로 한 총 주행 가능거리보다 긴 경우, 충전 예약지점이나 충전 가능 지점 도착까지 필요한 에너지를 기반으로 목표 SOC가 결정될 수 있다. 또 다른 예로, 사용자 별로 감성적인 제1 배터리(131)의 SOC 하한(즉, SOC 저하로 불안감을 느끼는 SOC)이 목표 SOC 설정에 추가로 고려될 수도 있다.

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

전동화 차량에 있어서,
모터;
상기 모터와 3상 전력을 교환하는 인버터;
상기 인버터와 전기적으로 연결되며, 제1 배터리 및 상기 제1 배터리를 제어하는 제1 배터리 제어기를 구비하되, 상기 전동화 차량에 고정식으로 배치된 메인 배터리부;
상기 메인 배터리부와 상기 인버터 사이에 연결되며, 직류 변환기를 구비하는 온보드 차저; 및
커넥터와 상기 직류 변환기, 또는 상기 커넥터와 상기 모터를 선택적으로 연결하는 스위치부를 포함하고,
상기 제1 배터리 제어기는,
제2 배터리 및 상기 제2 배터리를 제어하는 제2 배터리 제어기를 구비하는 탈착식 배터리부가 상기 커넥터에 연결되면, 상기 제2 배터리 제어기가 출력하는 제2 배터리 정보를 획득하는, 전동화 차량.
제1 항에 있어서,
차량 상태를 기반으로 상기 스위치부를 제어하는 차량 제어기를 더 포함하는, 전동화 차량.
제2 항에 있어서,
상기 차량 제어기는,
상기 전동화 차량이 제1 상태인 경우 상기 커넥터와 상기 직류 변환기가 연결되도록 상기 스위치부를 제어하고,
상기 전동화 차량이 제2 상태인 경우 상기 커넥터와 상기 모터가 연결되도록 상기 스위치부를 제어하는, 전동화 차량.
제3 항에 있어서,
상기 차량 제어기는,
변속 상태, 상기 모터의 RPM 및 차속 중 적어도 하나를 기반으로 상기 차량 상태를 판단하는, 전동화 차량.
제4 항에 있어서,
상기 차량 제어기는,
상기 변속 상태가 D단인 경우 또는 상기 RPM이나 상기 차속이 0보다 큰 경우 상기 차량 상태를 상기 제1 상태로 판단하고,
상기 변속 상태가 P단인 경우 또는 상기 RPM이나 상기 차속이 0인 경우 상기 차량 상태를 상기 제2 상태로 판단하는, 전동화 차량.
제3 항에 있어서,
상기 차량 제어기는,
상기 제1 배터리 정보 및 상기 제2 배터리 정보를 기반으로 상기 제2 배터리의 에너지로 상기 제1 배터리를 충전하는 충전 제어의 수행 여부를 판단하는, 전동화 차량.
제6 항에 있어서,
상기 차량 제어기는,
상기 제1 배터리가 충전 가능한 상태이고, 상기 제2 배터리가 방전 가능한 상태인 경우 상기 충전 제어의 수행을 결정하는, 전동화 차량.
제6 항에 있어서,
상기 충전 제어가 수행될 때,
상기 제1 상태에서는 상기 직류변환기에서 상기 제1 배터리의 전력 승압이 수행되고,
상기 제2 상태에서는 상기 모터에서 상기 전력 승압이 수행되는, 전동화 차량.
제1 항에 있어서,
상기 제1 배터리 제어기는,
상기 제2 배터리 정보와 상기 제1 배터리에 대한 제1 배터리 정보를 기반으로 총 가용 에너지를 판단하는, 전동화 차량.
제9 항에 있어서,
상기 제2 배터리 정보는 셀타입 정보 및 정격 용량 정보를 포함하고,
상기 제1 배터리 제어기는,
상기 제2 배터리의 무부하 상태 전압을 기반으로 상기 제2 배터리의 충전 상태(SOC)를 추정하고, 테스트 전류 인가로 측정된 내부 저항을 기반으로 상기 제2 배터리의 내구 상태(SOH)를 추정하는, 전동화 차량.
제10 항에 있어서,
상기 제1 배터리 제어기는,
셀타입별 개방 회로 전압 테이블을 기반으로 상기 충전 상태를 추정하고,
셀타입별 내부 저항 테이블을 기반으로 상기 내구 상태를 추정하는, 전동화 차량.
제6 항에 있어서,
상기 차량 제어기는 상기 충전 제어의 수행을 결정하면 충전 지령을 상기 제1 배터리 제어기로 전달하고,
상기 제1 배터리 제어기는 상기 충전 지령을 상기 제2 배터리 제어기로 전달하는, 전동화 차량.
제6 항에 있어서,
상기 제2 배터리 제어기는,
상기 충전 제어가 개시됨에 따라 상기 제2 배터리의 온도에 기반하여 충전 전류 또는 충전 파워를 제어하는, 전동화 차량.
제6 항에 있어서,
상기 탈착식 배터리부는 냉각팬을 더 포함하고,
상기 제2 배터리 제어기는,
상기 충전 제어가 개시됨에 따라 차속과 상기 제2 배터리의 온도에 기반하여 상기 냉각팬의 동작을 제어하는, 전동화 차량.
제6 항에 있어서,
상기 차량 제어기는,
상기 충전 제어의 수행을 결정한 후 상기 제1 배터리의 충전 상태가 목표 충전 상태에 도달하면 상기 제1 충전 제어를 중단하는, 전동화 차량.
제15 항에 있어서,
상기 목표 충전 상태는,
상기 제1 배터리의 가용 에너지와 상기 제2 배터리의 가용 에너지를 기반으로 판단된 총 주행 가능거리보다 전체 경로가 긴 경우, 충전 예약 지점 또는 충전 가능 지점까지 도달 가능한 충전 상태를 포함하는, 전동화 차량.