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KR102259965B1 - 충전 제어 장치 및 방법 - Google Patents

충전 제어 장치 및 방법 Download PDF

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KR102259965B1
KR102259965B1 KR1020170147196A KR20170147196A KR102259965B1 KR 102259965 B1 KR102259965 B1 KR 102259965B1 KR 1020170147196 A KR1020170147196 A KR 1020170147196A KR 20170147196 A KR20170147196 A KR 20170147196A KR 102259965 B1 KR102259965 B1 KR 102259965B1
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Abstract

본 발명은 복수의 배터리 모듈로 이루어진 고전압 배터리를 만충전 상태까지 충전 시키는 충전 제어 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 충전 제어 장치는, 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈로 구성된 배터리의 충전을 제어하는 장치로서, 상기 복수의 배터리 모듈의 양단에 고전압 충전 전력을 인가하고, 고전압 충전 스위치부를 구비하는 고전압 충전 라인; 상기 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나의 배터리 모듈의 양단에 저전압 충전 전력을 인가하는 저전압 충전 라인; 상기 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나와 상기 저전압 충전 라인이 선택적으로 연결될 수 있도록 구성된 저전압 충전 스위치부; 및 상기 고전압 충전 스위치부 및 상기 저전압 충전 스위치부와 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 배터리 모듈의 충전 상태를 계산하며, 상기 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나가 만충전 상태에 도달되면 상기 고전압 충전 스위치부를 턴 오프 시키고, 계산된 상기 충전 상태를 기초로 적어도 하나의 배터리 모듈을 보조 충전 대상으로 결정하고, 상기 저전압 충전 스위치부를 선택적으로 턴 온 시켜, 보조 충전 대상으로 결정된 적어도 하나의 배터리 모듈을 보조 충전시키는 제어부를 포함한다.

Description

충전 제어 장치 및 방법{Charging control apparatus and method for the same}
본 발명은 충전 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 배터리 모듈로 이루어진 배터리를 만충전 상태까지 충전시키는 충전 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
근래에 들어서, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 및 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높다는 등의 장점으로 인해 많은 각광을 받고 있다.
배터리는 다양한 분야에서 이용되는데, 전기 구동 차량 또는 스마트 그리드 시스템과 같이 최근에 배터리가 많이 활용되는 분야는 큰 용량을 필요로 하는 경우가 많다. 배터리 팩의 용량을 증가하기 위해서는 이차 전지, 즉 배터리 셀 자체의 용량을 증가시키는 방법이 있을 수 있겠지만, 이 경우 용량 증대 효과가 크지 않고, 이차 전지의 크기 확장에 물리적 제한이 있으며 관리가 불편하다는 단점을 갖는다. 따라서, 통상적으로는 다수의 배터리 모듈이 직렬 및 병렬로 연결된 배터리 팩이 널리 이용된다.
배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈들은 전기화학적 특성이 동일하지 않을 수 있다. 또한, 배터리 팩의 충방전 사이클 수가 증가하면 각 배터리 모듈마다 퇴화 정도가 달라지므로 배터리 모듈들의 성능 편차는 더 커질 수 있다. 따라서, 배터리 팩이 만충전 상태까지 충전되는 동안 각 배터리 모듈의 충전 상태는 서로 다른 속도로 상승할 수 있다.
배터리 팩에 대해 만충전 상태까지 충전이 진행될 때, 퇴화된 배터리 모듈은 용량 퇴화가 없는 배터리 모듈에 비해 충전 상태의 증가 속도가 빠를 수 있다. 퇴화된 배터리 모듈은 만충전 용량이 퇴화되지 않은 배터리 모듈보다 감소된 상태에 있기 때문이다. 따라서, 배터리 팩이 충전되는 동안 각 배터리 모듈의 충전 상태는 서로 차이를 나타낼 수 있다.
종래에는 배터리 모듈들 상호 간의 충전 상태 편차를 해소하기 위해, 충전 상태가 상대적으로 높은 배터리 모듈을 강제 방전시키는 벅(BUCK) 밸런싱이 주로 사용되었다. 그런데, 벅 밸런싱은 밸런싱 과정에서 에너지가 낭비되는 문제가 있었다. 또한, 벅 밸런싱을 진행하면, 배터리 모듈들 전체의 충전 상태가 낮아지므로 배터리 팩의 만충전까지 소요되는 충전 시간이 그 만큼 길어지는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 고전압 배터리를 만충전 상태까지 충전하는 동안 모듈 간 밸런싱을 효과적으로 수행할 수 있는 충전 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 장치는, 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈로 구성된 배터리의 충전을 제어하는 장치로서, 상기 복수의 배터리 모듈의 양단에 고전압 충전 전력을 인가하고, 고전압 충전 스위치부를 구비하는 고전압 충전 라인; 상기 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나의 배터리 모듈의 양단에 저전압 충전 전력을 인가하는 저전압 충전 라인; 상기 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나와 상기 저전압 충전 라인이 선택적으로 연결될 수 있도록 구성된 저전압 충전 스위치부; 및 상기 고전압 충전 스위치부 및 상기 저전압 충전 스위치부와 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 배터리 모듈의 충전 상태를 계산하며, 상기 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나가 만충전 상태에 도달되면 상기 고전압 충전 스위치부를 턴 오프 시키고, 계산된 상기 충전 상태를 기초로 적어도 하나의 배터리 모듈을 보조 충전 대상으로 결정하고, 상기 저전압 충전 스위치부를 선택적으로 턴 온 시켜, 보조 충전 대상으로 결정된 적어도 하나의 배터리 모듈을 보조 충전시키는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 충전 제어 장치는, 외부 충전 장치와 연결 가능하도록 구성되며, 상기 고전압 충전 라인 및 상기 저전압 충전 라인의 일단이 각각 연결된 커넥터부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 커넥터부는, 상기 외부 충전 장치가 접속되도록 구성된 입력 단자, 상기 고전압 충전 라인이 접속되는 제1 출력 단자 및 상기 저전압 충전 라인이 접속되는 제2 출력 단자를 구비할 수 있다.
또한, 상기 입력 단자에 구비된 양극 입력 단자는, 상기 제1 출력 단자 및 상기 제2 출력 단자의 양극 출력 단자와 각각 연결되고, 상기 입력 단자에 구비된 음극 입력 단자는, 상기 제1 출력 단자 및 상기 제2 출력 단자의 음극 출력 단자와 각각 연결될 수 있다.
또한, 상기 저전압 충전 스위치부는, 일단이 상기 저전압 충전 라인에 연결되고 타단이 배터리 모듈의 양단에 연결되며 서로 병렬 연결되는 복수의 저전압 충전 회로를 구비하고, 상기 저전압 충전 회로는, 전류 경로를 선택적으로 개폐하는 적어도 하나의 단위 스위치를 구비할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 복수의 배터리 모듈의 충전 상태가 모두 만충전 상태에 도달되면, 상기 복수의 저전압 충전 회로에 구비된 상기 단위 스위치를 모두 턴 오프 시키는 것을 특징으로 하는 충전 제어 장치.
또한, 본 발명에 따른 충전 제어 장치는, 상기 복수의 배터리 모듈에 대한 전압을 측정하는 전압 측정부, 상기 복수의 배터리 모듈에 대한 충전 전류의 크기를 측정하는 전류 측정부 및 상기 복수의 배터리 모듈의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 전압 측정부, 상기 전류 측정부 및 상기 온도 측정부로부터 수신한 상기 복수의 배터리 모듈에 대한 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값을 이용하여, 각 배터리 모듈의 충전 상태를 계산하여 모니터링 할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 복수의 배터리 모듈 중 충전 상태가 가장 낮은 적어도 하나의 배터리 모듈을 보조 충전 대상으로 결정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 보조 충전을 진행하는 과정에서 보조 충전이 진행 중인 배터리 모듈과 충전 상태가 동일한 배터리 모듈이 나타나면, 상기 충전 상태가 동일한 배터리 모듈을 함께 보조 충전 대상으로 결정할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 BMS는, 본 발명에 따른 충전 제어 장치를 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 충전 제어 장치를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 충전 제어 방법은, 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈로 구성된 배터리의 충전을 제어하는 방법으로서, 상기 복수의 배터리 모듈의 양단에 고전압 충전 전력을 인가하여 상기 복수의 배터리 모듈을 충전하는 단계; 상기 복수의 배터리 모듈의 충전 상태를 계산하여 모니터링 하는 단계; 상기 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나가 만충전 상태에 도달되면 상기 고전압 충전 전력의 인가를 중지하는 단계; 상기 복수의 배터리 모듈 중 충전 상태를 기초로 적어도 하나의 배터리 모듈을 보조 충전 대상으로 결정하는 단계; 및 상기 보조 충전 대상으로 결정된 각 배터리 모듈과 연결된 저전압 충전 스위치부를 턴 온 시켜 해당 배터리 모듈을 저전압 충전 라인에 연결하여 보조 충전시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 배터리 모듈 간 전하 균등화를 위해 충전이 필요한 배터리 모듈을 선택하는 구성에 있어서, 충전 상태가 낮은 배터리 모듈을 선택적으로 충전할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 모듈 밸런싱 과정에서 에너지 낭비하지 않을 수 있고, 배터리 모듈 간 전하 균등화 속도가 빨라지는 장점이 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 외부 충전 장치와 연결되는 구성에 있어서, 고전압 충전 전력과 저전압 충전 전력을 하나의 외부 충전 장치로부터 공급받음으로써, 전하 균등화 회로를 단순화 할 수 있는 장점이 있다.
이외에도 본 발명은 다른 다양한 효과를 가질 수 있으며, 이러한 본 발명의 다른 효과들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 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 충전 제어 장치의 연결 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 커넥터부의 세부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 배터리 모듈과 저전압 충전 스위치부의 연결 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 배터리 모듈과 방전 회로의 연결 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
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 안 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 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 충전 제어 장치는, 배터리의 충전을 제어하는 장치이다. 여기서, 배터리에는 하나 이상의 이차 전지가 구비될 수 있다. 본 발명에 따른 충전 제어 장치는, 배터리 팩에 포함되는 복수의 배터리 모듈의 충전을 제어할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 충전 제어 장치는, 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리에 적용될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 장치의 연결 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 장치는, 고전압 충전 라인(L1), 저전압 충전 라인(L2), 저전압 충전 스위치부(200) 및 제어부(300)를 포함할 수 있다.
상기 고전압 충전 라인(L1)은, 복수의 배터리 모듈(10)의 양단에 고전압 충전 전력을 인가할 수 있다. 즉, 고전압 충전 라인(L1)은, 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈(10)의 양단에 연결되어, 고전압 충전 전력을 복수의 배터리 모듈(10)에 전달할 수 있다.
또한, 고전압 충전 라인(L1)은, 고전압 충전 스위치부(100)를 구비할 수 있다. 도 1의 실시예에서, 고전압 충전 스위치부(100)는, 복수의 배터리 모듈(10)의 양극 단자와 일단이 연결되는 고전압 충전 라인(L1)상에 위치하여, 복수의 배터리 모듈(10)에 전달되는 고전압 충전 전력을 차단할 수 있다.
상기 저전압 충전 라인(L2)은, 복수의 배터리 모듈(10) 중 적어도 하나의 배터리 모듈(10)의 양단에 저전압 충전 전력을 인가할 수 있다. 이를 위해, 상기 저전압 충전 스위치부(200)는, 복수의 배터리 모듈(10) 중 적어도 하나와 저전압 충전 라인(L2)이 선택적으로 연결될 수 있도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 저전압 충전 스위치부(200)는, 저전압 충전 라인(L2) 및 복수의 배터리 모듈(10) 사이에 위치할 수 있다. 여기서, 저전압 충전 스위치부(200)는, 각 배터리 모듈(10)의 양단과 각각 연결될 수 있다. 또한, 저전압 충전 스위치부(200)는, 저전압 충전 라인(L2)의 양극 라인 및 음극 라인이 각 배터리 모듈(10)의 양극 단자 및 음극 단자에 각각 연결될 수 있도록 구성될 수 있다. 저전압 충전 스위치부(200)의 구성에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
상기 제어부(300)는, 고전압 충전 스위치부(100) 및 저전압 충전 스위치부(200)와 전기적으로 연결될 수 있다. 바람직하게는, 제어부(300)는, 고전압 충전 스위치부(100)의 턴 온 또는 턴 오프를 제어하는 신호를 출력할 수 있다. 또한, 제어부(300)는, 저전압 충전 스위치부(200)의 턴 온 또는 턴 오프를 제어하는 신호를 출력할 수 있다.
제어부(300)는, 복수의 배터리 모듈(10)의 충전 상태를 계산할 수 있다. 예를 들어, 제어부(300)는, 복수의 배터리 모듈(10)에 대한 전압 측정값, 전류 측정값 및/또는 온도 측정값을 기초로 복수의 배터리 모듈(10)에 대한 충전 상태를 계산할 수 있다.
제어부(300)는, 복수의 배터리 모듈(10) 중 적어도 하나가 만충전 상태에 도달되면, 고전압 충전 스위치부(100)를 턴 오프 시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(300)는, 복수의 배터리 모듈(10)에 대한 충전 상태를 계산하고, 계산된 충전 상태를 기초로 만충전 상태에 도달된 배터리 모듈(10)을 판별할 수 있다. 또한, 제어부(300)는, 만충전 상태에 도달된 배터리 모듈(10)이 판별되면, 배터리 모듈(10)의 과충전을 막기 위해 고전압 충전 스위치부(100)를 턴 오프 시켜 고전압 충전 전력을 차단할 수 있다.
제어부(300)는, 복수의 배터리 모듈(10)의 충전 상태를 기초로 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 보조 충전 대상으로 결정할 수 있다. 특히, 제어부(300)는, 복수의 배터리 모듈(10)에 대한 충전 상태를 계산하고, 계산된 충전 상태를 기초로 충전 상태가 가장 낮은 배터리 모듈(10)을 보조 충전 대상으로 결정할 수 있다.
예를 들어, 4개의 배터리 모듈(10)이 직렬 연결된 경우, 4개의 배터리 모듈(10)의 충전 상태가 각각 100%, 90%, 80% 및 100%라고 가정하면, 충전 상태가 80%인 배터리 모듈(10)이 보조 충전 대상으로 결정될 수 있다.
제어부(300)는, 보조 충전 대상으로 결정된 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 보조 충전시킬 수 있다. 이때, 제어부(300)는, 저전압 충전 스위치부(200)를 선택적으로 턴 온 시켜, 저전압 충전 라인(L2)과 보조 충전 대상으로 결정된 적어도 하나의 배터리 모듈(10)의 양단이 연결되도록 할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 충전 제어 장치는, 도 1의 실시예에 도시된 바와 같이, 커넥터부(400)를 더 포함할 수 있다.
상기 커넥터부(400)는, 외부 충전 장치(50)와 연결 가능하도록 구성될 수 있다. 즉, 커넥터부(400)는, 외부 충전 장치(50)에 탈착될 수 있다. 예를 들어, 고전압 배터리(B)가 전기 자동차에 탑재된 배터리인 경우, 커넥터부(400)는, 전기 자동차에 구비된 충전용 커넥터일 수 있다. 그리고, 외부 충전 장치(50)는, 전기 자동차용 충전기일 수 있다.
또한, 커넥터부(400)는, 고전압 충전 라인(L1) 및 저전압 충전 라인(L2)의 일단이 각각 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 커넥터부(400)는, 고전압 충전 라인(L1) 및 저전압 충전 라인(L2)의 양극 라인 및 음극 라인이 각각 연결될 수 있다. 이와 같은 구성을 통해, 커넥터부(400)는, 외부 충전 장치(50)로부터 전달되는 고전압 충전 전력을 고전압 충전 라인(L1)에 전달할 수 있다. 또한, 커넥터부(400)는, 외부 충전 장치(50)로부터 전달되는 저전압 충전 전력을 저전압 충전 라인(L2)에 전달할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 커넥터부(400)는, 도 1의 실시예에 도시된 바와 같이, 입력 단자(410), 제1 출력 단자(430) 및 제2 출력 단자(450)를 구비할 수 있다.
상기 입력 단자(410)는, 외부 충전 장치(50)가 접속되도록 구성되어, 외부 충전 장치(50)로부터 출력되는 고전압 충전 전력을 입력 받을 수 있다.
상기 제1 출력 단자(430)는, 고전압 배터리(B)의 충전 시 복수의 배터리 모듈(10)을 전체적으로 충전할 수 있는 고전압 충전 전력을 출력할 수 있다. 여기서, 제1 출력 단자(430)에는, 고전압 충전 라인(L1)의 양극 라인 및 음극 라인이 접속될 수 있다.
상기 제2 출력 단자(450)는, 고전압 배터리(B)를 만충전 상태까지 충전하는 과정에서 충전 상태가 낮은 배터리 모듈(10)을 개별적으로 충전할 수 있는 저전압 충전 전력을 출력할 수 있다. 여기서, 제2 출력 단자(450)에는, 저전압 충전 라인(L2)의 양극 라인 및 음극 라인이 접속될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 저전압 충전 라인(L2)은, 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 보조적으로 충전할 수 있는 수준으로 충전 전력을 감소시키는 변압기(500)를 선택적으로 더 구비할 수 있다. 여기서, 변압기(500)의 전력 변환 비는 저전압 충전 라인(L2)을 통해 보조 충전시키고자 하는 배터리 모듈(10)의 개수에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 보조 충전이 가능한 배터리 모듈(10)의 개수는 1 내지 N-1의 범위에서 선택할 수 있다. 이때, N은 배터리 모듈(10)들의 총 개수이다.
또한, 바람직하게는, 본 발명에 따른 충전 제어 장치는, 도 1의 실시예에 도시된 바와 같이, 전압 측정부(610), 전류 측정부(630) 및 온도 측정부(650)를 포함할 수 있다.
상기 전압 측정부(610)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제어부(300)와 전기적으로 결합할 수 있다. 또한, 전압 측정부(610)는, 제어부(300)의 통제 하에, 시간 간격을 두고 각 배터리 모듈(10)의 양단 전압을 측정하고 측정된 전압의 크기를 나타내는 신호를 제어부(300)로 출력할 수 있다. 이때, 제어부(300)는, 전압 측정부(610)로부터 출력되는 신호로부터 각 배터리 모듈(10)의 전압을 결정할 수 있다. 예를 들어, 전압 측정부(610)는, 당업계에서 일반적으로 사용되는 전압 측정 회로를 이용하여 구현될 수 있다. 각 배터리 모듈(10)의 전압을 측정하기 위한 전압 측정부(610)의 회로 구성은 당업자에게 자명하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 전류 측정부(630)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제어부(300)와 전기적으로 결합할 수 있다. 또한, 전류 측정부(630)는, 제어부(300)의 통제하에 시간 간격을 두고 각 배터리 모듈(10)의 충전 전류 또는 방전 전류의 크기를 반복 측정하고 측정된 전류의 크기를 나타내는 신호를 제어부(300)로 출력할 수 있다. 이때, 제어부(300)는 전류 측정부(630)로부터 출력되는 신호로부터 전류의 크기를 결정할 수 있다. 예를 들어, 전류 측정부(630)는, 당업계에서 일반적으로 사용되는 홀 센서 또는 센스 저항을 이용하여 구현될 수 있다. 홀 센서 또는 센스 저항은 전류가 흐르는 선로에 설치될 수 있다. 각 배터리 모듈(10)의 충전 전류 또는 방전 전류의 크기를 측정하기 위한 전류 측정부(630)의 회로 구성은 당업자에게 자명하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 온도 측정부(650)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제어부(300)와 전기적으로 결합할 수 있다. 또한, 온도 측정부(650)는, 시간 간격을 두고 각 배터리 모듈(10)의 온도를 반복 측정하고 측정된 온도의 크기를 나타내는 신호를 제어부(300)로 출력할 수 있다. 이때, 제어부(300)는 온도 측정부(650)로부터 출력되는 신호로부터 각 배터리 모듈(10)의 온도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 온도 측정부(650)는, 당업계에서 일반적으로 사용되는 열전대(thermocouple)를 이용하여 구현될 수 있다. 각 배터리 모듈(10)의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부(650)의 회로 구성은 당업자에게 자명하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 제어부(300)는, 전압 측정부(610), 전류 측정부(630) 및 온도 측정부(650)로부터 수신한 복수의 배터리 모듈(10)에 대한 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값을 이용하여, 각 배터리 모듈(10)의 충전 상태를 계산하여 모니터링 할 수 있다. 즉, 제어부(300)는, 복수의 배터리 모듈(10)이 충전 또는 방전되는 동안 각각의 충전 상태(SOC)를 계산하여 모니터링 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 제어부(300)는, 각 배터리 모듈(10)의 충전 전류 및 방전 전류를 적산하여 각 배터리 모듈(10)의 충전 상태를 추정할 수 있다. 여기서, 각 배터리 모듈(10)의 충전 또는 방전이 시작될 때 충전 상태의 초기값은 충전 또는 방전이 시작되기 전에 측정한 각 배터리 모듈(10)의 개방 전압(OCV)을 이용하여 결정할 수 있다. 이를 위해, 제어부(300)는 개방 전압 별로 충전 상태를 정의한 개방 전압-충전 상태 룩업 테이블을 포함하고, 룩업 테이블로부터 각 배터리 모듈(10)의 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 맵핑할 수 있다.
다른 측면에서, 제어부(300)는, 확장 칼만 필터를 이용하여 각 배터리 모듈(10)의 충전 상태를 산출할 수 있다. 확장 칼만 필터는 배터리 셀의 전압, 전류 및 온도를 이용하여 배터리 모듈(10)의 충전 상태를 적응적으로 추정하는 수학적 알고리즘을 말한다. 여기서, 확장 칼만 필터를 이용한 충전 상태의 추정은, 일 예로서 그레고리 엘 플레트(Gregory L. Plett)의 논문 "Extended Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery packs Parts 1, 2 and 3" (Journal of Power Source 134, 2004, p. 252-261)을 참조할 수 있다.
각 배터리 모듈(10)의 충전 상태는 전술한 전류 적산법 또는 확장 칼만 필터 이외에도 각 배터리 모듈(10)의 전압, 전류 및 온도를 선택적으로 활용하여 충전 상태를 추정할 수 있는 다른 공지의 방법에 의해서도 결정할 수 있다.
제어부(300)는, 각 배터리 모듈(10)의 만충전 용량을 결정할 수 있다. 만충전 용량은 충전 상태의 계산에 사용된다. 만충전 용량은 배터리 모듈(10)이 완전 방전 상태에서 만충전 상태까지 충전되는 과정에서 제어부(300)에 의해 계산될 수 있다. 만충전 용량은 본 발명이 속한 기술 분야에서 공지된 다른 방법으로도 결정될 수 있다.
바람직하게는, 제어부(300)는, 보조 충전을 진행하는 과정에서 보조 충전이 진행 중인 배터리 모듈(10)과 충전 상태가 동일한 배터리 모듈(10)이 나타나면, 충전 상태가 동일한 배터리 모듈(10)을 함께 보조 충전 대상으로 결정할 수 있다.
예를 들어, 직렬 연결된 4개의 배터리 모듈(10)인 제1 배터리 모듈, 제2 배터리 모듈, 제3 배터리 모듈 및 제4 배터리 모듈의 충전 상태가, 고전압 충전 라인(L1)을 통한 전체 충전을 통해 각각 100%, 80%, 90% 및 100%에 도달되었다고 가정한다. 이 경우, 제어부(300)는 제2 배터리 모듈에 대해 먼저 보조 충전을 진행함으로써 충전 상태가 90%에 도달되도록 할 수 있다. 이때, 제어부(300)는, 보조 충전된 제2 배터리 모듈 이외에 종래 충전 상태가 90%인 제3 배터리 모듈을 보조 충전 대상으로 함께 결정하고, 제2 및 제3 배터리 모듈을 동시에 보조 충전 시킬 수 있다.
더욱 바람직하게는, 제어부(300)는, 복수의 배터리 모듈(10)의 충전 상태가 모두 만충전 상태에 도달되면, 복수의 저전압 충전 스위치부(200)를 모두 턴 오프 시킬 수 있다.
한편, 제어부(300)는, 상술한 바와 같은 동작을 수행하기 위해, 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀 및/또는 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 커넥터부의 세부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커넥터부(400)는, 제1 출력 단자(430), 제2 출력 단자(450) 및 입력 단자(410)를 포함할 수 있다.
상기 제1 출력 단자(430)는, 양극 출력 단자 및 음극 출력 단자를 구비할 수 있다. 도 2의 실시예에서, 제1 출력 단자(430)는, 양극 출력 단자 및 음극 출력 단자를 통해 외부 충전 장치로부터 커넥터부(400)로 전달된 고전압 충전 전력을 고전압 충전 라인(L1)으로 출력할 수 있다.
상기 제2 출력 단자(450)는, 양극 출력 단자 및 음극 출력 단자를 구비할 수 있다. 도 2의 실시예에서, 제2 출력 단자(450)는, 양극 출력 단자 및 음극 출력 단자를 통해 외부 충전 장치로부터 커넥터부(400)로 전달된 저전압 충전 전력을 저전압 충전 라인(L2)으로 출력할 수 있다.
상기 입력 단자(410)는, 양극 입력 단자 및 음극 입력 단자를 구비할 수 있다. 도 2의 실시예에서, 입력 단자(410)는, 양극 입력 단자 및 음극 입력 단자를 통해 외부 충전 장치로부터 고전압 및 저전압 충전 전력을 입력 받을 수 있다.
여기서, 양극 입력 단자(410)는, 제1 출력 단자(430)의 양극 출력 단자 및 제2 출력 단자(450)의 양극 출력 단자와 각각 연결될 수 있다. 또한, 음극 입력 단자(410)는, 제1 출력 단자(430)의 음극 출력 단자 및 제2 출력 단자(450)의 음극 출력 단자와 각각 연결될 수 있다.
본 발명의 이와 같은 구성을 통해, 고전압 충전 전력과 저전압 충전 전력을 하나의 커넥터를 통해 하나의 외부 충전 장치로부터 공급받음으로써, 전하 균등화 회로를 단순화할 수 있는 장점이 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 배터리 모듈과 저전압 충전 스위치부의 연결 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저전압 충전 스위치부(200)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 저전압 충전 라인(L2)과 복수의 배터리 모듈(11, 12, 13, 14) 사이에서, 일측이 저전압 충전 라인(L2)에 연결되고, 타측이 복수의 배터리 모듈(11, 12, 13, 14)에 연결될 수 있다.
또한, 저전압 충전 스위치부(200)는, 복수의 저전압 충전 회로(C)를 구비할 수 있다. 여기서, 저전압 충전 회로(C)는, 저전압 충전 라인(L2)을 복수의 배터리 모듈(11, 12, 13, 14) 중에서 선택된 적어도 하나의 배터리 모듈(10)과 선택적으로 연결할 수 있도록 복수의 배터리 모듈(11, 12, 13, 14)과 각각 연결될 수 있다. 이때, 저전압 충전 회로(C)는, 일단이 저전압 충전 라인(L2)에 연결되고 타단이 배터리 모듈(10)의 양단에 연결될 수 있다.
예를 들어, 도 3의 구성에 도시된 바와 같이, 저전압 충전 스위치부(200)는, 제1 충전 회로(C1), 제2 충전 회로(C2), 제3 충전 회로(C3) 및 제4 충전 회로(C4)를 구비할 수 있다. 여기서, 제1 충전 회로(C1)는 저전압 충전 라인(L2)의 양단과 제1 배터리 모듈(11)의 양단 사이를 연결할 수 있다. 유사하게, 제2 충전 회로(C2)는 저전압 충전 라인(L2)의 양단과 제2 배터리 모듈(12)의 양단 사이를 연결할 수 있다. 또한, 제3 및 제4 충전 회로(C3, C4)는 저전압 충전 라인(L2)의 양단과 제3 및 제4 배터리 모듈(13, 14)의 양단 사이를 연결할 수 있다. 도 3에 도시하지는 않았지만, N개의 배터리 모듈(10)이 직렬 연결된 경우, 제5 내지 제N 충전 회로도 유사한 구성을 가질 수 있다.
특히, 복수의 저전압 충전 회로(C)는, 서로 병렬 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 구성에 도시된 바와 같이, 제1 충전 회로(C1), 제2 충전 회로(C2), 제3 충전 회로(C3) 및 제4 충전 회로(C4)는 저전압 충전 라인(L2)의 양단과 서로 병렬로 연결될 수 있다. 도 3에 도시하지는 않았지만, N개의 배터리 모듈(10)이 직렬 연결된 경우, 제5 내지 제N 충전 회로도 유사한 구성을 가질 수 있다.
더욱, 바람직하게는, 저전압 충전 회로(C)는, 전류 경로를 선택적으로 개폐하는 적어도 하나의 단위 스위치를 구비할 수 있다. 특히, 저전압 충전 회로(C)는, 배터리 모듈(10)의 양단에 각각 연결된 복수의 단위 스위치를 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 구성에 도시된 바와 같이, 제1 충전 회로(C1)는, 제1 배터리 모듈(11)의 양극 단자 및 음극 단자에 각각 연결된 제1 스위치(C1_1) 및 제2 스위치(C1_2)를 포함할 수 있다. 유사하게, 제2 충전 회로(C2)는, 제2 배터리 모듈(12)의 양극 단자 및 음극 단자에 각각 연결된 제1 스위치(C2_1) 및 제2 스위치(C2_2)를 포함할 수 있다. 또한, 유사하게, 제3 및 제4 충전 회로(C3, C4)는, 제1 스위치(C3_1, C4_1) 및 제2 스위치(C3_2, C4_2)를 포함할 수 있다. 도 3에 도시하지는 않았지만, N개의 배터리 모듈(10)이 직렬 연결된 경우, 제5 내지 제N 충전 회로도 유사한 구성을 가질 수 있다.
또한, 바람직하게는, 제어부(300)는, 복수의 저전압 충전 회로(C)에 구비된 제1 스위치(C1_1, C2_1, C3_1, C4_1) 및 제2 스위치(C1_2, C2_2, C3_2, C4_2)의 턴 온 또는 턴 오프를 개별적으로 제어할 수 있는 신호를 출력할 수 있다. 이를 통해, 제어부는, 복수의 배터리 모듈(10) 중 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 선택하고, 선택된 배터리 모듈(10)과 저전압 충전 라인(L2)을 저전압 충전 회로(C)를 통해 개별적으로 연결할 수 있다.
더욱, 바람직하게는, 제어부(300)는, 복수의 배터리 모듈(10)의 충전 상태가 모두 만충전 상태에 도달되면, 복수의 저전압 충전 회로(C)에 구비된 단위 스위치를 모두 턴 오프 시킬 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 실시예에서, 제어부(300)는, 제1 배터리 모듈(11), 제2 배터리 모듈(12), 제3 배터리 모듈(13) 및 제4 배터리 모듈이 모두 만충전 상태에 도달되면, 제1 스위치(C1_1, C2_1, C3_1, C4_1) 및 제2 스위치(C1_2, C2_2, C3_2, C4_2)를 모두 턴 오프 시킬 수 있다.
본 발명의 이와 같은 구성을 통해, 충전 상태가 낮은 배터리 모듈(10)을 선택적으로 충전할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 모듈 전체의 충전 상태를 균일하게 유지할 수 있고, 배터리 모듈 간 전하 균등화 속도가 빨라지는 장점이 있다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 배터리 모듈과 방전 회로의 연결 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 장치는, 복수의 배터리 모듈(11, 12, 13, 14)에 각각 연결된 복수의 방전 회로(D)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 장치에서, 상기 복수의 방전 회로(D)는 도 3에 도시된 복수의 저전압 충전 회로(C)와 함께 구비될 수 있다.
바람직하게는, 제1 방전 회로(D1)는, 제1 배터리 모듈(11)의 양단에 연결되어 제1 방전 스위치(S1)와 제1 방전 저항(R1)을 포함할 수 있다. 유사하게, 제2 방전 회로(D2)는, 제2 배터리 모듈(12)의 양단에 연결되어 제2 방전 스위치(S2)와 제2 방전 저항(R2)을 포함할 수 있다. 또한, 유사하게, 제3 및 제4 방전 회로(D3, D4)는, 제3 배터리 모듈(13) 및 제4 배터리 모듈의 양단에 각각 연결되어 제3 및 제4 방전 스위치(S3, S4)와 제3 및 제4 방전 저항(R3, R4)을 각각 포함할 수 있다. 도 4에 도시하지는 않았지만, N개의 배터리 모듈(10)이 직렬 연결된 경우, 제5 내지 제N 방전 회로도 유사한 구성을 가질 수 있다.
바람직하게는, 제어부는, 복수의 방전 회로(D)에 구비된 방전 스위치(S)의 턴 온 또는 턴 오프를 개별적으로 제어할 수 있는 신호를 출력할 수 있다. 이를 통해, 제어부는, 복수의 배터리 모듈(10) 중 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 선택하고, 선택된 배터리 모듈(10)을 개별적으로 방전 시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 장치는, 강제 방전 및 보조 충전을 동시에 진행할 수 있다. 즉, 충전 제어 장치는, 도 3 및 도 4의 실시예에 도시된 저전압 충전 회로(C) 및 방전 회로(D)를 이용하여, 복수의 배터리 모듈(10) 중 적어도 하나의 배터리 모듈(10)에 대하여 강제 방전 및 보조 충전을 동시에 진행할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 충전 제어 장치는, 급속 충전 모드 및 보통 충전 모드의 두 가지 모드로 동작할 수 있다.
여기서, 급속 충전 모드는, 강제 방전, 고전압 충전 및 보조 충전을 이용하여, 빠르게 복수의 배터리 모듈(10)을 만충전 상태까지 충전하는 모드 이다. 다만, 급속 충전 모드는 충전 속도가 빠를 수 있지만, 강제 방전에 의한 에너지 손실이 있을 수 있다.
예를 들어, 4개의 배터리 모듈(10)이 직렬 연결된 경우, 4개의 배터리 모듈(10)의 충전 상태가 각각 100%, 80%, 85% 및 80%라고 가정하면, 제어부는 충전 상태가 100%인 배터리 모듈(10)을 강제 방전 시켜 충전 상태를 100% 에서 85%로 낮추고, 충전 상태가 각각 85%, 80%, 85% 및 80%인 상태에서 고전압 충전을 통해 전체 배터리 모듈(10)들을 충전시킬 수 있다. 이어서, 적어도 하나의 배터리 모듈(10)이 만충전 상태가 되는 시점에 고전압 충전을 중지할 수 있다. 즉, 이때 4개의 배터리 모듈(10)의 충전 상태는 100%, 95%, 100% 및 95%일 수 있다. 그리고, 제어부는 충전 상태가 95%인 2개의 배터리 모듈(10)을 보조 충전 시켜 모든 배터리 모듈(10)을 만충전 시킬 수 있다.
또한, 보통 충전 모드는, 보조 충전을 이용하여, 에너지 손실 없이 배터리 모듈(10)을 만충전 상태까지 충전하는 모드이다.
예를 들어, 4개의 배터리 모듈(10)이 직렬 연결된 경우, 4개의 배터리 모듈(10)의 충전 상태가 각각 100%, 80%, 85% 및 80%라고 가정하면, 제어부는 충전 상태가 80%인 2개의 배터리 모듈(10)을 보조 충전 시켜 충전 상태를 80%에서 85%로 높일 수 있다. 이어서, 종래 충전 상태가 85%인 배터리 모듈(10)을 함께 보조 충전 대상으로 결정하고, 충전 상태가 85%인 3개의 배터리 모듈(10)을 보조 충전 시켜 모든 배터리 모듈(10)을 만충전 시킬 수 있다.
본 발명에 따른 충전 제어 장치는, BMS에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 본 발명에 따른 충전 제어 장치를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 본 발명에 따른 충전 제어 장치의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 충전 제어 장치의 제어부, 전압 측정부, 전류 측정부 및 온도 측정부는, BMS(Battery Management System)의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 충전 제어 장치는, 배터리 팩에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 충전 제어 장치를 포함할 수 있다. 여기서, 배터리 팩은, 하나 이상의 이차 전지, 상기 충전 제어 장치, 전장품(BMS나 릴레이, 퓨즈 등 구비) 및 케이스 등을 포함할 수 있다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 도 5에서, 각 단계의 수행 주체는, 앞서 설명한 본 발명에 따른 충전 제어 장치의 각 구성요소라 할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 단계 S110에서, 제어부는 충전이 시작되면 고전압 충전 라인에 설치된 고전압 충전 스위치부를 턴 온 시킨다(S110). 그러면, 충전 전류가 복수의 배터리 모듈 즉, 제1 내지 제N 배터리 모듈을 통해 흘러 복수의 배터리 모듈의 충전이 시작된다.
충전의 시작은, 외부 충전 장치로부터 전송되는 충전 개시 요구 신호에 따라 이루어질 수 있다. 충전 개시 요구 신호의 수신을 위해, 커넥터부는 통신 인터페이스를 포함할 수 있고, 제어부는 통신 인터페이스를 통해 전기적 신호를 송수신할 수 있도록 전기적으로 결합될 수 있다.
제어부는, 단계 S120에서, 고전압 배터리의 충전이 진행되는 동안 복수의 배터리 모듈의 충전 상태를 계산하여 모니터링 한다. 여기서, 충전 상태는 전류 적산법 또는 확장 칼만 필터 등을 이용하여 계산이 가능하다.
제어부는, 단계 S130에서, 복수의 배터리 모듈의 충전이 진행되는 동안 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나가 만충전 상태에 도달되었는지 판별한다.
만약, 단계 S130의 판단 결과가 YES이면, 제어부는 단계 S140에서 고전압 충전 스위치부를 턴 오프 시켜 충전을 일시 중단한다. 반면, 단계 S130의 판단 결과가 NO이면, 제어부는 단계 S120을 이행하여 고전압 배터리의 충전을 계속 진행한다.
제어부는, 단계 S140에서 충전이 일시 중단되면, 단계 S150에서, 복수의 배터리 모듈의 충전 상태를 서로 비교하여 충전 상태가 가장 낮은 배터리 모듈을 보조 충전 대상으로 결정한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 제1 배터리 모듈(11), 제2 배터리 모듈(12), 제3 배터리 모듈(13) 및 제4 배터리 모듈(14)의 충전 상태가 각각 100%, 90%, 80% 및 100%라고 가정하면, 제3 배터리 모듈(13)이 보조 충전 대상으로 결정될 수 있다.
이어서, 제어부는, 단계 S160에서, 보조 충전 대상으로 결정된 배터리 모듈과 연결된 저전압 충전 스위치부의 단위 스위치를 턴 온 시켜, 해당 배터리 모듈을 저전압 충전 라인에 연결하여 보조 충전을 진행한다.
이어서, 제어부는, 단계 S170에서, 보조 충전 대상으로 결정된 배터리 모듈의 충전이 진행되는 동안 복수의 배터리 모듈의 충전 상태를 계산하여 모니터링 한다. 여기서, 충전 상태는 전류 적산법 또는 확장 칼만 필터를 이용하여 계산이 가능하다.
이어서, 제어부는, 단계 S180에서, 보조 충전 대상으로 결정된 배터리 모듈과 충전 상태가 동일한 배터리 모듈이 있는지 판별한다.
만약, 단계 S180에서 YES로 판별되면, 제어부는 프로세스를 단계 S150으로 이행한다. 반면, 단계 S180에서 NO로 판별되면, 프로세스를 단계 S190으로 이행하여 보조 충전 대상 배터리 모듈에 대한 보조 충전을 계속 진행한다.
단계 S180에서 YES로 판별되면, 제어부는, 단계 S150에서, 보조 충전 대상으로 결정된 배터리 모듈과 충전 상태가 동일한 배터리 모듈을 함께 보조 충전 대상으로 결정한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 제1 배터리 모듈(11), 제2 배터리 모듈(12), 제3 배터리 모듈(13) 및 제4 배터리 모듈(14)의 충전 상태가 각각 100%, 90%, 90% 및 100%라고 가정하고, 제3 배터리 모듈(13)이 보조 충전 대상으로 결정되어 보조 충전이 진행된 배터리 모듈인 경우, 제어부는 제3 배터리 모듈(13)과 충전 상태가 동일한 제2 배터리 모듈(12)을 보조 충전 대상으로 함께 결정하고, 제2 배터리 모듈(12) 및 제3 배터리 모듈(13)을 동시에 보조 충전 시킬 수 있다.
한편, 단계 S180에서 NO로 판별되면, 제어부는 단계 S190에서, 모든 배터리 모듈이 만충전 상태에 도달했는지 판별한다.
만약, 단계 S190의 판단 결과가 YES이면, 제어부는 고전압 배터리가 만충전 상태에 도달되었다고 판단하여 충전 프로세스를 종료한다. 반면, 단계 S190의 판단 결과가 NO이면, 제어부는 프로세스를 단계 S170으로 이행하여 보조 충전 대상 배터리 모듈에 대한 보조 충전을 계속 진행한다. 따라서, 어느 하나의 배터리 모듈이 만충전 상태에 도달되었을 때, 충전 상태가 가장 낮은 배터리 모듈로부터 순차적으로 보조 충전이 진행된다. 그리고, 결국에는 모든 배터리 모듈의 충전 상태가 100%에 수렴하게 된다.
또한, 모듈 밸런싱이 수행되는 과정에서 보조 충전이 진행되므로 전체 배터리 모듈의 충전 상태가 평균적으로 증가되면서 모듈 밸런싱이 진행된다. 따라서, 모듈 밸런싱 과정에서 강제 방전을 통해 소모되는 에너지 량을 감소시킬 수 있고, 만충전까지 소요되는 시간 또한 단축시킬 수 있다.
구체적인 예로서, 4개의 배터리 모듈들을 충전시킬 때 특정 시점에서 배터리 모듈들의 충전 상태가 각각 100%, 90%, 80% 및 85%인 상황을 가정하는 경우, 종래의 밸런싱 방식은 모든 배터리 모듈의 충전 상태를 80%에 맞추기 위해 충전 상태가 100%, 90% 및 85%인 모듈들을 모두 강제 방전시킨다. 따라서, 이 과정에서 충전 상태의 총 변화량 35%에 해당하는 에너지 낭비가 수반된다. 이때, 소모되는 에너지는 방전 회로에서 열로 전환된다. 또한, 배터리 모듈들의 충전 상태가 80%로 낮아졌으므로 만충전 상태와의 격차가 평균적으로 증가하여 만충전까지 소요되는 시간이 그 만큼 길어진다.
반면, 본 발명의 실시예에 따르면, 충전 상태가 80%인 배터리 모듈은 보조 충전된다. 그리고, 보조 충전되는 배터리 모듈의 충전 상태가 80%에서 85%가 되면, 종래 충전 상태가 85%인 배터리 모듈도 함께 보조 충전 대상이 되어 충전 상태가 85%인 2개의 배터리 모듈이 보조 충전된다. 그리고, 보조 충전되는 2개의 배터리 모듈의 충전 상태가 85%에서 90%가 되면, 종래 충전 상태가 90%인 배터리 모듈도 함께 보조 충전 대상이 되어 충전 상태가 90%인 3개의 배터리 모듈이 보조 충전된다. 그리고, 보조 충전되는 3개의 배터리 모듈의 충전 상태가 90%에서 100%가 되면, 모든 배터리 모듈이 만충전 상태에 도달되어 충전이 종료된다.
이상과 같이, 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.
한편, 본 명세서에서 '제어부', '스위치부', '측정부' 등과 같이 '부'라는 용어가 사용되었으나, 이는 논리적인 구성 단위를 나타내는 것으로서, 반드시 물리적으로 분리될 수 있거나 물리적으로 분리되어야 하는 구성요소를 나타내는 것은 아니라는 점은 당업자에게 자명하다.
10: 배터리 모듈
50: 외부 충전 장치
100: 고전압 충전 스위치부
200: 저전압 충전 스위치부
300: 제어부
400: 커넥터부
410: 입력 단자
430: 제1 출력 단자
450: 제2 출력 단자
500: 변압기
610: 전압 측정부
630: 전류 측정부
650: 온도 측정부
C: 저전압 충전 회로
D: 방전 회로
L1: 고전압 충전 라인
L2: 저전압 충전 라인

Claims (13)

  1. 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈의 충전을 제어하는 충전 제어 장치에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈의 양단에 고전압 충전 전력을 인가하고, 고전압 충전 스위치부를 구비하는 고전압 충전 라인;
    상기 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나의 배터리 모듈의 양단에 저전압 충전 전력을 인가하는 저전압 충전 라인;
    상기 복수의 배터리 모듈을 선택적으로 상기 저전압 충전 라인에 연결하도록 구성된 복수의 저전압 충전 회로를 구비하는 저전압 충전 스위치부;
    상기 복수의 배터리 모듈 각각의 양단에 연결되는 복수의 방전 회로; 및
    상기 고전압 충전 스위치부, 상기 복수의 저전압 충전 회로 및 상기 복수의 방전 회로와 전기적으로 연결되는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 배터리 모듈의 양단에 상기 고전압 충전 전력을 인가하여 상기 복수의 배터리 모듈이 충전되도록, 상기 고전압 충전 스위치부를 턴 온시키고,
    상기 복수의 배터리 모듈 각각의 충전 상태를 계산하며,
    상기 고전압 충전 전력에 의해 상기 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나가 만충전 상태에 도달되면, 상기 고전압 충전 스위치부를 턴 오프 시키고, 상기 만충전 상태에 도달한 배터리 모듈의 양단에 연결된 방전 회로를 이용하여, 상기 만충전 상태에 도달한 배터리 모듈을 상기 만충전 상태 다음으로 큰 것으로 계산된 충전 상태까지 방전시키고, 상기 복수의 배터리 모듈 중 충전 상태가 가장 낮은 적어도 하나의 배터리 모듈을 보조 충전 대상으로 결정하고,
    상기 복수의 저전압 충전 회로를 선택적으로 턴 온 시켜, 상기 보조 충전 대상으로 결정된 적어도 하나의 배터리 모듈에 대한 보조 충전을 진행하고,보조 충전이 진행하는 중에, 상기 보조 충전 대상으로 결정된 적어도 하나의 배터리 모듈과 동일한 충전 상태를 가지는 다른 배터리 모듈이 나타나면, 상기 다른 배터리 모듈을 상기 보조 충전 대상으로 추가하는 충전 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    외부 충전 장치와 연결 가능하도록 구성되며, 상기 고전압 충전 라인 및 상기 저전압 충전 라인의 일단이 각각 연결된 커넥터부를 더 포함하는 충전 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 커넥터부는,
    상기 외부 충전 장치가 접속되도록 구성된 입력 단자;
    상기 고전압 충전 라인이 접속되는 제1 출력 단자; 및
    상기 저전압 충전 라인이 접속되는 제2 출력 단자를 구비하는 충전 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 입력 단자에 구비된 양극 입력 단자는, 상기 제1 출력 단자의 양극 출력 단자 및 상기 제2 출력 단자의 양극 출력 단자와 각각 연결되고,
    상기 입력 단자에 구비된 음극 입력 단자는, 상기 제1 출력 단자의 음극 출력 단자 및 상기 제2 출력 단자의 음극 출력 단자와 각각 연결되는 충전 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    각 저전압 충전 회로는,
    상기 저전압 충전 라인에 연결되는 일단과 배터리 모듈의 양단에 연결되는 타단 간의 전류 경로를 선택적으로 개폐하는 적어도 하나의 단위 스위치를 구비하는 충전 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 배터리 모듈이 모두 만충전 상태에 도달되면, 상기 복수의 저전압 충전 회로에 구비된 상기 단위 스위치를 모두 턴 오프시키는 충전 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈에 대한 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 복수의 배터리 모듈에 대한 충전 전류의 크기를 측정하는 전류 측정부; 및
    상기 복수의 배터리 모듈의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하는 충전 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전압 측정부, 상기 전류 측정부 및 상기 온도 측정부로부터 수신한 상기 복수의 배터리 모듈에 대한 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값을 이용하여, 각 배터리 모듈의 충전 상태를 계산하는 충전 제어 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 충전 제어 장치를 포함하는 BMS.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 충전 제어 장치를 포함하는 배터리 팩.
  13. 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈의 양단에 고전압 충전 전력을 인가하고, 고전압 충전 스위치부를 구비하는 고전압 충전 라인; 상기 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나의 배터리 모듈의 양단에 저전압 충전 전력을 인가하는 저전압 충전 라인; 상기 복수의 배터리 모듈을 선택적으로 상기 저전압 충전 라인에 연결하도록 구성된 복수의 저전압 충전 회로를 구비하는 저전압 충전 스위치부; 및 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 양단에 연결되는 복수의 방전 회로를 이용하여, 상기 복수의 배터리 모듈의 충전을 제어하는 충전 제어 방법에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈의 양단에 상기 고전압 충전 전력을 인가하여 상기 복수의 배터리 모듈이 충전되도록 제어부가 상기 고전압 충전 스위치부를 턴 온시키는 단계;
    상기 제어부가 상기 복수의 배터리 모듈의 충전 상태를 계산하여 모니터링 하는 단계;
    상기 고전압 충전 전력에 의해 상기 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나가 만충전 상태에 도달되면, 상기 제어부가 상기 고전압 충전 스위치부를 턴 오프시킨 다음, 상기 만충전 상태에 도달한 배터리 모듈의 양단에 연결된 방전 회로를 이용하여, 상기 만충전 상태에 도달한 배터리 모듈을 상기 만충전 상태 다음으로 큰 것으로 계산된 충전 상태까지 방전시키고, 상기 복수의 배터리 모듈 중 충전 상태가 가장 낮은 적어도 하나의 배터리 모듈을 보조 충전 대상으로 결정하는 단계;
    상기 제어부가 상기 복수의 저전압 충전 회로를 선택적으로 턴 온시켜, 상기 보조 충전 대상으로 결정된 적어도 하나의 배터리 모듈에 대한 보조 충전을 진행하는 단계;
    보조 충전이 진행하는 중에, 상기 보조 충전 대상으로 결정된 적어도 하나의 배터리 모듈과 동일한 충전 상태를 가지는 다른 배터리 모듈이 나타나면, 상기 제어부가 상기 다른 배터리 모듈을 상기 보조 충전 대상으로 추가하는 단계를 포함하는 충전 제어 방법.
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