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KR101727213B1 - 엔진과 배터리 일체형 전동차의 동력전달장치 - Google Patents

엔진과 배터리 일체형 전동차의 동력전달장치 Download PDF

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KR101727213B1
KR101727213B1 KR1020150092640A KR20150092640A KR101727213B1 KR 101727213 B1 KR101727213 B1 KR 101727213B1 KR 1020150092640 A KR1020150092640 A KR 1020150092640A KR 20150092640 A KR20150092640 A KR 20150092640A KR 101727213 B1 KR101727213 B1 KR 101727213B1
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장현식
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(주)이브이코리아
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Abstract

본 발명은 전동차의 동력전달장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 BMS 내장하지 않은 배터리를 포함한 엔진과 배터리가 일체로 형성된 전동차의 동력전달장치에 관한 것이다.
엔진과 배터리 일체형 전동차의 동력전달장치는 연료 탱크, 상기 연료 탱크에 저장된 연료를 이용하여 운동 에너지를 생산하는 엔진, 상기 엔진에서 생산한 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기, 상기 발전기에서 변환한 전기 에너지를 직접 제공받거나, 배터리에 저장된 전기 에너지를 제공받는 모터, 상기 배터리는 제1 배터리와 제2 배터리를 포함하며, 상기 제1 배터리는 충전케이블 단자를 이용하여 외부로부터 제공받은 전기 에너지를 저장하며, 상기 제2 배터리는 상기 발전기에서 변환한 전기 에너지 중 상기 모터에 공급하고 남은 잉여 전기 에너지를 저장함을 특징으로 한다.

Description

엔진과 배터리 일체형 전동차의 동력전달장치{Apparatus for Transmitting Power in Electric Vehicle}
본 발명은 전동차의 동력전달장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 BMS 내장하지 않은 배터리를 포함한 엔진과 배터리가 일체로 형성된 전동차의 동력전달장치에 관한 것이다.
최근에는 녹색 에너지 정책에 부합하여 전기자동차의 개발이 가속화되고 있다. 전기 자동차는 자동차의 구동 에너지를 기존의 자동차와 같이 화석 연료의 연소로부터가 아닌 전기 에너지로부터 얻는 자동차이다.
전기 자동차의 경우, 자동차에서의 배기가스가 전혀 없으며, 소음이 아주 작은 장점이 있다. 전기자동차는 가솔린 자동차보다 먼저 제작되었으나, 배터리의 무거운 중량 및 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 공해문제가 최근 심각해지면서 다시 개발이 되고 있다.
하지만, 전기사용 효율은 배터리의 용량과 직접적으로 관계되는데, 예컨대 전기사용 효율이 떨어지는 경우에 연비가 좋지 않아 대용량 배터리를 사용하여야 하거나 전기 충전을 위한 충전소를 상대적으로 많이 설치하여야 하는 문제점이 있다.
전기자동차의 경우 모터와 배터리 등의 탑재 등으로 인하여 일반적인 오일 자동차에 비해 하중이 커져 고효율 연비를 기대하기는 힘들다. 따라서 연비개선을 위해서는 소용량 고효율 배터리의 개발이 절실히 요구되는 것이다.
한국공개특허 제2011-0115702호(발명의 명칭: 전기자동차의 구동장치 및 구동방법)은 발전을 위한 운동 에너지를 생성하기 위한 전기발생용 엔진, 상기 전기발생용 엔진의 운동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전 장치, 상기 발전 장치에 의해 생성된 전기를 저장하는 배터리 및 상기 배터리에 저장된 전기로 구동되고, 자동차의 휠에 동력적으로 연결되는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 구동장치를 제안하고 있다.
한국공개특허 제2012-0137116호(발명의 명칭: 전기 자동차 및 전기 자동차의 구동방법)는 비절연 타입의 충전장치에 의해 충전된 직류전원을 공급하는 배터리, 상기 직류전원을 저장 및 평활하여 인버터에 제공하는 직류 링크 캐패시터, 상기 배터리를 충전하거나 모터를 구동하도록 하는 제어신호를 출력하고, 상기 배터리와 상기 직류 링크 캐패시터 사이에 흐르는 전류를 제어하는 제어신호를 출력하는 제어유닛, 상기 배터리와 상기 직류 링크 캐패시터 사이에 위치하고 상기 제어신호에 따라 온/오프 스위칭되는 스위치유닛, 및 상기 스위치유닛과 병렬 연결되고 상기 제어신호에 따라 상기 직류전원을 상기 직류 링크 캐패시터에 공급하는 절연타입의 전원공급유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차를 제안하고 있다.
하지만, 상술한 바와 같이 전기자동차의 경우 모터와 배터리 등의 탑재 등으로 인하여 일반적인 오일 자동차에 비해 하중이 커져 고효율 연비를 기대하기는 힘들다. 따라서 연비개선을 위해서는 소용량 고효율 배터리의 개발이 절실히 요구되는 것이다.
또한, 한국공개특허 제2011-0115702호에서 제안하고 있는 바와 같이 발전기에서 발전한 에너지를 배터리에 충전하며, 추후 필요한 경우 배터리에 저장된 전기 에너지를 이용하여 모터를 구동하는 방식이 제안되고 있다.
이러한 소용량 고효율 배터리의 개발은 배터리 자체를 개선하는 것에 의해 직접적인 실현이 가능하기도 하지만, 전기를 발생하는 보조적인 장치의 구현에 의해서도 가능해질 수 있는 것이다.
본 발명이 해결하려는 과제는 모터를 구동하는데 필요한 최적의 전기 에너지를 제공하는 전동차의 동력전달장치를 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 필요한 경우 모터가 적어도 두 가지 경로를 통해 전기 에너지를 공급받는 전동차의 동력전달장치를 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 BMS를 내장하지 않은 배터리를 포함한 전동차의 동력전달장치를 제안함에 있다.
엔진과 배터리 일체형 전동차의 동력전달장치는 연료 탱크, 상기 연료 탱크에 저장된 연료를 이용하여 운동 에너지를 생산하는 엔진, 상기 엔진에서 생산한 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기, 상기 발전기에서 변환한 전기 에너지를 직접 제공받거나, 배터리에 저장된 전기 에너지를 제공받는 모터, 상기 배터리는 제1 배터리와 제2 배터리를 포함하며, 상기 제1 배터리는 충전케이블 단자를 이용하여 외부로부터 제공받은 전기 에너지를 저장하며, 상기 제2 배터리는 상기 발전기에서 변환한 전기 에너지 중 상기 모터에 공급하고 남은 잉여 전기 에너지를 저장함을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 소형 전동차는 엔진과 배터리가 일체로 형성되어 있어 엔진에서 생산한 운동 에너지가 누설되지 않고 발전기에서 전기 에너지로 생산된다.
또한, 기존 전기 전동차는 일정 시간마다 배터리를 충전해야 한다는 단점이 있으며, 일반 전동차는 상대적으로 배터리와 충전시스템이 차지하는 비용이 많이 지출된다는 단점이 있다. 하지만, 본 발명에서 제안하는 엔진을 이용한 전동차는 기존 전기 전동차에 비해 운행비용은 증가되나, 외부의 전원을 이용하여 배터리를 충전해야 하는 불편함을 해소할 있으며, 기존 전동차에 비해 운행비용이 절감되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 소형 전동차의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 소형 전동차의 구성을 도시한 다른 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리와 충전기를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 BMS를 내장하고 있는 충전기를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 BMS를 내장하고 있는 충전기를 이용하여 충전을 수행하는 과정을 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 소형 전동차의 구성을 도시한 또 다른 블록도이다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 소형 전기 자동차(전동차)의 구성을 도시한 블록도이다. 이하 도 1을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 전동차의 구성에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 1에 의하면, 소형 전동차의 동력 전달장치는 연료 탱크, 엔진, 발전기, 컨버터, 배터리, 엔진/모터 속도 제어부, 제어부 및 모터를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 소형 전동차의 동력 전달장치에 포함될 수 있다.
연료 탱크(102)는 내부에 연료를 저장하고 있다.
엔진(104)은 연료 탱크(102)로부터 공급받은 연료를 이용하여 엔진/모터 속도 제어부(106)의 제어 하에 운동 에너지를 생산한다. 발전기(108)는 엔진(104)에서 생산한 운동 에너지를 엔진/모터 속도 제어부(106)의 제어 하에 전기 에너지로 변환한다. 발전기(108)에서 생산한 전기 에너지는 모터(116)로 제공된다. 물론 이 경우, 컨버터(110)는 발전기(108)에서 발전한 전기 에너지를 설정된 전압과 전류를 갖도록 변환한다. 본 발명의 컨버터(110)는 생산한 전기 에너지가 48V, 30A의 에너지를 갖도록 변환한다. 물론 컨버터(110)에서 변환되는 에너지는 설정에 따라 달라질 수 있다.
컨버터(110)에서 변환된 전기 에너지는 제어부(114)의 제어 하에 모터(116)로 공급된다.
모터(116)는 공급받은 전기 에너지를 이용하여 휠 모터를 구동하기 위한 에너지(운동 에너지)를 생산한다. 물론 컨버터(110)에서 변환된 전기 에너지 중 일부 에너지는 배터리(112)로 공급되어 충전된다. 즉, 컨버터(110)에서 변환된 전기 에너지의 크기가 모터를 구동하는데 필요한 전기 에너지보다 많은 경우, 잔여 전기 에너지는 제어부의 제어 하에 배터리(112)에 공급된다.
또한, 도 1에 의하면, 엔진/모터 속도 제어부(106)는 제어부(114)와 연결되어 있으며, 엔진/모터 속도 제어부(106)는 외부로부터 제공받은 모터(116)의 속도 제어 명령에 따라 발전기(108)에서 생산하는 전기 에너지의 양(크기) 및 모터에서 생산하는 회전 에너지의 크기를 제어한다. 물론 엔진/모터 속도 제어부(106)는 모터(116)에서 생산하는 회전 에너지의 크기를 직접 제어하거나, 제어부(114)를 이용하여 제어할 수 있다. 즉, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 제어부(114)는 엔진/모터 속도 제어부(106)로부터 제공받은 제어 명령에 따라 모터(116)를 제어한다.
또한, 본 발명의 제어부(414)는 배터리에 충전되어 있는 전압을 실시간으로 파악한다. 제어부(414)는 배터리에 충전되어 있는 전압이 설정된 전압 이하인 경우에는 배터리로부터 전압을 공급하는 차단한다. 이와 같이 본 발명의 배터리는 내부에 별도로 BMS를 내장하지 않지만, 제어부(414)를 이용하여 배터리의 방전 여부를 제어한다.
본 발명은 연료 탱크에 저장된 연료를 이용하여 엔진에서 운동 에너지를 생산하며, 생산한 운동 에너지는 발전기에 의해 전기 에너지로 변환된다. 모터는 발전기에서 변환한 전기 에너지를 이용하여 바퀴를 회전시키기 위한 운동 에너지를 생산한다. 또한, 발전기에서 생산한 전기 에너지 중 잉여 전기 에너지는 배터리에 충전된다.
배터리는 발전기에서 생산한 전기 에너지 중 잉여 전기 에너지를 저장(충전)하며, 환경에 따라 많은 전기가 필요한 경우 충전된 배터리의 전기 에너지를 모터로 공급한다. 배터리(412)는 내부에 BMS를 구비하지 않는다. BMS에 대해서는 후술하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 발전기를 포함하는 소형 전동차의 구성을 도시한 블록도이다. 이하 도 2를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 발전기에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 2에 의하면, 발전기를 포함하는 전동차는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 엔진, 발전기, 컨버터, 배터리, 제어부, 모터를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 전동차에 포함될 수 있다.
엔진(104)은 연료 탱크로부터 공급받은 연료를 이용하여 운동 에너지를 생산한다. 발전기(108)는 엔진(104)에서 생산한 운동 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 발전기(108)에서 생산한 전기 에너지는 컨버터(110)로 제공된다. 컨버터(110)는 제공받은 전기 에너지를 48V, 30A의 에너지를 갖도록 변환한다. 물론 컨버터(110)에서 변환되는 에너지는 설정에 따라 달라질 수 있다.
컨버터(110)에서 변환된 전기 에너지는 제어부(1140)의 제어 하에 모터(116)로 공급된다.
모터(116)는 공급받은 전기 에너지를 이용하여 휠 모터를 구동하기 위한 에너지(운동 에너지)를 생산한다. 물론 컨버터(110)에서 변환된 전기 에너지 중 일부 에너지는 배터리(112)로 공급되어 충전된다. 즉, 컨버터(110)에서 변환된 전기 에너지가 모터(116)를 구동하는데 필요한 전기 에너지보다 많은 경우, 잔여 전기 에너지는 제어부(114)의 제어 하에 배터리(112)에 공급된다. 이와 같이 제어부(114)는 컨버터(108)에서 변환한 전기 에너지를 모터(116)를 구동하는데 필요한 전기 에너지를 제외한 잉여 전기 에너지는 배터리(112)에 충전한다. 이 시스템에서 장착된 배터리(112)에 충전되는 전기 에너지는 20A이며 제품의 제원에 따라 배터리의 용량은 다를 수 있다.
특히 본 발명은 배터리(112)에 저장된 전기 에너지를 주 에너지로 사용하는 것이 아니라 보조 에너지로 사용한다. 따라서 배터리(112)에서 모터(116)로 공급하는 전기 에너지는 컨버터(110)에서 생산되어 모터(116)로 공급되는 전기 에너지에 비해 상대적으로 낮게 설정할 수 있다. 이와 같이 함으로써 배터리(112)에 저장된 전기 에너지가 설정된 전기 에너지 이상의 전기 에너지를 저장하도록 한다. 물론 모터(116)에서 필요로 하는 전기 에너지가 추가적으로 필요한 경우에는 연료 탱크에서 엔진으로 공급되는 연료의 양을 증가시켜 엔진(104)에서 더 많은 운동 에너지를 생산하도록 한다. 즉, 엔진/모터 속도 제어부(106)는 모터(116)에서 필요로 하는 전기 에너지가 증가하는 경우 엔진(104)으로 공급되는 연료의 양을 증가시켜 엔진에서 더 많은 운동 에너지를 생산하도록 한다. 이를 위해 엔진/모터 속도 제어부(106)는 제어부(114)와 통신을 수행하며, 이를 통해 모터(116)에서 필요로 하는 전기 에너지에 대응되는 에너지를 생산하도록 엔진을 제어한다.
물론 엔진(104)은 모터(116)에서 필요로 하는 전기 에너지가 설정된 전기 에너지 이하인 경우에도 설정된 운동 에너지를 생산한다. 즉, 엔진은 모터에서 필요로 하는 전기 에너지뿐만 아니라 배터리에 저장될 전기 에너지를 생산하기 위해 항상 일정한 운동 에너지를 생산한다. 하지만, 배터리에 전기 에너지를 저장할 잔여 공간이 없는 경우에는 엔진은 모터에서 필요로 하는 전기 에너지만을 생산한다. 이와 같이 함으로써 배터리는 자체 에너지를 항상 유지하며 또한 배터리 사용용량이 줄면 자동 저장(충전)하게 된다.
또한, 본 발명은 엔진과 발전기를 일체형으로 제작하는 방안을 제안한다. 즉, 기존 전기 자동차는 엔진과 발전기가 분리된 구조를 갖는다. 이에 비해 본 발명은 엔진과 발전기가 일체로 형성된 일체형 전동차를 제작하는 방안을 제안하고 있다. 이와 같이 엔진과 발전기를 일체형으로 제작함으로써 엔진에서 발생된 운동 에너지가 누설되지 않고 발전기에서 전기 에너지로 변환되며, 공간을 효율적으로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 배터리에 저장된 전기 에너지를 모두 모터로 공급하는 것이 아니라 배터리에 저장된 전기 에너지가 설정된 전기 에너지에 도달하면, 배터리에 저장된 전기 에너지를 모터로 공급하는 것을 중단한다.
또한, 도 2를 살펴보면, 엔진/모터 속도 제어부는 엔진과 연결되어 있으며, 제어부는 컨버터와 연결된다. 즉, 엔진/모터 속도 제어부는 엔진과 연결되어 엔진에서 생산하는 전기 에너지를 조절하며, 제어부는 컨버터와 연결되어 컨버터에서 변환된 전기 에너지 중 일부는 모터로 공급하도록 제어하며, 필요한 경우 나머지 일부는 배터리에 충전되도록 제어한다. 이를 위해 엔진/속도 제어부와 제어부는 실시간 통신을 통해 관련 정보를 송수신한다.
또한, 본 발명과 관련하여 제어부는 배터리에 저장된 전기 에너지를 실시간 감시하며, 현재 배터리에 저장된 전기 에너지를 이용하여 모터를 구동하는 경우, 배터리에 저장된 전기 에너지의 소모량을 실시간 감시한다.
배터리에 충전되는 전기 에너지 관련하여 제1 임계치와 제2 임계치를 설정한다. 제1 임계치는 제2 임계치보다 상대적으로 높은 값이다. 배터리에 충전된 전기 에너지가 제1 임계치에 도달하면, 모터로부터 요청받은 전기 에너지를 모두 공급하는 것이 아니라 일정 비율 감소된 전기 에너지만을 모터로 공급한다. 즉, 제1 임계치에 도달한 이후 모터로부터 요청받은 전기 에너지를 모두 공급하게 되면, 추후 전기 에너지가 필요한 경우 전기 에너지를 공급할 수 없다는 문제점이 발생하게 된다. 따라서 본 발명은 배터리에 저장된 전기 에너지가 제1 임계치에 도달하면 모터로부터 요청받은 전기 에너지 중 일부 전기 에너지만 모터로 공급한다. 또한, 배터리에 저장된 전기 에너지가 제2 임계치에 도달하면, 모터로 전기 에너지 공급을 중단한다.
이외에도 다양한 방식으로 배터리에 저장된 전기 에너지를 모터로 제공할 수 있다. 즉, 배터리에 저장된 전기 에너지가 제1 임계치에 도달한 상태에서, 모터가 이전에 요청한 전기 에너지보다 많은 전기 에너지를 요청하는 경우, 배터리는 모터가 요청한 전기 에너지를 모터로 제공한다. 즉, 배터리에 저장된 전기 에너지가 제1 임계치에 도달하면, 배터리는 모터로부터 요청받은 전기 에너지 중 일부 전기 에너지만 모터로 공급한다. 하지만, 이 상태에서 모터가 이전에 요청한 전기 에너지보다 많은 전기 에너지를 요청하는 경우(즉, 급출발하는 경우, 오르막을 오르는 경우 등과 같이 전기 에너지가 상대적으로 많이 필요한 경우)에는 모터가 요청한 전기 에너지를 모두 제공한다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리와 충전기를 도시하고 있다. 이하 도 3을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리와 충전기의 구조에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 3에 의하면, BMS(320)는 배터리에 내장되어 있는 것이 아니라, 충전기에 내장되어 있다. 즉, 본 발명과 관련하여 배터리는 셀을 포함하며, 배터리의 충전을 관리하는 배터리 관리 시스템(BMS)은 충전기에 내장한다.
이를 통해 배터리를 외부로부터 전기 에너지를 제공받는 경우에는 BMS(320)의 제어 하에 제공받은 전기 에너지를 충전한다. 하지만, 배터리에 충전된 전기 에너지를 방전할 경우에는 BMS의 제어 없이 방전을 수행한다. 본 발명과 관련하여 전기 자동차는 배터리에 충전되어 있는 전기 에너지를 모터컨트롤러 및 모터로 제공하며, 모터는 제공받은 전기 에너지를 이용하여 구동한다. 하지만, 모터컨트롤러는 배터리에 저장(충전)되어 있는 전기 에너지가 설정된 값 이하인 경우에는 배터리에 저장된 전기 에너지의 공급을 중단한다. 즉, 배터리가 완전히 방전되는 경우에는 해당 배터리를 사용할 수 없으므로, 모터 컨트롤러는 배터리에 저장된 전기 에너지가 설정된 값 이하인 경우에는 전기 에너지의 공급을 중단한다. 이를 위해 배터리와 모터 사이에는 모터 컨트롤러(미도시)를 포함한다.
모터 컨트롤러는 배터리에서 공급되는 전기 에너지의 전류값을 측정하며, 측정된 전류값이 설정된 값 이하이면 배터리로부터의 전기 에너지를 구동모터에 공급을 중단한다. 이와 같이 본 발명은 배터리로 전기 에너지를 충전하는 경우에는 충전기에 형성되어 있는 BMS를 경유하여 전기 에너지를 충전하지만, 배터리에 충전되어 있는 전기 에너지를 방전하는 경우에는 BMS를 경유하지 않고 모터로 전기 에너지를 제공한다.
이와 같이 기존 배터리의 충전 과정과 방전 과정에서 BMS를 관여하였으나, 본 발명은 배터리에 전기 에너지를 충전하는 경우에만 BMS를 관여함으로써, BMS의 고장 확률이 감소된다는 장점이 있다.
또한, 기존 BMS가 고장된 경우에는 배터리에 충전되어 있는 전기 에너지를 효율적으로 사용하지 못하였으나, 본 발명은 방전시 별도의 BMS를 사용하지 않고, 단순히 방전되는 전기 에너지의 전류값만을 이용하여 방전 여부를 결정하므로 배터리에 충전되어 있는 전기 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
전기 자동차용 배터리 셀은 그 용량 및 전압이 비교적 높고, 수많은 배터리 셀들을 조합하여 하나의 배터리 모듈을 구성한다. 전기자동차는 한 개 또는 두 개의 배터리 모듈을 채용하는데, 결국 배터리 시스템은 수백 또는 수천 개의 셀들로 구성된다. 따라서 수백 또는 수천 개의 셀들을 관리하기 위해 BMS는 반드시 사용되어야 하며, 본 발명은 BMS를 충전기에 장착한다.
BMS의 관리 대상은 단일 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩을 모두 관리하며, 여러 종류의 액츄에이터, 센서, 제어 장치 및 연결 와이어로 구성된다.
BMS의 입력신호는 ① 주 회로 전류센서와 전압센서에 의해 측정된 주 전류 및 주 전압 ②온도 센서가 측정한 셀의 온도, 배터리 외부 온도 및 배터리 냉매 입구와 출구 온도 ③ 가속 페달과 브레이크 페달 센서가 측정한 아날로그 신호 ④ 시동 스위치 및 충전 허용 또는 금지 스위치에서 전달된 디지털 신호 등이 있다.
BMS 출력신호와 그 역할은 먼저 팬과 전기히터와 같은 열관리 모듈을 작동하여 냉각 및 가열을 제어하고, 축전기, 스위치, 손실저항과 같은 밸런스 모듈을 가동하여 배터리의 평행을 유지하고, 주 회로 접점, 배터리 모듈 접점의 작동을 통해 배터리 전압 안전을 유지 관리한다.
또한 BMS는 디지털 신호에 의해 충전을 지시하거나, 결합을 경고하고, 통신 모듈, 내부 전력공급 모듈, 시간 지시모듈을 제어 관리하고, 충전 시스템을 제어 관리한다.
배터리 관리 시스템은 전기자동차 배터리 제어의 최적화를 통하여 주행거리 향상과 안정성을 확보하는 역할을 한다. 배터리 관리 시스템의 기능은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 열에 약한 배터리를 균등 냉각하여 항상 균일한 성능을 나타낼 수 있도록 하는 열관리 제어 기술과 배터리의 각 상태를 판단하여 최적 효율 지점에서 작동하도록 하는 배터리 충전상태(SOC: State Of Charge) 제어기술로 구분된다.
열관리 제어기술은 시스템의 전압, 전류 및 온도를 모니터링하여 최적의 상태로 유지 관리하며, 시스템의 안전한 운영을 위한 경보 및 사전 안전예방 조치를 취할 수 있다. 또한 배터리의 과충전 및 과방전을 억제하여 셀(cell)간의 전압을 균일하게 제어함으로써 에너지 효율 및 배터리의 수명이 연장된다. 경보 관련 이력 상태의 저장과 외부 진단시스템 혹은 모니터링 PC를 통한 데이터의 보전 및 시스템 진단이 가능하다.
충전상태를 제어하는 기술은 모든 셀을 항상 균등한 충전상태로 유지시켜주는 셀 밸런스를 통해 실현하고 있다. 더욱이 배터리 관리 시스템은 각종 변화 요소들을 종합 분석하여 남은 주행 가능거리를 예측하고 그 정보를 상위의 차량 전자제어장치(ECU: Electronic Control Unit)에 제공한다.
배터리 관리 시스템의 기능을 지원하는 소프트웨어에는 전압, 전류, 온도 등을 계측하는 계측 알고리즘(Measuring algorithm for voltage, current and temperature), 충전량 계산(SOC : State of Charge calculation), 수명 예측(SOH : State of Health estimation), 셀 밸런싱 알고리즘(Cell balancing algorithm), 온도 관리(Thermal Management), 진단 알고리즘(Diagnostic algorithm), 방호 알고리즘(Protection algorithm)과 차량 내 통신(Communication with vehicle) 등이 있다.
이하에서는 BMS의 기능 중에서 배터리 상태를 예측하는 방안에 대해 알아보기로 한다.
배터리 상태는 SOC, SOH 및 SOF와 이들 사이의 상관관계를 의미하며, 특히 SOH는 예상사용 수명과 결함 진단결과의 출력에 의해 결정된다. SOF는 시효 효과의 영향, SOC의 범위, 온도범위 및 결함 수준을 고려하여 결정된다.
SOC는 표준상태에서 배터리를 충전할 경우, 총 충전량(배터리 용량) 대비 배터리에 남아있는 충전량(사용 가능한 전하량)의 비율을 의미한다. SOC의 단위는 %로 표시하며, 100%는 최대 충전 상태이며, 0%는 최대 방전 상태이다. 배터리 셀이 하나인 경우에는 상술한 정의대로 명확하지만, 복수의 배터리 셀로 구성된 배터리 모듈이나 배터리 팩의 경우에는 다소 복잡해진다. 여러 개의 셀을 병렬로 연결한 경우에는 하나의 큰 용량 셀로 간주하면 되는데, 직렬로 연결한 경우에는 각 셀의 상태와 용량을 균일하게 유지해주는 평형장치를 추가로 고려하여야 한다. 배터리의 SOC를 예측하는 방법은 전류적산법(전류의 시간 적분을 이용한 방법), 배터리 내부의 물리적 특성을 측정하여 SOC를 추정하는 내부저항 측정방법, 많은 실험데이터를 근거로 입출력에 관계된 함수를 찾아내는 방법 및 전류전분법 등이 있다.
SOH는 배터리의 가장 이상적인 상태를 기준으로 배터리의 현재 상태를 비교하여 그 값을 퍼센트로 나타낸다. SOH는 용량과 초기 저항에 의해 도출하거나, AC 임피던스, 자기 방전율 및 출력밀도를 이용하여 도출한다.
[수학식 1]
Figure 112015063162031-pat00001
C(t): 시간t 일 때 용량
CE: 최종 용량
CR: 초기 용량
[수학식 2]
Figure 112015063162031-pat00002

SOF는 배터리를 사용하는 도중에 배터리 성능이 실제 요구조건에 얼마나 부합되고 있는 지 나타내며, SOC, SOH, 작동 온도 및 충전/방전 이력에 의해 결정된다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 BMS를 내장하고 있는 충전기를 도시하고 있다. 이하 도 4를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 BMS를 내장하고 있는 충전기에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 4에 의하면, 충전기(300)는 다수의 충전 케이블 단자(310)를 형성하고 있다. 충전기(300)에 형성되는 충전케이블 단자(310)의 개수는 배터리를 구성하고 있는 셀의 개수와 연관된다. 즉, 배터리를 구성하는 셀의 개수와 충전기에 형성되는 충전케이블 단자(310)의 개수는 비례한다.
일 예로 배터리를 구성하는 셀의 개수가 13개인 경우, 충전케이블 단자(310)의 개수는 최소 27개를 포함한다. 즉, 각 셀의 (+)단자, (-)단자에 각각 하나의 단자가 연결되며, 하나의 단자는 그라운드에 접지된다. 이와 같이 본 발명을 구성하는 충전기를 구성하는 충전케이블 단자(310)의 개수는 배터리를 구성하는 셀의 개수와 관계된다.
이와 같이 본 발명은 BMS를 배터리에 형성하는 것이 아니라 충전기에 형성함으로써 기존 대비하여 충전시간을 현저히 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 BMS를 내장하고 있는 충전기를 이용하여 충전을 수행하는 과정을 도시하고 있다. 이하 도 5를 이용하여 BMS를 내장하고 있는 충전기를 이용하여 충전을 수행하는 과정에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
S500단계에서 충전기는 배터리의 충전을 위해 충전기의 충전케이블 단자를 배터리의 각 셀에 연결한다. 상술한 바와 같이 충전기의 충전케이블 단자의 개수는 배터리의 셀의 개수와 관련된다.
S510단계에서 충전기의 BMS는 각 셀의 전압을 측정한다. 즉, 충전기에 형성되어 있는 충전케이블 단자를 이용하여 각 셀의 전압을 제공받아 측정한다.
S520단계에서 충전기는 각 셀의 전압이 설정된 범위 내에 있는 지 확인한다. 충전기는 각 셀의 전압이 설정된 범위 내에 있으면 충전을 수행한다.
S530단계에서 충전기는 각 셀의 전압의 차이가 설정된 범위 내에 있지 않으면, 각 셀의 전압의 차이가 설정된 범위 내에 포함될 수 있도록 전압이 상대적으로 낮은 셀에 대해 충전을 수행한다.
S540단계에서 충전기는 각 셀의 전압이 설정된 범위 내에 있으면, 각 셀의 충전을 수행한다. 이와 같이 본 발명은 각 셀의 전압이 동일한 전압을 유지할 수 있도록 상대적으로 낮은 전압을 갖는 셀을 먼저 충전한 후 각 셀의 전압이 동일한 전압을 가지면 모든 셀에 대해 충전을 수행한다.
또한, 충전기는 표시창(330)을 구비할 수 있으며, 각 셀의 전압이나 이상 여부를 표시할 수 있다. 사용자는 표시창(330)에 표시되는 정보를 이용하여 각 셀의 이상 여부를 확인할 수 있으며, 필요한 경우 해당 셀을 교체할 수 있다. 이와 같이 이상이 발생한 셀만을 교체함으로써 배터리의 교체 비용을 줄일 수 있다.
즉, 기존은 배터리에 이상이 발생한 경우, 해당 셀만을 교체하지 않고 배터리 전체를 교체하였다. 즉, 기존은 배터리를 구성하고 있는 어떤 셀에서 이상이 발생했는지 여부를 알 수 있으며, 배터리를 구성하는 셀을 교체하지 않고 배터리 전체를 교체하였다.
또한, 기존 BMS는 배터리를 구성하고 있는 셀 중에서 어느 하나의 셀이 이상이 발생한 경우, 해당 배터리 전체에서 이상이 발생한 것으로 판단하나, 본 발명은 각 셀에 연결되는 단자를 이용하여 셀 단위로 배터리의 이상 여부를 판단함으로써 셀 단위로 이상 여부를 판단할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 소형 전기 자동차(전동차)의 구성을 도시한 블록도이다. 이하 도 6을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 전동차의 구성에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 6에 의하면, 소형 전동차의 동력 전달장치는 연료 탱크, 엔진, 발전기, 컨버터, 배터리, 엔진/모터 속도 제어부, 제어부 및 모터를 포함한다. 배터리는 제1 배터리 및 제2 배터리를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 소형 전동차의 동력 전달장치에 포함될 수 있다.
연료 탱크(102)는 내부에 연료를 저장하고 있다.
엔진(104)은 연료 탱크(102)로부터 공급받은 연료를 이용하여 엔진/모터 속도 제어부(106)의 제어 하에 운동 에너지를 생산한다. 발전기(108)는 엔진(104)에서 생산한 운동 에너지를 엔진/모터 속도 제어부(106)의 제어 하에 전기 에너지로 변환한다. 발전기(108)에서 생산한 전기 에너지는 모터(116)로 제공된다. 물론 이 경우, 컨버터(110)는 발전기(108)에서 발전한 전기 에너지를 설정된 전압과 전류를 갖도록 변환한다. 본 발명의 컨버터(110)는 생산한 전기 에너지가 48V, 30A의 에너지를 갖도록 변환한다. 물론 컨버터(110)에서 변환되는 에너지는 설정에 따라 달라질 수 있다.
컨버터(110)에서 변환된 전기 에너지는 제어부(114)의 제어 하에 모터(116)로 공급된다.
모터(116)는 공급받은 전기 에너지를 이용하여 휠 모터를 구동하기 위한 에너지(운동 에너지)를 생산한다. 물론 컨버터(110)에서 변환된 전기 에너지 중 일부 에너지는 제2 배터리(112-2)로 공급되어 충전된다. 즉, 컨버터(110)에서 변환된 전기 에너지의 크기가 모터를 구동하는데 필요한 전기 에너지보다 많은 경우, 잔여 전기 에너지는 제어부의 제어 하에 제2 배터리(112-2)에 공급된다.
또한, 도 1에 의하면, 엔진/모터 속도 제어부(106)는 제어부(114)와 연결되어 있으며, 엔진/모터 속도 제어부(106)는 외부로부터 제공받은 모터(116)의 속도 제어 명령에 따라 발전기(108)에서 생산하는 전기 에너지의 양(크기) 및 모터에서 생산하는 회전 에너지의 크기를 제어한다. 물론 엔진/모터 속도 제어부(106)는 모터(116)에서 생산하는 회전 에너지의 크기를 직접 제어하거나, 제어부(114)를 이용하여 제어할 수 있다. 즉, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 제어부(114)는 엔진/모터 속도 제어부(106)로부터 제공받은 제어 명령에 따라 모터(116)를 제어한다.
또한, 본 발명의 제어부(114)는 배터리(112)에 충전되어 있는 전압을 실시간으로 파악한다. 제어부(114)는 배터리(112)에 충전되어 있는 전압이 설정된 전압 이하인 경우에는 배터리(112)로부터 전압을 공급하는 차단한다. 이와 같이 본 발명의 배터리는 내부에 별도로 BMS를 내장하지 않지만, 제어부(114)를 이용하여 배터리의 방전 여부를 제어한다.
본 발명은 연료 탱크에 저장된 연료를 이용하여 엔진에서 운동 에너지를 생산하며, 생산한 운동 에너지는 발전기에 의해 전기 에너지로 변환된다. 모터는 발전기에서 변환한 전기 에너지를 이용하여 바퀴를 회전시키기 위한 운동 에너지를 생산한다. 또한, 발전기에서 생산한 전기 에너지 중 잉여 전기 에너지는 제2 배터리에 충전된다.
제1 배터리(112-1)는 외부로부터 제공받은 전기 에너지를 충전하며, 제2 배터리(112-2)는 발전기에서 생산한 전기 에너지 중 잉여 전기 에너지를 저장(충전)하며, 환경에 따라 많은 전기가 필요한 경우 충전된 배터리의 전기 에너지를 모터로 공급한다.
본 발명과 관련하여 제어부(114)는 배터리에 저장된 전기 에너지가 필요한 경우, 제2 배터리(112-2)에 저장된 전기 에너지를 먼저 사용하며, 제2 배터리에 저장된 전기 에너지가 설정치에 도달하면, 제2 배터리(112-2)에 저장된 전기 에너지를 사용한다. 이와 같이 본 발명은 엔진에서 생산된 전기 에너지가 저장된 제2 배터리(112-2)의 전기 에너지를 먼저 사용한다.
이와 같이 본 발명은 외부로부터 전기 에너지를 제공받는 배터리와 내부의 엔진에서 생산된 전기 에너지를 저장하는 배터리를 구분함으로써, 배터리의 교체를 용이하도록 한다. 즉, 상대적으로 전기 에너지의 충전과 방전이 잦은 제2 배터리와 상대적으로 전기 에너지의 충전과 방전이 잦지 않은 제1 배터리로 구성되는 본 발명은 제2 배터리의 교체를 용이하도록 설계한다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
102: 연료 탱크 104: 엔진
106: 엔진/모터 속도 제어부 108: 발전기
110: 컨버터 112: 배터리
114: 제어부 116: 모터
112-1: 제1 배터리 112-2: 제2 배터리
300: 충전기 310: 충전 케이블 단자
320: BMS 330: 표시창

Claims (4)

  1. 연료 탱크;
    상기 연료 탱크에 저장된 연료를 이용하여 운동 에너지를 생산하는 엔진;
    상기 엔진에서 생산한 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기;
    상기 발전기에서 변환한 전기 에너지를 직접 제공받거나, 배터리에 저장된 전기 에너지를 제공받는 모터;
    상기 배터리는 제1 배터리와 제2 배터리를 포함하며,
    상기 제1 배터리는 충전케이블 단자를 이용하여 외부로부터 제공받은 전기 에너지를 저장하며,
    상기 제2 배터리는 상기 발전기에서 변환한 전기 에너지 중 상기 모터에 공급하고 남은 잉여 전기 에너지를 저장하며,
    상기 제1 배터리 또는 제2 배터리에 저장된 전기 에너지의 전압이 설정된 전압 이하인 경우, 상기 제1 배터리 또는 제2 배터리에서 상기 모터로 전기 에너지의 공급을 차단하며, 상기 제2 배터리에 저장된 전기 에너지를 상기 제1 배터리에 저장된 전기 에너지에 우선하여 상기 모터로 공급하도록 제어하는 제어부;
    외부로부터 제공받은 제어 명령에 따라 상기 모터에서 생산하는 회전 에너지의 크기를 제어하는 엔진/모터 속도 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 발전기에서 변환된 전기 에너지가 상기 발전기에서 변환된 전기 에너지가 저장되는 상기 제2 배터리로부터 제공받는 전기 에너지보다 크도록 상기 연료 탱크에서 상기 엔진으로 공급되는 연료의 양을 조절하도록 상기 엔진/모터 속도 제어부로 요청하며,
    상기 배터리에 저장된 전기 에너지가 제1 임계치에 도달한 상태에서 상기 모터가 요청하는 전기 에너지가 이전보다 많지 않으면, 상기 모터가 요청한 전기 에너지의 일부를 상기 모터로 제공하며,
    상기 배터리에 저장된 전기 에너지가 제1 임계치에 도달한 상태에서 상기 모터가 이전보다 많은 전기 에너지를 요청하면, 상기 모터가 요청한 전기 에너지를 상기 모터로 제공함을 특징으로 하는 엔진과 배터리 일체형 전동차의 동력전달장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    배터리 관리 시스템(BMS)을 내장하며, 상기 BMS는 제1 배터리로 저장되는 전압을 제어하며,
    일측에 상기 배터리에 연결되는 적어도 두 개의 충전케이블 단자를 포함하며, 상기 충전케이블 단자의 개수는 상기 배터리를 구성하는 셀의 개수와 관련된 충전기를 포함하며,
    상기 배터리의 셀의 개수가 n(n: 자연수)이라면, 상기 충전케이블 단자의 개수는 2n+1보다 큼을 특징으로 하는 엔진과 배터리 일체형 전동차의 동력전달장치.
  3. 삭제
  4. 배터리 관리 시스템(BMS)을 내장하며, 상기 BMS는 제1 배터리로 충전되는 전압을 제어하며, 일측에 상기 제1 배터리에 연결되는 적어도 두 개의 충전케이블 단자를 포함하며, 상기 충전케이블 단자의 개수는 상기 제1 배터리를 구성하는 셀의 개수와 관련됨을 특징으로 하며, 상기 BMS는 총 충전량 대비 제1 배터리에 남아있는 충전량인 충전상태(SOC), 이상적인 상태를 기준으로 배터리의 현재 상태를 나타내는 수명 예측(SOH)를 산출하며, 상기 SOH는 하기 수학식에 의해 산출하는 충전기;
    연료 탱크와 연결되며, 상기 연료 탱크에 저장된 연료를 이용하여 운동 에너지를 생산하는 엔진;
    상기 엔진에서 생산한 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기;
    상기 발전기에서 변환된 전기 에너지를 직접 제공받거나, 상기 제1 배터리 또는 제2 배터리에 저장된 전기 에너지를 제공받는 모터;
    상기 발전기에서 변환된 전기 에너지 중 상기 모터에 공급하고 남은 잉여 전기 에너지를 제공하는 컨버터;
    상기 충전기로부터 공급받은 전기 에너지를 저장하는 제1 배터리;
    상기 컨버터와 연결되며, 상기 컨버터로부터 제공받은 잉여 전기 에너지를 저장하는 제2 배터리;
    상기 제1 배터리 또는 제2 배터리에 저장된 전기 에너지의 전압이 설정된 전압 이하인 경우, 상기 제1배터리 또는 제2 배터리에서 상기 모터로 전기 에너지의 공급을 차단하며, 상기 제2 배터리에 저장된 전기 에너지를 상기 제1 배터리에 저장된 전기 에너지에 우선하여 상기 모터로 공급하도록 제어하는 제어부;
    외부로부터 제공받은 제어 명령에 따라 상기 모터에서 생산하는 회전 에너지의 크기를 제어하는 엔진/모터 속도 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 발전기에서 변환된 전기 에너지가 상기 발전기에서 변환된 전기 에너지가 저장되는 상기 제2 배터리로부터 제공받는 전기 에너지보다 크도록 상기 연료 탱크에서 상기 엔진으로 공급되는 연료의 양을 조절하도록 상기 엔진/모터 속도 제어부로 요청하며,
    상기 배터리에 저장된 전기 에너지가 제1 임계치에 도달한 상태에서 상기 모터가 요청하는 전기 에너지가 이전보다 많지 않으면, 상기 모터가 요청한 전기 에너지의 일부를 상기 모터로 제공하며,
    상기 배터리에 저장된 전기 에너지가 제1 임계치에 도달한 상태에서 상기 모터가 이전보다 많은 전기 에너지를 요청하면, 상기 모터가 요청한 전기 에너지를 상기 모터로 제공함을 특징으로 하는 엔진과 배터리 일체형 전동차의 동력전달장치.
    [수학식]
    Figure 112016119313706-pat00003

    C(t): 시간t 일 때 용량
    CE: 최종 용량
    CR: 초기 용량
KR1020150092640A 2015-06-30 2015-06-30 엔진과 배터리 일체형 전동차의 동력전달장치 KR101727213B1 (ko)

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