KR102364237B1 - 프리차지 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프리차지 커패시터를 프리차지 하는 과정에서 에너지 절약 효과를 기대할 수 있는 프리차지 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 프리차지 장치는, 복수의 이차 전지를 구비하는 배터리 모듈의 양단과 전기적으로 연결 가능하도록 구성된 프리차지 커패시터를 충전시키는 장치로서, 상기 복수의 이차 전지의 양단과 각각 전기적으로 연결되어 상기 복수의 이차 전지로부터 전력을 공급받아 공급받은 전력을 저장할 수 있도록 구성된 저장 회로; 상기 저장 회로의 일단과 전기적으로 연결되어 상기 저장 회로로부터 프리차지 전류를 공급받고 공급받은 프리차지 전류를 상기 프리차지 커패시터로 전달하도록 구성된 프리차지 회로; 상기 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈과 연결되어 충방전 전류가 흐르는 충방전 경로와 전기적으로 연결되어 상기 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 상기 충방전 전류를 모니터링 하도록 구성된 배터리 모니터링부; 및 상기 배터리 모니터링부에 의해 모니터링 된 상기 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 상기 충방전 전류를 기초로 상기 저장 회로의 개폐를 제어하는 배터리 제어부를 포함한다.

Description

프리차지 장치 및 방법{Apparatus and method for pre-charging}

본 발명은 프리차지 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 프리차지 커패시터를 프리차지 하는 과정에서 에너지 절약 효과를 기대할 수 있는 프리차지 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 모듈을 구성하는 이차 전지들은 전기화학적 특성이 동일하지 않을 수 있다. 또한, 이차 전지의 충방전 사이클 수가 증가하면 각 이차 전지마다 퇴화 정도가 달라지므로 이차 전지들의 성능 편차는 더 커질 수 있다. 따라서, 배터리 모듈이 만충전 상태까지 충전되는 동안 각 이차 전지의 충전 상태는 서로 다른 속도로 상승할 수 있다.

배터리 모듈에 대해 만충전 상태까지 충전이 진행될 때, 퇴화된 이차 전지는 용량 퇴화가 없는 이차 전지에 비해 충전 상태의 증가 속도가 빠를 수 있다. 퇴화된 이차 전지는 만충전 용량이 퇴화되지 않은 이차 전지보다 감소된 상태에 있기 때문이다. 따라서, 배터리 모듈이 충전되는 동안 각 이차 전지의 충전 상태는 서로 차이를 나타낼 수 있다.

종래에는 이차 전지들 상호 간의 충전 상태 편차를 해소하기 위해, 충전 상태가 상대적으로 높은 이차 전지를 강제 방전시키는 벅(BUCK) 밸런싱이 주로 사용되었다. 그런데, 벅 밸런싱은 밸런싱 과정에서 에너지가 낭비되는 문제가 있었다.

한편, 배터리 관리 장치(BMS, Battery Management System)는, 배터리의 구동 초기에 발생할 수 있는 과전류인 돌입 전류(Inrush current)를 방지하기 위한 보호 회로 즉, 프리차지(Pre-charge) 회로를 구비할 수 있다. 여기서, 돌입 전류는 배터리 구동 초기에 순간적으로 발생할 수 있는 과전류로서, 배터리 구동 초기에 프리차지 커패시터를 프리차지 함으로써 이러한 돌입 전류를 제한할 수 있다.

일반적으로, 돌입 전류를 제한하기 위해서는 배터리 모듈 전압의 90% 수준의 전압으로 프리차지 커패시터를 사전 충전해야 하는데, 배터리 모듈 전압만으로 프리차지 커패시터를 충전하는 경우에는 벅 밸런싱을 수행함으로써 에너지가 낭비되어 에너지 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 프리차지 커패시터를 프리차지 하는 과정에서 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 개선된 프리차지 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 프리차지 장치는, 복수의 이차 전지를 구비하는 배터리 모듈의 양단과 전기적으로 연결 가능하도록 구성된 프리차지 커패시터를 충전시키는 장치로서, 상기 복수의 이차 전지의 양단과 각각 전기적으로 연결되어 상기 복수의 이차 전지로부터 전력을 공급받아 공급받은 전력을 저장할 수 있도록 구성된 저장 회로; 상기 저장 회로의 일단과 전기적으로 연결되어 상기 저장 회로로부터 프리차지 전류를 공급받고 공급받은 프리차지 전류를 상기 프리차지 커패시터로 전달하도록 구성된 프리차지 회로; 상기 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈과 연결되어 충방전 전류가 흐르는 충방전 경로와 전기적으로 연결되어 상기 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 상기 충방전 전류를 모니터링 하도록 구성된 배터리 모니터링부; 및 상기 배터리 모니터링부에 의해 모니터링 된 상기 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 상기 충방전 전류를 기초로 상기 저장 회로의 개폐를 제어하는 배터리 제어부를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 프리차지 장치는, 상기 배터리 모듈의 일단과 전기적으로 연결되어 상기 충방전 전류가 흐르는 메인 선로를 개폐하는 메인 릴레이를 구비하도록 구성된 메인 회로, 및 상기 메인 회로와 병렬 연결되어 프리차지 전류가 흐르는 프리차지 선로를 개폐하는 프리차지 릴레이 및 상기 프리차지 릴레이와 직렬 연결된 프리차지 저항을 구비하도록 구성된 메인 프리차지 회로를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 프리차지 회로는, 상기 메인 회로의 일단과 상기 메인 프리차지 회로의 일단이 공통 접속된 접점 및 상기 저장 회로의 일단 사이에 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 배터리 제어부는, 상기 배터리 모니터링부에 의해 모니터링 된 상기 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 상기 충방전 전류를 기초로 상기 저장 회로, 상기 메인 회로, 및 상기 메인 프리차지 회로의 개폐를 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 프리차지 장치는, 상기 복수의 이차 전지의 양단과 각각 전기적으로 연결되어 상기 복수의 이차 전지로부터 전력을 공급받아 공급받은 전력을 방전할 수 있도록 구성된 방전 회로를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 프리차지 회로는, 상기 저장 회로에 저장된 전력을 상기 프리차지 커패시터로 전달할 수 있도록 상기 저장 회로에 인가된 전압을 승압시키는 변압 회로 및 상기 변압 회로의 일단과 연결되어 프리차지 전류가 흐르는 프리차지 선로를 구비할 수 있다.

또한, 상기 저장 회로는, 상기 복수의 이차 전지의 양단과 연결된 복수의 단위 회로를 구비하고, 상기 단위 회로는, 일단이 상기 프리차지 회로에 연결되고 타단이 상기 이차 전지의 양단에 연결되며 서로 병렬 연결되도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 단위 회로는, 상기 이차 전지의 양단과 전기적으로 연결되어 상기 이차 전지로부터 공급받은 전력을 저장하는 저장 커패시터, 상기 이차 전지 및 상기 저장 커패시터 사이에 연결되어 상기 저장 커패시터에 충전 전력을 인가하는 충전 스위치, 및 상기 프리차지 회로의 일단 및 상기 저장 커패시터 사이에 연결되어 상기 프리차지 회로에 프리차지 전류를 인가하는 공급 스위치를 구비할 수 있다.

또한, 상기 배터리 제어부는, 상기 배터리 모듈의 밸런싱이 필요한 경우, 상기 저장 회로에 구비된 상기 충전 스위치 및 상기 공급 스위치를 순차적으로 개폐하여, 상기 프리차지 회로를 통해 상기 프리차지 커패시터로 프리차지 전류를 공급할 수 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 프리차지 장치를 포함한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 프리차지 장치는, 복수의 이차 전지를 구비하는 배터리 모듈의 일단과 전기적으로 연결되어 충방전 전류가 흐르는 메인 선로를 개폐하는 메인 릴레이의 일단과 연결 가능하도록 구성된 프리차지 커패시터를 충전시키는 장치로서, 상기 복수의 이차 전지의 양단과 각각 전기적으로 연결되어 상기 복수의 이차 전지로부터 전력을 공급받아 공급받은 전력을 저장할 수 있도록 구성된 저장 회로; 상기 저장 회로의 일단과 전기적으로 연결되어 상기 저장 회로로부터 프리차지 전류를 공급받고 공급받은 프리차지 전류를 상기 프리차지 커패시터로 전달하도록 구성된 프리차지 회로; 상기 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈과 연결되어 충방전 전류가 흐르는 충방전 경로와 전기적으로 연결되어 상기 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 상기 충방전 전류를 모니터링 하도록 구성된 배터리 모니터링부; 상기 배터리 모니터링부에 의해 모니터링 된 상기 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 상기 충방전 전류를 기초로 상기 저장 회로의 개폐를 제어하는 배터리 제어부; 및 상기 배터리 제어부로부터 상기 배터리 모니터링부에 의해 모니터링 된 상기 배터리 모듈의 상태 정보를 수신하고, 상기 상태 정보를 차량 측에 전송하는 통신부를 포함한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 프리차지 방법은, 복수의 이차 전지를 구비하는 배터리 모듈의 양단과 전기적으로 연결 가능하도록 구성된 프리차지 커패시터를 충전시키는 방법으로서, 상기 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 상기 배터리 모듈과 연결된 충방전 경로를 흐르는 충방전 전류를 모니터링하는 단계; 상기 모니터링 단계에 의해 모니터링 된 상기 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 상기 충방전 전류를 기초로 상기 복수의 이차 전지 중 밸런싱이 필요한 이차 전지를 판별하는 단계; 상기 이차 전지 판별 단계에 의해 판별된 이차 전지를 방전 대상 이차 전지로 결정하고, 상기 방전 대상 이차 전지로부터 전력을 공급받아 공급받은 전력을 저장하는 단계; 및 상기 전력 저장 단계에 의해 저장된 전력을 상기 프리차지 커패시터로 전달하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 셀 밸런싱 과정에서 방전되는 전력을 저장할 수 있다. 그리고, 저장된 전력을 이용하여 프리차지 커패시터를 프리차지 할 수 있다. 따라서, 프리차지 커패시터를 프리차지 하는 과정에서 에너지 효율을 향상시킬 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 프리차지 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리차지 장치가 외부 장치와 연결된 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리차지 장치의 일부 구성요소와 프리차지 커패시터 사이의 연결 관계를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리차지 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 프리차지 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.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판정되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '제어부'와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본 명세서에서, 이차 전지는 하나의 단위 셀 또는 병렬 연결된 복수의 단위 셀을 포함할 수 있다. 단위 셀은, 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 파우치형 리튬 폴리머 셀 하나가 단위 셀로 간주될 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리차지 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리차지 장치가 외부 장치와 연결된 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 프리차지 장치는, 프리차지 커패시터(C)를 충전시킬 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 프리차지 장치는, 복수의 이차 전지(10)를 구비하는 배터리 모듈(B)의 양단과 전기적으로 연결 가능하도록 구성된 프리차지 커패시터(C)를 충전시킬 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 복수의 이차 전지(10)를 구비하는 배터리 모듈(B)의 양극 단자는, 배터리 팩의 양극 단자와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 배터리 모듈(B)의 음극 단자는, 배터리 팩의 음극 단자와 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 프리차지 커패시터(C)는, 프리차지 커패시터(C)의 양단이 배터리 팩의 양극 단자 및 배터리 팩의 음극 단자에 각각 연결 가능하도록 구성될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 프리차지 장치는, 저장 회로(100), 프리차지 회로(200), 배터리 모니터링부(300) 및 배터리 제어부(400)를 포함할 수 있다.

상기 저장 회로(100)는, 배터리 모듈(B)과 연결될 수 있다. 특히, 저장 회로(100)는, 복수의 이차 전지(10)의 양단과 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 예들 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 저장 회로(100)는, 각 이차 전지(10)의 양단과 각각 전기적으로 직접 연결될 수 있다.

또한, 저장 회로(100)는, 전력을 저장할 수 있도록 구성될 수 있다. 특히, 저장 회로(100)는, 복수의 이차 전지(10)로부터 전력을 공급받아 공급받은 전력을 저장할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 저장 회로(100)는, 전력을 저장할 수 있는 수동 소자를 구비하고, 상기 수동 소자와 연결된 이차 전지(10)로부터 전력을 공급받아 공급받은 전력을 저장할 수 있도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 저장 회로(100)는, 이차 전지(10)와 상기 수동 소자 사이에 전기 회로를 구비하고, 전기 회로 상에 스위치를 구비할 수 있다. 이를테면, 상기 수동 소자는, 커패시터로 구현될 수 있다. 또한, 상기 스위치는, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)으로 구현될 수 있다.

상기 프리차지 회로(200)는, 저장 회로(100)의 일단과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 프리차지 회로(200)는, 도 1 및 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 저장 회로(100)와 프리차지 커패시터(C) 사이에 위치하여, 저장 회로(100)의 일단과 전기적으로 연결될 수 있다.

또한, 프리차지 회로(200)는, 프리차지 커패시터(C)로 프리차지 전류를 전달하도록 구성될 수 있다. 특히, 프리차지 회로(200)는, 저장 회로(100)로부터 프리차지 전류를 공급받고 공급받은 프리차지 전류를 프리차지 커패시터(C)로 전달하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 프리차지 회로(200)는, 저장 회로(100)에 저장된 전력으로부터 생성된 프리차지 전류를 공급받고, 공급받은 프리차지 전류를 프리차지 커패시터(C)로 전달하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 프리차지 회로(200)는, 저장 회로(100)와 프리차지 커패시터(C) 사이를 전기적으로 연결하는 전기 회로를 구비할 수 있다.

상기 배터리 모니터링부(300)는, 배터리 모듈(B) 및 충방전 경로와 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 충방전 경로란, 배터리 모듈의 단자와 배터리 팩의 단자(Pack+, Pack-) 사이에 구비되어, 배터리 모듈의 충전 전류 내지 방전 전류가 흐르도록 구성된 경로일 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 배터리 모니터링부(300)는, 배터리 모듈(B)과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 배터리 모니터링부(300)는, 배터리 모듈(B)과 연결된 충방전 경로와 전기적으로 연결될 수 있다.

특히, 배터리 모니터링부(300)는, 복수의 이차 전지(10) 각각의 전압 및 충방전 전류를 모니터링 하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 배터리 모니터링부(300)는, 배터리 모듈(B) 및 배터리 모듈(B)과 연결되어 충방전 전류가 흐르는 충방전 경로와 전기적으로 연결되어 복수의 이차 전지(10) 각각의 전압 및 충방전 전류를 모니터링 하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 배터리 모니터링부(300)는, 전압 측정수단 및 전류 측정수단을 구비할 수 있다. 바람직하게는, 배터리 모니터링부(300)는, 복수의 이차 전지(10) 각각의 온도를 모니터링 하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 배터리 모니터링부(300)는, 온도 측정수단을 더 구비할 수 있다. 바람직하게는, 배터리 모니터링부(300)는, 복수의 이차 전지(10) 각각의 충전 상태를 모니터링 하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 배터리 모니터링부(300)는, 충전 상태 추정수단을 더 구비할 수 있다.

상기 배터리 제어부(400)는, 배터리 모니터링부(300)에 의해 모니터링 된 복수의 이차 전지(10) 각각의 전압 및 충방전 전류를 기초로 저장 회로(100)의 개폐를 제어할 수 있다. 예를 들어, 배터리 제어부(400)는, 저장 회로(100)에 구비된 복수의 스위치의 턴 온 및 턴 오프 동작을 제어하여 저장 회로(100)의 개폐를 제어할 수 있다.

이를 위해, 바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 모니터링부(300)는, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 전압 측정부(310), 전류 측정부(320), 온도 측정부(330) 및 SOC 추정부(340)를 포함할 수 있다. 그리고, 배터리 모니터링부(300)는, 배터리 제어부(400)와 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 전기적으로 결합할 수 있다.

상기 전압 측정부(310)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 배터리 제어부(400) 및 SOC 추정부(340)와 전기적으로 결합할 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 전압 측정부(310)는, 각 이차 전지(10)의 양단과 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 전압 측정부(310)는, 배터리 제어부(400) 및 SOC 추정부(340)와 전기적 신호를 주고받을 수 있다. 또한, 전압 측정부(310)는, 배터리 제어부(400)의 통제 하에, 시간 간격을 두고 각 이차 전지(10)의 양단 전압을 측정하고 측정된 전압의 크기를 나타내는 신호를 배터리 제어부(400) 및 SOC 추정부(340)로 출력할 수 있다. 이때, 배터리 제어부(400) 및 SOC 추정부(340)는, 전압 측정부(310)로부터 출력되는 신호로부터 각 이차 전지(10)의 전압을 결정할 수 있다. 예를 들어, 전압 측정부(310)는, 당업계에서 일반적으로 사용되는 전압 측정 회로를 이용하여 구현될 수 있다.

상기 전류 측정부(320)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 배터리 제어부(400) 및 SOC 추정부(340)와 전기적으로 결합할 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 전류 측정부(320)는, 배터리 모듈(B)과 연결된 충방전 경로 상에 위치할 수 있다. 그리고, 전류 측정부(320)는, 배터리 제어부(400) 및 SOC 추정부(340)와 전기적 신호를 주고받을 수 있다. 또한, 전류 측정부(320)는, 배터리 제어부(400)의 통제하에, 시간 간격을 두고 각 이차 전지(10)의 충전 전류 또는 방전 전류의 크기를 반복 측정하고 측정된 전류의 크기를 나타내는 신호를 배터리 제어부(400) 및 SOC 추정부(340)로 출력할 수 있다. 이때, 배터리 제어부(400) 및 SOC 추정부(340)는 전류 측정부(320)로부터 출력되는 신호로부터 전류의 크기를 결정할 수 있다. 예를 들어, 전류 측정부(320)는, 당업계에서 일반적으로 사용되는 홀 센서 또는 센스 저항을 이용하여 구현될 수 있다.

상기 온도 측정부(330)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 배터리 제어부(400) 및 SOC 추정부(340)와 전기적으로 결합할 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 온도 측정부(330)는, 배터리 모듈(B)과 연결되어 각 이차 전지(10)의 온도를 측정할 수 있다. 그리고, 온도 측정부(330)는, 배터리 제어부(400) 및 SOC 추정부(340)와 전기적 신호를 주고받을 수 있다. 또한, 온도 측정부(330)는, 시간 간격을 두고 각 이차 전지(10)의 온도를 반복 측정하고 측정된 온도의 크기를 나타내는 신호를 배터리 제어부(400) 및 SOC 추정부(340)로 출력할 수 있다. 이때, 배터리 제어부(400) 및 SOC 추정부(340)는 온도 측정부(330)로부터 출력되는 신호로부터 각 이차 전지(10)의 온도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 온도 측정부(330)는, 당업계에서 일반적으로 사용되는 열전대(thermocouple)를 이용하여 구현될 수 있다.

상기 SOC 추정부(340)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 배터리 제어부(400)와 전기적으로 결합할 수 있다. 또한, SOC 추정부(340)는, 전압 측정부(310), 전류 측정부(320) 및 온도 측정부(330)로부터 수신한 복수의 이차 전지(10)에 대한 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값을 이용하여, 각 이차 전지(10)의 충전 상태(SOC: State Of Charge)를 계산하여 모니터링 할 수 있다. 또한, SOC 추정부(340)는, 각 이차 전지(10)의 충전 상태를 나타내는 신호를 배터리 제어부(400)로 출력할 수 있다. 이와 같은 구성을 통해, 배터리 모니터링부(300)는, 복수의 이차 전지(10)가 충전 또는 방전되는 동안 각 이차 전지(10)의 충전 상태를 모니터링 할 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, SOC 추정부(340)는, 각 이차 전지(10)의 충전 전류 및 방전 전류를 적산하여 각 이차 전지(10)의 충전 상태를 추정할 수 있다. 여기서, 각 이차 전지(10)의 충전 또는 방전이 시작될 때 충전 상태의 초기값은 충전 또는 방전이 시작되기 전에 측정한 각 이차 전지(10)의 개방 전압(OCV: Open Circuit Voltage)을 이용하여 결정할 수 있다. 이를 위해, SOC 추정부(340)는, 개방 전압 별로 충전 상태를 정의한 개방 전압-충전 상태 룩업 테이블을 포함하고, 룩업 테이블로부터 각 이차 전지(10)의 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 맵핑할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에서, SOC 추정부(340)는, 확장 칼만 필터를 이용하여 각 이차 전지(10)의 충전 상태를 산출할 수 있다. 확장 칼만 필터는 배터리 셀의 전압, 전류 및 온도를 이용하여 이차 전지(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 이차 전지(10)의 충전 상태는 전술한 전류 적산법 또는 확장 칼만 필터 이외에도 각 이차 전지(10)의 전압, 전류 및 온도를 선택적으로 활용하여 충전 상태를 추정할 수 있는 다른 공지의 방법에 의해서도 결정할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 프리차지 장치는, 도 1 및 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 메인 회로(500) 및 메인 프리차지 회로(600)를 더 포함할 수 있다.

상기 메인 회로(500)는, 메인 선로(L) 및 메인 릴레이(510)를 구비하도록 구성될 수 있다. 상기 메인 선로(L)는, 배터리 모듈(B)의 일단과 전기적으로 연결되어 충방전 전류가 흐르도록 구성된 선로일 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 메인 회로(500)는, 배터리 모듈(B)의 일단과 프리차지 커패시터(C)의 일단 사이에 위치할 수 있다. 또한, 상기 메인 릴레이(510)는, 상기 메인 선로(L)를 개폐하는 스위치일 수 있다. 예를 들어, 메인 릴레이(510)는, 턴 온 및 턴 오프 동작을 통해 메인 선로(L)를 개폐할 수 있다. 이를테면, 메인 릴레이(510)는, 기계식 릴레이 또는 반도체 릴레이로 구현될 수 있다.

상기 메인 프리차지 회로(600)는, 프리차지 릴레이(610) 및 프리차지 저항(620)을 구비할 수 있다. 상기 프리차지 릴레이(610) 및 상기 프리차지 저항(620)은 프리차지 선로(L1) 상에 구비될 수 있다. 상기 메인 프리차지 회로(600)는, 상기 메인 회로(500)와 병렬 연결될 수 있다. 특히, 도 1 및 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 메인 선로(L) 및 프리차지 선로(L1)는 전기적으로 병렬 연결될 수 있다. 또한, 프리차지 릴레이(610)는, 프리차지 전류가 흐르는 프리차지 선로(L1)를 개폐할 수 있다. 프리차지 릴레이(610)는, 프리차지 선로(L1)를 개폐하는 스위치일 수 있다. 예를 들어, 프리차지 릴레이(610)는, 턴 온 및 턴 오프 동작을 통해 프리차지 선로(L1)를 개폐할 수 있다. 이를테면, 프리차지 릴레이(610)는, 기계식 릴레이 또는 반도체 릴레이로 구현될 수 있다. 또한, 프리차지 저항(620)은, 프리차지 릴레이(610)와 직렬 연결될 수 있다. 특히, 프리차지 저항(620)은, 프리차지 선로(L1) 상에서 프리차지 릴레이(610)와 직렬 연결될 수 있다.

더욱 바람직하게는, 본 발명에 따른 프리차지 회로(200)는, 도 1 및 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 메인 회로(500)의 일단과 메인 프리차지 회로(600)의 일단이 공통 접속된 접점 및 저장 회로(100)의 일단 사이에 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 특히, 메인 회로(500)의 일단과 메인 프리차지 회로(600)의 일단이 공통 접속된 접점은, 프리차지 커패시터(C)의 일단과 연결될 수 있다.

더욱 바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 제어부(400)는, 배터리 모니터링부(300)에 의해 모니터링 된 복수의 이차 전지(10) 각각의 전압 및 충방전 전류를 기초로 저장 회로(100), 메인 회로(500), 및 메인 프리차지 회로(600)의 개폐를 제어할 수 있다. 구체적으로, 배터리 제어부(400)는, 배터리 모니터링부(300)에 의해 모니터링 된 복수의 이차 전지(10) 각각의 전압 및 충방전 전류를 기초로 저장 회로(100), 메인 회로(500), 및 메인 프리차지 회로(600)에 구비된 스위치의 턴 온 및 턴 오프 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 배터리 제어부(400)는, 복수의 이차 전지(10) 각각의 전압 및 충방전 전류를 기초로 방전 대상 이차 전지(10)를 결정하고, 방전 대상 이차 전지(10)와 연결된 저장 회로(100)에 구비된 스위치를 턴 온 시켜 방전 대상 이차 전지(10)로부터 저장 회로(100)로 전력이 공급되도록 할 수 있다. 또한, 배터리 제어부(400)는, 메인 회로(500) 및 메인 프리차지 회로(600)에 구비된 각 스위치는 턴 오프 시키고, 저장 회로(100)에 구비된 스위치는 턴 온 시켜, 저장 회로(100)에 저장된 전력이 프리차지 회로(200)를 통해 저장 회로(100)로부터 프리차지 커패시터(C)로 전달될 수 있도록 할 수 있다.

한편, 배터리 제어부(400)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.

바람직하게는, 배터리 제어부(400)는 메모리 디바이스를 포함할 수 있다. 메모리 디바이스는 정보를 기록하고 소거할 수 있는 저장 매체라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 메모리 디바이스는, RAM, ROM, 레지스터, 하드디스크, 광기록 매체 또는 자기기록 매체일 수 있다. 메모리 디바이스는, 또한 배터리 제어부(400)에 의해 접근이 가능하도록 예컨대 데이터 버스 등을 통해 배터리 제어부(400)와 전기적으로 연결될 수 있다. 메모리 디바이스는 또한 배터리 제어부(400)가 수행하는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터를 저장 및/또는 갱신 및/또는 소거 및/또는 전송할 수 있다. 메모리 디바이스는 논리적으로 2개 이상으로 분할 가능하다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 프리차지 장치는, 도 1 및 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 방전 회로(700)를 더 포함할 수 있다.

상기 방전 회로(700)는, 배터리 모듈(B)과 연결될 수 있다. 특히, 방전 회로(700)는, 복수의 이차 전지(10)의 양단과 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 방전 회로(700)는, 각 이차 전지(10)의 양단과 각각 전기적으로 직접 연결될 수 있다. 또한, 방전 회로(700)는, 배터리 모듈(B)과 배터리 모니터링부(300) 사이에 위치할 수 있다.

또한, 방전 회로(700)는, 전력을 방전할 수 있도록 구성될 수 있다. 특히, 방전 회로(700)는, 복수의 이차 전지(10)로부터 전력을 공급받아 공급받은 전력을 방전할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 방전 회로(700)는, 전력을 방전할 수 있는 수동 소자를 구비하고, 상기 수동 소자와 연결된 이차 전지(10)로부터 전력을 공급받아 공급받은 전력을 방전할 수 있도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 방전 회로(700)는, 이차 전지(10)와 상기 수동 소자 사이에 전기 회로를 구비하고, 전기 회로 상에 스위치를 구비할 수 있다. 이를테면, 상기 수동 소자는, 저항으로 구현될 수 있다. 또한, 상기 스위치는, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)으로 구현될 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 방전 회로(700)는, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 복수의 단위 방전 회로(710)를 구비할 수 있다. 특히, 각 단위 방전 회로(710)는, 각 이차 전지(10)와 병렬 연결될 수 있다. 또한, 단위 방전 회로(710)는, 방전 스위치(712) 및 방전 저항(711)을 구비할 수 있다. 상기 방전 스위치(712) 및 상기 방전 저항(711)은, 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.

또한, 바람직하게는, 본 발명에 따른 프리차지 회로(200)는, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 변압 회로(210) 및 프리차지 선로(L2)를 구비할 수 있다.

상기 변압 회로(210)는, 저장 회로(100)에 인가된 전압을 공급받아, 저장 회로(100)에 인가된 전압을 승압 시키도록 구성될 수 있다. 특히, 변압 회로(210)는, 저장 회로(100)에 저장된 전력을 프리차지 커패시터(C)로 전달할 수 있도록 저장 회로(100)에 인가된 전압을 승압 시킬 수 있다. 예를 들어, 변압 회로(210)는, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 일단이 저장 회로(100)에 연결되고 타단이 프리차지 커패시터(C)에 연결되어, 저장 회로(100)에 저장된 전력을 프리차지 커패시터(C)로 전달할 수 있다. 여기서, 변압 회로(210)의 변압 비율은, 저장 회로(100)에 인가된 전압에 따라 조절될 수 있다. 예를 들어, 저장 회로(100)에 인가된 전압이 2V인 경우, 변압 회로(210)는, 2V로부터 1:4의 변압 비율로 승압 된 8V의 전압을 프리차지 커패시터(C)에 공급할 수 있다.

상기 프리차지 선로(L2)는, 변압 회로(210)의 일단과 연결되어 프리차지 전류가 흐르도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 프리차지 선로(L2)는, 변압 회로(210)의 일단 및 프리차지 커패시터(C)의 일단 사이에 위치하여, 변압 회로(210)로부터 공급받은 프리차지 전류를 프리차지 커패시터(C)로 전달할 수 있다.

또한, 바람직하게는, 본 발명에 따른 저장 회로(100)는, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 복수의 단위 회로(110)를 포함할 수 있다. 상기 복수의 단위 회로(110)는, 복수의 이차 전지(10)의 양단과 연결될 수 있다. 특히, 각 단위 회로(110)는, 각 이차 전지(10)의 양단과 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 단위 회로(110)는, 일단이 프리차지 회로(200)에 연결되고 타단이 이차 전지(10)의 양단에 연결될 수 있다. 또한, 복수의 단위 회로(110)는, 서로 병렬 연결되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 복수의 단위 회로(110)는, 각 이차 전지(10)의 양극 단자와 연결되는 선로가 공통 접속되도록 구성되고, 각 이차 전지(10)의 음극 단자와 연결되는 선로가 공통 접속되도록 구성될 수 있다. 여기서, 각 이차 전지(10)의 양극 단자와 연결되는 선로가 공통 접속된 접점은, 프리차지 회로(200)의 일단과 연결될 수 있다. 또한, 각 이차 전지(10)의 음극 단자와 연결되는 선로가 공통 접속된 접점은, 프리차지 회로(200)의 일단과 연결될 수 있다.

상기 단위 회로(110)는, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 저장 커패시터(111), 충전 스위치(112) 및 공급 스위치(113)를 포함할 수 있다.

상기 저장 커패시터(111)는, 이차 전지(10)의 양단과 전기적으로 연결되어 이차 전지(10)로부터 공급받은 전력을 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장 커패시터(111)는, 이차 전지(10)와 병렬 연결되어 이차 전지(10)로부터 전력을 공급받을 수 있다.

상기 충전 스위치(112)는, 이차 전지(10) 및 저장 커패시터(111) 사이에 연결되어 저장 커패시터(111)에 충전 전력을 인가할 수 있다. 예를 들어, 충전 스위치(112)는, 이차 전지(10)의 양극 단자 및 저장 커패시터(111)의 일단 사이에 연결될 수 있다. 또한, 충전 스위치(112)는, 턴 온 및 턴 오프 동작을 통해 저장 커패시터(111)에 충전 전력을 인가할 수 있다. 예를 들어, 충전 스위치(112)가 턴 온 되는 경우, 이차 전지(10)에 저장된 충전 전력이 이차 전지(10)로부터 충전 스위치(112)를 통해 저장 커패시터(111)로 공급될 수 있다.

상기 공급 스위치(113)는, 프리차지 회로(200)의 일단 및 저장 커패시터(111) 사이에 연결되어 프리차지 회로(200)에 프리차지 전류를 인가할 수 있다. 예를 들어, 공급 스위치(113)는, 각 이차 전지(10)의 양극 단자와 연결되는 선로 상에 위치할 수 있다. 또한, 공급 스위치(113)는, 턴 온 및 턴 오프 동작을 통해 프리차지 회로(200)에 프리차지 전류를 공급할 수 있다. 예를 들어, 공급 스위치(113)가 턴 온 되는 경우, 저장 커패시터(111)에 저장된 충전 전력이 프리차지 전류로 변환되어 저장 커패시터(111)로부터 공급 스위치(113)를 통해 프리차지 회로(200)로 공급될 수 있다.

더욱 바람직하게는, 본 발명에 따른 프리차지 장치는, 도 1 및 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 스위칭부(420) 및 밸런싱 제어부(410)를 더 포함할 수 있다.

상기 스위칭부(420)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 배터리 제어부(400)와 전기적으로 결합할 수 있다. 또한, 스위칭부(420)는, 메인 프리차지 회로(600) 및 메인 회로(500)에 구비된 프리차지 릴레이(610) 및 메인 릴레이(510)의 턴 온 및 턴 오프 동작을 제어할 수 있다.

상기 밸런싱 제어부(410)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 배터리 제어부(400)와 전기적으로 결합할 수 있다. 또한, 밸런싱 제어부(410)는, 저장 회로(100) 및 방전 회로(700)에 구비된 각 충전 스위치(112), 공급 스위치(113) 및 방전 스위치(712)의 턴 온 및 턴 오프 동작을 제어할 수 있다. 여기서, 밸런싱 제어부(410)는, 충전 스위치(112), 공급 스위치(113) 및 방전 스위치(712)를 선택적으로 제어할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 프리차지 장치는, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 외부 장치(50)와 연결 가능하도록 구성될 수 있다. 프리차지 장치가 차량에 장착되는 경우, 상기 외부 장치(50)는 차량의 구성요소일 수 있다.

상기 외부 장치(50)는, 프리차지 커패시터(C), 부하(51) 및 ECU(52)를 포함할 수 있다.

상기 프리차지 커패시터(C)는, 프리차지 커패시터(C)의 양단이 배터리 팩의 양극 단자 및 배터리 팩의 음극 단자와 연결 가능하도록 구성될 수 있다. 프리차지 커패시터(C)는, 배터리 모듈(B)과 병렬 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 프리차지 커패시터(C)는, 배터리 모듈(B)과 전기적으로 병렬 연결되어 배터리 모듈(B)로부터 충전 전력을 공급받아 충전될 수 있다. 바람직하게는, 프리차지 커패시터(C)는, 배터리 모듈(B)의 충전 전압의 90%의 전압이 충전될 수 있도록 커패시터 용량이 결정될 수 있다.

프리차지 커패시터(C)는, 부하(51) 및 ECU(52)와 병렬 연결될 수 있다. 상기 부하(51)는, 차량의 오디오기기, 에어컨 또는 조명 등으로 차량에 탑재되어 전기로 구동되는 전장품일 수 있다. 또한, 상기 ECU(52)는, 차량의 전장품 및 차량의 모터를 제어하는 ECU(52, Electronic Control Unit)일 수 있다.

또한, 바람직하게는, 본 발명에 따른 프리차지 장치는, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 통신부(800)를 더 포함할 수 있다.

상기 통신부(800)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 배터리 제어부(400) 및 ECU(52)와 전기적으로 결합할 수 있다. 통신부(800)는, 배터리 제어부(400)로부터 배터리 모니터링부(300)에 의해 모니터링 된 배터리 모듈(B)의 상태 정보를 수신하고, 배터리 모듈(B)의 상태 정보를 차량 측에 전송할 수 있다.

도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리차지 장치의 일부 구성요소와 프리차지 커패시터 사이의 연결 관계를 개략적으로 나타내는 도면이다. 여기서는, 앞선 실시예와 차이점이 있는 부분을 위주로 설명하고, 앞선 실시예에 대한 설명이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 제어부(400)는, 배터리 모듈(B)로부터 배터리 모듈(B)의 상태 정보를 수신할 수 있다. 이를테면, 배터리 제어부(400)는, 배터리 모듈(B)의 전압, 전류 및 온도 정보를 수신할 수 있다.

이어서, 배터리 제어부(400)는, 배터리 모듈(B)의 상태 정보를 기초로 밸런싱 필요 여부를 결정할 수 있다. 여기서, 밸런싱은, 배터리 모듈(B)에 구비된 복수의 이차 전지(10)의 전하를 균등화하는 과정을 의미한다.

이어서, 복수의 이차 전지(10) 중 방전이 필요한 이차 전지(10)가 존재하는 경우, 배터리 제어부(400)는, 밸런싱이 필요한 방전 대상 이차 전지(10)를 결정하고, 상기 방전 대상 이차 전지(10)와 연결된 저장 회로(100)에 구비된 충전 스위치(112)를 턴 온 시킬 수 있다. 이 경우, 방전 대상 이차 전지(10)와 병렬 연결된 저장 커패시터(111)가 방전 대상 이차 전지(10)로부터 전력을 공급받아 충전될 수 있다. 이때, 배터리 제어부(400)는, 밸런싱 제어부(410)로 선택적 충전 스위치(112) 턴 온 및 턴 오프 명령을 전달할 수 있다. 또한, 밸런싱 제어부(410)는, 충전 스위치(112)를 선택적으로 턴 온 및 턴 오프 시킬 수 있다.

이어서, 배터리 제어부(400)는, 방전 대상 이차 전지(10)에 의해 충전된 저장 커패시터(111)와 연결된 공급 스위치(113)를 턴 온 시킬 수 있다. 이 경우, 저장 커패시터(111)에 저장된 전력으로부터 생성된 프리차지 전류가 저장 커패시터(111)로부터 프리차지 회로로 흐를 수 있다. 이때, 배터리 제어부(400)는, 밸런싱 제어부(410)로 선택적 공급 스위치(113) 턴 온 및 턴 오프 명령을 전달할 수 있다. 또한, 밸런싱 제어부(410)는, 공급 스위치(113)를 선택적으로 턴 온 및 턴 오프 시킬 수 있다.

이와 같은 구성을 통해, 본 발명에 따른 배터리 제어부(400)는, 충전 스위치(112) 및 공급 스위치(113)를 순차적으로 개폐하여, 프리차지 회로(200)를 통해 프리차지 커패시터(C)로 프리차지 전류를 공급할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 프리차지 장치에 따르면, 전력 효율이 개선된 프리차지(Pre-charging)를 수행할 수 있다. 구체적으로, 셀 밸런싱 과정에서 발생하는 전력을 프리차지 전력으로 이용함으로써 종래 셀 밸런싱 과정에서 발생하던 전력 낭비를 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따른 프리차지 장치는, 배터리 팩에 자체적으로 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 프리차지 장치를 포함할 수 있다. 여기서, 배터리 팩은, 하나 이상의 이차 전지, 상기 프리차지 장치, 전장품(BMS나 릴레이, 퓨즈 등 구비) 및 케이스 등을 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 본 발명에 따른 프리차지 장치의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 배터리 팩에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 프리차지 장치의 배터리 모니터링부, 배터리 제어부, 스위칭부 및/또는 밸런싱 제어부는, 배터리 팩에 구비된 BMS(Battery Management System)에 의해 구현될 수 있다.

도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리차지 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 도 4에서, 각 단계의 수행 주체는, 앞서 설명한 본 발명에 따른 프리차지 장치의 각 구성요소라 할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 단계 S100에서, 배터리 모니터링부는, 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 충방전 전류를 모니터링 한다. 특히, 배터리 모니터링부는, 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 배터리 모듈과 연결된 충방전 경로를 흐르는 충방전 전류를 모니터링 한다.

이어서, 단계 S110에서, 배터리 제어부는, 모니터링 단계에 의해 모니터링 된 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 충방전 전류를 기초로 복수의 이차 전지 중 밸런싱이 필요한 이차 전지를 판별한다.

이어서, 단계 S120에서, 배터리 제어부는, 이차 전지 판별 단계에 의해 판별된 이차 전지를 방전 대상 이차 전지로 결정한다. 그리고, 저장 회로는, 방전 대상 이차 전지로부터 전력을 공급받아 공급받은 전력을 저장한다.

이어서, 단계 S130에서, 프리차지 회로는, 전력 저장 단계에 의해 저장된 전력을 프리차지 커패시터로 전달한다.

도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 프리차지 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 도 5에서, 각 단계의 수행 주체는, 앞서 설명한 본 발명에 따른 프리차지 장치의 각 구성요소라 할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 단계 S200에서, 배터리 모니터링부는, 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 충방전 전류를 모니터링 한다. 특히, 배터리 모니터링부는, 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 배터리 모듈과 연결된 충방전 경로를 흐르는 충방전 전류를 모니터링 한다.

이어서, 단계 S210에서, 배터리 제어부는, 모니터링 단계에 의해 모니터링 된 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 충방전 전류를 기초로 복수의 이차 전지 중 밸런싱이 필요한 이차 전지를 판별한다. 예를 들어, 배터리 제어부는, 복수의 이차 전지 중 방전이 필요한 이차 전지를 판별하고, 방전이 필요한 이차 전지를 방전 대상 이차 전지로 결정할 수 있다.

이어서, 단계 S220에서, 배터리 제어부는, 저장 회로에 전력 저장이 필요한지 여부를 판별한다. 만약, 단계 S220의 판단 결과가 NO이면 프로세스가 단계 S230으로 이행된다. 한편, 단계 S220의 판단 결과가 YES이면 프로세스가 단계 S240으로 이행된다. 예를 들어, 배터리 제어부는, 저장 회로에 구비된 저장 커패시터가 만충전 되어 있는 경우, 저장 회로에 전력 저장이 필요하지 않은 것으로 판별할 수 있다. 한편, 배터리 제어부는, 저장 회로에 구비된 저장 커패시터가 만충전 되어 있지 않은 경우, 저장 회로에 전력 저장이 필요한 것으로 판별할 수 있다.

이어서, 단계 S230에서, 배터리 제어부는, 방전 대상 이차 전지와 연결된 방전 회로에 구비된 방전 스위치를 선택적으로 턴 온 시켜, 방전 저항을 통해 방전 대상 이차 전지로부터 공급받은 전력을 방전 시킬 수 있다. 한편, 단계 S240에서, 배터리 제어부는, 방전 대상 이차 전지와 연결된 충전 회로에 구비된 충전 스위치를 선택적으로 턴 온 시켜, 저장 커패시터를 통해 방전 대상 이차 전지로부터 공급받은 전력을 저장할 수 있다.

이어서, 단계 S250에서, 배터리 제어부는, 프리차지 커패시터를 충전 시키는 프리차지가 필요한지 여부를 판별한다. 만약, 단계 S250의 판단 결과가 NO이면 프로세스가 종료된다. 한편, 단계 S250의 판단 결과가 YES이면 프로세스가 단계 S260으로 이행된다. 예를 들어, 본 발명에 따른 프리차지 장치가 차량에 구비된 경우, 배터리 제어부는, 차량의 메인 스위치인 이그니션 스위치(Ignition switch)의 온 신호를 검출하여 프리차지 커패시터를 프리차지 할 수 있다. 여기서, 배터리 제어부는, 이그니션 스위치의 온 신호를 차량의 ECU로부터 수신할 수도 있다. 이때, 배터리 제어부는, 프리차지 커패시터의 충전 상태를 기초로 프리차지 필요 여부를 판별할 수 있다. 이를테면, 프리차지 커패시터의 충전 상태는 ECU로부터 수신할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 프리차지 커패시터의 충전 상태가 90% 미만인 경우, 배터리 제어부는, 프리차지 커패시터를 충전 시키는 프리차지가 필요한 것으로 판별할 수 있다. 한편, 배터리 제어부는, 프리차지 커패시터의 충전 상태가 90% 이상인 경우, 프리차지가 필요하지 않은 것으로 판별할 수 있다.

이어서, 단계 S260에서, 배터리 제어부는, 프리차지 회로를 통해 프리차지 커패시터를 충전 시킬 수 있다. 예를 들어, 배터리 제어부는, 공급 회로에 구비된 공급 스위치를 선택적으로 제어하여 프리차지 전류를 프리차지 커패시터로 공급할 수 있다.

또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 배터리 제어부는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리 디바이스에 저장되고 프로세서에 의해 실행될 수 있다.

또한, 배터리 제어부의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록 매체는, ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

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 '모니터링부' 및 '제어부' 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: 이차 전지
50: 외부 장치
51: 부하
52: ECU
100: 저장 회로
110: 단위 회로
111: 저장 커패시터
112: 충전 스위치
113: 공급 스위치
200: 프리차지 회로
210: 변압 회로
300: 배터리 모니터링부
310: 전압 측정부
320: 전류 측정부
330: 온도 측정부
340: SOC 추정부
400: 배터리 제어부
410: 밸런싱 제어부
420: 스위칭부
500: 메인 회로
510: 메인 릴레이
600: 메인 프리차지 회로
610: 프리차지 릴레이
620: 프리차지 저항
700: 방전 회로
710: 단위 방전 회로
711: 방전 저항
712: 방전 스위치
800: 통신부
B: 배터리 모듈
C: 프리차지 커패시터
L: 메인 선로
L1: 프리차지 선로
L2: 프리차지 선로

Claims (12)

1. 복수의 이차 전지를 구비하는 배터리 모듈의 양단과 전기적으로 연결 가능하도록 구성된 프리차지 커패시터를 충전시키는 프리차지 장치에 있어서,
   상기 복수의 이차 전지의 양단과 각각 전기적으로 연결되어 상기 복수의 이차 전지로부터 전력을 공급받아 공급받은 전력을 저장할 수 있도록 구성된 저장 회로;
   상기 저장 회로의 일단과 전기적으로 연결되어 상기 저장 회로로부터 프리차지 전류를 공급받고 공급받은 프리차지 전류를 상기 프리차지 커패시터로 전달하도록 구성된 프리차지 회로;
   상기 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈과 연결되어 충방전 전류가 흐르는 충방전 경로와 전기적으로 연결되어 상기 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 상기 충방전 전류를 모니터링 하도록 구성된 배터리 모니터링부; 및
   상기 배터리 모니터링부에 의해 모니터링 된 상기 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 상기 충방전 전류를 기초로 상기 저장 회로의 개폐를 제어하여 상기 프리차지 전류에 의한 상기 프리차지 커패시터의 충전을 제어하도록 구성된 배터리 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리차지 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 배터리 모듈의 일단과 전기적으로 연결되어 상기 충방전 전류가 흐르는 메인 선로를 개폐하는 메인 릴레이를 구비하도록 구성된 메인 회로, 및 상기 메인 회로와 병렬 연결되어 프리차지 전류가 흐르는 프리차지 선로를 개폐하는 프리차지 릴레이 및 상기 프리차지 릴레이와 직렬 연결된 프리차지 저항을 구비하도록 구성된 메인 프리차지 회로
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프리차지 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 프리차지 회로는, 상기 메인 회로의 일단과 상기 메인 프리차지 회로의 일단이 공통 접속된 접점 및 상기 저장 회로의 일단 사이에 전기적으로 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 프리차지 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 배터리 제어부는, 상기 배터리 모니터링부에 의해 모니터링 된 상기 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 상기 충방전 전류를 기초로 상기 저장 회로, 상기 메인 회로, 및 상기 메인 프리차지 회로의 개폐를 제어하는 것을 특징으로 하는 프리차지 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 이차 전지의 양단과 각각 전기적으로 연결되어 상기 복수의 이차 전지로부터 전력을 공급받아 공급받은 전력을 방전할 수 있도록 구성된 방전 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프리차지 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 프리차지 회로는, 상기 저장 회로에 저장된 전력을 상기 프리차지 커패시터로 전달할 수 있도록 상기 저장 회로에 인가된 전압을 승압시키는 변압 회로 및 상기 변압 회로의 일단과 연결되어 프리차지 전류가 흐르는 프리차지 선로를 구비하는 것을 특징으로 하는 프리차지 장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 저장 회로는, 상기 복수의 이차 전지의 양단과 연결된 복수의 단위 회로를 구비하고, 상기 단위 회로는, 일단이 상기 프리차지 회로에 연결되고 타단이 상기 이차 전지의 양단에 연결되며 서로 병렬 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 프리차지 장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 단위 회로는, 상기 이차 전지의 양단과 전기적으로 연결되어 상기 이차 전지로부터 공급받은 전력을 저장하는 저장 커패시터, 상기 이차 전지 및 상기 저장 커패시터 사이에 연결되어 상기 저장 커패시터에 충전 전력을 인가하는 충전 스위치, 및 상기 프리차지 회로의 일단 및 상기 저장 커패시터 사이에 연결되어 상기 프리차지 회로에 프리차지 전류를 인가하는 공급 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 프리차지 장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 배터리 제어부는, 상기 배터리 모듈의 밸런싱이 필요한 경우, 상기 저장 회로에 구비된 상기 충전 스위치 및 상기 공급 스위치를 순차적으로 개폐하여, 상기 프리차지 회로를 통해 상기 프리차지 커패시터로 프리차지 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 프리차지 장치.
   
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 프리차지 장치를 포함하는 배터리 팩.
    
11. 복수의 이차 전지를 구비하는 배터리 모듈의 일단과 전기적으로 연결되어 충방전 전류가 흐르는 메인 선로를 개폐하는 메인 릴레이의 일단과 연결 가능하도록 구성된 프리차지 커패시터를 충전시키는 프리차지 장치에 있어서,
    상기 복수의 이차 전지의 양단과 각각 전기적으로 연결되어 상기 복수의 이차 전지로부터 전력을 공급받아 공급받은 전력을 저장할 수 있도록 구성된 저장 회로;
    상기 저장 회로의 일단과 전기적으로 연결되어 상기 저장 회로로부터 프리차지 전류를 공급받고 공급받은 프리차지 전류를 상기 프리차지 커패시터로 전달하도록 구성된 프리차지 회로;
    상기 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈과 연결되어 충방전 전류가 흐르는 충방전 경로와 전기적으로 연결되어 상기 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 상기 충방전 전류를 모니터링 하도록 구성된 배터리 모니터링부;
    상기 배터리 모니터링부에 의해 모니터링 된 상기 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 상기 충방전 전류를 기초로 상기 저장 회로의 개폐를 제어하여 상기 프리차지 전류에 의한 상기 프리차지 커패시터의 충전을 제어하도록 구성된 배터리 제어부; 및
    상기 배터리 제어부로부터 상기 배터리 모니터링부에 의해 모니터링 된 상기 배터리 모듈의 상태 정보를 수신하고, 상기 상태 정보를 차량 측에 전송하는 통신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리차지 장치.
    
12. 복수의 이차 전지를 구비하는 배터리 모듈의 양단과 전기적으로 연결 가능하도록 구성된 프리차지 커패시터를 충전시키는 프리차지 방법에 있어서,
    상기 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 상기 배터리 모듈과 연결된 충방전 경로를 흐르는 충방전 전류를 모니터링하는 단계;
    상기 모니터링 단계에 의해 모니터링 된 상기 복수의 이차 전지 각각의 전압 및 상기 충방전 전류를 기초로 상기 복수의 이차 전지 중 밸런싱이 필요한 이차 전지를 판별하는 단계;
    상기 이차 전지 판별 단계에 의해 판별된 이차 전지를 방전 대상 이차 전지로 결정하고, 상기 방전 대상 이차 전지로부터 전력을 공급받아 공급받은 전력을 저장 회로에 저장하는 단계; 및
    상기 저장 회로의 개폐 여부에 따라 상기 전력 저장 단계에 의해 상기 저장 회로에 저장된 전력을 프리차지 전류로 공급받고, 공급받은 프리차지 전류를 상기 프리차지 커패시터로 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리차지 방법.

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