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KR102818311B1 - 무선 충전 수신기 통합형 배터리 관리 시스템 및 방법 - Google Patents

무선 충전 수신기 통합형 배터리 관리 시스템 및 방법 Download PDF

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KR102818311B1
KR102818311B1 KR1020190113168A KR20190113168A KR102818311B1 KR 102818311 B1 KR102818311 B1 KR 102818311B1 KR 1020190113168 A KR1020190113168 A KR 1020190113168A KR 20190113168 A KR20190113168 A KR 20190113168A KR 102818311 B1 KR102818311 B1 KR 102818311B1
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power transmission
power
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battery management
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김지은
박찬하
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장는 배터리의 상태를 모니터링 하는 배터리 관리 시스템, 및 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 전력 수신 장치를 포함하고, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 배터리의 상태에 관한 데이터와 상기 전력 송신 장치의 전력 전송 성능에 기초하여 상기 배터리의 충전 최적 조건을 산출할 수 있다.

Description

무선 충전 수신기 통합형 배터리 관리 시스템 및 방법{WIRELESS CHARGING RECEIVER INTEGRATED BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 무선 충전 수신기 통합형 배터리 관리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
자동차에 사용되는 배터리는 대부분 셀-모듈-팩의 형태로 구성되어 차량에 내장된다. 종래에는 이러한 배터리의 충전과 방전은 배터리 팩의 (+) 및 (-) 단자를 통해 모든 셀을 동시에 방전시키거나, 또는 모든 셀을 동시에 충전시킬 수 밖에 없었다.
그러나, 일반적인 배터리 셀 모듈은 배터리 팩 내부의 위치에 따라 냉각 성능 등에 따른 편차가 존재하므로, 시간이 흐름에 따라 배터리 모듈 간의 수명 편차와 같은 기능 상의 차이가 발생하게 된다.
따라서, 배터리의 모듈별 상태를 실시간으로 파악하고, 각각의 배터리의 상태에 맞는 충전 전류로 충전하는 것이 필요하다.
본 발명은 무선 충전 수신기를 배터리 관리 시스템에 통합하고, 배터리의 충전 환경에 따라 변하는 요인들에 기초하여 산출된 최적 충전 조건에 따라 무선 충전 송신기의 전력 전송 조건을 제어함으로써, 배터리의 모듈별 상태에 적합하도록 충전을 수행하는 배터리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템은 배터리의 상태를 모니터링 하는 배터리 관리 시스템, 및 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 전력 수신 장치를 포함하고, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 배터리의 상태에 관한 데이터와 상기 전력 송신 장치의 전력 전송 성능에 기초하여 상기 배터리의 충전 최적 조건을 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 상기 배터리 관리 시스템은 상기 전력 송신 장치와 무선으로 통신할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 상기 배터리 관리 시스템은 상기 전력 송신 장치로부터 전력 전송 조건에 관한 데이터를 무선으로 수신할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 상기 전력 송신 장치의 전력 전송 성능은 실시간 전력 전송 효율 및 최대 가용 전송 전력을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 상기 배터리의 상태에 관한 데이터는 배터리의 최대 가용 충전 전류, 실시간 잔존 배터리 용량 및 잔존 배터리 수명을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 상기 배터리 관리 시스템과 상기 전력 수신 장치는 전기적으로 커플링 되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 상기 배터리 관리 시스템은 상기 배터리의 입력 전압 및 입력 전류와 상기 전력 수신 장치의 출력 전압 및 출력 전류를 실시간으로 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 상기 배터리 관리 시스템은 무선 충전 효율, 무선 충전 속도, 배터리 수명 중 적어도 하나의 기준에 따라 상기 충전 최적 조건을 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 상기 배터리 관리 시스템은 상기 충전 최적 조건에 기초하여 상기 전력 송신 장치의 전력 전송 성능을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 상기 배터리 관리 시스템은 산출된 상기 충전 최적 조건과 미리 설정된 기준치의 차이값이 임계치 이상일 경우 상기 전력 송신 장치의 듀티와 주파수를 조정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 송신 장치는 전력 수신 장치에 무선으로 전력을 송신하는 송신 회로, 배터리 관리 시스템에 전력 전송 조건에 관한 데이터를 무선으로 송신하고, 상기 배터리 관리 시스템으로부터 산출된 배터리의 충전 최적 조건에 따른 전력 제어 신호를 무선으로 수신하는 통신부, 및 상기 충전 최적 조건에 따른 전력 제어 신호에 기초하여 상기 전력 수신 장치로 전송되는 전력 전송 조건을 조정하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법은 전력 송신 장치로부터 전력 수신 장치로 배터리에 공급하기 위한 전력을 무선으로 송신하는 단계, 상기 배터리의 상태를 모니터링하는 단계, 상기 전력 송신 장치로부터 전력 전송 조건에 관한 데이터를 수신하는 단계, 및 상기 배터리의 상태에 관한 데이터와 상기 전력 송신 장치로부터 수신한 전력 전송 조건에 관한 데이터에 기초하여 상기 배터리의 충전 최적 조건을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법은 상기 배터리의 충전 최적 조건에 기초하여 상기 전력 송신 장치의 전력 전송 조건을 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 배터리 시스템에 따르면 무선 충전 수신기를 배터리 관리 시스템에 통합하고, 배터리의 충전 환경에 따라 변하는 요인들에 기초하여 산출된 최적 충전 조건에 따라 무선 충전 송신기의 전력 전송 조건을 제어함으로써, 배터리의 모듈별 상태에 적합하도록 충전을 수행할 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리 관리 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 송신 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 송신 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 모듈 어셈블리의 회로도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법의 구체적인 예시를 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 문서에서 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 문서에 개시되어 있는 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예들은 여러 가지 형태로 실시될 수 있으며 본 문서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
다양한 실시 예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리 관리 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
구체적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩(1)과 상위 시스템에 포함되어 있는 상위 제어기(2)를 포함하는 배터리 관리 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리팩(1)은 하나의 이상의 배터리셀로 이루어지고, 충방전 가능한 배터리 모듈(10)과, 배터리 모듈(10)의 +단자 측 또는 -단자 측에 직렬로 연결되어 배터리 모듈(10)의 충방전 전류 흐름을 제어하기 위한 스위칭부(14)와, 배터리팩(1)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하여, 과충전 및 과방전 등을 방지하도록 제어 관리하는 배터리 관리 시스템(20)을 포함한다.
여기서, 스위칭부(14)는 배터리 모듈(10)의 충전 또는 방전에 대한 전류 흐름을 제어하기 위한 반도체 스위칭 소자로서, 예를 들면, 적어도 하나의 MOSFET이 이용될 수 있다.
또한, BMS(20)는, 배터리팩(1)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하기 위해서, 반도체 스위칭 소자의 게이트, 소스 및 드레인 등의 전압 및 전류를 측정하거나 계산할 수 있고, 또한, 반도체 스위칭 소자(14)에 인접해서 마련된 센서(12)를 이용하여 배터리팩의 전류, 전압, 온도 등을 측정할 수 있다. BMS(20)는 상술한 각종 파라미터를 측정한 값을 입력받는 인터페이스로서, 복수의 단자와, 이들 단자와 연결되어 입력받은 값들의 처리를 수행하는 회로 등을 포함할 수 있다.
또한, BMS(20)는, 스위칭 소자(14) 예를 들어 MOSFET의 ON/OFF를 제어할 수도 있으며, 배터리 모듈(10)에 연결되어 배터리 모듈(10)의 상태를 감시할 수 있다.
상위 제어기(2)는 BMS(20)로 배터리 모듈에 대한 제어 신호를 전송할 수 있다. 이에 따라, BMS(20)는 상위 제어기로부터 인가되는 신호에 기초하여 동작이 제어될 수 있을 것이다. 본 발명의 배터리 셀이 ESS(Energy Storage System) 또는 차량 등에 이용되는 배터리 팩에 포함된 구성일 수 있다. 다만, 이러한 용도에 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 배터리팩(1)의 구성 및 BMS(20)의 구성은 공지된 구성이므로, 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템(200)는 배터리 관리 시스템(210), 전력 수신 장치(220) 및 전력 송신 장치(230)를 포함할 수 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템(200)에서는 배터리 관리 시스템(210)과 전력 수신 장치(220)가 서로 접속되어 있다. 또한, 전력 송신 장치(230)는 배터리 관리 시스템(210)과 무선으로 데이터를 송수신할 수 있고, 전력 수신 장치(220)에 무선으로 전력을 공급할 수 있다. 이에 관해서는 이하에서 후술한다.
배터리 관리 시스템(210)은 배터리의 상태를 모니터링 할 수 있다. 구체적으로, 배터리 관리 시스템(210)은 배터리 셀의 전압, 전류, 온도, SOC 등을 측정할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(210)은 배터리의 상태에 관한 데이터로서 배터리의 최대 가용 충전 전류, 실시간 잔존 배터리 용량 및 잔존 배터리 수명을 검출할 수 있다.
또한, 배터리 관리 시스템(210)은 전력 수신 장치(220) 및 전력 송신 장치(230)와 무선으로 통신할 수 있다. 따라서, 배터리 관리 시스템(210)은 전력 송신 장치(230)로부터 전력 전송 조건에 관한 데이터를 무선으로 수신할 수 있다.
배터리 관리 시스템(210)은 배터리의 입력 전압 및 입력 전류와 전력 수신 장치(220)의 출력 전압 및 출력 전류를 실시간으로 측정할 수 있다. 이 때, 배터리 관리 시스템(210)은 전력 수신 장치(220)로부터 출력 전압 및 출력 전류를 무선으로 수신할 수 있다.
배터리 관리 시스템(210)은 측정한 배터리의 상태에 관한 데이터와 전력 송신 장치(230)의 전력 전송 성능에 기초하여 배터리의 충전 최적 조건을 산출할 수 있다. 이 경우, 충전 최적 조건은 무선 충전 효율, 무선 충전 속도, 배터리 수명 중 적어도 하나의 기준에 따라 산출될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니고 경우에 따라 다양한 기준이 적용될 수 있을 것이다.
배터리 관리 시스템(210)은 산출된 충전 최적 조건에 기초하여 전력 송신 장치(230)의 전력 전송 성능을 제어할 수 있다. 이 때, 예를 들면, 배터리 관리 시스템(210)은 전력 송신 장치(230)에 충전 최적 조건에 따른 전력 제어 신호를 전송하여 전력 송신 장치(230)를 제어할 수 있다. 배터리 관리 시스템(210)은 산출된 충전 최적 조건과 미리 설정된 기준치의 차이값이 임계치 이상일 경우 전력 송신 장치(230)의 듀티와 주파수를 조정할 수 있다.
전력 수신 장치(220)는 전력 송신 장치(230)로부터 무선으로 전력을 수신할 수 있다. 이 때, 전력 수신 장치(220)는 수신한 전력을 무선으로 배터리 관리 시스템(210)에 전송할 수 있다.
또한, 전력 수신 장치(220)는 배터리 관리 시스템(210)과 전기적으로 커플링될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템(200)에 따르면, 전력 수신 장치(220)를 배터리 관리 시스템(210)에 통합하여 배터리 셀 모듈 어셈블리에 함께 내장할 수 있다. 예를 들면, 전력 수신 장치(220)는 배터리 관리 시스템(210)의 하단에 내장될 수 있다.
전력 송신 장치(230)는 배터리 관리 시스템(210)과 전력 수신 장치(220)와 무선으로 통신할 수 있다. 이 경우, 전력 송신 장치(230)는 배터리 관리 시스템(210)에 전력 전송 조건(예를 들면, 전력 전송량, 최대 가용 전송 전력 등)에 관한 데이터를 송신하고, 배터리 관리 시스템(210)으로부터 전력 제어 신호를 수신할 수 있다.
또한, 배터리 관리 시스템(210)에서 충전 최적 조건 산출에 이용하는 전력 송신 장치(230)의 전력 전송 성능은 실시간 전력 전송 효율 및 최대 가용 전송 전력을 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템(200)에 따르면, 배터리의 입출력 전압 및 전류, 무선 수신부(220)의 출력 전압 및 전류, 전력 송신 장치(230)의 전력 전송량을 측정함으로써 코일간 거리와 정렬 상태, 공명 주파수, 온도 등의 충전 환경에 따라 변하는 요소들(예를 들면, Coupling, Resonance Quality Factor 등)을 추정하고, 무선 충전 효율, 충전 속도, 배터리 수명의 최적점을 선택하여 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 송신 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 송신 장치(300)는 송신 회로(310), 통신부(320) 및 제어부(330)를 포함할 수 있다.
송신 회로(310)는 전력 수신 장치(220)에 무선으로 전력을 송신할 수 있다. 예를 들면, 송신 회로(310)는 후술하는 바와 같이, 코일을 포함하고 전자기 유도의 형태로 전력을 송신하거나, 공진 주파수에 따른 공명을 이용하여 전력을 송신할 수 있다.
통신부(320)는 배터리 관리 시스템(210)에 전력 전송 조건에 관한 데이터를 무선으로 송신하고, 배터리 관리 시스템(210)으로부터 산출된 배터리의 충전 최적 조건에 따른 전력 제어 신호를 무선으로 수신할 수 있다.
제어부(330)는 배터리 관리 시스템(210)으로부터 수신한 충전 최적 조건에 따른 전력 제어 신호에 기초하여 전력 수신 장치(220)로 전송되는 전력 전송 조건을 조정할 수 있다. 예를 들면, 제어부(330)는 전력 송신 장치(300)의 듀티 또는 주파수 등을 조정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 배터리 시스템에 따르면 무선 충전 수신기를 배터리 관리 시스템에 통합하고, 배터리의 충전 환경에 따라 변하는 요인들에 기초하여 산출된 최적 충전 조건에 따라 무선 충전 송신기의 전력 전송 조건을 제어함으로써, 배터리의 모듈별 상태에 적합하도록 충전을 수행할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈은 코일, 배터리 관리 시스템(BMS) 및 정류기(AC/DC)를 포함할 수 있다.
코일은 전력 수신 장치에 포함되며, 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신할 수 있다. 이 때, 코일은 자기 유도의 형태로 전력을 수신하거나, 또는 공진 주파수에 맞추어 공명 현상을 이용하여 전력을 수신할 수 있다.
배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리 셀 모듈 어셈블리의 상태를 모니터링하고 충전 최적 조건에 따라 전력 송신 장치를 제어할 수 있다. 배터리 관리 시스템의 기능에 관해서는 도 2에서 설명하였으므로 구체적인 설명은 생략한다.
정류기(AC/DC)는 전력 송신 장치로부터 수신한 전력을 교류(AC)에서 직류(DC)로 정류할 수 있다.
도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 송신 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 송신 장치는 코일, 제어부(Controller) 및 정류기(AC/DC)를 포함할 수 있다.
코일은 전력 수신 장치에 무선으로 전력을 송신할 수 있다. 전력 수신 장치와 마찬가지로, 전력 송신 장치의 코일은 자기 유도의 형태로 전력을 수신하거나, 또는 공진 주파수에 맞추어 공명 현상을 이용하여 전력을 수신할 수 있다.
제어부는 전력 송신 장치에서 송신되는 전력 전송 조건을 조정할 수 있다. 예를 들면, 제어부는 전력 송신 장치의 전력 전송량, 듀티, 주파수 등을 조절할 수 있으며, 배터리 모듈의 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 수신한 전력 제어 신호에 기초하여 최적 충전 조건에 따라 전력을 제어할 수 있다.
정류기(AC/DC)는 전력 송신 장치로부터 수신한 전력을 교류(AC)에서 직류(DC)로 정류할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 모듈의 회로도를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 모듈은 공진 코일(Resonant Coil)(502), 정류기 및 필터(504), 셀 모듈 어셈블리(Cell Module Assembly, CMA)(506) 및 배터리 관리 시스템(BMS)(510)를 포함할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(510)은 전원부(512), 무선 통신부(514), 측정부(516) 및 MCU 부(518)를 포함할 수 있다.
공진 코일(502)은 인덕터와 커패시터를 포함할 수 있으며, 전력 수신 장치에 포함되어 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신할 수 있다. 도 5의 코일은 공진 주파수에 맞추어 공명 현상을 이용하여 전력을 수신할 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 코일은 자기 유도의 형태로 전력을 수신할 수도 있다.
정류기 및 필터(504)는 전력 수신기의 출력 전압과 출력 전류를 정류하고 노이즈를 제거할 수 있다.
배터리 셀 모듈 어셈블리(506)는 배터리 셀들이 복수 개로 결합된 구조로서, 배터리 관리 시스템(510)에서 배터리 셀 모듈 어셈블리에 입력되는 전압과 전류를 측정하여 배터리의 최대 가용 충전 전류, 실시간 잔존 용량, 잔존 배터리 수명 등의 상태를 추정할 수 있다.
배터리 관리 시스템(510)은 배터리의 전압, 전류, 온도, SOC 등의 상태를 모니터링 할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(510)은 측정한 배터리의 상태에 관한 데이터와 전력 송신 장치의 전력 전송 성능에 기초하여 배터리의 충전 최적 조건을 산출할 수 있다.
전원부(512)는 배터리 관리 시스템(510)이 기능을 수행하기 위한 전원을 공급한다. 또한, 전원부(512)는 자체적으로 전원을 공급하는 것 외에도 배터리 관리 시스템(510)에 통합된 전력 수신 장치로부터 무선으로 전력을 수신할 수 있다.
무선 통신부(514)는 전력 수신 장치 및 전력 수신 장치와 무선으로 통신할 수 있다. 예를 들면, 무선 통신부(514)는 전력 수신 장치로부터 출력 전압 및 출력 전류에 관한 데이터를 수신하고, 전력 송신 장치로부터 전력 전송 조건(예를 들면, 전력 전송량, 최대 가용 전송 전력 등)에 관한 데이터 등을 수신할 수 있다.
측정부(516)는 배터리 셀의 상태를 측정할 수 있다. 예를 들면, 측정부(516)는 배터리의 전압, 전류, 온도, SOC 등을 측정하는 센서로서 기능할 수 있다. 또한, 측정부(516)는 배터리의 최대 가용 충전 전류, 실시간 잔존 배터리 용량 및 잔존 배터리 수명 등의 배터리의 상태 데이터를 검출할 수 있다.
MCU부(518)는 측정부(516)에서 측정한 배터리의 상태에 관한 데이터와 전력 송신 장치의 전력 전송 성능에 기초하여 배터리의 충전 최적 조건을 산출할 수 있다. 이 경우, 충전 최적 조건은 무선 충전 효율, 무선 충전 속도, 배터리 수명 중 적어도 하나의 기준에 따라 산출될 수 있다.
또한, MCU부(518)는 산출된 충전 최적 조건에 기초하여 전력 송신 장치의 전력 전송 성능을 제어할 수 있다. 예를 들면, MCU부(518)는 무선 통신부(514)를 통해 전력 송신 장치에 충전 최적 조건에 따른 전력 제어 신호를 전송하여 전력 송신 장치를 제어할 수 있다. 이 때, MCU부(518)는 산출된 충전 최적 조건과 미리 설정된 기준치의 차이값이 임계치 이상일 경우 전력 송신 장치의 듀티와 주파수를 조정하는 신호를 송신할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법의 구체적인 예시를 나타내는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 먼저 배터리의 충전이 시작되면 전력 송신기(Power Transmitting Unit, PTU)와 전력 수신기(Power Receiving Unit, PRU)을 정렬한다(S602). 그리고, 전력 송신기와 전력 수신기 간의 무선 통신이 정상적으로 이루어지는지 여부를 체크한다(S604).
만약, 전력 송신기와 전력 수신기 간의 무선 통신이 정상적으로 이루어지지 않는다면, 단계 S602로 돌아가 전력 송신기와 전력 수신기를 다시 정렬한다. 단계 S604에서 전력 송신기와 전력 수신기 간의 무선 통신이 정상적으로 이루어지는 것이 확인되면, 전력 수신기의 출력 전압과 출력 전류를 측정한다(S606). 이 때, 전력 수신기의 출력 전압과 출력 전류는 배터리 관리 시스템에서 측정할 수 있다.
그리고, 배터리 셀의 입력 전압, 입력 전류 및 온도를 측정한다(S608). 이 때, 배터리 셀의 입력 전압, 입력 전류 및 온도는 배터리 관리 시스템에서 측정할 수 있다. 단계 S610에서는 전력 송신기의 전력 전송 조건(도 6에서는 전송 전력량)을 수신한다. 이 때, 전력 송신기의 전력 전송 조건은 전력 송신기로부터 배터리 관리 시스템으로 무선으로 수신될 수 있다.
단계 S612에서는 배터리의 최대 가용 충전 전류(A), 실시간 잔존 용량(B) 및 잔존 배터리 수명(C)을 산출한다. 이 경우, 배터리 관리 시스템에서 측정한 배터리의 상태 데이터에 기초하여 각 파라미터 값들을 산출할 수 있다.
그리고, 전력 송신기로부터 수신한 전력 전송 조건에 기초하여, 실시간 전력 전송 효율(D) 및 최대 가용 전송 전력(E)을 산출할 수 있다. 이 때, 전력 수신기에서 측정한 출력 전압과 출력 전류를 이용할 수 있다.
단계 S616에서는 단계 S612와 단계 S614에서 산출된 최대 가용 전류(A), 실시간 잔존 용량(B), 잔존 배터리 수명(C), 실시간 전력 전송 효율(D) 및 최대 가용 전송 전력(E)에 기초하여 충전 최적점(O)을 계산한다. 여기서, 충전 최적점 O는 무선 충전 효율, 무선 충전 속도, 배터리 수명 중 적어도 하나의 기준에 따라 달라질 수 있다.
또한, 도 6에 나타낸 바와 같이, 충전 최적점 O는 X1*A+X2*B+X3*C+X4*D+X5*E로 산출될 수 있다. 이 때, X1 내지 X5는 각 변수에 적용되는 가중치이며, 배터리의 상태와 전력 전송 성능에 영향을 미치는 환경에 따라 사용자에 의해 설정될 수 있다.
그리고, 단계 S616에서는 산출된 충전 최적점(O)과 기준치(Ideal O)의 차이값인 최적점 비용 함수(e)를 계산한다. 이 때, 기준치(Ideal O)는 배터리의 충전 환경에 따라 산출된 이론값일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니고 환경에 따라 실험하여 산출된 실험값일 수 있다.
만약, 최적점 비용 함수(e)가 제어 임계값보다 작은 경우(YES), 실시간으로 산출된 충전 최적점(O)이 기준치에 근접한 것으로서 전력 송신기의 전력 전송 조건, 예를 들면, 듀티(Duty)와 주파수를 현상태로 유지한다.
반면, 최적점 비용 함수(e)가 제어 임계값 이상인 경우(NO), 전력 송신기의 전력 전송 조건, 예를 들면, 듀티와 주파수를 변경하고, 다시 단계 S606 내지 S610으로 돌아가서 측정을 수행한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법에 따르면, 배터리의 입출력 전압 및 전류, 전력 수신기의 출력 전압 및 전류, 전력 송신기의 전력 전송량을 측정함으로써, 코일간 거리와 정렬 상태, 공명 주파수, 온도 등의 충전 환경에 따라 변하는 요소들(예를 들면, Coupling, Resonance Quality Factor 등)을 추정하고, 무선 충전 효율, 충전 속도, 배터리 수명의 최적점을 선택하여 제어할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 먼저 전력 송신 장치로부터 전력 수신 장치로 배터리에 공급하기 위한 전력을 무선으로 송신한다(S710). 그리고 배터리 관리 시스템(BMS)에서는 배터리의 상태를 모니터링 한다(S720).
이 경우, 배터리 관리 시스템은 배터리 셀의 전압, 전류, 온도, SOC 등을 측정할 수 있다. 또한, 배터리의 상태에 관한 데이터로서 배터리의 최대 가용 충전 전류, 실시간 잔존 배터리 용량 및 잔존 배터리 수명을 검출할 수 있다.
또한, 단계 S720에서 배터리 관리 시스템은 배터리의 입력 전압 및 입력 전류와 전력 수신 장치의 출력 전압 및 출력 전류를 실시간으로 측정할 수 있다. 이 때, 전력 수신 장치로부터 출력 전압 및 출력 전류를 무선으로 수신할 수 있다.
다음으로, 단계 S730에서 배터리 관리 시스템은 전력 송신 장치로부터 전력 전송 조건에 관한 데이터를 수신할 수 있다. 예를 들면, 전력 전송 조건은 전력 전송량, 실시간 전송 효율, 최대 가용 전송 전력 등을 포함할 수 있다.
그리고, 단계 S720에서 측정한 배터리의 상태에 관한 데이터와 단계 S730에서 전력 송신 장치로부터 수신한 전력 전송 조건에 관한 데이터에 기초하여 배터리의 충전 최적 조건을 산출한다. 이 경우, 충전 최적 조건은 무선 충전 효율, 무선 충전 속도, 배터리 수명 중 적어도 하나의 기준에 따라 산출될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 경우에 따라 다양한 기준이 적용될 수 있을 것이다.
또한, 도 7에는 나타내지 않았으나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법은 단계 S740에서 산출된 배터리의 충전 최적 조건에 기초하여 전력 송신 장치의 전력 전송 조건을 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 산출된 충전 최적 조건과 미리 설정된 기준치의 차이값이 임계치 이상일 경우 전력 송신 장치의 듀티와 주파수를 조정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 배터리 관리 방법에 따르면 무선 충전 수신기를 배터리 관리 시스템에 통합하고, 배터리의 충전 환경에 따라 변하는 요인들에 기초하여 산출된 최적 충전 조건에 따라 무선 충전 송신기의 전력 전송 조건을 제어함으로써, 배터리의 모듈별 상태에 적합하도록 충전을 수행할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 배터리 시스템(800)는 각종 처리 및 각 구성을 제어하는 마이크로컨트롤러(MCU; 810)와, 운영 체제 프로그램 및 각종 프로그램(예로서, 배터리 팩의 이상 진단 프로그램 또는 배터리 팩의 온도 추정 프로그램) 등이 기록되는 메모리(820)와, 배터리 셀 모듈 및/또는 스위칭부(예로써, 반도체 스위칭 소자)와의 사이에서 입력 인터페이스 및 출력 인터페이스를 제공하는 입출력 인터페이스(830)와, 유무선 통신망을 통해 외부(예로써, 상위 제어기)와 통신 가능한 통신 인터페이스(840)를 구비할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 컴퓨터 프로그램은 메모리(820)에 기록되고, 마이크로 컨트롤러(810)에 의해 처리됨으로써 예를 들면 도 2 및 도 3에서 도시한 각 기능 블록들을 수행하는 모듈로서 구현될 수도 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 배터리 팩 2: 상위 제어기
10: 배터리 모듈 12: 센서
14: 스위칭부 20: BMS
200: 배터리 시스템 210: 배터리 관리 시스템
220: 전력 수신 장치 230: 전력 송신 장치
300: 전력 송신 장치 310: 송신 회로
320: 통신부 330: 제어부
502: 공진 코일 504: 정류기 및 필터
506: 셀 모듈 어셈블리 510: 배터리 관리 시스템
512: 전원부 514: 무선 통신부
516: 측정부 518: MCU부
800: 배터리 시스템 810: MCU
820: 메모리 830: 입출력 I/F
840: 통신 I/F

Claims (13)

  1. 배터리의 상태를 모니터링 하는 배터리 관리 시스템; 및
    전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 전력 수신 장치를 포함하고,
    상기 배터리 관리 시스템은 상기 배터리의 최대 가용 충전 전류, 실시간 잔존 배터리 용량 및 잔존 배터리 수명 중 적어도 하나를 포함하는 배터리의 상태에 관한 데이터와 상기 전력 송신 장치의 전력 전송 성능에 기초하여 상기 배터리의 충전 최적 점을 도출하고, 상기 충전 최적 점과 기준치의 차이에 기초하여 상기 전력 송신 장치의 전력 전송 조건을 조정하는 배터리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은 상기 전력 송신 장치와 무선으로 통신하는 배터리 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은 상기 전력 송신 장치로부터 전력 전송 조건에 관한 데이터를 무선으로 수신하는 배터리 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전력 송신 장치의 전력 전송 성능은 실시간 전력 전송 효율 및 최대 가용 전송 전력을 포함하는 배터리 시스템.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템과 상기 전력 수신 장치는 전기적으로 커플링되어 있는 배터리 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은 상기 배터리의 입력 전압 및 입력 전류와 상기 전력 수신 장치의 출력 전압 및 출력 전류를 실시간으로 측정하는 배터리 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은 무선 충전 효율, 무선 충전 속도, 배터리 수명 중 적어도 하나의 기준에 따라 상기 충전 최적 점을 도출하는 배터리 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은 상기 충전 최적 점에 기초하여 상기 전력 송신 장치의 전력 전송 성능을 제어하는 배터리 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은 산출된 상기 충전 최적 점과 상기 기준치의 차이값이 임계치 이상일 경우 상기 전력 송신 장치의 듀티와 주파수를 조정하는 배터리 시스템.
  11. 전력 수신 장치에 무선으로 전력을 송신하는 송신 회로;
    배터리 관리 시스템에 전력 전송량, 실시간 전송 효율 및 최대 가용 전송 전력 중 적어도 하나를 포함하는 전력 전송 조건에 관한 데이터를 무선으로 송신하고, 상기 배터리 관리 시스템에 의해 배터리의 최대 가용 충전 전류, 실시간 잔존 배터리 용량 및 잔존 배터리 수명 중 적어도 하나를 포함하는 배터리의 상태에 관한 데이터와 상기 전력 송신 장치의 전력 전송 성능에 기초하여 도출된 상기 배터리의 충전 최적 점에 따른 전력 제어 신호를 무선으로 수신하는 통신부; 및
    상기 충전 최적 점에 따른 전력 제어 신호에 기초하여 상기 전력 수신 장치로 전송되는 상기 전력 전송 조건을 조정하는 제어부를 포함하는 전력 송신 장치.
  12. 전력 송신 장치로부터 전력 수신 장치로 배터리에 공급하기 위한 전력을 무선으로 송신하는 단계;
    배터리 관리 시스템에 의해 상기 배터리의 상태를 모니터링하는 단계;
    상기 배터리 관리 시스템이 상기 전력 송신 장치로부터 전력 전송량, 실시간 전송 효율 및 최대 가용 전송 전력 중 적어도 하나를 포함하는 전력 전송 조건에 관한 데이터를 수신하는 단계;
    상기 배터리 관리 시스템이 상기 배터리의 최대 가용 충전 전류, 실시간 잔존 배터리 용량 및 잔존 배터리 수명 중 적어도 하나를 포함하는 배터리의 상태에 관한 데이터와 상기 전력 송신 장치로부터 수신한 상기 전력 전송 조건에 관한 데이터에 기초하여 상기 배터리의 충전 최적 점을 산출하는 단계; 및
    상기 충전 최적 점과 기준치의 차이에 기초하여 상기 전력 송신 장치의 전력 전송 조건을 조정하는 단계;를 포함하는 배터리 관리 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 배터리의 충전 최적 점에 기초하여 상기 전력 송신 장치의 전력 전송 조건을 조정하는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 방법.

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