JP2022516947A - 並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置及び方法に関する。本発明によれば、第１バッテリーパック～第ｎバッテリーパックのパック電圧のバラツキが第１臨界値を超えれば、全体セル電圧のうち、予め設定された基準によって設定されたパックバランシングターゲット電圧よりも電圧が高いバッテリーセルを放電させることで、パックバランシング動作をそれぞれのバッテリーパック単位で行う。また、パック電圧のバラツキが第１臨界値以下になれば、セル電圧のバラツキが第２臨界値を超えるバッテリーパックに含まれたセルの電圧のうち、予め設定された基準によって設定されたセルバランシングターゲット電圧よりも電圧が高いバッテリーセルを放電させることで、セルバランシング動作をそれぞれのバッテリーパック単位で行う。

Description

本発明は、バッテリーパックのバランシング装置及び方法に関し、より詳しくは、並列で接続された複数のバッテリーパックに対するバランシング装置及び方法に関する。
本出願は、２０１９年１０月２２日出願の韓国特許出願第１０－２０１９－０１３１６９４号及び２０２０年１０月２１日出願の韓国特許出願第１０－２０２０－０１３６９８４号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
バッテリーは、携帯電話、ラップトップパソコン、スマートフォン、スマートパッドなどのモバイルデバイスだけでなく、電気で駆動される自動車（ＥＶ、ＨＥＶ、ＰＨＥＶ）や大容量電力貯蔵装置（ＥＳＳ）などの分野にまでその用途が急速に広がっている。
電気自動車に搭載されるバッテリーシステムは、高いエネルギー容量を確保するため、並列で接続された複数のバッテリーパックを含み、それぞれのバッテリーパックは直列で接続された複数のバッテリーセルを含む。
本明細書において、バッテリーセルは一つの単位セルまたは並列で接続された複数の単位セルを含み得る。単位セルとは、負極端子及び正極端子を備え、物理的に分離可能な一つの独立したセルを意味する。一例として、一つのパウチ型リチウムポリマーセルを単位セルとして見なし得る。
バッテリーパックに含まれた複数のバッテリーセルは電気化学的特性が同一ではない。また、充放電サイクル数が増加すると、バッテリーセル毎に退化速度がそれぞれ変わるため、バッテリーセル同士の性能のバラツキはより大きくなる。
通常、バッテリーセルの退化の程度が大きいほど、電圧の変化速度が相対的に速い。したがって、複数のバッテリーセルが充電または放電する間に、バッテリーセルの電圧にはバラツキが生じる。
バッテリーシステムが充電または放電するとき、バッテリーセル同士の間に電圧のバラツキが発生すれば、バッテリーパック同士の間にもパック電圧のバラツキが発生する。これは、それぞれのバッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧が同一ではないためである。ここで、パック電圧は、バッテリーパック内に含まれた直列で接続されたバッテリーセルの電圧を合算した値に該当する。
バッテリーパック同士の間にパック電圧のバラツキが生じれば、バッテリーシステムの充電または放電が始まるとき、バッテリーパックの間で短い時間にわたって突入電流（ｉｎｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ）が流れる。
突入電流は、電圧の高いバッテリーパックから電圧の低いバッテリーパックに流れる。突入電流は、バッテリーシステムが取り付けられた負荷装置に含まれている電装部品、例えばリレースイッチなどを損傷させ、突入電流が流れるバッテリーパックに含まれたバッテリーセルを損傷させる。
従来のバランシング戦略は、直列で接続されたバッテリーセル同士の電圧のバラツキを除去することに焦点を置いている。しかし、並列で接続されたバッテリーパックを含むバッテリーシステムでは、バッテリーパックに含まれたバッテリーセルのみをバランシングすると、パック電圧のバラツキが増加しながら突入電流の問題がさらに深刻になる。
したがって、並列で接続されたバッテリーパックに対しては、バッテリーパックに含まれたバッテリーセルに対するバランシングだけでなく、適切な時点でバッテリーパック同士のバランシングも一緒に行うことで、突入電流から引き起こされ得る問題を効果的に防止する必要がある。
本発明は、上記のような従来技術の背景下で創案されたものであり、並列で接続されたバッテリーパックを含むバッテリーシステムにおいて、バッテリーパック同士またはそれぞれのバッテリーパックに含まれたバッテリーセル同士の電圧バランシングを効果的に行うことができる、並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置及び方法を提供することを目的とする。
上記の技術的課題を達成するため、本発明による並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置は、パックバランシングとセルバランシングとを相互補完的に実行可能な装置であって、相互並列で接続され、直列で接続された複数のバッテリーセルを含む第１バッテリーパック～第ｎバッテリーパックと、各バッテリーパックに含まれた複数のバッテリーセルの電圧を測定する電圧測定ユニットと、複数のバッテリーセルと相互対応するように並列で接続された複数の放電回路と、電圧測定ユニット及び複数の放電回路と動作可能に接続された制御ユニットと、を含む。
望ましくは、制御ユニットは、一定の時間間隔を置いて電圧測定ユニットを通じて各バッテリーパックに含まれた全てのバッテリーセルの電圧を測定し、測定されたバッテリーセルの電圧からそれぞれのバッテリーパックのパック電圧を決定し、パック電圧のバラツキ及びそれぞれのバッテリーパックのセル電圧のバラツキを決定し、パック電圧のバラツキが第１臨界値を超えれば、第１バッテリーパック～第ｎバッテリーパックに含まれた全体セルの電圧のうち、予め設定された基準に対応するセル電圧をパックバランシングターゲット電圧として決定し、各バッテリーパックに含まれたバッテリーセルのうち、パックバランシングターゲット電圧よりも電圧が高いバッテリーセルを識別し、識別されたバッテリーセルと接続された放電回路を動作させてパック電圧のバラツキを第１臨界値以下に減少させ、パック電圧のバラツキが第１臨界値以下になれば、セル電圧のバラツキが第２臨界値を超えるバッテリーパックを識別し、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧のうち、予め設定された基準に対応するセル電圧を識別されたバッテリーパックに対するセルバランシングターゲット電圧として決定し、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルのうち、セルバランシングターゲット電圧よりも電圧が高いバッテリーセルと接続された放電回路を動作させてセル電圧のバラツキを第２臨界値以下に減少させるように構成され得る。
一態様によれば、それぞれの放電回路は、スイッチ及び抵抗を含み得る。
他の態様によれば、制御ユニットは、パック電圧のバラツキが第１臨界値以下であって、それぞれのバッテリーパックのセル電圧のバラツキが第２臨界値以下であれば、パックバランシングとセルバランシングを中断するように構成され得る。
さらに他の態様によれば、制御ユニットは、並列で接続されたバッテリーパックの充放電サイクル数が増加するにつれて第１臨界値及び第２臨界値を減少させるように構成され得る。
さらに他の態様によれば、本発明によるバランシング装置は、各バッテリーパックに流れ込む突入電流を測定する電流測定ユニットをさらに含み、制御ユニットは、電流測定ユニットを用いて各バッテリーパックに流れ込む突入電流を測定して突入電流の最大値を決定し、突入電流の最大値のレベルに応じて第１臨界値及び第２臨界値を減少させるように構成され得る。
望ましくは、制御ユニットは、パック電圧のバラツキが第１臨界値を超えれば、第１バッテリーパック～第ｎバッテリーパックに含まれた全体セルの電圧のうち最も低いセル電圧、または、全体セルの電圧の平均電圧をパックバランシングターゲット電圧として決定するように構成され得る。
望ましくは、制御ユニットは、パック電圧のバラツキが第１臨界値以下になれば、セル電圧のバラツキが第２臨界値を超えるバッテリーパックを識別し、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧のうち最も低いセル電圧、または、平均セル電圧を識別されたバッテリーパックに対するセルバランシングターゲット電圧として決定するように構成され得る。
上記の技術的課題は、上述した並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置を含む、バッテリー管理システムまたは電気駆動装置によって達成され得る。
上記の技術的課題を達成するため、本発明による並列で接続されたバッテリーパックのバランシング方法は、（ａ）一定の時間間隔を置いて電圧測定ユニットを通じて複数のバッテリーパックに含まれた全てのバッテリーセルの電圧を測定する段階と、（ｂ）測定されたバッテリーセルの電圧からそれぞれのバッテリーパックのパック電圧を決定する段階と、（ｃ）パック電圧のバラツキ及びそれぞれのバッテリーパックのセル電圧のバラツキを決定する段階と、（ｄ）パック電圧のバラツキが第１臨界値を超えれば、複数のバッテリーパックに含まれた全体セルの電圧のうち、予め設定された基準に対応するセル電圧をパックバランシングターゲット電圧として決定し、各バッテリーパックに含まれたバッテリーセルのうち、パックバランシングターゲット電圧よりも電圧が高いバッテリーセルを識別し、識別されたバッテリーセルと接続された放電回路を動作させてパック電圧のバラツキを第１臨界値以下に減少させる段階と、（ｅ）パック電圧のバラツキが第１臨界値以下であれば、セル電圧のバラツキが第２臨界値を超えるバッテリーパックを識別し、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧のうち、予め設定された基準に対応するセル電圧を識別されたバッテリーパックに対するセルバランシングターゲット電圧として決定し、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルのうち、セルバランシングターゲット電圧よりも電圧が高いバッテリーセルと接続された放電回路を動作させてセル電圧のバラツキを第１臨界値以下に減少させる段階と、を含む。
一態様によれば、本発明によるバランシング方法は、パック電圧のバラツキが第１臨界値以下であって、それぞれのバッテリーパックのセル電圧のバラツキが第２臨界値以下であれば、パックバランシング及びセルバランシングの動作を中断する段階をさらに含み得る。
他の態様によれば、本発明によるバランシング方法は、並列で接続されたバッテリーパックの充放電サイクル数が増加するにつれて第１臨界値及び第２臨界値を減少させる段階をさらに含み得る。
さらに他の態様によれば、本発明によるバランシング方法は、電流測定ユニットを用いて各バッテリーパックに流れ込む突入電流を測定する段階と、突入電流の最大値を決定し、突入電流の最大値のレベルに応じて第１臨界値及び第２臨界値を減少させる段階と、をさらに含み得る。
望ましくは、（ｄ）段階において、パック電圧のバラツキが第１臨界値を超えれば、第１バッテリーパック～第ｎバッテリーパックに含まれた全体セルの電圧のうち最も低いセル電圧、または、全体セルの電圧の平均電圧をパックバランシングターゲット電圧として決定し得る。
望ましくは、（ｅ）段階において、パック電圧のバラツキが第１臨界値以下になれば、セル電圧のバラツキが第２臨界値を超えるバッテリーパックを識別し、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧のうち最も低いセル電圧、または、平均セル電圧を識別されたバッテリーパックに対するセルバランシングターゲット電圧として決定し得る。
本発明の一態様によれば、並列で接続されたバッテリーパックを含むバッテリーシステムにおいて、パック同士の電圧差を低減させることで、突入電流による電装部品（例えば、リレースイッチ）の損傷やバッテリーセルの損傷を防止することができる。
本発明の他の態様によれば、バッテリーパック同士のパックバランシングとバッテリーパック内部のセルバランシングとを相互補完的に行うことで、パック電圧のバラツキを最小限に維持することができる。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施形態を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするものであるため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
本発明の一実施形態による並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置の構成を示したブロック図である。 本発明の一実施形態による並列で接続されたバッテリーパックのバランシング方法を示したフロー図である。 本発明の一実施形態によるバランシング方法を適用したとき、パックバランシングとセルバランシングとが相互補完的に行われる過程を具体的に示した実施例である。 本発明の一実施形態によるバランシング方法を適用したとき、パックバランシングとセルバランシングとが相互補完的に行われる過程を具体的に示した実施例である。 本発明の一実施形態によるバランシング方法を適用したとき、パックバランシングとセルバランシングとが相互補完的に行われる過程を具体的に示した実施例である。 本発明の一実施形態によるバランシング方法を適用したとき、パックバランシングとセルバランシングとが相互補完的に行われる過程を具体的に示した実施例である。 本発明の一実施形態によるバランシング装置を含むバッテリーシステムを示したブロック図である。 本発明の一実施形態によるバランシング装置を含む電気駆動装置を示したブロック図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施形態及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
後述する実施形態において、バッテリーセルとはリチウム二次電池を意味する。ここで、リチウム二次電池は、充電及び放電中にリチウムイオンが作動イオンとして作用し、正極及び負極で電気化学的反応を引き起こす二次電池を総称する。
一方、リチウム二次電池に使われた電解質や分離膜の種類、二次電池の包装に使われた包装材の種類、リチウム二次電池の内部または外部の構造などによって二次電池の名称が変わっても、リチウムイオンが作動イオンとして使われる二次電池であれば、すべてリチウム二次電池の範疇に含まれると解釈しなければならない。
本発明は、リチウム二次電池の外の他の二次電池にも適用可能である。したがって、作動イオンがリチウムイオンではなくても本発明の技術的思想が適用可能な二次電池であれば、その種類に関係なく本発明の範疇に含まれると解釈しなければならない。
また、バッテリーセルは、一つの単位セルまたは並列で接続された複数の単位セルであり得る。
図１は、本発明の一実施形態による並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置の構成を示したブロック図である。
図１を参照すると、本発明の一実施形態によるバランシング装置１０は、並列で接続された第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに接続され、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに対するパックバランシングとセルバランシングとを相互補完的に実行可能な装置である。
第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎは、それぞれ、内部に直列で接続された複数のバッテリーセルを含む。すなわち、第１バッテリーパックＰ１は、直列で接続された第１バッテリーセルＣ１１～第ｐバッテリーセルＣ１ｐを含む。また、第２バッテリーパックＰ２は、直列で接続された第１バッテリーセルＣ２１～第ｐバッテリーセルＣ２ｐを含む。また、第ｎバッテリーパックＰｎは、直列で接続された第１バッテリーセルＣｎ１～第ｐバッテリーセルＣｎｐを含む。図示されていない第３バッテリーパック～第ｎ－１バッテリーパックも、図示されたバッテリーパックと同様に直列で接続されたｐ個のバッテリーセルを含んでいる。
本発明において、パックバランシングとは、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎ同士間の電圧のバラツキが第１臨界値を超えたときに実行されるバランシングを称する。また、セルバランシングとは、バッテリーパック内に含まれたバッテリーセル同士間の電圧のバラツキが第２臨界値を超えたときに実行されるバランシングを称する。一例において、バランシングとは、放電を通じてバッテリーセルに保存されたエネルギーを消耗することを意味する。
本発明によるバランシング装置１０は、各バッテリーパックに含まれた複数のバッテリーセルの電圧を測定する電圧測定ユニット２０を含む。電圧測定ユニット２０は、バッテリーパックの内部に設けられ、各バッテリーセルの電圧を測定する複数の電圧測定回路を含む。すなわち、第１バッテリーパックＰ１は第１電圧測定回路Ｖ１１～第ｐ電圧測定回路Ｖ１ｐを含む。また、第２バッテリーパックＰ２は第１電圧測定回路Ｖ２１～第ｐ電圧測定回路Ｖ２ｐを含む。また、第ｎバッテリーパックＰｎは第１電圧測定回路Ｖｎ１～第ｐ電圧測定回路Ｖｎｐを含む。図示されていない第３バッテリーパック～第ｎ－１バッテリーパックも、図示されたバッテリーパックと同様にｐ個の電圧測定回路を含んでいる。
第１バッテリーパックＰ１に含まれた第１電圧測定回路Ｖ１１～第ｐ電圧測定回路Ｖ１ｐは、電気的信号を送受信できるように、制御ユニット４０と電気的に接続される。また、第１電圧測定回路Ｖ１１～第ｐ電圧測定回路Ｖ１ｐは、制御ユニット４０の統制の下、時間間隔を置いて第１バッテリーセル～第ｐバッテリーセル（Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、…、Ｃ１ｐ）の正極と負極との間に印加される電圧を測定し、測定された電圧の大きさを示す信号を制御ユニット４０に出力する。制御ユニット４０は、第１電圧測定回路Ｖ１１～第ｐ電圧測定回路Ｖ１ｐから出力される信号から各バッテリーセル（Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、…、Ｃ１ｐ）の電圧を決定し、決定された電圧値を保存ユニット５０に保存する。
同様に、第２バッテリーパックＰ２に含まれた第１電圧測定回路Ｖ２１～第ｐ電圧測定回路Ｖ２ｐは、電気的信号を送受信できるように、制御ユニット４０と電気的に接続される。また、第１電圧測定回路Ｖ２１～第ｐ電圧測定回路Ｖ２ｐは、制御ユニット４０の統制の下、時間間隔を置いて第１バッテリーセル～第ｐバッテリーセル（Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３、…、Ｃ２ｐ）の正極と負極との間に印加される電圧を測定し、測定された電圧の大きさを示す信号を制御ユニット４０に出力する。制御ユニット４０は、第１電圧測定回路Ｖ２１～第ｐ電圧測定回路Ｖ２ｐから出力される信号から各バッテリーセル（Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３、…、Ｃ２ｐ）の電圧を決定し、決定された電圧値を保存ユニット５０に保存する。
同様に、第ｎバッテリーパックＰｎに含まれた第１電圧測定回路Ｖｎ１～第ｐ電圧測定回路Ｖｎｐは、電気的信号を送受信できるように、制御ユニット４０と電気的に接続される。また、第１電圧測定回路Ｖｎ１～第ｐ電圧測定回路Ｖｎｐは、制御ユニット４０の統制の下、時間間隔を置いて第１バッテリーセル～第ｐバッテリーセル（Ｃｎ１、Ｃｎ２、Ｃｎ３、…、Ｃｎｐ）の正極と負極との間に印加される電圧を測定し、測定された電圧の大きさを示す信号を制御ユニット４０に出力する。制御ユニット４０は、第１電圧測定回路Ｖｎ１～第ｐ電圧測定回路Ｖｎｐから出力される信号から各バッテリーセル（Ｃｎ１、Ｃｎ２、Ｃｎ３、…、Ｃｎｐ）の電圧を決定し、決定された電圧値を保存ユニット５０に保存する。
電圧測定ユニット２０を構成するそれぞれの電圧測定回路は、当業界で一般に用いられる電圧測定回路、例えば差動増幅器（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を含む。電圧測定回路の構成は当業者に自明であるため、詳しい説明は省略する。
保存ユニット５０は、情報を記録し消去可能な保存媒体であればその種類に特に制限がない。一例として、保存ユニット５０はＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、レジスタまたはフラッシュ（登録商標）メモリであり得る。また、保存ユニット５０は、制御ユニット４０によってアクセスできるように、例えばデータバスなどを介して制御ユニット４０と電気的に接続され得る。
また、保存ユニット５０は、制御ユニット４０が実行する各種の制御ロジックを含むプログラム及び／または制御ロジックの実行時に発生するデータを、保存及び／または更新及び／または消去及び／または伝送する。保存ユニット５０は、論理的に二つ以上に分割可能であり、制御ユニット４０内に含まれることを制限しない。
本発明によるバランシング装置１０は、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎ内に設けられたバランシングユニット３０を含む。バランシングユニット３０は、バッテリーパックの内部に設けられ、相互補完的に実行されるパックバランシングまたはセルバランシングの過程で各バッテリーセルを放電可能な複数の放電回路を含む。すなわち、第１バッテリーパックＰ１は第１放電回路Ｂ１１～第ｐ放電回路Ｂ１ｐを含む。また、第２バッテリーパックＰ２は第１放電回路Ｂ２１～第ｐ放電回路Ｂ２ｐを含む。また、第ｎバッテリーパックＰｎは第１放電回路Ｂｎ１～第ｐ放電回路Ｂｎｐを含む。図示されていない第３バッテリーパック～第ｎ－１バッテリーパックも、図示されたバッテリーパックと同様にｐ個の放電回路を含んでいる。
第１バッテリーパックＰ１に含まれた第１放電回路Ｂ１１～第ｐ放電回路Ｂ１ｐは、電気的信号を送受信できるように、制御ユニット４０と電気的に接続される。また、第１放電回路Ｂ１１～第ｐ放電回路Ｂ１ｐは、それぞれ、制御ユニット４０の統制の下、自らと接続されたバッテリーセルを放電させる。そのため、第１放電回路Ｂ１１～第ｐ放電回路Ｂ１ｐのそれぞれは抵抗ＲとスイッチＳを含む。制御ユニット４０は、スイッチＳにターンオン信号またはターンオフ信号を印加する。スイッチＳにターンオン信号が印加されれば放電回路が動作を開始し、スイッチＳにターンオフ信号が印加されれば放電回路が動作を中断する。
同様に、第２バッテリーパックＰ２に含まれた第１放電回路Ｂ２１～第ｐ放電回路Ｂ２ｐは、電気的信号を送受信できるように、制御ユニット４０と電気的に接続される。また、第１放電回路Ｂ２１～第ｐ放電回路Ｂ２ｐは、それぞれ、制御ユニット４０の統制の下、自らと接続されたバッテリーセルを放電させる。そのため、第１放電回路Ｂ２１～第ｐ放電回路Ｂ２ｐのそれぞれは抵抗ＲとスイッチＳを含む。制御ユニット４０は、スイッチＳにターンオン信号またはターンオフ信号を印加する。スイッチＳにターンオン信号が印加されれば放電回路が動作を開始し、スイッチＳにターンオフ信号が印加されれば放電回路が動作を中断する。
同様に、第ｎバッテリーパックＰｎに含まれた第１放電回路Ｂｎ１～第ｐ放電回路Ｂｎｐは、電気的信号を送受信できるように、制御ユニット４０と電気的に接続される。また、第１放電回路Ｂｎ１～第ｐ放電回路Ｂｎｐは、それぞれ、制御ユニット４０の統制の下、自らと接続されたバッテリーセルを放電させる。そのため、第１放電回路Ｂｎ１～第ｐ放電回路Ｂｎｐのそれぞれは抵抗ＲとスイッチＳを含む。制御ユニット４０は、スイッチＳにターンオン信号またはターンオフ信号を印加する。スイッチＳにターンオン信号が印加されれば放電回路が動作を開始し、スイッチＳにターンオフ信号が印加されれば放電回路が動作を中断する。
一態様によれば、本発明によるバランシング装置１０は、制御ユニット４０を含む。制御ユニット４０は、一定の時間間隔を置いて第１バッテリーパックＰ１の第１電圧測定回路Ｖ１１～第ｐ電圧測定回路Ｖ１ｐ、第２バッテリーパックＰ２の第１電圧測定回路Ｖ２１～第ｐ電圧測定回路Ｖ２ｐ、及び第ｎバッテリーパックＰｎの第１電圧測定回路Ｖｎ１～第ｐ電圧測定回路Ｖｎｐを制御して各電圧測定回路からバッテリーセルの電圧測定信号を受信し、全てのバッテリーセルの電圧値を保存ユニット５０に記録する。このような制御ユニット４０の動作は、第３バッテリーパック～第ｎ－１バッテリーパックにおいても同様に適用され得る。
また、制御ユニット４０は、測定されたバッテリーセルの電圧から第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎのパック電圧を決定して保存ユニット５０に記録する。すなわち、制御ユニット４０は、第１バッテリーパックＰ１に含まれた第１バッテリーセルＣ１１～第ｐバッテリーセルＣ１ｐの電圧値を合算して第１バッテリーパックＰ１のパック電圧を決定し、保存ユニット５０に記録する。また、制御ユニット４０は、第２バッテリーパックＰ２に含まれた第１バッテリーセルＣ２１～第ｐバッテリーセルＣ２ｐの電圧値を合算して第２バッテリーパックＰ２のパック電圧を決定し、保存ユニット５０に記録する。また、制御ユニット４０は、第ｎバッテリーパックＰｎに含まれた第１バッテリーセルＣｎ１～第ｐバッテリーセルＣｎｐの電圧値を合算して第ｎバッテリーパックＰｎのパック電圧を決定し、保存ユニット５０に記録する。このような制御ユニット４０の動作は、第３バッテリーパック～第ｎ－１バッテリーパックにおいても同様に適用され得る。
また、制御ユニット４０は、保存ユニット５０に記録されたバッテリーセルの電圧情報を用いてパック電圧のバラツキ及び第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎのセル電圧のバラツキを決定して保存ユニット５０に記録する。すなわち、制御ユニット４０は、保存ユニット５０に記録された第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎのパック電圧のうち、最大値と最小値との差をパック電圧のバラツキとして決定して保存ユニット５０に記録する。また、制御ユニット４０は、保存ユニット５０に記録された第１バッテリーセルＣ１１～第ｐバッテリーセルＣ１ｐの電圧のうち、最大値と最小値との差を第１バッテリーパックＰ１のセル電圧のバラツキとして決定して保存ユニット５０に記録する。また、制御ユニット４０は保存ユニット５０に記録された第１バッテリーセルＣ２１～第ｐバッテリーセルＣ２ｐの電圧のうち、最大値と最小値との差を第２バッテリーパックＰ２のセル電圧のバラツキとして決定して保存ユニット５０に記録する。また、制御ユニット４０は、保存ユニット５０に記録された第１バッテリーセルＣｎ１～第ｐバッテリーセルＣｎｐの電圧のうち、最大値と最小値との差を第ｎバッテリーパックＰｎのセル電圧のバラツキとして決定して保存ユニット５０に記録する。このような制御ユニット４０の動作は、第３バッテリーパック～第ｎ－１バッテリーパックにおいても同様に適用され得る。
また、制御ユニット４０は、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎのパック電圧のバラツキが第１臨界値を超えれば、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに含まれた全体セルの電圧のうち、予め設定された基準に対応するセル電圧をパックバランシングターゲット電圧として決定する。
非制限的な例として、予め設定された基準に対応するセル電圧は、全体セルの電圧のうち最も低いセル電圧、または、全体セルの電圧の平均電圧であり得る。第１臨界値は、本発明の目的を達成できるように最適化された値で設定されて保存ユニット５０に予め記録される。一例において、第１臨界値は１．２Ｖ～１．５Ｖの値を有し得るが、本発明がこれに限定されることはない。また、制御ユニット４０は、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに含まれたバッテリーセルのうち、パックバランシングターゲット電圧よりも電圧が高いバッテリーセルを識別し、識別されたバッテリーセルと接続された放電回路に含まれたスイッチＳにターンオン信号を印加して該当放電回路を動作させることで、パックバランシング動作を開始する。
また、制御ユニット４０は、パックバランシング動作が開始された後は、上述したように、時間間隔を置いて第１バッテリーパックＰ１の第１電圧測定回路Ｖ１１～第ｐ電圧測定回路Ｖ１ｐを用いて第１バッテリーセル～第ｐバッテリーセル（Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、…、Ｃ１ｐ）の正極と負極との間に印加される電圧を測定して保存ユニット５０に記録する。このような制御ユニット４０の電圧測定及び保存動作は、第２バッテリーパックＰ２～第ｎバッテリーパックＰｎにおいても同様に適用される。
また、制御ユニット４０は、パックバランシングが行われている間、バッテリーセルの電圧が測定される度に、保存ユニット５０に記録されたバッテリーセルの電圧情報に基づいて第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに対するパック電圧を決定し、パック電圧情報に基づいてパック電圧のバラツキを決定し、パック電圧のバラツキの大きさをモニタリングする。
また、制御ユニット４０は、モニタリング中のパック電圧のバラツキが第１臨界値以下になれば、パックバランシングを中断するため、ターンオン信号が印加された放電回路を識別し、識別された放電回路に含まれたスイッチにターンオフ信号を印加して識別された放電回路の動作を中止させる。これによって、パックバランシングモードが中断される。
また、制御ユニット４０は、パックバランシングモードが中断された後、上述したように、再度時間間隔を置いて第１バッテリーパックＰ１の第１電圧測定回路Ｖ１１～第ｐ電圧測定回路Ｖ１ｐを用いて第１バッテリーセル～第ｐバッテリーセル（Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、…、Ｃ１ｐ）の正極と負極との間に印加される電圧を測定して保存ユニット５０に記録する。このような制御ユニット４０の動作は、第２バッテリーパックＰ２～第ｎバッテリーパックＰｎにおいても同様に適用される。
また、制御ユニット４０は、保存ユニット５０に記録された第１バッテリーセルＣ１１～第ｐバッテリーセルＣ１ｐの電圧のうち、最大値と最小値との差を第１バッテリーパックＰ１のセル電圧のバラツキとして決定して保存ユニット５０に記録する。また、制御ユニット４０は、保存ユニット５０に記録された第１バッテリーセルＣ２１～第ｐバッテリーセルＣ２ｐの電圧のうち、最大値と最小値との差を第２バッテリーパックＰ２のセル電圧のバラツキとして決定して保存ユニット５０に記録する。また、制御ユニット４０は、保存ユニット５０に記録された第１バッテリーセルＣｎ１～第ｐバッテリーセルＣｎｐの電圧のうち、最大値と最小値との差を第ｎバッテリーパックＰｎのセル電圧のバラツキとして決定して保存ユニット５０に記録する。このような制御ユニット４０の動作は、第３バッテリーパック～第ｎ－１バッテリーパックにおいても同様に適用され得る。
また、制御ユニット４０は、保存ユニット５０に記録された第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎのセル電圧のバラツキを参照してセル電圧のバラツキが第２臨界値を超えるバッテリーパックを識別する。識別されたバッテリーパックの数は一つまたは複数であり得、第２臨界値は最適化された値で設定されて保存ユニット５０に予め記録される。第２臨界値は、第１臨界値よりは小さく、一例として０．１Ｖ～０．５Ｖの値を有し得るが、本発明がこれに限定されることはない。
また、制御ユニット４０は、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧のうち、予め設定された基準に対応するセル電圧を識別されたバッテリーパックに対するセルバランシングターゲット電圧として決定し、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルのうち、セルバランシングターゲット電圧よりも電圧が高いバッテリーセルと接続された放電回路を動作させることで、セルバランシング動作を開始する。このような制御ユニット４０の動作は、セル電圧のバラツキが第２臨界値を超えると識別されたバッテリーパック毎に独立的に適用されることが望ましい。非制限的な例として、予め設定された基準に対応するセル電圧は、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧のうち最も低いセル電圧、または、平均セル電圧であり得る。
また、制御ユニット４０は、セルバランシング動作が開始された後は、上述したように、時間間隔を置いて第１バッテリーパックＰ１の第１電圧測定回路Ｖ１１～第ｐ電圧測定回路Ｖ１ｐを用いて第１バッテリーセル～第ｐバッテリーセル（Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、…、Ｃ１ｐ）の正極と負極との間に印加される電圧を測定して保存ユニット５０に記録する。このような制御ユニット４０の電圧測定及び保存動作は、第２バッテリーパックＰ２～第ｎバッテリーパックＰｎにおいても同様に適用される。
また、制御ユニット４０は、セルバランシングが行われている間、バッテリーセルの電圧が測定される度に、保存ユニット５０に記録されたバッテリーセルの電圧情報に基づいてセルバランシングが行われている該当バッテリーパックに対するセル電圧のバラツキを決定し、その大きさをモニタリングする。
また、制御ユニット４０は、モニタリング中のセル電圧のバラツキが第２臨界値以下になれば、該当条件が満たされるバッテリーパックを識別し、セルバランシングを中断するため、識別されたバッテリーパックに含まれた放電回路のうちターンオン信号が印加された放電回路を識別し、識別された放電回路に含まれたスイッチにターンオフ信号を印加して識別された放電回路の動作を中止させる。これによって、セル電圧のバラツキが第２臨界値以下に低下したバッテリーパックに対するセルバランシングモードが中断される。勿論、制御ユニット４０は、セル電圧のバラツキが第２臨界値を超えるバッテリーパックに対してはセルバランシングモードを維持する。また、制御ユニット４０は、セル電圧のバラツキのモニタリング及びその結果に基づいたセルバランシングモードの維持または中断を、セル電圧のバラツキが第２臨界値を超えるバッテリーパックが識別される間繰り返し得る。
制御ユニット４０は、上記のようなパックバランシングとセルバランシングとを相互補完的に実行することで、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎ同士間のパック電圧のバラツキを第１臨界値以下に維持することができると同時に、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎそれぞれの内部のセル電圧のバラツキを第２臨界値以下に維持することができる。
制御ユニット４０は、パックバランシング及びセルバランシングを含むバランシングモードを周期的に行うことができる。また、制御ユニット４０は、バランシングモードの実行中には、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎを含むバッテリーシステムの充電または放電を中断することができる。また、制御ユニット４０は、バッテリーシステムの充電または放電が行われる間に、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに含まれた全てのバッテリーセルの電圧を周期的に測定しながら、パックバランシングの開始条件が満たされる度に、バッテリーシステムの充電または放電を中断してパックバランシングとセルバランシングを行うことができる。また、制御ユニット４０は、パックバランシングとセルバランシングの終了条件が満たされれば、再びバッテリーシステムの充電または放電を開始することができる。また、制御ユニット４０は、バッテリーシステムが無負荷状態であるとき、無負荷状態が所定時間経過した後に、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに含まれた全てのバッテリーセルの電圧を測定してパックバランシングの開始条件が満たされれば、パックバランシングとセルバランシングを行うことができる。
勿論、制御ユニット４０は、パック電圧のバラツキが第１臨界値以下であって、それぞれのバッテリーパックのセル電圧のバラツキが第２臨界値以下であれば、パックバランシングとセルバランシングを中断する。
他の態様によれば、制御ユニット４０は、並列で接続された第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎを含むバッテリーシステムの充放電サイクル数をカウントして保存ユニット５０に記録し、充放電サイクル数が増加するにつれて第１臨界値及び第２臨界値を減少させるように構成され得る。充放電サイクル数が増加すれば、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎの劣化が進んでパック同士の性能差が大きくなるため、第１臨界値及び第２臨界値を減少させることでパックバランシングまたはセルバランシングの開始条件を緩和させることが望ましい。
充放電サイクル数とは、バッテリーシステムが予め設定された充電状態以上に充電されてから、予め設定された充電状態以下に放電する回数の累積値を意味する。制御ユニット４０は、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎのパック電圧をモニタリングし、バッテリーシステムの充電または放電中に充放電サイクル数を累積計算して保存ユニット５０に記録することができる。
さらに他の態様によれば、本発明によるバランシング装置１０は、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに流れ込む突入電流の大きさを測定する電流測定ユニット６０をさらに含むことができる。電流測定ユニット６０は、第１バッテリーパックＰ１に流れ込む突入電流の大きさを測定するように第１バッテリーパックＰ１の高電位側に設けられた第１電流測定回路Ｉ１、第２バッテリーパックＰ２に流れ込む突入電流の大きさを測定するように第２バッテリーパックＰ２の高電位側に設けられた第２電流測定回路Ｉ２、及び第ｎバッテリーパックＰｎに流れ込む突入電流の大きさを測定するように第ｎバッテリーパックＰｎの高電位側に設けられた第ｎ電流測定回路Ｉｎを含む。また、図示されていないが、第３バッテリーパック～第ｎ－１バッテリーパックの高電位側にも突入電流を測定するように電流測定回路が設けられることは自明である。
このような場合、制御ユニット４０は、電流測定ユニット６０を用いて第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに流れ込む突入電流の大きさを測定して保存ユニット５０に記録し、突入電流の最大値を決定し、突入電流の最大値のレベルに応じて第１臨界値及び第２臨界値を減少させるように構成され得る。
突入電流はバッテリーパックの劣化とともに増加するため、突入電流による第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎの損傷を防止するためには、第１臨界値及び第２臨界値を減少させてパックバランシングまたはセルバランシングの開始条件を緩和させることが望ましい。そのため、保存ユニット５０には突入電流の最大値に応じて第１臨界値及び第２臨界値を参照可能なルックアップテーブルが予め保存され得、制御ユニット４０は、ルックアップテーブルを参照して突入電流の最大値に応じて第１臨界値及び第２臨界値を調節することができる。
本発明において、第１電流測定回路Ｉ１～第ｎ電流測定回路Ｉｎは、電流の大きさに対応する電圧信号を出力するホールセンサであり得る。代案的に、第１電流測定回路Ｉ１～第ｎ電流測定回路Ｉｎは、センス抵抗及びセンス抵抗の両端に印加される電圧に該当する信号を出力するセンス抵抗回路であり得る。センス抵抗の両端に印加される電圧は、オームの法則に従って電流の大きさに変換可能である。電流を測定する回路は、当業界に周知されているため、これ以上の詳しい説明は省略する。
本発明において、制御ユニット４０は、上述した多様な制御ロジックを実行するため、当業界に知られたプロセッサ、ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）、他のチップセット、論理回路、レジスタ、通信モデム、データ処理装置などを選択的に含み得る。また、制御ロジックがソフトウェアとして具現されるとき、制御ユニット４０はプログラムモジュールの集合として具現され得る。このとき、プログラムモジュールはメモリに保存されてプロセッサによって実行され得る。メモリは、プロセッサの内部または外部に備えられ得、周知の多様なコンピュータ部品を通じてプロセッサと接続され得る。また、メモリは、本発明の保存ユニット５０に含まれ得る。また、メモリは、デバイスの種類に関係なく、情報が保存されるデバイスを総称するものであって、特定のメモリデバイスを称するものではない。
また、制御ユニット４０の多様な制御ロジックは少なくとも一つ以上が組み合わせられ、組み合わせられた制御ロジックはコンピュータ可読のコード体系で作成されてコンピュータ可読の記録媒体に書き込まれ得る。記録媒体は、コンピュータに含まれたプロセッサによってアクセス可能なものであれば、その種類に特に制限がない。一例として、記録媒体は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、レジスタ、ＣＤ－ＲＯＭ、磁気テープ、ハードディスク、フロッピーディスク及び光データ記録装置を含む群から選択された少なくとも一つ以上を含む。また、コード体系は、ネットワークで接続されたコンピュータに分散して保存されて実行され得る。また、組み合わせられた制御ロジックを具現するための機能的なプログラム、コード及びコードセグメントは、本発明が属する技術分野のプログラマによって容易に推論可能である。
本発明によるバランシング装置１０は、図７に示されたように、バッテリー管理システム１００に含まれ得る。バッテリー管理システム１００は、バッテリーの充放電に係わる全般的な動作を制御するものであって、当業界でバッテリー管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ：ＢＭＳ）と呼ばれるコンピューティングシステムである。
また、本発明によるバランシング装置１０は、図８に示されたように、多様な種類の電気駆動装置２００に搭載され得る。
一態様によれば、電気駆動装置２００は、携帯電話、ラップトップパソコン、タブレットパソコンなどのモバイルコンピュータ装置、またはデジタルカメラ、ビデオカメラ、オーディオ／ビデオ再生装置などを含む携帯用マルチメディア装置であり得る。
他の態様によれば、電気駆動装置２００は、電気自動車、ハイブリッド自動車、電気自転車、電気バイク、電気列車、電気船、電気飛行機などのように電気によって移動可能な電気動力装置、または電気ドリル、電気グラインダーなどのようにモーターが含まれたパワーツールであり得る。
図２は、本発明の一実施形態によって、制御ユニット４０が並列で接続されたバッテリーパックに対するパックバランシングとセルバランシングとを相互補完的に制御する方法を具体的に示したフロー図である。
図２に示されたように、段階Ｓ１０において、制御ユニット４０は、並列で接続されたバッテリーパックを含むバッテリーシステムが充電または放電中であるとき、若しくは、バッテリーシステムが無負荷状態にあるとき、所定時間が経過したか否かを判断する。所定時間は１秒～数十秒であり得るが、本発明がこれに限定されることはない。
もし、段階Ｓ１０における判断の結果が「はい」であれば、制御ユニット４０はプロセスをＳ２０に移行して時間カウントを開始する。一方、段階Ｓ１０における判断の結果が「いいえ」であれば、制御ユニット４０はプロセスの移行を保留する。
制御ユニット４０は、段階Ｓ２０を実行した後、段階Ｓ３０において、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに含まれた電圧測定ユニット２０を用いて各バッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧をすべて測定して保存ユニット５０に記録する。段階Ｓ３０の後に段階Ｓ４０が行われる。
制御ユニット４０は、段階Ｓ４０において、保存ユニット５０に記録されたセル電圧情報を参照して第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎのそれぞれに対するパック電圧を決定し、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎのパック電圧のバラツキを決定して保存ユニット５０に記録する。それぞれのバッテリーパックのパック電圧は、該当バッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧を合算して決定する。第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎのパック電圧のバラツキは、パック電圧の最大値と最小値との差を算出することで決定する。
また、制御ユニット４０は、段階Ｓ４０において、保存ユニット５０に記録されたセル電圧情報を参照して第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎのそれぞれに対するセル電圧のバラツキを決定して保存ユニット５０に記録する。それぞれのバッテリーパックのセル電圧のバラツキは、該当バッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧を参照してセル電圧の最大値と最小値との差を算出することで決定する。段階Ｓ４０の後、段階Ｓ５０が行われる。
制御ユニット４０は、段階Ｓ５０において、パック電圧のバラツキが第１臨界値を超えるか否かを判断する。一例において、第１臨界値は１．２Ｖ～１．５Ｖの値を有する。
もし、段階Ｓ５０における判断の結果が「はい」であれば、制御ユニット４０は、段階Ｓ６０を実行する。すなわち、制御ユニット４０は、段階Ｓ６０において、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに含まれた全体セルの電圧のうち、予め設定された基準に対応するセル電圧をパックバランシングターゲット電圧として決定する。非制限的な例として、予め設定された基準に対応するセル電圧は、全体セルの電圧のうち最も低いセル電圧、または、全体セルの電圧の平均セル電圧であり得る。
段階Ｓ６０の後、段階Ｓ７０が行われる。
制御ユニット４０は、段階Ｓ７０において、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに含まれたバッテリーセルのうち、パックバランシングターゲット電圧よりも電圧が高いバッテリーセルを識別し、識別されたバッテリーセルと接続された放電回路に含まれたスイッチＳにターンオン信号を印加して該当放電回路を動作させることで、パックバランシング動作を開始する。
また、制御ユニット４０は、段階Ｓ７０において、パックバランシング動作が開始された後は、時間間隔を置いて第１バッテリーパックＰ１に含まれた第１電圧測定回路Ｖ１１～第ｐ電圧測定回路Ｖ１ｐを用いて第１バッテリーセル～第ｐバッテリーセル（Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、…、Ｃ１ｐ）の正極と負極との間に印加される電圧を測定して保存ユニット５０に記録する。制御ユニット４０は、第２バッテリーパックＰ２～第ｎバッテリーパックＰｎに含まれたバッテリーセルに対しても同じ方法で電圧を測定して保存ユニット５０に記録する。
また、制御ユニット４０は、段階Ｓ７０において、パックバランシングが行われている間、バッテリーセルの電圧が測定される度に、保存ユニット５０に記録されたバッテリーセルの電圧情報に基づいて第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに対するパック電圧を決定し、パック電圧情報に基づいてパック電圧のバラツキを更新し、パック電圧のバラツキの大きさをモニタリングする。
また、制御ユニット４０は、段階Ｓ７０において、モニタリング中のパック電圧のバラツキが第１臨界値以下になれば、パックバランシングを中断するため、ターンオン信号が印加された放電回路を識別し、識別された放電回路に含まれたスイッチＳにターンオフ信号を印加して識別された放電回路の動作を中止させる。これによって、パックバランシングモードが中断される。段階Ｓ７０の後、段階Ｓ３０が行われる。
制御ユニット４０は、パックバランシングモードが終了すれば、段階Ｓ３０において、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに含まれた電圧測定ユニット２０を用いて各バッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧をすべて測定して保存ユニット５０に記録する。段階Ｓ３０の後、段階Ｓ４０が行われる。
制御ユニット４０は、段階Ｓ４０において、保存ユニット５０に記録されたセル電圧情報を参照して第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎのそれぞれに対するパック電圧を決定し、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎのパック電圧のバラツキを決定して保存ユニット５０に記録する。それぞれのバッテリーパックのパック電圧は、該当バッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧を合算して決定する。第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎのパック電圧のバラツキは、パック電圧の最大値と最小値との差を算出することで決定する。
また、制御ユニット４０は、段階Ｓ４０において、保存ユニット５０に記録されたセル電圧情報を参照して第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎのそれぞれに対するセル電圧のバラツキを決定して保存ユニット５０に記録する。それぞれのバッテリーパックのセル電圧のバラツキは、該当バッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧を参照してセル電圧の最大値と最小値との差を算出することで決定する。段階Ｓ４０の後、段階Ｓ５０が行われる。
制御ユニット４０は、段階Ｓ５０において、パック電圧のバラツキが第１臨界値を超えるか否かを判断する。一例において、第１臨界値は１．２Ｖ～１．５Ｖの値を有する。パックバランシングが既に行われた状態であるため、パック電圧のバラツキは第１臨界値以下である。したがって、段階Ｓ５０の判断の結果が「はい」になるため、プロセスは段階Ｓ８０に移行する。
制御ユニット４０は、段階Ｓ８０において、保存ユニット５０に記録された第１バッテリーパック～第ｎバッテリーパックＰｎのセル電圧のバラツキを参照してセル電圧のバラツキが第２臨界値を超えるバッテリーパックを識別する。識別されたバッテリーパックの数は一つまたは複数であり得、第２臨界値は最適化された値で設定されて保存ユニット５０に予め記録される。第２臨界値は、第１臨界値よりも小さく、一例として０．１Ｖ～０．５Ｖの値を有し得るが、本発明がこれに限定されることはない。
段階Ｓ８０の判断の結果が「はい」であれば、段階Ｓ９０が行われ、段階Ｓ８０の判断の結果が「いいえ」であれば、本発明によるバランシングプロセスが終了する。
制御ユニット４０は、段階Ｓ８０の判断の結果が「はい」であれば、段階Ｓ９０において、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧のうち、予め設定された基準に対応するセル電圧を識別されたバッテリーパックに対するセルバランシングターゲット電圧として決定する。望ましくは、セルバランシングターゲット電圧は、セル電圧のバラツキが第２臨界値を超えると識別されたバッテリーパック毎に独立的に決定され得る。非制限的な例として、予め設定された基準に対応するセル電圧は、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧のうち最も低いセル電圧、または、平均セル電圧であり得る。
また、制御ユニット４０は、段階Ｓ１００において、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルのうち、セルバランシングターゲット電圧よりも電圧が高いバッテリーセルと接続された放電回路を動作させることでセルバランシング動作を開始する。望ましくは、このような制御ユニット４０の動作は、セル電圧のバラツキが第２臨界値を超えると識別されたバッテリーパック毎に独立的に適用され得る。
また、制御ユニット４０は、段階Ｓ１００において、セルバランシング動作が開始された後、上述したように、時間間隔を置いて第１バッテリーパックＰ１の第１電圧測定回路Ｖ１１～第ｐ電圧測定回路Ｖ１ｐを用いて第１バッテリーセル～第ｐバッテリーセル（Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、…、Ｃ１ｐ）の正極と負極との間に印加される電圧を測定して保存ユニット５０に記録する。このような制御ユニット４０の動作は、第２バッテリーパックＰ２～第ｎバッテリーパックＰｎにおいても同様に適用される。
また、制御ユニット４０は、段階Ｓ１００において、セルバランシングが行われている間、バッテリーセルの電圧が測定される度に、保存ユニット５０に記録されたバッテリーセルの電圧情報に基づいてセルバランシングが行われている該当バッテリーパックに対するセル電圧のバラツキを決定し、その大きさをモニタリングする。
また、制御ユニット４０は、段階Ｓ１００において、モニタリング中のセル電圧のバラツキが第２臨界値以下になれば、該当条件が満たされるバッテリーパックを識別し、セルバランシングを中断するため、識別されたバッテリーパックに含まれた放電回路のうちターンオン信号が印加された放電回路を識別し、識別された放電回路に含まれたスイッチにターンオフ信号を印加して識別された放電回路の動作を中止させる。これによって、セル電圧のバラツキが第２臨界値以下に低下したバッテリーパックに対するセルバランシングモードが中断される。勿論、制御ユニット４０は、セル電圧のバラツキが第２臨界値を超えるバッテリーパックに対してはセルバランシングモードを維持し続ける。また、制御ユニット４０は、セル電圧のバラツキのモニタリング及びその結果に基づいたセルバランシングモードの維持または中断は、セル電圧のバラツキが第２臨界値を超えるバッテリーパックが識別される間に継続的に繰り返すことができる。
制御ユニット４０は、段階８０の判断の結果が「いいえ」である場合、すなわち第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎのセル電圧のバラツキが第２臨界値を超えなければ、パックバランシングまたはセルバランシングを行う必要がないため、本発明によるバランシングプロセスを終了する。
制御ユニット４０は、上記のようなパックバランシングとセルバランシングとを相互補完的に実行することで、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎ同士間のパック電圧のバラツキを第１臨界値以下に維持することができ、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎそれぞれの内部のセル電圧のバラツキを第２臨界値以下に維持することができる。
制御ユニット４０は、上述したバランシングプロセスを一定の時間が経過する度に周期的に繰り返すことができる。したがって、制御ユニット４０は、段階Ｓ１０において、所定時間が経過したか否かを判断し、所定時間が経過すれば本発明によるバランシングプロセスの動作を再開することができる。
また、制御ユニット４０は、バランシングモードの実行中には、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎを含むバッテリーシステムの充電または放電を中断することができる。また、制御ユニット４０は、バッテリーシステムの充電または放電が行われる間、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに含まれた全てのバッテリーセルの電圧を周期的に測定し、パックバランシングの開始条件が満たされる度に、バッテリーシステムの充電または放電を中断してパックバランシングとセルバランシングとを相互補完的に行うことができる。
また、制御ユニット４０は、パックバランシング及びセルバランシングの終了条件が満たされれば、再びバッテリーシステムの充電または放電を開始することができる。また、制御ユニット４０は、バッテリーシステムが無負荷状態にあるとき、無負荷状態が所定時間経過した後、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに含まれた全てのバッテリーセルの電圧を測定し、パックバランシングの開始条件が満たされれば、パックバランシング及びセルバランシングを実行することができる。
本発明によるバランシング方法において、制御ユニット４０は、並列で接続された第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎを含むバッテリーシステムの充放電サイクル数をカウントして保存ユニット５０に記録し、充放電サイクル数が増加するにつれて第１臨界値及び第２臨界値を減少させる段階を行うことができる。
充放電サイクル数が増加すれば、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎの劣化が進んでパック同士の性能差が大きくなるため、第１臨界値及び第２臨界値を減少させることでパックバランシングまたはセルバランシングの開始条件を緩和させることが望ましい。
充放電サイクル数とは、バッテリーシステムが予め設定された充電状態以上に充電されてから、予め設定された充電状態以下に放電する回数を意味する。制御ユニット４０は、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎのパック電圧をモニタリングし、バッテリーシステムの充放電サイクル数を累積計算して保存ユニット５０に記録することができる。
本発明において、制御ユニット４０は、電流測定ユニット６０を用いて第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに流れ込む突入電流の大きさを測定して保存ユニット５０に記録する段階を選択的に行うことができる。また、制御ユニット４０は、保存ユニット５０に記録された突入電流の大きさを参照して突入電流の最大値を決定し、突入電流の最大値レベルに応じて第１臨界値及び第２臨界値を減少させる段階をさらに含むことができる。
突入電流はバッテリーパックの劣化とともに増加するため、突入電流による第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎの損傷を防止するためには、突入電流の大きさに応じて第１臨界値及び第２臨界値を減少させてパックバランシングまたはセルバランシングの開始条件を緩和させることが望ましい。
そのため、保存ユニット５０には、突入電流の最大値に応じて第１臨界値及び第２臨界値を参照可能なルックアップテーブルが予め保存され得る。このような場合、制御ユニット４０は、ルックアップテーブルを参照して突入電流の最大値に応じて第１臨界値及び第２臨界値を適応的に調節することができる。
図３～図６は、本発明の一実施形態によってパックバランシングとセルバランシングとが相互補完的に行われるとき、第１バッテリーパックＰ１～第ｎバッテリーパックＰｎに含まれたセルの電圧変化を具体的に示した表である。
以下の実施例において、第１臨界値及び第２臨界値は、それぞれ１．２Ｖ及び０．１Ｖに設定した。また、パックバランシングターゲット電圧は、全体パックに含まれたセル電圧のうち、最も低いセル電圧で設定した。また、セルバランシングターゲット電圧は、セルバランシングが行われる該当バッテリーパックに含まれたセル電圧のうち、最も低いセル電圧で設定した。
図３を参照すると、第１バッテリーパックのパック電圧は１８．３７Ｖ、第２バッテリーパックのパック電圧は１９．１Ｖ、第ｎバッテリーパックのパック電圧は１７．４Ｖである。第２バッテリーパックのパック電圧が最も高く、第ｎバッテリーパックのパック電圧が最も低いため、パック電圧のバラツキは１．７Ｖと第１臨界値を超える。したがって、パック電圧のバランシングが開始される。パックバランシングターゲット電圧は、全体セルの電圧のうち、最も低い電圧で設定される。すなわち、第ｎバッテリーパックの第ｐバッテリーセルの電圧３．４Ｖがパックバランシングターゲット電圧として設定される。そして、３．４Ｖよりも電圧が大きいバッテリーセルを放電させるパックバランシングが開始される。したがって、第１バッテリーパック、第２バッテリーパック及び第ｎバッテリーパックはパックバランシングモードに進入する。パックバランシングモードの実行中に放電するセルは電圧値に下線を引いて示した。
図４を参照すると、パックバランシングモードを実行するにつれて、第１バッテリーパック、第２バッテリーパック及び第ｎバッテリーパックのパック電圧が徐々に低くなる。その結果、パック電圧のバラツキは０．７Ｖになり、第１臨界値よりも低い水準に減少する。したがって、第１バッテリーパック、第２バッテリーパック及び第ｎバッテリーパックに対するパックバランシングが中断される。
第１バッテリーパック及び第２バッテリーパックは、セル電圧のバラツキがそれぞれ０．１８Ｖ及び０．３Ｖであって、第２臨界値を超える。したがって、第１バッテリーパック及び第２バッテリーパックはセルバランシングモードに進入する。セルバランシングモードで放電するセルは電圧値に下線を引いて示した。一方、第ｎバッテリーパックはセル電圧のバラツキが０．１Ｖであって、第２臨界値を超えない。したがって、第ｎバッテリーパックに対してはセルバランシングモードに進入しない。
図５を参照すると、セルバランシングが行われるにつれて、第１バッテリーパックはセル電圧のバラツキが０．０８Ｖに減少し、第２バッテリーパックはセル電圧のバラツキが０．１５Ｖと相変らず第２臨界値よりも大きい。したがって、第１バッテリーパックに対してはセルバランシングモードが中断され、第２バッテリーパックに対してはセルバランシングモードが引き続いて適用される。セルバランシングモードで放電するセルは電圧値に下線を引いて示した。
図６を参照すると、セルバランシングが引き続いて行われるにつれて、第１バッテリーパック、第２バッテリーパック及び第ｎバッテリーパックのセル電圧のバラツキがそれぞれ０．０８Ｖ、０．０７Ｖ及び０．１Ｖに低くなって第２臨界値を超えなくなる。したがって、第２バッテリーパックに対するセルバランシングモードまで中断されることで、本発明によるバランシングプロセスが終了する。
本発明によれば、並列で接続されたバッテリーパックを含むバッテリーシステムにおいて、パックバランシングとセルバランシングとを相互補完的に実行してバッテリーパックの電圧のバラツキを減少させることで、突入電流による電装部品の損傷またはパック内部のセル損傷を低減させることができる。
本発明の多様な実施形態の説明において、「部」または「ユニット」と称される構成要素は物理的に区分される要素ではなく、機能的に区分される要素として理解されねばならない。したがって、それぞれの構成要素は他の構成要素と選択的に統合されるか、または、それぞれの構成要素が制御ロジックの効率的な実行のためにサブ構成要素に分割され得る。しかし、構成要素が統合または分割されても機能の同一性が認定されれば、統合または分割された構成要素も本発明の範囲内であると解釈されることは当業者にとって自明である。
以上のように、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。

Claims (15)

  1. パックバランシングとセルバランシングとを相互補完的に実行可能な、並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置であって、
    相互並列で接続され、直列で接続された複数のバッテリーセルを含む第１バッテリーパック～第ｎバッテリーパック（ｎは２以上の自然数）と、
    各バッテリーパックに含まれた前記複数のバッテリーセルの電圧を測定する電圧測定ユニットと、
    前記複数のバッテリーセルと相互対応するように並列で接続された複数の放電回路と、
    前記電圧測定ユニット及び前記複数の放電回路と動作可能に接続された制御ユニットと、を含み、
    前記制御ユニットは、
    一定の時間間隔を置いて前記電圧測定ユニットを通じて前記各バッテリーパックに含まれた全てのバッテリーセルの電圧を測定し、前記測定されたバッテリーセルの電圧からそれぞれのバッテリーパックのパック電圧を決定し、前記パック電圧のバラツキ及びそれぞれのバッテリーパックのセル電圧のバラツキを決定し、
    前記パック電圧のバラツキが第１臨界値を超えれば、前記第１バッテリーパック～第ｎバッテリーパックに含まれた全体セルの電圧のうち、予め設定された基準に対応するセル電圧をパックバランシングターゲット電圧として決定し、前記各バッテリーパックに含まれたバッテリーセルのうち、前記パックバランシングターゲット電圧よりも電圧が高いバッテリーセルを識別し、識別されたバッテリーセルと接続された放電回路を動作させて前記パック電圧のバラツキを前記第１臨界値以下に減少させ、
    前記パック電圧のバラツキが第１臨界値以下になれば、前記セル電圧のバラツキが第２臨界値を超えるバッテリーパックを識別し、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧のうち、予め設定された基準に対応するセル電圧を識別されたバッテリーパックに対するセルバランシングターゲット電圧として決定し、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルのうち、前記セルバランシングターゲット電圧よりも電圧が高いバッテリーセルと接続された放電回路を動作させて前記セル電圧のバラツキを前記第２臨界値以下に減少させる、並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置。
  2. 前記複数の放電回路のそれぞれは、スイッチ及び抵抗を含む、請求項１に記載の並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置。
  3. 前記制御ユニットは、前記パック電圧のバラツキが前記第１臨界値以下であって、それぞれの前記バッテリーパックのセル電圧のバラツキが前記第２臨界値以下であれば、前記パックバランシングと前記セルバランシングを中断する、請求項１または２に記載の並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置。
  4. 前記制御ユニットは、並列で接続されたバッテリーパックの充放電サイクル数が増加するにつれて前記第１臨界値及び前記第２臨界値を減少させる、請求項１から３のいずれか一項に記載の並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置。
  5. 各バッテリーパックに流れ込む突入電流を測定する電流測定ユニットをさらに含み、
    前記制御ユニットは、前記電流測定ユニットを用いて前記各バッテリーパックに流れ込む突入電流を測定して前記突入電流の最大値を決定し、前記突入電流の最大値のレベルに応じて前記第１臨界値及び前記第２臨界値を減少させる、請求項１から４のいずれか一項に記載の並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置。
  6. 前記制御ユニットは、前記パック電圧のバラツキが前記第１臨界値を超えれば、前記第１バッテリーパック～第ｎバッテリーパックに含まれた全体セルの電圧のうち最も低いセル電圧、または、全体セルの電圧の平均セル電圧を前記パックバランシングターゲット電圧として決定する、請求項１から５のいずれか一項に記載の並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置。
  7. 前記制御ユニットは、前記パック電圧のバラツキが前記第１臨界値以下になれば、セル電圧のバラツキが前記第２臨界値を超えるバッテリーパックを識別し、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧のうち最も低いセル電圧、または、平均セル電圧を前記識別されたバッテリーパックに対する前記セルバランシングターゲット電圧として決定する、請求項１から６のいずれか一項に記載の並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置。
  8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置を含むバッテリー管理システム。
  9. 請求項１から７のいずれか一項に記載の並列で接続されたバッテリーパックのバランシング装置を含む電気駆動装置。
  10. （ａ）一定の時間間隔を置いて電圧測定ユニットを通じて複数のバッテリーパックに含まれた全てのバッテリーセルの電圧を測定する段階と、
    （ｂ）前記測定されたバッテリーセルの電圧からそれぞれのバッテリーパックのパック電圧を決定する段階と、
    （ｃ）パック電圧のバラツキ及びそれぞれのバッテリーパックのセル電圧のバラツキを決定する段階と、
    （ｄ）前記パック電圧のバラツキが第１臨界値を超えれば、前記複数のバッテリーパックに含まれた全体セルの電圧のうち、予め設定された基準に対応するセル電圧をパックバランシングターゲット電圧として決定し、各バッテリーパックに含まれたバッテリーセルのうち、パックバランシングターゲット電圧よりも電圧が高いバッテリーセルを識別し、識別されたバッテリーセルと接続された放電回路を動作させてパック電圧のバラツキを前記第１臨界値以下に減少させる段階と、
    （ｅ）前記パック電圧のバラツキが前記第１臨界値以下であれば、セル電圧のバラツキが第２臨界値を超えるバッテリーパックを識別し、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧のうち、予め設定された基準に対応するセル電圧を識別されたバッテリーパックに対するセルバランシングターゲット電圧として決定し、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルのうち、前記セルバランシングターゲット電圧よりも電圧が高いバッテリーセルと接続された放電回路を動作させてセル電圧のバラツキを前記第１臨界値以下に減少させる段階と、を含む、並列で接続されたバッテリーパックのバランシング方法。
  11. 前記パック電圧のバラツキが前記第１臨界値以下であって、それぞれのバッテリーパックのセル電圧のバラツキが前記第２臨界値以下であれば、パックバランシング及びセルバランシングの動作を中断する段階をさらに含む、請求項１０に記載の並列で接続されたバッテリーパックのバランシング方法。
  12. 並列で接続されたバッテリーパックの充放電サイクル数が増加するにつれて前記第１臨界値及び前記第２臨界値を減少させる段階をさらに含む、請求項１０または１１に記載の並列で接続されたバッテリーパックのバランシング方法。
  13. 電流測定ユニットを用いて各バッテリーパックに流れ込む突入電流を測定する段階と、
    前記突入電流の最大値を決定し、前記突入電流の最大値のレベルに応じて前記第１臨界値及び前記第２臨界値を減少させる段階と、をさらに含む、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の並列で接続されたバッテリーパックのバランシング方法。
  14. 前記（ｄ）段階において、前記パック電圧のバラツキが前記第１臨界値を超えれば、第１バッテリーパック～第ｎバッテリーパック（ｎは２以上の自然数）に含まれた全体セルの電圧のうち最も低いセル電圧、または、全体セルの電圧の平均セル電圧を前記パックバランシングターゲット電圧として決定する、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の並列で接続されたバッテリーパックのバランシング方法。
  15. 前記（ｅ）段階において、前記パック電圧のバラツキが前記第１臨界値以下になれば、セル電圧のバラツキが前記第２臨界値を超えるバッテリーパックを識別し、識別されたバッテリーパックに含まれたバッテリーセルの電圧のうち最も低いセル電圧、または、平均セル電圧を前記識別されたバッテリーパックに対する前記セルバランシングターゲット電圧として決定する、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の並列で接続されたバッテリーパックのバランシング方法。
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