KR100727002B1

KR100727002B1 - 하이브리드 자동차용 리튬 배터리의 발란싱 모듈

Info

Publication number: KR100727002B1
Application number: KR1020060028069A
Authority: KR
Inventors: 유상길; 강희선; 김진성
Original assignee: 넥스콘 테크놀러지 주식회사
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-06-14

Abstract

본 발명은 내연기관의 엔진과 배터리의 전원을 이용한 모터를 동력원으로 사용하는 하이브리드 자동차(HEV; Hybrid Electric Vehicle)의 리튬 배터리에 있어서 직렬로 연결된 각 셀의 충/방전용량 값 및 전압을 균일하게 유지시켜 안전성을 확보할 수 있도록 하는 하이브리드 자동차용 리튬 배터리의 발란싱 모듈에 관한 것으로,

종래에는 발란싱 전원을 리튬 배터리 자체 모듈에서 사용하므로 내부 자체적으로 셀 발란싱을 흐트러지는 결과를 초래하게 되는 문제가 있었고, 배터리의 잔존 상태인 충/방전용량(SOC)을 산출해서 배터리를 관리하는 입장에서 정확한 데이터를 산출할 수 없게 되는 문제가 있었으며, 발란싱 소요시간 증가 및 에너지소모를 야기시키게 되는 등의 문제가 있었던 바,

직류/직류 컨버터(DC-DC Converter)를 이용하여 발란싱 전원으로 외부전원을 공급함으로써 정확한 배터리 충/방전용량(SOC)을 신속하게 산출하는 동시에 소모전력을 저감할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 본 발명에 의하면 리튬 배터리에서 발란싱 전원을 받을 때 나타나는 내부 에너지손실 및 자체에너지 소모에 따른 언발란싱 현상을 방지할 수 있게 될 뿐 아니라 각 셀에 대한 충/방전용량(SOC) 산출시 정확한 데이터를 넘겨받을 수 있게 되어 리튬 배터리를 효율적으로 사용할 수 있게 되고, 발란싱 시간을 단축할 수 있게 되어 리튬 배터리의 에너지사용을 줄일 수 있게 됨은 물론 하이브리드 자동차 전체적인 효율 향상에도 크게 기여할 수 있게 되 는 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.

리튬 배터리, 발란싱, 보호회로, 직류/직류 컨버터, 외부전원

Description

하이브리드 자동차용 리튬 배터리의 발란싱 모듈 { a Li-ion or Li-Polymer Batterie Balancing Module for a Hybrid Electric Vehicle }

도 1은 종래의 리튬 배터리 전원이용 발란싱 모듈 구성도

도 2는 종래의 발란싱 흐름도

도 3은 본 발명의 구성도

도 4는 본 발명의 발란싱 흐름도

본 발명은 내연기관의 엔진과 배터리의 전원을 이용한 모터를 동력원으로 사용하는 하이브리드 자동차(HEV; Hybrid Electric Vehicle)의 리튬 배터리에 관한 것으로, 더 자세하게는 직렬로 연결된 각 셀의 충/방전용량 값 및 전압을 균일하게 유지시켜 안전성을 확보할 수 있도록 하는 하이브리드 자동차용 리튬 배터리의 발란싱 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 하이브리드 자동차 (HEV; Hybrid Electric Vehicle)는 내연기관 의 엔진과 배터리의 전원을 이용한 모터를 동력원으로 사용한다.

종래의 하이브리드 자동차용 배터리 시스템으로 주로 니켈-수소(Ni-MH) 배터리가 사용되며, 니켈-수소(Ni-MH) 배터리는 그 특성상 각 셀(Cell) 사이의 발란싱(Balancing) 기능이 필요하지 않다.

최근에 개발되고 되고 있는 하이브리드 자동차용 2차전지로는 리튬 배터리가 있는 바, 이 리튬 배터리는 액체 전해질을 사용하는 리튬이온(Li-ion) 배터리와 고체 성분인 폴리머 전해질을 사용하는 리튬폴리머(Li-Polymer) 배터리가 있다.

한편 하이브리드 자동차에 있어서는 배터리의 필요 용량에 따라 셀(Cell)을 50~100개 정도를 직렬 연결하여 하나의 팩(Pack) 형태로 차량에 장착하게 되며, 여러 개의 대용량 셀(Cell)을 직렬 연결하기 때문에 각 셀 사이의 충/방전용량(SOC; State Of Charge)의 차이를 줄여주는 셀 발란싱(Cell Balancing) 기능이 필요하게 된다.

본 발명이 관계하는 리튬 계열의 2차전지는 그 특성상 에너지 밀도와 효율은 좋으나, 과충전될 경우 부풀어지거나 폭발하는 등의 위험한 상태가 될 수 있으며, 과방전될 경우엔 그 수명이 급격하게 줄어드는 문제점을 가지고 있다.

이러한 이유로 인하여 2차전지의 충/방전용량(SOC)의 측정과 이를 이용한 셀 발란싱 기능이 필요하게 되는데, 충/방전용량(SOC)을 측정할 때는 각 셀의 전압 전류 온도 등을 감지하여 용량을 산출하게 되고, 셀 발란싱 역할을 위한 제어장치가 필요하게 되며, 이 제어장치에서는 각각의 셀 하나 하나의 충/방전용량(SOC)을 측정한 후 차이가 발생하면 셀 발란싱을 수행하거나 2~8개 이내의 셀을 하나의 배터 리 모듈로서 모듈 단위로 충/방전용량(SOC)을 측정한 후 차이가 발생하면 셀 발란싱을 수행하게 된다.

일반적으로 하이브리드 자동차용 리튬 배터리는 약 4V의 셀을 직렬 연결시켜 144V~600V 이내의 팩(Pack) 전압을 사용하고, 여기에 4V 셀 2~8개를 하나의 모듈(Module)로 하며, 리튬 배터리 보호장치는 한 모듈당 셀 발란싱 보호회로를 두고, 셀 하나 하나를 발란싱하여 폭발을 방지하는 역할을 한다.

리튬 배터리에 있어서 하나의 모듈당 기준전압은 대략 8~32V이고, 발란싱 제어단의 전원은 각각 모듈의 전위점을 다르게 해서 사용해야 하므로 종래에는 도 1 및 도 2와 같이 외부전원을 사용하지 않고, 리튬 배터리 자체의 모듈 전원을 사용하여 전원을 공급하였다.

종래에 있어서 셀 발란싱 과정에서 외부전원을 사용하지 않은 이유는 각각의 모듈 전위가 다르기 때문이었다.

한편 리튬 배터리 보호회로가 각각의 셀을 발란싱하고 통신하기 위해서는 상당량의 전원이 필요하게 되는데, 종래에는 이 발란싱 전원을 리튬 배터리 자체 모듈에서 사용하므로 내부 자체적으로 셀 발란싱을 흐트러지는 결과를 초래하게 되는 문제가 있었다.

자동차의 대전력부분에 전원공급을 담당하는 리튬 배터리를 소량씩 계속해서 방전하는 결과를 가져오게 되는 문제가 있었다.

또한 배터리의 잔존 상태인 충/방전용량(SOC)을 산출해서 배터리를 관리하는 입장에서 정확한 데이터를 산출할 수 없게 되는 문제가 있었고, 발란싱 시간은 정 확도를 높이기 위해 계속해서 늘어나게 되므로 결과적으로 발란싱 소요시간 증가 및 에너지소모를 야기시키게 되는 문제가 있었다.

이와 같이 리튬 배터리 보호장치의 발란싱 제어 및 통신을 하기 위한 전원을 리튬 배터리 자체 모듈에서 공급하는 종래의 방식은 에너지관리 및 배터리상태를 산출하는데 큰 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적이 발란싱 제어 및 통신용 전원으로 외부전원을 사용하는 것에 내부 에너지손실 및 자체에너지 소모에 따른 언발란싱 현상을 방지할 수 있도록 하고, 충/방전용량(SOC) 산출 시 정확한 데이터를 넘겨받을 수 있도록 하여 리튬 배터리를 효율적으로 사용할 수 있도록 하며, 발란싱 시간을 단축할 수 있도록 하여 리튬 배터리의 에너지를 절감할 수 있도록 함은 물론 하이브리드 자동차 효율 향상에 기여할 수 있도록 하는 하이브리드 자동차용 리튬 배터리의 발란싱 모듈을 제공하는 데에 있는 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 직류/직류 컨버터(DC-DC Converter)를 이용하여 발란싱 전원으로 외부전원을 공급함으로써 정확한 배터리 충/방전용량(SOC)을 신속하게 산출하는 동시에 소모전력을 저감할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하며, 이하 그 구체적인 기술내용을 첨부도면에 의거하여 더욱 자세 히 설명하면 다음과 같다.

즉, 도 3에는 본 발명의 구성도가 도시되어 있는 바, 본 발명은 다수의 셀을 구비하는 리튬 배터리(리튬이온 배터리 또는 리튬폴리머 배터리)에 직류/직류 컨버터를 통해 외부전원이 접속되고, 리튬 배터리에 접속된 리튬 배터리 보호장치에서 리튬 배터리의 셀 하나 하나를 발란싱하는 것에 있어서, 상기 외부전원을 다른 직류/직류 컨버터를 통해 리튬 배터리 보호장치에 접속하여 상기 외부전원을 상기 리튬 배터리 보호장치의 발란싱부 전원 및 통신용 전원으로 공급하여서 되는 것이다.

도 4에는 본 발명의 발란싱 흐름도가 도시되어 있는 바, 360V 리튬 배터리를 사용하는 하이브리드 자동차의 운행과정에서 각 셀의 충/방전용량(SOC) 차가 발생하여 발란싱이 필요할 때에 외부전원을 직류/직류 컨버터를 통해 발란싱부 전원으로 공급받는 리튬 배터리 보호장치에서 셀별 충/방전용량(SOC)을 균일하게 발란싱하게 된다.

본 발명의 직류/직류 컨버터는 1차측의 전원을 2차측으로 변형하여 전달하는 장치이며, 1차측 전원의 전위와 2차측 전원의 전위를 달리할 수 있는 장치이다.
본 발명에 있어서 외부전원은 리튬 배터리 보호장치를 통해 발란싱되는 리튬 배터리의 자체 전원이 아닌 별도의 전원을 의미하며, 도시된 실시예에 있어서 외부전원은 12V 배터리이다.
도시된 실시예에 있어서 직류/직류 컨버터를 통해 리튬 배터리에 접속되는 외부전원은 다른 직류/직류 컨버터를 통해 리튬 배터리 보호장치에 접속되어 발란싱 전원 및 통신용 전원으로 사용된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 있어서는 발란싱 제어전원을 외부에서 받게 되므로 리튬 배터리에서 전원을 받을 때 나타나는 내부 에너지손실 및 자체에너지 소모에 따른 언발란싱 현상을 방지할 수 있게 되며, 그에 따라 리튬 배터리의 현재 상태를 발란싱하는 것으로 마무리를 할 수 있게 된다.

본 발명과 같이 발란싱 전원 및 통신 전원을 외부에서 공급하게 되면 각 셀에 대한 충/방전용량(SOC) 산출시 정확한 데이터를 넘겨받을 수 있게 되어 리튬 배터리를 효율적으로 사용할 수 있게 되고, 발란싱 시간을 단축할 수 있게 되어 더욱 짧은 시간에 더욱 많은 양의 발란싱을 할 수 있게 되며, 폭발성을 가진 리튬 배터리를 더욱 안전하게 사용할 수 있게 된다.

또한 발란싱 시간이 단축되므로 발란싱으로 인한 리튬 배터리의 에너지사용을 줄일 수 있어 하이브리드 자동차 전체적인 효율에도 좋은 역할을 할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 직류/직류 컨버터(DC-DC Converter)를 이용하여 발란싱 전원으로 리튬 배터리 보호장치를 통해 발란싱되는 리튬 배터리의 자체 전원가 아닌 별도의 외부전원을 공급함으로써 정확한 배터리 충/방전용량(SOC)을 신속하게 산출하는 동시에 소모전력을 저감할 수 있도록 한 것으로, 본 발명에 의하면 리튬 배터리에서 발란싱 전원을 받을 때 나타나는 내부 에너지손실 및 자체에너지 소모에 따른 언발란싱 현상을 방지할 수 있게 될 뿐 아니라 각 셀에 대한 충/방전용량(SOC) 산출시 정확한 데이터를 넘겨받을 수 있게 되어 리튬 배터리를 효율적으로 사용할 수 있게 되고, 발란싱 시간을 단축할 수 있게 되어 리튬 배터리의 에너지사용을 줄일 수 있게 됨은 물론 하이브리드 자동차 전체적인 효율 향상에도 크게 기여할 수 있게 되는 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.

Claims

다수의 셀을 구비하는 리튬 배터리에 직류/직류 컨버터를 통해 외부전원이 접속되고, 리튬 배터리에 접속된 리튬 배터리 보호장치에서 리튬 배터리의 셀 하나 하나를 발란싱하는 것에 있어서, 상기 외부전원을 다른 직류/직류 컨버터를 통해 리튬 배터리 보호장치에 접속하여 상기 외부전원을 상기 리튬 배터리 보호장치의 발란싱부 전원 및 통신용 전원으로 공급하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 리튬 배터리의 발란싱 모듈.