KR100964316B1 - 배터리 셀 밸런싱 시스템, 그 방법 및 이를 기록한기록매체 - Google Patents

배터리 셀 밸런싱 시스템, 그 방법 및 이를 기록한기록매체 Download PDF

Info

Publication number
KR100964316B1
KR100964316B1 KR1020080032360A KR20080032360A KR100964316B1 KR 100964316 B1 KR100964316 B1 KR 100964316B1 KR 1020080032360 A KR1020080032360 A KR 1020080032360A KR 20080032360 A KR20080032360 A KR 20080032360A KR 100964316 B1 KR100964316 B1 KR 100964316B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
battery
battery cells
cell
charging
fet
Prior art date
Application number
KR1020080032360A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20080097128A (ko
Inventor
조현찬
김광선
Original Assignee
조현찬
김광선
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 조현찬, 김광선 filed Critical 조현찬
Publication of KR20080097128A publication Critical patent/KR20080097128A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100964316B1 publication Critical patent/KR100964316B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0019—Circuits for equalisation of charge between batteries using switched or multiplexed charge circuits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/22—Balancing the charge of battery modules
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/441—Methods for charging or discharging for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Abstract

배터리 셀 밸런싱 시스템, 그 방법 및 이를 기록한 기록매체가 개시된다.
본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 시스템은,
드레인(drain) 전류가 서로 다른 복수 개의 FET들이 병렬적 및 전기적으로 연결되어 있는 복수 개의 배터리 셀들; 상기 복수 개의 배터리 셀들을 충전하기 위한 충전 수단; 및 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 충전되는 전류량을 조절하여 충전 속도를 제어하기 위한 제어 수단을 포함하고, 상기 제어 수단은, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 충전 상태를 감시하고, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 대해 상기 복수 개의 FET들 중 적어도 하나의 FET를 선택하고, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 대해 상기 선택된 적어도 하나의 FET를 통해 충전이 이루어지도록 하는 제어 수단을 포함하는 배터리 셀 밸런싱 시스템 및 그 방법을 제공한다.

Description

배터리 셀 밸런싱 시스템, 그 방법 및 이를 기록한 기록매체{System and Method for balancing battery cells and Recording medium using it}
본 발명은 배터리 관리 기술에 관한 것으로서, 복수 개의 셀들로 구성되어 있는 배터리를 드레인 전류가 서로 다른 복수 개의 FET들을 이용하여 각 셀에 유입되는 충전 전류량을 조절함으로써 각 셀들의 충전 속도를 제어할 수 있는 배터리 셀 밸런싱 시스템, 그 방법 및 이를 기록한 기록매체에 관한 것이다.
미래형 자동차인 하이브리드 자동차(HEV)의 핵심기술 중의 하나는 차량제어 기술이다. 그 중에서도 배터리의 충방전 제어는 하이브리드 자동차의 구동요소인 모터를 제어하는데 기본이 되는 매우 중요한 기술이다. 따라서 배터리의 충방전 특성을 정확히 이해하고 차량 주행 특성에 맞게 충전상태 (SOC : state of charge)를 관리하는게 중요하다. SOC에 따라서 자동차는 모터가 엔진을 보조하여 주행할 수 있고, 엔진 시동을 끄고 전기모터만으로 주행을 할 수도 있다.
하이브리드 자동차에 사용되는 배터리는 리튬 폴리머 배터리가 주로 요구된다. 리튬 폴리머 배터리는 같은 부피에서 기존의 배터리보다 충방전 특성이 우수하기 때문에 최근 각광을 받고 있다. 리튬 폴리머 배터리는 4~8개의 전지 셀(Cell) 이 직렬 연결되어 한 모듈(Module)을 이루고 다시 이들이 여러 개 연결되어 한 팩(Pack)을 이루어 사용되고 있다. 각각의 전지 셀은 제조공정 및 물리적, 화학적 오차로 인하여 완벽히 같은 전기적 특성을 가질 수 없다. 또한 제조된 전지 셀은 사용시간의 흐름과 환경에 따라 전기적 특성은 점차 변해가고 그 변화는 전지 셀마다 각각 달라질 수밖에 없다. 따라서 각 셀간의 충방전 특성의 차이는 배터리의 사용전압 범위를 축소시키므로 셀간의 전압 평균편차를 최소화하는 최적제어가 필요하다.
즉, 배터리 충방전 제어기술이 떨어질수록 배터리의 효율은 떨어지게 된다. 과충전으로 인한 과열 또는 폭발의 위험과 전지의 특성변화에 따른 잔량 측정이나 수명의 예상에 대한 부정확성 때문에 배터리를 효율적으로 사용할 수 없다. 따라서 과대 사용, 부피와 비중의 과부하는 앞으로 해결해야만 하는 과제이다. 이런 문제를 해결하기 위하여 배터리의 열화학적 모델링을 통한 제어 알고리즘을 개발하고, 모델링에 따른 최적 제어 시스템을 구현함으로써 배터리의 효율적인 실용화를 이끌 수 있다.
리튬폴리머 배터리는 두 전극(양극과 음극)과 리튬폴리머를 두 전극간에 가역적으로 전달할 수 있는 물질로 구성된다. 배터리는 rocking chair principle 원리에 의해 작동되는데 rocking chair principle이란 배터리를 충전 및 방전함에 따라 리튬폴리머가 양극과 음극 사이를 교대로 드나드는("rock" back and forth) 것을 이야기한다. 이러한 원리는 충 방전에 따라 양극과 음극 물질의 변화가 없기 때문에 안전하다.
도 1은 리튬폴리머배터리의 원리이다.
도 1을 참조하면 상기 리튬폴리머배터리는 하기의 수학식 1을 기반으로 한다는 것을 알 수 있다
Figure 112008025099131-pat00001
리튬폴리머배터리는 Ni-Cd, Ni-MH 배터리와는 성격이 다르다. 일단 전압이 3.6[V]로 기존 배터리의 3배나 된다. 전해질로는 수용액 대신에 유기 용매를 사용한다. 그 이유는 배터리 내부의 전해질에서 산화 환원 반응이 일어날 때, 전해액이 수용액일 경우 1.35[V]에서 분해가 일어나므로 4[V] 이상의 전위차에서도 분해 없이 안정한 유기 용매를 전해질로 사용한다. Li-ion 배터리는 현재 양극으로는 LiCoO2를 사용하고, 음극은 카본이나 흑연(Graphite)을 사용한다. 충전 시에는 LiCoO2 속에 있는 Li 폴리머가 빠져 나와서 음극의 결정 속으로 들어가며 방전 시에는, 역반응이 일어난다. 흑연(Graphite) 격자구조 속에 있는 Li 폴리머가 빠져 나와 전해질 속을 이동하여 양극의 결정구조 속으로 들어간다. 즉, 충 방전시에는 Li 폴리머가 양극과 음극 사이를 왔다 갔다 하게 된다. 이런 이유로 초기에는 Li 폴리머가 그네를 타는 것처럼 왔다 갔다 한다고 하여 " Swing 배터리" 또는 흔들의자처럼 왔다 갔다 한다 하여 "rocking chair concept에 의한 배터리" 등으로 불렸으나, 일본에서 리튬폴리머배터리로 명명하였다. 리튬폴리머배터리에는 순수한 Li 금속은 포함되어 있지 않다. Li 금속은 매우 반응성이 높은 금속이며, 물에 닿으면 폭발적인 반응을 일으켜 위험할 수 있다. 이는 도 2는 리튬폴리머배터리의 구조를 보면 더 명확하다.
도 3은 리튬폴리머배터리의 구성을 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 리튬폴리머배터리의 장점은 용량이 커서 충전 후 오래 사용할 수 있고 다른 배터리보다 가볍다는 점이다. 그러나, 다른 배터리보다 위험하며, 안전성 문제로 인하여 고 전류를 흘릴 수 있는 고출력(high power) 배터리를 만들기가 힘든 것이 단점이다. 이 안전성 문제를 보완하고 배터리의 성능을 유지하기 위해, 여타 다른 배터리에서는 사용하지 않는 보호회로를 사용하여 과충전 및 과방전을 방지하여 폭발의 위험을 없애고 있다. 이 보호회로를 내장하고 있는 리튬폴리머배터리를 스마트 모듈이라고 한다.
배터리의 용량이란, mAh라는 단위에서 볼 수 있듯이, 1[mAh]의 용량은, 1[mA]의 전류를 1시간 동안 흐르게 할 수 있는 전하량을 말하며, 따라서 배터리의 용량이 1800[mAh] 라는 것은 1800[mA]의 전류를 사용하더라도 1 시간을 쓸 수 있는 전하 저장능력이 있는 배터리라는 의미가 된다. 250[Wh/l], 300[Wh/l]로 표시되는 용량밀도는 배터리를 얼마나 작게 만들 수 있는가를 결정하는 판단기준이 된다. 배터리에 보면, 1200[mAh], 1500[mAh] 등으로 표시 되어있는 것을 볼 수 있다. 이것은 전류의 근원이 되는 전하량이다. 또한 배터리에는 1.2V, 3.6V 등으로 전압이 표시되어 있다. 전력량은 Wh = Ah(전하량)과 (전압)의 식에서 나온다. 예를 들어, 1000[mAh]에 3.6[V] 라고 하면 3.6[Wh] 가된다. 여기에 부피를 나누어 주면 Wh/l 단위의 에너지 밀도(energy density)를 구할 수 있다.
도 4는 리튬폴리머배터리의 주요 특성을 도시한 그래프이다. 충전은 보통 CCCV방식이 사용된다. 즉, 충전 초기에는 정전류(Constant Current : CC)로 충전하다가 충전전압이 설정전압에 도달하면 정전압(Constant Voltage : CV)으로 충전을 바꾸어 충전전류를 점차 줄여 나가는 것이다.
도 5는 리튬폴리머배터리의 방전특성을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 방전전압은 일정하게 안정되어 있지 않고 4V에서 3V로 기울어져 있다. 부하특성은 1C 레이트로서 90%, 온도특성은 -20에서 80%이며 사이클 특성은 500회이다.
배터리는 근본적으로 온도가 올라갈 수록 용량은 증대되지만, 사이클 라이프[Cycle life]는 급격히 떨어진다. 인간이 가장 살기 좋은 온도인 20를 기준으로 정한다. 20에서 용량을 100%라고 정의할 때 저온에서 몇[%]의 용량이 방전되는가를 표시하는 방법으로 배터리의 온도에 대한 적응력을 평가한다. 저온 특성이 나쁘다고 하여 저온에서 배터리가 작동되지 않는다는 의미는 아니다. -20에서 상온의 50% 용량을 방전한다고 하면, -20에서 상온에서 1000[mAh] 의 용량을 방전하던 배터리가 -20에서는 500[mAh]만 방전한다는 의미이다. 이것 역시 실장 테스트와 배터리 테스트 사이에는 많은 차이가 있다.
도 6은 다양한 온도에서의 리튬폴리머배터리의 방전 용량을 나타낸 것이다. 0를 중심으로 온도가 높을 때 방전 특성이 좋은 것으로 나타내어진다.
도 7은 리튬폴리머배터리의 수명을 나타내는 곡선으로 일정한 전류로 완전 충전 및 방전을 반복했을 때 리튬폴리머배터리의 용량의 변화를 나타내는 특성 곡선이다. 2차 배터리는 충 방전을 계속하면서 용량이 줄어든다. 초기에는 1000[mAh]이었던 용량이 몇 백번 충 방전하면서, 700, 600, 500 [mAh]까지도 줄어든다. 학자들마다 다소 의견의 차이는 있으나 일반적으로, 사이클 라이프(cycle life)는 초기용량의 80% 용량으로 용량이 줄어들었을 때까지의 충 방전 횟수로 정의한다. 예를 들어 사이클 라이프(cycle life)가 500회라고 하면, 500번 쓰면 용량이 줄어들어 배터리를 교체해야 하는 것으로 알고 있는데 사실은 그렇지 않다. 500 회란 것은 100% DOD 에서 500회라는 것이다. DOD 는 Depth Of Discharge 의 약자로서, 용량이 1000[mAh] 라고 하면, 1000[mAh]를 100[%] 다 소진하고, 충전했을 때에 사이클 라이프(cycle life)를 의미한다. 그러나, 실제는 70-80[%] 사용하고 충전하는 것이 일반적이다. 80[%] DOD에서는 사이클 라이프(cycle life) 는 2-3배 정도 증가된다.
배터리는 내부에 화학물질을 다량 함유하고 있다. 그러므로, 그냥 방치하고 있어도 화학반응에 의하여 용량이 줄어든다. 이런 현상을 자가방전(Self-discharge)이라고 한다. 자가방전에는 두 가지를 점검해야 한다. "Retention Capacity 또는 Charge Retention"와 "Recovered Capacity"가 평가 항목이다. 전하 보존(Charge Retention)은 예를 들어 45에서 배터리를 한달 동안 방치하였을 때 한달 후에 어느 정도의 용량이 없어지고 어느 정도의 용량이 남아있나를 표시하는 항목이다. 자가방전 된 배터리를 충전하여 방전시켜 보았을 때 용량이 100% 방전되는 것은 아니다. 자가 방전된 배터리를 재충전하여 방전했을 때 용량의 몇 % 용량이 방전되는가를 나타내는 것이 회복 용량(Recovered Capacity)이다. 일부 배터리에서는 자가방 전으로 전압이 0[V] 가까이 되면 회복이 안되는 경우가 있다.
도 8은 리튬폴리머배터리를 충전 후 자가 방전 특성을 기록한 특성 곡선을 Charge Retention의 특성 곡선으로 나타내며 다시 재충전하였을 때 초기용량 대비 사용 가능 용량을 나타내는 Recovery의 특성 곡선이다.
즉, 종래의 임의의 잔량이 남아 있는 상황에서 충 방전을 하는 경우는 현재 배터리의 잔량이 얼마인지 모르므로 정확한 잔량을 위의 수식을 통해서 얻기가 어렵다. 또한, 비선형적인 특성과 배터리의 여러 가지 특성으로 인해서 리튬폴리머배터리의 잔량 예측을 위한 모델링의 실제 구현은 거의 어렵다고 할 수 있다. 종래의 자가 방전된 배터리를 재충전하여 방전했을 때에는 일부 배터리에서 자가 방전으로 전압이 0[V] 가까이 되면 회복이 안되고, 복수 개의 셀로 이루어진 배터리의 셀의 충전 속도를 제어하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는, 복수 개의 셀들로 구성되어 있는 배터리를 드레인 전류가 서로 다른 복수 개의 FET들을 이용하여 각 셀에 유입되는 충전 전류량을 조절함으로써 각 셀들의 충전 속도를 제어할 수 있는 배터리 셀 밸런싱 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 배터리 셀 밸런싱 시스템을 적용한 배터리 셀 밸런싱 방법을 제공하는 데 있다.
한편, 본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상기 배터리 셀 밸런싱 방법을 컴퓨터에서 수행할 수 있도록 프로그램으로 기록된 기록매체를 제공하는 데 있다.
상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
드레인(drain) 전류가 서로 다른 복수 개의 FET들이 병렬적 및 전기적으로 연결되어 있는 복수 개의 배터리 셀들; 상기 복수 개의 배터리 셀들을 충전하기 위한 충전 수단; 및 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 충전되는 전류량을 조절하여 충전 속도를 제어하기 위한 제어 수단을 포함하고, 상기 제어 수단은, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 충전 상태를 감시하고, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 대해 상기 복수 개의 FET들 중 적어도 하나의 FET를 선택하고, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 대해 상기 선택된 적어도 하나의 FET를 통해 충전이 이루어지도록 하는 제어 수단을 포함하는 배터리 셀 밸런싱 시스템을 제공한다.
상기 복수 개의 배터리 셀들은, 서로 직렬적 및 전기적으로 연결되어 있는 것을 기술적 특징으로 할 수 있다.
상기 제어 수단은, 상기 복수 개의 배터리 셀들 중 충전량이 큰 배터리 셀일수록 드레인 전류가 큰 FET를 선택함으로써 충전 속도를 느리게 제어하는 것을 기술적 특징으로 할 수 있다.
상기 제어 수단은, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 임피던스값과 전압값을 이용하여 FET를 선택하는 것을 기술적 특징으로 할 수 있다.
상기 제어 수단은, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 대해 각 셀의 전압 오차값과 각 셀의 임피던스값을 입력 값으로 하고 FET의 선택값을 출력값으로 하는 퍼지 알고리즘을 이용하여 상기 FET를 선택하는 것을 기술적 특징으로 할 수 있다. 여기서, 상기 각 셀의 전압 오차값은, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 전압 중 최소 전압과 상기 각 셀의 전압의 차이일 수 있다.
상기 제어 수단은, 상기 퍼지 알고리즘에 따라 상기 각 셀에 대한 FET의 구간값(FET를 선택하기 위한 값)을 획득하고, 상기 각 셀에 연결되어 있는 상기 복수 개의 FET들 중 상기 획득된 구간값에 해당하는 FET를 선택하는 것을 기술적 특징으로 할 수 있다.
상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
복수 개의 배터리 셀들과 상기 복수 개의 배터리 셀들을 충전하기 위한 충전 수단을 포함하고, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에는 드레인(drain) 전류가 서로 다른 복수 개의 FET들이 병렬적 및 전기적으로 연결되어 있는 배터리 셀 밸런싱 시스템에 있어서 상기 복수 개의 배터리 셀들을 밸런싱하는 방법에 있어서, 상기 복수 개의 배터리 셀들에 충전 전류 및 충전 전압을 인가하는 단계; 상기 복수 개의 배터리 셀들 중 최소 전압을 갖는 셀을 기준으로 각 배터리 셀의 전압 오차를 획득하는 단계; 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각의 임피던스 값을 획득하는 단계; 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 대해, 상기 획득된 각각의 전압 오차와 각각의 임피던스 값을 입력값으로 하는 퍼지 알고리즘을 이용하여, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 대해 상기 복수 개의 FET들 중 적어도 하나의 FET를 선택하는 단계; 및 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 대해, 상기 선택된 적어도 하나의 FET를 통해 충전을 수행하는 단계를 포함하는 배터리 셀 밸런싱 방법을 제공한다.
상기 FET를 선택하는 단계는, 상기 복수 개의 배터리 셀들 중 충전량이 큰 배터리 셀일수록 드레인 전류가 큰 FET를 선택함으로써 충전 속도를 느리게 하는 것을 기술적 특징으로 할 수 있다.
상기 FET를 선택하는 단계는, 상기 퍼지 알고리즘에 따라 상기 각 셀에 대한 FET의 구간값을 획득하고, 상기 각 셀에 연결되어 있는 상기 복수 개의 FET들 중 상기 획득된 구간값에 해당하는 FET를 선택하는 것을 기술적 특징으로 할 수 있다.
상기 세 번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
상기 배터리 셀 밸런싱 방법을 컴퓨터에서 실행할 수 있도록 프로그램으로 기록된 기록매체를 제공한다.
본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 시스템, 그 방법 및 이를 기록한 기록매체 에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 의하면, 배터리 셀 각각에 대한 충전 속도를 제어할 수 있으므로 동일한 시간 동안 배터리의 모든 셀들이 동일한 특성을 갖도록 할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 본 발명에 의하면, 적절한 배터리 셀 밸런싱을 통하여 에너지 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 시스템의 블록 구성도이다. 도 9 및 필요한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 시스템을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 시스템은, 도 9에 도시된 바와 같이, 복수 개의 배터리 셀들(100), 충전부(300) 및 제어부(400)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 복수 개의 배터리 셀들(100)은, 드레인 전류가 서로 다른 복수 개의 FET들(200)이 각각 병렬적 및 전기적으로 연결되어 있다. 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)은, 서로 직렬적 및 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
상기 충전부(300)는, 상기 FET들(200)을 통해서 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 충전한다.
상기 제어부(400)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 충전 상태를 감시하고, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 각각에 대해 상기 복수 개의 FET들(200) 중 적어도 하나의 FET를 선택하고, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 각각에 대해 상기 선택된 적어도 하나의 FET를 통해 충전이 이루어지도록 한다.
상기 제어부(400)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 중 충전량이 큰 배터리 셀일수록 드레인 전류가 큰 FET를 선택함으로써 충전 속도를 느리게 제어할 수 있다. 상기 제어부(400)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 임피던스값과 전압값을 이용하여 FET를 선택할 수 있다.
상기 제어부(400)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 각각에 대해 각 셀의 전압 오차값과 각 셀의 임피던스값을 입력 값으로 하고 FET의 선택값을 출력값으로 하는 퍼지 알고리즘을 이용하여 상기 FET를 선택할 수 있다. 여기서, 상기 각 셀의 전압 오차값은, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 전압 중 최소 전압과 상기 각 셀의 전압의 차이일 수 있다.
상기 제어부(400)는, 상기 퍼지 알고리즘에 따라 상기 각 셀에 대한 FET의 구간값을 획득하고, 상기 각 셀에 연결되어 있는 상기 복수 개의 FET들 중 상기 획 득된 구간값에 해당하는 FET를 선택할 수 있다.
이하 상기 제어부(400)의 동작을 중심으로 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 시스템의 동작을 구체적으로 설명하기로 한다.
상기 제어부(400)에 동일한 시간에 셀 밸런싱을 하기 위해 드레인 전류가 서로 다른 복수의 FET들(200)을 이용하는 것은 각각의 배터리 셀에 충전되는 전류의 양을 조절하여 충전 속도를 제어하기 위함이다.
도 9에서 4개의 배터리 셀들(101, 102, 103, 104) 중 제1 배터리 셀(101)의 충전된 양이 가장 크다고 가정하면, 제1셀(101)의 충전 속도를 느리게 하고 나머지 배터리 셀들(102, 103, 104)의 충전 속도를 빠르게 할 필요가 있다. 따라서 주위의 셀들을 고려하여 미리 설정된 FET들 중 드레인 전류가 가장 큰 FET를 온(ON)시켜 전류를 분기시킴으로써 제1 배터리 셀(101)에 유입되는 충전 전류를 작게 하여 충전 속도를 제어할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱의 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 배터리가 충전 위상 동안에 셀 밸런싱을 한다면, 상기 충전부(300)는, 배터리에 Icharge를 흘려 보낼 것이고 제1 배터리 셀(101)에 유입되는 Icharge=I'charge+Iload가 된다. 배터리를 충전하는 실제 전류는 I'charge이고 부하 저항이 끊어질 때 최대 전류가 된다. 배터리를 충전하는 동안 I'charge=I1+I2가 된다. 따라서 제1 배터리 셀(101)의 충전 속도는 I1에 의해 느려질 것이고 나머지 배터리 셀들(102, 103, 104)은 I'charge에 의해 원래의 충전 속도를 가지게 된다. 적절한 FET 를 선택함으로써 배터리 셀들의 밸런스를 유지할 수 있다. 본 발명에서는, 적절한 FET를 선택하기 위한 방법으로서, 전압만을 고려한 방법과 배터리 특성을 고려한 지능형 퍼지 알고리즘을 사용하는 방법을 제공한다.
<전압만을 이용한 배터리 셀 밸런싱 >
상기 제어부(400)는, 충전을 시작하기 전에 배터리의 모든 셀들의 정보를 수집한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 시스템은, BMS(Battery Management System)을 포함할 수 있다. BMS는 상기 제어부(400)의 제어 신호에 따라 배터리 셀 정보를 수집할 수 있다. BMS에서는 모든 전압값을 정렬 알고리즘을 사용하여 작은 값에서 큰 값으로 정렬할 수 있다.
상기 제어부(400)는, 충전 전류를 분기시킬 FET를 선정하기 위해 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 중 전압값이 최소(Vmin)에 해당하는 배터리 셀을 찾는다.
Figure 112008025099131-pat00002
상기 제어부(400)는, 수학식 1을 이용하여 FET를 선택 및 제어한다. 표 1은 수학식 1을 이용하여 FET를 선택 및 제어할 수 있는 8가지의 경우를 예로써 나타내고 있다.
조건문 셀 밸런싱 방법
Vei = 0 모든 FET OFF
Vei > 허용전압(1) FET1 ON
Vei > 허용전압(2) FET2 ON
Vei > 허용전압(3) FET3 ON
Vei > 허용전압(4) FET1 + FET2 ON
Vei > 허용전압(5) FET1 + FET3 ON
Vei > 허용전압(6) FET2 + FET3 ON
Vei > 허용전압(7) 모든 FET ON
<지능형 퍼지 알고리즘을 이용한 배터리 셀 밸런싱>
도 11(a)는 초기 모든 배터리의 특성의 예을 나타내는 도면이다. 도 11(a)에서는 초기에 각 배터리 셀에 연결된 FET들 중 적절한 FET가 선택된 것으로 가정한다. 도 11(b)는 도 11(a)의 배터리에 대해 라이프 사이클에 따른 배터리 특성의 변화 예를 나타내는 도면이다. 도 11(a)와 도 11(b)를 비교하면, 임피던스를 제외한 다른 조건들은 변화하지 않았음을 알 수 있다. 따라서 임피던스를 고려한 FET의 선택이 필요한 것을 알 수 있다. 배터리 임피던스는 라이프 사이클에 따라 비선형적으로 변화한다. 본 발명에서는 비선형적으로 변화하는 임피던스와 전압의 오차를 입력으로 하는 지능형 퍼지 알고리즘을 구현함으로써 배터리 셀 밸런싱을 수행하고자 한다.
본 발명에서는 지능형 알고리즘으로서 퍼지 로직을 사용하여 배터리의 임피던스 변화에 따라 변화하는 배터리의 특성을 예측하여 적절한 FET를 선택하는 방법을 제공한다.
도 12는 본 발명에 적용되는 지능형 퍼지 시스템의 블록도이다. 도 12에 도시된 지능형 퍼지 시스템은, 상기 제어부(400)에 포함될 수 있다. 본 발명에 적용되는 지능형 퍼지 시스템은, 도 12에 도시된 바와 같이, 퍼지화기(501), 규칙베이스(503), 퍼지추론기(505) 및 비퍼지화기(507)를 포함하여 구성될 수 있다.
퍼지 시스템에서 사용될 퍼지 입력 변수(전건부)는 삼각형법을 이용한 퍼지화기(501)를 사용하고, 규칙베이스(503)를 기반으로 하는 추론기(505)를 거친다. 추론 방법은 Max-Min법에 의한 추론을 하며 비퍼지화 과정에서는 단순 무게 중심법(Simplified center of gravity)에 의한 비퍼지화 과정을 진행하여 최종 결과인 FET의 선택 결과값을 도출하고 출력에 대한 일정 범위를 정하여 FET를 선택한다. 퍼지화는 이등변 삼각형 법을 이용하고 입력 변수는 각 셀의 전압 오차값(Vei)과 각 셀의 임피던스값(Zi)를 이용한다.
퍼지 시스템에 적용할 입력변수(전건부)는 배터리 각 셀의 전압을 측정하고 최소 전압이 되는 셀을 기준으로 각 셀의 전압값에 최소 전압의 값을 빼서 그 오차값을 얻어 입력 변수로 사용하며, 그 소속 함수 형태는 도 13과 같다.
또 다른 하나의 입력 변수는 배터리 각 셀의 임피던스를 측정하여 얻은 계산값을 입력 변수로 사용하며, 그 소속 함수 형태는 도 14와 같다.
퍼지 알고리즘의 언어 변수 정의는 표 2와 같다.
Variables VS S M L VL
Definition Very Small Small Middle Large Very Large
퍼지 시스템에 적용할 후건부 변수는 배터리의 밸런싱을 위한 FET의 구간을 나타내는 것으로 하며 소속 함수 형태는 도 15와 같다.
퍼지 추론은 "IF ~ Then" Rule을 사용할 수 있고, 규칙베이스 테이블의 예를 들면 도 16과 같다.
제어 규칙이 만들어지면 입력 조건에 따른 출력을 추론한다. 추론은 제어에 널리 사용되고 간단한 맘다니(Mamdani)의 최대최소연산법(Max-Min Method)을 사용할 수 있고 아래의 수학식 2와 같이 추론이 진행된다.
Figure 112008025099131-pat00003
μai는 각 셀의 전압값과 셀중 최소 전압 값과의 차(x1)에 해당하는 소속 함수를 의미하고, μbi는 각 셀의 임피이던스값(x2)에 해당하는 소속 함수를 의미한다. μci는 동작 시키고자하는 FET의 구간(y)을 나타내는 소속 함수를 의미한다. 기호 중 '∧'는 최소 연산을 의미하고 '∪'는 최대 연산을 의미한다. 비퍼지화는 여러 가지 방법이 가능하다. 본 발명의 실시예에서는 단순 무게 중심법을 사용하였는데 무게 중심 방법은 전체 소속함수의 무게 중심이 되는 곳을 제어값으로 취한다. 따라서 수학식 3에 의해 비퍼지화 과정이 수행될 수 있다.
Figure 112008025099131-pat00004
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 방법의 흐름도이다. 도 18은 도 17의 S21 단계의 상세 흐름도이다. 도 17 및 도 18을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 방법을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명 의 일 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 방법은, 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 시스템에서 수행될 수 있다.
배터리의 각 셀의 전압을 센싱하고 배터리의 각 셀에 유입된 전류를 누적한 값을 획득한다[S10]. 그리고 배터리의 파워가 기준값 이상인지를 판단하여[S11], 기준값이 이상이 아니라면 불량 배터리 셀이 있는지 검사하고[S12], 필요에 따라서는 불량 배터리 셀을 교체한다[S13]. 상기 S11 단계의 판단 결과, 배터리 파워가 기준값 이상이면 배터리 모든 셀들간의 전압 편차 및 교정 오류 오차가 기준값 이내인지를 판단한다[S14]. 도 17에서는 전압 편차 및 교정 오류 오차의 기준값을 1%로 하였다. 상기 S14 단계의 판단 결과, 전압 편차 및 교정 오류 오차가 기준값 이내이면, 배터리의 모든 셀 전압이 최대 전압, Vmax(예를 들어, 4.2V)에 해당하는지를 판단한다[S15]. 상기 S15 단계의 판단 결과, 배터리의 모든 셀 전압이 최대 전압에 해당하면 충전 과정 및 셀 밸런싱 과정은 종료된다.
상기 S15 단계의 판단 결과, 배터리의 모든 셀 전압이 최대 전압에 해당하지 않으면, 배터리에 충전전류/충전전압을 인가한다[S16]. 그리고 배터리의 모든 셀을 충전하면서 각 셀의 전압을 측정한다[S17]. 그리고 MCU에서 배터리의 각 셀 정보(V, dV, I, dI, T, Z)를 측정하고[S18], 각 셀의 정보를 BMS에 전송한다[S19].
그리고 BMS에서 초기 측정한 각 셀의 전압을 저장한다[S20]. 그리고 BMS에서 Vei와 Z를 이용하여 셀 밸런싱을 위한 FET구간을 설정한다[S21]. 상기 S21 단계는 도 18을 참조하여 후술하기로 한다.
그리고 BMS에서 FET의 정보를 MCU에 전송하고[S22], MCU에서 FET를 선택함으로써 배터리 셀 밸런싱을 수행한다[S23]. 그리고 배터리의 각 셀의 전압을 센싱하고 배터리의 각 셀에 유입된 전류를 누적한 값을 획득한 후[S24], 상기 S11 단계로 회귀한다.
이하 도 18을 참조하여 상기 S21 단계를 상술하기로 한다.
먼저 배터리의 각 셀의 전압 오차값, Vei를 구한다[S30]. 상기 S30 단계에서는, 수학식 1이 이용될 수 있다. 그리고 배터리 각 셀들의 전압 오차값(Vei), 각 셀들의 임피던스(Zi)를 퍼지 알고리즘의 입력 변수로 사용하여[S31], 퍼지화 단계[S32], 추론 단계[S33] 및 디퍼지화 단계[S34]를 차례로 수행함으로써 FET의 구간을 결정한다[S21].
<시뮬레이션 결과>
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 시스템을 소정의 환경 하에서 시뮬레이션한 결과를 설명하기로 한다. 시뮬레이션은 프로테우스를 이용하여 구성하였고 프로그램은 AVR 전용 컴파일러인 CodeVision Compiler를 사용하였다. 도 19는 시뮬레이션에 사용된 회로도이다. 표 3는 시뮬레이션에 사용된 회로의 구성 요소를 나타낸다.
정전압 / 전류회로 (18V / 3.6A)
과충전 제어를 위한 릴레이
배터리 모델링
각 셀의 전압을 측정하기 위한 감산 증폭기
배터리 셀 밸런싱을 위한 BJT/MOSFET
MOSFET의 선택과 알고리즘이 탑재된 CPU인 ATmega128
LCD를 이용한 각 배터리 전압 표시
각 셀의 전압의 비교를 위한 아날로그 그래프
시뮬레이션에서는 2번째 셀의 임피던스를 조절하고 나머지 제1셀, 제3셀 및 제4셀은 동일한 특성을 가지게 하고, 전압만을 이용한 셀 밸런싱과 퍼지 알고리즘을 이용한 셀 밸런싱을 수행하였다. 이하의 도면들에서는 빨간색(red)이 배터리의 특성을 변화시킨 제2셀을 나타낸다.
도 20a 및 도 20b는 전압만을 이용한 셀 밸런싱을 수행한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도 21a 및 도 21b는 퍼지 알고리즘을 이용한 셀 밸런싱을 수행한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도 22는 배터리 셀 밸런싱을 수행하지 않은 경우를 나타내는 도면이다.
도 20a와 도 20b를 비교하면, 350m(12초)에서 Vmax = 4.19V이고 제2셀(특성을 변화시킨 셀)은 4.13V가 되는 것을 알 수 있다.
도 21a와 도 21b를 비교하면, 배터리 전압이 비교적 안정되어 있는 550m(33초)에서 Vmax = 4.20V이고 제2셀(특성을 변화시킨 셀)은 4.15V가 되는 것을 알 수 있다.
배터리 4셀이 최대 가질 수 있는 전압은, 총전압 Vtotal = V1 + V2 + V3 + V4 = 4.2 + 4.2 + 4.2 + 4.2 = 16.8V이다. 배터리 셀들이 밸런싱되지 않았을 경우, 제1 셀의 전압이 4.2V로 도달하게 되면서 충전을 멈추게 되어 보이는 그래프와 같이 나머지 셀들이 충전하지도 못한 채 충전을 멈추게 되어 제대로 된 에너지 효율을 내지 못하게 된다. 아래에 (1) 셀 밸런싱이 이루어지지 않은 경우, (2) 전압만을 이용한 셀 밸런싱을 수행한 경우, (3) 퍼지 알고리즘을 이용한 셀 밸런싱을 수행한 경우를 각각 설명하기로 한다.
(1) 셀 밸런싱이 이루어지지 않은 경우 (도 22)
셀 밸런싱이 이루어지지 않았을 때 총 전압은, Vtotal = 4.19 + 4.14 + 4.13 + 4.06 = 16.52V가 되어 약 0.28V(280mV)의 오차를 나타냈고 셀간의 오차는 최대 0.13V(130mV)를 나타냈다.
(2) 전압만을 이용한 셀 밸런싱을 수행한 경우 (도 20a 및 도 20b)
전압만을 이용한 셀 밸런싱 방법에 의하면, 약 12초 후에 모든 셀들이 안정화되었고 그 때의 배터리 셀들의 전압을 비교해 보면 특성이 변화된 제2셀의 전압을 밴 나머지 전압은 4.19V가 되었고 제2 셀은 4.13V가 되어 총전압 Vtotal = 4.19 + 4.19 + 4.19 + 4.13 = 16.7V가 되어 약 0.1V(100mV)의 오차를 나타냈고 셀간의 오차는 최대 0.06V(60mV)를 나타냈다.
(3) 퍼지 알고리즘을 이용한 셀 밸런싱을 수행한 경우 (도 21a 및 도 21b)
퍼지 알고리즘을 이용한 셀 밸런싱 방법에 의하면, 약 34초에 셀의 전압이 최대 4.2V가 되었을 때를 비교하면, 특성이 변화된 제2 셀의 전압을 뺀 나머지 전압은 4.20V와 4.19V가 되었고 제2 셀은 4.15V가 되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 총전압 Vtotal = 4.20 + 4.20 + 4.19 + 4.15 = 16.74V가 되어 약 0.06V(60mV)의 오차를 나타냈고 셀간의 오차는 최대 0.05V(50mV)를 나타냈다.
상기에서 설명한 3가지 경우를 비교하면, 셀 밸런싱을 수행하게 되면 배터리의 파워 측면에서 4셀 기준으로 월등한 효능을 발휘하는 것이 확인되었다. 셀의 개수가 많아질수록 셀 밸런싱의 필요성은 점점 더 증가한다. 만약 88셀 배터리 시스템의 경우, 본 발명에 따른 셀 밸런싱을 수행하지 않는다면, 배터리의 파워 측면에서 효율을 극대화하지 못할 것이며 결과적으로 배터리의 특성이 악화되는 문제가 발생할 수 있다.
셀 밸런싱을 수행하는 경우 상기에서 설명한 바와 같이 전압을 이용하는 방법과 배터리 특성을 고려한 퍼지 알고리즘을 적용하는 방법을 비교하였다. 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이 본 발명에 의하면 셀간의 오차가 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
상기에서 설명한 본 발명에 의한 셀 밸런싱 방법은, 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록하여 제공될 수 있다.
본 발명에 의한 셀 밸런싱 방법은 소프트웨어를 통해 실행될 수 있다. 소프트웨어로 실행될 때, 본 발명의 구성 수단들은 필요한 작업을 실행하는 코드 세그먼트들이다. 프로그램 또는 코드 세그먼트들은 프로세서 판독 가능 매체에 저장되거나 전송 매체 또는 통신망에서 반송파와 결합된 컴퓨터 데이터 신호에 의하여 전송될 수 있다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 장치의 예로는, ROM, RAM, CD-ROM, DVD±ROM, DVD-RAM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 하드 디스크(hard disk), 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 장치에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
도 1은 리튬폴리머배터리의 원리를 도시한 것이다.
도 2는 리튬폴리머배터리의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 리튬폴리머배터리의 상세 구성을 도시한 것이다.
도 4는 리튬폴리머배터리의 주요 특성을 도시한 그래프이다.
도 5는 리튬폴리머배터리의 방전특성을 도시한 것이다.
도 6은 다양한 온도에서의 리튬폴리머배터리의 방전 용량을 나타낸 것이다
도 7은 리튬폴리머배터리의 사이클 라이프(cycle life) 특성 곡선이다.
도 8은 리튬폴리머배터리를 재충전하였을 때 초기용량 대비 사용 가능 용량을 나타내는 Recovery의 특성 곡선이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 시스템의 블록 구성도이다.
도 10은 본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱의 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11(a)는 초기 모든 배터리의 특성의 예을 나타내는 도면이다.
도 11(b)는 도 11(a)의 배터리에 대해 라이프 사이클에 따른 배터리 특성의 변화 예를 나타내는 도면이다.
도 12은 본 발명에 적용되는 지능형 퍼지 시스템의 블록도이다.
도 12는 전압 오차값의 소속 함수 형태를 나타낸 도면이다.
도 14은 임피던스값의 소속 함수 형태를 나타낸 도면이다.
도 15는 FET 구간값의 소속 함수 형태를 나타낸 도면이다.
도 16는 규칙베이스 테이블의 예를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 방법의 흐름도이다.
도 18은 도 17의 S21 단계의 상세 흐름도이다.
도 19은 시뮬레이션에 사용된 회로도이다.
도 20a 및 도 20b는 전압만을 이용한 셀 밸런싱을 수행한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 21a 및 도 21b는 퍼지 알고리즘을 이용한 셀 밸런싱을 수행한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 22는 배터리 셀 밸런싱을 수행하지 않은 경우를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101~104: 배터리 셀 200: FET
300: 충전부 400: 제어부
501: 퍼지화기 503: 규칙베이스
505: 퍼지추론기 507: 비퍼지화기

Claims (12)

  1. 드레인(drain) 전류가 서로 다른 복수 개의 FET들이 병렬적 및 전기적으로 연결되어 있는 복수 개의 배터리 셀들;
    상기 복수 개의 배터리 셀들을 충전하기 위한 충전 수단; 및
    상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 충전되는 전류량을 조절하여 충전 속도를 제어하기 위한 제어 수단을 포함하고,
    상기 제어 수단은,
    상기 복수 개의 배터리 셀들의 충전 상태를 감시하고, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 대해 상기 복수 개의 FET들 중 적어도 하나의 FET를 선택하고, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 대해 상기 선택된 적어도 하나의 FET를 통해 충전이 이루어지도록 하는 제어 수단을 포함하는 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수 개의 배터리 셀들은,
    서로 직렬적 및 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 수단은,
    상기 복수 개의 배터리 셀들 중 충전량이 큰 배터리 셀일수록 드레인 전류가 큰 FET를 선택함으로써 충전 속도를 느리게 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제어 수단은,
    상기 복수 개의 배터리 셀들의 임피던스값과 전압값을 이용하여 FET를 선택하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제어 수단은,
    상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 대해 각 셀의 전압 오차값과 각 셀의 임피던스값을 입력 값으로 하고 FET의 선택값을 출력값으로 하는 퍼지 알고리즘을 이용하여 상기 FET를 선택하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 각 셀의 전압 오차값은,
    상기 복수 개의 배터리 셀들의 전압 중 최소 전압과 상기 각 셀의 전압의 차이인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제어 수단은,
    상기 퍼지 알고리즘에 따라 상기 각 셀에 대한 FET의 구간값을 획득하고, 상기 각 셀에 연결되어 있는 상기 복수 개의 FET들 중 상기 획득된 구간값에 해당하는 FET를 선택하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  8. 복수 개의 배터리 셀들과 상기 복수 개의 배터리 셀들을 충전하기 위한 충전 수단을 포함하고, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에는 드레인(drain) 전류가 서로 다른 복수 개의 FET들이 병렬적 및 전기적으로 연결되어 있는 배터리 셀 밸런싱 시스템에 있어서 상기 복수 개의 배터리 셀들을 밸런싱하는 방법에 있어서,
    상기 복수 개의 배터리 셀들에 충전 전류 및 충전 전압을 인가하는 단계;
    상기 복수 개의 배터리 셀들 중 최소 전압을 갖는 셀을 기준으로 각 배터리 셀의 전압 오차를 획득하는 단계;
    상기 복수 개의 배터리 셀들 각각의 임피던스 값을 획득하는 단계;
    상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 대해, 상기 획득된 각각의 전압 오차와 각각의 임피던스 값을 입력값으로 하는 퍼지 알고리즘을 이용하여, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 대해 상기 복수 개의 FET들 중 적어도 하나의 FET를 선택하는 단계; 및
    상기 복수 개의 배터리 셀들 각각에 대해, 상기 선택된 적어도 하나의 FET를 통해 충전을 수행하는 단계를
    포함하는 배터리 셀 밸런싱 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 복수 개의 배터리 셀들은,
    서로 직렬적 및 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 FET를 선택하는 단계는,
    상기 복수 개의 배터리 셀들 중 충전량이 큰 배터리 셀일수록 드레인 전류가 큰 FET를 선택함으로써 충전 속도를 느리게 하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 FET를 선택하는 단계는,
    상기 퍼지 알고리즘에 따라 상기 각 셀에 대한 FET의 구간값을 획득하고, 상기 각 셀에 연결되어 있는 상기 복수 개의 FET들 중 상기 획득된 구간값에 해당하는 FET를 선택하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 방법.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항의 어느 한 항의 방법을 컴퓨터로 실행시킬 수 있는 컴퓨터 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
KR1020080032360A 2007-04-30 2008-04-07 배터리 셀 밸런싱 시스템, 그 방법 및 이를 기록한기록매체 KR100964316B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070042240 2007-04-30
KR20070042240 2007-04-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20080097128A KR20080097128A (ko) 2008-11-04
KR100964316B1 true KR100964316B1 (ko) 2010-06-16

Family

ID=40285164

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080032360A KR100964316B1 (ko) 2007-04-30 2008-04-07 배터리 셀 밸런싱 시스템, 그 방법 및 이를 기록한기록매체

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100964316B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101147168B1 (ko) * 2010-09-09 2012-05-25 (주)이미지스테크놀로지 Ｅｑ 셀을 이용한 배터리팩의 셀 밸런싱 제어시스템 및 그 제어방법

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101182336B1 (ko) * 2009-09-14 2012-10-09 이정용 배터리 관리 시스템의 복수의 셀 전압 밸런싱을 위한 제어방법
KR101456425B1 (ko) * 2012-04-09 2014-10-31 주식회사 엘지화학 충방전기 검사 및 교정 장치
KR101494081B1 (ko) * 2013-05-31 2015-02-16 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 퍼지 알고리즘을 이용한 배터리 전압 밸런싱 장치
KR102269109B1 (ko) * 2017-03-08 2021-06-25 주식회사 엘지화학 펄스폭변조를 이용한 배터리 팩 밸런싱 장치 및 그 방법
CN117368751B (zh) * 2023-12-08 2024-03-19 江西兴原星科技有限公司 一种遥控器低电量检测方法及系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10191574A (ja) 1996-12-26 1998-07-21 Japan Tobacco Inc 充電装置
JP2005176520A (ja) * 2003-12-11 2005-06-30 Sanyo Electric Co Ltd 電池の充電方法
KR20060083343A (ko) * 2005-01-14 2006-07-20 주식회사 엘지화학 배터리의 밸런싱 장치 및 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10191574A (ja) 1996-12-26 1998-07-21 Japan Tobacco Inc 充電装置
JP2005176520A (ja) * 2003-12-11 2005-06-30 Sanyo Electric Co Ltd 電池の充電方法
KR20060083343A (ko) * 2005-01-14 2006-07-20 주식회사 엘지화학 배터리의 밸런싱 장치 및 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101147168B1 (ko) * 2010-09-09 2012-05-25 (주)이미지스테크놀로지 Ｅｑ 셀을 이용한 배터리팩의 셀 밸런싱 제어시스템 및 그 제어방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20080097128A (ko) 2008-11-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10873201B2 (en) Battery management apparatus and method for protecting a lithium iron phosphate cell from over-voltage using the same
US11391779B2 (en) Battery capacity estimation apparatus and method, and battery management apparatus provided with same and method thereof
US11105861B2 (en) Device and method for estimating battery resistance
CN105518924A (zh) 电池设备和电动车辆
US9184600B2 (en) Method for balancing the voltages of electrochemical cells connected in several parallel branches
KR100964316B1 (ko) 배터리 셀 밸런싱 시스템, 그 방법 및 이를 기록한기록매체
Shafiei et al. Plug-in hybrid electric vehicle charging: Current issues and future challenges
Wang et al. Minimizing state-of-health degradation in hybrid electrical energy storage systems with arbitrary source and load profiles
JP2010273519A (ja) 充放電制御方法
EP3729600A1 (en) Cell balancing in batteries
JP2022532545A (ja) 電池セル診断装置および方法
JP2022532120A (ja) 電極の相対的退化度を用いた二次電池の動作制御装置及び方法
Cheng et al. Fuzzy controlled fast charging system for lithium-ion batteries
US20220255142A1 (en) Battery management apparatus, battery management method and battery pack
Darwish et al. Review of battery management systems
US20230148088A1 (en) Battery management apparatus and method
US20220278540A1 (en) Battery charge and discharge control device and method
US11946974B2 (en) Parallel battery relay diagnostic device and method
Jeyashree et al. Review on battery management system for electric vehicle application
Banaei et al. Online detection of terminal voltage in Li-ion batteries via battery impulse response
EP2658074B1 (en) Discharge controller
Sanjaya Thermal Monitoring System Phase Change Material Batteries Using Fuzzy Logic
Bairwa et al. Modeling of low cost battery charge controller for stationary to mobile applications
Bartek Passive and Active Battery Balancing Methods Implemented on Second Use Lithium-ion Batteries
US20230333175A1 (en) Battery management apparatus and operating method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130731

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140404

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee