KR101050423B1

KR101050423B1 - 배터리 에너지원의 ｓｏｃ 밸런싱 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101050423B1
Application number: KR1020110021804A
Authority: KR
Inventors: 이태경
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2011-07-19

Abstract

본 발명은 단위 배터리 팩을 직병렬 조합으로 구성하여 SOC(State Of Charge) 밸런싱을 효육적으로 제어하는 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 m(m은 2 이상의 자연수)개의 단위 배터리 팩으로 이루어진 n(n은 2 이상의 자연수)개의 단위 배터리 팩군과 복수의 스위치를 포함하며 전원을 공급하는 배터리 팩과, 상기 m개의 단위 배터리 팩 각각의 SOC 값을 측정하는 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System)과, 상기 배터리 관리시스템으로부터 상기 m개의 단위 배터리 팩 각각의 SOC 값을 수신하고, 상기 복수의 스위치를 제어하여 SOC를 조절하는 SOC 밸런싱 제어장치를 포함한다.
본 발명에 따른 배터리 에너지원의 SOC 조절 장치 및 방법을 이용하면, 단위 배터리 팩이 직병렬 조합으로 구성된 배터리 에너지원을 최대로 활용할 수 있으며, 강제적 셀 밸런싱으로 인한 에너지 손실을 최소화 할 수 있다.

Description

배터리 에너지원의 ＳＯＣ 밸런싱 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR SOC BALANCING OF BATTERY ENERGY SOURCE}

본 발명은 단위 배터리 팩을 직병렬 조합으로 구성하여 SOC 밸런싱을 효율적으로 제어하는 배터리 에너지원의 SOC(State Of Charge) 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다.

배터리 전원을 기반으로 하는 전기차량 및 하이브리드 차량은 그 운용을 위하여 요구되는 전압, 전류 에너지를 충족시키기 위하여 단위 배터리 팩을 직병렬 조합으로 구성하여 사용하고 있다. 이때 다수의 단위 셀로 구성되는 단위 배터리 팩은 외부환경과 배터리 자체의 특성에 의하여 상태 변화를 일으킬 수 있기 때문에, 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System)을 이용하여 단위 배터리 팩의 상태를 항상 감시/관리하여야 한다. 여기서, 배터리 관리 시스템이 수행하는 매우 중요한 임무 중 하나가 단위 셀간의 전압 불균형을 해소하는 배터리 셀 밸런싱(Battery Cell Balancing)이다.

배터리 에너지원의 SOC(State Of Charge) 밸런싱을 위해서는 배터리 셀 밸런싱이 이루어져야 한다. 배터리 셀 밸런싱 방법으로는 저항(Resistance)을 이용하여 방전함으로써 전압을 조절하는 방법과, 커패시터(Capacitor)를 이용하여 전압을 조절하는 방법과, 인덕터(Inductor)를 이용하여 전류를 분배함으로써 전압을 조절하는 방법이 있다. 그러나, 이와 같은 방법들은 셀 개수에 비례하여 높은 비용과 에너지 손실이 발생한다. 더구나, 단위 배터리 팩을 직병렬로 조합하는 경우에는 충방전 전류가 상대적으로 상이한 구조를 가져 셀 밸런싱 동작 횟수가 늘어가고, 시간이 지남에 따라 배터리 팩간의 셀 불균형으로 인하여 배터리 팩간의 SOC 불균형을 초래한다. 이때, 배터리 팩간의 SOC 불균형은 직병렬 조합으로 이루어진 배터리 에너지원이 가지는 최대 에너지 사용을 제한하는데, 구체적으로 방전시에는 직병렬 조합의 배터리 팩 중 최소 SOC 값으로 제한하며, 충전시에는 최대 SOC 값으로 제한한다. 따라서, 단위 배터리 팩의 직병렬 조합으로 구성되는 배터리 에너지원은 단위 배터리 팩간의 효율적인 SOC 밸런싱과 빈번한 외부의 강제적인 셀 밸런싱을 억제하여 에너지 손실을 최소화하는 방법이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 직병렬 조합의 단위 배터리 팩에 대하여 자동 SOC(State Of Charge) 밸런싱을 수행함으로써 배터리 충방전 에너지를 최대로 활용하고 셀 밸런싱으로 인한 에너지 손실을 최소화하는 배터리 에너지원의 SOC 조절 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

상기 본 발명의 목적을 이루기 위한 배터리 에너지원의 SOC(State Of Charge) 조절 장치는 m(m은 2 이상의 자연수)개의 단위 배터리 팩으로 이루어진 n(n은 2 이상의 자연수)개의 단위 배터리 팩군과 복수의 스위치를 포함하며 전원을 공급하는 배터리 팩과, 상기 m개의 단위 배터리 팩 각각의 SOC(State Of Charge) 값을 측정하는 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System)과, 상기 배터리 관리시스템으로부터 상기 m개의 단위 배터리 팩 각각의 SOC 값을 수신하고, 상기 복수의 스위치를 제어하여 SOC를 조절하는 SOC 밸런싱 제어장치를 포함하며, 상기 n개의 단위 배터리 팩군은, 직렬로 연결된 m개의 단위 배터리 팩들로 구성되어 있고, 상기 n개의 단위 배터리 팩들 각각은 병렬로 연결되어 있으며, 상기 복수의 스위치는, 상기 n개의 단위 배터리 팩군 중 i(1≤i≤n-1)번째 배터리 팩군에서의 각 단위 배터리 팩의 j(1≤j≤m-1)번째 교점과, i+1번째 배터리 팩군에서의 각 단위 배터리 팩의 j(1≤j≤m-1)번째 교점을 연결한다.

상기 본 발명의 목적을 이루기 위한 배터리 에너지원의 SOC 조절 방법은 직병렬 조합의 단위 배터리 팩으로 구성된 배터리 팩에 대하여 행(row) 단위로 셀 밸런싱을 수행하는 단계와, 상기 단위 배터리 팩들의 실시간 SOC 값을 계산하는 단계와, 상기 계산된 실시간 SOC 값들로부터 자동 SOC 밸런싱 수행 여부를 판단하는 단계와, 자동 SOC 밸런싱을 수행하는 경우 상기 배터리 팩에 대하여 열 단위로 셀 밸런싱을 수행하는 단계와, 상기 열 단위로 셀 밸런싱을 수행하는 단계에 의하여 각 단위 배터리 팩의 SOC 값이 기설정된 SOC 기준값에 도달한 경우 상기 열 단위의 셀 밸런싱을 종료하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 배터리 에너지원의 SOC(State Of Charge) 조절 장치 및 방법을 이용하면, 단위 배터리 팩이 직병렬 조합으로 구성된 배터리 에너지원을 최대로 활용할 수 있으며, 강제적 셀 밸런싱으로 인한 에너지 손실을 최소화 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 배터리 에너지원의 SOC(State Of Charge) 밸런싱 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 장치에서 배터리 팩의 일실시예이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 장치에서 SOC 밸런싱 제어장치의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 방법의 흐름도이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 배터리 에너지원의 SOC(State Of Charge) 밸런싱 장치의 개략적인 구성도이다. 본 발명에 따른 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 장치는 m(m은 2 이상의 자연수)개의 단위 배터리 팩으로 이루어진 n(n은 2 이상의 자연수)개의 단위 배터리 팩군과 복수의 스위치를 포함하며 전원을 공급하는 배터리 팩과, 상기 m개의 단위 배터리 팩 각각의 SOC(State Of Charge) 값을 측정하는 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System)과, 상기 배터리 관리시스템으로부터 상기 m개의 단위 배터리 팩 각각의 SOC 값을 수신하고, 상기 복수의 스위치를 제어하여 SOC를 조절하는 SOC 밸런싱 제어장치를 포함한다.

상기 각 구성요소에 대하여 상세히 살펴보기 위하여 도 2와 도 3을 참조한다.

도 2는 본 발명에 따른 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 장치에서 배터리 팩의 일실시예이다. 도 2에서는 배터리 팩의 일실시예로서, m은 3, n은 3인 경우를 제안하고 있다. 그러나, 본 발명에 따른 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 장치는 도 2에 도시된 경우에서 뿐만 아니라 배터리 팩의 갯수와 상관없이 동일한 사상이 확장되어 적용될 수 있음은 물론이다.

도 2를 참조하여 배터리 팩(100)의 구성을 살펴보면 다음과 같다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩(100)의 일실시예에서는 3개의 단위 배터리 팩(111 ~ 113, 121 ~ 123, 131 ~ 133)이 직렬로 연결되어 구성된 단위 배터리 팩군(110 ~ 130)이 3개 나타나고 있으며, 상기 3개의 단위 배터리 팩군(110 ~ 130)은 각각이 병렬로 연결되어 있다. 또한 상기 각각의 단위 배터리 팩군(110 ~ 130)에서의 각 단위 배터리 팩간 병렬 셀 밸런싱을 위하여 4개의 스위치(151 ~ 54)가 연결되어 있다.

도 2에 나타나는 배터리 팩의 구성은 본 발명에서 제안하는 배터리 팩의 일실시예이다. 본 발명에서 제안하는 배터리 팩의 구성에 대하여 일반적으로 기술하면 다음과 같이 표현될 수 있다.

즉, 배터리 팩에 포함되는 상기 n개의 단위 배터리 팩군은, 직렬로 연결된 m개의 단위 배터리 팩(111~113, 121~123, 131~133)들로 구성되어 있고, 상기 n개의 단위 배터리 팩군(110~130)들 각각은 병렬로 연결되어 있으며, 상기 복수의 스위치는, 상기 n개의 단위 배터리 팩군 중 i(1≤i≤n-1)번째 배터리 팩군에서의 각 단위 배터리 팩의 j(1≤j≤m-1)번째 교점과, i+1번째 배터리 팩군에서의 각 단위 배터리 팩의 j(1≤j≤m-1)번째 교점을 연결한다. 이때, 상기 배터리 팩간 행 단위로 접점되는 스위치는 양방향 스위치로서, 정상상태에서 배터리 팩간의 불균형 전압차이만 감당하므로 작은 내압특성의 소자가 요구되는 특징을 갖는다.

이와 같은 구성에 의하여, 빈번하게 발생하는 외부의 강제적인 셀 밸런싱으로 인한 에너지 손실을 최소화하는 것이 가능하다.

다음으로, 본 발명에서의 SOC 밸런싱 제어장치에 대하여 도 3을 참조하여 살펴보도록 한다. 도 3은 본 발명에 따른 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 장치에서 SOC 밸런싱 제어장치의 개략적인 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에서의 SOC 밸런싱 제어장치(300)는 상기 배터리 관리시스템(200)으로부터 상기 단위 배터리 팩들의 실시간 SOC 값을 수신하는 통신부(310)와, 상기 통신부(310)에서 수신한 SOC 값을 기반으로 자동 SOC 밸런싱 여부를 결정하는 연산부(320)와, 상기 연산부(320)에서 결정된 자동 SOC 밸런싱 여부에 따라, 자동 SOC 밸런싱을 수행하는 동안에는 스위치를 온(On)시켜 상기 단위 배터리 팩간에 행(行)별 SOC 밸런싱을 수행하도록 하고, 상기 자동 SOC 밸런싱을 수행하지 않는 경우에는 스위치를 오프(Off)시켜 서로 상기 단위 배터리 팩군들 사이의 열(列)별 SOC 밸런싱을 수행하도록 하는 스위치 구동부(330)를 포함한다.

이때, 상기 통신부(310)에서는 상기 배터리 관리시스템으로부터 지속적으로 상기 단위 배터리 팩들의 실시간 SOC 값과 상기 스위치의 온/오프 상태를 수신하고, 통신이 원활하고 수행되고 있음을 상기 배터리 관리시스템에 통보할 수 있다.

또한, 상기 연산부(320)에서는 상기 단위 배터리 팩들의 실시간 SOC 값을 기반으로, 상기 단위 배터리 팩간의 SOC 값이 불균형한 경우 자동 SOC 밸런싱이 필요한 시점으로 판단하고, 상기 단위 배터리 팩간의 SOC 값이 균형을 이룬 경우 자동 SOC 밸런싱이 필요하지 않은 시점으로 판단한다.

그리고, 상기 연산부(320)에서 결정한 자동 SOC 밸런싱의 필요 여부에 따라 상기 스위치 구동부(330)에서 스위치를 작동하게끔 구성한다.

이상, SOC 밸런싱 제어장치에 대하여 살펴보았으며, 상기 SOC 밸런싱 제어장치는 배터리 관리 시스템과 별개의 장치로 구성되는 것으로 기재되어 있다. 그러나, 상기 SOC 밸런싱 제어장치를 배터리 관리 시스템에 포함하여 동작하게 하는 것이 가능함은 당해 기술분야의 숙련된 기술자에게 자명한 사항이다.

다음으로, 본 발명에 따른 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 방법에 대하여 살펴보도록 한다. 도 4는 본 발명에 따른 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 방법의 흐름도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 방법은 a) 단위 배터리 팩들이 서로 직렬로 연결된 단위 배터리 팩군들 다수 개가 서로 병렬로 연결된 직병렬 조합의 배터리 팩에 대하여 열(column)별로 셀 밸런싱을 수행하는 단계(S410)와, b) 상기 단위 배터리 팩들의 실시간 SOC 값을 계산하는 단계(S420)와, c) 상기 계산된 실시간 SOC 값들로부터 자동 SOC 밸런싱 수행 여부를 판단하는 단계(S430)와, d) 자동 SOC 밸런싱을 수행하는 경우 상기 배터리 팩에 대하여 행(row) 단위로 셀 밸런싱을 수행하는 단계(S440)와, e) 상기 행(row) 단위로 셀 밸런싱을 수행하는 단계에 의하여 각 단위 배터리 팩의 SOC 값이 기설정된 SOC 기준값에 도달한 경우 상기 행(row) 단위의 셀 밸런싱을 종료하는 단계(S450)를 포함한다. 이때, 상기 열(column)별로 셀 밸런싱을 수행하는 단계(S410)에서는 스위치를 오프(Off)시키고, 상기 행(row)별로 셀 밸런싱을 수행하는 단계(S440)에서는 스위치를 온(On)시키며, 상기 스위치 조작을 통하여 상기 단위 배터리 팩간에 행(row)별 또는 단위 배터리 팩군 간의 열(column)별 셀 밸런싱을 선택적으로 운용할 수 있다.

상기 c) 단계(S430)에서 자동 SOC 밸런싱 수행이 필요없다고 판단될 경우에는 다시 a) 단계(S410)로 돌아가 단위 배터리 팩군들 간의 열(column)별 셀 밸런싱을 수행하도록 구성할 수 있으며, 상기 a) 단계 내지 e) 단계를 반복하여 수행하도록 구성할 수도 있다.

상기와 같이, 본 발명에 따른 배터리 에너지원의 SOC 조절 장치 및 방법을 이용하면, 단위 배터리 팩이 직병렬 조합으로 구성된 배터리 에너지원을 최대로 활용할 수 있으며, 강제적 셀 밸런싱으로 인한 에너지 손실을 최소화 할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용이 가능함은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 다음의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 배터리 팩 110 ~ 130 : 단위 배터리 팩군
111 ~ 113, 121 ~ 123, 131 ~ 133 : 단위 배터리 팩
151 ~ 154 : 스위치
180 : 양극 190 : 음극
200 : 배터리 관리시스템(BMS) 300 : SOC 밸런싱 제어기
310 : 통신부 320 : 연산부
330 : 스위치 구동부

Claims

m(m은 2 이상의 자연수)개의 단위 배터리 팩으로 이루어진 n(n은 2 이상의 자연수)개의 단위 배터리 팩군과 복수의 스위치를 포함하며, 전원을 공급하는 배터리 팩;
상기 m개의 단위 배터리 팩 각각의 SOC(State Of Charge) 값을 측정하는 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System); 및
상기 배터리 관리시스템으로부터 상기 m개의 단위 배터리 팩 각각의 SOC 값을 수신하고, 상기 복수의 스위치를 제어하여 SOC를 조절하는 SOC 밸런싱 제어장치를 포함하며,
상기 n개의 단위 배터리 팩군은,
직렬로 연결된 m개의 단위 배터리 팩들(111~113, 121~123, 131~133)로 구성되어 있고, 상기 n개의 배터리 팩군들 각각(110~130)은 병렬로 연결되어 있으며,
상기 복수의 스위치는,
상기 n개의 단위 배터리 팩군 중 i(1≤i≤n-1)번째 배터리 팩군에서의 각 단위 배터리 팩의 j(1≤j≤m-1)번째 교점과, i+1번째 배터리 팩군에서의 각 단위 배터리 팩의 j(1≤j≤m-1)번째 교점을 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 SOC 밸런싱 제어장치는,
상기 배터리 관리시스템으로부터 상기 단위 배터리 팩들의 실시간 SOC 값을 수신하는 통신부;
상기 통신부에서 수신한 SOC 값을 기반으로 자동 SOC 밸런싱 여부를 결정하는 연산부; 및
상기 연산부에서 결정된 자동 SOC 밸런싱 여부에 따라, 자동 SOC 밸런싱을 수행하는 동안에는 스위치를 온(On)시켜 서로 다른 단위 배터리 팩군에 속해 서로 병렬 위치에 놓인 단위 배터리 팩간의 SOC 밸런싱을 행(row)별로 수행하고, 상기 자동 SOC 밸런싱을 수행하지 않는 경우에는 스위치를 오프(Off)시켜 서로 병렬 위치에 놓인 단위 배터리 팩군 간의 SOC 밸런싱을 열(column)별로 수행하는 스위치 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 장치.
a) 단위 배터리 팩들이 서로 직렬로 연결된 단위 배터리 팩군들 다수 개가 서로 병렬로 연결된 직병렬 조합의 배터리 팩에 대하여 각 단위 배터리 팩군들 간의 열(column)별 셀 밸런싱을 수행하는 단계;
b) 상기 단위 배터리 팩들의 실시간 SOC 값을 계산하는 단계;
c) 상기 계산된 실시간 SOC 값들로부터 자동 SOC 밸런싱 여부를 판단하는 단계;
d) 자동 SOC 밸런싱을 수행하는 경우 서로 다른 단위 배터리 팩군에 속해 서로 병렬 위치에 놓인 단위 배터리 팩간의 행(row)별 셀 밸런싱을 수행하는 단계; 및
e) 상기 행(row)별 셀 밸런싱을 수행하는 단계에 의하여 각 단위 배터리 팩의 SOC 값이 기설정된 SOC 기준값에 도달한 경우 상기 행(row)별 셀 밸런싱을 종료하는 단계를 포함하는 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 열(column)별 셀 밸런싱을 수행하는 단계에서는 스위치를 오프(Off)시키고,
상기 행(row)별 셀 밸런싱을 수행하는 단계에서는 스위치를 온(On)시키는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 c) 단계에서 자동 SOC 밸런싱 수행이 필요없다고 판단될 경우 다시 a) 단계로 돌아가 각 단위 배터리 팩군들 간의 열(column)별 셀 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 방법은 상기 a) 단계 내지 e) 단계를 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지원의 SOC 밸런싱 방법.