KR101107999B1 - 전압 센서와 전하 균일 장치가 결합된 배터리 운용 시스템 - Google Patents

전압 센서와 전하 균일 장치가 결합된 배터리 운용 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 배터리 운용 장치는 직렬 연결된 복수개의 배터리로 구성된 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈에 병렬로 연결된 스위치 모듈; 배터리 모듈을 구성하는 각 배터리의 전압을 측정하는 전압 센서; 배터리를 충전, 방전 또는 충ㆍ방전 시키는 전하균일장치; 및 상기 전압 센서에서 측정된 전압 값을 입력받아 배터리 모듈을 구성하는 각 배터리의 충전 또는 방전을 판단하고 상기 스위치 모듈을 제어하는 마이크로프로세서;를 포함하여 구성되어, 상기 전압 센서 및 상기 전하균일장치는 동일한 상기 스위치 모듈에 의해 상기 배터리 모듈을 구성하는 각 배터리와 연결되는 특징이 있다.
본 발명의 배터리 운용 장치는 전압 센서와 전하 균일 장치가 개별 배터리를 선택하기 위해 사용되는 스위치 모듈을 공유하고, 개별 배터리에 전하 균일 장치가 구비된 것이 아니라, 모듈별로 단일한 전하 균일 장치가 구비되고 스위치 모듈에 의해 시간 분할 방식으로 모듈을 구성하는 개별 배터리와 전하 균일 장치가 연결되어 충전 또는 방전을 수행함으로써 전체 배터리 운용 시스템의 부피가 획기적으로 감소되는 장점이 있으며, 또한 전체 직렬 연결된 배터리를 모듈 단위로 나누어 각각의 모듈별로 전압 센서, 전하 균일 장치 및 스위치 모듈을 구현함으로써 스위치 모듈에 사용되는 스위치의 전압 스트레스를 줄일 수 있는 장점이 있다.
배터리 운용 시스템, 전하균일장치, 전압 센서, 직렬 연결 배터리

Description

전압 센서와 전하 균일 장치가 결합된 배터리 운용 시스템{Battery Management System with Integration of Voltage Sensor and Charge Equalizer}
발명은 직렬로 연결된 배터리 스트링에서 전압을 측정하기 위한 센서와 개별 배터리(셀)의 밸런싱을 이루기 위한 전하 균일 장치가 결합된 배터리 운용 시스템에 관한 것이다.
리튬 이온 전지를 동력원으로 사용하는 하이브리드 자동차와 같이 단위 배터리(셀)의 기본 전위보다 높은 전위가 필요한 경우, 다수의 단위 배터리를 직렬 연결하여 사용하는 것이 통상적이다. 그러나 통상적인 제조방법을 통해 제조된 배터리는 동일한 양극, 음극 및 전해질 물질을 이용하여 동일한 구조로 제조되었다 하더라도 직렬 연결된 배터리 각각의 충전 또는 방전( 및 자가방전) 특성에 차이가 존재하게 된다.
따라서 직렬 연결된 배터리의 사용시 단위 배터리의 전위차가 존재하게 되고, 이로 인해 직렬 연결된 단위 배터리중 다른 배터리의 전위에 관계없이 하나의 배터리가 완전 방전되었을 경우에도 전체 전압(직렬 연결된 배터리의 전체 전압)이 0이 되어 재 충전이 필요하게 되며, 재 충전시에도 각각의 배터리의 전위가 서로 다름으로 인해 일정 전압에 먼저 도달한 배터리의 과충전 문제 및 일정 전압에 아직 도달하지 못한 배터리가 존재하게 되어 효율이 떨어지는 문제가 있다.
또한 충방전 횟수가 많아지게 되면 배터리를 구성하는 물질의 degradation이 발생하여 배터리의 특성이 달라지고 이러한 노화 현상은 개별 전지간의 편차를 더욱 심화시키는 역할을 하게 된다.
따라서 이러한 문제점들을 해결하기 위해, 직렬로 연결된 배터리의 충방전을 제어하기 위한 다양한 배터리 운용 시스템이 활발히 제안되고 있는 실정이다.
일 예로 대한민국특허공개 2003-0096978에는 복수개의 단위셀, 충전수단, 방전수단, 직렬병렬 전환스위치를 포함하여 구성되며, 복수개의 단위셀을 각각 균등하게 방전 시킨후, 방전된 단위셀을 직렬로 연결시켜 충전을 수행하는 시스템이 제안된 바 있으며, 대한민국특허공개 2007-0064244에는 전지부, 전지부에 연결된 FET부, FET 부에 연결된 증폭부, 증폭부의 출력신호를 제어하는 멀티플렉서부, 전지부의 전압신호의 편차를 비교판단 하는 비교부, 비교부의 출력을 디지털 신호로 변환시키는 A/D변환부, A/D변환부에서 출력된 신호를 입력 받아 충방전조건에 해당되는 신호를 출력하는 마이컴부, 마이컴부의 신호에 따라 동작하여 배터리 균형전류를 공급하는 스위칭부 및 공지의 충방전부를 포함하여 구성되는 시스템이 제안된 바 있다.
또한 일본특허공개 1998-032936에는 복수개의 단위셀, 각 단위셀의 잔존 용량 검출 수단, 각 단위셀의 충전과 방전을 행하는 충전 교체 수단 및 방전 교체 수 단, 각 단위셀의 충전과 방전을 개별적으로 제어하는 제어 수단 및 각 단위셀 개별의 충전과 방전을 행하는 직류/직류 변환기를 포함하여 구성되는 시스템이 제안된 바 있으며, 일본특허공개 2004-194410에는 둘 이상의 단위셀 그룹, 제1의 셀 그룹 및 제2의 셀 그룹 각각을 흐르는 전류의 차이를 검출하는 전류차 검출 수단, 전류의 차이를 기반으로 셀 그룹의 충방전 전류를 제어하는 수단을 포함하여 구비되는 시스템이 제안된 바 있다. 미국특허공개 2007-0145946에는 복수개의 단위셀, DC-DC 컨버터를 포함하는 전하균등화회로, 전압 상태를 모니터하여 개별 셀의 전압을 제어하는 제어회로를 포함하여 구성되는 시스템이 제안된 바 있다.
상기 종래의 기술들은 도 1로 대표될 수 있는데, 전압 센서와 셀 균일 장치가 분리된 배터리 운용 시스템을 도시한 것이다. N개의 배터리가 직렬로 연결되어 있고 배터리 오른쪽에는 스위치 블록이 있다. 이 스위치 블록은 특정 배터리(셀)를 선택하여 다음 단의 커패시터와 전류 경로를 제공해 주는 기능을 담당한다. 그리고 커패시터에 저장된 전위는 A/D 컨버터를 통해 읽혀지고 그 값은 마이크로프로세서에 입력된다. 입력된 배터리 전압 정보는 마이크로프로세서에서 배터리를 운용하기 위한 정보로 사용되며 만약 특정 배터리 저충전 되었거나 혹은 과충전 되었을 경우 마이크로프로세서는 각각의 배터리에 병렬 연결된 전하 균일 장치(셀 균일 장치)를 구동시켜 전체 배터리의 전하 균일을 수행하는 시스템이다.
도 2에서 알 수 있듯이 종래의 전압 센서와 셀 균일 장치가 분리된 배터리 운용 시스템에서는 직렬 연결된 배터리 스트링에서 각각의 배터리(셀)가 동일한 기능을 하는 개별 전하 균일 장치(셀 균일 장치)를 갖고 있으며, 전압 센서로 개별 배터리의 전압을 읽어 들이기 위한 스위치 모듈과 전하 균일 장치를 제어하기 위한 스위치 모듈이 별도로 분리되어 배터리 운용 시스템의 부피가 큰 단점이 있으며, 직렬 연결된 배터리 스트링 전체를 스위치 모듈로 제어함에 따라 스위치의 전압 스트레스가 큰 단점이 존재한다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 둘 이상의 배터리가 직렬 연결된 배터리 스트링(string)을 갖는 배터리 운용 장치에 있어서, 각각의 배터리가 독립적인 전하 균일 장치를 갖는 것을 피하고, 시간을 분할 방식으로 제한된 전하 균일 장치를 공유함으로써 전체 전하 균일 장치의 부피를 줄이고, 뿐만 아니라, 제한된 전하 균일 장치를 각각의 배터리가 점유하는 과정에서 기존의 전압 센서에서 구현되어 있는 스위치 모듈을 공유함으로써 전체 배터리 운용 시스템의 부피를 줄이고, 또한 직렬 연결된 배터리의 수가 증가함에 따라 전체 배터리 전위가 높을 경우 예상되는 스위치 모듈 내의 스위치의 높은 전압 스트레스를 극복할 수 있는 배터리 운용 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 배터리 운용 장치는 직렬 연결된 복수개의 배터리로 구성된 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈에 병렬로 연결된 스위치 모듈; 배터리 모듈을 구성하는 각 배터리의 전압을 측정하는 전압 센서; 배터리를 충전, 방전 또는 충ㆍ방전 시키는 전하균일장치; 및 상기 전압 센서의 측정된 전압값을 입력받아 배터리 모듈을 구성하는 각 배터리의 충전 또는 방전을 판단하고 상기 스위치 모듈을 제어하는 마이크로프로세서; 를 포함하여 구성되어, 상기 전압 센서 및 상기 전하균일장치는 동일한 상기 스위치 모듈에 의해 상기 배터리 모듈을 구성하는 각 배터리와 연결되는 특징이 있다.
상기 스위치 모듈은 상기 마이크로프로세서에 의해 제어되며, 시간 분할 방식으로 상기 배터리 모듈을 구성하는 개개의 배터리와 상기 전압 센서를 병렬 연결하고, 상기 스위치 모듈은 상기 마이크로프로세서에 의해 제어되며, 상기 배터리 모듈을 구성하는 한 배터리와 상기 전하균일장치를 병렬 연결하는 특징이 있다.
상기 전압 센서는 캐패시터 및 A/D 컨버터를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 스위치 모듈은 전계효과트랜지스터(FET; Field Effect Transistor), 쌍극자트랜지스터(BJT; Bipolar Junction Transistor) 및 릴레이(relay)를 포함하는 양방향 전류 이동이 가능한 소자로 구성된 것이 바람직하다.
상기 전하균일장치는 전계효과트랜지스터(FET; Field Effect Transistor), 쌍극자트랜지스터(BJT; Bipolar Junction Transistor), 릴레이(relay) 및 다이오드를 포함하는 군에서 하나 이상 선택된 능동소자; 및 인덕터, 변압기 및 캐패시터를 포함하는 군에서 하나 이상 선택된 수동소자;를 포함하여 구성된 방전회로, 충전회로 또는 충ㆍ방전회로인 특징이 있으며, 상기 전하균일장치는 충전형의 DC/DC 컨버 터, 방전형의 DC/DC 컨버터 또는 이들의 조합으로 구성된 것이 바람직하다.
이때, 상기 충전형의 DC/DC 컨버터는 상기 배터리 모듈의 전체 전위 또는 외부의 에너지 저장 장치를 입력으로 하고, 상기 방전형의 DC/DC 컨버터는 상기 배터리 모듈의 전체 전위 또는 외부의 에너지 저장 장치를 출력으로 하는 것이 바람직하다.
상기 전하균일장치는 저항을 포함하여 구성된 방전회로인 것이 바람직하다.
상기 배터리 운용 장치는 둘 이상의 상기 배터리 모듈로 구성되어 각각의 배터리 모듈별로 상기 스위치 모듈, 상기 전압 센서 및 상기 전하균일장치가 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명의 배터리 운용 방법은 직렬 연결된 복수개의 배터리로 구성된 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈에 병렬로 연결된 스위치 모듈; 배터리 모듈을 구성하는 각 배터리의 전압을 측정하는 전압 센서; 배터리를 충전, 방전 또는 충ㆍ방전 시키는 전하균일장치; 및 상기 스위치 모듈을 제어하는 마이크로프로세서; 를 포함하여 구성된 배터리 운용 장치의 배터리 운용 방법에 있어서, (a) 상기 배터리 모듈을 구성하는 배터리 각각에 대해, 배터리와 상기 전압 센서가 상기 스위치 모듈에 의해 일정한 시간동안 연결되어 각각의 배터리의 전압 값이 상기 마이크로프로세서에 입력되는 단계; 및 (b) 상기 마이크로프로세서에 입력된 전압 값들을 기준으로 선택된 충전 또는 방전될 단일한 배터리와 상기 전하균일장치가 상기 스위치 모듈에 의해 연결되어 상기 단일한 배터리가 충전 또는 방전되는 단계;를 포함하여 수행되 는 특징이 있다.
이때, 상기 전하균일장치가 충ㆍ방전시키는 전하균일장치일 경우, 상기 마이크로프로세서에 의해 상기 전하균일장치의 충전 또는 방전을 선택하는 단계를 더 포함하여 상기 (b) 단계가 수행되는 것이 바람직하다.
상기 (a) 단계의 상기 스위치 모듈은 시간 분할 방식으로 제어되어 상기 배터리 모듈을 구성하는 개개의 배터리의 전압 값이 상기 마이크로프로세서에 입력되는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계의 상기 스위치 모듈은 시간 분할 방식으로 제어되어 상기 배터리 모듈을 구성하는 개개의 배터리의 충전 또는 방전이 수행되는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계의 상기 전하균일장치에 의한 개별 배터리의 충전시 상기 전하균일장치의 입력은 상기 직렬 연결된 배터리의 전체 전위 또는 외부의 에너지 저장 장치이며, 방전시 상기 전차균일장치의 출력은 상기 직렬 연결된 배터리의 전체 전위 또는 외부의 에너지 저장 장치인 것이 바람직하다.
상기 배터리 운용 방법은 둘 이상의 상기 배터리 모듈로 구성되고, 각각의 배터리 모듈별로 상기 스위치 모듈, 상기 전압 센서 및 상기 전하균일장치가 구비되어, 상기 (a) 및 (b)단계가 상기 배터리 모듈별로 서로 독립적으로 진행될 수 있다.
본 발명에서는 전압 센서와 전하 균일 장치가 개별 배터리(셀)를 선택하기 위해 사용되는 스위치 모듈을 공유함으로써 전체 배터리 운용 시스템의 부피가 감소되는 장점이 있으며, 개별 배터리에 전하 균일 장치가 구비된 것이 아니라, 모듈별로 단일한 전하 균일 장치가 구비되고 스위치 모듈에 의해 시간 분할 방식으로 모듈을 구성하는 개별 배터리와 전하 균일 장치가 연결되어 충전 또는 방전을 수행함으로써 전체 배터리 운용 시스템의 부피가 감소되는 장점이 있다. 또한 전체 직렬 연결된 배터리를 모듈 단위로 나누어 각각의 모듈별로 전압 센서, 전하 균일 장치 및 스위치 모듈을 구현함으로써 스위치 모듈에 사용되는 스위치의 전압 스트레스를 줄일 수 있는 장점이 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 배터리 운용 장치 및 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 그리고, 하기의 설명에서 설 명의 명확함을 위해 둘 이상의 배터리가 직렬 연결된 배터리 모듈을 구성하는 임의의 단일한 배터리를 셀로 통칭한다.
도 2는 본 발명의 전압 센서와 전하 균일 장치가 결합된 배터리 운용 시스템의 일 구성도이다. N개의 배터리가 직렬 연결된 배터리 모듈(110)과 상기 배터리 모듈의 각 배터리와 병렬로 연결된 스위치 모듈(120)이 있다. 이 스위치 모듈(120)은 배터리의 전위를 센싱하는 과정에서는 특정 셀을 선택하여 전압 센서(130)과 연결시켜 주는 역할을 함과 동시에 전하 균일 과정에서는 저충전되었거나 혹은 과충전된 특정 셀을 전하 균일 장치(140)과 연결시켜주는 역할을 담당한다. 따라서 본 발명의 배터리 운용 시스템은 하나의 배터리 모듈(110)에 대하여 단일한 전압 센서(130) 및 단일한 전하 균일 장치(140)가 구비되게 된다. 이때 마이크로프로세서(150)는 스위치 모듈(120)을 제어하여 배터리 모듈(110)을 구성하는 각 셀의 전위를 전압 센서(130)를 통해 측정하고, 과 충전 또는 저 충전된 특정 셀을 선택하고, 스위치 모듈(120)을 제어하여 상기 선택된 특정 셀과 전하 균일장치(140)를 연결시키게 된다. 또한 상기 전하 균일장치(140)가 충전 및 방전 형으로 구성되었을 경구, 마이크로프로세서(150)는 상기 전하 균일 장치(140)를 제어하여 충전 또는 방전기능을 수행하도록 한다. 이러한 제어기능은 도 2 및 도 4에서 점선으로 연결된 화살표로 도시하였다.
셀의 전위를 측정하는 전압 센서(130)는 통상적으로 사용하는 모든 전압 측정 장치가 사용될 수 있으며, 도 2에서는 개별 셀과 병렬로 연결되는 캐패시터(131)를 사용하여 셀의 전위를 측정하고, 아날로그-디지털 컨버터(ADC, 132)를 사용하여 캐패시터의 전위를 디지털 값으로 변환시켜 마이크로프로세서(150)에 입력하는 전압 센서(130)의 일 예가 도시되었다. 즉 커패시터(131)에 전하가 충전되고 충전된 전위를 아날로그-디지털 컨버터(132)가 읽어가는 형식으로 배터리 전위를 측정하게 된다.
또한 특정 셀은 스위치 모듈(120)에 의해 전하 균일 장치(140)와 병렬로 연결되게 되는데, 여기서는 스위치 모듈(120)을 통해 연결된 전하 균일 장치(140)는 특정 셀이 저충전되었거나 혹은 과충전되었을 경우 특정 셀로 에너지를 충전하거나 해당 셀에서 에너지를 방전시키는 기능을 담당한다.
상기 전하 균일 장치(140)는 도 3(a) 내지 도 3(e)에 도시한 바와 같이 충전 형태, 방전 형태, 혹은 충전과 방전이 동시에 가능한 전하 균일 장치를 사용할 수 있다.
상세하게는 도 3(a)에 도시한 전하 균일 장치(140)는 저항을 포함하여 구성되어 있다. 이러한 전하 균일 장치(140)에서는 직렬 연결된 배터리에서 특정 셀이 과충전 되었을 경우 해당 셀을 스위치 모듈(120)을 통해 저항(R1)에 연결함으로써 과충전된 셀에서 저항으로 에너지를 소비하는 방식으로 전하 균일을 이루게 된다.
도 3(b)에 도시한 전하 균일 장치(140)는 방전 형 전하 균일장치로, 간단한 flyback 컨버터가 구현되어 있으며, 다른 어떤 DC/DC 컨버터가 사용되어도 무방하다. 이러한 방전 형태의 전하 균일 장치(140)는 입력으로 과충전 셀이 스위치 모듈(120)을 통해 병렬 연결되고 출력(141)으로 전체 배터리 팩 전위(직렬 연결된 배터리의 전체 전위)나 혹은 외부 에너지 저장 장치가 연결된다. 상세하게는 만약 직 렬 연결 배터리에서 특정 셀이 과충전 되었을 경우 해당 셀은 스위치 모듈(120)을 통해 도 3(b)에 보인 방전 형태의 전하 균일 장치(140)의 입력에 연결된다. 이 경우 스위치(Q1)이 켜지면 스위치 모듈(120)을 통해 연결된 셀에서 에너지가 흘러 나와 변압기의 자화 인덕터(magnetizing inductor)에 저장되었다가 스위치(Q1)가 꺼지면 2차 측의 정류 다이오드(D1)를 통해 미리 연결된 에너지 저장 장치(직렬 연결 배터리 팩 혹은 외부 에너지 저장 장치, 141)로 에너지가 흘러들어 가게 된다.
도 3(c)에 도시한 전하 균일 장치(140)는 충전 형 전하 균일장치로, 간단한 flyback 컨버터가 구현되어 있으며, 다른 어떤 DC/DC 컨버터가 사용되어도 무방하다. 이러한 충전 형태의 전하 균일 장치(140)는 입력으로 전체 배터리 팩 전위(직렬 연결된 배터리의 전체 전위)나 혹은 외부 에너지 저장 장치가 병렬 연결되고 출력으로 저충전된 임의의 셀이 스위치 모듈(120)을 통해 병렬 연결된다. 상세하게는 스위치(Q2)가 켜지면 미리 연결된 에너지 저장 장치(직렬 연결 배터리 팩 혹은 다른 에너지 저장 장치, 141)에서 에너지가 흘러 나와 변압기의 자화 인덕터(magnetizing inductor)에 저장되었다가 스위치(Q2)가 꺼지면 2차 측의 정류 다이오드(D2)를 통과하여 스위치 모듈(120)을 통해 연결된 해당 셀로 에너지가 흘러들어 가게 된다.
도 3(d)에 도시한 전하 균일 장치(140)는 에너지 소비적(방전형) 전하 균일 장치와 충전형 전하 균일 장치가 병렬 연결된 전하 균일 장치(도 3(a) 및 도 3(c)의 병렬 연결 조합)로, 이러한 전하 균일 장치에서는 직렬 연결 배터리 모듈의 특정 셀이 과충전 되었거나 혹은 저충전되었을 경우 효율적인 전하 균일이 가능하다 는 장점을 갖는다. 상세하게는 먼저 직렬 연결 배터리 모듈에서 임의의 셀이 과충전 되었거나 혹은 저충전되었을 경우 해당 셀은 스위치 모듈(120)을 통해 도 3(d)의 전하 균일 장치(140)에 병렬 연결된다. 그리고 연결된 셀이 만약 과충전되었을 경우 스위치(Q3)이 구동되어 저항(R2)으로 에너지를 소비하는 형태로 전하 균일이 이루어 지고, 연결된 셀이 저충전 되었을 경우 충전 형태의 전하 균일 장치를 구동시켜 전하 균일을 이루게 된다. 충전 형이 구동될 경우 스위치(Q4)가 켜지면 미리 연결된 에너지 저장 장치(직렬 연결 배터리 팩 혹은 다른 에너지 저장 장치, 141)에서 에너지가 흘러 나와 변압기의 자화 인덕터(magnetizing inductor)에 저장되었다가 스위치(Q4)가 꺼지면 2차 측의 정류 다이오드(D3)을 통해 해당 셀로 에너지가 흘러들어 가게 된다.
도 3(e)에 도시한 전하 균일 장치(140)는 방전형 전하 균일 장치와 충전 형 전하 균일 장치가 병렬 연결된 전하 균일 장치로, 도 3(e)와 같은 전하 균일 장치(140)에서는 직렬 연결 배터리 모듈의 특정 셀이 과충전 되었거나 혹은 저충전되었을 경우 효율적인 전하 균일 성능을 갖는 것이 장점이다. 먼저 직렬 연결 배터리 모듈의 임의의 셀이 과충전 되었을 경우 해당 셀은 스위치 모듈(120)을 통해 도 3(e)의 전하 균일 장치(140)에 병렬 연결된다. 이 경우 스위치(Q5)가 켜지면 과충전된 셀에서 에너지가 흘러 나와 변압기의 자화 인덕터(magnetizing inductor)에 저장되었다가 스위치가 꺼지면 2차 측의 정류 다이오드(D4)를 통과하여 미리 연결된 에너지 저장 장치(직렬 연결 배터리 팩 혹은 다른 에너지 저장 장치, 141)로 에너지가 흘러들어 가게 된다. 그리고 연결된 셀이 저충전 되었을 경우 충전 형태의 전하 균일 장치를 구동시켜 전하 균일을 이루게 된다. 이 경우 스위치(Q6)이 켜지면 미리 연결된 에너지 저장 장치(직렬 연결 배터리 팩 혹은 다른 에너지 저장 장치, 141)에서 에너지가 흘러 나와 변압기의 자화 인덕터(magnetizing inductor)에 저장되었다가 스위치(Q6)가 꺼지면 2차 측의 정류 다이오드(D5)를 통해 저충전된 해당 셀로 에너지가 흘러들어 가게 된다.
도 4는 전압 센서(130)와 전하 균일 장치(140)가 결합된 배터리 운용 시스템에서 스위치 모듈(120)의 전압 스트레스를 낮추기 위해 전체의 직렬 연결된 배터리 스트링을 n개의 배터리가 직렬 연결된 k개의 배터리 모듈로 나누어 모듈(110) 단위로 전압 센서(130)와 전하 균일 장치(140)가 구현되어 있는 전체 구성도의 일 예이다(n 및 k는 서로 독립적으로 2 이상임). 여기서 각 모듈(module 1 내지 module k)를 구성하는 배터리의 수(n)는 스위치 모듈(120)에 사용되는 스위치의 전압 스트레스를 고려하여 설계된다. 각각의 모듈 내에서 전압을 센싱하고 전하 균일을 하는 과정은 도 2 내지 도 3을 기반으로 설명한 것과 동일하다. 다만, 도 4의 모듈화된 배터리 운용 장치에서는 모듈 단위로 전압의 측정 및 전하 균일화가 독립적으로 동작할 수 있으므로 모듈 개수 만큼(도 4의 예에서는 k개 만큼) 동시에 전압을 센싱하거나 혹은 모듈 내에 과충전된 혹은 저충전된 특정 셀을 동시에 전하 균일화 시키는 것이 가능하다.
상술한 바와 같은 본 발명의 배터리 운용 장치의 배터리 운용 방법에 있어서, (a) 상기 배터리 모듈을 구성하는 배터리 각각에 대해, 배터리와 상기 전압 센서가 상기 스위치 모듈에 의해 일정한 시간동안 연결되어 각각의 배터리의 전압값 이 상기 마이크로프로세서에 입력되는 단계; 및 (b) 상기 마이크로프로세서에 입력된 전압값들을 기준으로 선택된 충전 또는 방전될 단일한 배터리와 상기 전하균일장치가 상기 스위치 모듈에 의해 연결되어 상기 단일한 배터리가 충전 또는 방전되는 단계;를 포함하여 수행되는 것을 특징을 갖는다.
상세하게는 도 5의 순서도에 도시한 바와 같이 마이크로프로세서(150)에 의해 스위치 모듈(120)이 제어되어(s10) 배터리 모듈(110)을 구성하는 특정 셀과 전압센서(140)가 일정 시간동안 연결되어 특정 셀의 전위가 측정되어 마이크로프로세서(150)에 입력(s20)되게 되는데, 이때, 배터리 모듈(110)을 구성하는 모든 셀 각각에 대해 상기 전위측정 단계(s20)가 수행 될 수 있으며, 모듈을 구성하는 일정구역의 셀들만이 측정 될 수 있다. 이를 직렬 연결된 배터리 전체의 사용 상태, 충ㆍ방전 상태등에 기반하여 마이크로프로세서(150)에서 판단하게 된다(s30). 이때, 바람직하게는 배터리 모듈(110)을 구성하는 모든 셀 각각에 대해 시간 분할 방식으로 스위치 모듈(120)이 조절되어 셀의 전위가 마이크로프로세서에 입력되는 것이 바람직하다.
셀의 전위 측정이 완료된 후(s30) 마이크로프로세서(150)에 의해 저충전 또는 과충전된 특정 셀이 선택되고(s40), 스위치 모듈(120)을 제어하여 선택된 셀과 전하 균일 장치(140)를 병렬 연결(s50)하여 선택된 셀의 충전 또는 방전이 일정 시간 동안 수행되고(s60) 마이크로프로세서(150)에 의해 기 입력된 셀의 전위를 기반으로 다시 과충전 또는 저충전된 특정 셀을 선택하여 전하 균일화를 수행할 지(s70) 아니면 셀의 전위를 재 측정 할 것인지(s80) 결정되게 된다.
이때, 전하균일장치(150)가 충전과 방전이 가능한 충ㆍ방전 전하균일장치일 경우, 상기 마이크로프로세서(150)에 의해 상기 전하균일장치(150)의 충전 또는 방전을 제어하는 단계가 수행 된 후 상기 전하 균일화 단계(s60)가 수행되는 것이 바람직하다.
상기 배터리 모듈(110)을 구성하는 개개의 배터리의 전압값이 측정되어 상기 마이크로프로세서(150)에 입력되는 단계(s10 및 s20)는 마이크로프로세서(150)에 의해 스위치 모듈(120)이 시간 분할 방식으로 제어되어 수행되는 것이 바람직하다.
충전 또는 방전이 되어야 할 상기 배터리 모듈(110)을 구성하는 특정 배터리의 전하 균일화 단계(s60)는 상기 스위치 모듈(120)이 시간 분할 방식으로 제어되어 수행되는 것이 바람직하다.
이때 상기 전하 균일화 단계(s60)에서 상기 전하균일장치(140)에 의한 개별 배터리의 충전시 상기 전하균일장치(140)의 입력은 상기 직렬 연결된 배터리의 전체 전위 또는 외부의 에너지 저장 장치이며, 방전시 상기 전하균일장치(140)의 출력은 상기 직렬 연결된 배터리의 전체 전위 또는 외부의 에너지 저장 장치일 수 있다.
본 발명의 배터리 운용 방법은 둘 이상의 상기 배터리 모듈(110)로 구성되고, 각각의 배터리 모듈별로 상기 스위치 모듈(120), 상기 전압 센서(130) 및 상기 전하균일장치(140)가 구비되어, 상기 도 5의 단계와 유사한 배터리 운용 방법이 상기 배터리 모듈별로 서로 독립적으로 진행될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 운용 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 상기 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 종래의 직렬 연결된 배터리 스트링을 갖는 배터리 운용 시스템의 구성도이며,
도 2는 본 발명의 배터리 운용 장치의 일 구성예이며,
도 3은 본 발명의 배터리 운용 장치에 사용되는 전하 균일 장치의 구성예이며,
도 4는 본 발명의 배터리 운용 장치의 다른 구성예이며,
도 5는 본 발명의 배터리 운용 방법의 일 순서도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110 : 둘 이상의 배터리가 직렬 연결된 배터리 모듈
120 : 스위치 모듈 130 : 전압 센서
140 : 전하 균일 장치 150 : 마이크로프로세서

Claims (18)

  1. 직렬 연결된 복수개의 배터리로 구성된 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈에 병렬로 연결된 스위치 모듈;
    상기 배터리 모듈을 구성하는 각 배터리의 전압을 측정하는 전압 센서;
    상기 배터리 모듈을 구성하는 각 배터리를 충전, 방전 또는 충ㆍ방전 시키는 전하균일장치; 및
    상기 전압 센서의 측정된 전압값을 입력받아 상기 배터리 모듈을 구성하는 각 배터리의 충전 또는 방전을 판단하고 상기 스위치 모듈을 제어하는 마이크로프로세서;를 포함하여 구성되어,
    상기 전압 센서 및 상기 전하균일장치는 동일한 상기 스위치 모듈에 의해 상기 배터리 모듈을 구성하는 각 배터리와 병렬 연결되며,
    상기 전하균일장치는 전계효과트랜지스터(FET; Field Effect Transistor), 쌍극자트랜지스터(BJT; Bipolar Junction Transistor), 릴레이(relay) 및 다이오드를 포함하는 군에서 하나 이상 선택된 능동소자; 및 인덕터, 변압기, 및 캐패시터를 포함하는 군에서 하나 이상 선택된 수동소자;를 포함하여 구성된 방전회로, 충전회로 또는 충ㆍ방전회로이거나 저항을 포함하여 구성된 방전회로인 배터리 운용 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스위치 모듈은 상기 마이크로프로세서에 의해 제어되며, 시간 분할 방식으로 상기 배터리 모듈을 구성하는 한 배터리와 상기 전압 센서를 병렬 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리 운용 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 스위치 모듈은 상기 마이크로프로세서에 의해 제어되며, 상기 배터리 모듈을 구성하는 한 배터리와 상기 전하균일장치를 병렬 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리 운용 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전압 센서는 캐패시터 및 A/D 컨버터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 운용 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 스위치 모듈은 전계효과트랜지스터(FET; Field Effect Transistor), 쌍극자트랜지스터(BJT; Bipolar Junction Transistor) 및 릴레이(relay)를 포함하는 양방향 전류 이동이 가능한 소자로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 운용 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 전하균일장치는 충전형의 DC/DC 컨버터, 방전형의 DC/DC 컨버터 또는 이들의 조합으로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 운용 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 충전형의 DC/DC 컨버터는 상기 배터리 모듈의 전체 전위 또는 외부의 에너지 저장 장치를 입력으로 하는 것을 특징으로 하는 배터리 운용 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 방전형의 DC/DC 컨버터는 상기 배터리 모듈의 전체 전위 또는 외부의 에너지 저장 장치를 출력으로 하는 것을 특징으로 하는 배터리 운용 장치.
  10. 삭제
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리 운용 장치는 둘 이상의 상기 배터리 모듈로 구성되어 각각의 배터리 모듈별로 상기 스위치 모듈, 상기 전압 센서 및 상기 전하균일장치가 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 운용 장치.
  12. 직렬 연결된 복수개의 배터리로 구성된 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈에 병렬로 연결된 스위치 모듈; 배터리 모듈을 구성하는 각 배터리의 전압을 측정하는 전압 센서; 배터리를 충전, 방전 또는 충ㆍ방전 시키는 전하균일장치; 및 상기 스위치 모듈을 제어하는 마이크로프로세서;를 포함하여 구성된 배터리 운용 장치의 배터리 운용 방법에 있어서,
    (a) 상기 배터리 모듈을 구성하는 배터리 각각에 대해, 배터리와 상기 전압 센서가 상기 스위치 모듈에 의해 일정한 시간동안 연결되어 각각의 배터리의 전압값이 상기 마이크로프로세서에 입력되는 단계; 및
    (b) 상기 마이크로프로세서에 입력된 전압값들을 기준으로 선택된 충전 또는 방전될 단일한 배터리와 상기 전하균일장치가 상기 스위치 모듈에 의해 연결되어 상기 단일한 배터리가 충전 또는 방전되는 단계;
    를 포함하며,
    상기 (b) 단계의 상기 전하균일장치에 의한 개별 배터리의 충전시 상기 전하균일장치의 입력은 상기 직렬 연결된 배터리의 전체 전위 또는 외부의 에너지 저장 장치이며, 방전시 상기 전하균일장치의 출력은 상기 직렬 연결된 배터리의 전체 전위 또는 외부의 에너지 저장 장치인 배터리 운용 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 전하균일장치가 충ㆍ방전시키는 전하균일장치일 경우, 상기 마이크로프로세서에 의해 상기 전하균일장치의 충전 또는 방전을 선택하는 단계를 더 포함하여 상기 (b) 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 운용 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 상기 스위치 모듈은 시간 분할 방식으로 제어되어 상기 배터리 모듈을 구성하는 개개의 배터리의 전압값이 상기 마이크로프로세서에 입력되는 것을 특징으로 하는 배터리 운용 방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 상기 스위치 모듈은 시간 분할 방식으로 제어되어 상기 배터리 모듈을 구성하는 개개의 배터리의 충전 또는 방전이 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 운용 방법.
  16. 삭제
  17. 제 12항에 있어서,
    상기 배터리 운용 방법은 둘 이상의 상기 배터리 모듈로 구성되고, 각각의 배터리 모듈별로 상기 스위치 모듈, 상기 전압 센서 및 상기 전하균일장치가 구비되어, 상기 (a) 및 (b)단계가 상기 배터리 모듈별로 서로 독립적으로 진행되는 것 을 특징으로 하는 배터리 운용 방법.
  18. 제 12항 내지 제 15항 또는 제 17항에서 선택된 어느 한 항의 배터리 운용 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
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