KR101156977B1 - 고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법에 관한 것으로, a) 배터리 팩을 구성하는 각 셀의 기전력을 측정하는 단계; b) 상기 각 셀의 기전력을 기반으로 밸런싱 대상 셀을 선택하는 단계; c) 상기 밸런싱 대상 셀의 밸런싱에 사용될 총 전하량을 계산하는 단계; d) 상기 밸런싱 대상 셀의 밸런싱을 수행함과 동시에 상기 밸런싱에 소요되는 전류량을 실시간으로 누적하여 누적 전하량을 얻는 단계; 및 e) 상기 누적 전하량과 상기 총 전하량이 일치할 때 상기 밸런싱 대상 셀의 상기 밸런싱을 종료하는 단계;를 포함하여 수행되는 특징이 있다.
본 발명의 고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법은 IR 전압 및 분극전압의 영향이 배제된 신빙성 있는 셀 기전력을 측정하여 밸런싱을 수행하므로, 정확한 밸런싱이 수행되는 장점이 있으며, 밸런싱에 소요되는 총전하량을 계산하고 계산된 총전하량에 기반하여 밸런싱을 종료하므로, 액티브 또는 패시브 밸런싱 회로의 구동에 의한 밸런싱 수행 시 오차를 배제할 수 있는 장점이 있으므로, 밸런싱 효과를 극대화 및 최적화하여 진행함으로써, 셀간 편차를 줄이고, 나아가 배터리 수명 연장 효과를 기대할 수 있다.
배터리 팩, 밸런싱, 기전력, IR전압, 분극전압, 배터리관리시스템(BMS)

Description

고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법{Method for Balancing of High Voltage Battery Pack}
본 발명은 배터리 밸런싱 방법에 관한 것으로, 다수의 셀이 직/병렬로 연결된 배터리 팩의 셀 간의 SOC(state of charge) 차를 방지하는 셀 밸런싱 방법에 관한 것이다.
다수의 셀이 직/병렬로 연결되어 고전압(60V이상)을 띤 배터리시스템은 구동 전/후의 셀의 제조 공정, 용량차이, 자기방전 효과에 의해 셀간 전압 편차가 생기며, 구동 시에는 배터리시스템 내의 온도 비균일성 및 배터리팩 구조차이에 의한 셀간 전압 편차가 발생하게 된다.
이러한 전압편차는 결국 탑재된 차량의 배터리 운영에 따라 배터리 전압 균일성을 저해하며, 나아가 배터리 열화의 원인이 되며, 수명을 감소하는 역할을 하게 된다.
따라서 이러한 고전압 배터리시스템에서는 셀 밸런싱 회로를 장착하여 셀간 편차를 감소시키고 있다. 셀 밸런싱은 배터리제어기인 BMS(Battery Management System)내 연결되어있으며, 밸런싱에는 저항에 의한 방전방식의 패시브 셀 밸런싱(Passive Cell Balancing), DC/DC 컨버터에 의한 액티브 셀 밸런싱(Active Cell Balancing)이 있다.
기존 패시브 셀 밸런싱은 셀간 전압 편차에 대한 정보를 실시간 전압측정을 통해 획득하며, 이 값에 근거하여 밸런싱 동작 여부를 결정하게 된다. 즉, 밸런싱에 대한 개시와 종료가 실시간 전압 센싱에 의해 결정되는 전압 피드백 방식의 폐루프(Closed Loop) 회로이다.
대한민국 공개특허 제2005-0003852호는 다수의 배터리가 구비된 배터리 팩의 배터리 평형화 방법에 관한 것으로, 다수의 배터리의 각각에 대해 전압을 검출하는 단계, 검출된 다수의 배터리 전압의 평균값을 산출하는 단계, 산출된 전압 평균값을 기준치로 하여 밸런싱 목표범위를 설정하는 단계, 검출된 배터리의 전압이 밸런싱 목표범위에 속하는 밸런싱 대상 배터리의 존재여부를 판단하는 단계, 밸런싱 대상 배터리가 존재한다고 판단되면 밸런싱 대상 배터리들 중 최고 전압의 배터리와 최저 전압의 배터리를 선택하는 단계, 선택된 최고 전압의 배터리와 최저 전압의 배터리를 서로 병렬 연결하여 전압 평균값에 도달될 때까지 최고 전압의 배터리가 방전되고 이에 상응하여 최저 전압의 배터리가 충전되는 밸런싱 단계로 구성된 밸런싱 방법이 기재되어 있다.
대한민국 등록특허 제 0680901호는 마스터 모듈 및 다수 개의 슬레이브 모듈을 구비하는 배터리 관리 시스템에 관한 것으로, 마스터 모듈에서 각 슬레이브 모듈이 관리하는 배터리 팩의 모드를 확인하는 단계, 확인 결과, 배터리 팩이 충전모 드, 휴식모드 혹은 방전모드 중 어느 하나의 상태에 있는 경우, 배터리 팩 내에 구성되어 있는 각 배터리 셀의 셀 전압을 모니터링하여 최소가 되는 셀 전압을 선정하는 단계, 선정된 최소 셀 전압과 모니터링된 각 배터리 셀의 셀 전압을 비교하여, 그 전압 차이가 기설정된 임계치 이상인 배터리 셀에 대해 소정의 방전시간 동안 방전을 수행하는 단계, 각 배터리 셀 간의 셀 전압이 상기 임계치 이내로 되기까지, 상기 최소 셀 전압 선정, 임계치 범위 확인 및 방전 단계를 반복하여 배터리 팩의 셀 밸런싱을 수행하는 단계로 구성된 밸런싱 방법이 기재되어 있다.
미국 공개특허 제 2007-0194791호는 내부 저항을 측정하여 배터리의 상태를 모니터링하는 방법에 관한 것으로, 배터리 셀과 제 1 외부저항을 연결시킨 후, 배터리에 인가된 전압 및 제 1 외부저항에 인가된 전압을 각각 측정하는 단계, 배터리 셀과 제 2외부저항을 연결시킨 후 배터리에 인가된 전압 및 제 2 외부저항에 인가된 전압을 각각 측정하는 단계, 제 1 외부저항에 인가된 전압 및 제 2 외부저항에 인가된 전압으로 전류를 계산한 후, 계산된 전류값과 제 1 외부저항 연결시 배터리에 인가된 전압, 제 2외부저항 연결시 배터리에 인가된 전압으로 배터리의 저항을 계산하여 기 설정된 저항값과 비교하는 단계, 배터리가 이상 저항값을 갖는 경우 경보를 발생하는 단계로 구성된 배터리 모니터링 방법이 기재되어 있다.
미국 등록특허 제 6424157호는 차량에 배치된 배터리의 상태를 모니터링하는 방법에 관한 것으로, 엔진 시동시 배터리의 전압을 측정하는 센서 및 엔진의 시동시 배터리의 전류 드레인을 측정하는 센서를 포함하여 구성되어, 전압 및 전류 센서의 측정값을 기반으로 배터리 동적 내부저항(IR), 동적 분극저항(PR), 대기전 압(quiescent voltage)을 계산하여 상기 계산값을 기반으로 정확한 SOC(state of charge)를 계산하는 방법이 기재되어 있다.
국제 공개특허 제 05-055358호는 직렬 연결 배터리의 균일화 방법에 관한 것으로, 직렬 연결된 배터리 셀의 충전 레벨을 측정하고, 각 셀의 충전 레벨에 따라 각 셀별 충전 전류 레벨을 조정하여 밸런스 단계를 수행하며, 이를 반복 수행하여 균일화하는 방법이 기재되어 있다.
그러나, 대한민국 공개특허 제2005-0003852호와 같이 배터리 전압을 측정하여 밸런싱을 수행하는 경우, 배터리 전압에는 기전력과 부품저항의 전압, 그리고 반응에 의한 분극전압의 특성이 포함되어 구동 시 전류량에 따른 비선형 전압을 형성하게 된다. 즉, 배터리의 터미널 전압은 기전력, IR 전압 및 분극전압의 합산으로 나타나게 된다. 하지만 차량이 구동 상태에서는 전류가 수시로 흐르게 되며 이에 영향을 받는 IR 전압 및 분극 전압의 거동에 의해 터미널에서 측정하게 되는 전압은 배터리 기전력과는 다른 값을 보이게 된다. 설령 차량 전류가 흐르지 않는 상황에서도 셀 밸런싱 자체만으로도 밸런싱 전류가 흐르게 되고, 이로 인해 역시 정확한 기전력을 얻을 수 없게 된다.
셀 밸런싱의 목표는 셀 간 기전력을 동일한 수준으로 유지시키는 것인데, 밸런싱 전류가 흐르게 되면 이러한 실시간 터미널 전압에 근거한 셀 밸런싱 로직으로는 정확히 원하는 수준으로 기전력을 제어하기 어렵다. 심지어 밸런싱이 진행 중에 있는 셀에서는 기전력보다 과평가된 터미널 전압에 의해 목표 셀 전압보다 더욱 기전력을 상실케 하는 역전현상이 발생할 수 있어 오히려 악영향을 미칠 소지가 생기 게 된다.
상술한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 IR 전압 및 분극전압의 영향이 배제된 신빙성 있는 셀 기전력을 측정하여, 상기 셀 기전력을 기준으로 직렬, 병렬, 또는 직/병렬 연결된 배터리 팩의 밸런싱 방법을 제공하는 것이며, 본 발명의 다른 목적은 실시간 측정된 터미널 전압이 아닌 밸런싱에 필요한 총 전하량을 계산하여 상기 계산값을 기준으로 배터리 팩을 구성하는 각 셀의 밸런싱이 종료되는 밸런싱 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법은 a) 상기 배터리 팩을 구성하는 각 셀의 기전력을 측정하는 단계; b) 상기 각 셀의 기전력을 기반으로 밸런싱 대상 셀을 선택하는 단계; c) 상기 밸런싱 대상 셀의 밸런싱에 사용될 총 전하량을 계산하는 단계; d) 상기 밸런싱 대상 셀의 밸런싱을 수행함과 동시에 상기 밸런싱에 소요되는 전류량을 누적하여 누적 전하량을 얻는 단계; 및 e) 상기 누적 전하량과 상기 총 전하량이 일치할 때 상기 밸런싱 대상 셀의 상기 밸런싱을 종료하는 단계;를 포함하여 수행되는 특징이 있다.
상기 a) 단계의 각 셀의 기전력 측정은 a1) 상기 배터리 팩으로부터 상기 배터리 팩과 연결된 부하(load)에 전류가 공급되지 않는 무전류 상태를 판별하는 단계; 및 a2) 무전류 상태인 경우, 상기 무전류 상태의 지속시간이 제1임계시간(t1) 이상인 경우, 상기 배터리 팩을 구성하는 각 셀의 터미널 전압을 측정하여 상기 측정된 각 셀의 터미널 전압을 각 셀의 기전력으로 사용하고, a3)무전류 상태가 아닌 경우, 상기 배터리 팩의 전류를 측정하여, 상기 배터리 팩의 전류가 임계전류량(i1) 이하로 제2임계시간(t2) 이상 동안 흐를 경우 상기 배터리 팩을 구성하는 각 셀의 터미널 전압을 측정하여 상기 측정된 각 셀의 터미널 전압을 각 셀의 기전력으로 사용하는 특징이 있다.
배터리 팩과 연결된 부하(load)에 전류가 공급되는 경우(일 예로, 차량 구동)에는 대량의 전류가 흐를 수 있고 흐르는 전류량이 급속하게 변화될 수 있으므로, 배터리 팩이 상기 부하에 전류를 공급하는 중에 측정된 전압은 배터리의 순수한 기전력(OCV; Open Circuit Voltage)이 아닐 가능성이 높다.
본 발명의 셀 밸런싱 방법은 이러한 부정확한 터미널 전압으로 셀 밸런싱 로직을 구동하는 대신, 신빙성 있는 기전력 값을 획득한 후 이를 근거로 밸런싱 대상 셀을 선택하고, 각 셀의 밸런싱을 수행하며, 밸런싱에 필요한 총 전하량을 계산하게 된다.
상술한 바와 같이 터미널 전압의 오차는 IR 전압과 분극 전압에 기인하게 되는데, 본 발명에서는 무전류 상태가 일정 시간동안 지속되는 경우 측정된 터미널 전압을 셀 기전력으로 사용한다.
또한, 무전류 상태가 아닌 경우, 배터리 팩에 흐르는 전류량이 IR 전압에 의한 오차를 무시할 수 있을 정도로 충분히 낮으며(저전류 상태), 이러한 낮은 전류량이 일정 시간동안 지속되어 분극 전압 또한 무시할 수 있을 때, 터미널 전압을 측정하여 셀 기전력으로 사용한다. 이러한 방법을 통해 IR 전압에 의한 오차 및 분극 전압에 의한 오차가 방지된 정확한 셀 기전력을 얻고, 이를 이용하여 밸런싱 단계를 수행한다.
이때, 상기 무전류 상태가 지속되는 시간인 상기 제1임계시간(t1)은 30초 내지 60초인 것이 바람직하다. 상기 제1임계시간(t1)이 30초보다 짧은 경우, 분극 전압에 의한 영향을 배제할 수 없으며, 상기 제1임계시간(t1)이 60초보다 긴 경우, 분극 전압 배제 효과는 다소 증가하나 무전류 상태의 판별될 확률이 낮아져 효율적인 밸런싱 구현에 어려움이 있다.
이때, 상기 저전류 상태가 지속되는 시간인 상기 제2임계시간(t2)은 30초 내지 60초인 것이 바람직하다. 상기 제2임계시간(t2)이 30초 보다 짧은 경우, 저전류 상태 전에 흐른 전류량에 따라 달라지는 분극 전압에 의한 영향을 배제할 수 없으며, 상기 제2임계시간(t2)이 60초보다 긴 경우, 분극 전압 배제 효과는 다소 증가하나 저전류 상태의 판별될 확률이 낮아져 효율적인 밸런싱 구현에 어려움이 있다.
저전류 상태를 결정하는 상기 임계전류량(i1)은 3A이하인 것이 바람직하다. 임계전류량(i1)이 3A 이상인 경우, IR 전압 및 분극 전압에 의한 오차를 배제할 수 없다. 무전류 상태에서 유한한 값의 전류가 흐를 경우, 저전류 상태가 되므로, 상기 임계전류량(i1)의 하한은 무의미하나, 실질적으로 상기 임계전류량(i1)은 통상적인 전류 센서에 의해 측정 가능한 최소 전류인 0.01A 이상이다.
무전류 또는 저전류 상태가 일정 시간 이상 유지됨을 판별하게 위해 일정한 시간간격으로 전류를 측정하게 되는데, 바람직하게 무전류 또는 저전류 상태 판별 을 위해 0.01 내지 0.1초 간격으로 전류가 측정된다.
상기의 제1임계시간(t1), 제2임계시간(t2) 또는 임계전류량(i1)은 많은 실험과 계산에 의해, 고전압 및 고전류의 배터리 팩을 요구하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차용 배터리 팩, 특히 리튬이온 배터리팩, 리튬폴리머이온 배터리팩, 에 최적화된 값들이다.
상기 b) 단계는 a)단계에서 얻은 셀 기전력을 기반으로 밸런싱 대상 셀을 선택하는 단계로, 바람직하게는 최저 기전력을 갖는 셀을 기준으로 상기 최저 기전력보다 임계편차 이상의 편차를 갖는 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택한다. 이때, 상기 편차는 배터리 팩을 구성하는 셀 각각의 기전력에서 상기 최저 기전력을 뺀 차를 상기 최저 기전력으로 나눈 백분율이다.
상기와 같이 임계편차 이상의 편차를 갖는 밸런싱 대상 셀은 밸런싱 단계를 통해 임계편차 내의 편차를 갖게 된다.
상기 임계편차는 2% 내지 5%인 것이 바람직하다. 상기 임계편차가 2% 이하인 경우, 밸런싱에 의한 균일화 효과는 미미한 반면 밸런싱 대상 셀의 수가 많아져 밸런싱 효율이 떨어지게 되며, 상기 임계편차가 5% 이상인 경우, 균일화가 이루어지지 않게 된다.
이때, 상기 b)단계는 기전력와 SOC(state of charge)의 룩업 테이블을 이용하여 셀 기전력에 해당하는 SOC를 얻고, 상기 셀 기전력 대신 셀의 SOC를 기반으로 수행될 수 있다. 셀 기전력이 아닌 셀 SOC를 기반으로 상기 b) 단계가 수행되는 경우, 상기 편차는 셀 각각의 SOC에서 최저 SOC을 뺀 차를 상기 최저 SOC으로 나눈 백분율이 되며, 상기 임계편차는 룩업 테이블에 의해 적정한 SOC의 임계편차로 변환 가능하다.
상기 b) 단계에서 기전력 또는 SOC를 기반으로 밸런싱 대상 셀이 선택된 후, 상기 c) 단계에서 대상 셀의 밸런싱에 필요한 총전하량을 미리 계산하게 된다.
바람직하게 상기 총전하량은 기전력과 SOC(state of charge)의 룩업 테이블을 이용하여 대상 셀의 기전력에 해당하는 대상 셀의 SOC을 얻고, 최저 기전력을 가진 셀의 기전력에 해당하는 최저 SOC를 얻어, 상기 대상 셀의 SOC 및 상기 최저 SOC를 기반으로 계산되게 된다. 바람직하게 상기 총전하량은 상기 대상 셀의 SOC에서 상기 최저 SOC를 뺀 차이거나, 상기 대상 셀의 SOC에서 상기 총전하량을 뺄 경우, 대상 셀이 상기 임계편차 이내의 값을 갖게 되는 전하량이다.
상기의 c) 단계에 의해 총전하량이 계산된 후, 대상 셀의 밸런싱이 수행되게 된다. 이때, 대상 셀의 밸런싱은 저항을 이용한 패시브 밸런싱(passive balancing)일 수 있으며, DC/DC 컨버터를 이용한 액티브 밸런싱(active balancing)일 수 있다.
상기 d) 단계의 누적 전하량을 얻기 위해, 바람직하게 상기 밸런싱 수행 시 일정한 시간 간격으로 상기 밸런싱 대상 셀의 터미널 전압을 측정하고, 터미널 전압과 SOC(state of charge)의 룩업 테이블을 이용하여 일정한 시간 간격 동안 소요된 밸런싱 전하량을 구하고, 상기 밸런싱 전하량을 누적하여 누적 전하량을 얻는 다. 즉, 상기 대상 셀의 패시브 또는 액티브 밸런싱이 시작됨과 동시에 일정한 시간 간격으로 상기 대상 셀의 터미널 전압을 측정하고, 터미널 전압과 SOC의 룩업 테이블을 이용하여 측정된 터미널 전압에 해당하는 SOC값을 얻는다. 따라서 특정 시간에 측정된 터미널 전압에 해당하는 SOC값과 상기 특정시간에서 일정한 시간이 흐른 후 측정된 터미널 전압에 해당하는 SOC값의 차이가 일정한 시간 간격에 소모된 밸런싱 전하량이 되며, 상기 밸런싱 전하량을 누적하여 누적 전하량을 얻을 수 있는 것이다. 대상 셀의 밸런싱은 상기 누적 전하량과 상기 총 전하량이 일치할 때 종료되게 된다. 밸런싱 단계에서 대상 셀의 터미널 전압은 바람직하게 0.1초 내지 1초의 시간 간격으로 측정된다.
이때, 온도에 의한 오차를 보정하기 위하여, 상기 b) 또는 c) 단계에서 사용되는 상기 룩업 테이블은 기전력을 한 축으로 갖고 온도를 다른 축으로 갖는 기전력 및 온도와 SOC(state of charge)의 2차원 룩업 테이블인 것이 바람직하다.
이때, 온도에 의한 오차를 보정하기 위하여, 상기 d) 단계에서 사용되는 상기 룩업 테이블은 터미널 전압을 한 축으로 갖고 온도를 다른 축으로 갖는 터미널 전압 및 온도와 SOC(state of charge)의 2차원 룩업 테이블인 것이 바람직하다.
본 발명의 고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법은 IR 전압 및 분극전압의 영향이 배제된 신빙성 있는 셀 기전력을 측정하여 밸런싱을 수행하므로, 정확한 밸런싱이 수행되는 장점이 있으며, 밸런싱에 소요되는 총전하량을 계산하고 계산된 총전하량에 기반하여 밸런싱을 종료하므로, 액티브 또는 패시브 밸런싱 회로의 구동에 의한 밸런싱 수행 시 오차를 배제할 수 있는 장점이 있으므로, 밸런싱 효과를 극대화 및 최적화하여 진행함으로써, 셀간 편차를 줄이고, 나아가 배터리 수명 연장 효과를 기대할 수 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 셀 밸런싱 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.
도 1은 본 발명의 셀 밸런싱 방법을 구현하기 위한 장치의 일 구성도이다. 다수의 셀(배터리 팩을 구성하는 개개의 배터리)이 직렬, 병렬 또는 직/병렬 연결된 배터리 팩(110)과 연결되어 배터리 팩(110)으로부터 로드(load, 190)로 흐르는 전류를 측정하는 전류센서(120), 상기 배터리 팩(110)을 구성하는 각 셀의 전압을 측정하는 전압센서(130), 상기 배터리 팩(110)의 온도를 측정하는 온도센서(140), 밸런싱 대상 셀의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부(180), 상기 전류센서(120), 전압센서(130) 및 상기 온도센서(140)의 출력, 리얼타임클락(real time clock, 160) 및 메모리(170)에 기 저장된 데이터를 입력받아 무전류 상태 또는 저전류 상태를 판별하여 신뢰성 있는 기전력을 얻고, 밸런싱 대상이 되는 셀을 판별/선택하며, 밸런싱에 소모되는 총전류량을 계산하고, 상기 밸런싱부(180)를 제어하는 제어부(150)를 포함하여 구성되며, 도 1에 도시한 바와 같이 필요에 따라 전류센서(120), 전압센서(130) 또는 상기 온도센서(140)의 출력이 아날로그 출력일 경우, 상기 센서(120, 130, 140)의 출력에 각각에 아날로그-디지털 컨버터(ADC; analog-digital converter, 121, 131, 141)가 연결될 수 있다. 이때, 상기 전압센서(130)에는 전압을 측정하는 전압측정회로부(미도시) 및 각각의 셀 단자와 상기 전압측정회로부를 연결시키는 스위치블럭(미도시)이 구성될 수 있으며, 상기 전압센서(130)의 동작은 상기 제어부(150)에 의해 제어되게 된다. 상기 전류센서(120) 및 상기 온도센서(140) 동작 또한 각각 독립적으로 상기 제어부(150)에 의해 제어된다. 상기 밸런싱부(180)에는 저항을 포함하여 구성된 방전회로, DC/DC 컨버터를 포함하여 구성된 충전회로, 또는 상기 충/방전 회로로 구성된 밸런싱회로(미도시) 및 각각의 셀 단자와 상기 밸런싱회로를 연결시키는 스위치블럭(미도시)이 구성될 수 있으며, 상기 밸런싱부(180)는 상기 제어부(150)에 의해 그 동작이 제어되게 된다.
본 발명의 셀 밸런싱 방법이 수행되는 순서도의 예를 도 2에 도시하였으며, 도 1의 장치 블록도 예를 기반으로 본 발명의 셀 밸런싱 방법을 설명한다.
각 셀의 기전력을 얻는 단계(s10)는 제어부(150)에 입력되는 전류센서(120)에서 측정된 전류값을 기반으로 제어부(150)에서 무전류 상태 또는 저전류 상태를 판별하게 되고, 무전류 상태일 경우, 리얼타임클락(160)을 이용하여 메모리(170)에 기 저장된 제1임계시간(t1)이상 동안 무전류 상태가 지속되는지 판별하며, 제1임계시간(t1)이상 무전류 상태가 지속되는 경우 전압센서(130)를 이용하여 개별 셀의 터미널 전압을 측정하고, 입력된 전압센서(130)의 터미널 전압값을 개별 셀의 기전력으로 사용한다.
전류센서(120)를 통해 제어부(150)로 입력되는 전류값이 메모리(170)에 기 저장된 임계전류량(i1) 이하인 경우 저전류상태로 판별하고, 일정한 간격으로 전류센서(120)를 통해 전류를 입력받으며 저전류상태가 지속되는지 판별하며, 메모리(170)에 기 저장된 제2임계시간(t2)이상 저전류 상태가 지속되는 경우, 전압센서(130)를 이용하여 개별 셀의 터미널 전압을 측정하고, 입력된 전압센서(130)의 터미널 전압값을 개별 셀의 기전력으로 사용한다. 제어부(150)는 저전류상태가 지속되는지 판별하기 위해 일정한 간격으로 전류센서(120)를 구동시키게 되는데, 바람직하게 전류센서(120)를 이용한 전류 측정 간격은 0.01초 내지 0.1초이다.
각 셀의 기전력을 얻는 후(s10) 제어부(150)는 각 셀의 기전력을 기반으로 밸런싱 대상 셀을 선정하게 된다(s20). 바람직하게는 각 셀의 기전력중 최저 기전력을 기준으로 상기 최저 기전력보다 임계편차 이상의 편차를 갖는 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택한다. 이때, 상기 임계편차는 메모리(170)에 기 저장된 값이 된다.
상기 밸런싱 대상 셀을 선정하는 단계(s20)는 메모리(170)에 기 저장된 기전력 및 온도와 SOC(state of charge)의 룩업 테이블을 이용하여 각가의 셀 기전력에 해당하는 SOC를 얻고, 상기 셀 기전력 대신 셀의 SOC를 기반으로 수행될 수 있다.
이때, 제어부(150)는 상기 단계(s10)에서 셀 기전력으로 사용되는 각 셀의 터미널 전압의 측정 직전 또는 직후 온도센서(140)의 구동을 제어하여 온도를 입력받아 상기 기전력 및 온도와 SOC(state of charge)의 룩업 테이블에서 해당 SOC를 얻는 것이 바람직하다.
제어부(150)에 의해 밸런싱 대상 셀이 선택된 후(s20), 밸런싱에 소모되는 총전하량(Qt)이 밸런싱 단계(s40)전에 계산된다(s30). 상기 총전하량(Qt)은 메모리(170)에 기 저장된 기전력 및 온도와 SOC(state of charge)의 룩업 테이블을 이용하여 밸런싱 대상 셀의 기전력에 해당하는 대상 셀의 SOC을 얻고, 최저 기전력을 가진 셀의 기전력에 해당하는 최저 SOC를 얻어, 상기 대상 셀의 SOC 및 상기 최저 SOC를 기반으로 계산된다. 제어부(150)에 의해 계산되는 상기 총전하량(Qt)은 상기 대상 셀의 SOC에서 상기 최저 SOC를 뺀 차이거나, 상기 대상 셀의 SOC에서 상기 총전하량(Qt)을 뺄 경우, 대상 셀이 상기 임계편차 이내의 값을 갖게 되는 전하량이다.
제어부(150)에 의해 총전하량(Qt)가 계산된 후, 대상 셀의 밸런싱이 수행되게 되는데(s40), 이때, 제어부(150)는 밸런싱부(180)를 제어하여 대상 셀의 밸런싱을 수행함과 동시에 전압센서(130)를 제어하여 일정 시간 간격으로 밸런싱이 수행되는 대상 셀의 터미널 전압을 입력받는다. 제어부(150)는 일정 시간 간격으로 제어부(150)에 입력된 터미널 전압, 메모리(170)에 기 저장된 터미널 전압 및 온도와 SOC(state of charge)의 룩업 테이블을 이용하여 입력된 터미널 전압에 해당하는 SOC를 얻고, 일정한 시간 간격으로 얻어지는 SOC를 기반으로 일정한 시간 간격 동안 소요된 밸런싱 전하량(= 특정시간에 얻어진 SOC - 특정시간 직전에 얻어진 SOC) 을 구하고, 상기 밸런싱 전하량을 누적하여 누적 전하량을 얻는다. 이때, 상기 제어부(150)는 누적 전하량과 총전하량(Qt)를 비교하여 누적 전하량이 총전하량(Qt)과 같을 때, 밸런싱부(180)를 제어하여 밸런싱을 종료하게 된다. 바람직하게 밸런싱 중 터미널 전압을 측정하는 시간 간격은 0.1초 내지 1초이다.
이때, 대상 셀의 밸런싱이 종료된 후, 단계(s10) 내지 단계(s50)을 반복 수행하여 (s60) 연속된 루프로 배터리 팩의 셀 밸런싱이 수행될 수 있으며, 누적 전하량이 총전하량(Qt)과 같을 때 밸런싱을 종료하나, 실질적으로 누적 전하량이 총전하량(Qt)을 초과하게 되는 시점에서 밸런싱이 종료되는 것이다.
상술한 설명에서 본 발명의 셀 밸런싱 방법에 있어 기준 파라메터 및 룩업 테이블등이 저장되는 상기 메모리(170)는 ROM인 것이 바람직하며, 상기 제어부(150)는 입력되는 개별 셀의 터미널 전압, 전하량, 온도, 클락(시간) 정보 및 각 단계의 SOC값, 누적 전하량, 총전하량등이 임시로 저장되는 메모리(미도시)를 포함할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 장치 블럭도와 같이 특정된 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 있 는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 셀 밸런싱 방법을 구현한 장치 블록도의 일 예이며,
도 2는 본 발명의 셀 밸런싱 방법의 일 순서도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110 : 배터리 팩 120 : 전류 센서
130 : 전압 센서 140 : 온도 센서
150 : 제어부 160 : 리얼타임클락
170 : 메모리 180 : 밸런싱 부
190 : 로드(load) 121, 131, 141 : ADC

Claims (11)

  1. 고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법에 있어서,
    a) 상기 배터리 팩을 구성하는 각 셀의 기전력을 측정하는 단계;
    b) 상기 각 셀의 기전력을 기반으로 밸런싱 대상 셀을 선택하는 단계;
    c) 셀의 기전력과 SOC(state of charge)의 룩업 테이블을 이용하여 각 셀의 기전력에 해당하는 각 셀의 SOC로부터 상기 밸런싱 대상 셀의 밸런싱에 사용될 총 전하량을 계산하는 단계;
    d) 상기 밸런싱 대상 셀의 밸런싱을 수행함과 동시에, 밸런싱 수행 시 일정한 시간 간격으로 상기 밸런싱 대상 셀의 터미널 전압을 측정하고, 터미널 전압과 SOC(state of charge)의 룩업 테이블을 이용하여 일정한 시간 간격 동안 소요된 밸런싱 전하량을 구하고, 상기 밸런싱 전하량을 누적하여 누적 전하량을 얻는 단계; 및
    e) 상기 누적 전하량과 상기 총 전하량이 일치할 때 상기 밸런싱 대상 셀의 밸런싱을 종료하는 단계;
    를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 a) 단계는
    a1) 상기 배터리 팩으로부터 상기 배터리 팩과 연결된 부하(load)에 전류가 공급되지 않는 무전류 상태를 판별하는 단계; 및
    a2) 무전류 상태인 경우, 상기 무전류 상태의 지속시간이 제1임계시간(t1) 이상인 경우, 상기 배터리 팩을 구성하는 각 셀의 터미널 전압을 측정하여 상기 측정된 각 셀의 터미널 전압을 각 셀의 기전력으로 사용하고,
    a3)무전류 상태가 아닌 경우, 상기 배터리 팩의 전류를 측정하여, 상기 배터리 팩의 전류가 임계전류량(i1) 이하로 제2임계시간(t2) 이상 동안 흐를 경우 상기 배터리 팩을 구성하는 각 셀의 터미널 전압을 측정하여 상기 측정된 각 셀의 터미널 전압을 각 셀의 기전력으로 사용하는 단계;
    를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1임계시간(t1) 및 제2임계시간(t2)은 각각 서로 독립적으로 30초 내지 60초인 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 임계전류량(i1)은 3A 이하인 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 b) 단계는 최저 기전력을 갖는 셀을 기준으로 상기 최저 기전력보다 임계편차 이상의 편차를 갖는 셀이 밸런싱 대상 셀로 선택되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 임계편차는 2% 내지 5%인 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 기전력과 SOC(state of charge)의 룩업 테이블은 기전력 및 온도와 SOC(state of charge)의 2차원 룩업 테이블인 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 터미널 전압과 SOC(state of charge)의 룩업 테이블은 터미널 전압 및 온도와 SOC(state of charge)의 2차원 룩업 테이블인 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법.
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 c) 단계는 셀의 기전력과 SOC(state of charge)의 룩업 테이블을 이용하여 밸런싱 대상 셀의 기전력에 해당하는 밸런싱 대상 셀의 SOC를 얻고, 최저 기전력을 가진 셀의 기전력에 해당하는 최저 SOC를 얻어, 상기 밸런싱 대상 셀의 SOC에서 상기 최저 SOC를 뺀 차인 총 전하량을 계산하는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법.
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