KR101472886B1 - 전지팩의 전압 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 다수의 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 전지팩에서 각 단위모듈의 충전 전압을 밸런싱 하는 장치로서, 충전 상태를 실시간 모니터링하는 측정 모듈과 직렬 구조의 셀 충전 구간을 조절하는 판단 모듈을 포함하고, 직렬 연결된 상기 다수의 단위모듈들에 전력을 공급하는 메인 컨트롤러; 및 각 단위모듈의 양단과 병렬 연결되어 있으며, 상기 측정 모듈의 신호에 따라 해당 단위모듈의 충전 전압을 변경하는 전압 변경 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩의 전압 밸런싱 장치를 제공한다.

Description

전지팩의 전압 밸런싱 장치 및 방법 {Device for Voltage Balancing of Battery Pack and Balancing Process Using the Same}

본 발명은 전지팩의 셀 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다수의 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 전지팩에서 각 단위모듈의 충전 전압을 밸런싱 하는 장치로서, 충전 상태를 실시간 모니터링하는 측정 모듈과 직렬 구조의 셀 충전 구간을 조절하는 판단 모듈을 포함하고, 직렬 연결된 상기 다수의 단위모듈들에 전력을 공급하는 메인 컨트롤러; 및 각 단위모듈의 양단과 병렬 연결되어 있으며, 상기 측정 모듈의 신호에 따라 해당 단위모듈의 충전 전압을 변경하는 전압 변경 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩의 전압 밸런싱 장치에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원 또는 보조 전력장치 등으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.

이러한 이차전지는 고출력이 요구되는 각종 이동성 장치에 사용되는 것으로, 이를 위해 상기와 같은, 전기자동차나 하이브리드 전기자동차 등에 사용되는 전지는 다수의 전지셀들이 직렬로 연결된 전지팩으로부터 출력되는 전기를 전원으로 이용하고 있다

또한, 전기자동차 등에는 다수의 전지셀들로 구성되는 전지팩이 차량 사양에 따라 다수 개 장착되며, 별도의 장치와 전지 관리 시스템(Battery Management System)이 구비되어 전지팩의 각 전지셀들을 충전 또는 방전하면서 각 전지셀의 전압을 적정한 레벨로 유지시킨다.

그러나, 이러한 충전 장치나 전지 관리 시스템은 각 전지셀들의 특성 차이에 관계없이 일괄적으로 충전 전류를 공급하여 충전이 이루어지도록 설계되어 있다. 그러므로, 이와 같은 일괄 충전 방식에서는 전지셀간의 용량 차이나 내부 저항 차이 등에 대한 고려 없이 일괄적으로 충전이 이루어지기 때문에, 과충전되는 전지셀이 발생하거나 완전히 충전되지 않은 상태에서 충전이 중단되는 전지셀이 존재하게 되는 등의 문제점을 내포한다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 대안으로 대한민국 실용신안 제20-0189819호 에 게재된 바와 같이 각각의 셀마다 스위치를 구비하여 전원공급을 제어하는 기술이 제시된 바 있으나, 이 기술의 경우 스위치의 응답 특성 등을 고려할 때 충전제어의 신뢰도에 한계가 있는 것이 사실이며, 특히 풀(Full) 충전시 셀에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 실시예의 경우에는, 다수의 스위치 중 어느 하나라도 이상이 있을 경우 충전장치 전체의 기능이 마비되는 취약점이 존재한다.

또한, 전지셀의 충전 전압을 센싱하기 위한 회로와 각 전지셀의 충전량을 밸런싱하기 위한 회로를 별도로 구성하는 방식을 사용하므로, 충전 전압 센싱 회로와 충전량 밸런싱 회로를 따로 구성하여 각 회로 별로 별도의 소자를 사용해야 하는 문제점들(예컨대, 비용의 증가, 고장 발생율의 증가)이 발생하게 된다

더욱이, 다수의 전지셀을 직렬 연결하여 구성한 전지팩을 장기간 사용하는 경우, 충방전 사이클이 증가하게 되면 각각의 전지셀이 가지는 특성 인자가 서로 동일하지 못하게 되고 이에 따라 전지셀의 충전 전압이 불균형한 상태가 되며, 각 전지셀들의 상호간 전압 편차가 심화되는 경우에는 폭발과 같은 위험한 상황이 발생할 수 있다.

따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있도록 셀 균등 충전 제어 기능이 적용된 전지팩의 셀 밸런싱(Cell Balancing) 장치 및 방법에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 전지셀의 충전 불균형을 해결하도록 전압 변경 모듈이 가능한 전지팩의 셀 밸런싱 장치 및 방법을 개발하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명의 목적은 전지 충전 구간 중 전압 충전 구간에 인가되는 전압을 변경하여 직렬 충전을 진행함으로써, 전지셀의 충전 불균형을 방지할 수 있는 전지팩의 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

우선, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩의 전압 밸런싱 장치는, 다수의 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 전지팩에서 각 단위모듈의 충전 전압을 밸런싱 하는 장치로서,

충전 상태를 실시간 모니터링하는 측정 모듈과 직렬 구조의 셀 충전 구간을 조절하는 판단 모듈을 포함하고, 직렬 연결된 상기 다수의 단위모듈들에 전력을 공급하는 메인 컨트롤러; 및

각 단위모듈의 양단과 병렬 연결되어 있으며, 상기 측정 모듈의 신호에 따라 해당 단위모듈의 충전 전압을 변경하는 전압 변경 모듈;

을 포함하는 것으로 구성되어 있다.

따라서, 측정 모듈 및 판단 모듈을 포함하는 메인 컨트롤러와 전압 변경 모듈에 기반한 본 발명에 따른 전지팩 전압 밸런싱 장치는, 셀 충전 구간 중 전압 충전 구간에 인가되는 전압을 변경하여 직렬 충전을 진행함으로써, 전지셀의 충전 불균형을 방지할 수 있다.

상기 단위모듈은 하나의 전지셀로 구성될 수도 있고 또는 둘 이상의 직렬 연결된 전지셀들을 포함하는 구조로 이루어질 수도 있다.

경우에 따라서는, 상기 단위모듈은 둘 이상의 병렬 연결된 전지셀들을 포함하는 구조로 이루어질 수도 있다.

본 발명에 따른 전압 밸런싱 장치는 하나의 메인 컨트롤러에 의해 전지팩에 전원이 공급되는 구조이므로, 상기 단위모듈별로 별도의 전원 공급장치나 회로가 요구되지 않는다.

상기 전압 변경 모듈은 앞서 정의한 바와 같이 상기 측정 모듈의 신호에 따라 해당 단위모듈의 충전 전압을 변경하는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 저항부재에 의해 단위모듈의 전압을 조절하는 구조일 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 메인 컨트롤러는 임계 충전 전압까지 전지팩을 충전하는 방식일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 충전이 CC (Constant Current) 충전 방식으로 진행될 수 있다.

상기 전압 변경 모듈은 바람직하게는 임계 충전 전압부터 만충전 전압까지 각각의 단위모듈을 충전하는 방식일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 충전은 CV (Constant Voltage) 충전 방식으로 진행될 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 임계 충전 전압은 RSOC (Relative State Of Charge)가 90% 내지 97%의 범위에서 결정되는 방식일 수 있다. 이 경우에, RSOC가 90% 이하이면 전지의 전체 충전시간이 증가되며, 상기 RSOC가 97% 이상이면 각 단위모듈들의 충전 전압 간에 전압 차이가 상대적으로 커지므로 바람직하지 않다.

바람직하게는, 상기 임계 충전 전압은 전지셀의 SOH(State Of Health)에 따라 하향 조정되는 방식일 수 있다.

따라서, 전지의 반복적인 충방전에 따른 전지의 용량 감소를 반영하여 임계 충전 전압이 이루어지므로, 전지의 과충전 및 과방전에 의한 전지의 손상을 방지할 수 있다.

본 발명은 또한 상기 전압 밸런싱 장치를 포함하는 전지팩을 제공한다.

상기 전지팩은 휴대폰, 노트북 등과 같은 소형 디바이스의 동력원 또는 전원으로 사용될 수도 있으며, 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전력저장장치 등 디바이스의 동력원 또는 전원으로 사용될 수도 있다.

또한, 본 발명은 다수의 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 전지팩에서 각 단위모듈의 충전 전압을 밸런싱 하는 방법을 제공하는 바, 구체적으로는,

전지의 SOH를 측정하는 SOH 측정 단계;

RSOC 및 상기 단위모듈들의 최대값과 최저값의 평균값이 설정전압보다 큰지 여부를 비교하는 비교 단계;

상기 RSOC 및 평균값이 설정전압보다 큰 경우, 전체 충전이 시작되는 충전 단계;

RSOC 및 다수의 단위모듈들의 충전량의 최대값과 최저값의 평균값이 기준값보다 큰지 여부를 비교하는 판단 단계; 및

상기 RSOC 및 평균값이 기준값 보다 큰 경우, 각각의 상기 단위모듈들의 충전 전압을 변경하는 전압 변경 단계;

를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.

상기 전압 변경 단계에는 상기 단위모듈들의 충전 전압을 모니터링 하여 밸런싱이 필요한 단위모듈을 선정하는 단계가 추가로 포함될 수도 있다.

따라서, 상기 단위모듈들이 실시간 모니터링 되어 밸런싱이 필요한 단위모듈이 실시간 선택된 후, 동일한 전압으로 일괄 충전됨으로써, 전지의 전체 밸런싱이 이루어질 수 있다.

바람직하게는, 상기 단위모듈은 저항에 의해 충전 전압이 조절되는 방식일 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩의 전압 밸런싱 장치 및 방법은, 전지 충전 구간 중 전압 충전 구간에 인가되는 전압을 변경하여 직렬 충전을 진행함으로써, 전지셀의 충전 불균형을 방지할 수 있다. 더욱이, 다수의 단위모듈들의 전압을 제어하기 위한 별도의 소자 또는 회로를 구성할 필요가 없으므로, 구성이 간단하고 전지팩의 안정성이 향상된다.

또한, 전지팩의 SOH 상태에 따라 전체 전지 충전 구간과 각 직렬 구조의 충전 구간을 조절하는 경우, 전지의 용량 및 수명을 극대화 할 수 있으며, 이로 인하여 전지 충전 속도가 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 전압 밸런싱 장치의 개략적인 회로도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 전압 밸런싱 방법에 관한 흐름도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 전압 밸런싱 장치의 개략적인 회로도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 전압 밸런싱 장치(100)는 하나 또는 둘 이상의 전지셀(도시하지 않음)을 포함하는 단위모듈들(21, 22, 23)이 회로상에 직렬로 연결되어 있고, 개별적인 단위모듈들(21, 22, 23)에는 각각 하나의 전압 변경 모듈이 병렬로 연결되어 있다. 또한, 전지셀을 포함하는 단위모듈들(21, 22, 23)은 하나의 메인 컨트롤러(10)에 연결되어 있다.

다수의 단위모듈들(21, 22, 23)은 서로 직렬로 연결되어 있고, 각각 단위모듈들(21, 22, 23)은 하나의 전지셀로 이루어져 있거나, 병렬 또는 직렬로 연결된 복수의 전지셀들로 이루어져 있다. 이러한 전지셀에는 전압 변경 모듈(31, 32, 33)이 각각 병렬로 연결되어 있으며, 메인 컨트롤러(10)에 의해 전원이 공급된다.

메인 컨트롤러(10)에는 단위모듈들(21, 22, 23)의 충전 상태를 실시간 모니터링하는 측정 모듈(11)과 직렬 구조의 전지셀 충전구간을 조절하는 판단모듈(12)이 포함되어 있다.

도 2에는 본 발명의 실시예에 따른 전지팩의 전압 밸런싱 방법에 관한 흐름도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 2를 도 1과 함께 참조하면, 메인 컨트롤러(10)는 실시간 전지의 SOH (State Of Health) 상태를 체크하여 충전 가용한 전압(임계 충전 전압)을 측정한다(S1 단계). 상기 전지의 SOH 상태에 따라, 전지의 RSOC (Relative State Of Charge) 95% (임계 충전 전압)까지 CC 충전 방식으로 충전되고, 잔량 5%는 CV 방식으로 만충전 된다. CC-CV 충전 방식에 대하여는 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.

충전 구간이 결정되면, 판단모듈(도시하지 않음)이 RSOC 및 충전 전압의 최대값과 최저값의 평균값이 설정전압 보다 큰지 여부를 판단한다(S2 단계).

RSOC 및 평균값이 설정전압보다 큰 경우, 판단모듈(도시하지 않음)로부터 상기 메인 컨트롤러(10)에 신호가 전달되어 전체 충전이 시작된다(S3 단계).

예를 들어, 10S5P(10개의 직렬, 5개의 병렬 구조)의 전지팩을 충전하기 위해 42V의 전원 공급 장치로 전지팩의 RSOC를 95%까지 충전하고, 나머지 5%는 10개의 직렬 구조에 저항 등을 이용하여 전압을 변경하여 4.2V로 충전함으로써, 직렬 구조에 연결된 5개의 병렬 구조의 전지셀을 4.2V로 충전하여 전지팩의 밸런싱을 이루게 된다.

충전이 진행되는 동안 메인 컨트롤러(10)에 장착된 측정 모듈(11)에 의해 단위모듈들의 충전 상태가 실시간 모니터링 된다.

상기와 같은 전체 충전이 진행되는 동안, 판단 모듈(12)은 실시간으로 각각의 단위모듈들(21, 22, 23)의 충전 상태가 기준값에 각각 도달하였는지 여부를 판단한다(S4 단계).

RSOC 및 단위모듈들(21, 22, 23)의 최대값과 최저값의 평균값이 기준값보다 큰 경우, 측정 모듈로부터의 신호가 상기 메인 컨트롤러(10)에 전달되어 단위모듈들(21, 22, 23)의 전압을 변경하고(S6 단계), RSOC 및 상기 단위모듈들(21, 22, 23)의 최대값과 최저값의 평균값이 기준값보다 작은 경우, 측정 모듈로부터의 신호가 메인 컨트롤러(10)에 신호가 전달되어 전지의 전체 충전이 다시 이루어진다(S5 단계).

이러한 단위모듈들(21, 22, 23)의 전압의 변경 단계는 단위모듈들(21, 22, 23)의 양단과 병렬 연결되어 있는 전압 변경 모듈(도시하지 않음)에 의해 동일한 전압으로 변경되어 만충전됨으로써, 각각의 단위모듈들(21, 22, 23) 충전 전압의 밸런싱이 이루어진다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (16)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 다수의 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 전지팩에서 각 단위모듈의 충전 전압을 밸런싱 하는 방법에 있어서,
    전지의 SOH를 측정하는 SOH 측정 단계;
    상기 단위모듈들의 충전 전압의 최대값과 최저값의 평균값이 설정전압보다 큰지 여부를 비교하는 비교 단계;
    상기 평균값이 설정전압보다 큰 경우, 전체 충전이 시작되는 충전 단계;
    다수의 단위모듈들의 충전량의 최대값과 최저값의 평균값이 기준값보다 큰지 여부를 비교하는 판단 단계; 및
    상기 평균값이 기준값 보다 큰 경우, 각각의 상기 단위모듈들의 충전 전압을 변경하는 전압 변경 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전지팩의 전압 밸런싱 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 전압 변경 단계는 상기 단위모듈들의 충전 전압을 모니터링 하여 밸런싱이 필요한 단위모듈을 선정하는 단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 전지팩의 전압 밸런싱 방법.
16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 단위모듈은 저항에 의해 충전 전압이 조절되는 것을 특징으로 하는 전지팩의 전압 밸런싱 방법.

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