KR101485347B1 - 배터리 관리 시스템，및 배터리 관리 시스템을 이용하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법 - Google Patents

배터리 관리 시스템，및 배터리 관리 시스템을 이용하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법은 배터리 모듈에 포함된 적어도 두 개의 배터리 셀들의 전압을 배터리 관리 시스템(BMS)을 통해 밸런싱(balancing)하는 방법에 관한 것으로서, (a) 배터리 관리 시스템에 포함된 측정부가 배터리 셀들 각각의 충전 전압인 개방 회로 전압(OCV)을 측정하는 단계와, (b) 배터리 관리 시스템의 제어부가 상기 측정된 개방 회로 전압(OCV)들 사이에 포함되는 전압을 밸런싱 전압으로 설정하는 단계와, (c) 배터리 관리 시스템의 제어부가 상기 설정된 밸런싱 전압에 근거하여, 배터리 관리 시스템의 셀 밸런싱부에 포함되고 저항에 전기적으로 연결된 스위치 회로의 제어를 통해 밸런싱 전압보다 높은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 전류를 저항으로 방출하여 밸런싱 전압으로 밸런싱되도록 제어하는 단계와, (d) 배터리 관리 시스템의 제어부가, 셀 밸런싱부에 포함되고 전류원에 전기적으로 연결된 스위치 회로의 제어를 통해 밸런싱 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각으로 전류원의 전류가 주입되어 밸런싱 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 밸런싱 전압으로 밸런싱되도록 제어하는 단계를 포함한다.

Description

배터리 관리 시스템，및 배터리 관리 시스템을 이용하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법 {Battery management system, and method of balancing battery cell in battery module using the same}
본 발명은 배터리 관리 시스템(BMS, battery management system) 관련 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리 관리 시스템, 및 배터리 관리 시스템을 이용하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 에너지 저장 시스템(ESS, energy storage system), 전기 자동차, 하이브리드(Hybrid) 자동차, 및 전기 오토바이(E-Scooter) 등을 구동하기 위하여 대용량의 전력을 발생할 수 있는 대용량의 배터리(배터리 모듈)가 사용될 수 있다.
특히, 신재생 에너지의 보급과 함께 스마트 그리드(smart grid)의 핵심으로 전력의 저장 및 품질, 그리고 에너지 사용의 효율을 극대화시킬 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS, energy storage system)에 대한 관심도 증가하고 있다. 에너지 저장 시스템(ESS)은 다수의 배터리 셀들(Battery Cells)을 가지는 대용량의 배터리 모듈(Battery Module)을 포함할 수 있고, 남는 전력(남는 에너지)을 필요한 때와 장소에 공급하기 위해 전력계통(grid)에 저장하는 기술로서 전력의 품질과 효율성을 최적화할 수 있는 시스템을 말한다.
상기 배터리 모듈을 보다 효율적이고 안정적으로 관리하는 장치가 배터리 관리 시스템이다. 배터리 관리 시스템은 다수개의 배터리 셀들에 연결되어 각 배터리 셀의 전압 값을 A/D 컨버터(analog to digital converter)를 통해 읽어 들인 후 배터리 셀의 충전 또는 방전을 제어할 수 있다.
다수개의 배터리 셀(battery cell)들을 연결하여 하나의 배터리 모듈로 사용할 경우, 배터리 모듈을 이루는 배터리 셀들의 지닌 화학적 차이, 물성적 차이, 또는 사용기간의 차이 등으로 인해 각 배터리 셀 간에 전압차가 발생될 수 있다. 상기 배터리 셀 간의 전압차로 인해 배터리 모듈의 수명이 단축될 수 있으므로, 최종적으로는 단셀(단일 배터리 셀) 1개의 전압강하와 같은 성능저하 때문에 패키지화된 배터리 모듈 전체가 새로운 배터리 모듈로 교체되어야 하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 에너지 저장 시스템(ESS) 및 전기 자동차 등에 사용되는 대용량 배터리의 충전 또는 방전 시, 각 배터리 셀의 전압을 동일하게 유지할 수 있도록 하는 배터리 관리 시스템에 의한 셀 밸런싱(cell balancing) 과정이 필요할 수 있다. 본 발명의 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법에 관련되고 전술한 셀 밸런싱 과정을 수행하는 배터리 팩의 보호회로의 일례가, 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0105220호(2007.10.30.) 및 등록특허공보 제10-0969589호(2010.7.5.)에 개시(disclosure)되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈에 대한 셀 밸런싱을 위한 충전 및 방전 횟수(cycle)를 감소시키는 것에 의해 셀 밸런싱에 사용되는 전기 에너지의 소모를 감소시킬 수 있으며 배터리 모듈의 수명을 증가시킬 수 있는 배터리 관리 시스템, 및 배터리 관리 시스템을 이용하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법은, 배터리 모듈에 포함된 적어도 두 개의 배터리 셀들의 전압을 배터리 관리 시스템(BMS)을 통해 밸런싱(balancing)하는 방법에 관한 것으로서, (a) 상기 배터리 관리 시스템에 포함된 측정부가 상기 배터리 셀들 각각의 충전 전압인 개방 회로 전압(OCV)을 측정하는 단계; (b) 상기 배터리 관리 시스템의 제어부가 상기 측정된 개방 회로 전압(OCV)들 사이에 포함되는 전압을 밸런싱 전압으로 설정하는 단계; (c) 상기 배터리 관리 시스템의 제어부가 상기 설정된 밸런싱 전압에 근거하여, 상기 배터리 관리 시스템의 셀 밸런싱부에 포함되고 저항에 전기적으로 연결된 스위치 회로의 제어를 통해 상기 밸런싱 전압보다 높은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 전류를 상기 저항으로 방출하여 상기 밸런싱 전압으로 밸런싱되도록 제어하는 단계; 및 (d) 상기 배터리 관리 시스템의 제어부가, 상기 셀 밸런싱부에 포함되고 전류원에 전기적으로 연결된 스위치 회로의 제어를 통해 상기 밸런싱 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각으로 전류원의 전류가 주입되어 상기 밸런싱 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 상기 밸런싱 전압으로 밸런싱되도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(BMS)은, 배터리 모듈에 포함된 적어도 두 개의 배터리 셀들 각각의 충전 전압인 개방 회로 전압(OCV)을 측정하는 측정부; 및 상기 측정된 개방 회로 전압(OCV)들 사이에 포함되는 전압을 밸런싱 전압으로 설정하고, 상기 설정된 밸런싱 전압에 근거하여 상기 배터리 관리 시스템의 셀 밸런싱부에 포함된 스위치 회로의 제어를 통해, 상기 밸런싱 전압보다 높은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 전류를 방출하여 상기 밸런싱 전압으로 밸런싱되고 상기 밸런싱 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각에 전류가 주입되어 상기 밸런싱 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 상기 밸런싱 전압으로 밸런싱되도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있으며, 상기 스위치 회로는 상기 밸런싱 전압보다 높은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각으로부터 출력되는 전류를 저항으로 방출하고, 상기 스위치 회로는 상기 밸런싱 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각으로 전류원의 전류를 주입할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법은, 배터리 모듈에 포함된 적어도 두 개의 배터리 셀들의 전압을 배터리 관리 시스템(BMS)을 통해 밸런싱(balancing)하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법에 관한 것으로서, (a) 상기 배터리 관리 시스템에 포함된 측정부가 상기 배터리 셀들 각각의 충전 전압인 개방 회로 전압(OCV)을 측정하는 단계; (b) 상기 배터리 관리 시스템의 제어부가 상기 측정된 개방 회로 전압(OCV)들 사이에 포함되는 전압을 밸런싱 기준 전압으로 설정하는 단계; (c) 상기 배터리 관리 시스템의 제어부가 참조 테이블(lookup table)에 근거하여, 상기 배터리 관리 시스템의 셀 밸런싱부에 포함되고 저항에 전기적으로 연결된 스위치 회로의 제어를 통해 상기 밸런싱 기준 전압보다 높은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 전류를 상기 저항으로 방출하여 상기 밸런싱 기준 전압보다 높은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각의 밸런싱 전압으로 밸런싱되도록 제어하는 단계; 및 (d) 상기 배터리 관리 시스템의 제어부가 상기 참조 테이블에 근거하여, 상기 셀 밸런싱부에 포함되고 전류원에 전기적으로 연결된 스위치 회로의 제어를 통해 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각으로 전류원의 전류가 주입되어 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각의 밸런싱 전압으로 밸런싱되도록 제어하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 참조 테이블은 상기 배터리 셀들 각각의 온도, 충전 및 방전 횟수, 및 방전 전류량에 따른 상기 배터리 셀들 각각의 밸런싱 전압을 포함할 수 있으며, 상기 참조 테이블에 포함되는 상기 밸런싱 기준 전압보다 높은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 제1 배터리 셀의 밸런싱 전압은, 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮고 상기 제1 배터리 셀의 개방 회로 전압보다 높은 개방 회로 전압을 가지는 제2 배터리 셀의 밸런싱 전압보다 높을 수 있으며, 상기 참조 테이블에 포함되는 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 제3 배터리 셀의 밸런싱 전압은, 상기 밸런싱 기준 전압보다 높고 상기 제3 배터리 셀의 개방 회로 전압보다 낮은 개방 회로 전압을 가지는 제4 배터리 셀의 밸런싱 전압보다 낮을 수 있다.
상기 참조 테이블은 상기 배터리 셀들 각각의 자가 방전량에 따른 상기 배터리 셀들 각각의 밸런싱 전압을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 시스템, 및 배터리 관리 시스템을 이용하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법은 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈에 대한 셀 밸런싱 동작(cell balancing operation)을 위한 충전 및 방전 횟수(cycle)를 감소시킬 수 있으므로, 본 발명은 셀 밸런싱 동작에 사용되는 전기 에너지의 소모를 감소시킬 수 있으며 배터리 모듈의 수명을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(BMS)(200)을 설명하는 블락 다이어그램(block diagram)이다.
도 2는 도 1에 도시된 셀 밸런싱부(210)의 실시예를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법(400)을 설명하는 흐름도(flow chart)이다.
도 4는 본 발명의 셀 밸런싱 방법과 비교되는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법을 설명하는 그래프(graph)이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈(100)의 셀 밸런싱 방법을 설명하는 도면(그래프(graph))이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(100)의 셀 밸런싱 방법을 설명하는 도면(그래프(graph))이다.
본 발명 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는, 본 발명의 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용이 참조되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하는 것에 의해, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(BMS)(200)을 설명하는 블락 다이어그램(block diagram)이다.
도 1을 참조하면, 배터리 관리 시스템(BMS, battery management system)(200)은, 측정부(205), 셀 밸런싱부(cell balancing unit)(210), 및 제어부(215)를 포함한다.
배터리 관리 시스템(BMS)(200)은 전기 자동차, 하이브리드(hybrid) 전기자동차, 또는 스마트 배전을 위한 대용량 에너지 저장장치이고 풍력발전 또는 태양열 발전 등과 같은 신재생 에너지 분야에 적용될 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS)과 같은 기기에 장착될 수 있다. 에너지 저장 시스템(ESS)은 예를 들어 대용량(350(V), 10(AH))의 3.5(KW)급 가정용(주택용) 에너지 저장장치로서 모듈화(50(V), 5(AH))된 단위 셀(5(V) 또는 3.7(V), 5(AH))들을 직렬 혹은 병렬로 연결하여 만들 수 있다. 에너지 저장 시스템(ESS)은 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있는 PCS(Power Conditioning System, 전력 변환 장치(전력변환기))을 통해 전력 계통에 연계될 수 있다. 그 반대로, 상기 PCS는 양방향 PCS로서, 전력계통의 교류전력을 직류전력으로 변환하여 상기 변환된 직류전력이 BMS(200)를 통해 배터리 모듈(100)에 제공되도록 할 수 있다.
배터리 관리 시스템(BMS)(200)은 배터리 모듈(100)의 다양한 상태를 모니터링(monitoring)(측정 또는 감지)하여, 배터리 모듈의 온도, 배터리 모듈의 주변온도, 배터리 모듈의 전압, 및 배터리 모듈의 방전(또는 충전) 전류(또는 배터리 모듈의 정격 용량(Ah)에 C-rate(current rate)를 곱한 값) 등에 따라 배터리 보호를 위한 제어를 할 수 있고 기기의 운전자(operator)에게 배터리 상태를 알려주고, 배터리 모듈(100)을 적정상태로 관리하는 기능을 가질 수 있다.
배터리 관리 시스템(BMS)(200)은 배터리 모듈(100)의 각 배터리 셀의 전압과 전류와 온도를 측정하여 셀의 셀 밸런싱(cell balancing)과 SOC(State of Charge, 잔존 용량)를 산정하고 에너지 저장 시스템(ESS)의 안전, 충전, 또는 방전을 제어할 수 있다. 배터리 관리 시스템(BMS)(200)은 배터리 모듈(100)의 배터리 셀들의 전압을 밸런싱(balancing)(균등 충전)할 수 있다.
배터리 셀의 고유한 특성 때문에 배터리 셀에 대해 장기간 충전 및 방전을 수행하게 되면, 셀 전압이 서로 달라질 수 있다. 그 결과, 다수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈에서 최소전압과 최대전압이 존재하며, 그 차이가 크게 되면 과충전 또는 과방전을 초래하게 되어 1개의 셀 때문에 전체 모듈의 수명이 급격히 단축될 수 있다. 따라서 다수의 배터리 셀들로 구성되는 모듈에서 셀 밸런싱은 배터리 모듈의 수명을 극대화하기 위해 매우 중요하다.
측정부(205)는 배터리 모듈(100)에 포함된 배터리 셀들 각각의 충전 전압인 개방 회로 전압(OCV, open circuit voltage)을 측정(센싱(sensing))한다. 배터리 모듈(battery module)(또는 배터리 팩(battery pack))(100)은 적어도 두 개의 2차 전지인 배터리 셀들(battery cells)을 포함한다. 개방 회로 전압(OCV)은 배터리 셀이 방전 또는 충전되지 않을 때의 배터리 셀의 양극과 음극 사이의 충전 전압일 수 있고, 장기(장시간) 개방회로 전압일 수 있다. 즉, 개방 회로 전압(OCV)은 충전 또는 방전 전류를 중단한 후 예를 들어 수 십분 또는 1시간이 지난 다음에 양극과 음극의 양단 전압을 측정한 전압으로서, 필요시 수 분이내의 양단 전압을 OCV로 사용할 수도 있다. 상기 배터리 셀들은 서로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있고, 배터리 셀들 각각은 배터리 셀의 온도, 충전 및 방전 횟수, 충전 전류량, 또는 방전 전류량에 따라 충전 전압(또는 방전 전압)이 달라질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 배터리 셀의 방전 또는 충전시의 확산 효과(diffusion effect)로 인한 분극 커패시턴스(polarization capacitance)(또는 표면 커패시터(surface capacitance))를 고려한 배터리 셀의 등가 전기 회로 모델을 이용하여 개방 회로 전압(OCV)이 측정될 수도 있다.
제어부(215)는 측정부(205)에서 측정된 개방 회로 전압(OCV)들 사이에 포함되는(해당하는) 전압을 밸런싱 전압으로 설정할 수 있다. 제어부(215)는 상기 설정된 밸런싱 전압에 근거하여 셀 밸런싱부(210)에 포함된 스위치 회로의 제어를 통해, 상기 밸런싱 전압보다 높은 측정부(205)에서 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 전류를 방출(또는 방전)하여 상기 밸런싱 전압으로 밸런싱되고 상기 밸런싱 전압보다 낮은 측정부(205)에서 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각에 전류가 주입되어 상기 밸런싱 전압보다 낮은 측정부(205)에서 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 밸런싱 전압으로 밸런싱(충전)되도록 제어할 수 있다.
상기 스위치 회로는 저항에 전기적으로 연결되고, 스위치 회로는 제어부(215)의 제어에 의해 상기 밸런싱 전압보다 높은 측정부(205)에서 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각으로부터 출력되는 전류를 상기 저항으로 방출하여 상기 밸런싱 전압보다 높은 측정부(205)에서 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각의 충전 전압을 상기 밸런싱 전압으로 밸런싱(균등 충전)시킬 수 있다.
또한 상기 스위치 회로는 전류원에 전기적으로 연결되고, 스위치 회로는 제어부(215)의 제어에 의해 상기 밸런싱 전압보다 낮은 측정부(205)에서 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각으로 상기 전류원의 전류를 주입(충전)하여 상기 밸런싱 전압보다 낮은 측정부(205)에서 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각의 충전 전압을 상기 밸런싱 전압으로 밸런싱시킬 수 있다.
제어부(215)는 CPU(central processing unit)로서 측정부(205) 및 셀 밸런싱부(210)를 포함하는 배터리 관리 시스템(BMS)(200)의 전체적인 동작을 제어할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 셀 밸런싱부(210)의 실시예를 설명하는 도면이다.
도 2 및 도 1을 참조하면, 셀 밸런싱부(210)는 스위치 회로(300), 저항(저항기(resistor))(305), 및 전류원(310)을 포함한다. 셀 밸런싱부(210)는 배터리 모듈(100)의 실시예인 5개의 직렬로 연결된 배터리 셀들(V1 내지 V5)을 셀 밸런싱시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 스위치 회로(300)는 저항(305)에 전기적으로 연결될 수 있다. 스위치 회로(300)는 제어부(215)의 제어에 의해 저항(305)을 상기 밸런싱 전압보다 높은 측정부(205)에서 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각(예를 들어, 배터리 셀 V1)에 전기적으로 연결하는 것에 의해 상기 밸런싱 전압보다 높은 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각으로부터 출력되는 전류를 저항(305)으로 방출하여 상기 밸런싱 전압보다 높은 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각의 충전 전압을 상기 밸런싱 전압으로 밸런싱시킬 수 있다. 또한 스위치 회로(300)는 전류원(310)에 전기적으로 연결될 수 있다. 스위치 회로(300)는 제어부(215)의 제어에 의해 전류원(310)을 상기 밸런싱 전압보다 낮은 측정부(205)에서 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각(예를 들어, 배터리 셀 V5)에 전기적으로 연결하는 것에 의해 상기 밸런싱 전압보다 낮은 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각으로 전류원(310)의 전류를 주입(충전)하여 상기 밸런싱 전압보다 낮은 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각의 충전 전압을 상기 밸런싱 전압으로 밸런싱시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법(400)을 설명하는 흐름도(flow chart)이다. 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법(400)은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 배터리 관리 시스템(BMS)(200)에 적용될 수 있다. 즉, 상기 셀 밸런싱 방법은 배터리 모듈(100)에 포함된 적어도 두 개의 배터리 셀들의 전압을 배터리 관리 시스템(BMS)을 통해 밸런싱(balancing)한다.
도 3, 도 1, 및 도 2를 참조하면, 측정 단계(405)에서, 배터리 관리 시스템(BMS)(200)에 포함된 측정부(205)가 상기 배터리 셀들 각각의 충전 전압인 개방 회로 전압(OCV)을 측정한다. 상기 측정된 개방 회로 전압(OCV)은 배터리 관리 시스템(BMS)(200)의 제어부(215)에 제공된다.
설정 단계(410)에 따르면, 배터리 관리 시스템(BMS)(200)의 제어부(215)는 측정 단계(405)에서 측정된 개방 회로 전압(OCV)들 사이에 포함되는(해당하는) 전압을 밸런싱 전압으로 설정할 수 있다.
제어 단계(415)에 따르면, 제어부(215)는 설정 단계(410)에서 설정된 밸런싱 전압에 근거하여, 셀 밸런싱부(210)에 포함된 스위치 회로(300)의 제어를 통해 상기 밸런싱 전압보다 높은 측정 단계(405)에서 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 전류(전하)를 방출(dissipation)하여 설정 단계(410)에서 설정된 밸런싱 전압으로 밸런싱(방전)되고 상기 밸런싱 전압보다 낮은 측정 단계(405)에서 측정된 개방 회로 전압을 가지는 상기 배터리 셀들 각각에 전류가 주입(injection)되어 상기 밸런싱 전압보다 낮은 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 설정 단계(410)에서 설정된 밸런싱 전압으로 밸런싱(충전)되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 제어부(215)는 셀 밸런싱부(210)에 포함되고 저항(305)에 전기적으로 연결된 스위치 회로(300)의 제어를 통해 상기 밸런싱 전압보다 높은 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 전류를 저항(305)으로 방출하여 상기 밸런싱 전압으로 밸런싱되도록 제어할 수 있다. 또한 제어부(215)는 셀 밸런싱부(210)에 포함되고 전류원(310)에 전기적으로 연결된 스위치 회로(300)의 제어를 통해 상기 밸런싱 전압보다 낮은 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각으로 전류원(310)의 전류가 주입되어 상기 밸런싱 전압보다 낮은 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 상기 밸런싱 전압으로 밸런싱되도록 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템, 및 배터리 관리 시스템을 이용하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법은, 측정된 배터리 셀의 개방 회로 전압들(OCV) 사이에 포함되는 전압을 셀 밸런싱 목표 전압(밸런싱 전압)으로 설정하는 것에 의해 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈에 대한 셀 밸런싱을 위한 충전 및 방전 횟수(cycle)를 감소시킬 수 있으므로, 셀 밸런싱 방법 중 전류 방출(current dissipation) 방식 또는 전류 주입(injection) 방식과 비교할 때 셀 밸런싱에 사용되는 전기 에너지의 소모를 감소시킬 수 있으며 배터리 모듈의 수명을 증가시킬 수 있다. 상기 전류 방출 방식은 배터리 셀의 양단에 전기적으로 제어 가능한 스위치와 저항을 연결하여 가장 낮은 셀 전압을 기준으로 가장 높은 셀부터 선택적으로 전류를 방출(방전)하여 배터리 셀의 전압을 밸런싱하는 방법일 수 있다. 상기 전류 주입 방식은 가장 높은 배터리 셀 전압을 기준으로 낮은 셀부터 선택적으로 전류를 주입(충전)하여 배터리 셀의 전압을 밸런싱하는 방법일 수 있다.
도 4는 본 발명의 셀 밸런싱 방법과 비교되는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법을 설명하는 그래프(graph)이다.
도 4를 참조하면, 도 4의 셀 밸런싱 방법은 전류 방출(current dissipation) 방식을 나타낸다. 즉, 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 측정된 충전전압들인 개방회로 전압(OCV)들 중 최소값을 밸런싱 목표 전압(밸런싱 전압)으로 설정한 후 최소값을 가지는 배터리 셀(B5)을 제외한 배터리 셀들(B1, B2, B3, B4)의 전류를 방출시켜 배터리 셀들(B1, B2, B3, B4)의 개방회로 전압들을 밸런싱 목표 전압으로 밸런싱시킨다.
도 4에 도시된 바와 같이, 밸런싱 시작 편차 전압(예를 들어 B4의 개방회로 전압)과 밸런싱 목표 전압 사이의 셀 전압 변동폭이 크므로, 셀 밸런싱을 수행할 때 소비되는 에너지가 크고 셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 횟수가 많으므로 배터리 모듈의 수명이 짧아질 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈(100)의 셀 밸런싱 방법을 설명하는 도면(그래프(graph))이다.
도 5를 참조하면, 도 5에 도시된 셀 밸런싱 방법은 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 본 발명의 셀 밸런싱 방법을 나타낸다. 즉, 배터리 모듈(100)의 배터리 셀들의 측정된 충전전압들인 개방회로 전압(OCV)들 사이에 포함되는 전압(예를 들어 배터리 셀(V3)의 개방회로 전압)을 밸런싱 목표 전압(밸런싱 전압)으로 설정한 후 밸런싱 목표 전압보다 높은 측정된 개방회로 전압을 가지는 배터리 셀들(V1, V2, V4) 각각이 전류를 방출하여 밸런싱 목표 전압으로 밸런싱되고, 밸런싱 목표 전압보다 낮은 측정된 개방회로 전압을 가지는 배터리 셀(V5)에 전류가 주입되어 배터리 셀(V5)이 밸런싱 목표 전압으로 밸런싱된다.
도 5에 도시된 밸런싱 시작 편차 전압은 배터리 모듈(100)에 포함된 배터리 셀들(V1~V5)의 개방 회로 전압들 중 최대값을 가지는 배터리 셀(V4)의 개방 회로 전압으로서, 배터리 관리 시스템(200)의 제어부(215)가 배터리 모듈(100)에 대한 셀 밸런싱 동작의 시작을 제어하기 위해 제어부(215)에 의해 설정된 밸런싱 시작 전압값의 최대값일 수 있다. 상기 밸런싱 시작 전압값의 최소값은 배터리 모듈(100)에 포함된 배터리 셀들(V1~V5)의 개방 회로 전압들 중 최소값을 가지는 배터리 셀(V5)의 개방 회로 전압으로서, 배터리 관리 시스템(200)의 제어부(215)가 배터리 모듈(100)에 대한 셀 밸런싱 동작의 시작을 제어하기 위해 제어부(215)에 의해 설정될 수 있다. 상기 밸런싱 시작 전압값의 최대값과 상기 밸런싱 시작 전압값의 최소값 사이의 값은, 예를 들어 밸런싱 목표 전압값(밸런싱 전압값)일 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 밸런싱 시작 편차 전압(예를 들어 V4의 개방회로 전압)과 밸런싱 목표 전압 사이의 셀 전압 변동폭이 도 4에 도시된 셀 전압 변동폭보다 상대적으로 작을 수 있다. 따라서 도 5의 실시예는 도 4의 셀 밸런싱 방법보다 셀 밸런싱을 수행할 때 소비되는 에너지가 상대적으로 작고 셀 밸런싱 횟수가 상대적으로 감소하므로, 도 5의 실시예는 배터리 모듈(100)의 수명을 도 4의 셀 밸런싱 방법보다 효과적으로 증가시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(100)의 셀 밸런싱 방법을 설명하는 도면(그래프(graph))이다.
상기 셀 밸런싱 방법은 도 1 및 도 2에 도시된 배터리 관리 시스템(BMS)에 적용될 수 있다. 상기 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법은, 배터리 모듈(100)에 포함된 적어도 두 개의 배터리 셀들의 전압을 배터리 관리 시스템(BMS)을 통해 밸런싱(balancing)하는 방법에 관한 것으로서, 측정 단계, 설정 단계, 제1 제어 단계, 및 제2 제어 단계를 포함한다.
도 6, 도 1, 및 도 2를 참조하면, 상기 측정 단계에서, 배터리 관리 시스템(200)에 포함된 측정부(205)가 배터리 모듈(100)에 포함된 배터리 셀들 각각의 충전 전압인 개방 회로 전압(OCV)을 측정한다. 상기 배터리 셀들 중 측정된 개방 회로 전압이 가장 작은 값을 가지는 배터리 셀(예를 들어, 도 6의 배터리 셀(V5))이 배터리의 방전특성(성능)(또는 충전성능)이 가장 떨어지는 배터리 셀일 수 있다.
설정 단계에 따르면, 배터리 관리 시스템(200)의 제어부(215)가 측정부(205)에서 측정된 개방 회로 전압(OCV)들 사이에 포함되는 전압을 밸런싱 기준 전압으로 설정한다.
제1 제어 단계에 따르면, 배터리 관리 시스템(200)의 제어부(215)가 참조 테이블(lookup table)에 근거하여, 배터리 관리 시스템(200)의 셀 밸런싱부(210)에 포함되고 저항(305)에 전기적으로 연결된 스위치 회로의 제어를 통해 상기 설정 단계에서 설정된 밸런싱 기준 전압보다 높은 측정부(205)에서 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 전류를 저항(305)으로 방출하여 상기 설정 단계에서 설정된 밸런싱 기준 전압보다 높은 측정부(205)에서 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각의 밸런싱 전압(밸런싱 목표 전압)으로 밸런싱되도록 제어할 수 있다. 상기 밸런싱 기준 전압보다 높은 측정부(205)에서 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들은, 도 6에 도시된 바와 같이, 예를 들어, V1, V2, 및 V4일 수 있다. 배터리 셀(V3)은 밸런싱 기준 전압과 동일하므로 셀 밸런싱 동작이 수행되지 않을 수 있다.
제2 제어 단계에 따르면, 배터리 관리 시스템(200)의 제어부(215)가 상기 참조 테이블에 근거하여, 셀 밸런싱부(210)에 포함되고 전류원(310)에 전기적으로 연결된 스위치 회로의 제어를 통해 설정 단계에서 설정된 밸런싱 기준 전압보다 낮은 측정부(205)에서 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각으로 전류원(310)의 전류가 주입되어 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각의 밸런싱 전압으로 밸런싱되도록 제어할 수 있다. 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮은 측정부(205)에서 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀은, 도 6에 도시된 바와 같이, 예를 들어, V5일 수 있다.
상기 참조 테이블은 상기 배터리 셀들 각각의 온도, 충전 및 방전 횟수(cycle), 및 방전 전류량(또는 방전 전류의 크기)에 따른 상기 배터리 셀들 각각의 밸런싱 전압을 포함할 수 있다. 참조 테이블은 상기 배터리 셀들 각각의 자가 방전량(self-discharge, 배터리 셀들 각각의 내부저항에 의한 자연 방전율), 배터리 셀들 각각의 충전 전류량(또는 충전 전류의 크기), 배터리 셀들 각각의 주변 온도, 또는 배터리 셀들 각각의 경년 변화(SOH, State of Health)에 따른 상기 배터리 셀들 각각의 밸런싱 전압을 더 포함할 수 있다.
상기 참조 테이블에 포함되는 상기 밸런싱 기준 전압보다 높은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 제1 배터리 셀(예를 들어, 도 6의 배터리 셀(V1))의 밸런싱 전압은, 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮고 상기 제1 배터리 셀의 개방 회로 전압보다 높은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 제2 배터리 셀(예를 들어, 도 6의 배터리 셀(V2))의 밸런싱 전압보다 높을 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(V1)의 밸런싱 전압값은 밸런싱 기준 전압값의 90(%)의 크기를 가질 수 있고, 배터리 셀(V2)의 밸런싱 전압값은 밸런싱 기준 전압값의 80(%)의 크기를 가질 수 있고, 배터리 셀(V4)의 밸런싱 전압값은 밸런싱 기준 전압값의 70(%)의 크기를 가질 수 있다.
상기 참조 테이블에 포함되는 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 제3 배터리 셀(예를 들어, 도 6의 배터리 셀(V5))의 밸런싱 전압은, 상기 밸런싱 기준 전압보다 높고 상기 제3 배터리 셀의 개방 회로 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 제4 배터리 셀(미도시)의 밸런싱 전압보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(V5)의 밸런싱 전압값은 밸런싱 기준 전압값의 110(%)의 크기를 가질 수 있다.
상기 배터리 셀들 각각의 온도, 충전 및 방전 횟수, 및 방전 전류량 등에 따른 상기 배터리 셀들 각각의 밸런싱 전압(즉, 참조 테이블의 값)은 배터리 셀들 각각에 대한 실험에 의해 결정(설정)될 수 있다. 참조 테이블은 배터리 관리 시스템(200)에 포함된 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)과 같은 저장부(미도시)에 저장될 수 있다. 하나의 방전 횟수와 하나의 충전 횟수를 합쳐 배터리 셀의 1 cycle를 구성할 수 있다. 상기 자가 방전량은 예를 들어 배터리 셀의 온도가 높을수록 배터리 셀의 내부 저항이 증가할 수 있으므로 증가할 수 있다. 배터리 셀의 실험에 의해 결정되는 충전 및 방전 횟수(cycle), 자가 방전량, 및 경년 변화는 배터리 관리 시스템(BMS)(200)의 감지부(미도시)에 의해 측정되는 배터리 셀의 방전 전압값(또는 충전 전압값), 방전 전류값(또는 충전 전류값), 온도값, 또는 주변 온도값에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 방전 전압(방전 전류)의 초기값이 작은 배터리 셀은 충전 및 방전 횟수가 많고 경년 변화(aging)가 많이 진행된 배터리 셀일 수 있다.
도 6에 도시된 밸런싱 시작 편차 전압은 배터리 모듈(100)에 포함된 배터리 셀들(V1~V5)의 개방 회로 전압들 중 최대값을 가지는 배터리 셀(V4)의 개방 회로 전압으로서, 배터리 관리 시스템(200)의 제어부(215)가 배터리 모듈(100)에 대한 셀 밸런싱 동작의 시작을 제어하기 위해 제어부(215)에 의해 설정된 밸런싱 시작 전압값의 최대값일 수 있다. 상기 밸런싱 시작 전압값의 최소값은 배터리 모듈(100)에 포함된 배터리 셀들(V1~V5)의 개방 회로 전압들 중 최소값을 가지는 배터리 셀(V5)의 개방 회로 전압으로서, 배터리 관리 시스템(200)의 제어부(215)가 배터리 모듈(100)에 대한 셀 밸런싱 동작의 시작을 제어하기 위해 제어부(215)에 의해 설정될 수 있다. 상기 밸런싱 시작 전압값의 최대값과 상기 밸런싱 시작 전압값의 최소값 사이의 값은, 예를 들어 밸런싱 기준 전압값일 수 있다.
전술한 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(100)에 포함된 배터리 셀들의 밸런싱 전압들을 배터리 셀들 별로 다르게 설정하여 셀 밸런싱 동작을 일정 범위의 셀 밸런싱 전압에서 수행하는 방법도 배터리 관리 시스템에 의한 셀 밸런싱을 의미할 수 있다.
전술한 도 6 등을 참조하여 설명한 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법에 대해 부연하여 설명하면 다음과 같다. 상기 셀 밸런싱 방법은 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들 각각의 온도, 충전 및 방전 횟수, 방전 전류량, 및 경년 변화 등과 같은 배터리 셀의 셀 충전 전압(OCV)의 편차 이력 특성에 따라(편차 이력 특성에 대응하여) 배터리 셀들 각각의 밸런싱 목표 전압(밸런싱 전압)을 배터리 셀 별로 조절(제어)하는 적응형(adaptive) 셀 밸런싱 방법일 수 있다. 따라서 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법은 배터리 셀들 각각의 특성(방전특성 또는 충전특성)에 따라 셀 밸런싱을 수행하므로 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀의 개방 회로 전압이 밸런싱 시작 편차 전압에 도달하지 못하도록 하는 것에 의해 이후의 셀 밸런싱 과정을 감소시켜 셀 밸런싱에 필요한 최소한의 에너지만을 소모(소비)시킬 수 있다. 그러므로 상기 다른 실시예는 전체적으로 도 4 및 도 5에 도시된 셀 밸런싱 방법의 셀 전압 변동폭보다 작은 셀 전압 변동폭을 가질 수 있다. 또한 다른 실시예는 도 4 및 도 5의 셀 밸런싱 방법보다 셀 밸런싱을 수행할 때 소비되는 에너지가 상대적으로 작고 셀 밸런싱 횟수가 상대적으로 감소하므로 도 4 및 도 5의 셀 밸런싱 방법과 비교할 때 배터리 모듈(100)의 수명을 보다 효과적으로 증가(향상)시킬 수 있다.
본 실시예에서 사용되는 구성요소 또는 “~부(unit)” 또는 블록 또는 모듈은 메모리 상의 소정 영역에서 수행되는 태스크, 클래스, 서브 루틴, 프로세스, 오브젝트, 실행 쓰레드, 프로그램과 같은 소프트웨어(software)나, FPGA(fieldprogrammable gate array)나 ASIC(application-specific integrated circuit)과 같은 하드웨어(hardware)로 구현될 수 있으며, 또한 상기 소프트웨어 및 하드웨어의 조합으로 이루어질 수도 있다. 상기 구성요소 또는 '~부' 등은 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 포함되어 있을 수도 있고, 복수의 컴퓨터에 그 일부가 분산되어 분포될 수도 있다.
이상에서와 같이, 도면과 명세서에서 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명으로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 배터리 모듈
200: BMS
205: 측정부
210: 셀 밸런싱부
215: 제어부
300: 스위치 회로
305: 저항
310: 전류원
405: 측정 단계
410: 설정 단계
415: 제어 단계

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 배터리 모듈에 포함된 적어도 두 개의 배터리 셀들의 전압을 배터리 관리 시스템(BMS)을 통해 밸런싱(balancing)하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법에 있어서,
    (a) 상기 배터리 관리 시스템에 포함된 측정부가 상기 배터리 셀들 각각의 충전 전압인 개방 회로 전압(OCV)을 측정하는 단계;
    (b) 상기 배터리 관리 시스템의 제어부가 상기 측정된 개방 회로 전압(OCV)들 사이에 포함되는 전압을 밸런싱 기준 전압으로 설정하는 단계;
    (c) 상기 배터리 관리 시스템의 제어부가 참조 테이블(lookup table)에 근거하여, 상기 배터리 관리 시스템의 셀 밸런싱부에 포함되고 저항에 전기적으로 연결된 스위치 회로의 제어를 통해 상기 밸런싱 기준 전압보다 높은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 전류를 상기 저항으로 방출하여 상기 밸런싱 기준 전압보다 높은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각의 밸런싱 전압으로 밸런싱되도록 제어하는 단계; 및
    (d) 상기 배터리 관리 시스템의 제어부가 상기 참조 테이블에 근거하여, 상기 셀 밸런싱부에 포함되고 전류원에 전기적으로 연결된 스위치 회로의 제어를 통해 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각으로 전류원의 전류가 주입되어 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각이 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 배터리 셀들 각각의 밸런싱 전압으로 밸런싱되도록 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 참조 테이블은 상기 배터리 셀들 각각의 온도, 충전 및 방전 횟수, 및 방전 전류량에 따른 상기 배터리 셀들 각각의 밸런싱 전압을 포함하며,
    상기 참조 테이블에 포함되는 상기 밸런싱 기준 전압보다 높은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 제1 배터리 셀의 밸런싱 전압은, 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮고 상기 제1 배터리 셀의 개방 회로 전압보다 높은 개방 회로 전압을 가지는 제2 배터리 셀의 밸런싱 전압보다 높으며,
    상기 참조 테이블에 포함되는 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮은 상기 측정된 개방 회로 전압을 가지는 제3 배터리 셀의 밸런싱 전압은, 상기 밸런싱 기준 전압보다 높고 상기 제3 배터리 셀의 개방 회로 전압보다 낮은 개방 회로 전압을 가지는 제4 배터리 셀의 밸런싱 전압보다 낮은 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 참조 테이블은 상기 배터리 셀들 각각의 자가 방전량에 따른 상기 배터리 셀들 각각의 밸런싱 전압을 포함하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법.
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