KR101601714B1 - 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 배터리 관리 시스템의 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 명세서의 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치는 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 상기 배터리 셀의 전압 임계치가 설정 저장된 저장부; 및 상기 배터리 모듈과 연결되어 상기 배터리 모듈의 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링 및 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 다수의 배터리 셀들의 전압을 측정하여 평균전압을 계산하고, 상기 배터리 셀 중 최고 전압 셀을 선택하여 셀 전압값이 상기 저장부에 설정 저장된 임계치를 초과하는지 판단하고, 상기 임계치를 초과하는 경우 상기 최고 전압 셀의 전압이 상기 평균전압에 도달할 때까지 방전하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BATTERY CELL BALANCING}
본 명세서는 전기 에너지를 이용하는 장치에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 관한 것이다. 구체적으로, 본 명세서는 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리 관리 시스템에서 배터리의 효율을 높이기 위한 셀 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 고전압의 배터리를 사용하는 산업기기, 가정기기 및 자동차 등 다양한 장치가 등장하고 있으며 특히 자동차 기술분야에서는 고전압 배터리 사용이 더욱 활발해지고 있다.
가솔린이나 중유 등의 화석연료를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
전기자동차(EV; electric Vehicle)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차를 말한다. 즉, 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시키는 전기자동차는 가솔린 자동차보다 먼저 개발되었으나, 배터리의 무거운 중량, 배터리 용량의 한계 및 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 상용화되지 못하다가 최근 에너지 및 환경 문제가 심각해지면서 1990년대부터 실용화를 위한 연구가 본격화 되었다.
한편, 최근 배터리 기술이 비약적으로 발전하면서 전기자동차 및 화석연료와 전기에너지를 적응적으로 사용하는 하이브리드 자동차(HEV)가 상용화되고 있다. HEV는 가솔린과 전기를 함께 동력원으로 사용하기 때문에 연비 개선 및 배기가스 저감 측면에서 긍정적인 평가를 받고 있으며, 완전한 전기 자동차로 진화하는 중간 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
이러한 전기 에너지를 이용하는 HEV 및 EV 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.
이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리의 성능이 자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 각 전지 셀의 전압, 전체 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 전지 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 뿐만 아니라, 각 전지 셀을 센싱하는 셀 센싱 IC의 상태를 모니터링하여 해당 셀의 안정적인 컨트롤이 가능한 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 절실히 요구되는 실정이다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 차량용 배터리 관리 시스템(100)은 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 스택(10), 차량 전자 장치(20) 및 배터리 제어장치(30)를 포함한다.
배터리 스택(10)은 복수의 배터리 모듈(11, 12)을 포함하며, 배터리 모듈(11, 12)은 복수의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 스택(10)은 충전된 고전압 직류 전력을 모터 등의 차량 전자 장치(20)에 공급한다.
배터리 제어장치(30)는 복수의 MCU(31, 32)와 상기 MCU를 제어하는 BCU(33)를 포함할 수 있다. 배터리 제어장치(30)는 배터리 스택과 연결되어 배터리 스택(10)의 충방전 상태를 모니터링하고, 배터리 스택(10)의 충방전 동작을 제어한다.
상기와 같이 복수의 배터리 셀을 결합한 배터리 관리 시스템에서는 구조적 차이에 기인한 배터리 셀 간의 전압 편차가 필연적으로 발생하게 된다. 이와 같은 전압편차는 배터리 전압의 균일성을 저해하게 되고, 결국에는 배터리 열화의 원인으로 작용하게 되어 배터리의 수명을 감소시킨다.
따라서, 배터리 전력을 이용한 시스템 운용 중이나 배터리 셀의 충방전시 각 셀의 전압을 균등하게 유지하는 배터리 셀 밸런싱 동작은 배터리 관리 시스템의 매우 중요한 요소가 된다.
일본 특허공개공보 특개2014-17997호는 차량의 전지 제어 장치에 관한 것으로서, 배터리 셀 밸런싱 동작 수행시 낮은 셀의 전압을 기준으로 이보다 높은 셀 전압을 방전시키는 기술이 개시되어 있다.
상기와 같은 종래기술에 따르면, 최저 전압을 갖는 배터리 셀을 제외한 모든 셀을 밸런싱 시키기 때문에 밸런싱 회로에 과다한 열이 발생하여 화재 및 폭발의 위험성이 문제점으로 대두되고 있다. 또한, 밸런싱 회로에 과다한 열이 발생하기 때문에 고사양의 방전저항 및 주변 소자들을 사용하여야 하는 문제점이 있다. 또한, 배터리 관련 회로의 과열로 인한 배터리 관리 시스템의 내구성이 저하되는 문제점이 있다.
더 나아가서, 종래 배터리 관리 시스템은 배터리 충전기가 충전 동작을 수행하지 않을 때에만 셀 밸런싱 동작을 수행하여야 한다는 제약 사항이 있다.
일본 특허공개공보 특개2014-17997호
본 명세서는 배터리 관리 시스템에서 배터리셀 밸런싱 회로의 과열을 방지할 수 있는 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 저사양의 부품을 사용하더라도 과열을 방지할 수 있으므로, 제조 원가가 낮으며 내구성이 우수한 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 배터리 충전 동작 중에도 셀 밸런싱을 수행하는 것이 가능한 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 배터리 셀 밸런싱 장치는 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 상기 배터리 셀의 전압 임계치가 설정 저장된 저장부; 및 상기 배터리 모듈과 연결되어 상기 배터리 모듈의 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링 및 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 다수의 배터리 셀들의 전압을 측정하여 평균전압을 계산하고, 상기 배터리 셀 중 최고 전압 셀을 선택하여 셀 전압값이 상기 저장부에 설정 저장된 임계치를 초과하는지 판단하고, 상기 임계치를 초과하는 경우 상기 최고 전압 셀의 전압이 상기 평균전압에 도달할 때까지 방전하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 배터리 셀 중 최고 전압셀의 전압값이 상기 임계치를 초과하는지 판단하여 임계치를 초과하는 경우, 상기 배터리 모듈이 충전중인지 판단하고, 충전중인 경우 배터리 모듈의 충전 동작을 중지하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 저장부에 설정 저장된 임계치를 상기 배터리 셀들의 평균전압에 따라서 적응적으로 변경하여 재설정하고 상기 저장부에 저장하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 최고 전압셀의 전압이 상기 평균전압에 도달할 때까지 방전한 후, 상기 다수의 배터리 셀들의 전압을 재측정하여 평균전압을 다시 계산하고, 최고 전압셀의 전압값이 상기 임계치를 초과하는지 판단하여 임계치를 초과하는 경우 상기 최고 전압셀의 전압이 상기 평균전압에 도달할 때까지 방전하는 과정을 반복하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서의 다른 일 실시예에 따르면, 셀 밸런싱 장치는 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 상기 배터리 셀의 전압 임계치가 설정 저장된 저장부; 및 상기 배터리 모듈과 연결되어 상기 배터리 모듈의 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링 및 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 다수의 배터리 셀들의 전압을 측정하여 평균전압을 계산하고, 상기 저장부에 설정 저장된 임계치를 초과하는 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 선택하고, 상기 선택된 배터리 셀의 전압이 상기 평균전압에 도달할 때까지 상기 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 방전하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 임계치를 초과하는 적어도 하나 이상의 배터리 셀이 선택된 경우, 상기 배터리 모듈이 충전중인지 판단하고, 충전중인 경우 배터리 모듈의 충전 동작을 중지하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 저장부에 설정 저장된 임계치를 상기 배터리 셀들의 평균전압에 따라서 적응적으로 변경하여 재설정하고 상기 저장부에 저장하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 다수의 배터리 셀을 포함하는 차량용 배터리 관리 시스템의 셀 밸런싱 방법은 상기 다수의 배터리 셀들의 전압을 측정하는 측정 단계; 상기 측정 단계에서 측정된 배터리 셀들의 평균전압을 계산하는 계산 단계; 상기 다수의 배터리 셀 중 최고 전압 배터리 셀을 선택하는 선택 단계; 상기 최고 전압 배터리 셀의 전압이 임계치를 초과하는지 판단하는 제1 판단 단계; 및 상기 판단 단계에서 판단 결과 상기 최고 전압 배터리 셀의 전압이 임계치를 초과하는 경우, 상기 최고 전압 배터리 셀의 전압을 상기 평균전압에 도달할 때까지 방전하는 방전 단계를 포함한다.
또한, 상기 제1 판단 단계에서 판단 결과 상기 최고 전압 배터리 셀의 전압이 임계치를 초과하는 경우, 상기 다수의 배터리 셀들이 충전중인지 판단하는 제2 판단 단계; 및 상기 제2 판단 단계에서 판단 결과 상기 다수의 배터리 셀들이 충전중인 경우, 상기 다수의 배터리 셀들의 충전을 중지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 계산 단계에서 계산된 평균전압에 따라서 저장부에 기 저장된 배터리 셀의 전압 임계값을 갱신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 방전 단계에서 상기 최고 전압 배터리 셀의 전압을 상기 평균전압에 도달할 때까지 방전한 후, 상기 다수의 배터리 셀들의 전압을 측정하는 단계로 피드백할 수 있다.
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본 명세서의 다른 일 실시예에 따르면, 다수의 배터리 셀을 포함하는 차량용 배터리 관리 시스템의 셀 밸런싱 방법은 상기 다수의 배터리 셀들의 전압을 측정하는 단계; 상기 측정된 배터리 셀들의 평균전압을 계산하는 단계; 상기 배터리 셀 중 기 설정된 임계치를 초과하는 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 선택하는 단계; 및 상기 선택된 배터리 셀의 전압이 상기 평균전압에 도달하도록 상기 적어도 하나 이상의 배터리 셀의 전압을 방전하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 배터리 셀 선택 단계는, 상기 배터리 셀들이 충전중인지 판단하는 단계; 및 상기 판단 결과 충전중인 경우 상기 충전 동작을 중지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 측정된 배터리 셀들의 평균전압을 계산하는 단계는, 상기 계산된 평균전압에 따라서 상기 저장부에 기 저장된 배터리 셀의 전압 임계값을 갱신하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 방법에 있어서, 상기 선택된 배터리 셀의 전압이 상기 평균전압에 도달하도록 상기 적어도 하나 이상의 배터리 셀의 전압을 방전하는 단계 이후, 상기 다수의 배터리 셀들의 전압을 측정하는 단계로 피드백하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 본 명세서는 배터리 관리 시스템에서 배터리셀 밸런싱 회로의 과열을 방지할 수 있으므로 고전압 배터리의 화재 및 폭발의 위험을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 명세서의 배터리 관리 시스템은 배터리 셀들의 평균전압과 임계전압을 이용하여 셀 밸런싱을 수행함으로써 보다 효율적인 셀 밸런싱 동작이 가능하며 배터리 가용 용량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 명세서의 실시예에 따르면 저사양의 부품을 사용하더라도 과열을 방지할 수 있으므로, 제조 원가가 낮으며 내구성이 우수한 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 본 명세서의 실시예에 따르면 배터리 충전 동작 중에도 셀 밸런싱을 수행하는 것이 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 셀들의 측정 전압을 예시적으로 도시한 참고도이다.
도 4는 본 명세서의 제1 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 5는 본 명세서의 제2 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
이하, 본 명세서의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 명세서가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 명세서와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
이하, 도 2를 참조하여 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에 대해 설명한다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(200)는 배터리 모듈(13) 및 셀 밸런싱 장치(40)를 포함한다.
배터리 모듈(13)은 복수의 배터리 셀을 포함하며, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여 4개의 배터리 셀(C1, C2, C3, C4)들이 직렬 연결된 경우를 가정하여 설명한다. 또한, 상기 배터리 모듈(13)은 복수개로 구성될 수 있으며, 충전된 고전압 직류 전력을 차량에 구비되어 있는 모터 등에 공급하고, 충전 장치를 통해서 충전 전압을 공급받는다.
셀 밸런싱 장치(40)는 저장부(41) 및 제어부(42)를 포함한다.
각 배터리 셀(C1, C2, C3, C4)은 각 셀에 연결된 스위치(S1, S2, S3, S4)를 통해서 방전저항(R)에 연결될 수 있다. 따라서, 셀 밸런싱 장치(40)는 각 셀의 전압을 측정하여 충전 및 방전이 필요한 경우 제어부(42)를 통해서 상기 스위치(S1, S2, S3, S4)의 온 오프 동작을 제어하여 배터리 셀의 충전 및 방전 동작을 수행한다.
저장부(41)에는 배터리 셀의 임계 전압값(이하, '임계값' 또는 '임계치'라 함)이 설정되어 저장된다. 상기 배터리 셀의 임계치(VT)는 배터리 셀의 과충전으로 인하여 화재, 폭발 등 위험에 도달할 수 있다고 판단되는 기준 전압값이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 배터리 셀은 2차 전지의 전기화학적 특성, 노후화 여부, 주변 온도 및 사용조건 등에 따라서 배터리 용량이 변화될 수 있으며, 이를 감안하여 임계치(VT)의 설정 기준이 변경될 수 있다. 예를 들면, 최소 배터리 셀에 설정된 전압 임계치를 VT라고 할 때, 배터리 셀의 잦은 충방전에 따른 용량 감소 또는 배터리 셀의 주변 온도가 높은 경우 등에는 셀 전압이 임계치(VT)에 미치지 못하더라도 화재 및 폭발의 위험이 있을 수 있다. 따라서, 저장부(41)에 저장되는 배터리 셀의 임계치(VT)는 배터리의 평균전압값 등을 고려하여 주기적, 적응적으로 갱신되도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배터리 셀의 초기 전압 임계치(VT)는 리튬이온 배터리의 공칭전압(公稱電壓, nominal voltage) 인 3.75V를 기준으로 배터리 셀들의 평균 전압이 3.75V 이상인 경우는 초기 전압 임계치(VT)를 유지한다. 그러나, 배터리 셀들의 평균 전압이 배터리 셀의 공칭전압인 3.75V 이하인 경우에는 그 차이값 만큼 보상을 하여 배터리 셀의 전압 임계치(VT)를 낮추고 이를 VA로 재설정하여 저장부(41)에 저장한다. 이는 배터리가 노후화 됨에 따라서 리튬이온 배터리의 공칭 전압인 3.75V를 유지하지 못하고 더 낮아지는 경향이 있으며, 노후화된 배터리는 동일한 충/방전 전류에서 과충전과 과방전이 더욱 빠르게 일어나며 내부 저항이 증가하는 특성이 있다. 따라서, 본 명세서의 실시예에서는 이와 같은 특성을 고려하여 배터리 셀의 임계 전압을 더 낮춰서 관리를 한다.
제어부(42)는 배터리 모듈(13)의 복수의 배터리 셀의 충방전 상태를 모니터링 및 제어한다. 즉, 제어부(42)는 복수의 배터리 셀의 전압, 전류, 충전 상태, 온도 등과 같은 작동 특성을 모니터링한다. 또한, 복수의 배터리 셀을 모니터링한 결과를 통해 배터리 셀을 충전 또는 방전되도록 제어한다. 예를 들어, 배터리 셀의 충전 전압이 기 설정된 충전 임계값(VT)을 초과하는 경우 스위칭 동작을 통하여 배터리 셀을 방전시킨다.
본 명세서의 제1 실시예에 따르면, 제어부(42)는 다수의 배터리 셀(C1, C2, C3, C4)들의 전압을 측정하여 평균전압(VA)을 계산하고, 상기 배터리 셀 중 최고 전압 셀을 선택하여 셀 전압값이 저장부(41)에 설정 저장된 임계치(VT)를 초과하는지 판단한다. 판단 결과, 최고 전압 셀의 셀 전압값이 임계치(VT)를 초과하는 경우, 최고 전압 셀의 전압이 평균전압(VA)에 도달할 때까지 방전하도록 제어한다.
즉, 제1 실시예에 따른 셀 밸런싱은, 피크 값을 갖는 셀 전압 값을 기준으로 임계치(VT)와 비교하여 셀 밸런싱이 요구되는지 판단하고, 피크 값을 갖는 셀이 임계치(VT)보다 큰 경우에는 해당 셀에 대해서만 밸런싱을 위한 방전을 수행한다. 이후 다시 피크 값을 갖는 셀들을 하나씩 확인하여 방전 동작을 반복 수행한다. 따라서, 종래 기술에서와 같이 다수의 셀들을 동시 방전함으로써 발생되는 발열 등의 문제가 제1 실시예에서는 발생되지 않는 장점이 있다. 또한, 최저 전압 셀을 기준으로 방전 대상 셀들을 선택하는 것이 아니라 전체 셀들의 평균 전압값 VA과 adaptive한 임계값(VT)을 기준으로 방전 대상 셀을 선택하기 때문에 불필요하거나 과도한 셀 밸런싱을 방지할 수 있다.
한편, 본 명세서의 제2 실시예에 따르면, 제어부(42)는 다수의 배터리 셀들의 전압을 측정하여 평균전압(VA)을 계산하고, 저장부(41)에 설정 저장된 임계치(VT)를 초과하는 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 선택하고, 선택된 배터리 셀의 전압이 평균전압(VA)에 도달할 때까지 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 방전하도록 제어한다.
즉, 제2 실시예에 따른 셀 밸런싱은, 임계치 VT를 기준으로 이를 초과하는 다수의 셀들을 찾아내고, 이들 복수개의 셀들에 대해서 동시에 방전을 수행한다. 따라서, 제1 실시예와 달리 제2 실시예에서는 복수의 셀들을 동시 방전할 수 있다. 또한, 최저 전압 셀을 기준으로 방전 대상 셀들을 선택하는 것이 아니라 전체 셀들의 평균 전압값과 adaptive한 임계값(VT)을 기준으로 방전 대상 셀을 선택하기 때문에 불필요하거나 과도한 셀 방전을 방지할 수 있다.
상기 제1 실시예 및 제2 실시예는 도 3 내지 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 셀들의 측정 전압을 예시적으로 도시한 참고도이다.
4개의 셀들 C1, C2, C3 및 C4가 존재한다고 가정할 때, 각 셀의 측정 전압은 각각 VC1, VC2, VC3 및 VC4 라고 하고, 셀 전압의 임계치는 VT, 4개의 셀들의 평균전압은 VA 라고 가정한다.
이때, 도시된 바와 같이, 셀1 및 셀3의 측정전압 VC1 및 VC3가 임계치 VT를 초과한다고 가정한다. 따라서, 셀 측정 전압을 기준으로 셀1 및 셀3이 과충전 상태임을 알 수 있다.
이와 같은 상황을 기준으로 제1 실시예 및 제2 실시예를 상세히 설명한다.
도 4는 본 명세서의 제1 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
우선, 제어부(42)는 개별 셀들의 전압을 측정하고(S401), 4개 셀들의 평균전압(VA)을 계산한다(S403).
이후, 최고 전압의 셀과 해당 셀의 전압값을 확인하고(S405), 해당 전압값이 기 설정된 임계치(VT)를 초과하는지 판단한다(S407).
앞서 설명한 도 3의 경우를 살펴보면, 셀3의 전압값이 전체 셀 중 가장 피크 값을 갖게 되므로 제어부(42)는 셀3의 전압 VC3을 기준으로 임계치 VT와 비교한다. 비교결과 VC3 값이 VT보다 크므로, 제어부(42)에서는 셀 밸런싱을 위한 방전이 필요하다고 판단한다.
이때, 제어부(42)에서는 배터리 모듈이 충전중인지 판단하고(S409), 배터리 모듈이 충전중이 아닌 경우에는 최고 전압 셀3의 방전을 시작하고(S413), 충전중인 경우에는 배터리 모듈의 충전 동작을 중지(S411)하도록 제어한 후 최고 전? 셀3의 방전을 시작할 수 있다(S413).
이후, 방전을 통해서 셀3의 전압이 목표 전압값에 도달하는지 확인한다(S415). 상기 방전 셀의 목표 전압값은 평균전압(VA)으로 설정될 수 있다.
셀3이 방전 동작을 통해서 목표전압(VA)에 도달한 경우에는, 셀3의 방전을 중지하고 다시 최초 단계로 피드백하여 4개의 셀의 개별 전압 측정(S401) 및 평균전압을 계산한다(S403).
앞서 설명한 도 3의 경우를 살펴보면, 셀3의 전압값이 방전을 통해서 VA로 변경되었으므로, 다음 피크 값을 갖는 셀1이 전체 셀 중 최대 값을 갖게 될 것이다. 따라서, 셀3의 방전 과정과 동일하게 셀1에 대해서도 방전을 수행한다. 이와 같이 피크 값을 갖는 셀들을 순차적으로 확인하여 방전을 함으로써 셀들을 동시 방전함으로써 발생되는 발열 등의 문제가 방지될 수 있다.
도 5는 본 명세서의 제2 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
우선, 제어부(42)는 제1 실시예와 마찬가지로 개별 셀들의 전압을 측정하고(S501), 4개 셀들의 평균전압(VA)을 계산한다(S503).
이후, 기 설정된 임계치(VT)를 초과하는지 셀들(C1, C3)이 존재하는지 확인한다(S505).
도 3의 경우를 살펴보면, 셀1 및 셀3의 전압값 VC1 및 VC3가 임계치 VT를 초과하므로, 제어부(42)에서는 셀1 및 셀3을 셀 밸런싱을 위한 방전 대상 셀로 선택한다.
이때, 제어부(42)에서는 배터리 모듈이 충전중인지 판단하고(S509), 배터리 모듈이 충전중이 아닌 경우에는 임계치(VT)를 초과하는 셀1 및 셀3의 방전을 동시에 시작하고(S513), 충전중인 경우에는 배터리 모듈의 충전 동작을 중지(S511)하도록 제어한 후, 셀1 및 셀3의 방전을 시작할 수 있다(S513).
이후, 스위칭 제어를 통한 셀 방전을 통해서 셀1 및 셀3의 전압이 목표 전압값에 도달하는지 확인한다(S515). 상기 방전 셀의 목표 전압값은 평균전압(VA)으로 설정될 수 있다.
셀1 및 셀3이 방전 동작을 통해서 목표전압(VA)에 도달한 경우에는, 셀1 및 셀3의 방전을 중지하고 다시 최초 단계로 피드백하여 4개의 셀의 개별 전압 측정(S501) 및 평균전압을 계산한다(S503).
앞서 설명한 도 3의 경우를 살펴보면, 임계치 VT를 초과한 셀1 및 셀3의 전압값이 방전을 통해서 VA로 변경되었으므로, 특별한 경우가 발생되지 않는 다면, 4개 셀의 셀 전압값이 임계치(VT) 이하로 떨어졌으므로 더 이상의 셀 밸런싱이 요구되지 않을 것이다. 따라서, 본 실시예에 따르면 임계치 VT를 초과하는 복수의 셀에 대해서 한번에 방전을 수행할 수 있으므로 셀 밸런싱 과정이 보다 간단하고 신속하게 수행될 수 있는 장점이 있다.
본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서가 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 명세서의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 명세서의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100, 200 : 배터리 관리 시스템(BMS) 10 : 배터리 스택
11, 12, 13 : 배터리 모듈 C1,C2,C3,C4 : 배터리 셀
20 : 차량 전자 장치 30,40 : 배터리 제어장치
31, 32 : MCU 33 : BCU
41 : 저장부 42 : 제어부
R : 방전저항 S1,S2,S3,S4 : 스위치

Claims (15)

  1. 차량용 배터리 관리 시스템에 있어서,
    다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈;
    상기 배터리 셀의 전압 임계치가 저장된 저장부; 및
    상기 다수의 배터리 셀의 충방전 상태를 모니터링 및 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 다수의 배터리 셀의 전압을 측정하여 평균전압을 계산하고, 상기 저장부에 저장된 상기 배터리 셀의 전압 임계치를 상기 평균전압과 상기 배터리 셀의 공칭전압과 비교하여 주기적으로 갱신하고, 상기 다수의 배터리 셀 중 최고 전압 셀을 선택하여 셀 전압값이 상기 저장부에 저장된 임계치를 초과하는지 판단하고, 상기 임계치를 초과하는 경우 상기 최고 전압 셀의 전압이 상기 평균전압에 도달할 때까지 방전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 배터리 셀 중 최고 전압셀의 전압값이 상기 임계치를 초과하는지 판단하여 임계치를 초과하는 경우, 상기 배터리 모듈이 충전중인지 판단하고, 충전중인 경우 배터리 모듈의 충전 동작을 중지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 평균전압이 상기 배터리 셀의 공칭전압 이상인 경우, 상기 저장부에 저장된 임계치를 유지하고, 상기 평균전압이 상기 배터리 셀의 공칭전압 미만인 경우, 상기 평균전압과 상기 공칭전압 차이값을 통해 상기 저장부에 저장된 임계치를 낮추는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 최고 전압셀의 전압이 상기 평균전압에 도달할 때까지 방전한 후,
    상기 다수의 배터리 셀들의 전압을 재측정하여 평균전압을 다시 계산하고, 최고 전압셀의 전압값이 상기 임계치를 초과하는지 판단하여 임계치를 초과하는 경우 상기 최고 전압셀의 전압이 상기 평균전압에 도달할 때까지 방전하는 과정을 반복하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  5. 차량용 배터리 관리 시스템에 있어서,
    다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈;
    상기 배터리 셀의 전압 임계치가 저장된 저장부; 및
    상기 배터리 모듈의 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링 및 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 다수의 배터리 셀들의 전압을 측정하여 평균전압을 계산하고, 상기 저장부에 저장된 상기 배터리 셀의 전압 임계치를 상기 평균전압과 상기 배터리 셀의 공칭전압과 비교하여 주기적으로 갱신하고, 상기 저장부에 저장된 임계치를 초과하는 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 선택하고, 상기 선택된 배터리 셀의 전압이 상기 평균전압에 도달할 때까지 상기 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 방전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 임계치를 초과하는 적어도 하나 이상의 배터리 셀이 선택된 경우, 상기 배터리 모듈이 충전중인지 판단하고, 충전중인 경우 배터리 모듈의 충전 동작을 중지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 평균전압이 상기 배터리 셀의 공칭전압 이상인 경우, 상기 저장부에 저장된 임계치를 유지하고, 상기 평균전압이 상기 배터리 셀의 공칭전압 미만인 경우, 상기 평균전압과 상기 공칭전압 차이값을 통해 상기 저장부에 저장된 임계치를 낮추는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  8. 다수의 배터리 셀을 포함하는 차량용 배터리 관리 시스템의 셀 밸런싱 방법에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀들의 전압을 측정하는 측정 단계;
    상기 측정 단계에서 측정된 배터리 셀들의 평균전압을 계산하는 계산 단계;
    상기 다수의 배터리 셀 중 최고 전압 배터리 셀을 선택하는 선택 단계;
    상기 배터리 셀의 전압 임계치를 상기 계산 단계에서 계산된 상기 평균전압과 상기 배터리 셀의 공칭전압을 비교하여 주기적으로 갱신하는 갱신 단계;
    상기 최고 전압 배터리 셀의 전압이 상기 갱신된 임계치를 초과하는지 판단하는 제1 판단 단계; 및
    상기 제1 판단 단계에서 판단 결과 상기 최고 전압이 상기 갱신된 임계치를 초과하는 경우, 상기 최고 전압 배터리 셀의 전압을 상기 평균전압에 도달할 때까지 방전하는 방전 단계를 포함하는 배터리 셀 밸런싱 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1 판단 단계에서 판단 결과 상기 최고 전압 배터리 셀의 전압이 상기 갱신된 임계치를 초과하는 경우, 상기 다수의 배터리 셀들이 충전중인지 판단하는 제2 판단 단계; 및
    상기 제2 판단 단계에서 판단 결과 상기 다수의 배터리 셀들이 충전중인 경우, 상기 다수의 배터리 셀들의 충전 동작을 중지하는 중지 단계를 더 포함하는 배터리 셀 밸런싱 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 갱신 단계는 상기 평균전압이 상기 배터리 셀의 공칭전압 이상인 경우, 상기 배터리 셀의 전압 임계치를 유지하고, 상기 평균전압이 상기 배터리 셀의 공칭전압 미만인 경우, 상기 평균전압과 상기 공칭전압 차이값을 통해 상기 배터리 셀의 전압 임계치를 낮추는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 방전 단계에서 상기 최고 전압 배터리 셀의 전압을 상기 평균전압에 도달할 때까지 방전한 후,
    상기 다수의 배터리 셀들의 전압을 측정하는 단계로 피드백하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 방법.
  12. 다수의 배터리 셀을 포함하는 차량용 배터리 관리 시스템의 셀 밸런싱 방법에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀들의 전압을 측정하는 측정 단계;
    상기 측정된 배터리 셀들의 평균전압을 계산하는 계산 단계;
    상기 배터리 셀의 전압 임계치를 상기 계산 단계에서 계산된 상기 평균전압과 상기 배터리 셀의 공칭전압을 비교하여 주기적으로 갱신하는 갱신 단계;
    상기 배터리 셀 중 상기 갱신된 임계치를 초과하는 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 선택하는 선택 단계; 및
    상기 선택된 배터리 셀의 전압이 상기 평균전압에 도달하도록 상기 적어도 하나 이상의 배터리 셀의 전압을 방전하는 방전 단계를 포함하는 배터리 셀 밸런싱 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 선택 단계는,
    상기 배터리 셀들이 충전중인지 판단하는 판단 단계; 및
    상기 판단 결과 충전중인 경우 상기 충전 동작을 중지하는 중지 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 방법.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 갱신 단계는,
    상기 평균전압이 상기 배터리 셀의 공칭전압 이상인 경우, 상기 배터리 셀의 전압 임계치를 유지하고, 상기 평균전압이 상기 배터리 셀의 공칭전압 미만인 경우, 상기 평균전압과 상기 공칭전압 차이값을 통해 상기 배터리 셀의 전압 임계치를 낮추는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 방전 단계 이후, 상기 측정 단계로 피드백하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 방법.
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