KR101602277B1 - 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법 Download PDF

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최윤호
우재혁
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현대오트론 주식회사
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Abstract

본 발명은 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것으로서, 하나 이상의 배터리 셀을 포함하며 부하에 전기 에너지를 제공하는 주 배터리부, 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 보조 배터리부, 상기 주 배터리부 및 보조 배터리부의 상태를 측정하는 상태 측정부, 상기 상태 측정부의 측정 결과에 따라 상기 보조 배터리부에 저장된 전기 에너지를 상기 주 배터리부에 공급하는 보조 충전부, 상기 보조 충전부가 주 배터리부에 공급하는 전기 에너지의 흐름을 ON/OFF하는 스위칭부 및 상기 상태 측정부, 보조 충전부 및 스위칭부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 외부 충전부에 의해 주 배터리부가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀이 병렬 연결되어 충전되는바, 충전 후 전압 레벨이 균일하게 분포될 수 있으며, 상태 측정부가 배터리 셀의 전압을 순차적으로 측정하고, 제어부가 제1 기준 전압 내지 제2 기준 전압을 벗어나는 배터리 셀을 선택하여 순차적으로 충전 또는 방전시키는바, 신속하게 배터리 셀을 밸런싱하고, 재충전 사이클을 길게 확보할 수 있는 효과가 있고, 상태 측정부가 주기적으로 배터리 셀의 전압을 측정하고, 제어부 역시 그에 따라 주기적으로 밸런싱 과정을 진행하는바, 배터리 셀의 전압이 일정하게 유지될 수 있으므로 배터리 셀이 열화되어 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있으며, 전체 출력 전력을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BALANCING OF BATTERY CELL}
본 발명은 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 주 배터리부가 포함하는 셀의 상태를 측정하여 기준 전압 범위를 벗어나는 경우, 보조 충전부 및 스위칭부를 제어하여 충전 또는 방전시킴으로써 배터리 셀의 충전량을 밸런싱할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
화석 연료 사용으로 인해 발생하는 환경 오염과, 한정된 자원량 등과 같은 문제점을 해결하기 위해 전기 자동차 및 하이브리드(hybrid) 자동차가 기존의 내연 기관 자동차를 대체하는 수단으로 떠오르고 있다.
전기 자동차는 배터리(Battery)에서 출력되는 전기 에너지를 동력원으로 사용하며, 하이브리드 자동차는 배터리에서 출력되는 전기 에너지뿐만 아니라 소정의 화석연료(두 가지 이상의 동력원)를 동력원으로 사용하는 내연 기관 자동차와 전기 자동차의 중간 단계에 위치하는 자동차이다. 이러한 전기 자동차 및 하이브리드 자동차 모두 배터리의 동력원으로 사용하는바, 배터리는 충전 및 방전이 가능한 복수의 2차 전지 배터리 셀(Cell)들이 직렬 또는 병렬 연결되어 하나의 배터리 팩(Pack)의 형태로 사용되고 있으며, 전기 자동차 및 하이브리드 자동차의 수요가 지속적으로 늘어남에 따라 동력원인 배터리의 수명 및 출력 전력을 늘리기 위한 연구도 활발하게 진행되고 있다.
한편, 다수의 배터리 셀들이 연결된 경우에는, 배터리 셀 상호간의 밸런싱(Balancing)이 매우 중요하다. 셀 밸런싱이란 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀에 충전되는 개별적인 전압이 일정한 레벨을 기준으로 허용된 범위 내에서 유지되도록 제어하는 것을 의미한다. 이러한 셀 밸런싱은 배터리의 수명 및 출력 전력과 매우 밀접한 관련이 있으며, 셀 밸런싱이 제대로 이루어지지 않은 경우에는 배터리 셀이 열화 되어 배터리 팩 전체의 수명이 단축될 뿐만 아니라, 출력 전력이 감소될 수 있다는 문제점이 있다.
배터리 셀을 밸런싱하는 기존의 기술은 전압이 높은 배터리 셀을 방전시켜 전압이 낮은 배터리 셀의 레벨에 맞추는 패 시브(Passive) 방식과, 인덕터 및 커패시터와 같이 에너지를 저장할 수 있는 소자를 이용하여 전압이 높은 배터리 셀의 전기 에너지를 전압이 낮은 배터리 셀로 이동시켜 모두 동일한 기준 레벨로 맞추는 액티브(Active) 방식이 있다. 하지만 패시브 방식은 밸런싱에 필요한 시간이 비교적 짧은 반면, 배터리의 전압이 낮아지는 방향으로만 밸런싱 되어 시간이 지남에 따라 배터리의 출력이 지속적으로 감소하여 재충전 사이클(Cycle)이 짧다는 문제점이 있으며, 액티브 방식은 패시브 방식보다 전기 에너지 소모가 적어 재충전 사이클이 비교적 길기는 하나, 다수의 배터리 셀을 밸런싱 하기 위해 복잡한 제어 회로가 필요하고, 밸런싱에 걸리는 시간이 길어진다는 문제점이 있다.
본 발명에서는 배터리 팩의 수명 단축을 방지하고, 출력 전력을 최대로 얻을 수 있으며 신속하게 배터리 셀을 밸런싱하고 재충전 사이클을 길게 확보할 수 있는 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제안하기로 한다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0013108호(2013.02.06)
본 발명은 배터리 팩의 수명 단축을 방지하고, 출력 전력을 최대로 얻을 수 있는 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 신속하게 배터리 셀을 밸런싱하고, 재충전 사이클을 길게 확보할 수 있는 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
한편, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 기술적 과제가 도출될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치는 하나 이상의 배터리 셀을 포함하며 부하에 전기 에너지를 제공하는 주 배터리부, 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 보조 배터리부, 상기 주 배터리부 및 보조 배터리부의 상태를 측정하는 상태 측정부, 상기 상태 측정부의 측정 결과에 따라 상기 보조 배터리부에 저장된 전기 에너지를 상기 주 배터리부에 공급하는 보조 충전부, 상기 보조 충전부가 주 배터리부에 공급하는 전기 에너지의 흐름을 ON/OFF하는 스위칭부 및 상기 상태 측정부, 보조 충전부 및 스위칭부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 외부 충전부에 의해 주 배터리부가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀이 병렬 연결되어 충전되는바, 충전 후 전압 레벨이 균일하게 분포될 수 있으며, 상태 측정부가 배터리 셀의 전압을 순차적으로 측정하고, 제어부가 제1 기준 전압 내지 제2 기준 전압을 벗어나는 배터리 셀을 선택하여 순차적으로 충전 또는 방전시키는바, 신속하게 배터리 셀을 밸런싱하고, 재충전 사이클을 길게 확보할 수 있는 효과가 있고, 상태 측정부가 주기적으로 배터리 셀의 전압을 측정하고, 제어부 역시 그에 따라 주기적으로 밸런싱 과정을 진행하는바, 배터리 셀의 전압이 일정하게 유지될 수 있으므로 배터리 셀이 열화되어 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있으며, 전체 출력 전력을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 상태 측정부가 측정하는 주 배터리부 및 보조 배터리부의 상태는 전압 또는 전류이며, 상기 상태 측정부는 전압 측정기 또는 전류 측정기 중 하나 이상을 포함할 수 있으며, 외부 충전부로부터 외부충전이 개시되는 경우, 상기 주 배터리부가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀을 병렬 연결하여 일괄 충전시킬 수 있다.
아울러, 상기 배터리 셀 밸런싱 장치는, 외부 충전부로부터 외부충전이 개시되는 경우, 상기 보조 배터리가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀도 함께 충전시킬 수 있으며, 상기 상태 측정부는, 상기 주 배터리부가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀의 전압을 순차적으로 측정하여 디지털 정보로 변환한 후, 해당 배터리 셀에 대응하는 레지스터 메모리부에 저장할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 레지스터 메모리부에 저장된 하나 이상의 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압을 초과하면, 해당 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압 이하가 될 때까지 상기 스위칭부를 제어하여 방전시킬 수 있으며, 상기 하나 이상의 배터리 셀의 전압이 제2 기준 전압 미만이면, 해당 배터리 셀의 전압이 제2 기준 전압 이상이 될 때까지 상기 보조 충전부 및 스위칭부를 제어하여 충전시킬 수 있다.
마지막으로, 상기 제어부는, 상기 스위칭부를 제어하여 해당 배터리 셀을 주 배터리 부가 포함하는 블리드(Bleed) 저항을 이용하여 방전시킬 수 있으며, 상기 보조 충전부 및 스위칭부를 제어하여 해당 배터리 셀을 보조 배터리부에 저장된 전기 에너지로 충전시킬 수 있고, 상기 스위칭부는, SIC 전력 모스펫(SIC Power Mosfet)으로 구성된 하나 이상의 스위치를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 방법은 (a) 상태 측정부가 주 배터리부가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀의 전압을 순차적으로 측정하여 디지털 정보로 변환한 후, 해당 배터리 셀에 대응하는 레지스터 메모리부에 저장하는 단계, (b) 제어부가 상기 레지스터 메모리부에 저장된 하나 이상의 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압 내지 제2 기준 전압을 벗어나는지 판단하여, 벗어나는 하나 이상의 배터리 셀을 선택하는 단계, (c) 제어부가 상기 선택된 하나 이상의 배터리 셀의 전압이 제2 기준 전압 이상인지 판단하는 단계 및 (d) 제어부가 상시 선택된 하나 이상의 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압 이하인지 판단하는 단계를 포함하여, 상기 배터리 셀 밸런싱 장치와 동일한 효과를 도출할 수 있다.
또한, 상기 (c)단계 이후에, (c-1) 판단결과 선택된 하나 이상의 배터리 셀의 전압이 제2 기준 전압 미만이라면, 제어부가 해당 배터리 셀의 전압이 제2 기준 전압 이상이 될 때까지 보조 충전부 및 스위칭부를 제어하여 선택된 배터리 셀의 전압을 충전시키는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 (d)단계 이후에, (d-1) 판단결과 선택된 하나 이상의 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압을 초과한다면, 제어부가 해당 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압 이하가 될 때까지 스위칭부를 제어하여 선택된 배터리 셀의 전압을 방전시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
아울러, (e) 상태 측정부가 전압이 조정된 하나 이상의 배터리 셀의 전압을 디지털 정보로 변환한 후, 해당 배터리 셀에 대응하는 레지스터 메모리부에 새롭게 저장하는 단계를 더 포함할 수 있으며, (f) 제어부가 상기 레지스터 메모리부에 새롭게 저장된 하나 이상의 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압 내지 제2 기준 전압을 벗어나는지 판단하는 단계로부터 (f-1) 상기 판단 결과 새롭게 저장된 하나 이상의 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압 내지 제2 기준 전압을 벗어나는 경우, 상기 (b)단계로 회귀하여 제어부가 하나 이상의 배터리 셀을 다시 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 (a)단계 이전에, (a-1) 외부 충전부가 주 배터리부 및 보조 배터리부가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀을 일괄 충전시키는 단계를 더 포함할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 외부 충전부에 의해 주 배터리부가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀이 병렬 연결되어 충전되는바, 충전 후 전압 레벨이 균일하게 분포될 수 있는 효과가 있다.
또한, 상태 측정부가 배터리 셀의 전압을 순차적으로 측정하고, 제어부가 제1 기준 전압 내지 제2 기준 전압을 벗어나는 배터리 셀을 선택하여 순차적으로 충전 또는 방전시키는바, 신속하게 배터리 셀을 밸런싱하고, 재충전 사이클을 길게 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상태 측정부가 주기적으로 배터리 셀의 전압을 측정하고, 제어부 역시 그에 따라 주기적으로 밸런싱 과정을 진행하는바, 배터리 셀의 전압이 일정하게 유지될 수 있으므로 배터리 셀이 열화되어 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있으며, 전체 출력 전력을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2 주 배터리부가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀과 스위칭부를 나타낸 도면이다.
도 3은 제어부가 스위칭부의 동작을 순차적으로 제어함으로써 조정되는 배터리 셀의 전압을 나타낸 도면이다.
도 4는 외부 충전부로부터 일괄 충전이 종료되는 시점부터 배터리 셀 밸런싱 과정이 진행되는 모습을 나타낸 순서도이다.
도 5는 부하에 전기 에너지를 공급하는 과정에서 밸런싱 과정이 진행되는 모습을 나타낸 순서도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않으며, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있으며, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
또한, 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형의 표현'으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭하는 표현이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치(100)의 구성을 나타내는 도면이다.
배터리 셀 밸런싱 장치(100)는 주 배터리부(10), 보조 배터리부(20), 상태 측정부(30), 보조 충전부(40), 스위칭부(50) 및 제어부(60)를 포함한다.
주 배터리부(10)는 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에서 주 동력원으로 사용되는 전기 에너지를 저장하는 구성으로서, 전기 에너지를 필요로 하는 부하에 동력원으로서의 전기 에너지를 공급한다. 구체적으로 주 배터리부(10)는 충전 및 방전이 가능한 하나 이상의 2차 전지 배터리 셀(Cell)들이 직렬 또는 병렬 연결된 배터리 팩(Pack)의 형태로 구성되며, 이러한 배터리 팩을 복수 개 포함할 수도 있다.
주 배터리부(10)가 포함하는 배터리 팩은 하나 이상의 2차 전지 배터리 셀들을 포함하므로, 주 배터리부(10)가 부하에 전기 에너지를 공급함에 따라 방전된 전기 에너지는, 외부 충전부 또는 보조 충전부(40)로부터 충전이 개시되어 보충 받을 수 있다. 여기서 외부 충전부는 예를 들어, 전기 자동차 및 하이브리드 자동차의 배터리 충전 수단으로써, 가정용 전원 또는 전기 자동차 및 하이브리드 자동차 전용 충전 인프라, 무선 충전 수단 등을 모두 이용할 수 있다. 아울러, 외부 충전부에 의해 충전이 개시되는 경우, 주 배터리부(10)가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀은 병렬 연결되어 전체 배터리 셀들이 동시에 일괄 충전될 수 있다.
외부 충전부에 의한 주 배터리부(10)의 충전은 사용자가 외부 충전 전원을 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에 연결시켜야 비로소 개시되는바, 사용자의 외부 충전 전원 연결이 늦어지는 경우에는 저장된 전기 에너지가 지속적으로 방전되므로 배터리 셀이 열화되어 배터리 팩 전체의 수명이 단축될 뿐만 아니라, 출력 전력이 감소할 수밖에 없다. 따라서 이를 방지하기 위해 보조 충전부(40)가 보조 배터리부(20)에 저장된 전기 에너지를 주 배터리부(10)에 공급하여 전체 배터리 셀의 상태를 밸런싱(Balancing)한다. 이는 해당 부분에서 자세히 설명하기로 한다.
보조 배터리부(20) 역시 주 배터리부(10)와 마찬가지로 충전 및 방전이 가능한 하나 이상의 2차 전지 배터리 셀들이 직렬 또는 병렬 연결된 배터리 팩의 형태로 구성되며, 이러한 배터리 팩을 복수 개 포함할 수도 있다. 이러한 보조 배터리부(20)는 전기 에너지를 필요로 하는 부하에 전기 에너지를 공급하는 주 동력원으로서 사용되지는 않으며, 어디까지나 주 배터리부(10)가 부하에 전기 에너지를 공급함으로 인해 방전되는 경우, 방전된 전기 에너지를 충전시켜 보충해주는 역할만을 수행할 뿐이다. 하지만 상기 설명한 외부 충전부에 의해 충전이 개시되는 경우, 주 배터리부(10)와 함께 보조 배터리부(20)도 충전될 수 있다. 또한 보조 배터리부(20)가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀 역시 병렬 연결되어 전체 배터리 셀들이 동시에 일괄 충전될 수 있다.
상태 측정부(30)는 주 배터리부(10) 및 보조 배터리부(20)와 연결되어 상태를 측정한다. 여기서 상태 측정부(30)가 측정하는 주 배터리부(10) 및 보조 배터리부(20)의 상태는 전기 에너지 저장량의 기준이 될 수 있는 전압이며, 전류도 측정할 수 있다. 따라서 상태 측정부(30)는 전압 측정기 또는 전류 측정기 중 하나 이상을 포함할 수 있으며, 모두 포함할 수도 있다. 하지만, 배터리의 상태를 측정할 때는 전압을 측정하는 것이 일반적인바, 이하 상태 측정부(30)는 주 배터리부(10) 및 보조 배터리부(20)의 전압을 측정하는 것을 기준으로 설명하기로 한다.
상태 측정부(30)는 주 배터리부(10) 및 보조 배터리부(20)의 일 구성으로 포함되어 전압 측정할 수도 있으나, 별개의 구성인 경우에는 주 배터리부(10) 및 보조 배터리부(20)의 외부에서 전압을 측정할 수밖에 없으므로, 측정한 전압과 상태 측정부(30) 내부에서 처리되는 실제 전압의 차이가 발생할 수도 있다. 이 경우, 상태 측정부(30)는 외부에서 측정한 전압을 차동으로 입력하여 각 입력 전압의 절대 전압이 높음에 따라, 내부에서 처리되는 실제 전압의 범위를 입력 전압과 동일한 비율을 갖도록 유동적으로 조절할 수 있다.
또한, 하나의 상태 측정부(30)가 주 배터리부(10) 및 보조 배터리부(20)와 연결되어 주 배터리부(10) 및 보조 배터리부(20)의 전압을 동시에 측정할 수 있으나, 각각의 배터리부의 전압 측정을 담당하는 별개의 상태 측정부를 통해 전압을 측정할 수도 있다. 예를 들어, 주 배터리부(10)의 전압은 제1 상태 측정부가 측정하고, 보조 배터리부(10)의 전압은 제2 상태 측정부가 측정할 수 있다.
마지막으로, 상태 측정부(30)는 주 배터리부(10) 및 보조 배터리부(20)가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀의 전압을 순차적으로 측정한 후에, 이를 디지털 정보로 변환하고 해당 배터리 셀에 대응하는 레지스터 메모리부(미도시)에 저장한다. 예를 들어, 주 배터리부(10)에 포함된 제1 주 배터리 셀의 전압을 측정하여 레지스터 메모리부에 포함되어 있는 제1 주 배터리 셀 메모리부에 디지털 정보를 저장하고, 이후 주 배터리부(10)에 포함된 제2 주 배터리 셀의 전압을 측정하여 레지스터 메모리부에 포함되어 있는 제2 주 배터리 셀 메모리부에 디지털 정보를 저장할 수 있다. 순차적인 전압의 측정은 주 배터리부(10)가 포함하는 배터리 셀 또는 보조 배터리부(20)가 포함하는 배터리 셀 중 어느 것이나 먼저 측정해도 무관하며, 상기 실시 예에서 설명한 것처럼 주 배터리부(10)의 전압을 측정하는 제1 상태 측정부와 보조 배터리부(20)의 전압을 측정하는 제2 상태 측정부가 별개로 있는 경우에는, 측정을 담당하는 배터리부가 포함하는 배터리 셀들의 전압만을 순차적으로 측정하여 저장하면 될 것이다.
보조 충전부(40)는 상태 측정부(30)의 상태 측정 결과에 따라 주 배터리부(10)가 포함하는 배터리 셀들의 전기 에너지가 방전된 경우, 보조 배터리부(20)에 저장된 전기 에너지를 전달받아 주 배터리부(10)에 공급하여 충전한다. 한편, 보조 충전부(40)에 의해 보조 배터리부(20)에 저장된 전기 에너지를 주 배터리부(10)에 공급하여 충전하기 위해서는 스위칭부(50)가 동작(ON)해야 하며, 이러한 보조 충전부(40)와 스위칭부(50)의 동작을 제어부(60)가 제어한다.
제어부(60)는 상태 측정부(30)가 측정하여 레지스터 메모리부에 저장한 주 배터리부(10) 및 보조 배터리부(20)의 전압이 기준 전압을 벗어나는 경우 충전 또는 방전을 위한 밸런싱 동작을 개시한다. 여기서 기준 전압은 제1 기준 전압(상한 값) 내지 제2 기준 전압(하한 값)의 범위를 가질 수 있다. 제1 기준 전압과 제2 기준 전압은 자동차 제조사가 적절한 값을 설정할 수 있고, 자동차의 동력원과 관련된 값이므로 사용자가 임의로 설정할 수 없게 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 레지스터 메모리부에 저장된 주 배터리부(10)의 제1 주 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압을 초과한다면, 제어부(60)는 제1 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압 이하가 되도록 스위칭부(50)를 제어하여 방전시킬 수 있으며, 제1 주 배터리 셀의 전압이 제2 기준 전압 미만이라면, 제1 주 배터리 셀의 전압이 제2 기준 전압 이상이 되도록 보조 충전부(40) 및 스위칭부(50)를 제어하여 충전시킬 수 있다. 여기서, 제1 주 배터리 셀의 충전은 보조 배터리부(20)에 저장된 전기 에너지를 보조 충전부(40)를 통해 공급함으로써 이루어지고, 제1 주 배터리 셀의 방전은 주 배터리부(10)가 포함하는 블리드(Bleed) 저항을 이용하여 이루어질 수 있다.
상기 설명한 것과 같이 제어부(60)가 주 배터리부(10)가 포함하는 배터리 셀의 전압에 따라 보조 충전부(40) 및 스위칭부(50)를 제어함으로써 전체 배터리 셀들 간의 밸런싱이 이루어질 수 있다. 이러한 밸런싱 과정에서는 스위칭부(50)가 포함하는 개별적인 스위치들의 ON/OFF 동작이 무엇보다 중요한바, 이하 도 2를 참조하며 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 주 배터리부(10)가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀과 스위칭부(50)를 나타낸 도면이다.
여기서 스위칭부(50)는 하나 이상의 스위치(1G 내지 nG, 1L 내지 nL, 1H 내지 nH, Sc 및 Sb 스위치, n은 주 배터리 셀의 수, Sl, Sqp 및 Sqn 스위치)를 포함하며, 주 배터리부(10)가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀 각각(BAT1 내지 BATn)에 스위치가 개별적으로 설치된다. 또한, Load 포트는 부하와, Charge포트는 외부 충전부와, QINP 및 QINN 포트는 보조 충전부(40)의 (+) 및 (-) 단자와, VHn 및 VLn 포트는 상태 측정부(30)의 입력과 연결된다. 우선, 외부 충전부에 의해 전체 배터리 셀 BAT1 내지 BATn 모두가 일괄 충전되는 과정부터 설명하도록 한다.
우선 제어부(60)는 BAT1 내지 BATn을 충전시키기 위해 외부 충전부와 연결된 Charge포트 근처에 설치된 Sc 스위치를 ON하여 충전 과정을 개시한다. 이후, 1G 내지 nG 스위치들과 1H 내지 nH 스위치들을 ON시키며, 1L 내지 nL 스위치 및 1B 내지 nB 스위치들을 OFF시켜 BAT1 내지 BATn를 일괄 충전시킨다. 이 경우 BAT1 내지 BATn는 1B 내지 nB 스위치들이 OFF되어 있으므로 병렬 연결된다. 일괄 충전이 종료되면 제어부(60)는 모든 스위치들을 OFF하며, BAT1 내지 BATn가 병렬 연결된 상태에서 일괄 충전되므로, 직렬 연결되어 일괄 충전된 경우보다 충전 후 전압 레벨이 더욱 균일하게 분포될 수 있다. 한편, 외부 충전부에 의해 보조 배터리부(20)의 배터리 셀들도 함께 충전될 수 있다.
BAT1 내지 BATn가 외부 충전부에 의해 일괄 충전이 완료되고, 부하에 전기 에너지를 공급하기 시작하면, 제어부(60)는 제어부(60)는 Sl, nG, 1B 내지 nB 스위치들만 ON시켜 부하에 전기 에너지를 공급하게 하며, 이 경우 외부 충전부에 의해 일괄 충전되는 경우와 다르게 BAT1 내지 BATn는 직렬 연결된다. 또한, 상태 측정부(30)는 BAT1 내지 BATn의 전압을 순차적으로 측정한다. 이 경우 제어부(60)는 우선 nG 스위치 및 1B 내지 nB 스위치들만 ON시켜 BAT1 내지 BATn의 전압을 측정할 준비를 한다. 이후, 제어부(60)는 1H 및 1L 스위치만 ON 시켜 BAT1의 (+) 극 전압인 V1H와 (-) 극 전압인 V1L을 측정한다. 측정이 완료되면 다시 1H 및 1L 스위치를 OFF 시키며, 2H 및 2L 스위치만 ON 시켜 BAT2의 (+) 극 전압인 V2H와 (-) 극 전압인 V2L을 측정한다. 이러한 과정을 거쳐 BATn의 전압까지 순차적으로 측정하면, 제어부(60)는 모든 스위치를 OFF 시킨다. 즉, BATn의 전압을 측정하려면 nG 스위치 및 1B 내지 nB 스위치들만 ON시켜놓은 상태에서, nH 및 nL 스위치만 ON시켜 VnH와 VnL을 측정한다.
BAT1 내지 BATn의 전압 측정이 완료되면, 제어부(60)는 측정된 전압이 제1 기준 전압 내지 제2 기준 전압을 벗어나는지 판단하여 벗어나는 배터리 셀들을 선택한다. 여기서는 BAT1의 전압이 제1 기준 전압을 초과하며, BAT2의 전압이 제2 기준 전압 미만이라고 가정하고 설명하도록 한다.
우선 BAT1을 살피면, BAT1의 전압이 제1 기준 전압을 초과하기 때문에 전기 에너지를 방전시키는 밸런싱 과정을 진행해야 한다. 이 경우 제어부(60)는, 1H, 1L, Sb 스위치만를 ON시켜 블리드 저항 Rb에 의해 전기 에너지가 방전되게 한다. 즉, BAT1, 1H 스위치, 1L 스위치, Sb 스위치, 블리드 저항 Rb가 하나의 독립적인 회로로 구성되는 것이다. 마찬가지로 BATn의 전압이 제1 기준 전압을 초과한다면, 제어부(60)는 nH, nL, Sb 스위치만을 ON시켜 독립적인 회로를 구성해 블리드 저항 Rb에 의해 전기 에너지가 방전되게 할 수 있다. 블리드 저항 Rb에 의해 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압 미만이 되면 제어부(60)는 ON시켰던 스위치를 OFF한다.
BAT2를 살피면, BAT2의 전압이 제2 기준 전압 미만이기 때문에 전기 에너지를 충전시키는 밸런싱 과정을 진행해야 한다. 이 경우 제어부(60)는 2H, 2L, Sqp, Sqn 스위치만을 ON시켜 보조 충전부(40)에 의해 전기 에너지가 충전되게 한다. 즉, BAT2, 2H 스위치, 2L 스위치, Sqp 스위치(스위치 저항 Rqp 포함), Sqn 스위치(스위치 저항 Rqn 포함), 보조 충전부의 (+) 및 (-) 단자와 연결된 QINP 및 QINN 포트가 하나의 독립적인 회로로 구성되는 것이다. 마찬가지로 BATn의 전압이 제2 기준 전압 미만이라면, 제어부(60)는 nH, nL, Sqp, Sqn 스위치만을 ON시켜 독립적인 glh로를 구성해 보조 충전부(40)에 의해 전기 에너지가 충전되게 할 수 있다. 보조 충전부에 의해 배터리 셀의 전압이 제2 기준 전압 이상이 되면 제어부(60)는 ON시켰던 스위치를 OFF한다.
상기 설명한 충전 및 방전 과정이 종료되면, 상태 측정부(30)는 해당 배터리 셀의 전압을 레지스터 메모리부에 다시 저장하고, 모든 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압 내지 제2 기준 전압을 벗어나지 않는다면, 제어부(60)는 모든 스위치들을 OFF시켜 밸런싱 과정을 종료시킨다. 한편, 상태 측정부(30)는 밸런싱 과정이 종료된 이후에도 주기적으로 배터리 셀의 전압을 측정하여 레지스터 메모리부에 저장하고, 제어부(60)는 레지스터 메모리부에 저장된 배터리 셀의 전압에 따라 상기 설명한 밸런싱 과정을 반복하여 진행할 수 있을 것이다.
아울러, 상기 충전 및 방전을 통한 밸런싱 과정은 주 배터리부(10)가 부하에 전기 에너지를 공급하고 있는 상태뿐만 아니라, 전기 에너지 공급이 중단된 상태에서도 진행될 수 있다. 또한 상기 스위칭부(50)가 포함하는 모든 스위치들은 SIC 전력 모스펫(SIC POWER Mosfet)을 사용하여 고온에서도 안정적인 스위칭 특성을 가질 수 있으며, 기존 SI 전력 모스펫에 비해 주변 회로에 미치는 영향을 최소화하고, 전기 에너지 전달 효율을 높일 수 있다.
한편, 제어부(60)에 의한 상태 측정부(30), 보조 충전부(40) 및 스위칭부(50)의 제어는 제어 신호를 전송하는 형태로 이루어지며, 상기 설명한 제어부(60)가 스위칭부(50)의 동작을 순차적으로 제어함으로써 조정되는 배터리 셀의 전압은 도 3에서 확인할 수 있다.
상기 설명한 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치(100)는 카테고리는 상이하지만, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치(100)와 실질적으로 동일한 특징을 포함하는 배터리 셀 밸런싱 방법으로 구현할 수 있다. 이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하도록 한다.
도 4는 외부 충전부로부터 일괄 충전이 종료되는 시점부터 배터리 셀 밸런싱 과정이 진행되는 모습을 나타낸 순서도이며, 도 5는 부하에 전기 에너지를 공급하는 과정에서 밸런싱 과정이 진행되는 모습을 나타낸 순서도이다. 도 4 및 도 5 모두, 배터리 셀 밸런싱 과정에 대한 기술적 특징은 동일하므로, 이하에서는 도 4를 기준으로 설명하도록 한다.
우선 외부 충전부에 의해 주 배터리부(10) 및 보조 배터리부(20)가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀이 일괄 충전된다(S310). 이 경우, 주 배터리부(10)가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀은 병렬 연결되므로, 직렬 연결되어 일괄 충전된 경우보다 충전 후 전압 레벨이 더욱 균일하게 분포될 수 있다.
일괄 충전이 완료되면, 상태 측정부(30)가 주 배터리부(10)가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀들의 전압을 순차적으로 측정하고, 이를 레지스터 메모리부에 저장(S320)하며, 제어부(60)는 레지스터 메모리부에 저장된 배터리 셀들의 전압이 제1 기준 전압 내지 제2 기준 전압을 벗어나는지 판단하고, 벗어나는 배터리 셀을 선택한다(S330).
배터리 셀이 선택되면, 밸런싱 과정을 위한 충전 또는 방전이 시작된다. 우선, 제어부(60)가 선택된 배터리 셀의 전압이 제2 기준 전압 이상인지 판단한다(S340). 판단결과, 선택된 배터리 셀의 전압이 제2 기준 전압 미만이라면, 제어부(60)는 보조 충전부(40) 및 스위칭부(50)를 제어하여 선택된 배터리 셀의 전압이 제2 기준 전압 이상이 되도록 충전시킨다(S341).
이후, 선택된 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압 이하인지 판단한다(S350). 판단결과, 선택된 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압을 초과한다면, 제어부(60)는 스위칭부(50)를 제어하여 블리드 저항을 통해 선택된 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압 이하가 되도록 방전시킨다(S351).
상태 측정부(30)는 상기 S340 내지 S351 과정을 통해 전압이 조정(충전 또는 방전)된 배터리 셀의 전압을 레지스터 메모리부에 새롭게 저장(S360)하고, 제어부(60)는 저장된 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압 내지 제2 기준 전압을 벗어나는지 판단(S370)하고, 벗어난다면 상기 S330 단계로 회귀하여 밸런싱 과정을 다시 진행한다.
도 5의 경우, 외부 충전부에 의해 일괄 충전이 완료된 상태의 도면이므로, 상기 S310 및 S320 단계가 필요하지 않으며, 나머지 단계는 도 3의 경우와 동일하다. 또한, 배터리 셀 밸런싱 방법은 배터리 셀 밸런싱 장치(100)와 마찬가지로 주 배터리부(10)가 부하에 전기 에너지를 공급하고 있는 상태뿐만 아니라, 전기 에너지 공급이 중단된 상태에서도 진행될 수 있다. 또한, 중복 서술을 피하기 위해 자세히 기재하지는 않았지만, 상기 설명한 배터리 셀 밸런싱 장치(100)의 기술적 특징 및 효과는 배터리 셀 밸런싱 방법에도 당연히 유추되어 적용될 수 있다.
상기 설명한 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치(100) 및 방법은 외부 충전부에 의해 일괄 충전을 완료하고 주 배터리부(10)가 부하에 전기 에너지를 공급함에 따라 감소되는 전기 에너지를 보조 배터리부(20)에 저장된 전기 에너지로 수시로 충전해줌으로써, 기존의 패시브 및 액티브 방식보다 재충전 사이클을 보다 길게 가져갈 수 있는 효과가 있다. 아울러, 스위칭부(50)를 SIC 전력 모스펫을 사용함으로써 고온에서도 안정적인 스위칭 특성을 가질 수 있으며, 기존 SI 전력 모스펫에 비해 주변 회로에 미치는 영향을 최소화하고, 전기 에너지 전달 효율을 높일 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 실시 예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 이들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있을 것이며, 이러한 수정 및 변경은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 배터리 셀 밸런싱 장치
10: 주 배터리부
20: 보조 배터리부
30: 상태 측정부
40: 보조 충전부
50: 스위칭부
60: 제어부

Claims (17)

  1. 둘 이상의 배터리 셀들을 포함하며 부하에 전기 에너지를 제공하는 주 배터리부;
    하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 보조 배터리부;
    상기 주 배터리부 및 보조 배터리부의 상태를 측정하는 상태 측정부;
    상기 상태 측정부의 측정 결과에 따라 상기 보조 배터리부에 저장된 전기 에너지를 상기 주 배터리부에 공급하는 보조 충전부;
    상기 보조 충전부가 주 배터리부에 공급하는 전기 에너지의 흐름을 ON/OFF하는 스위칭부; 및
    상기 상태 측정부, 보조 충전부 및 스위칭부의 동작을 제어하는 제어부;
    를 포함하며,
    상기 주 배터리부는,
    상기 둘 이상의 배터리 셀들 사이에 배치된 하나 이상의 스위치를 포함하며,
    상기 하나 이상의 스위치는 외부 충전부로부터 외부충전이 개시되는 경우 OFF되어, 상기 둘 이상의 배터리 셀들을 병렬 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상태 측정부가 측정하는 주 배터리부 및 보조 배터리부의 상태는 전압 또는 전류이며,
    상기 상태 측정부는 전압 측정기 또는 전류 측정기 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 장치
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀 밸런싱 장치는,
    외부 충전부로부터 외부충전이 개시되는 경우, 상기 보조 배터리가 포함하는 하나 이상의 배터리 셀도 함께 충전시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 장치
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상태 측정부는,
    상기 주 배터리부가 포함하는 둘 이상의 배터리 셀들의 전압을 순차적으로 측정하여 디지털 정보로 변환한 후, 해당 배터리 셀들에 대응하는 레지스터 메모리부에 저장하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 장치
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 레지스터 메모리부에 저장된 둘 이상의 배터리 셀들의 전압이 제1 기준 전압(상한 값)을 초과하면, 해당 배터리 셀들의 전압이 제1 기준 전압 이하가 될 때까지 상기 스위칭부를 제어하여 방전시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 장치
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 레지스터 메모리부에 저장된 둘 이상의 배터리 셀들의 전압이 제2 기준 전압(하한 값) 미만이면, 해당 배터리 셀들의 전압이 제2 기준 전압 이상이 될 때까지 상기 보조 충전부 및 스위칭부를 제어하여 충전시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 장치
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스위칭부를 제어하여 해당 배터리 셀을 주 배터리 부가 포함하는 블리드(Bleed) 저항을 이용하여 방전시키도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 장치
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 보조 충전부 및 스위칭부를 제어하여 해당 배터리 셀을 보조 배터리부에 저장된 전기 에너지로 충전시키도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 장치
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부는,
    SIC 전력 모스펫(SIC Power Mosfet)으로 구성된 하나 이상의 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 장치
  11. (a) 상태 측정부가 주 배터리부가 포함하는 둘 이상의 배터리 셀들의 전압을 순차적으로 측정하여 디지털 정보로 변환한 후, 해당 배터리 셀들에 대응하는 레지스터 메모리부에 저장하는 단계;
    (b) 제어부가 상기 레지스터 메모리부에 저장된 둘 이상의 배터리 셀들의 전압이 제1 기준 전압(상한 값) 내지 제2 기준 전압(하한 값)을 벗어나는지 판단하여, 벗어나는 하나 이상의 배터리 셀을 선택하는 단계;
    (c) 제어부가 상기 선택된 하나 이상의 배터리 셀의 전압이 제2 기준 전압(하한 값) 이상인지 판단하는 단계; 및
    (d) 제어부가 상기 선택된 하나 이상의 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압(상한 값) 이하인지 판단하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 (a)단계 이전에,
    (a-1) 외부충전을 위해 제어부가 주 배터리부가 포함하는 둘 이상의 배터리 셀들 사이에 배치된 하나 이상의 스위치를 OFF시켜 상기 둘 이상의 배터리 셀들을 병렬 연결하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 방법
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (c)단계 이후에,
    (c-1) 판단 결과 선택된 하나 이상의 배터리 셀의 전압이 제2 기준 전압 미만이라면, 제어부가 해당 배터리 셀의 전압이 제2 기준 전압 이상이 될 때까지 보조 충전부 및 스위칭부를 제어하여 선택된 배터리 셀의 전압을 충전시키는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 방법
  13. 제11항에 있어서,
    상기 (d)단계 이후에,
    (d-1) 판단 결과 선택된 하나 이상의 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압을 초과한다면, 제어부가 해당 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압 이하가 될 때까지 스위칭부를 제어하여 선택된 배터리 셀의 전압을 방전시키는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 방법
  14. 제12항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    (e) 상태 측정부가 전압이 조정된 하나 이상의 배터리 셀의 전압을 디지털 정보로 변환한 후, 해당 배터리 셀에 대응하는 레지스터 메모리부에 새롭게 저장하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 방법
  15. 제14항에 있어서,
    (f) 제어부가 상기 레지스터 메모리부에 새롭게 저장된 하나 이상의 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압 내지 제2 기준 전압을 벗어나는지 판단하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 방법
  16. 제15항에 있어서,
    (f-1) 상기 판단 결과 새롭게 저장된 하나 이상의 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압 내지 제2 기준 전압을 벗어나는 경우, 상기 (b)단계로 회귀하여 제어부가 하나 이상의 배터리 셀을 다시 선택하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 방법
  17. 삭제
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