KR101610925B1 - 배터리 방전 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 배터리 관리 시스템의 배터리 방전 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 명세서의 실시예에 따른 배터리 방전 장치는 N번째 배터리 셀과 N+1번째 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; N번째 스위치 및 N+1번째 스위치를 포함하는 스위치부; 상기 N번째 배터리 셀과 상기 N+1번째 배터리 셀 사이에 연결된 일단이 구비되고, 상기 N번째 스위치 및 상기 N+1번째 스위치 사이에 연결된 타단이 구비되는 복수의 방전소자; 차량 이상 상태를 감지하는 감지부; 및 상기 배터리 모듈과 연결되어 상기 배터리 모듈의 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링하고 상기 스위치부를 제어하여 상기 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 감지부로부터 차량 이상 상태 신호를 수신한 경우, 상기 스위치부를 제어하여 상기 배터리 모듈을 방전하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 방전 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DISCHARGING BATTERY}
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 배터리 방전 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.
한편, 고전압 배터리를 사용하는 차량에서 충돌사고 또는 차량 손상이 발생한 경우에는, 고전압 배터리로부터 차량 샤시 등으로 누설전류가 발생할 수 있다. 이와 같은 배터리의 누설전류 발생은 차량 화재 또는 운전자의 감전 등 안전 사고로 이어질 수 있다.
미국 특허 공개공보 US2014-0070772호는 차량 충돌시 이를 감지하여 배터리 셀 밸런싱 회로를 동작시킴으로써 배터리 팩을 방전시키는 기술이 개시되어 있다.
그러나 상기와 같은 종래기술에 따르면, 모든 셀을 동시에 밸런싱 시키기 때문에 밸런싱 회로에 100℃ 이상의 과다한 열이 발생하여 화재 및 폭발의 위험성이 문제점으로 대두되고 있다.
미국 특허공개공보 US2014-0070772호
본 명세서는 배터리 관리 시스템에서 배터리 방전시 배터리셀 밸런싱 회로의 과열을 방지할 수 있는 배터리 방전 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 배터리 방전 장치는 N번째 배터리 셀과 N+1번째 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 서로 직렬로 연결된 N번째 스위치 및 N+1번째 스위치를 포함하는 스위치부; 상기 N번째 배터리 셀의 일단에 연결되거나, 상기 N번째 배터리 셀의 타단과 상기 N+1번째 배터리 셀의 일단 사이에 연결되는 일단이 구비되고, 상기 N번째 스위치의 일단에 연결되거나, 상기 N번째 스위치의 타단과 상기 N+1번째 스위치의 일단 사이에 연결되는 타단이 구비되는 복수의 방전저항; 차량 이상 상태를 감지하는 감지부; 및 상기 배터리 모듈과 연결되어 상기 배터리 모듈의 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링하고 상기 스위치부를 제어하여 상기 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 감지부로부터 차량 이상 상태 신호를 수신한 경우, 상기 스위치부를 제어하여 상기 배터리 모듈의 전압을 상기 복수의 방전저항으로 방전할 수 있다.
상기 복수의 방전 저항은 N번째 방전 저항과 N+1번째 방전 저항 및 N+2번째 방전 저항을 포함하고, 상기 N번째 스위치가 온되면, 상기 N번째 방전 저항과 상기 N+1번째 방전 저항은 상기 N번째 스위치를 통해 서로 직렬 연결되어 상기 N번째 배터리 셀의 전압을 방전하고, 상기 N+1번째 스위치가 온되면, 상기 N+1번째 방전 저항과 상기 N+2번째 방전 저항은 상기 N+1번째 스위치를 통해 서로 직렬 연결되어 상기 N+1번째 배터리 셀의 전압을 방전할 수 있다.
상기 제어부는 N번째 스위치 및 상기 N+1번째 스위치를 번갈아가며 온 및 오프 제어할 수 있다.
상기 제어부는 기 설정된 시구간 동안 순차적으로 셀 센싱, 셀 진단, 상기 N번째 스위치와 상기 N+1번째 스위치의 온(on) 및 오프(off)를 포함하는 셀 밸런싱 제어를 수행하며, 상기 N번째 스위치와 상기 N+1 번째 스위치의 온 및 오프 제어는 상기 기 설정된 시구간 마다 번갈아가며 수행될 수 있다.
상기 제어부는 상기 N번째 스위치와 상기 N+1번째 스위치를 소정의 듀티비(Duty Ratio)로 온/오프 제어할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 배터리 방전 방법은 배터리 방전 장치의 배터리 방전 방법에 있어서, 센서에서 차량 충돌 또는 손상을 감지하여 차량 이상 상태 신호를 발생하는 단계; 상기 제어부에서 상기 차량 이상 상태 신호를 수신하는 단계; 및 상기 제어부에서 상기 스위치부를 제어하여 상기 배터리 모듈의 전압을 상기 복수의 방전저항으로 방전하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수의 방전 저항은 N번째 방전 저항, N+1번째 방전 저항 및 N+2번째 방전 저항을 포함하고, 상기 방전하는 단계에서 상기 N번째 스위치가 온되면, 상기 N번째 방전 저항과 상기 N+1번째 방전 저항은 상기 N번째 스위치를 통해 서로 직렬 연결되어 상기 N번째 배터리 셀의 전압을 방전하고, 상기 N+1번째 스위치가 온되면, 상기 N+1번째 방전 저항과 상기 N+2번째 방전 저항은 상기 N+1번째 스위치를 통해 서로 직렬 연결되어 상기 N+1번째 배터리 셀의 전압을 방전할 수 있다.
상기 방전하는 단계는, 상기 N번째 스위치와 상기 N+1 번째 스위치를 번갈아가며 온 및 오프 제어할 수 있다.
상기 방전하는 단계는, 기 설정된 시구간 동안 순차적으로 셀 센싱, 셀 진단, 상기 N번째 스위치와 상기 N+1 번째 스위치의 온(on) 및 오프(off) 단계를 포함하며, 상기 N번째 스위치와 상기 N+1 번째 스위치의 온 및 오프 제어는 상기 시구간 마다 번갈아가며 수행될 수 있다.
상기 방전하는 단계는 상기 스위치부를 소정의 듀티비(Duty Ratio)로 온 및 오프 제어할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 본 명세서는 배터리 모듈의 각 배터리 셀별로 두 개의 방전 저항을 직렬로 연결시켜 배터리의 전압 방전 시 상기한 두 개의 방전 저항 각각에 배터리의 전압을 나뉘어 걸리게 하여 발열을 효과적으로 분산시킬 수 있다.
또한, 두 개의 방전 저항을 통해 발열을 효과적으로 분산시켜 고전압 배터리의 화재 및 폭발의 위험을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이와 더불어, 홀수번째 스위치와 짝수번째 스위치를 번갈아가며 온/오프 제어하여 홀수번째 배터리 셀과 짝수번째 셀의 전압을 선택적으로 방전시킬 수 있으므로, 배터리셀 밸런싱 회로 전체의 과열을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 방전 장치를 간략히 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 스위치 제어를 설명하기 위한 참고도이다.
도 4는 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 방전 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, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 배터리 방전 장치 및 방법에 대해 설명한다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 방전 장치를 간략히 나타내는 블록도이다.
배터리 방전 장치는 복수의 배터리 셀들이 직렬로 연결된 배터리 팩(10) 및 제어부(30)를 포함할 수 있다.
배터리 팩(10)은 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈(11)을 포함하며, 배터리 모듈(11)은 복수의 배터리 셀(C1, C2, C3)을 포함하고, 배터리 모듈(11)들은 배터리 팩 내에서 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 도 2에서는 설명의 편의상 배터리 팩(10)만을 도시하였으며, 배터리 팩(10) 내부에는 다수의 배터리 모듈(11)이 직렬 또는 병렬 연결되어 존재할 수 있다. 또한, 배터리 셀도 설명의 편의상 3개의 배터리 셀(VC1, VC2, VC3)만 도시하였으나, 본 명세서에서는 3개 이상의 배터리 셀들로 구성될 수 있다.
배터리 셀들(VC1, VC2, VC3)에 충전된 고전압 직류 전력은 모터 등의 차량 전자 장치로 공급된다.
제어부(30)는 배터리 셀들(VC1, VC2, VC3)과 연결되어 배터리 셀들(VC1, VC2, VC3)의 충방전 상태를 모니터링하고, 배터리 셀들(VC1, VC2, VC3)의 충방전 동작을 제어한다. 즉, 배터리 셀(VC1, VC2, VC3)들은 제어부(30)와 각각 연결되어 제어부(30)에서 각 셀의 충방전 상태를 모니터링하고 셀의 충방전 동작을 수행한다.
이때, 셀들 간을 연결하는 와이어가 끊어져서 open이 발생되거나 또는 내부 저항이 높아지는 경우 배터리 팩(10) 내부로 흘러야 하는 충전 전류가 제어부(30) 내부로 유입되어 제어부(30)의 소손이 발생되는 것을 방지하기 위한 보호저항 R이 도시된 바와 같이 각셀과 제어부(30) 사이에 구성된다. 그리고, 배터리 셀들(VC1, VC2, VC3)로부터 제어부(30)로 입력되는 신호의 노이즈를 제거하기 위한 필터 역할을 하는 RC 회로가 배터리 셀(VC1, VC2, VC3)과 제어부(30) 사이에 구성된다.
또한, 배터리 셀(VC1, VC2, VC3)과 제어부(30) 사이에는 셀간의 충전 전압의 밸런싱을 유지하기 위한 복수의 방전 저항(r1, r2, r3, r4)과 스위치부(SW1, SW2, SW3)가 각 셀 별로 각각 연결되어 제어부(30)의 제어 신호에 따라서 각 셀별로 셀 밸런싱을 위한 방전이 가능하다.
또한, 제어부(30)는 차량의 이상 상태를 감지하는 감지부(50)와 연결되어, 감지부(50)로부터 차량 충돌 등의 이상 상태 감지 신호를 수신한다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 감지부(50)는 ACU(Airbag Control Unit) 또는 에어백 작동 센서 등일 수 있으며, ACU 또는 에어백 작동 센서로부터 차량 충돌에 따른 에어백이 액츄에이팅 되는 신호를 감지하여 차량의 충돌 등을 감지할 수 있다.
감지부(50)로부터 차량 충돌 등의 이상 상태 감지 신호를 제어부(30)에서 수신하면, 제어부(30)는 스위치부(SW1, SW2, SW3)를 제어하여 배터리 셀(VC1, VC2, VC3)을 방전시킨다.
이후, 배터리 셀(VC1, VC2, VC3), 스위치부(SW1, SW2, S3) 및 방전 저항(r1, r2, r3, r4)의 연결관계를 통해 스위치부(SW1, SW2, SW3)의 제어를 설명한다.
또한, 설명의 용이함을 위해, 도 2의 배터리 셀(VC1, VC2, VC3)은 N번째 배터리 셀과 N+1번째 배터리 셀 등으로 표현하고, 스위치부(SW1, SW2, S3)는 N번째 스위치 및 N+1번째 스위치 등으로 표현하며, 방전 저항(r1, r2, r3, r4)는 N번째 방전 저항 및 N+1번째 방전 저항 등으로 표현 가능하다. 여기서, N은 1 또는 하나를 나타낸다.
다시 말해, 밸런싱 회로에 이용되는 각각의 배터리 셀, 스위치 및 방전 저항에 번호가 부여되는 것으로 가정할 때, 최상단(도2 기준)의 배터리 셀이 첫 번째 배터리 셀 VC1이 되고, 최상단(도2 기준)의 스위치가 첫 번째 스위치 SW1가 되며, 최상단(도2 기준)의 방전 저항이 첫 번째 방전 저항 r1이 된다.
그 이후 아래 방향(도2 기준)으로 두 번째 배터리 셀 SC2, 두 번째 스위치 SW2 및 두 번째 방전 저항 r2이 되고, 계속해서 세 번째 배터리 셀 SC3, 세 번째 스위치 SW3 및 세 번째 방전 저항 r3 등 순차적으로 번호가 부여될 수 있다.
여기서, 세 번째 배터리 셀, 세 번째 스위치 및 세 번째 방저 저항까지만 설명하였으나, 배터리 셀, 스위치 및 방전 저항은 더욱 구비되는 것이 자명하다.
이후, 순서상으로 정의된 배터리 셀, 스위치 및 방전 저항을 통해 서로 간의 연결관계를 설명한다.
N번째 배터리 셀과 N+1번째 배터리 셀을 포함하는 전체 배터리 셀은 서로 직렬로 연결되고, N번째 스위치와 N+1번째 스위치를 포함하는 전체 배터리 셀 또한 서로 직렬로 연결되며, 이러한 배터리 셀과 스위치는 방전 저항을 통해 연결된다.
N번째 방전 저항 및 N+1번째 방전 저항 각각은 N번째 배터리 셀과 N+1번째 배터리 셀 사이에 연결된 일단이 구비되고, N번째 스위치 및 N+1번째 스위치 사이에 연결된 타단이 구비된다. 여기서, 전체 방전 저항 중에 최상단(도2 기준)의 방전 저항 r1은 첫 번째 배터리 셀 VC1에 연결된 일단이 구비되고, 첫 번째 스위치 SW1에 연결된 타단이 구비된다. 또한, 세 번째 배터리 셀 VC3과 세 번째 스위치 SW3를 마지막 배터리 셀과 스위치로 가정하면, 전체 방전 저항 중에 최하단(도2 기준)의 방전 저항 r4은 마지막 배터리 셀 VC3에 연결된 일단이 구비되고, 마지막 스위치 SW3에 연결된 타단이 구비된다.
이후, 스위치 온 상태에 따른 방전 과정을 설명하면, 제어부(30)에 의해 N번째 스위치(SW1)가 온되면, N번째 방전 저항(r1)과 N+1번째 방전 저항(r2)은 N번째 스위치(SW1)를 통해 서로 직렬 연결되어 N번째 배터리 셀(SC1)의 전압을 방전하게 된다.
만약 제어부(30)에 의해 N번째 스위치(SW1)가 오프되고, N+1번째 스위치(SW2)가 온되면, N+1번째 방전 저항(r2)과 N+2번째 방전 저항(r3)은 N+1번째 스위치(SW2)를 통해 서로 직렬 연결되어 N+1번째 배터리 셀(SC2)의 전압을 방전하게 된다. 이후 N+1번째 스위치(SW2) 및 N+2번째 스위치(SW3) 등의 온 및 오프에 따른 방전 저항의 연결 관계는 상기한 두 예를 통해 설명됨은 자명하다.
제어부(30)는 충돌 신호를 수신한 경우 전체 스위치를 동시에 온 및 오프 제어하지 않고, N번째 스위치, N+2번째 스위치 및 N+4번째 스위치 즉, 홀수번째 스위치와 N+1번째 스위치, N+3번째 스위치 및 N+5번째 스위치 즉, 짝수번째 스위치를 번갈아가며 온 및 오프 제어할 수 있다. 이때, 제어부(30)에 의해 홀수번째 스위치와 짝수번째 스위치가 번갈아가며 제어되면, 홀수번째 배터리 셀과 짝수번째 배터리 셀이 번갈아가며 방전될 수 있다.
또한, 홀수번째 배터리 셀과 짝수번째 배터리 셀이 번갈아가며 방전될 경우 각 배터리 셀의 전압이 종래 기술과 달리 직렬로 연결된 두 개의 방전 저항에 나뉘어 걸리게 되며, 방전에 따른 발열이 두 개의 방전 저항을 통해 효과적으로 분산된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 방전 장치는 차량 충돌 이후에 배터리 방전 시 발생되는 열을 효과적으로 분산시켜 과열을 방지할 수 있으며, 전체 배터리 모듈을 안정적으로 보호할 수 있다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 스위치 제어를 설명하기 참고도이다.
도 2 및 도3을 참조하면, 제어부(30)는 충돌 신호를 수신하는 경우, 홀수번째 스위치와 짝수번째 스위치를 번갈아가며 온 및 오프 제어한다. 이때 제어부(30)는 대략 100ms의 BMS 측정 주기를 반복하여 수행함으로써, 홀수번째 스위치와 짝수번째 스위치를 번갈아가며 온 및 오프 제어 가능하다. 제어부(30)는 100ms의 BMS 측정 주기동안 셀센싱, 셀진단 및 셀 밸런싱 동작을 순차적으로 연속하여 수행할 수 있다.
통상 셀 센싱은 대략 15ms 동안 수행하며, 연속하여 셀 진단은 대략 15ms 동안 수행하며, 나머지 70ms 동안 셀 밸런싱을 수행한다.
셀 밸런싱은 통상 밸런싱 용 스위치를 온시킴으로써 셀 전압을 방전시키는 동작 구간이다. 그러나, 본 명세서의 일 실시예에 따르면 전체 셀 밸런싱 시구간 동안 전체 스위치에 대해 온 및 오프 제어하지 않고, 먼저 홀수번째 스위치를 제어한 후, 다음 BMS 측정 주기 동안 짝수번째 스위치를 제어하게 된다.
즉, 최초 100ms의 BMS 측정 주기 동안은 홀수번째 스위치를 온(close) 및 오프(open) 제어하고, 다음 100ms의 BMS 측정 주기 동안에는 짝수번째 스위치를 온(close) 및 오프(open) 제어한다. 이러한 홀수번째 스위치와 짝수번째 스위치는 100ms의 BMS 측정 주기가 반복되는 동안 번갈아가며 제어된다.
이후 듀티비 제어를 설명하면, 3:7 비율의 듀티비 제어를 100ms의 측정 주기 동안 적용할 경우에 홀수번째 스위치의 온(close)은 대략 21ms 동안 지속되며, 이후 49ms 동안은 홀수번째 스위치를 오프(close) 상태로 유지한다.
초기 측정 주기 이후 다음 100ms의 측정 주기 동안에는 짝수번째 스위치의 온(Close)은 상기한 바와 마찬가지로 21ms 동안 지속되며, 이후 49ms 동안은 짝수번째 스위치를 오프(close) 상태로 유지한다.
여기서, 듀티비를 3:7로 설정하였으나, 필요에 따라 방전시에 적정 온도 이상으로 배터리 셀의 온도가 상승이 되지 않게 하는 5:5 또는 7:3 등의 듀티비로 적절하게 변경 가능하다.
홀수번째 스위치와 짝수번째 스위치를 100ms의 측정 주기 동안 번갈아가며 듀티비 온/오프 제어를 수행할 경우에는 홀수번째 배터리 셀과 짝수번째 배터리 셀이 번갈아가며 방전됨으로써 방전으로 인해 발생되는 과열을 방지할 수 있다.
도 4는 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 방전 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
먼저 감지부(50)에서 차량 충돌 또는 차량 손상을 감지하면(S40), 차량 이상 신호를 발생한다(S50).
제어부(30)는 감지부(50)로부터 차량 이상 신호를 수신하면 스위치를 제어하여 배터리 셀의 방전을 수행한다(S60). 여기서, 스위치 제어는 기본적으로 홀수번째 스위치 및 짝수번째 스위치를 번갈아가며 온 및 오프 제어하는 것이며, 스위치 제어에 의해 홀수번째 배터리 셀 및 짝수번째 배터리 셀의 전압이 번갈아가며 방전된다. 이때 각 배터리 셀의 전압은 배터리 셀의 플러스 단과 마이너스 단사이에 직렬로 연결된 두 개의 방전 저항에 나뉘어 걸리게되며, 이를 통해 방전 저항은 전압 방전에 따른 발열을 분산시킬 수 있다.
또한, 스위치 제어는 필요에 따라 홀수번째 스위치 및 짝수번째 스위치를 소정의 듀티비로 온 및 오프 제어 가능하며, 배터리 셀의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지하면서 셀 방전이 되도록 할 수도 있다.
즉, 소정 시구간 동안 셀 센싱을 수행하고(S61), 연속하여 셀 진단 동작을 수행하고(S62), 전체 밸런싱 시구간 중 대략 30% 시구간 동안 홀수번째 스위치를 온 상태로 하고, 짝수번째 스위치를 오프 상태로 하여 홀수번째 셀 전압이 방전되도록 하고(S63), 나머지 70% 시구간 동안 홀수번째 스위치 및 짝수번째 스위치를 오프 상태로 하여 홀수번째 셀 전압의 방전을 중지한다(S64).
여기서, 다음 밸런싱 시구간이 반복되는 경우에는 짝수번째 스위치를 온 상태로 하고, 홀수번째 스위치를 오프 상태로 하여 짝수번째 셀 전압이 방전되도록 하고(S63), 나머지 70% 시구간 동안 짝수번째 스위치 및 홀수번째 스위치를 오프 상태로 하여 짝수번째 셀 전압의 방전을 중지하게 된다(S64).
본 명세서에 따른 온 및 오프 듀티비 제어를 홀수번째 스위치와 짝수번째 스위치에 번갈아가며 적용하여 배터리 셀의 방전을 수행할 경우에는 배터리 셀의 급격한 온도 상승을 최소화 할 수 있는 바, 배터리 셀 밸런싱 회로의 과열 및 화재를 방지할 수 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 : 배터리 관리 시스템(BMS) 10 : 배터리 스택
11, 12 : 배터리 모듈 VC1,VC2,VC3 : 배터리 셀
20 : 차량 전자 장치 30 : 제어부
31, 32 : MCU 33 : BCU
50 : 감지부 C : 커패시터
R : 보호저항 r1,r2,r3,r4 : 방전저항
SW1, SW2, SW3 : 스위치

Claims (10)

  1. N번째 배터리 셀과 N+1번째 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈;
    서로 직렬로 연결된 N번째 스위치 및 N+1번째 스위치를 포함하는 스위치부;
    상기 N번째 배터리 셀의 일단에 연결되거나, 상기 N번째 배터리 셀의 타단과 상기 N+1번째 배터리 셀의 일단 사이에 연결되는 일단이 구비되고, 상기 N번째 스위치의 일단에 연결되거나, 상기 N번째 스위치의 타단과 상기 N+1번째 스위치의 일단 사이에 연결되는 타단이 구비되는 복수의 방전저항;
    차량 이상 상태를 감지하는 감지부; 및
    상기 배터리 모듈과 연결되어 상기 배터리 모듈의 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링하고 상기 스위치부를 제어하여 상기 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 감지부로부터 차량 이상 상태 신호를 수신한 경우, 상기 스위치부를 제어하여 상기 배터리 모듈의 전압을 상기 복수의 방전저항으로 방전하는 것을 특징으로 하는 배터리 방전 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 방전 저항은 N번째 방전 저항과 N+1번째 방전 저항 및 N+2번째 방전 저항을 포함하고,
    상기 N번째 스위치가 온되면, 상기 N번째 방전 저항과 상기 N+1번째 방전 저항은 상기 N번째 스위치를 통해 서로 직렬 연결되어 상기 N번째 배터리 셀의 전압을 방전하고,
    상기 N+1번째 스위치가 온되면, 상기 N+1번째 방전 저항과 상기 N+2번째 방전 저항은 상기 N+1번째 스위치를 통해 서로 직렬 연결되어 상기 N+1번째 배터리 셀의 전압을 방전하는 것을 특징으로 하는 배터리 방전 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    N번째 스위치 및 상기 N+1번째 스위치를 번갈아가며 온 및 오프 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 방전 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 기 설정된 시구간 동안 순차적으로 셀 센싱, 셀 진단, 상기 N번째 스위치와 상기 N+1번째 스위치의 온(on) 및 오프(off)를 포함하는 셀 밸런싱 제어를 수행하며,
    상기 N번째 스위치와 상기 N+1 번째 스위치의 온 및 오프 제어는 상기 기 설정된 시구간 마다 번갈아가며 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 방전 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 N번째 스위치와 상기 N+1번째 스위치를 소정의 듀티비(Duty Ratio)로 온/오프 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 방전 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 배터리 방전 장치의 배터리 방전 방법에 있어서,
    센서에서 차량 충돌 또는 손상을 감지하여 차량 이상 상태 신호를 발생하는 단계;
    상기 제어부에서 상기 차량 이상 상태 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 제어부에서 상기 스위치부를 제어하여 상기 배터리 모듈의 전압을 상기 복수의 방전저항으로 방전하는 단계를 포함하는 배터리 방전 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 복수의 방전 저항은 N번째 방전 저항, N+1번째 방전 저항 및 N+2번째 방전 저항을 포함하고,
    상기 방전하는 단계에서 상기 N번째 스위치가 온되면, 상기 N번째 방전 저항과 상기 N+1번째 방전 저항은 상기 N번째 스위치를 통해 서로 직렬 연결되어 상기 N번째 배터리 셀의 전압을 방전하고,
    상기 N+1번째 스위치가 온되면, 상기 N+1번째 방전 저항과 상기 N+2번째 방전 저항은 상기 N+1번째 스위치를 통해 서로 직렬 연결되어 상기 N+1번째 배터리 셀의 전압을 방전하는 것을 특징으로 하는 배터리 방전 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 방전하는 단계는,
    상기 N번째 스위치와 상기 N+1 번째 스위치를 번갈아가며 온 및 오프 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 방전 방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 방전하는 단계는,
    기 설정된 시구간 동안 순차적으로 셀 센싱, 셀 진단, 상기 N번째 스위치와 상기 N+1 번째 스위치의 온(on) 및 오프(off) 단계를 포함하며,
    상기 N번째 스위치와 상기 N+1 번째 스위치의 온 및 오프 제어는 상기 시구간 마다 번갈아가며 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 방전 방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 방전하는 단계는 상기 스위치부를 소정의 듀티비(Duty Ratio)로 온 및 오프 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 방전 방법.
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