KR101707150B1 - 배터리 팩의 셀 밸런싱 장치 및 셀 밸런싱 방법 - Google Patents

배터리 팩의 셀 밸런싱 장치 및 셀 밸런싱 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101707150B1
KR101707150B1 KR1020150154735A KR20150154735A KR101707150B1 KR 101707150 B1 KR101707150 B1 KR 101707150B1 KR 1020150154735 A KR1020150154735 A KR 1020150154735A KR 20150154735 A KR20150154735 A KR 20150154735A KR 101707150 B1 KR101707150 B1 KR 101707150B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
battery cell
voltage
cell
capacitor
internal
Prior art date
Application number
KR1020150154735A
Other languages
English (en)
Inventor
박준석
채형일
장종은
Original Assignee
국민대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국민대학교산학협력단 filed Critical 국민대학교산학협력단
Priority to KR1020150154735A priority Critical patent/KR101707150B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101707150B1 publication Critical patent/KR101707150B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M10/4264—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing with capacitors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/08—Measuring resistance by measuring both voltage and current
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605—Measuring capacitance
    • G01R31/3624—
    • G01R31/3658—
    • H01M2/1016—
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y02E60/12—

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 배터리 셀 밸런싱 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는 스위치드 커패시터(switched capacitor) 회로를 기반으로 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 장치에 있어서, 각 배터리 셀의 내부저항값을 도출하는 저항값 산출부; 각 배터리 셀의 내부 커패시터 용량을 도출하는 커패시터 용량 산출부; 및 상기 배터리 셀간의 상기 내부저항값과 상기 커패시터 용량의 차이를 반영하여 상기 스위치드 커패시터 회로의 스위치를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 밸런싱 제어부를 포함한다.
이를 통하여, 배터리 셀의 내부 저항 및 내부 커패시터를 고려하여 셀 밸런싱을 수행함으로써 셀 밸런싱의 효과를 증대시킬 수 있다.

Description

배터리 팩의 셀 밸런싱 장치 및 셀 밸런싱 방법{APPARATUS FOR CELL BALANCING OF BATTERY PACK AND METHOD THEREOF}
본 발명은 배터리 팩의 셀 밸런싱 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 능동(active) 셀 밸런싱을 수행하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
전기 자동차와 같이 고출력 장치에 탑재되는 배터리는 부하에 고전압을 공급하여야 하므로 배터리 셀이 직병렬로 조합되어 구성되는 배터리 팩이 구동원으로 활용된다. 이때, 제조 공정상의 여러 이유로 각 배터리 셀간 용량에 차이가 발생하고, 이로 인하여 충방전 사이클 중에 각 배터리 셀의 충방전 전압에 편차가 생긴다.
이에 따라 배터리 팩은 충방전 중에 특정 배터리 셀이 과충전 또는 과방전 될 수 있다. 이와 같은 배터리 셀의 과충전 또는 과방전은 배터리 팩의 성능 열화, 용량 감소, 수명 단축 등을 야기한다. 이를 방지하기 위하여 다수의 배터리 셀의 전압 차이를 최소화하고 셀간 균형을 맞추기 위한 셀 밸런싱을 수행한다.
셀 밸런싱과 관련된 종래기술을 살펴보면, 온도와 배터리 셀의 전압 또는 전류를 측정하고 이를 기초로 각 배터리 셀간의 전압 편차를 구하여, 그 차이가 소정 범위를 벗어나는지 여부에 따라 셀 밸런싱을 수행하고 있다. 이처럼 종래기술에 따르면 각 셀간의 전압만 고려할 뿐 각 셀의 배터리 내부 저항(resistance) 및 커패시터(capacitor) 용량 차이와 그 값의 변화는 고려하고 있지 않다.
이로 인하여, 종래의 셀 밸런싱 방법에 의하면 셀 내부의 저항 및 커패시터에 따른 전압과 전류에 대한 영향으로 셀 밸런싱의 효과가 반감되는 문제가 있었다.
위와 같은 종래 기술의 문제를 해결하여 셀 밸런싱의 효과를 증대시킬 수 있도록 셀 내부의 저항 및 커패시터 용량을 고려한 셀 밸런싱 방법이 요구된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 제안된 것으로서, 셀 밸런싱의 정밀도를 높일 수 있는 배터리 셀 밸런싱 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적은 본 발명의 일 양태에 따른 스위치드 커패시터(switched capacitor) 회로를 기반으로 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 장치에 있어서, 각 배터리 셀의 내부저항값을 도출하는 저항값 산출부; 각 배터리 셀의 내부 커패시터 용량값을 도출하는 커패시터 용량 산출부; 및 상기 배터리 셀간의 상기 내부저항값과 상기 커패시터 용량의 차이를 반영하여 상기 스위치드 커패시터 회로의 스위치를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 밸런싱 제어부를 포함하는 셀 밸런싱 장치에 의하여 달성될 수 있다.
여기서, 상기 저항값 산출부는, 상기 각 배터리 셀마다 마련되는 셀 전류공급원에 의하여 미리 설정된 시간 동안 상기 배터리 셀에 공급되는 전류의 인가시작 시점인 제1 시점과 전류 인가종료 시점인 제2 시점 사이의 상기 배터리 셀의 전압 변화량을 이용하여 상기 내부저항값을 연산할 수 있다.
아울러, 상기 셀 전류공급원은 서로 직렬로 연결된 상기 내부저항 및 상기 내부 커패시터와 병렬로 연결되며, 상기 저항값 산출부는 상기 내부저항과 연결되는 제1 노드와 상기 내부 커패시터와 연결되는 제2 노드 사이의 전압의 변화량을 기초로 연산할 수 있다.
또한, 상기 커패시터 용량 산출부는, 상기 배터리 셀에 전류가 인가되는 시간을 계수하는 타이머에 따른 제1 시점과 제2 시점에 각각 상기 배터리 셀에 인가되는 전류량과 상기 제1 시점과 상기 제2 시점 동안 상기 배터리 셀의 전압의 변화율을 기초로 상기 내부 커패시터 용량을 연산할 수 있다.
한편, 상기 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부를 더 포함할 수 있으며, 여기서, 상기 배터리 셀의 내부저항과 상기 내부 커패시터는 서로 직렬로 연결되며, 상기 전압 측정부는 상기 내부저항과 연결되는 제1 노드와 상기 내부 커패시터와 연결되는 제2 노드 사이의 전압을 측정할 수 있다.
아울러, 상기 전압 측정부는, 제1 입력단과 제2 입력단에 각각 제1 기준전압과 제2 기준전압이 인가되는 기준전압 입력부; 상기 제1 기준전압, 상기 제2 기준전압, 상기 제1 노드의 전압, 및 상기 제2 노드의 전압에 대한 샘플링(sampling)을 수행하는 샘플링부; 상기 샘플링부와 연결되어, 상기 제1 기준전압 및 상기 제2 기준전압의 차이값을 제1 입력값으로, 상기 제1 노드의 전압 및 상기 제2 노드의 전압의 차이값을 제2 입력값으로 입력받아, 제1 입력값과 제2 입력값의 차이를 증폭하는 차동 증폭부; 및 상기 차동 증폭부의 출력값을 기초로 상기 배터리 셀의 전압을 연산하는 전압 연산부를 포함할 수 있다.
한편, 상기 밸런싱 제어부는 온도, 상기 내부저항값, 상기 내부 커패시터 용량, 상기 배터리 셀의 전압, 및 상기 배터리 셀의 전류 중 적어도 어느 하나의 항목에 대한 값을 포함하는 룩업 테이블을 생성하고, 상기 룩업 테이블에 저장된 값을 이용하여 셀 밸런싱을 위한 상기 제어 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기한 목적은 본 발명의 또 다른 양태에 따른 스위치드 커패시터(switched capacitor) 회로를 기반으로 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 방법에 있어서, 각 배터리 셀의 내부저항값을 도출하는 단계; 각 배터리 셀의 내부 커패시터 용량을 도출하는 단계; 및 상기 배터리 셀간의 상기 내부저항값과 상기 커패시터 용량의 차이를 기초로 상기 스위치드 커패시터 회로의 스위치를 제어하여 상기 배터리 셀간의 밸런싱을 수행하는 단계를 포함하는 셀 밸런싱 방법에 의해서도 달성될 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 배터리 셀의 내부 저항 및 내부 커패시터를 고려하여 셀 밸런싱을 수행함으로써 셀 밸런싱의 효과를 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치의 블록도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전압 측정부의 일부로서, 하나의 배터리 셀에 대응되는 구성의 일예를 보여주는 회로도;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 저항값 산출부에서 배터리 셀의 내부저항값을 산출하는 일예를 설명하기 위한 회로도;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 커패시터 용량 산출부에서 배터리 셀의 내부 커패시터 용량을 산출하는 일예를 설명하기 위한 회로도;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 밸런싱 제어부가 배터리 셀간의 내부저항과 내부 커패시터의 차이를 반영하여 셀 밸런싱을 제어하는 일예를 설명하기 위한 회로도; 및
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 셀 밸런싱 방법의 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예들에 대해 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치는 에너지 전달 방향에 따라 스위치를 전환하여 커패시터를 통해 배터리 셀간 밸런싱을 수행하는 스위치드 커패시터(switched capacitor) 회로를 기반으로 구현된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치(100)는 전압 측정부(10), 전류 측정부(20), 저항값 산출부(30), 커패시터 용량 산출부(40), 온도 측정부(50), 및 밸런싱 제어부(70)를 포함한다.
전압 측정부(10)는 배터리 셀의 전압을 측정한다. 전압 측정부(10)는 배터리 셀 전압의 절대값이 아닌 배터리 셀 양단의 전위차(potential difference)를 측정한다. 이때, 전압 측정부(10)는 차동 증폭기(differential amplifier)를 포함하는 스위치드 커패시터 기반의 회로로 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전압 측정부(10)의 일부로서, 하나의 배터리 셀(cell-1)에 대응되는 구성의 일예를 보여주는 회로도이다. 도 2를 참조하면, 전압 측정부(10)는 기준전압 입력부(11), 샘플링부(13), 차동 증폭부(15) 및 전압 연산부(17)를 포함한다.
참고로, 전압 측정부(10)에 의해서 전압이 측정되는 배터리 셀(cell-1)은 다양한 형태로 모델링될 수 있으나, 본 실시예에서는 배터리 셀 모델의 일 예로서, 내부저항(Rcell -1)과 내부 커패시터(Ccell -1)가 서로 직렬로 연결된 배터리 셀 모델을 상정한다.
기준전압 입력부(11)는 제1 입력단(11a)과 제2 입력단(11b)으로 2개의 입력단을 가지며, 각 입력단(11a, 11b)에는 제1 기준전압과 제2 기준전압이 입력된다.
이어서, 샘플링부(13)는 기준전압 입력부(11)와 배터리 셀(cell-1)과 전기적으로 연결되어 제1 기준전압, 제2 기준전압, 배터리 셀(cell-1) 내부저항(Rcell -1)과 연결되는 노드 A에서의 전압과 내부 커패시터(Ccell -1)와 연결되는 노드 B에서의 전압에 대한 샘플링을 수행한다.
복수 개의 스위치 Ф1a, Ф1b, Ф1c, Ф1d, Ф2a, Ф2b와 커패시터 CS1, CS2, CS3, CS4는 샘플링을 수행하기 위한 것으로, 스위치 Ф1a, Ф1b, Ф1c, Ф1d는 제1 클럭 신호(clock signal)에 따라 일괄적으로 동작하고, 스위치 Ф2a, Ф2b는 제2 클럭 신호에 따라 일괄적으로 동작한다. 한편, 제1 클럭 신호와 제2 클럭 신호는 서로 겹치지 않도록(non-overlapping) 90도의 위상차를 갖는다.
이에 따르면, 스위치 Ф1a는 제1 입력단(11a)과 CS1을, Ф1b는 노드 A와 CS2, Ф1c는 노드 B와 CS3, Ф1d는 제2 입력단(11b)과 CS4의 연결을 매개하며, 스위치 Ф2a는 CS1과 CS4의 연결을 매개하고, Ф2b는 CS2와 CS3의 연결을 매개한다.
차동 증폭부(15)는 샘플링부(13)와 연결되며, 두 입력 신호의 차에 대한 증폭을 수행하는 차동 증폭기(DA)를 포함하여 구성된다. 차동 증폭부(15)는 두 입력단자에 제1 기준전압 및 제2 기준전압의 차이값과 노드 A의 전압 및 노드 B의 전압의 차이값을 입력받고, 두 입력값의 차이를 증폭한다. 참고로, 커패시터 CL1과 CL2는 로드 커패시터(load capacitor)이다.
한편, 도 2에서는 제1 기준전압과 제2 기준전압의 동상성분인 공통모드(common mode)는 CS1과 CS4에 입력되고, 노드 A와 노드 B의 전압의 공통모드는 CS2와 CS3에 입력되므로 그 레벨은 일정하며, 차동 증폭기(DA)의 두 입력단자 사이에서의 공통모드 전압은 스위치 Ф1e와 Ф1g의 매개를 통해 인가되는 전압인 Vbias와 같다. 참고로, 스위치 Ф1e, Ф1f 및 Ф1g는 스위치 Ф1a, Ф1b, Ф1c, Ф1d을 제어하는 제1 클럭 신호에 따라 동작한다.
전압 연산부(17)는 차동 증폭부(15)의 출력값을 기초로 노드 A와 노드 B의 전위차를 산출한다. 이는 차동 증폭부(15)의 이득(gain), 제1 기준전압, 제2 기준전압을 기초로 역산하여 산출할 수 있다.
이와 같이, 전압 측정부(10)를 스위치드 커패시터 기반으로 구현하여 공통모드를 제거하고 차동 증폭기(DA)의 입력으로 배터리 셀 전압의 절대값이 아닌 셀 양단의 전위차를 입력받음으로써, 허용 가능한 최대 입력 전압이 상대적으로 낮은 소자를 활용할 수 있어 회로 구현 비용을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 전류 측정부(20)는 배터리 팩(P)을 구성하는 배터리 셀의 전류를 측정하고, 저항값 산출부(30)는 각 배터리 셀의 내부저항값을 산출한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 저항값 산출부(30)에서 배터리 셀의 내부저항값을 산출하는 일예를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3을 참조하면, 각 배터리 셀마다 미리 설정된 시간동안 일시적으로 전류 Icell을 공급하기 위한 셀 전류공급원(SC)이 도입된다. 셀 전류공급원(SC)은 배터리 셀(cell-1)의 서로 직렬로 연결된 내부저항(Rcell -1)과 내부 커패시터(Ccell -1)와 병렬로 연결된다.
배터리 셀(cell-1)에 전류 Icell -1을 일시적으로 공급하면 내부저항(Rcell -1)으로 인하여 노드 A와 노드 B의 전압이 감소하는 경향을 보이고, 반대로 Icell - 1 의 공급을 중단하면 노드 A와 노드 B의 전압이 증가하는 경향을 보이게 된다.
저항값 산출부(30)는 위와 같이 내부저항(Rcell -1)에 의한 셀 전압의 변화를 이용하여 내부저항(Rcell -1)값을 산출하는 것으로, 전류 Icell -1이 인가되기 시작한 제1 시점과 인가가 종료된 시점인 제2 시점 사이의 배터리 셀(cell-1)의 전압 변화량을 이용한다.
도 3과 같은 배터리 셀 모델을 예로 들 때, 배터리 셀(cell-n)의 내부 저항(RCell-n)값은 다음과 같은 수식에 의하여 산출될 수 있다.
Figure 112015107540221-pat00001
여기서 Ibat는 배터리 팩(P)의 충방전을 위한 전류원(SB)을 통해 공급된 전류이고, Icell -n은 각 셀마다 마련되는 셀 전류원(SC)을 통해 공급된 전류, △Vcell은 전류 Icell -n이 배터리 셀(cell-n)에 전류가 인가가 시작된 제1 시점과 인가가 종료된 시점인 제2 시점 사이의 노드 A와 노드 B 사이의 전압 변화량을 의미한다.
커패시터 용량 산출부(40)는 각 배터리 셀 내부의 커패시터 용량값을 산출한다. 커패시터 용량 산출부(40)는 각 배터리 셀에 전류가 인가되는 시간을 계수하는 타이머(미도시)를 포함한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 커패시터 용량 산출부(40)에서 배터리 셀의 내부 커패시터 용량을 산출하는 일예를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 배터리 셀(cell-1)에 전류가 인가될 때, 타이머에 따른 제1 시점에서의 배터리 셀(cell-1)의 전류 I1과 제2 시점에서의 배터리 셀(cell-1)의 전류 I2 및 제1 시점과 제2 시점동안의 배터리 셀(cell-1)의 전압의 변화율, 즉 노드 A와 노드 B 사이의 전압의 변화율을 이용하여 내부 커패시터(Ccell -1)의 용량을 산출한다.
도 4와 같은 배터리 셀 모델을 예로 들 때, 내부 커패시터(Ccell -n)용량은 다음과 같은 수식에 의하여 산출될 수 있다.
Figure 112015107540221-pat00002
여기서, I1은 제1 시점에서의 배터리 셀(cell-n)의 전류, I2 는 제2 시점에서의 전류, t는 제1 시점과 제2 시점 사이의 시간, V는 배터리 셀의 전압을 의미한다.
이어서, 온도 측정부(50)는 배터리 팩(P)에 포함된 각 배터리 셀의 온도를 주기적으로 측정한다.
밸런싱 제어부(70)는 각 배터리 셀의 전압, 전류, 내부저항값, 내부 커패시터 용량, 온도 등의 데이터를 기초로 셀 밸런싱을 위한 스위치드 커패시터 회로의 스위치의 PWM(pulse width modulation) 제어 신호를 생성한다.
이를 위하여, 밸런싱 제어부(70)는 전압 측정부(10), 전류 측정부(20), 저항값 산출부(30), 커패시터 용량 산출부(40), 및 온도 측정부(50)로부터 획득된 데이터를 기초로 각 배터리 셀마다 전압, 전류, 내부저항값, 내부 커패시터 용량, 온도 등의 항목을 가진 룩업 테이블(look-up table)을 생성하고, 룩업 테이블의 데이터를 참조하여 각 배터리 셀의 균형을 맞출수 있도록 제어 신호를 생성한다. 이때, 룩업 테이블의 데이터는 배터리 셀의 실시간 모니터링에 따라 주기적으로 갱신될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 밸런싱 제어부(70)가 배터리 셀간의 내부저항과 내부 커패시터의 차이를 반영하여 셀 밸런싱을 제어하는 일예를 설명하기 위한 회로도이다.
도 5를 참조하면, 스위치 S1과 스위치 S2, 커패시터 CK로 이루어진 스위치드 커패시터 회로를 통하여 셀 밸런싱이 수행된다.
밸런싱 제어부(70)는 배터리 셀(cell-1, cell-2)간의 내부저항(Rcell -1, Rcell -2)값과 내부 커패시터(Ccell -1, Ccell -2) 용량의 차이를 반영하여 셀 밸런싱을 위한 스위치 S1과 S2의 적절한 개폐시간을 도출하고 이에 따른 제어 신호를 생성한다.
예컨대, 내부 커패시터 Ccell -1의 용량이 내부 커패시터 Ccell -2의 용량보다 더 큰 경우를 가정하면, 밸런싱 제어부(70)는 스위치 S2의 연결시간을 스위치 S1의 연결시간보다 상대적으로 길도록 제어 신호를 생성할 수 있다.
한편, 내부저항 Rcell -1이 내부저항 Rcell -2보다 큰 경우를 가정할 때, 밸런싱 제어부(70)는 스위치 S1의 연결시간이 스위치 S2의 연결시간보다 더 길도록 제어 신호를 생성할 수 있을 것이다.
밸런싱 제어부(70)는 이처럼 배터리 셀의 내부저항 및 내부 커패시터 용량 뿐 아니라 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 등의 다양한 파라미터를 조합하여 다양한 알고리즘을 통해 각 배터리 셀에 대한 개방전압을 도출하고, 충전상태를 추정하여 최적의 셀 밸런싱을 수행한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 방법의 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 각 배터리 셀의 내부저항과 내부 커패시터 용량을 산출한다(S10, S30).
이때, 내부저항은 각 배터리 셀마다 마련된 셀 전류공급원을 통해 일시적으로 셀 전류를 공급하고, 공급된 셀 전류에 따른 배터리 셀 전압의 변화량을 이용하여 산출될 수 있고, 내부 커패시터 용량은 타이머에 따른 제1 시점과 제2 시점에서의 배터리 셀의 전류량과 양 시점동안의 배터리 셀의 전압 변화율을 기초로 산출할 수 있음은 전술된 바와 같다.
위와 같이 배터리 셀 내부저항과 내부 커패시터 용량이 산출되면, 배터리 셀 모니터링을 통하여 획득된 배터리 셀 온도, 전압, 전류 등의 데이터와 조합하여 셀 밸런싱을 위한 제어 신호를 생성한다(S50). 스위치드 커패시터 회로를 기반으로 밸런싱을 수행할 때에는 배터리 셀간의 에너지 전달을 위한 스위치의 온오프 스위칭 동작을 제어하는 PWM 신호가 생성될 수 있을 것이다.
전술된 바와 같이, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치(100) 및 방법에 의하면, 배터리 셀의 내부저항과 내부 커패시터를 고려함으로써 셀 밸런싱의 효과를 증대시킬 수 있다. 이와 같은 효과로 인하여 전기 자동차 등 배터리 팩이 활용되는 다양한 장치에 활용되어 배터리 팩의 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
지금까지 본 발명의 몇몇 실시예들에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 상기 본 발명의 실시예의 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
예컨대, 본 발명의 실시예로 설명된 배터리 모델 외에도 내부저항과 내부 커패시터의 조합에 따른 다양한 배터리 모델에도 본 발명이 적용될 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 실시예는 단지 예시적인 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 기술적 사상은 특허청구범위의 기재로부터 정의되고, 그 보호범위는 균등물에 미치는 것으로 보아야 할 것이다.
10: 전압 측정부 20: 전류 측정부
30: 저항값 산출부 40: 커패시터 용량 산출부
50: 온도 측정부 100: 셀 밸런싱 장치

Claims (10)

  1. 스위치드 커패시터(switched capacitor) 회로를 기반으로 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 장치에 있어서,
    각 배터리 셀의 내부저항값을 도출하는 저항값 산출부;
    각 배터리 셀의 내부 커패시터 용량을 도출하는 커패시터 용량 산출부; 및
    상기 배터리 셀간의 상기 내부저항값과 상기 커패시터 용량의 차이를 반영하여 상기 스위치드 커패시터 회로의 스위치를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 밸런싱 제어부를 포함하며,
    상기 커패시터 용량 산출부는, 상기 배터리 셀에 전류가 인가되는 시간을 계수하는 타이머에 따른 제1 시점과 제2 시점에 각각 상기 배터리 셀에 인가되는 전류량과 상기 제1 시점과 상기 제2 시점 동안 상기 배터리 셀의 전압의 변화율을 기초로 상기 내부 커패시터 용량을 연산하는 것으로 다음의 수식에 의하여 상기 내부 커패시터 용량을 연산하는 셀 밸런싱 장치.
    Figure 112016117248688-pat00010

    (여기서, I1 은 제1 시점에서의 배터리 셀의 전류, I2는 제2 시점에서의 배터리 셀의 전류, t는 제1 시점과 제2 시점 사이의 시간, V는 배터리 셀의 전압을 의미함)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저항값 산출부는,
    상기 각 배터리 셀마다 마련되는 셀 전류공급원에 의하여 미리 설정된 시간 동안 상기 배터리 셀에 공급되는 전류의 인가시작 시점인 제1 시점과 전류 인가종료 시점인 제2 시점 사이의 상기 배터리 셀의 전압 변화량을 이용하여 상기 내부저항값을 연산하는 셀 밸런싱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀 전류공급원은 서로 직렬로 연결된 상기 내부저항 및 상기 내부 커패시터와 병렬로 연결되며,
    상기 저항값 산출부는 상기 내부저항과 연결되는 제1 노드와 상기 내부 커패시터와 연결되는 제2 노드 사이의 전압의 변화량을 기초로 연산하는 셀 밸런싱 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부를 더 포함하는 셀 밸런싱 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 내부저항과 상기 내부 커패시터는 서로 직렬로 연결되며,
    상기 전압 측정부는 상기 내부저항과 연결되는 제1 노드와 상기 내부 커패시터와 연결되는 제2 노드 사이의 전압을 측정하는 셀 밸런싱 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전압 측정부는,
    제1 입력단과 제2 입력단에 각각 제1 기준전압과 제2 기준전압이 인가되는 기준전압 입력부;
    상기 제1 기준전압, 상기 제2 기준전압, 상기 제1 노드의 전압, 및 상기 제2 노드의 전압에 대한 샘플링(sampling)을 수행하는 샘플링부;
    상기 샘플링부와 연결되어, 상기 제1 기준전압 및 상기 제2 기준전압의 차이값을 제1 입력값으로, 상기 제1 노드의 전압 및 상기 제2 노드의 전압의 차이값을 제2 입력값으로 입력받아, 제1 입력값과 제2 입력값의 차이를 증폭하는 차동 증폭부; 및
    상기 차동 증폭부의 출력값을 기초로 상기 배터리 셀의 전압을 연산하는 전압 연산부를 포함하는 셀 밸런싱 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 제어부는 온도, 상기 내부저항값, 상기 내부 커패시터 용량, 상기 배터리 셀의 전압, 및 상기 배터리 셀의 전류 중 적어도 어느 하나의 항목에 대한 값을 포함하는 룩업 테이블을 생성하고, 상기 룩업 테이블에 저장된 값을 이용하여 셀 밸런싱을 위한 상기 제어 신호를 생성하는 셀 밸런싱 장치.
  10. 스위치드 커패시터(switched capacitor) 회로를 기반으로 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 방법에 있어서,
    각 배터리 셀의 내부저항값을 도출하는 단계;
    각 배터리 셀의 내부 커패시터 용량을 도출하는 단계; 및
    상기 배터리 셀간의 상기 내부저항값과 상기 커패시터 용량의 차이를 기초로 상기 스위치드 커패시터 회로의 스위치를 제어하여 상기 배터리 셀간의 밸런싱을 수행하는 단계를 포함하며,
    상기 각 배터리 셀의 내부 커패시터 용량을 도출하는 단계는,
    상기 배터리 셀에 전류가 인가되는 시간을 계수하는 타이머에 따른 제1 시점과 제2 시점에 각각 상기 배터리 셀에 인가되는 전류량과 상기 제1 시점과 상기 제2 시점 동안 상기 배터리 셀의 전압의 변화율을 기초로 상기 내부 커패시터 용량을 연산하는 것으로 다음의 수식에 의하여 상기 내부 커패시터 용량을 연산하는 셀 밸런싱 방법.
    Figure 112016117248688-pat00011

    (여기서, I1 은 제1 시점에서의 배터리 셀의 전류, I2는 제2 시점에서의 배터리 셀의 전류, t는 제1 시점과 제 2 시점 사이의 시간, V는 배터리 셀의 전압을 의미함)
KR1020150154735A 2015-11-04 2015-11-04 배터리 팩의 셀 밸런싱 장치 및 셀 밸런싱 방법 KR101707150B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150154735A KR101707150B1 (ko) 2015-11-04 2015-11-04 배터리 팩의 셀 밸런싱 장치 및 셀 밸런싱 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150154735A KR101707150B1 (ko) 2015-11-04 2015-11-04 배터리 팩의 셀 밸런싱 장치 및 셀 밸런싱 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101707150B1 true KR101707150B1 (ko) 2017-02-16

Family

ID=58264861

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150154735A KR101707150B1 (ko) 2015-11-04 2015-11-04 배터리 팩의 셀 밸런싱 장치 및 셀 밸런싱 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101707150B1 (ko)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018194249A1 (ko) * 2017-04-17 2018-10-25 주식회사 엘지화학 과충전 방지 장치 및 방법
KR20190010014A (ko) * 2017-07-20 2019-01-30 주식회사 엘지화학 오토바이용 스타트 모터 전원 공급 장치
WO2019164263A1 (ko) * 2018-02-20 2019-08-29 주식회사 엘지화학 에너지 저장 시스템의 충전용량 산출 장치 및 방법
CN111065933A (zh) * 2018-02-20 2020-04-24 株式会社Lg化学 用于储能系统的充电容量计算设备和方法
KR20210011235A (ko) * 2019-07-22 2021-02-01 주식회사 엘지화학 배터리 셀 진단 장치 및 방법
KR20210148803A (ko) * 2020-05-28 2021-12-08 콴타 컴퓨터 인코포레이티드 스마트 배터리 디바이스
KR20220099335A (ko) * 2021-01-06 2022-07-13 주식회사 실리콘마이터스 배터리 셀 밸런싱 기능을 포함하는 전력 변환 회로

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140079628A (ko) * 2012-12-17 2014-06-27 현대자동차주식회사 배터리전압 밸런싱장치 및 방법
KR20140103773A (ko) * 2013-02-19 2014-08-27 주식회사 엘지화학 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치 및 방법
KR20140114810A (ko) * 2011-12-22 2014-09-29 소니 주식회사 축전 장치, 전자 기기, 전력 시스템 및 전동 차량
KR20150029204A (ko) * 2013-09-09 2015-03-18 삼성에스디아이 주식회사 배터리 팩, 배터리 팩을 포함하는 장치, 및 배터리 팩의 관리 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140114810A (ko) * 2011-12-22 2014-09-29 소니 주식회사 축전 장치, 전자 기기, 전력 시스템 및 전동 차량
KR20140079628A (ko) * 2012-12-17 2014-06-27 현대자동차주식회사 배터리전압 밸런싱장치 및 방법
KR20140103773A (ko) * 2013-02-19 2014-08-27 주식회사 엘지화학 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치 및 방법
KR20150029204A (ko) * 2013-09-09 2015-03-18 삼성에스디아이 주식회사 배터리 팩, 배터리 팩을 포함하는 장치, 및 배터리 팩의 관리 방법

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180116707A (ko) * 2017-04-17 2018-10-25 주식회사 엘지화학 과충전 방지 장치 및 방법
CN110062994A (zh) * 2017-04-17 2019-07-26 株式会社Lg化学 用于防止过充电的装置和方法
WO2018194249A1 (ko) * 2017-04-17 2018-10-25 주식회사 엘지화학 과충전 방지 장치 및 방법
CN110062994B (zh) * 2017-04-17 2023-01-06 株式会社Lg新能源 用于防止过充电的装置和方法
KR102192188B1 (ko) 2017-04-17 2020-12-16 주식회사 엘지화학 과충전 방지 장치 및 방법
US11165262B2 (en) 2017-04-17 2021-11-02 Lg Chem, Ltd. Apparatus and method for preventing overcharge
KR102320107B1 (ko) 2017-07-20 2021-11-01 주식회사 엘지화학 오토바이용 스타트 모터 전원 공급 장치
KR20190010014A (ko) * 2017-07-20 2019-01-30 주식회사 엘지화학 오토바이용 스타트 모터 전원 공급 장치
WO2019164263A1 (ko) * 2018-02-20 2019-08-29 주식회사 엘지화학 에너지 저장 시스템의 충전용량 산출 장치 및 방법
US11467217B2 (en) 2018-02-20 2022-10-11 Lg Energy Solution, Ltd. Charge capacity calculation device and method for energy storage system
CN111065933A (zh) * 2018-02-20 2020-04-24 株式会社Lg化学 用于储能系统的充电容量计算设备和方法
KR20210011235A (ko) * 2019-07-22 2021-02-01 주식회사 엘지화학 배터리 셀 진단 장치 및 방법
KR102709601B1 (ko) * 2019-07-22 2024-09-26 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 셀 진단 장치 및 방법
KR20210148803A (ko) * 2020-05-28 2021-12-08 콴타 컴퓨터 인코포레이티드 스마트 배터리 디바이스
KR102536026B1 (ko) * 2020-05-28 2023-05-23 콴타 컴퓨터 인코포레이티드 스마트 배터리 디바이스
KR20220099335A (ko) * 2021-01-06 2022-07-13 주식회사 실리콘마이터스 배터리 셀 밸런싱 기능을 포함하는 전력 변환 회로
KR102528454B1 (ko) 2021-01-06 2023-05-04 주식회사 실리콘마이터스 배터리 셀 밸런싱 기능을 포함하는 전력 변환 회로

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101707150B1 (ko) 배터리 팩의 셀 밸런싱 장치 및 셀 밸런싱 방법
Ren et al. Design and implementation of a battery management system with active charge balance based on the SOC and SOH online estimation
JP6300567B2 (ja) 二次電池システム
Rahmoun et al. Modelling of Li-ion batteries using equivalent circuit diagrams
JP6033155B2 (ja) 電池制御装置
KR101402802B1 (ko) 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치 및 방법
WO2019230033A1 (ja) パラメータ推定装置、パラメータ推定方法及びコンピュータプログラム
US10027137B2 (en) Energy storage device
Plett Kalman-filter SOC estimation for LiPB HEV cells
WO2012132160A1 (ja) 劣化測定装置、二次電池パック、劣化測定方法、およびプログラム
CN102565716A (zh) 用于计算二次电池的残余容量的设备
US10910847B2 (en) Active cell balancing in batteries using switch mode dividers
JP2015224975A (ja) バッテリ充放電電流検出装置
KR20150024561A (ko) 배터리 관리 시스템 및 그 구동방법
JP2014068468A (ja) 充電制御装置
JPWO2018211824A1 (ja) 電池制御装置および車両システム
JP2012225713A (ja) 充電率推定装置
JPWO2014192134A1 (ja) 蓄電池監視装置
JP2016099156A (ja) 充電率算出装置
JP2010122162A (ja) 電源装置
JP2013208034A (ja) 開回路電圧推定装置
JP2016065844A (ja) 電池システム用制御装置および電池システムの制御方法
JP5851514B2 (ja) 電池制御装置、二次電池システム
JP2020034524A (ja) 電源システム
JP2003068369A (ja) 二次電池の総容量の検出方法及び総容量検出装置

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200210

Year of fee payment: 4