KR101816040B1 - 배터리 밸런싱 장치 - Google Patents

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현대오트론 주식회사
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Abstract

본 발명은 배터리 밸런싱 장치에 대한 것으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치는 복수의 배터리 셀을 포함하고, 차량 외부에 구비되어 상기 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 셀 밸런스 부를 포함하는 충전부와 연결되어 충전 또는 방전되는 차량의 배터리부를 밸런싱하는 배터리 밸런싱 장치에 있어서, 상기 배터리부와 연결되어 상기 배터리부의 충방전 상태를 모니터링하는 모니터링부; 및 상기 모니터링 결과를 통해 상기 배터리부의 방전 여부를 판단하고, 상기 판단 결과를 기초로 상기 충전부를 통해 상기 배터리부의 방전이 이루어지도록 제어하여 상기 배터리부의 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 제어부를 포함한다.

Description

배터리 밸런싱 장치{APPARATUS FOR BLANCING BATTERY}
본 명세서는 전기 에너지를 이용하는 장치에 사용될 수 있는 배터리의 전압을 밸런싱하는 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 명세서는 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리의 복수의 배터리 셀간의 전압을 더욱 빠르게 밸런싱하는 기술에 관한 것이다.
최근 고전압의 배터리를 사용하는 산업기기, 가정 기기 및 자동차 등 다양한 장치가 등장하고 있으며 특히 자동차 기술분야에서는 고전압 배터리 사용이 더욱 활발해지고 있다.
가솔린이나 중유 등의 화석연료를 주 연료로 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 및 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화 되지 못하다가 최근 에너지 및 환경 문제가 심각해지면서 1990년대부터 실용화를 위한 연구가 시작되었다.
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 있다. 이러한 HEV도 가솔린 자동차와의 가격 차이를 어떻게 극복하느냐가 관건으로서, 2차 전지 탑재량을 전기자동차의 1/3수준까지 낮출 수 있어 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.
EV 자동차는 HEV 자동차보다 배터리 전압의 크기 및 용량이 크다. 따라서, 셀의 밸런스를 맞추기 위해서는 보다 큰 전류를 통해 개별 셀들을 방전해야 한다. 그러나, BMS(Battery Management System) 내부에 구성되는 회로에서는 PCB(Printed Circuit Board), 방전 저항의 용량 등으로 인해 방전 전류의 한계가 있다(약 150~200mA 수준).
일반적으로 배터리를 충전하는 과정 중, 배터리의 복수의 셀 중에 어느 하나라도 임계치에 도달하게 되면 다른 셀들의 충전 상태와는 상관없이 충전을 중단하게 된다. 이러한 상황을 방지하기 위해 셀 밸런싱 기능을 통해 배터리 셀을 방전시켜야 하는데, BMS 내에 구성되어있는 회로 특성상 낮은 방전 전류만 흐를 수 밖에 없어 배터리를 충전하는 짧은 시간 동안 셀을 효과적으로 방전할 수 없는 문제점이 있다.
대한민국공개특허공보 제10-2012-0026417호
본 발명은 차량에 탑재된 배터리의 전압 밸런싱을 충전기 자체에서 수행하도록 함으로써, 더욱 빠르게 각 배터리 셀의 전압을 방전시키도록 하는 데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 차량에 탑재된 배터리의 전압 밸런싱을 충전기 자체에서 수행하도록 함으로써, 전체적인 배터리의 충전 효율을 증가시키는 데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 차량에 탑재된 전압 밸런싱 회로를 충전기 내부에 구성되도록 함으로써, 개별 차량마다 장착되어 있는 밸런싱 회로를 제거하여 차량 연비 효율을 증가시키는데 목적이 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치는 복수의 배터리 셀을 포함하고, 차량 외부에 구비되어 상기 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 셀 밸런스 부를 포함하는 충전부와 연결되어 충전 또는 방전되는 차량의 배터리부를 밸런싱하는 배터리 밸런싱 장치에 있어서, 상기 배터리부와 연결되어 상기 배터리부의 충방전 상태를 모니터링하는 모니터링부; 및 상기 모니터링 결과를 통해 상기 배터리부의 방전 여부를 판단하고, 상기 판단 결과를 기초로 상기 충전부를 통해 상기 배터리부의 방전이 이루어지도록 제어하여 상기 배터리부의 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 제어부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 충전부로 상기 배터리부의 복수의 배터리 셀 중 방전 대상이 되는 배터리 셀을 알려줄 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 충전부를 통해 상기 배터리부의 방전이 이루어지도록 제어함으로써 상기 배터리부의 특정 배터리 셀의 충전 임계치 도달을 지연시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 충전부를 통해 상기 배터리부의 방전이 이루어지도록 제어함으로써, 상기 충전부는 상기 배터리부가 충전 중인 경우 특정 배터리 셀만 방전시키고 나머지 배터리 셀은 충전시킬 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치는 복수의 배터리 셀을 포함하는 차량의 배터리부를 밸런싱하는 배터리 밸런싱 장치에 있어서, 상기 배터리부와 연결되어 상기 배터리부의 충방전 상태를 모니터링하는 모니터링부; 및 상기 배터리부를 충전하고, 상기 모니터링 결과를 통해 상기 배터리부의 방전 여부를 판단하고, 상기 판단 결과를 기초로 상기 배터리부의 방전을 통해 상기 배터리부의 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 충전부를 포함하고, 상기 충전부는 차량 외부에 구비되고, 상기 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 셀 밸런스 부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 충전부는 상기 모니터링 결과를 통해 상기 배터리부의 복수의 배터리 셀 중 방전 대상이 되는 배터리 셀을 판단할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 충전부는 상기 배터리부의 방전이 이루어지도록 제어함으로써 상기 배터리부의 특정 배터리 셀의 충전 임계치 도달을 지연시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 충전부는 상기 배터리부가 충전 중인 경우 특정 배터리 셀만 방전시키고 나머지 배터리 셀은 충전시킬 수 있다.
본 발명은 차량에 탑재된 배터리의 전압 밸런싱을 충전기 자체에서 수행하도록 함으로써, 보다 빠르게 각 배터리 셀의 전압을 방전시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 차량에 탑재된 배터리의 전압 밸런싱을 충전기 자체에서 수행하도록 함으로써, 전체적인 배터리의 충전 효율이 증가하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 차량에 탑재된 전압 밸런싱 회로를 충전기 내부에 구성되도록 함으로써, 개별 차량마다 장착되어 있는 밸런싱 회로를 제거할 수 있어 차량 연비 효율을 증가시키는 효과가 있다.
도 1은 본 명세서의 제1 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치의 블록도이다.
도 2는 본 명세서의 제2 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치의 블록도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치를 종래 배터리 밸런싱 장치와 비교한 비교도이다.
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 1을 참조하여 본 명세서의 제1 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 명세서의 제1 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 명세서의 제1 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치(100)는 모니터링부(30) 및 제어부(40)를 포함한다.
배터리부(20)는 복수의 배터리 셀을 포함한다. 배터리부(20)는 고전압 배터리로, 리튬 이온 전지를 포함한다. 이때, 리튬 이온 전지는 양극에 망간계 재료를, 음극에 비정질계 탄소재료를 각각 이용한 복수의 셀로 구성될 수 있다. 예를 들어 96개의 셀이 직렬로 접속 되어 구성될 수 있다. 리튬 이온 전지의 각각의 셀의 정격 용량은 5.5 Ah(Ampere Hour), 정격 전압은 3.6 V(Volt) 일 수 있다.
모니터링부(30)는 배터리부(20)와 연결되어 배터리부(20)의 충방전 상태를 모니터링한다. 예를 들어, 모니터링부(30)는 배터리부(20)의 복수의 배터리 셀의 전압, 전류, 충전 상태 등과 같은 작동 특성을 모니터링한다.
충전부(10)는 배터리부(20)와 연결되어 배터리부(20)를 충전하거나 방전한다.
또한, 충전부(10)는 차량 외부에 설치되어 배터리부(20)를 충전 또는 방전하는 경우에만 배터리부(20)와 연결될 수도 있다.
또한, 충전부(10)는 배터리부(20)의 전류를 기 설정된 방전 전류 이상으로 흐르도록 하여 배터리부(20)의 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 셀 밸런스 부를 포함할 수 있다.
상기 셀 밸런스부는 셀 밸런스 컨트롤부와 셀 밸런스 회로를 포함할 수 있다. 상기 셀 밸런스 컨트롤부는 배터리부(20)의 복수의 배터리 셀 중 해당 배터리 셀의 전압을 방전되도록 한다. 이를 위해 상기 셀 밸런스 회로의 연결 상태 등을 변경할 수 있다. 따라서, 충전부(10)는 배터리부(20)의 복수의 배터리 셀간의 전압 밸런싱을 직접 수행한다.
또한, 충전부(10)는 배터리부(20)가 충전 중인 경우 해당 배터리 셀만 방전시키고 나머지 배터리 셀을 충전되도록 할 수 있다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치를 종래 배터리 밸런싱 장치와 비교한 비교도이다.
도 3 (a)를 참조하면, 종래 배터리 밸런싱 장치는 배터리부(20)가 충전 중인 경우에 배터리 밸런싱을 통해 충전 임계치에 가장 근접한 특정 배터리 셀의 방전을 동시에 수행한다. 그러나, 배터리부(20)에서 낮은 방전 전류(약 150 ~ 200 mA)만 흐르게 할 수 있어 특정 배터리 셀이 충전 임계치에 빠르게 도달하여 충전이 중단되게 된다. 따라서, 배터리 전체적인 충전 효율이 떨어지게 된다.
도 3 (b)를 참조하면, 본 명세서의 제1 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치는 충전부(10)에서 배터리부(20)의 셀 밸런싱을 직접 수행한다. 따라서, 배터리부(20)에서 보다 큰 방전 전류(약 1 ~ 2 A)를 흐르게 할 수 있어 특정 배터리 셀이 충전 임계치에 느리게 도달하도록 할 수 있다. 따라서, 배터리 전체적인 충전 효율이 향상되는 효과가 있다.
제어부(40)는 모니터링부(30)에서의 모니터링 결과를 통해 배터리부(20)의 방전 여부를 판단한다.
또한, 제어부(40)는 상기 판단 결과를 기초로 충전부(10)를 통해 배터리부(20)의 방전을 제어한다. 이 때, 제어부(40)는 충전부(10)로 배터리부(20)의 복수의 배터리 셀 중 방전 대상이 되는 배터리 셀을 알려줄 수 있다.
즉, 제어부(40)는 배터리부(20)의 배터리 셀의 방전 여부를 결정하여 이를 충전부(10)에 전달한다. 이를 통해, 충전부(10)에서는 셀 밸런싱을 하여 배터리부(20)의 배터리 셀이 방전하도록 한다.
이하, 도 2를 참조하여 본 명세서의 제2 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치에 대해 설명한다.
도 2는 본 명세서의 제2 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 명세서의 제2 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치(200)는 충전부(110) 및 모니터링부(130)를 포함한다.
배터리부(120)는 복수의 배터리 셀을 포함한다. 배터리부(120)는 고전압 배터리로, 리튬 이온 전지를 포함한다. 이때, 리튬 이온 전지는 양극에 망간계 재료를, 음극에 비정질계 탄소재료를 각각 이용한 복수의 셀로 구성될 수 있다. 예를 들어 96개의 셀이 직렬로 접속 되어 구성될 수 있다. 리튬 이온 전지의 각각의 셀의 정격 용량은 5.5 Ah(Ampere Hour), 정격 전압은 3.6 V(Volt) 일 수 있다.
모니터링부(130)는 배터리부(120)와 연결되어 배터리부(120)의 충방전 상태를 모니터링한다. 예를 들어, 모니터링부(130)는 배터리부(120)의 복수의 배터리 셀의 전압, 전류, 충전 상태 등과 같은 작동 특성을 모니터링한다.
충전부(110)는 배터리부(120)를 충전한다. 또한, 충전부(110)는 차량 외부에 설치되어 배터리부(120)를 충전 또는 방전하는 경우에만 배터리부(120)와 연결될 수도 있다. 또한, 충전부(110)는 상기 모니터링 결과를 통해 배터리부(120)의 방전 여부를 판단한다. 또한, 충전부(110)는 상기 판단 결과를 기초로 배터리부(120)를 방전시킨다.
이 때, 충전부(110)는 배터리부(120)의 전류를 기 설정된 방전 전류 이상으로 흐르도록 하여 배터리부(120)의 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 셀 밸런스 부를 포함할 수 있다.
상기 셀 밸런스부는 셀 밸런스 컨트롤부와 셀 밸런스 회로를 포함할 수 있다. 상기 셀 밸런스 컨트롤부는 배터리부(120)의 복수의 배터리 셀 중 해당 배터리 셀의 전압을 방전되도록 한다. 이를 위해 상기 셀 밸런스 회로의 연결 상태 등을 변경할 수 있다. 따라서, 충전부(110)는 배터리부(120)의 복수의 배터리 셀간의 전압 밸런싱을 직접 수행한다.
또한, 충전부(110)는 배터리부(120)가 충전 중인 경우 해당 배터리 셀만 방전시키고 나머지 배터리 셀을 충전되도록 할 수 있다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치를 종래 배터리 밸런싱 장치와 비교한 비교도이다.
도 3 (a)를 참조하면, 종래 배터리 밸런싱 장치는 배터리부(120)가 충전 중인 경우에 배터리 밸런싱을 통해 충전 임계치에 가장 근접한 특정 배터리 셀의 방전을 동시에 수행한다. 그러나, 배터리부(120)에서 낮은 방전 전류(약 150 ~ 200 mA)만 흐르게 할 수 있어 특정 배터리 셀이 충전 임계치에 빠르게 도달하여 충전이 중단되게 된다. 따라서, 배터리 전체적인 충전 효율이 떨어지게 된다.
도 3 (b)를 참조하면, 본 명세서의 제2 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치는 충전부(110)에서 배터리부(120)의 셀 밸런싱을 직접 수행한다. 따라서, 배터리부(20)에서 보다 큰 방전 전류(약 1 ~ 2 A)를 흐르게 할 수 있어 특정 배터리 셀이 충전 임계치에 느리게 도달하도록 할 수 있다. 따라서, 배터리 전체적인 충전 효율이 향상되는 효과가 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 밸런싱 장치
10, 110 : 충전부
20, 120 : 배터리부
30, 130 : 모니터링부
40 : 제어부

Claims (8)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하고, 차량의 외부에 구비되어 상기 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 셀 밸런스 부를 포함하는 충전부와 연결되어 충전 또는 방전되는 상기 차량의 배터리부를 밸런싱하는 배터리 밸런싱 장치에 있어서,
    상기 차량의 내부에 배치되고, 상기 배터리부와 연결되어 상기 배터리부의 충방전 상태를 모니터링하는 모니터링부; 및
    상기 차량의 내부에 배치되고, 상기 모니터링 결과를 통해 상기 배터리부의 방전 여부를 판단하고, 상기 판단 결과를 기초로 상기 배터리부의 방전이 이루어지도록 상기 충전부의 상기 셀 밸런스 부를 제어함으로써 상기 배터리부의 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 제어부를 포함하며,
    상기 충전부의 상기 셀 밸런스 부는 상기 제어부의 제어에 따라 상기 배터리부의 전류를 기 설정된 방전 전류 이상으로 흐르도록 하여 상기 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하고,
    상기 제어부는 상기 배터리부의 방전이 이루어지도록 상기 충전부의 상기 셀 밸런스 부를 제어함으로써 상기 배터리부의 특정 배터리 셀의 충전 임계치 도달을 지연시키는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 충전부로 상기 배터리부의 복수의 배터리 셀 중 방전 대상이 되는 배터리 셀을 알려주는 배터리 밸런싱 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리부의 방전이 이루어지도록 상기 충전부의 상기 셀 밸런스 부를 제어함으로써, 상기 충전부는 상기 배터리부가 충전 중인 경우 특정 배터리 셀만 방전시키고 나머지 배터리 셀은 충전시키는 배터리 밸런싱 장치.
  5. 복수의 배터리 셀을 포함하는 차량의 배터리부를 밸런싱하는 배터리 밸런싱 장치에 있어서,
    차량의 내부에 배치되고, 상기 배터리부와 연결되어 상기 배터리부의 충방전 상태를 모니터링하는 모니터링부; 및
    상기 차량의 외부에 배치되고, 상기 배터리부를 충전하고, 상기 모니터링 결과를 통해 상기 배터리부의 방전 여부를 판단하고, 상기 판단 결과를 기초로 상기 배터리부의 방전을 통해 상기 배터리부의 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 충전부를 포함하고,
    상기 충전부는 상기 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 셀 밸런스 부를 포함하며,
    상기 충전부의 상기 셀 밸런스 부는 상기 배터리부의 전류를 기 설정된 방전 전류 이상으로 흐르도록 하여 상기 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하고,
    상기 충전부는 상기 배터리부의 방전이 이루어지도록 제어함으로써 상기 배터리부의 특정 배터리 셀의 충전 임계치 도달을 지연시키는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 충전부는 상기 모니터링 결과를 통해 상기 배터리부의 복수의 배터리 셀 중 방전 대상이 되는 배터리 셀을 판단하는 배터리 밸런싱 장치.
  7. 삭제
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 충전부는 상기 배터리부가 충전 중인 경우 특정 배터리 셀만 방전시키고 나머지 배터리 셀은 충전시키는 배터리 밸런싱 장치.
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