KR101829704B1 - 스위칭 주파수의 가변을 통해 고속의 능동 밸런싱을 진행하는 능동 배터리 셀 밸런싱 방법 및 이를 이용한 능동 배터리 셀 밸런싱 장치 - Google Patents

스위칭 주파수의 가변을 통해 고속의 능동 밸런싱을 진행하는 능동 배터리 셀 밸런싱 방법 및 이를 이용한 능동 배터리 셀 밸런싱 장치 Download PDF

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윤재중
이상원
최윤걸
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Abstract

스위칭 모드 타입(Switching Mode Power Supply, SMPS)의 밸런싱 변압부를 이용하여, 높은 에너지를 갖는 배터리 셀의 에너지를 낮은 에너지를 갖는 배터리 셀로 전달하는 능동 배터리 셀 밸런싱 방법은, 복수의 배터리 셀로 구성되는 배터리 팩에 현재 충방전되고 있는 최대충전전류(Ich,peak)를 실시간으로 센싱하는 단계; 상기 배터리 팩에 허용될 수 있는 최대충전 허용전류(ICCL)와, 실시간으로 센싱된 상기 최대충전전류(Ich,peak)의 차이에 해당하는 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 생성하기 위한 스위칭 주파수(fs)를 실시간으로 산출하는 단계; 및 상기 스위칭 주파수(fs)에 해당하는 상기 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 통해 배터리 셀 사이에 에너지를 교환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스위칭 주파수의 가변을 통해 고속의 능동 밸런싱을 진행하는 능동 배터리 셀 밸런싱 방법 및 이를 이용한 능동 배터리 셀 밸런싱 장치{High speed Active Battery Cell balancing method through a variable switching frequency and device using the same}
본 발명은 배터리 셀 밸런싱 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고속으로 능동 밸런싱이 진행될 수 있는 능동 배터리 셀 밸런싱 방법 및 이를 이용한 능동 배터리 셀 밸런싱 장치에 관한 것이다.
일반적으로 2차 배터리가 사용되는, 전기자동차 혹은 에너지 저장 시스템(Energy Storage System)은 높은 전압이 필요로 한다.
따라서 원하는 용량과 전압을 구성하기 위해, 복수의 배터리 셀을 직렬 및 병렬로 연결하여 배터리팩을 구성한다. 이 때, 각 배터리 셀은 공정 편차에 의해 성능의 차이가 발생할 수 있으므로, 전압의 불균형이 발생할 수 있다.
일반적으로 배터리 셀의 양단 전압이 일정 수치(상한 전압)를 넘을 경우 폭발 위험이 있고, 일정 수치(하한 전압) 이하로 떨어질 경우 배터리 셀에 영구적인 손상이 가해질 수 있다. 따라서 이와 같은 손상을 방지하기 위해 과전압 저전압 보호 회로를 장착한다.
전압 불균형이 발생할 하는 경우를 살펴보면, 충전시에 하나의 배터리 셀이 상한 전압에 먼저 도달할 경우 전체 배터리 팩을 더 이상 충전할 수 없게 되므로 다른 배터리 셀들이 충분히 충전되지 못한 상태에서 충전을 마쳐야 한다. 이는 배터리 팩의 충전량을 감소시키게 된다.
또한, 방전 시에는 하나의 배터리 셀이 하한 전압에 도달하게 되면 전체 배터리 팩을 더 이상 사용할 수 없게 된다. 즉, 하한 전압에 도달하지 않은 다른 배터리 셀들까지 사용할 수 없게 되므로, 배터리 팩의 사용 가능시간이 감소한다.
따라서 충전 그리고 방전 시에 높은 에너지를 갖는 배터리 셀의 에너지를 낮은 에너지를 갖는 배터리 셀로 공급해주는 과정을 통해 배터리 팩의 사용시간을 향상 시킬 수 있는데, 이를 배터리 셀 밸런싱 이라고 정의한다.
도 1은 종래의 병렬 저항을 이용한 수동(Passive) 밸런싱 회로를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 충전 시에 상한 전압에 도달한 배터리 셀(CELL)들이 저항을 통해 전류를 방출하도록 스위치의 연결을 조절하면서, 배터리 셀 밸런싱 동작을 진행한다.
도 1의 수동 밸런싱은, 배터리 셀이 상한 전압에 도달하지 않도록 스위치의 턴온(TURN ON)/턴오프(TURN OFF)를 제어하므로, 배터리 셀의 파괴는 막을 수 있지만, 에너지를 저항을 통해 소모하게 되므로 효율이 매우 낮다. 또한, 배터리팩 사용 중에 전압이 낮은 전지로 에너지를 공급하는 기능을 진행할 수는 없다.
도 2는 종래의 커패시터를 이용하여 밸런싱을 수행하는 능동(Active) 밸런싱 회로를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 능동(Active) 밸런싱 회로는 커패시터를 이용하여 에너지가 높은 배터리 셀에서 에너지가 낮은 배터리 셀로 에너지를 전달되면서 배터리 셀 간에 밸런싱 동작을 진행한다.
종래의 능동(Active) 밸런싱 회로는 커패시터와 배터리 셀 간의 하드 스위칭이 발생하여 효율이 낮은 문제점이 있다. 또한 이 구조의 경우 전압이 낮은 배터리 셀에서 전압이 높은 배터리 셀로의 밸런싱이 불가능하다.
따라서 배터리 팩 내에서 사용되는 복수의 셀들의 용량이 다른 상황이 발생할 경우에는 배터리 셀 밸런싱 동작을 진행할 수 없다. 즉, 상대적으로 더 큰 용량을 가지면서 전압이 낮은 배터리 셀의 경우, 상대적으로 더 작은 용량을 가지지만 전압이 높은 배터리 셀로 에너지를 전달할 수 없다.
도 3은 스위칭 모드 전원 공급기(Switching Mode Power Supply, SMPS) 중 하나인 플라이백(fly back) 구조를 이용한 능동(Active) 밸런싱 회로를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 각각의 배터리 셀(CELL)에 에너지 전달이 가능하여, 전체 배터리팩 상에 에너지 교환이 가능하도록 구성되어 있다.
스위칭 모드 전원 공급기(Switching Mode Power Supply, SMPS)의 형태를 가지므로 효율이 좋은 장점이 있고, 원하는 배터리 셀 간에 에너지 전달이 자유로운 장점이 있다.
이와 같이 도 3의 SMPS 타입의 능동(Active) 밸런싱 회로의 경우, 목적에 따라 여러 가지 응용 구조를 활용하여 원하는 동작을 수행 할 수 있기 때문에, 능동 밸런싱 분야에 가장 많이 사용되는 구조이다.
이와 같이, 종래 능동 밸런싱 회로에 적용되는 밸런싱 기술에서는 많은 전하량이 충전된 배터리 셀로부터 에너지를 회수한 후, 가장 적은 전하량이 충전된 배터리 셀에 공급하는 동작을 반복적으로 수행하도록 동작한다.
이 과정에서 전달되는 에너지가 작은 경우, 모든 배터리 셀에 대해 밸런싱을 완료하는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 밸런싱 시간이 많이 소요되어 빠른 시간 내에 배터리 셀들의 에너지를 균일화 하지 못해 배터리팩 전체의 성능이 떨어질 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 스위칭 주파수의 가변을 통해 고속으로 능동 밸런싱이 진행될 수 있는 능동 배터리 셀 밸런싱 방법 및 이를 이용한 능동 배터리 셀 밸런싱 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스위칭 모드 타입(Switching Mode Power Supply, SMPS)의 밸런싱 변압부를 이용하여, 높은 에너지를 갖는 배터리 셀의 에너지를 낮은 에너지를 갖는 배터리 셀로 전달하는 능동 배터리 셀 밸런싱 방법에 있어서, 복수의 배터리 셀로 구성되는 배터리 팩에 현재 충방전되고 있는 최대충전전류(Ich,peak)를 실시간으로 센싱하는 단계; 상기 배터리 팩에 허용될 수 있는 최대충전 허용전류(ICCL)와, 실시간으로 센싱된 상기 최대충전전류(Ich,peak)의 차이에 해당하는 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 생성하기 위한 스위칭 주파수(fs)를 실시간으로 산출하는 단계; 및 상기 스위칭 주파수(fs)에 해당하는 상기 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 통해 배터리 셀 사이에 에너지를 교환하는 단계;를 포함하는 능동 배터리 셀 밸런싱 방법이 제공된다.
또한, 상기 최대충전 허용전류(ICCL)와, 상기 최대충전전류(Ich,peak)의 차이에 해당하는 상기 최대밸런싱전류(Ibal,peak)는,
<수학식 1>
Figure 112017076726505-pat00039
로 정의 되고,
상기 최대밸런싱전류(Ibal,peak)는
<수학식 2>
Figure 112016094561769-pat00002
,
Figure 112016094561769-pat00003
로 정의되고,
상기 스위칭 주파수(fs)와, 배터리 셀 사이에 교환되는 에너지인 밸런싱전력(Pbal)은,
<수학식 3>
Figure 112016094561769-pat00004
<수학식 4>
Figure 112017076726505-pat00040
<수학식 5>
Figure 112017076726505-pat00041
D : 듀티, Ts : 주기
Ibal,avg : 평균밸런싱전류
VCELL : 스트롱 배터리 셀 전압(높은 에너지를 갖는 배터리 셀의 전압)
LM : 스트롱 배터리 셀에 해당하는 밸런싱 변압부의 입력 인덕턴스
로 정의 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수의 배터리 셀로 구성되는 배터리 팩; 상기 복수의 배터리 셀 중 높은 에너지를 갖는 배터리 셀의 에너지를 낮은 에너지를 갖는 배터리 셀로 전달하며, 스위칭 주파수(fs)에 대응하는 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 공급할 수 있도록 구성되는 스위칭 모드 타입(Switching Mode Power Supply, SMPS)의 밸런싱 변압부; 상기 배터리 팩에 현재 충방전되고 있는 최대충전전류(Ich,peak)를 실시간으로 센싱하는 충전전류 센싱부; 및 상기 배터리 팩에 허용될 수 있는 최대충전 허용전류(ICCL)와, 실시간으로 센싱된 상기 최대충전전류(Ich,peak)의 차이에 해당하는 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 생성하기 위한 스위칭 주파수(fs)를 실시간으로 산출하고, 상기 밸런싱 변압부에 상기 스위칭 주파수(fs)를 실시간으로 전달하는 능동 밸런싱 제어부;를 포함하는 능동 배터리 셀 밸런싱 장치가 제공된다.
또한, 상기 최대충전 허용전류(ICCL)와, 상기 최대충전전류(Ich,peak)의 차이에 해당하는 상기 최대밸런싱전류(Ibal,peak)는,
<수학식 1>
Figure 112017076726505-pat00042
로 정의 되고,
상기 최대밸런싱전류(Ibal,peak)는
<수학식 2>
Figure 112016094561769-pat00008
,
Figure 112016094561769-pat00009
로 정의되고,
상기 스위칭 주파수(fs)와, 배터리 셀 사이에 교환되는 에너지인 밸런싱전력(Pbal)은,
<수학식 3>
Figure 112016094561769-pat00010
<수학식 4>
Figure 112017076726505-pat00043
<수학식 5>
Figure 112017076726505-pat00044
D : 듀티, Ts : 주기
Ibal,avg : 평균밸런싱전류
VCELL : 스트롱 배터리 셀 전압(높은 에너지를 갖는 배터리 셀의 전압)
LM : 스트롱 배터리 셀에 해당하는 밸런싱 변압부의 입력 인덕턴스
로 정의 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른, 능동 배터리 셀 밸런싱 방법 및 이를 이용한 능동 배터리 셀 밸런싱 장치는,
배터리 팩에 허용될 수 있는 최대충전 허용전류(ICCL)와, 실시간으로 센싱된 최대충전전류(Ich,peak)의 차이에 해당하는 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 생성하기 위한 스위칭 주파수(fs)를 실시간으로 산출하여, 스위칭 주파수(fs)를 변경시킴으로써 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 조절한다.
즉, 실시간으로 센싱된 최대충전전류(Ich,peak)가 작아질수록, 상대적으로 최대밸런싱전류(Ibal,peak)의 공급을 증가시킬 수 있다.
따라서 실시간으로 센싱된 최대충전전류(Ich,peak) 및 스펙상의 최대충전 허용전류(ICCL)를 고려하여 스위칭 주파수(fs)를 실시간으로 변경하고, 스위칭 주파수(fs)에 따라 변경되는 최대밸런싱전류(Ibal,peak) 및 밸런싱전력(Pbal)을 통해 배터리 셀 사이의 밸런싱 동작이 빠르게 진행될 수 있다.
도 1은 종래의 병렬 저항을 이용한 수동(Passive) 밸런싱 회로를 나타낸 도면
도 2는 종래의 커패시터를 이용하여 밸런싱을 수행하는 능동(Active) 밸런싱 회로를 나타낸 도면
도 3은 스위칭 모드 전원 공급기(Switching Mode Power Supply, SMPS) 중 하나인 플라이백(fly back) 구조를 이용한 능동(Active) 밸런싱 회로를 나타내는 도면
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 능동 배터리 셀 밸런싱 장치(1)의 구성도
도 5는 배터리 팩 충전시의 전류 상태를 나타낸 제1 전류 상태도
도 6은 배터리 팩 충전시의 전류 상태를 나타낸 제2 전류 상태도
도 7은 배터리 팩 충전시의 전류 상태를 나타낸 제3 전류 상태도
도 8은 도 4의 능동 배터리 셀 밸런싱 장치(1)에 의한 배터리 팩 충전시의 전류 상태를 나타낸 제4 전류 상태도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명은 배터리 셀의 밸런싱 기술에 관한 것으로, 에너지 소자인 인덕터를 활용한 스위칭 모드 타입(Switching Mode Power Supply, SMPS)의 밸런싱 변압부를 포함하여 구성되는 능동 배터리 셀 밸런싱 장치(1)를 제안한다. 능동 배터리 셀 밸런싱 장치(1)는 충전 전하가 균일하지 않은 복수의 배터리 셀(B1-BM)에 대해 더 빠른 속도로 밸런싱 동작을 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 능동 배터리 셀 밸런싱 장치(1)의 구성도이다.
본 실시예에 따른 능동 배터리 셀 밸런싱 장치(1)는 제안하고자 하는 기술적인 사상을 명확하게 설명하기 위한 간략한 구성만을 포함하고 있다.
도 4를 참조하면, 능동 배터리 셀 밸런싱 장치(1)는 배터리 팩(100)과, 밸런싱 변압부(200)와, 충전전류 센싱부(300)와, 능동 밸런싱 제어부(400)와, 메인 충전전원 공급부(500)를 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성되는 능동 배터리 셀 밸런싱 장치(1)의 세부구성과 주요동작을 살펴보면 다음과 같다.
배터리 팩(100)은 복수의 배터리 셀(B1-BM)을 포함하여 구성된다. 복수의 배터리 셀(B1-BM)은 직렬, 병렬, 직병렬 형태로 결합될 수 있는데, 본 실시예에서는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀(B1-BM)을 포함하는 배터리 팩(100)을 기준으로 설명하기로 한다.
메인 충전전원 공급부(500)는 배터리 팩(100)으로 충전전류를 공급한다.
충전전원 공급부(500)가 배터리 팩(100)으로 공급하는 충전전류, 즉 최대충전전류(Ich,peak)는 복수의 배터리 셀(B1-BM)의 충전상태에 따라 조절된다.
예를 들면, 복수의 배터리 셀(B1-BM)의 충전전압이 특정전압에 도달하기 전까지 최대충전전류(Ich,peak)는 점차 증가하다가, 특정전압에 도달한 이후에는 최대충전전류(Ich,peak)가 점차 감소할 수 있다.
밸런싱 변압부(200)는 스위칭 모드 타입(Switching Mode Power Supply, SMPS)으로 구성될 수 있다. 본 실시예에서는 플라이백(fly back) 구조의 스위칭 모드 타입(Switching Mode Power Supply, SMPS)의 회로로 구성된다.
밸런싱 변압부(200)는 복수의 배터리 셀(B1-BM) 중 높은 에너지를 갖는 배터리 셀의 에너지를 낮은 에너지를 갖는 배터리 셀로 전달하며, 스위칭 주파수(fs)에 대응하는 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 공급할 수 있도록 구성된다.
밸런싱 변압부(200)는 스위칭 모드 타입(Switching Mode Power Supply, SMPS)의 밸런싱 변압부, 즉 SMPS 타입의 인덕터를 활용하여 스위칭 동작을 수행하는 회로로 정의될 수 있다.
예를 들면, 밸런싱 변압부(200)는 복수의 배터리 셀(B1-BM)의 밸런싱을 위해 전력을 입출력한다. 밸런싱 변압부(200)는 권선비를 기초로 내부측 연결단과 외부측 연결단에 인가된 전력을 교환하며, 적어도 하나 이상의 변압기를 포함하여 구성될 수 있다.
일반적으로 변압기의 내부측 연결단은 배터리 셀의 내부에 연결된다. 변압기의 외부측 연결단은 다른 배터리 셀의 외부측 연결단과 병렬로 연결된다.
즉, 변압기의 외부측 연결단이 다른 변압기의 외부측 연결단과 병렬로 연결되어 있으므로, 어느 배터리 셀이 변압기를 통해 출력한 전력은 다른 배터리 셀의 변압기 외부측 연결단에 인가된다. 밸런싱 전력이 필요한 배터리 셀은 다른 배터리 셀 모듈의 변압기를 통해 출력한 전력을 공급받아 자신의 배터리 셀을 충전할 수 있다.
참고적으로, 밸런싱 변압부(200)는 복수의 변압기로 구성될 수 있는데, 각 변압기가 복수의 배터리 셀(B1-BM)과 연결되는 다양한 방식의 설명은 생략하기로 한다. 본 발명에서 제안하고 있는 능동 배터리 셀 밸런싱 방법은 스위칭 주파수(fs)를 변경시킬 수 있는 스위칭 모드 타입(Switching Mode Power Supply, SMPS)의 변압기에 모두 적용할 수 있다. 밸런싱 변압부(200)는 스위칭 주파수(fs)가 변경될 때 듀티비(duty ratio)를 일정하게 유지하기 위해 기준전압(Vref)까지 변경하도록 동작한다.
충전전류 센싱부(300)는 배터리 팩(100)에 현재 충방전되고 있는 최대충전전류(Ich,peak)를 실시간으로 센싱한다.
능동 밸런싱 제어부(400)는 최대충전전류(Ich,peak)의 센싱을 바탕으로 그에 해당하는 스위칭 주파수(fs)로 밸런싱 변압부(200)의 스위칭 동작을 실시간으로 조절하도록 제어하여, 밸런싱 전력을 조절하는 역할을 하며 결과적으로 밸런싱 스피드를 향상시키는 역할을 한다.
즉, 능동 밸런싱 제어부(400)는 스위칭 주파수(fs)를 변경하는 가변 주파수 콘트롤을 통해 밸런싱 스피드를 향상시킨다.
또한, 능동 밸런싱 제어부(400)는 배터리 팩(100)에 허용될 수 있는 최대충전 허용전류(ICCL)와, 실시간으로 센싱된 최대충전전류(Ich,peak)의 차이에 해당하는 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 생성하기 위한 스위칭 주파수(fs)를 실시간으로 산출하고, 밸런싱 변압부(200)에 산출된 스위칭 주파수(fs)를 실시간으로 전달한다.
따라서 밸런싱 변압부(200)는 스위칭 주파수(fs)에 대응하는 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 공급할 수 있도록 동작하면서, 복수의 배터리 셀(B1-BM) 중 높은 에너지를 갖는 배터리 셀의 에너지를 낮은 에너지를 갖는 배터리 셀로 전달한다.
참고적으로, 최대밸런싱전류(Ibal,peak)는 스위칭 주파수(fs)에 의해 조절된다. 즉, 능동 밸런싱 제어부(400)는 배터리 팩(100)에 허용될 수 있는 스펙 상의 최대충전 허용전류(ICCL)와, 실시간으로 센싱된 최대충전전류(Ich,peak)의 차이에 해당하는 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 생성하기 위한 스위칭 주파수(fs)를 실시간으로 산출하여, 스위칭 주파수(fs)를 변경시킴으로써 공급 가능한 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 조절한다.
즉, 실시간으로 센싱된 최대충전전류(Ich,peak)가 작아질수록, 상대적으로 최대밸런싱전류(Ibal,peak)의 공급을 증가시킬 수 있다. 따라서 실시간으로 센싱된 최대충전전류(Ich,peak) 및 최대충전 허용전류(ICCL)를 고려하여 스위칭 주파수(fs)를 실시간으로 변경하고, 스위칭 주파수(fs)에 따라 변경되는 최대밸런싱전류(Ibal,peak) 및 밸런싱전력(Pbal)을 통해 배터리 셀 사이의 밸런싱 동작을 빠르게 진행할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 능동 배터리 셀 밸런싱 장치(1)에 의해서 밸런싱 동작이 빠르게 진행되는 과정을 수학식과 함께 설명하면 다음과 같다.
능동 배터리 셀 밸런싱 장치(1)는 안전한 사용을 위하여 과전압/전류, 저전압/전류 등을 고려하여 시스템을 설계한다. 특히 밸런싱을 할 경우, 배터리 팩(100) 전체에 충/방전 되는 전류 - 최대충전전류(Ich,peak) - 외에 밸런싱 전류 - 최대밸런싱전류(Ibal,peak) - 를 포함하여 시스템을 설계해야한다. 따라서 일반적으로 최대 충전/방전 전류 - 최대충전전류(Ich,peak) - 와, 밸런싱 전류 피크 값 - 최대밸런싱전류(Ibal,peak) - 의 합이 최대 전류치 - 최대충전 허용전류(ICCL) - 를 넘치 않도록 시스템을 설계해야한다.
도 5는 배터리 팩 충전시의 전류 상태를 나타낸 제1 전류 상태도이다.
도 5를 참조하면, 공급 가능한 최대충전전류(Ich,peak)로 충전을 하면서 밸런싱을 하는 경우 배터리 팩(100)의 전류 상태를 나타낸다.
여기에서, 최대충전 허용전류(ICCL)는 배터리 팩(100)의 허용스펙으로 정의되며,
최대충전전류(Ich,peak)는 메인 충전전원 공급부(500)에서 배터리 팩(100)으로 들어가는 최대 전류이고,
스트롱 전류(istrong)는 에너지가 높은 배터리 셀에서 에너지가 낮은 배터리 셀로 들어가는 전류이고, 위크 전류(iweak)는 에너지가 낮은 배터리 셀에 전달되어 에너지가 높은 배터리 셀로 들어오는 전류로 정의된다.
스위칭 모드 타입(Switching Mode Power Supply, SMPS)의 밸런싱 변압부(200)를 포함하는 능동 배터리 셀 밸런싱 장치(1)는,
도 5와 같이 배터리 팩(100)의 최대 스펙 - 최대충전 허용전류(ICCL) - 을 고려하여 배터리 팩(100)의 최대충전 허용전류(ICCL)를 넘어가지 않는 범위 내에서 밸런싱 변압부(200)의 스위칭 주파수(fs)를 설정한다.
도 6은 배터리 팩 충전시의 전류 상태를 나타낸 제2 전류 상태도이다.
도 6을 참조하면, 메인 충전전원 공급부(500)에서 배터리 팩(100)으로 공급되는 전류가 최대충전전류(Ich,peak)의 최대값이 아니거나, 혹은 0과 같은 상황일 경우, 더 큰 에너지의 최대밸런싱전류(Ibal,peak) 및 밸런싱전력(Pbal)을 가지고 밸런싱 동작을 수행할 수 있는 여지가 있음을 알 수 있다.
도 7은 배터리 팩 충전시의 전류 상태를 나타낸 제3 전류 상태도이고, 도 8은 도 4의 능동 배터리 셀 밸런싱 장치(1)에 의한 배터리 팩 충전시의 전류 상태를 나타낸 제4 전류 상태도이다.
도 7 및 도 8을 동시에 참조하면, 실시간으로 최대충전전류(Ich,peak)를 감지하는 과정을 바탕으로 능동 밸런싱 제어부(400)가 스위칭 주파수(fs)를 연산하여 반영 한다면, 최대밸런싱전류(Ibal,peak) 및 밸런싱전력(Pbal)을 높여 밸런싱 속도를 빠르게 할 수 있을 것이다. 스위칭 주파수(fs)를 산출하는 수학식은 아래와 같다.
<수학식 1>
Figure 112017076726505-pat00045
능동 배터리 셀 밸런싱 장치(1)는, 수학식 1을 만족시켜야 한다.
즉, 최대밸런싱전류(Ibal,peak) + 최대충전전류(Ich,peak) < 최대충전 허용전류(ICCL) 를 만족해야 하며, 최대충전 허용전류(ICCL)와, 최대충전전류(Ich,peak)의 차이에 해당하는 최대밸런싱전류(Ibal,peak)는 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
여기에서, 최대밸런싱전류(Ibal,peak)는 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
<수학식 2>
Figure 112016094561769-pat00014
,
Figure 112016094561769-pat00015
D : 듀티, Ts : 주기
Ibal,avg : 평균밸런싱전류
VCELL : 스트롱 배터리 셀 전압(높은 에너지를 갖는 배터리 셀의 전압)
LM : 스트롱 배터리 셀에 해당하는 밸런싱 변압부의 입력 인덕턴스
여기에서, 배터리 셀 사이에 교환되는 에너지인 밸런싱전력(Pbal)은, 수학식 3으로 정의된다.
<수학식 3>
Figure 112016094561769-pat00016
따라서 수학식 1 내지 3을 고려할 경우, 밸런싱 변압부(200)의 스위칭 주파수(fs)는 수학식 4와 같이 정의되며,
<수학식 4>
Figure 112017076726505-pat00046
수학식 4와 같이, 스위칭 주파수(fs)를 변경할 경우, 수학식 5와 같이 더 높은 밸런싱전력(Pbal)을 통해서 배터리 셀 사이의 밸런싱 속도를 증가시킬 수 있다.
<수학식 5>
Figure 112017076726505-pat00047
상술한 바와 같이, 스위칭 모드 타입(Switching Mode Power Supply, SMPS)의 밸런싱 변압부(200)를 이용하여, 높은 에너지를 갖는 배터리 셀의 에너지를 낮은 에너지를 갖는 배터리 셀로 전달하는 능동 배터리 셀 밸런싱 방법은,
복수의 배터리 셀(B1-BM)로 구성되는 배터리 팩(100)에 현재 충방전되고 있는 최대충전전류(Ich,peak)를 실시간으로 센싱하는 단계와,
배터리 팩(100)에 허용될 수 있는 최대충전 허용전류(ICCL)와, 실시간으로 센싱된 최대충전전류(Ich,peak)의 차이에 해당하는 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 생성하기 위한 스위칭 주파수(fs)를 실시간으로 산출하는 단계와,
스위칭 주파수(fs)에 해당하는 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 통해 배터리 셀 사이에 에너지를 교환하는 단계를 포함하여 진행될 수 있다.
상술한 바와 같이, SMPS를 이용한 배터리 셀 밸런싱 회로에서 배터리 팩의 스펙(최대 충전 전류, 최대 방전 전류) - 최대충전 허용전류(ICCL) - 을 고려하여 배터리 셀들 간에 전달될 수 있는 최대 전력을 계산한다. 그 후, SMPS의 주파수 - 스위칭 주파수(fs) - 를 변동시킴으로써 최대전력을 전달할 수 있는 밸런싱 동작을 가능케 하여 밸런싱 속도가 향상될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 밸런싱 방법은, (a) 배터리팩에 실시간으로 충전 방전되는 전류를 센싱하는 단계; (b) 이를 바탕으로 배터리 셀의 최대 충전 전류, 최대 방전 전류를 고려하여 최대 밸런싱 전류와 전력을 구하는 단계; (c) 최대 밸런싱 전력과 전류를 기반으로 SMPS의 스위칭 주파수를 변화시키는 단계; (a)~(c)과정을 계속적으로 수행하는 단계를 포함한다.
SMPS를 이용한 배터리 셀 밸런싱 회로에서 밸런싱 동작을 수행할 때, 배터리 팩의 스펙과 밸런싱 전력을 고려하여 SMPS의 스위칭 주파수를 구한 후 이를 이용하여 밸런싱 동작을 수행함으로써, 밸런싱 속도를 향상시키는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른, 능동 배터리 셀 밸런싱 방법 및 이를 이용한 능동 배터리 셀 밸런싱 장치는,
배터리 팩에 허용될 수 있는 최대충전 허용전류(ICCL)와, 실시간으로 센싱된 최대충전전류(Ich,peak)의 차이에 해당하는 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 생성하기 위한 스위칭 주파수(fs)를 실시간으로 산출하여, 스위칭 주파수(fs)를 변경시킴으로써 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 조절한다.
즉, 실시간으로 센싱된 최대충전전류(Ich,peak)가 작아질수록, 상대적으로 최대밸런싱전류(Ibal,peak)의 공급을 증가시킬 수 있다.
따라서 실시간으로 센싱된 최대충전전류(Ich,peak) 및 스펙상의 최대충전 허용전류(ICCL)를 고려하여 스위칭 주파수(fs)를 실시간으로 변경하고, 스위칭 주파수(fs)에 따라 변경되는 최대밸런싱전류(Ibal,peak) 및 밸런싱전력(Pbal)을 통해 배터리 셀 사이의 밸런싱 동작이 빠르게 진행될 수 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 배터리 팩
200 : 밸런싱 변압부
300 : 충전전류 센싱부
400 : 능동 밸런싱 제어부
500 : 메인 충전전원 공급부

Claims (4)

  1. 스위칭 모드 타입(Switching Mode Power Supply, SMPS)의 밸런싱 변압부를 이용하여, 높은 에너지를 갖는 배터리 셀의 에너지를 낮은 에너지를 갖는 배터리 셀로 전달하는 능동 배터리 셀 밸런싱 방법에 있어서,
    복수의 배터리 셀로 구성되는 배터리 팩에 현재 충방전되고 있는 최대충전전류(Ich,peak)를 실시간으로 센싱하는 단계;
    상기 배터리 팩에 허용될 수 있는 최대충전 허용전류(ICCL)와, 실시간으로 센싱된 상기 최대충전전류(Ich,peak)의 차이에 해당하는 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 생성하기 위한 스위칭 주파수(fs)를 실시간으로 산출하는 단계; 및
    상기 스위칭 주파수(fs)에 해당하는 상기 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 통해 배터리 셀 사이에 에너지를 교환하는 단계;를 포함하고,
    상기 최대충전 허용전류(ICCL)와, 상기 최대충전전류(Ich,peak)의 차이에 해당하는 상기 최대밸런싱전류(Ibal,peak)는,
    <수학식 1>
    Figure 112017076726505-pat00048
    로 정의 되고,

    상기 최대밸런싱전류(Ibal,peak)는
    <수학식 2>
    Figure 112017076726505-pat00020
    ,
    Figure 112017076726505-pat00021
    로 정의되고,
    상기 스위칭 주파수(fs)와, 배터리 셀 사이에 교환되는 에너지인 밸런싱전력(Pbal)은,
    <수학식 3>
    Figure 112017076726505-pat00022

    <수학식 4>
    Figure 112017076726505-pat00049

    <수학식 5>
    Figure 112017076726505-pat00050

    D : 듀티, Ts : 주기
    Ibal,avg : 평균밸런싱전류
    VCELL : 스트롱 배터리 셀 전압(높은 에너지를 갖는 배터리 셀의 전압)
    LM : 스트롱 배터리 셀에 해당하는 밸런싱 변압부의 입력 인덕턴스
    로 정의 되는 것을 특징으로 하는 능동 배터리 셀 밸런싱 방법.
  2. 삭제
  3. 복수의 배터리 셀로 구성되는 배터리 팩;
    상기 복수의 배터리 셀 중 높은 에너지를 갖는 배터리 셀의 에너지를 낮은 에너지를 갖는 배터리 셀로 전달하며, 스위칭 주파수(fs)에 대응하는 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 공급할 수 있도록 구성되는 스위칭 모드 타입(Switching Mode Power Supply, SMPS)의 밸런싱 변압부;
    상기 배터리 팩에 현재 충방전되고 있는 최대충전전류(Ich,peak)를 실시간으로 센싱하는 충전전류 센싱부; 및
    상기 배터리 팩에 허용될 수 있는 최대충전 허용전류(ICCL)와, 실시간으로 센싱된 상기 최대충전전류(Ich,peak)의 차이에 해당하는 최대밸런싱전류(Ibal,peak)를 생성하기 위한 스위칭 주파수(fs)를 실시간으로 산출하고, 상기 밸런싱 변압부에 상기 스위칭 주파수(fs)를 실시간으로 전달하는 능동 밸런싱 제어부;를 포함하고,
    상기 최대충전 허용전류(ICCL)와, 상기 최대충전전류(Ich,peak)의 차이에 해당하는 상기 최대밸런싱전류(Ibal,peak)는,
    <수학식 1>
    Figure 112017076726505-pat00051
    로 정의 되고,

    상기 최대밸런싱전류(Ibal,peak)는
    <수학식 2>
    Figure 112017076726505-pat00026
    ,
    Figure 112017076726505-pat00027
    로 정의되고,
    상기 스위칭 주파수(fs)와, 배터리 셀 사이에 교환되는 에너지인 밸런싱전력(Pbal)은,
    <수학식 3>
    Figure 112017076726505-pat00028

    <수학식 4>
    Figure 112017076726505-pat00052

    <수학식 5>
    Figure 112017076726505-pat00053

    D : 듀티, Ts : 주기
    Ibal,avg : 평균밸런싱전류
    VCELL : 스트롱 배터리 셀 전압(높은 에너지를 갖는 배터리 셀의 전압)
    LM : 스트롱 배터리 셀에 해당하는 밸런싱 변압부의 입력 인덕턴스
    로 정의 되는 것을 특징으로 하는 능동 배터리 셀 밸런싱 장치.
  4. 삭제
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