KR101856037B1 - 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법 - Google Patents

단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101856037B1
KR101856037B1 KR1020170015095A KR20170015095A KR101856037B1 KR 101856037 B1 KR101856037 B1 KR 101856037B1 KR 1020170015095 A KR1020170015095 A KR 1020170015095A KR 20170015095 A KR20170015095 A KR 20170015095A KR 101856037 B1 KR101856037 B1 KR 101856037B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
balancing
battery
cell
charge
charge amount
Prior art date
Application number
KR1020170015095A
Other languages
English (en)
Inventor
강봉구
이상원
이경민
최윤걸
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
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 포항공과대학교 산학협력단 filed Critical 포항공과대학교 산학협력단
Priority to KR1020170015095A priority Critical patent/KR101856037B1/ko
Priority to US15/886,102 priority patent/US20180226808A1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101856037B1 publication Critical patent/KR101856037B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0019—Circuits for equalisation of charge between batteries using switched or multiplexed charge circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/0048—Detection of remaining charge capacity or state of charge [SOC]
    • 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
    • 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
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명은, 본 발명은 단일 인턱터를 이용하여 배터리 모듈을 밸런싱하는 기술에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 배터리셀들을 모듈화 한 각각의 배터리 모듈 내에서 단일 인턱터를 이용하여 복수 개의 배터리 셀을 대상으로 밸런싱함과 아울러 단일 인덕터를 이용하여 복수 개의 배터리 모듈들을 대상으로 밸런싱하여 밸런싱 횟수를 줄이고 밸런싱 전력을 높여 밸런싱 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법{METHOD FOR BALANCING BATTERY MODULE USING SINGLE INDUCTOR}
본 발명은 단일 인턱터를 이용하여 배터리 모듈을 밸런싱하는 기술에 관한 것으로, 특히 배터리셀들을 모듈화 한 각각의 배터리 모듈 내에서 단일 인턱터를 이용하여 복수 개의 배터리 셀들을 대상으로 밸런싱함과 아울러 단일 인덕터를 이용하여 복수 개의 배터리 모듈들을 대상으로 밸런싱하여 밸런싱 횟수를 줄이고 밸런싱 전력을 높여 밸런싱 효율을 향상시킬 수 있도록 한 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전지(배터리셀)의 양단 전압이 일정 수치를 넘을 경우 폭발의 위험이 있고, 일정 수치 이하로 떨어질 경우에는 배터리셀에 영구적인 손상이 가해지게 된다. 하이브리드 전기자동차나 노트북 컴퓨터 등은 비교적 대용량의 전원공급이 요구되므로 배터리셀을 이용하여 전원을 공급하고자 하는 경우, 배터리셀을 직렬로 연결한 배터리 모듈을 사용하게 된다. 그런데, 이와 같은 경우 각 배터리셀의 성능 편차에 의하여 전압의 불균형이 발생될 수 있다.
예를 들어, 배터리 모듈 충전시 상기 배터리 모듈 내에서 하나의 배터리셀이 다른 배터리셀들에 비하여 먼저 상한 전압에 도달할 경우 더 이상 배터리 모듈을 충전할 수 없게 되므로 다른 배터리셀들이 충분히 충전되지 않은 상태에서 충전을 종료하여야 한다. 이와 같은 경우 배터리 모듈의 충전용량이 정격 충전용량에 미치지 못하게 된다.
한편, 배터리 모듈 방전 시에는 상기 배터리 모듈 내에서 하나의 배터리셀이 다른 배터리셀들에 비하여 먼저 하한 전압에 도달할 경우 더 이상 배터리 모듈을 사용할 수 없게 되므로 그만큼 배터리 모듈의 사용시간이 단축된다.
상기와 같이 배터리셀의 충전 또는 방전 시 보다 높은 전기 에너지를 갖는 배터리셀의 전기 에너지를 보다 낮은 전기 에너지를 갖는 배터리셀로 공급해 줌으로써 배터리 모듈의 사용시간을 향상시킬 수 있는데, 이와 같은 동작을 배터리셀 밸런싱이라고 부른다.
도 1은 종래 기술에 의한 병렬저항을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4)을 구비하는 배터리 모듈(11)과, 직렬연결된 저항(R11-R14) 및, 상기 배터리셀(CELL1-CELL4)의 임의의 단자를 상기 저항(R11-R14)의 대응 단자 각각에 선택적으로 연결하는 스위치(SW11-SW15)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 배터리 모듈(11) 충전 시 상기 배터리 모듈(11) 내의 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 임의의 배터리셀의 충전전압이 다른 배터리셀들의 충전전압에 비하여 먼저 상한전압에 도달하는 경우 스위치(SW11-SW15) 중에서 해당 스위치를 턴온시켜 상기 저항(R11-R14) 중에서 해당 저항을 통해 충전전압이 방전되도록 한다.
예를 들어, 두 번째의 배터리셀(CELL2)의 충전전압이 다른 배터리셀(CELL1, CELL3, CELL4)의 충전압에 비하여 먼저 상한전압에 도달한 경우, 스위치(SW12), (SW13)를 턴온시킨다. 이에 따라, 상기 배터리셀(CELL2)의 충전전압이 저항(R12)을 통해 방전되어 배터리셀 밸런싱이 이루어진다.
그러나, 이와 같은 배터리셀 밸런싱 회로를 이용하는 경우 저항을 통해 전력이 소모되므로 그만큼 효율이 저하되고, 배터리 모듈 사용 중에 상한전압을 전압이 낮은 배터리셀에 공급할 수 없어 효율이 저하된다.
도 2는 종래 기술에 의한 커패시터를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4)을 구비하는 배터리 모듈(21), 직렬연결된 커패시터(C21-C23) 및 커패시터(C21-C23)의 양측 단자를 배터리셀(CELL1),(CELL2),(CELL3)의 양측 단자 또는 배터리셀(CELL2),(CELL3),(CELL4)의 양측 단자에 선택적으로 연결하는 스위치(SW21-SW24)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 상기 커패시터를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로는 2가지의 연결 상태를 갖는다. 제1 연결 상태에서는 도 2에서와 같이 커패시터(C21-C23)의 양측 단자가 스위치(SW21-SW24)에 의하여 배터리셀(CELL1),(CELL2),(CELL3)의 양측 단자에 각기 연결된다. 제2 연결 상태에서는 커패시터(C21-C23)의 양측 단자가 상기 스위치(SW21-SW24)에 의하여 배터리셀(CELL2),(CELL3),(CELL4)의 양측 단자에 각기 연결된다.
그런데, 이와 같은 배터리셀 밸런싱 회로는 커패시터와 배터리셀 간에 하드 스위칭 동작이 발생하여 효율이 낮은 문제점이 있다. 배터리 모듈 내의 배터리셀들 간의 용량이 서로 동일한 것이 바람직하지만, 여러 가지 이유로 인하여 배터리셀들 간의 용량이 다르게 된다. 이와 같은 경우 어느 배터리셀의 충전 전압이 다른 배터리셀의 충전전압에 비하여 낮더라도 더 큰 용량을 갖을 수 있다. 이와 같은 경우 전압이 낮은 배터리셀의 전압을 전압이 높은 배터리셀에 전달할 필요가 있는데, 이와 같은 종래의 배터리셀 밸런싱 회로에서는 그와 같은 전압 전달 기능을 수행할 수 없는 결함이 있다.
도 3은 종래 기술에 의한 플라이백 구조를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4)을 구비하는 배터리 모듈(31), 플라이백 컨버터(32) 및, 상기 플라이백 컨버터(32)의 복수 개의 2차 코일 각각을 상기 배터리셀(CELL1-CELL4) 각각의 양측 단자에 선택적으로 연결하는 스위치(SW31-SW34) 및 상기 플라이백 컨버터(32)의 1차 코일 양단을 상기 배터리셀(31)의 양단에 선택적으로 연결하는 스위치(SW35)를 포함한다.
도 3의 배터리셀 밸런싱 회로는 SMPS(Switch Mode Power Supply) 중 하나인 플라이백 구조를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로로서 스위치(SW31-SW34)를 이용하여 배터리 모듈(31) 내의 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4) 각각에 전기 에너지 전달이 가능하고, 배터리 모듈(31)의 양측 종단 단자의 사이에 전기 에너지 전달이 가능한 구조를 갖는다.
이와 같은 배터리셀 밸런싱 회로는 SMPS의 형태를 가지므로 효율이 우수한 장점이 있지만, 배터리 모듈에 구비되는 배터리셀의 개수가 증가될수록 플라이백 컨버터에 사용되는 마그네틱 코어의 크기가 커지는 단점이 있고, 그에 따라 배터리셀 밸런싱 회로의 가격이 상승되는 문제점이 있다.
또한, 상기와 같은 종래의 배터리셀 밸런싱 회로들에 있어서는 복수 개의 배터리 셀을 대상으로 밸런싱할 때 불필요하게 밸런싱 횟수가 많고 밸런싱 전력량이 적어 밸런싱 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 배터리셀들을 모듈화 한 각각의 배터리 모듈 내에서 단일 인턱터를 이용하여 복수 개의 배터리 셀들을 대상으로 밸런싱함과 아울러 단일 인덕터를 이용하여 복수 개의 배터리 모듈들을 대상으로 밸런싱하여 밸런싱 효율을 향상시키는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법이 적용되는 회로는, 직렬연결된 배터리모듈들을 구비하는 배터리모듈 팩; 상기 배터리모듈들의 일측 단자들과 제1공통 노드 사이에 각기 연결되는 억세스 경로들을 구비하는 제1 억세스부; 상기 배터리모듈들의 타측 단자들과 제2공통 노드 사이에 각기 연결되는 억세스 경로들을 구비하는 제2 억세스부; 및 상기 제1공통노드 및 상기 제2공통노드를 통해 회수되거나 공급되는 전기 에너지를 일시적으로 저장하였다가 전송하기 위하여, 단일 인덕터 및 전송경로들을 구비하는 제1전기에너지 전송부를 구비하고, 상기 배터리모듈들 각각은 직렬연결된 배터리셀들을 구비하는 배터리셀 팩; 상기 배터리셀들의 일측 단자들과 제5공통 노드 사이에 각기 연결되는 억세스 경로들을 구비하는 제3 억세스부; 상기 배터리셀들의 타측 단자들과 제6공통 노드 사이에 각기 연결되는 억세스 경로들을 구비하는 제4 억세스부; 및 상기 제5공통노드 및 상기 제6공통노드를 통해 회수되거나 공급되는 전기 에너지를 일시적으로 저장하였다가 전송하기 위하여, 단일 인덕터 및 전송경로들을 구비하는 제2전기에너지 전송부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법은 직렬연결된 M개의 배터리모듈들을 구비하는 배터리모듈 팩, 상기 배터리모듈들의 전기에너지를 억세스하기 위한 억세스부, 상기 억세스부를 통해 억세스되는 전기 에너지를 일시 저장하였다가 전송하기 위해 단일 인덕터 및 전송경로들을 구비하는 전기에너지 전송부를 구비하고, 상기 배터리모듈들 각각은 직렬연결된 N 개의 배터리셀들을 구비함과 아울러 상기 억세스부 및 상기 전기에너지 전송부와 동일한 구성요소를 구비하는 단계; 상기 배터리 모듈들 내의 모든 배터리 셀들의 전하 충전량을 측정하여 밸런싱 동작 조건을 만족하는지 확인하여 만족하는 경우, 상기 배터리셀들의 전하 충전량을 정렬하고 상기 배터리모듈들 내에서 상기 배터리셀들의 밸런싱 전하량을 계산하는 단계; 상기 배터리모듈들의 밸런싱 전하량을 정렬한 후 상기 배터리모듈들 간의 밸런싱 전하량을 계산하는 단계; 상기 배터리모듈들 내에서 스트롱셀과 위크셀을 선정하여 그들 간의 전하량 차이가 미리 설정된 이내가 될 때 까지 상기 억세스부 및 상기 전기에너지 전송부를 이용하여 밸런싱 동작을 반복적으로 수행하는 단계; 및 상기 배터리모듈들 간의 스트롱모듈과 위크모듈을 선정하여 그들 간의 전하량 차이가 미리 설정된 이내가 될 때 까지 상기 억세스부 및 상기 전기에너지 전송부를 이용하여 밸런싱 동작을 반복적으로 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 배터리셀들을 모듈화 한 각각의 배터리 모듈 내에서 단일 인턱터를 이용하여 복수 개의 배터리 셀을 대상으로 밸런싱함과 아울러 단일 인덕터를 이용하여 복수 개의 배터리 모듈들을 대상으로 밸런싱 함으로써, 밸런싱 횟수를 줄이고 밸런싱 전력을 높여 밸런싱 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 모듈 내 및 모듈 밖에서 밸런싱을 동시에 수행하되, N개의 배터리 셀들은 N-1번의 밸런싱 동작을 수행하고, M개의 모듈들은 M-1번의 밸런싱 동작을 수행 함으로써, 모든 배터리 셀과 배터리 모듈들이 최단시간 내에 정확하게 밸런싱 상태에 이르게 되는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 병렬저항을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 의한 커패시터를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 3은 종래 기술에 의한 플라이백 구조를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 4는 본 발명의 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법이 적용되는 회로도이다.
도 5는 도 4에서 배터리모듈 팩에 구비된 직렬 연결된 배터리모듈 중 임의의 배터리모듈의 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 4 가지의 셀 억세스 모드에서 스위치 상태를 나타낸 표이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법의 흐름도이다.
도 8은 배터리모듈 팩을 대상으로 단일 인덕터를 이용하여 밸런싱하는 방법을 나타낸 설명도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 밸런싱 동작예를 나타낸 설명도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법이 적용되는 회로도로서 이에 도시한 바와 같이 배터리 모듈 밸런싱 회로(40)는, 배터리모듈 팩(41), 제1억세스부(42), 제2억세스부(43) 및 제1전기에너지 전송부(44)를 구비한다.
도 5는 상기 배터리모듈 팩(41)에 구비된 직렬 연결된 배터리모듈(M1-MM) 중에서 임의의 배터리모듈의 회로도로서 이에 도시한 바와 같이 배터리모듈(M)은, 배터리셀 팩(51), 제3억세스부(52), 제4억세스부(53) 및 제2전기에너지 전송부(54)를 구비한다.
상기 도 4의 배터리모듈 밸런싱 회로(40)와 도 5의 배터리모듈(M)을 비교할 때, 배터리모듈 밸런싱 회로(40)는 서로 직렬 연결된 배터리모듈(M1-MM)을 대상으로 단일 인덕터(LM)을 이용하여 밸런싱 동작을 하고, 배터리모듈(M)은 서로 직렬 연결된 배터리셀(B1-BN)을 대상으로 단일 인덕터(LS)를 이용하여 밸런싱 동작을 하는 차이가 있을 뿐 전체적인 구성 및 동작 원리는 서로 동일하다.
따라서, 여기서는 상기 배터리모듈 밸런싱 회로(40)와 배터리모듈(M) 중에서, 배터리모듈(M)의 밸런싱 동작을 예로 하여 설명한다.
배터리셀 팩(51)은 직렬 연결된 배터리셀(B1-BN)을 구비하여 외부로부터 공급되는 전기 에너지를 저장한다. 상기 배터리셀(B1-BN)의 성능 편차에 의해 전압 불균형이 발생될 수 있지만, 아래의 설명에서와 같은 배터리셀 밸런싱 동작에 의해 전압 불균형이 해소된다.
제1 억세스부(52)는 상기 배터리셀 팩(51)에 구비된 배터리셀(B1-BN) 중에서 기수번째 배터리셀의 부극성 단자("-" 단자)와 제5공통 노드(N5) 사이에 각기 연결되는 기수번째의 스위치(S1-SN)를 각기 구비하여 전기에너지를 억세스하는 역할을 한다.
제2 억세스부(53)는 상기 배터리셀 팩(51)에 구비된 배터리셀(B1-BN) 중에서 우수번째 배터리셀의 정극성 단자("+" 단자)와 제6공통 노드(N6) 사이에 각기 연결되는 우수번째의 스위치(S2-SN +1)를 각기 구비하여 전기에너지를 억세스하는 역할을 한다.
제2전기에너지 전송부(54)는 4 개의 스위치(Q1-Q4)와 인덕터(Ls)를 구비하여 상기 제5공통노드(N5) 및 제6공통노드(N6)를 통해 회수되거나 방출되는 전기 에너지를 일시 저장하였다가 방출하는 역할을 한다.
상기 4개의 스위치(Q1-Q4) 중에서, 상기 스위치(Q1)는 상기 제6공통노드(N6)와 제7공통노드(N7)의 사이에 연결되고, 상기 스위치(Q2)는 상기 제5공통노드(N5)와 제7공통노드(N7)의 사이에 연결되고, 상기 스위치(Q3)는 상기 제6공통노드(N6)와 제8공통노드(N8)의 사이에 연결되고, 상기 스위치(Q4)는 상기 제5공통노드(N5)와 제8공통노드(N8)의 사이에 연결된다.
인덕터(Ls)는 전기 에너지 전달 매체인 단일 인덕터로서 상기 배터리셀 팩(51)에 대한 배터리 밸런싱을 위해 상기 배터리셀 팩(51)으로부터 회수된 전기에너지를 일시적으로 축적하였다가 방출하는 역할을 한다. 이를 위해, 상기 인덕터(Ls)는 상기 제8공통노드(N8)와 제7공통노드(N7) 간에 연결된다.
도 5에서 상기 제1 억세스부(52) 및 제2 억세스부(53)의 스위치(S1-SN +1)와 상기 제2전기에너지 전송부(54)의 스위치(Q1-Q4)의 종류는 특별하게 한정되지 않는 것으로, 모스트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 전력 스위치로 구현될 수 있다.
배터리모듈(M)은 4 가지의 셀 억세스 모드로 동작하며, 상기 4 가지의 셀 억세스 모드는 각각 3 가지의 구동 모드(구동 주기)로 동작한다. 도 6은 상기 4 가지의 셀 억세스 모드에서 상기 제1억세스부(52) 및 제2억세스부(53)의 스위치(S1-SN+1)와 상기 전기에너지 전송부(54)의 스위치(Q1-Q4)의 상태를 나타낸 것이다. 여기서, 콜렉트 모드(Collect Mode)는 상대적으로 높은 전기에너지를 갖아 전기 에너지를 방출하는 배터리셀인 스트롱 셀(strong cell)로부터 전기에너지를 회수하는 모드이고, 릴리스 모드(Release Mode)는 상기 콜렉트 모드에 의해 회수되어 인덕터(Ls)에 일시적으로 저장된 전기에너지를 상대적으로 낮은 전기 에너지를 갖는 배터리셀인 위크 셀(weak cell)에 공급하는 모드이다.
상기 4 가지의 셀 억세스 모드는 배터리셀 팩(51)에 구비된 배터리셀(B1-BN)을 대상으로 배터리셀 밸런싱을 수행함에 있어서, 배터리셀 밸런싱의 대상으로 선택된 두 개의 배터리셀 중에서 스트롱 셀과 위크 셀의 패리티(parity)에 따라 기수의 배터리셀(odd)/우수의 배터리셀(even),even/odd, even/even 및 odd/odd인 경우로 분류된다.
본 발명에 따른 배터리셀 밸런싱 경로는 전기에너지의 흐름 경로가 서로 상이한 두 가지의 경로로 분류될 수 있다. 상기 두 가지 경로 중에서 하나의 경로는 스트롱 셀과 위크 셀이 서로 다른 패리티 즉, odd/even, even/odd인 경우의 경로(이하,"다름 패리티 경로"라 칭함)이다. 상기 다름 패리티 경로를 이용한 배터리셀 밸런싱 모드에서는 스트롱 셀로부터 회수되는 전기에너지를 인덕터(Ls)에 축적하였다가 위크셀에 공급한다. 상기 두 가지 경로 중에서 다른 하나의 경로는 스트롱 셀과 위크 셀이 서로 같은 패리티 즉, odd/odd, even/even 경우의 경로(이하,"동일 패리티 경로"라 칭함)이다. 상기 동일 패리티 경로를 이용한 배터리셀 밸런싱 모드에서는 스트롱 셀로부터 회수되는 전기에너지를 인덕터(Ls)에 축적하였다가 위크셀에 공급한다.
참고로, 도 6의 셀 억세스(Cell access) 항목에서 SM, SM+1은 M번째 스트롱 셀에 접근하기 위한 스위치를 의미한다. 예를 들어, 제2배터리 셀(B2)이 스트롱 셀인 경우 스위치(S2)가 SM이고, 스위치(S3)가 SM+1이다. SN, SN+1은 N번째 위크 셀에 접근하기 위한 스위치를 의미한다. 예를 들어, 제4배터리 셀(B4)이 위크 셀인 경우 스위치(S4)가 SN이고, 스위치(S5)가 SN+1이다.
첫째, 기수의 배터리셀(odd)에 저장된 전기 에너지를 우수의 배터리셀(even)에 공급하는 상기 다름 패리티 경로를 이용한 배터리 셀 밸런싱 동작을 설명하면 다음과 같다. 여기서, 기수의 배터리셀(B1)이 스트롱 셀이고, 우수의 배터리셀(B4)이 위크 셀인 것을 예로 하여 설명한다.
제1모드에서 제어부(도면에 미표시)는 제1억세스부(52)의 스위치(S1), 제2억세스부(53)의 스위치(S2) 및 제2전기에너지 전송부(54)의 스위치(Q2),(Q3)에 스위치 제어신호(게이트신호)를 출력하여 이들을 턴온시킨다. 이에 따라, 배터리셀(B1)의 정극성 단자(+)가 상기 스위치(S2),(Q3)를 통해 인덕터(Ls)의 일측에 연결되고, 배터리셀(B1)의 부극성 단자(-)는 상기 스위치(S1),(Q2)를 통해 인덕터(Ls)의 타측에 연결된다. 따라서, 상기 배터리셀(B1)의 전기 에너지가 인덕터(Ls)에 전달되어 축적된다.
상기와 같이 스위치를 이용하여 콜렉트 모드에서 스트롱 셀을 인덕터(Ls)에 연결한 후 릴리스 모드에서 스위치를 이용하여 위크 셀을 인덕터(Ls)에 연결하는 경우, 콜렉트 모드와 릴리스 모드의 사이에 데드타임(dead time)이 필요하다.
제2모드는 상기 데드 타임 동안 이전에 전기에너지 순환경로를 형성하기 위한 모드이다. 이를 위해 제2전기에너지 전송부(54)의 스위치(Q1),(Q3)를 턴온시킨다. 이에 따라, 이전에 회수된 전기 에너지는 상기 데드 타임동안 스위치(Q1),(Q3) 및 인덕터(Ls)로 이루어진 폐루프에서 프리 휠링(free wheeling)하게 된다.
제3 모드는 상기 회수된 전기 에너지를 위크 셀인 배터리셀(B4)에 전달하는 모드이다. 이를 위해, 상기 제어부가 제1억세스부(52)의 스위치(S5), 제2억세스부(53)의 스위치(S4) 및 제2전기에너지 전송부(54)의 스위치(Q2),(Q3)에 스위치 제어신호를 출력하여 이들을 턴온시킨다. 이에 따라, 상기 인덕터(Ls)에 축적된 전기 에너지가 상기 스위치(Q2),(S5)를 통해 배터리셀(B4)에 전달된다.
미리 설정된 한 주기 내에서 상기 제1모드 내지 제3모드가 반복 동작하고, 이에 의해 스트롱셀(B1)과 위크셀(B4)의 전압 레벨이 동일하게 된다.
둘째, 우수의 배터리셀에 저장된 전기 에너지를 기수의 배터리셀에 공급하는 상기 다름 패리티 경로를 이용한 배터리 셀 밸런싱 동작을 설명하면 다음과 같다. 여기서, 우수의 배터리셀(B4)이 스트롱 셀이고, 기수의 배터리셀(B1)이 위크 셀인 것을 예로 하여 설명한다.
제1모드에서 제어부는 제1억세스부(52)의 스위치(S5), 제2억세스부(53)의 스위치(S4) 및 제2전기에너지 전송부(54)의 스위치(Q1),(Q4)에 스위치 제어신호(게이트신호)를 출력하여 이들을 턴온시킨다. 이에 따라, 배터리셀(B4)의 정극성 단자(+)가 상기 스위치(S5),(Q4)를 통해 인덕터(Ls)의 일측에 연결되고, 배터리셀(B4)의 부극성 단자(-)는 상기 스위치(S4),(Q1)를 통해 인덕터(Ls)의 타측에 연결된다. 따라서, 상기 배터리셀(B4)의 전기 에너지가 인덕터(Ls)에 전달되어 축적된다.
상기와 같이 스위치를 이용하여 콜렉트 모드에서 스트롱 셀을 인덕터(Ls)에 연결한 후 릴리스 모드에서 스위치를 이용하여 위크 셀을 인덕터(Ls)에 연결하는 경우, 콜렉트 모드와 릴리스 모드의 사이에 데드타임(dead time)이 필요하다.
제2 모드는 상기 데드 타임 동안 이전에 전기에너지 순환경로를 형성하기 위한 모드이다. 이를 위해 제2전기에너지 전송부(54)의 스위치(Q2),(Q4)를 턴온시킨다. 이에 따라, 이전에 회수된 전기 에너지는 상기 데드 타임동안 스위치(Q2),(Q4) 및 인덕터(Ls)로 이루어진 폐루프에서 프리 휠링(free wheeling)하게 된다.
제3 모드는 상기 회수된 전기 에너지를 위크 셀인 배터리셀(B1)에 전달하는 모드이다. 이를 위해, 상기 제어부가 제1억세스부(52)의 스위치(S1) 및 제2억세스부(53)의 스위치(S2) 및 제2전기에너지 전송부(54)의 스위치(Q1),(Q4)에 스위치 제어신호를 출력하여 이들을 턴온시킨다. 이에 따라, 상기 인덕터(Ls)에 축적된 전기 에너지가 상기 스위치(Q1),(S2)를 통해 배터리셀(B4)에 전달된다.
미리 설정된 한 주기 내에서 상기 제1모드 내지 제3모드가 반복 동작하고, 이에 의해 스트롱셀(B4)과 위크셀(B1)의 전압 레벨이 동일하게 된다.
셋째, 우수의 배터리셀에 저장된 전기 에너지를 다른 우수의 배터리셀에 공급하는 상기 동일 패리티 경로를 이용한 배터리 셀 밸런싱 동작을 설명하면 다음과 같다. 여기서, 우수의 배터리셀(B4)이 스트롱 셀이고, 다른 우수의 배터리셀(B2)이 위크 셀인 것을 예로 하여 설명한다.
제1모드에서 제어부는 제1억세스부(52)의 스위치(S5), 제2억세스부(53)의 스위치(S4L,S4R) 및 제2전기에너지 전송부(54)의 스위치(Q1),(Q4)에 스위치 제어신호(게이트신호)를 출력하여 이들을 턴온시킨다. 이에 따라, 배터리셀(B4)의 정극성 단자(+)가 상기 스위치(S5),(Q4)를 통해 인덕터(Ls)의 일측에 연결되고, 배터리셀(B4)의 부극성 단자(-)는 상기 스위치(S4),(Q1)를 통해 인덕터(Ls)의 타측에 연결된다. 따라서, 상기 배터리셀(B4)의 전기 에너지가 인덕터(Ls)에 전달되어 축적된다.
상기와 같이 스위치를 이용하여 콜렉트 모드에서 스트롱 셀을 인덕터(Ls)에 연결한 후 릴리스 모드에서 스위치를 이용하여 위크 셀을 인덕터(Ls)에 연결하는 경우, 콜렉트 모드와 릴리스 모드의 사이에 데드타임(dead time)이 필요하다.
제2 모드는 상기 데드 타임 동안 이전에 전기에너지 순환경로를 형성하기 위한 모드이다. 이를 위해 제2전기에너지 전송부(54)의 스위치(Q2),(Q4)를 턴온시킨다. 이에 따라, 이전에 회수된 전기 에너지는 상기 데드 타임동안 스위치(Q2),(Q4) 및 인덕터(Ls)로 이루어진 폐루프에서 프리 휠링(free wheeling)하게 된다.
제3 모드는 상기 회수된 전기 에너지를 위크 셀인 배터리셀(B2)에 전달하는 모드이다. 이를 위해, 상기 제어부가 제1억세스부(52)의 스위치(S3), 제2억세스부(53)의 스위치(S2) 및 제2전기에너지 전송부(54)의 스위치(Q2),(Q3)에 스위치 제어신호를 출력하여 이들을 턴온시킨다. 이에 따라, 상기 인덕터(Ls)에 축적된 전기 에너지가 상기 스위치(Q2),(S3)를 통해 배터리셀(B2)에 전달된다.
미리 설정된 한 주기 내에서 상기 제1모드 내지 제3모드가 반복 동작하고, 이에 의해 스트롱셀(B4)과 위크셀(B2)의 전압 레벨이 동일하게 된다.
넷째, 기수의 배터리셀에 저장된 전기 에너지를 다른 기수의 배터리셀에 공급하는 상기 동일 패리티 경로를 이용한 배터리 셀 밸런싱 동작을 설명하면 다음과 같다. 여기서, 기수의 배터리셀(B1)이 스트롱 셀이고, 다른 기수의 배터리셀(B3)이 위크 셀인 것을 예로 하여 설명한다.
제1모드에서 제어부는 제1억세스부(52)의 스위치(S1), 제2억세스부(53)의 스위치(S2) 및 제2전기에너지 전송부(54)의 스위치(Q2),(Q3)에 스위치 제어신호(게이트신호)를 출력하여 이들을 턴온시킨다. 이에 따라, 배터리셀(B1)의 정극성 단자(+)가 상기 스위치(S2),(Q3)를 통해 인덕터(Ls)의 일측에 연결되고, 배터리셀(B1)의 부극성 단자(-)는 상기 스위치(S1),(Q2)를 통해 인덕터(Ls)의 타측에 연결된다. 따라서, 상기 배터리셀(B1)의 전기 에너지가 인덕터(Ls)에 전달되어 축적된다.
상기와 같이 스위치를 이용하여 콜렉트 모드에서 스트롱 셀을 인덕터(Ls)에 연결한 후 릴리스 모드에서 스위치를 이용하여 위크 셀을 인덕터(Ls)에 연결하는 경우, 콜렉트 모드와 릴리스 모드의 사이에 데드타임(dead time)이 필요하다.
제2 모드는 상기 데드 타임 동안 이전에 전기에너지 순환경로를 형성하기 위한 모드이다. 이를 위해 제2전기에너지 전송부(54)의 스위치(Q1),(Q3)를 턴온시킨다. 이에 따라, 회수된 전기 에너지는 상기 데드 타임동안 스위치(Q1),(Q3) 및 인덕터(Ls)로 이루어진 폐루프에서 프리 휠링(free wheeling)하게 된다.
제3 모드는 상기 회수된 전기 에너지를 위크 셀인 배터리셀(B3)에 전달하는 모드이다. 이를 위해, 상기 제어부가 제1억세스부(52)의 스위치(S3), 제2억세스부(53)의 스위치(S4) 및 제2전기에너지 전송부(54)의 스위치(Q1),(Q4)에 스위치 제어신호를 출력하여 이들을 턴온시킨다. 이에 따라, 상기 인덕터(Ls)에 축적된 전기 에너지가 상기 스위치(Q1),(S4)를 통해 배터리셀(B2)에 전달된다.
미리 설정된 한 주기 내에서 상기 제1모드 내지 제3모드가 반복 동작하고, 이에 의해 스트롱셀(B1)과 위크셀(B3)의 전압 레벨이 동일하게 된다.
한편, 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법의 흐름도로서 이에 도시한 바와 같이 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 회로 구비단계(S1-S3), 배터리 모듈들 내에서 배터리셀들의 타겟 밸런싱 전하량을 계산하는 단계(S4-S8), 상기 배터리모듈들 간의 타겟 밸런싱 전하량을 계산하는 단계(S9-S13), 상기 배터리모듈들 내에서 배터리 셀들을 대상으로 밸런싱 동작을 반복적으로 수행하는 단계(S14-S21) 및 상기 배터리 모듈들을 대상으로 밸런싱 동작을 반복적으로 수행하는 단계(S22-S29)를 포함한다.
도 7a 및 도 7b의 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법을 설명하기에 앞서 본 발명에 따른 배터리 모듈 밸런싱 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 8은 배터리셀이 N 개씩 직렬연결된 형태로 모듈화된 배터리모듈(M1-MM)이 직렬 연결된 배터리모듈 팩(41)을 대상으로 단일 인덕터(LM)를 이용하여 밸런싱하는 방법을 나타낸 설명도이고, 도 9는 스트롱 셀(모듈)의 전하량 보다 위크 셀(모듈)의 전하량이 타겟 밸런싱전하량 Qb,j(QB)에 더 가까이 있을 경우 위크 셀(모듈)의 전하량이 타겟 밸런싱전하량 Qb,j(QB)에 도달할 때까지만 밸런싱 동작을 수행하는 것을 나타낸 설명도이고, 도 10은 스트롱 셀(모듈)의 전하량이 위크 셀(모듈)의 전하량 보다 타겟 밸런싱전하량 Qb,j(QB)에 더 가까이 있을 경우 스트롱 셀(모듈)의 전하량이 타겟 밸런싱전하량 Qb,j(QB)에 도달할 때까지만 밸런싱 동작을 수행하는 것을 나타낸 설명도이다. 여기서, 상기 타겟 밸런싱전하량 Qb,j(QB)란 모든 셀이나 모듈들이 수렴되어야 할 타겟 밸런싱전하량을 의미한다.
도 4 및 도 5, 도 7 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 의한 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법에서는 상기 도 4 및 도 5에서와 같이 밸런싱을 수행한다. 여기서, 도 8에서와 같이 배터리모듈 팩(41)에 3개의 배터리모듈(M1-M3)이 구비되고, 상기 배터리모듈(M1-M3)에는 타겟 밸런싱전하량(Qb)보다 전하량이 많은 n개의 스트롱셀과 전하량이 적은 4-n 개의 위크셀이 존재하며, 상기 스트롱셀의 잔여 전하량을 위크셀들에 전달할 때 ηe 의 효율로 전달하는 것을 예로 하는데 이와 같은 경우의 전하량은 다음의 [수학식 1]로 표현될 수 있다. 단, 여기서 j는 M개의 배터리모듈중 j번째의 배터리모듈을 의미하는데, 상기 설명에서와 같이 배터리모듈 팩(41)에 3개의 배터리모듈(M1-M3)이 구비되는 경우 j=1,2,3(M)까지 존재한다.
Figure 112017011322382-pat00001
상기 [수학식 1]을 이용하여 모든 배터리셀의 밸런싱 조건을 만족하는 j번째 배터리모듈에서의 타겟 밸런싱 전하량(Qb,j)은 다음의 [수학식 2]로 표현된다.
Figure 112017011322382-pat00002
즉, j번째 배터리모듈 내에서 배터리셀들의 전하량과 밸런싱 회로의 전달효율을 알면 j번째 배터리모듈에서 배터리셀의 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j를 구할 수 있다.
다음으로, 총 M개의 배터리모듈의 밸런싱 전하량을 기반으로 모든 배터리모듈의 최종 타겟 밸런싱 전하량 QB를 상기 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j와 동일하게 구할 수 있으며, 이는 다음의 [수학식 3]으로 표현된다.
Figure 112017011322382-pat00003
결국, [수학식 1] 및 [수학식2]를 이용하여 배터리모듈 내에서의 N개 배터리셀들의 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j를 계산하고, [수학식 3]을 이용하여 M개의 배터리모듈의 타겟 밸런싱 전하량 QB를 계산한다.
상기 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j를 이용하여 배터리모듈 내에서 N 개의 배터리셀들 간의 밸런싱 동작과 상기 타겟 밸런싱 전하량 QB를 이용하여 M개 배터리모듈 간의 밸런싱 동작은 두 가지로 나뉘어 수행된다.
상기 두 가지의 밸런싱 동작 중 하나의 밸런싱 동작이 수행되는 예를 도 9에 나타내었다. 즉, 스트롱셀의 전하량과 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j의 차이 보다 위크셀의 전하량과 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j의 차이가 더 작은 경우 위크셀의 전하량이 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j에 도달될 때 까지 스트롱셀의 잔여 전하량을 이용한 밸런싱 동작을 수행한다. 마찬가지로, 스트롱모듈의 전하량과 타겟 밸런싱 전하량 QB의 차이 보다 위크모듈의 전하량과 타겟 밸런싱 전하량 QB의 차이가 더 작은 경우 위크모듈의 전하량이 타겟 밸런싱 전하량 QB에 도달될 때 까지 스트롱모듈의 잔여 전하량을 이용한 밸런싱 동작을 수행한다.
상기 두 가지의 밸런싱 동작 중 다른 하나의 밸런싱 동작이 수행되는 예를 도 10에 나타내었다. 즉, 위크셀의 전하량과 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j의 차이 보다 스트롱셀의 전하량과 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j의 차이가 더 작은 경우 스트롱셀의 전하량이 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j에 도달될 때 까지 스트롱셀의 잔여 전하량을 이용한 밸런싱 동작을 수행한다. 마찬가지로, 위크모듈의 전하량과 타겟 밸런싱 전하량 QB의 차이 보다 스트롱모듈의 전하량과 타겟 밸런싱 전하량 QB의 차이가 더 작은 경우 스트롱모듈의 전하량이 타겟 밸런싱 전하량 QB에 도달될 때 까지 스트롱모듈의 잔여 전하량을 이용한 밸런싱 동작을 수행한다.
이하, 도 7a 및 도 7b를 참조하여 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 도 4와 같은 구성을 갖는 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 회로를 준비한다. 여기서, 상기 배터리 모듈 밸런싱 회로는 i(i=1,2,3...N)개의 배터리셀과 j(j=1,2,3...M)개의 배터리 모듈을 구비한 것을 예로 하여 설명한다.(S1)
M개의 배터리 모듈 내의 모든 배터리 셀들의 전하(charge) 충전량을 측정하여, 이들을 미리 정해진 드레쉬홀드(threshold) 표준편차 σth와 비교한다(S2).
상기 비교 결과 상기 전하 충전량들이 모두 상기 드레쉬홀드 표준편차 σth 미만이면 밸런싱이 이루어진 것으로 판단하여 대기 모드(idle mode)로 진행하고, 상기 전하 충전량들 중에서 어느 하나 이상이 상기 드레쉬홀드 표준편차 σth 이상이면 밸런싱 동작모드로 진행한다(S3).
이후, j번째 배터리모듈 내에서 배터리셀의 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j를 계산하기 위하여, M개의 배터리모듈 내에서 N개의 배터리셀들의 전하 충전량을 내림차순으로 정렬한다(S4).
M 개의 배터리모듈 내에 n 개의 스트롱셀이 존재하는 경우 상기 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j는 n번째의 배터리셀 전하량 Qn,j와 n+1번째의 배터리셀 전하량 Qn+1,j 사이에 존재하게 된다. n을 1씩 증가시켜 가면서 그때 마다 해당 배터리셀의 전하량을 계산하여 그 전하량이 상기 Qn,j과 Qn+1,j사이의 전하량으로 판명되면 이를 해당 배터리모듈 내에서의 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j로 설정한다. M개의 배터리모듈 내에서 병렬적으로 상기와 같이 j 번째의 타겟 전하량인 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j를 모두 계산한다.(S5-S8)
이후, 모든 배터리 모듈의 최종 타겟 밸런싱 전하량 QB를 구하기 위하여, M개의 배터모듈의 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j를 내림차순으로 정렬한 후 상기 계산과정(S5-S8)과 동일한 계산과정을 통해 M개의 배터리모듈의 타겟 밸런싱 전하량 QB를 계산한다(S9-S13).
상기와 같은 단계를 통해 각 M개의 배터리모듈 내의 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j와 M개의 배터리모듈의 타겟 밸런싱 전하량 QB를 계산한 후 밸런싱 동작을 수행한다. 이때, 상기와 같이 배터리셀들에 대하여 전하량을 기준으로 내림차순으로 정렬하였기 때문에 최상위 전하량 Q1,j(Q1)이 충전된 배터리셀(또는 배터리 모듈)이 스트롱 셀(또는 스트롱 모듈)이 되고, 최하위의 전하량인 n번째 전하량 QN,j(QM)이 충전된 배터리셀(또는 배터리 모듈)이 위크 셀(또는 위크 모듈)이 된다.
Q1,j-Qb,j에 효율을 곱한 ηe,j (Q1,j-Qb,j)이 Qb.j-QN,j 보다 크면 도 9와 같이 위크 셀의 전하량이 스트롱 셀의 전하량에 비하여 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j에 더 가까운 것으로 판단하고, 그렇지 않으면 도 10과 같이 위크 셀의 전하량이 스트롱 셀의 전하량에 비하여 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j에서 더 먼 것으로 판단한다(S14,S15).
이후, 밸런싱 시간 tB,j를 설정하여 밸런싱 동작을 수행하게 되는데, 그 밸런싱 시간 tB,j는 전달될 총 전하량을 전달받는 평균 전류로 나누어 구하되, 위크 셀의 전하량과 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j의 차이가 스트롱 셀의 전하량과 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j의 차이에 비하여 더 큰 경우에는 다음의 [수학식 4]와 같이 구하고, 위크 셀의 전하량과 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j의 차이가 스트롱 셀의 전하량과 타겟 밸런싱 전하량 Qb,j의 차이에 비하여 작은 경우에는 다음의 [수학식 5]와 같이 구한 후 그 밸런싱 시간 tB,j에 따라 밸런싱 동작을 수행한다(S16-S18).
Figure 112017011322382-pat00004
Figure 112017011322382-pat00005
여기서, is. avg ,j는 스트롱 셀의 평균 밸런싱 전류이고, 이 전류가 η e,j 의 효율로 전달되어 위크 셀에서 받는 전류는 η e,j iS, avg ,j가 된다.
밸런싱 동작이 끝나면 스트롱 셀과 위크 셀의 전하량을 다시 구하게 되는데, 이때 변화된 전하량은 밸런싱 전류에 밸런싱 시간 tB,j를 곱한 값이 되며, 스트롱 셀과 위크 셀의 전하량(Q1,j),(QN,j)은 다음의 [수학식 6]과 같이 업데이트된다(S19).
Figure 112017011322382-pat00006
이와 같은 상태에서 다시 배터리 셀들에 대하여 전하량을 기준으로 내림차순으로 정렬하게 되며, 이때 Q1 ,j는 스트롱 셀의 전하량이고, QN ,j는 위크 셀의 전하량이다(S20).
상기 Q1 ,j과 QN ,j를 비교하여 그들 간의 차이가 미리 설정된 값 이상인 것으로 판명되면 상기와 같은 일련의 단계(S14-S20)를 반복 수행하고, 미리 설정된 값 아내인 것으로 판명되면 상기 제2단계(S2)로 복귀한다(S21).
상기와 같은 일련의 단계(S14-S21)를 통해 배터리모듈(M1-MM) 내의 각각의 배터리셀(B1-BN)들을 대상으로 밸런싱 동작을 수행할 때, 동시에 이와 동일한 방법으로 배터리모듈(M1-MM)에 대하여 밸런싱 동작을 수행한다(S22-S29).
즉, Q1-QB에 효율을 곱한 ηe (Q1-QB)이 QB-QM 보다 크면 위크 모듈의 전하량의 전하량이 스트롱 모듈의 전하량에 비하여 타겟 밸런싱 전하량 QB에 더 가까운 것으로 판단하고, 그렇지 않으면 위크 모듈의 전하량이 스트롱 모듈의 전하량에 비하여 타겟 밸런싱 전하량 QB에서 더 먼 것으로 판단한다(S22,S23).
이후, 밸런싱 시간 tB를 설정하여 밸런싱 동작을 수행하게 되는데, 그 밸런싱 시간 tB는 전달될 총 전하량을 전달받는 평균 전류로 나누어 구하되, 위크 모듈의 전하량과 타겟 밸런싱 전하량 QB의 차이가 스트롱 모듈의 전하량과 타겟 밸런싱 전하량 QB의 차이에 비하여 더 큰 경우에는 다음의 [수학식 7]과 같이 구하고, 위크 모듈의 전하량과 타겟 밸런싱 전하량 QB의 차이가 스트롱 모듈의 전하량과 타겟 밸런싱 전하량 QB의 차이에 비하여 작은 경우에는 다음의 [수학식 8]과 같이 구한 후 그 밸런싱 시간 tB에 따라 밸런싱 동작을 수행한다(S24-S26).
Figure 112017011322382-pat00007
Figure 112017011322382-pat00008
여기서, is. avg는 스트롱 모듈의 평균 밸런싱 전류이고, 이 전류가 η e 의 효율로 전달되어 위크 모듈에서 받는 전류는 η e iS, avg가 된다.
밸런싱 동작이 끝나면 스트롱 모듈과 위크 모듈의 전하량을 다시 구하게 되는데, 이때 변화된 전하량은 밸런싱 전류에 밸런싱 시간 tB를 곱한 값이 되며, 스트롱 모듈과 위크 모듈의 전하량(Q1),(QM)은 다음의 [수학식 9]와 같이 업데이트 된다(S27).
Figure 112017011322382-pat00009
이와 같은 상태에서, 다시 배터리 모듈들에 대하여 전하량을 기준으로 내림차순으로 정렬하게 되며, 이때 Q1은 스트롱 모듈의 전하량이고 QM은 위크 모듈의 전하량이다(S28).
상기 Q1과 QM을 비교하여 그들 간의 차이가 미리 설정된 값 이상인 것으로 판명되면 상기와 같은 일련의 단계(S22-S29)를 반복 수행하고, 미리 설정된 값 이내인 것으로 판명되면 상기 제2단계(S2)로 복귀한다(S29).
이와 같은 밸런싱 방법은 도 4와 같은 밸런싱 회로에만 적용되는 것이 아니라 다른 밸런싱 회로에 적용할 수 있다. 이때, N개의 배터리 셀들은 N-1번의 밸런싱 동작을 통해 서로 간에 균형 상태로 전환되고, M개의 모듈들은 M-1번의 밸런싱 동작을 통해 서로 간에 균형 상태로 전환된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
40 : 배터리 모듈 밸런싱 회로 41 : 배터리모듈 팩
42 : 제1억세스부 43 : 제2억세스부
44 : 제1전기에너지 전송부 51 : 배터리셀 팩
52 : 제3억세스부 53 : 제4억세스부
54 : 제2전기에너지 전송부

Claims (8)

  1. 삭제
  2. (a) 직렬연결된 M개의 배터리모듈들을 구비하는 배터리모듈 팩, 상기 배터리모듈들의 전기에너지를 억세스하기 위한 제1억세스부, 상기 제1억세스부를 통해 억세스되는 전기 에너지를 일시 저장하였다가 전송하기 위해 제1단일 인덕터 및 상기 제1억세스부와 상기 제1단일 인덕터 간의 전송경로들을 구비하는 제1전기에너지 전송부를 구비하고, 상기 배터리모듈들 각각은 직렬연결된 N 개의 배터리셀을 구비함과 아울러, 상기 제1억세스부, 상기 제1단일 인덕터 및 상기 제1전기에너지 전송부와 동일한 결합구조로 상기 배터리셀들에 각기 결합되는 제2억세스부, 제2단일 인덕터 및 제2전기에너지 전송부를 구비하는 단계;
    (b) 상기 배터리 모듈들 내의 모든 배터리 셀들의 전하 충전량을 한 차례 측정하여 밸런싱 동작 조건을 만족하는지 확인하여 만족하는 경우, 상기 배터리셀들의 전하 충전량을 정렬하고 상기 배터리모듈들 내에서 상기 배터리셀들이 수렴되어야 할 타겟 밸런싱 전하량을 계산하는 단계;
    (c) 상기 배터리모듈들의 밸런싱 전하량을 정렬한 후 상기 배터리모듈이 수렴되어야 할 타겟 밸런싱 전하량을 계산하는 단계;
    (d) 상기 배터리모듈들 내에서 스트롱셀과 위크셀을 선정하여 그들의 전하량이 상기 배터리셀들이 수렴되어야 할 타겟 밸런싱 전하량에 도달될 때 까지 상기 제2억세스부 및 상기 제2전기에너지 전송부를 이용하여 밸런싱 동작을 반복적으로 수행하는 단계; 및
    (e) 상기 배터리모듈들의 스트롱모듈과 위크모듈을 선정하여 그들의 전하량이 상기 배터리모듈들이 수렴되어야 할 타겟 밸런싱 전하량에 도달될 때 까지 상기 제1억세스부 및 상기 제1전기에너지 전송부를 이용하여 밸런싱 동작을 반복적으로 수행하는 단계를 포함하되,
    상기 모듈 내 및 모듈 밖에서 밸런싱 동작을 동시에 수행하고, 상기 N개의 배터리셀들은 N-1번의 밸런싱 동작을 수행하고, 상기 M개의 모듈들은 M-1번의 밸런싱 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 (b) 단계는
    상기 배터리 모듈들 내의 배터리 셀들의 전하 충전량을 드레쉬홀드 표준편차와 비교하여 그 비교 결과에 따라 대기모드 또는 밸런싱 동작모드로 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 (b) 단계는
    상기 배터리모듈들 내에서 상기 배터리셀들의 전하 충전량을 내림차순으로 정렬하는 단계;
    n을 1씩 증가시켜 가면서 해당 배터리셀의 전하량을 계산하고, 그 계산 결과를 이용하여 해당 배터리모듈 내에서 상기 배터리셀들이 수렴되어야 할 타겟 밸런싱 전하량을 설정하는 단계; 및
    상기 배터리모듈들 내에서 병렬적으로 상기 배터리셀들이 수렴되어야 할 타겟 밸런싱 전하량들을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    상기 배터리모듈들의 전하 충전량을 내림차순으로 정렬하는 단계; 및
    n을 1씩 증가시켜 가면서 배터리모듈의 전하량을 계산하고, 그 계산 결과를 이용하여 상기 배터리모듈들이 수렴되어야 할 타겟 밸런싱 전하량을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 (d) 단계는
    상기 배터리셀들이 수렴되어야 할 타겟 밸런싱 전하량을 기준으로 상기 배터리모듈들 내에서 상기 스트롱셀과 상기 위크셀을 선정하는 단계; 및
    밸런싱 시간을 설정하여 밸런싱 동작을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 밸런싱 시간은 전달될 총 전하량을 전달받는 평균 전류로 나누어 구하는 것을 특징으로 하는 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법.
  8. 제2항에 있어서, 상기 (d) 단계는
    밸런싱 동작이 끝난 후 스트롱 셀과 위크 셀의 전하량을 구하는 단계;
    상기 배터리 셀들에 대하여 전하량을 기준으로 내림차순으로 정렬하는 단계; 및
    상기 스트롱 셀과 위크 셀의 전하량 차이가 미리 설정된 값 이상이면 밸런싱 동작을 반복 수행하고, 이하이면 초기 상태로 복귀하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법.
KR1020170015095A 2017-02-02 2017-02-02 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법 KR101856037B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170015095A KR101856037B1 (ko) 2017-02-02 2017-02-02 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법
US15/886,102 US20180226808A1 (en) 2017-02-02 2018-02-01 Battery module balancing method using single inductor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170015095A KR101856037B1 (ko) 2017-02-02 2017-02-02 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101856037B1 true KR101856037B1 (ko) 2018-05-09

Family

ID=62200733

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170015095A KR101856037B1 (ko) 2017-02-02 2017-02-02 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20180226808A1 (ko)
KR (1) KR101856037B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240039308A (ko) 2022-09-19 2024-03-26 동의대학교 산학협력단 한 쌍의 거리센서를 이용한 밸런싱 측정 방법

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11225170B2 (en) * 2019-11-22 2022-01-18 Ford Global Technologies, Llc Balancing cells of a traction battery using statistical analysis

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012039855A (ja) * 2010-06-28 2012-02-23 Nxp Bv 誘導性セルバランシング処理
KR101619268B1 (ko) * 2015-03-20 2016-05-10 포항공과대학교 산학협력단 배터리셀의 밸런싱 방법

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102111003B (zh) * 2011-02-21 2013-07-17 成都芯源系统有限公司 新型电池均衡电路及其调节方法
US9203246B2 (en) * 2013-05-16 2015-12-01 Postech Academy-Industry Foundation Balancing control circuit for battery cell module using LC series resonant circuit

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012039855A (ja) * 2010-06-28 2012-02-23 Nxp Bv 誘導性セルバランシング処理
KR101619268B1 (ko) * 2015-03-20 2016-05-10 포항공과대학교 산학협력단 배터리셀의 밸런싱 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240039308A (ko) 2022-09-19 2024-03-26 동의대학교 산학협력단 한 쌍의 거리센서를 이용한 밸런싱 측정 방법

Also Published As

Publication number Publication date
US20180226808A1 (en) 2018-08-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101619268B1 (ko) 배터리셀의 밸런싱 방법
JP5710731B2 (ja) Ｌｃ直列共振を利用したバッテリセルモジュールのバランシング制御回路
US7049791B2 (en) Battery energy balance circuit and battery charging bypass circuit
CN101741122B (zh) 一种串联电池组均衡设备
JP4352183B2 (ja) 蓄電モジュール
KR101717077B1 (ko) 단일 인덕터를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로
US8269455B2 (en) Charge balancing system
KR101686018B1 (ko) 트랜스포머를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로
JP2011083182A (ja) 複数の電池セル間のエネルギー均衡を用いる電池管理システム
CN102299565A (zh) 电感性单元平衡
WO2009013464A1 (en) Battery management
CN107733007A (zh) 一种电池组双目标直接均衡电路及均衡方法
CN107134599B (zh) 一种串联电池组的电压均衡电路及其工作方法
CN104868532A (zh) 一种基于Cuk斩波电路双向桥臂的串联蓄电池组双向能量均衡器及其控制方法
KR101856037B1 (ko) 단일 인덕터를 이용한 배터리 모듈 밸런싱 방법
CN113682199A (zh) 化成分容电路、设备及系统
CN115663973A (zh) 用于电池组的主动均衡电路和方法
KR101490740B1 (ko) 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 모듈의 밸런싱 제어회로
Ekanayake et al. Active and passive based hybrid cell balancing approach to series connected lithium-ion battery pack
US20120235494A1 (en) system and method for balancing energy storage devices
CN111492557A (zh) 管理装置和电源系统
CN112865232A (zh) 主动式电池组均衡电路及控制方法
Du et al. An any‐unit‐to‐any‐unit method for hybrid‐structured voltage equalizer in series‐connected battery/super‐capacitor strings
CN114204647A (zh) 并联电池簇状态管理系统及并联电池簇
Jian et al. Charging scenario of serial battery power modules with buck-boost converters

Legal Events

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