KR102004332B1 - 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법, 장치, 및 이를 이용한 에너지 저장 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치는, 복수의 배터리 셀들 각각에 병렬로 연결되는 복수의 패시브 밸런싱 저항; 상기 패시브 밸런싱 저항 각각에 직렬로 연결되어 상기 패시브 밸런싱 저항을 상기 배터리 셀에 병렬로 연결하거나 연결해제하는 복수의 패시브 밸런싱 스위치; 상기 패시브 밸런싱 저항과 상기 패시브 밸런싱 스위치가 연결된 곳에 일단이 연결되고 타단에 액티브 밸런싱용 전압이 인가되는 복수의 제1 액티브 밸런싱 스위치; 상기 배터리 셀의 셀 전압을 센싱하고, 제어신호를 출력하며, 상기 센싱된 셀 전압에 기반하여 상기 패시브 밸런싱 스위치 및 상기 제1 액티브 밸런싱 스위치를 제어하여 패시브 밸런싱 및 액티브 밸런싱을 수행하는 제어부; 상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 액티브 밸런싱을 위한 전압을 출력하는 DC-DC 컨버터; 및 상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 복수의 배터리 셀들의 출력 및 외부 전원 중 하나를 선택하여 상기 DC-DC 컨버터에 출력하는 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치를 포함한다. 본 발명에 의하면, 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행할 수 있기 때문에, 에너지 소비를 감소시키고 셀 밸런싱 시간을 단축하여 배터리 셀들을 효율적으로 관리할 수 있다.
Description
본 발명은 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법, 장치, 및 이를 이용한 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
지구온난화에 따른 기후 변화와 각종 화석 연료의 고갈로 인해 신재생 에너지의 중요성은 더욱 커지고 있다. 하지만, 신재생 에너지의 대부분은 자연 에너지에 기반하고 있기 때문에 효율성과 출력의 변동이 심하고 발전량 조절이 쉽지 않다는 단점이 있다. 실제로 태양광이나 풍력을 이용한 재생 에너지는 간헐적으로 에너지를 획득할 수 있어서 획득된 에너지를 소비 패턴과 일치시키는데 어려움을 겪고 있는 실정이다. 따라서, 신재생 에너지가 광범위하게 활용되기 위해서는 간헐적으로 발생되는 에너지를 저장해두었다가 안정적으로 에너지를 공급하기 위한 수단인 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)이 필요하다.
에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)은 발전 전력을 저장해서 수요 패턴에 맞게 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 시스템으로서, 발전소에서 과잉 생산된 전력을 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해주는 저장 장치를 말한다.
에너지 저장 시스템은 전기를 대규모로 저장하여 필요할 때 사용하는 '전력 저수지'로서, 남는 전력과 에너지를 필요한 시기와 장소에 공급하기 위해 전력을 에너지 저장 수단에 저장해두는 기술이다. 발전소에서 생산한 전력을 가정이나 공장 등에 바로 전달하지 않고 양수발전과 압축공기저장 방식 및 대형 2차 배터리와 같은 에너지 저장 수단에 에너지를 저장했다가 전력이 가장 필요한 시기와 장소에 전력을 생성한 후 전송하여 에너지 효율을 높이는 시스템이다.
현재 에너지 저장 수단의 대부분을 차지하고 있는 양수발전과 압축공기저장 방식은 설치 공간 확보의 문제로 향후 수익성이 저하될 것이고, 상대적으로 유지 및 관리가 간편한 2차 배터리 방식이 에너지 저장 시스템의 에너지 저장 수단으로서 급부상하고 있다.
에너지 저장 시스템은 최근에 급부상한 스마트 그리드 구축에 반드시 필요한 핵심기술이다. 스마트 그리드란 발전-송전-판매의 단계로 이루어지던 기존의 단방향 전력망에 정보 기술을 접목하여 전력 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환함으로써 에너지 효율을 최적화하는 지능형 전력망을 가리킨다.
스마트 그리드 시스템에서는 각 가정이나 상가, 학교, 회사 등 모든 건물들에 태양광과 같은 발전 시스템을 설치하고 남는 전력을 저장해 두는 수단이 필요한데, 이러한 에너지 저장 수단이 바로 에너지 저장 시스템이다. 에너지 저장 시스템은 에너지를 저장하여 필요할 때 쓸 수 있을 뿐만 아니라, 전력이 부족한 공간에 저장된 에너지를 보내거나 전력 회사에 판매할 수도 있다.
에너지 저장 시스템이 활용될 수 있는 부문은 크게 가정용 에너지 저장 시스템, 산업용 및 상업용 중형 에너지 저장 시스템, 발전소 및 변전소에 설치되는 초대용량 에너지 저장 시스템 등으로 구분될 수 있다.
에너지 저장 시스템은, 발전 시설에서, 발전 설비 용량이 통상 피크시 용량에 맞추어져 있기 때문에 피크시 에너지 저장 시스템에서 방전하고 피크가 아닌 경우 에너지 저장 시스템에 에너지를 충전하여 부하 패턴을 일정하게 유지시키는 부하 평준화 기능을 수행할 수 있고, 태양광 발전이나 풍력 발전 등의 신재생 에너지의 출력 변동을 보상할 수 있다.
한편, 전력 송전 및 배전망에서, 에너지 효율성을 증대시키기 위하여, 송배전 선로가 길고 낙후된 곳에서 전력량이 송배전 선로 등의 물리적인 한계를 초과할 때 시설의 증설 대신에 에너지 저장 시스템을 설치하여 물리적인 한계를 극복할 수 있다.
또한, 최종 사용자 또는 소비자는, 자가 소비를 위해 또는 전력 수급의 안정화를 위해 에너지 저장 시스템을 사용할 수 있고, 전력 피크시 에너지 저장 시스템에 충전된 전력을 사용하거나 피크가 아닐 때 에너지 저장 시스템을 충전함으로써 전력 부하량을 조절할 수 있으며, 무정전 전원 장치로서 에너지 저장 시스템을 사용할 수 있다. 따라서, 앞으로 에너지 저장 시스템은 전력망에서 예비전력을 대체하는 에너지 저장 중심에서 점차 가정용 및 충전소용 중심으로 성장될 것으로 예상된다.
이와 같이, 에너지 저장 시스템은, 미래 산업 기술과 새로운 에너지 시스템의 핵심 기술이기 때문에 새로운 블루오션으로 떠오르고 있다.
도 1은 일반적인 에너지 저장 시스템의 블록도를 도시한 것으로, 도 1에 도시된 에너지 저장 시스템은, 제1 랙 내지 제n 랙(R1 내지 Rn) 및 배터리 감시 시스템(12)을 포함하는 배터리 시스템(10), 전력 변환 시스템(14) 및 에너지 관리 시스템(16)을 포함한다.
상기 제1 랙(R1)은 제1 배터리 모듈(B1.1) 내지 제n 배터리 모듈(B1.n) 및 제1 배터리 관리 시스템(BMS.B)을 포함하고, 상기 제n 랙(Rn)은 제1 배터리 모듈(Bn.1) 내지 제n 배터리 모듈(Bn.n) 및 제1 배터리 관리 시스템(BMS.B)을 포함한다. 또한, 각각의 배터리 모듈(B1.1 내지 Bn.n)은 복수의 배터리 셀(미도시) 및 복수의 제2 배터리 관리 시스템(BMS.A)을 포함한다.
배터리 시스템(10)은 에너지를 충전하여 저장하고 필요시 에너지를 방전하여 출력하기 위한 것이고, 전력 변환 시스템(14)은 전력망인 그리드와 접속하여 직류를 교류로 변환하거나 교류를 직류로 변환하고 배터리의 충방전을 제어하기 위한 것이며, 에너지 관리 시스템(16)은 내부 부하, 배터리 상태 등을 고려하여 배터리 시스템(10) 및 전력 변환 시스템(14)을 제어하기 위한 것이다.
한편, 제1 랙(R1) 내지 제n 랙(Rn)에 포함되어 있는 제1 배터리 관리 시스템(BMS.B)은 배터리 셀의 SOC(State Of Charge: 충전 상태)를 계산하고, 제1 배터리 모듈 내지 제n 배터리 모듈, 제1 랙(R1) 내지 제n 랙(Rn)을 제어하며 보호하기 위한 것이다. 또한, 제1 배터리 모듈 내지 제n 배터리 모듈 내에 포함된 제2 배터리 관리 시스템(BMS.A)은 배터리 모듈에 포함되어 있는 복수의 배터리 셀들의 전압, 전류 및 온도를 감지하고 이에 기반하여 셀 밸런싱을 수행하는 등 배터리 셀들을 효율적으로 관리하기 위한 것이다.
배터리 셀은 정격 충전 범위보다 현저하게 높게 충전되는 경우 위험할 수 있고 정격 충전 범위보다 낮게 방전되는 경우 배터리 수명이 단축될 수 있다. 이러한 배터리 셀들의 충전 상태는 여러 가지 요인에 의해 불균형 상태에 놓이게 되는데, 주로 제조 중 또는 반복적으로 배터리를 충방전하는 동안 배터리 셀의 충전 상태의 불균형이 발생한다. 리튬 이온 셀의 경우에 공장에서 셀의 제조는 배터리 셀 간의 충전 상태의 차이를 최소화하도록 엄격하게 제어된다. 하지만, 공장에서 제조시 오차 범위 내에서 거의 일치했던 배터리 셀의 충전 상태는 여러 가지 요인에 의해 변하게 되어 배터리 셀들 간에는 충전 상태의 불균형이 발생한다.
배터리 셀의 충전 상태의 불균형에 영향을 미치는 요인들은 예를 들면, 각각의 배터리 셀의 화학반응, 셀의 임피던스, 자기 방전의 속도, 용량의 감소 및 동작 온도의 변동 등과 같은 요인을 포함한다.
셀의 온도의 불일치는 셀 충전 상태의 불균형의 중요한 요인이다. 예를 들면, 배터리 셀에는 "자기 방전"이 있는데 이것은 배터리 온도의 함수이며, 온도가 높은 배터리가 온도가 낮은 배터리보다 전형적으로 더 큰 자기 방전율을 나타낸다. 그 결과 온도가 높은 배터리는 온도가 낮은 배터리보다 시간이 경과함에 따라 낮은 충전 상태를 나타낸다.
또한, 배터리 셀들은 충방전을 반복하는 경우 셀 전압 간에 불균형이 발생하고, 배터리 셀 간에 전압 불균형이 발생하면 배터리의 수명이 단축되며, 배터리 셀의 비효율적인 사용으로 인하여 배터리 셀의 에너지 효율이 떨어지게 된다. 따라서, 도 1에 도시된 배터리 시스템(10)의 제1 배터리 모듈 내지 제n 배터리 모듈 내에 포함된 각각의 제2 배터리 관리 시스템(BMS.A)은, 감지된 배터리 셀들의 전압에 기반하여, 셀 전압을 균형화시켜 주는 셀 밸런싱(cell balancing) 기능을 수행하여, 배터리의 수명을 연장하고, 배터리를 효율적으로 사용할 수 있게 한다.
본 발명에 의한 셀 밸런싱 방법 및 장치는 에너지 저장 시스템의 제1 배터리 모듈 내지 제n 배터리 모듈 내에 포함된 제2 배터리 관리 시스템(BMS.A)에 적용되지만, 경우에 따라서는 에너지 저장 시스템의 제1 랙 내지 제n 랙에 포함된 제1 배터리 관리 시스템(BMS.B)에도 적용될 수 있다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 전기 자동차와 같이, 배터리 셀을 사용하는 어떤 유형의 장치나 시스템에 포함된 배터리 관리 시스템에도 적용될 수 있다.
도 2는 배터리 셀들 간의 전압 균형화를 위한 종래의 배터리 셀 밸런싱 회로를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 셀 밸런싱 회로는, 복수의 배터리 셀들(Cell1 내지 Celln), 각각 배터리 셀(Cell1 내지 Celln)에 연결된 패시브 밸런싱 저항(BR1 내지 BRn), 상기 패시브 밸런싱 저항(BR1 내지 BRn)에 흐르는 전류를 단속하기 위한 패시브 밸런싱 스위치로서 사용되는 트랜지스터(TR1 내지 TRn) 및 상기 셀들(Cell1 내지 Celln)의 전압을 센싱하고 상기 트랜지스터(TR1 내지 TRn)를 온 또는 오프시키기 위한 제어 신호(CS1 내지 CSn)를 상기 트랜지스터(TR1 내지 TRn)의 게이트에 인가하기 위한 전압 센싱 및 스위치 제어부(200)를 포함한다.
상기와 같이 구성된 종래의 셀 밸런싱 회로의 동작을 살펴보면, 제1 배터리 셀(Cell1) 및 제n-1 배터리 셀(Celln-1)의 셀 전압이 높은 경우, 전압 센싱 및 스위치 제어부(200)는 제어신호(CS1 및 CSn-1)를 전압이 높은 셀(Cell1, Celln-1)에 대응되는 트랜지스터(TR1 및 TRn-1)의 게이트에 각각 인가하여, 트랜지스터(TR1 및 TRn-1)를 스위치 온시키고, 나머지 트랜지스터들(TR2 내지 TRn-2 및 TRn)은 스위치 오프시킨다.
그러면, 전압이 높은 배터리 셀(Cell1 및 Celln-1)의 전압은 패시브 밸런싱 저항(BR1, BRn-1)을 통해 열 에너지로 소비된다. 그리고 전압이 높은 셀(Cell1 및 Celln-1)의 전압이 목표 전압에 도달하면 전압 센싱 및 스위치 제어부(200)는 트랜지스터(TR1 및 TRn-1)를 오프시킨다.
상기와 같은 종래의 셀 밸런싱 회로는, 설정된 목표 전압보다 높은 전압을 갖는 셀들은 패시브 밸런싱 저항을 통해 셀의 에너지를 열 에너지로 소비시키고 셀 전압이 설정된 목표 전압에 도달하면 패시브 밸런싱 저항을 셀에서 연결해제시켜 배터리 셀들의 전압을 균형화시킨다.
하지만, 상기와 같은 종래의 배터리 셀 밸런싱 회로는, 단순히 전압이 높은 셀의 에너지를 패시브 밸런싱 저항을 통해 열 에너지로 소비시키기 때문에, 에너지 소비가 커서 배터리 셀을 효율적으로 관리할 수 없었고, 특히 셀의 에너지를 저항을 통해 열 에너지로 소비시키는데 걸리는 시간이 길기 때문에, 셀 밸런싱 시간이 오래 걸리는 문제점이 있었다.
따라서, 에너지 소비를 감소시키고 셀 밸런싱 시간을 단축하여 배터리 셀을 효율적으로 관리할 수 있는 배터리 셀 밸런싱 방법 및 장치가 요구된다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 에너지 소비를 감소시키고 셀 밸런싱 시간을 단축시켜 배터리 셀들을 효율적으로 관리할 수 있는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 에너지 소비를 감소시키고 셀 밸런싱 시간을 단축시켜 배터리 셀들을 효율적으로 관리할 수 있는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 에너지 소비를 감소시키고 셀 밸런싱 시간을 단축시켜 배터리 셀들을 효율적으로 관리할 수 있는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱을 이용한 에너지 저장 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법은,
(A) 복수의 배터리 셀들 중 적어도 하나의 배터리 셀의 셀 전압을 센싱하는 단계;
(B) 상기 센싱된 셀 전압에 기반하여 패시브 밸런싱과 액티브 밸런싱을 동시에 수행할 것인지를 결정하는 단계;
(C) 상기 단계 (B)에서 패시브 밸런싱과 액티브 밸런싱을 동시에 수행하기로 결정한 경우, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계; 및
(D) 상기 단계 (B)에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하지 않기로 결정한 경우, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 패시브 밸런싱 또는 액티브 밸런싱을 수행하는 단계를 포함한다.
상기 단계 (B)는, 적어도 하나의 배터리 셀의 전압이 목표 전압보다 소정 전압 이상 높고 적어도 하나의 배터리 셀의 전압이 상기 목표 전압보다 낮은 경우, 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하기로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (C)에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계는, 전압이 높은 셀의 에너지를 패시브 밸런싱 저항을 통해 전압이 낮은 셀에 인가하여 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (C)에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계는, DC-DC 컨버터의 입력을 전압이 높은 셀에 연결하고 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 패시브 밸런싱 저항을 통해 전압이 낮은 셀에 인가하여 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (C)에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계는, 전압이 높은 셀의 에너지를 낮추고 전압이 낮은 셀은 에너지를 높여 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (C)에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계는, 전압이 높은 셀은 패시브 밸런싱 저항을 통해 에너지를 소비하고 전압이 낮은 셀은 DC-DC 컨버터의 출력을 통해 에너지를 얻어 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (C)에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계는, 전압이 높은 셀을 패시브 밸런싱 저항에 병렬로 연결하여 방전함과 동시에 DC-DC 컨버터의 입력으로 하고, 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 전압이 낮은 셀에 인가하여 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (C)에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계는, 액티브 밸런싱 저항 및 상기 액티브 밸런싱 저항에 직렬로 연결된 다이오드를 패시브 밸런싱 저항에 병렬로 연결하며, DC-DC 컨버터의 입력을 전압이 높은 셀에 연결하고 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 상기 다이오드, 상기 액티브 밸런싱 저항 및 상기 패시브 밸런싱 저항을 통해 전압이 낮은 셀에 인가하여 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (D)에서 수행되는 패시브 밸런싱은, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 전압이 높은 셀의 에너지를 패시브 밸런싱 저항을 통해 열 에너지로 소비시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 단계 (D)에서 수행되는 액티브 밸런싱은, 외부 전원을 이용하는 액티브 밸런싱 또는 전압이 높은 셀을 이용하는 자가 액티브 밸런싱을 포함할 수 있다.
상기 외부 전원을 이용하는 액티브 밸런싱은, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 DC-DC 컨버터의 입력을 외부 전원에 연결하고 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 전압이 낮은 셀에 인가하는 것을 포함할 수 있다.
상기 외부 전원은, 스위칭 모드 파워 서플라이(SMPS) 또는 별도의 배터리 셀을 포함할 수 있다.
상기 자가 액티브 밸런싱은, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 DC-DC 컨버터의 입력을 전압이 높은 셀에 연결하고 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 전압이 낮은 셀에 인가하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치는,
복수의 배터리 셀들 각각에 병렬로 연결되는 복수의 패시브 밸런싱 저항;
상기 패시브 밸런싱 저항 각각에 직렬로 연결되어 상기 패시브 밸런싱 저항을 상기 배터리 셀에 병렬로 연결하거나 연결해제하는 복수의 패시브 밸런싱 스위치;
상기 패시브 밸런싱 저항과 상기 패시브 밸런싱 스위치가 연결된 곳에 일단이 연결되고 타단에 액티브 밸런싱용 전압이 인가되는 복수의 제1 액티브 밸런싱 스위치;
상기 배터리 셀의 셀 전압을 센싱하고, 제어신호를 출력하며, 상기 센싱된 셀 전압에 기반하여 상기 패시브 밸런싱 스위치 및 상기 제1 액티브 밸런싱 스위치를 제어하여 패시브 밸런싱 및 액티브 밸런싱을 수행하는 제어부;
상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 액티브 밸런싱을 위한 전압을 출력하는 DC-DC 컨버터; 및
상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 복수의 배터리 셀들의 출력 및 외부 전원 중 하나를 선택하여 상기 DC-DC 컨버터의 입력으로 출력하는 제1 선택부를 포함한다.
상기 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치는, 상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 상기 복수의 배터리 셀들 중 하나에 인가하기 위한 제2 선택부를 더 포함할 수 있다.
상기 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치는, 일단이 상기 배터리 셀들 각각의 마이너스 전압 단자에 연결되고 타단이 상기 DC-DC 컨버터의 마이너스 전압 출력에 연결되며, 상기 제어부의 제어신호에 따라 온 또는 오프되는 복수의 제2 액티브 밸런싱 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리 셀의 셀 전압을 센싱하고, 상기 센싱된 셀 전압에 기반하여 상기 패시브 밸런싱 스위치들을 제어하여 패시브 밸런싱을 수행하는 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부; 및 상기 센싱된 셀 전압에 기반하여 상기 액티브 밸런싱 스위치, 상기 DC-DC 컨버터, 상기 제1 선택부 및 상기 제2 선택부를 제어하여 액티브 밸런싱을 수행하는 액티브 밸런싱 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 센싱된 셀 전압에 기반하여, 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행할 것인지를 결정하고, 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하기로 결정한 경우, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 상기 패시브 밸런싱 저항 및 상기 DC-DC 컨버터를 통해 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하며, 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하지 않기로 결정한 경우, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 패시브 밸런싱 또는 액티브 밸런싱을 수행할 수 있다.
상기 제어부는, 적어도 하나의 배터리 셀의 전압이 목표 전압보다 소정 전압 이상 높고 적어도 하나의 배터리 셀의 전압이 상기 목표 전압보다 낮은 경우, 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하기로 결정할 수 있다.
상기 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 것은, 상기 제어부가 상기 제1 선택부를 제어하여, 상기 DC-DC 컨버터의 입력을 전압이 높은 셀에 연결하고 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 전압이 낮은 셀에 연결된 패시브 밸런싱 저항을 통해 상기 전압이 낮은 셀에 인가하여, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 상기 전압이 높은 셀의 에너지 중 일부는 상기 패시브 밸런싱 저항을 통해 열에너지로 소비되게 하고 나머지 에너지는 상기 전압이 낮은 셀에 인가되도록 하여, 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있다.
상기 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치는, 상기 각각의 패시브 밸런싱 저항에 병렬로 연결되고, 서로 직렬로 연결된 액티브 밸런싱 저항 및 다이오드를 복수 개 더 포함하고, 상기 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 것은, 상기 제어부가 상기 제1 선택부를 제어하여, 상기 DC-DC 컨버터의 입력을 전압이 높은 셀에 연결하고 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 상기 다이오드, 상기 액티브 밸런싱 저항 및 상기 패시브 밸런싱 저항을 통해 전압이 낮은 셀에 인가하여, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 패시브 밸런싱 저항 및 액티브 밸런싱 저항을 통해 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있다.
상기 패시브 밸런싱은, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 전압이 높은 셀의 에너지를 패시브 밸런싱 저항을 통해 열에너지로 소비시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 액티브 밸런싱은, 외부 전원을 이용하는 액티브 밸런싱 또는 전압이 높은 셀을 이용하는 자가 액티브 밸런싱을 포함할 수 있다.
상기 외부 전원을 이용하는 액티브 밸런싱은, 상기 제어부가 상기 제1 선택부를 제어하여, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 상기 DC-DC 컨버터의 입력을 외부 전원에 연결하고 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 전압이 낮은 셀에 인가하는 것을 포함할 수 있다.
상기 외부 전원은, 스위칭 모드 파워 서플라이(SMPS) 또는 별도의 배터리 셀을 포함할 수 있다.
상기 자가 액티브 밸런싱은, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지, 상기 제어부가 상기 제1 선택부를 제어하여 상기 DC-DC 컨버터의 입력을 전압이 높은 셀의 출력에 연결하고, 상기 제어부가 상기 제2 선택부를 제어하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 전압이 낮은 셀에 인가하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 에너지 저장 시스템은, 상기한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치를 포함한다.
본 발명에 의하면, 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행할 수 있기 때문에, 에너지 소비를 감소시키고 셀 밸런싱 시간을 단축시켜 배터리 셀들을 효율적으로 관리할 수 있다.
도 1은 일반적인 에너지 저장 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 배터리 셀들 간의 전압 균형화를 위한 종래의 배터리 셀 밸런싱 회로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 액티브 밸런싱 저항 및 다이오드를 추가한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 도 5에 도시된 패시브 밸런싱 또는 액티브 밸런싱을 수행하는 단계를 상세히 도시한 흐름도이다.
도 2는 배터리 셀들 간의 전압 균형화를 위한 종래의 배터리 셀 밸런싱 회로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 액티브 밸런싱 저항 및 다이오드를 추가한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 도 5에 도시된 패시브 밸런싱 또는 액티브 밸런싱을 수행하는 단계를 상세히 도시한 흐름도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2", "일단", "타단" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치를 도시한 도면이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법 및 장치는, 에너지 저장 시스템의 제1 배터리 모듈 내지 제n 배터리 모듈 내에 포함된 각각의 제2 배터리 관리 시스템(BMS.A)에 적용될 수 있지만, 경우에 따라서는 에너지 저장 시스템의 제1 랙 내지 제n 랙에 포함된 제1 배터리 관리 시스템(BMS.B)에도 적용될 수 있다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 전기 자동차와 같이, 배터리 셀을 사용하는 어떤 유형의 장치나 시스템에 포함된 배터리 관리 시스템에도 적용될 수 있다.
도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치는, 복수의 배터리 셀들(Cell1 내지 Celln) 각각에 병렬로 연결되는 복수의 패시브 밸런싱 저항(BR1 내지 BRn), 상기 패시브 밸런싱 저항(BR1 내지 BRn) 각각에 직렬로 연결되어 상기 패시브 밸런싱 저항(BR1 내지 BRn)을 상기 배터리 셀(Cell1 내지 Celln)에 병렬로 연결하거나 연결해제하는 복수의 패시브 밸런싱 스위치(TR1 내지 TRn), 상기 패시브 밸런싱 저항(BR1 내지 BRn)과 상기 패시브 밸런싱 스위치(TR1 내지 TRn)가 연결된 곳에 일단이 연결되고 타단에 액티브 밸런싱용 전압(ABV)이 인가되는 복수의 제1 액티브 밸런싱 스위치(S1 내지 Sn), 제어 신호에 따라 상기 액티브 밸런싱용 전압(ABV)을 출력하는 DC-DC 컨버터(320), 제어 신호에 따라 상기 복수의 배터리 셀들(Cell1 내지 Celln)의 출력 및 외부 전원 중 하나를 선택하여 상기 DC-DC 컨버터(320)에 출력하는 제1 선택부(330), 제어 신호에 따라 상기 DC-DC 컨버터(320)의 출력을 상기 배터리 셀들(Cell1 내지 Celln) 중 하나에 인가하기 위한 제2 선택부(350), 상기 배터리 셀들(Cell1 내지 Celln)의 셀 전압을 센싱하고, 상기 센싱된 셀 전압에 기반하여 상기 패시브 밸런싱 스위치(TR1 내지 TRn)를 제어하여 패시브 밸런싱을 수행하는 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부(312), 상기 센싱된 셀 전압에 기반하여 상기 제1 액티브 밸런싱 스위치(S1 내지 Sn), 상기 DC-DC 컨버터(320), 상기 제1 선택부(330) 및 상기 제2 선택부(350)를 제어하는 제어 신호를 출력하여 액티브 밸런싱을 수행하는 액티브 밸런싱 제어부(340), 및 일단이 상기 배터리 셀(Cell1 내지 Celln)의 마이너스 전압 단자에 연결되고 타단이 상기 DC-DC 컨버터(320)의 마이너스 전압 출력에 연결되며, 상기 액티브 밸런싱 제어부(340)의 제어신호에 따라 온 또는 오프되는 제2 액티브 밸런싱 스위치(T1 내지 Tn)를 포함한다.
상기에서 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부(310)와 액티브 밸런싱 제어부(340)는 하나의 제어부로 통합될 수 있고, 통합된 제어부는, 상기 배터리 셀(Cell1 내지 Celln)의 셀 전압을 센싱하고, 제어신호를 출력하며, 상기 센싱된 셀 전압에 기반하여 상기 패시브 밸런싱 스위치(TR1 내지 TRn), 상기 제1 액티브 밸런싱 스위치(S1 내지 Sn), 상기 제2 액티브 밸런싱 스위치(T1 내지 Tn), 상기 DC-DC 컨버터(320), 상기 제1 선택부(330) 및 상기 제2 선택부(350)를 제어하여 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 수행할 수 있다.
상기에서 패시브 밸런싱 스위치(TR1 내지 TRn), 제1 액티브 밸런싱 스위치(S1 내지 Sn), 및 제2 액티브 밸런싱 스위치(T1 내지 Tn)는 트랜지스터를 이용하여 제어 신호에 따라 동작이 온 또는 오프되는 스위칭 기능을 구현하도록 구성한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 의한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치를, 도 5 및 도 6에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법의 흐름도를 참조하여 설명하기로 한다.
도 3, 도 5 및 도 6을 참조하면, 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부(310)는 각 배터리 셀(Cell1 내지 Celln)의 셀 전압을 센싱한다(단계 S500). 그 다음 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부(310)는 센싱된 셀 전압에 기반하여 액티브 밸런싱 과 패시브 밸런싱을 동시에 수행할 것인지를 결정한다(단계 S510).
단계 S510에서, 제2 셀(Cell2)의 전압이 목표 전압보다 소정 전압 이상 많이 높고, 제n 셀(Celln)의 전압이 목표 전압보다 낮아 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하기로 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부(310)가 결정한 경우, 액티브 밸런싱 제어부(340)는, 상기 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부(310)의 결정에 기반하여, DC-DC 컨버터(320)의 입력에 전압이 높은 셀인 제2 셀(Cell2)의 출력이 인가되도록 제1 선택부(330)를 제어하고, DC-DC 컨버터(320)의 출력을 제n 패시브 밸런싱 저항(BRn)을 통해 전압이 낮은 셀인 제n 셀(Celln)에 인가하여, 전압이 높은 셀인 제2 셀(Cell2)의 전압과 전압이 낮은 셀인 제n 셀(Celln)의 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 제n 패시브 밸런싱 저항(BRn)을 통해 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행한다(단계 S520).
액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하기 위하여, 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부(310)는 패시브 밸런싱 스위치(TR1 내지 TRn) 중 n번째 패시브 밸런싱 스위치(TRn)를 오프시키고, 액티브 밸런싱 제어부(340)는 DC-DC 컨버터(320)에서 출력되는 액티브 밸런싱용 전압(ABV)이 제n 패시브 밸런싱 저항(BRn)을 통해 제n 셀(Celln)에 인가되도록, 제1 및 제2 액티브 밸런싱 스위치(Sn 및 Tn)를 온시켜 전압이 높은 셀인 제2 셀(Cell2)의 전압이 DC-DC 컨버터(320)를 통해 점선을 따라 표시된 바와 같이 제n 셀(Celln)에 인가되도록 한다.
상기와 같이, 본 발명에서는 패시브 밸런싱 저항(BRn)을 통해 전압이 높은 제2 셀(Cell2)과 전압이 낮은 제n 셀(Celln)에 대해 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하므로, 에너지 소비를 감소시키고 셀 밸런싱 시간을 단축하여 배터리 셀을 효율적으로 관리할 수 있다.
또한, 상기 단계 S520에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계는, 전압이 높은 셀의 에너지를 낮추고 전압이 낮은 셀은 에너지를 높여 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계(미도시)를 포함할 수 있다. 이 경우, 전압이 높은 셀은 패시브 밸런싱 저항을 통해 에너지를 소비하고 전압이 낮은 셀은 DC-DC 컨버터(320)의 출력을 통해 에너지를 얻어 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행할 수 있다.
또한, 상기 단계 S520에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계는, 전압이 높은 셀을 패시브 밸런싱 저항에 병렬로 연결하여 방전함과 동시에 DC-DC 컨버터(320)의 입력으로 하고, 상기 DC-DC 컨버터(320)의 출력을 전압이 낮은 셀에 인가하여 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계(미도시)를 포함할 수 있다.
한편, 단계 S510에서, 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부(310)가 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하기로 결정하는 데 있어서, 제2 셀(Cell2)의 전압이 목표 전압보다 소정 전압 이상 많이 높고, 제n 셀(Celln)의 전압이 목표 전압보다 낮은 경우 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하기로 결정할 수 있지만, 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하기 위한 조건은 이에 한정되지 않는다. 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부(310)는 센싱된 셀 전압들의 상태에 따라 다양한 조건하에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하기로 결정할 수 있다.
한편, 단계 S510에서 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부(310)가 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하지 않기로 결정한 경우, 셀 전압이 목표 전압보다 높거나 낮은 셀에 대해 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 각각 패시브 밸런싱 또는 액티브 밸런싱을 수행한다(S530).
패시브 밸런싱 또는 액티브 밸런싱을 수행하는 단계는 도 6을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
단계 S600에서는 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부(310)가 패시브 밸런싱을 수행할 것인지를 결정한다. 단계 S600에서 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부(310)가 패시브 밸런싱을 수행하기로 결정한 경우, 단계 S630에서는 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부(310)가 패시브 밸런싱 스위치(TR1 내지 TRn)를 제어하여 전압이 높은 셀의 에너지를 패시브 밸런싱 저항을 통해 열 에너지로 소비시켜, 패시브 밸런싱을 수행한다.
단계 S600에서 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부(310)가 패시브 밸런싱을 수행하지 않기로 결정한 경우, 단계 S610에서는 액티브 밸런싱 제어부(340)가 외부 전원을 이용한 액티브 밸런싱을 수행할 것인지를 결정한다. 단계 S610에서 액티브 밸런싱 제어부(340)가 외부 전원을 이용한 액티브 밸런싱을 수행하기로 결정한 경우, 단계 S620에서는, 외부 전원을 이용한 액티브 밸런싱을 수행한다. 상기 외부 전원은, 스위칭 모드 파워 서플라이(SMPS) 또는 별도의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 단계 S620에서, 액티브 밸런싱 제어부(340)는 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부(310)의 결정에 기반하여, 제1 선택부(330)를 제어하여 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 DC-DC 컨버터(320)의 입력을 외부 전원에 연결하고 제1 및 제2 액티브 밸런싱 스위치(S1 내지 Sn, T1 내지 Tn)를 제어하여 DC-DC 컨버터(320)의 출력을 전압이 낮은 셀에 인가하여, 외부 전원을 이용한 액티브 밸런싱을 수행한다.
단계 S610에서 액티브 밸런싱 제어부(340)가 외부 전원을 이용한 액티브 밸런싱을 수행하지 않기로 결정한 경우, 단계 S640에서는, 전압이 높은 셀을 이용하는 자가 액티브 밸런싱을 수행한다. 단계 S640에서, 액티브 밸런싱 제어부(340)는, 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부(310)의 결정에 기반하여, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지, 상기 제1 선택부(330)를 제어하여 상기 DC-DC 컨버터(320)의 입력을 전압이 높은 셀의 출력에 연결하고, 상기 제2 선택부(350)를 제어하여 상기 DC-DC 컨버터(320)의 출력을 전압이 낮은 셀에 인가하여, 자가 액티브 밸런싱을 수행한다.
한편, 도 4는 액티브 밸런싱 저항 및 다이오드를 추가한 본 발명의 다른 실시예에 의한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치를 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치는, 각각의 패시브 밸런싱 저항에 병렬로 연결되고, 서로 직렬로 연결된 액티브 밸런싱 저항(ABRn) 및 다이오드(Dn)를 복수 개(ABR1 및 D1 내지 ABRn 및 Dn) 더 포함한다.
도 4에 도시된 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치에서, 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 것은, DC-DC 컨버터(320)의 입력을 전압이 높은 셀에 연결하고 DC-DC 컨버터(320)의 출력을 다이오드(Dn), 액티브 밸런싱 저항(ABRn) 및 패시브 밸런싱 저항(BRn)을 통해 전압이 낮은 셀(Celln)에 연결하여, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 패시브 밸런싱 저항(BRn) 및 액티브 밸런싱 저항(ABRn)을 통해 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행한다.
이 경우, DC-DC 컨버터(320)를 이용한 셀 밸런싱시 패시브 밸런싱 저항과 액티브 밸런싱 저항이 병렬로 연결되므로, 전류량이 증가하여, 액티브 밸런싱 시간이 더 단축될 수 있다. 한편, 패시브 밸런싱시 다이오드(Dn)는 도통되지 않으므로, 패시브 밸런싱시 다이오드(Dn)에 의해 전류가 제한된다.
본 명세서에서 논의된 방법들은, 적용예에 따라서 다양한 수단을 이용하여 구현될 수도 있다. 예를 들어, 이러한 방법들은 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 임의의 조합의 형태로 구현될 수도 있다. 하드웨어를 수반하는 구현예에서, 제어부는 하나 이상의 주문형 집적 회로들(ASICs), 디지털 신호 프로세서들(DSPs), 필드 프로그램가능 게이트 어레이들(FPGAs), 프로세서들, 제어기들, 마이크로-제어기들, 마이크로프로세서들, 전자 장치들, 본 명세서에서 논의된 기능들을 실행하도록 설계된 다른 전자 유닛들 또는 이들의 조합으로 구현될 수도 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예들을 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
Cell1 내지 Celln : 복수의 배터리 셀들
BR1 내지 BRn : 복수의 패시브 밸런싱 저항
TR1 내지 TRn : 복수의 패시브 밸런싱 스위치
S1 내지 Sn : 복수의 제1 액티브 밸런싱 스위치
T1 내지 Tn : 복수의 제2 액티브 밸런싱 스위치
310 : 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부
320 : DC-DC 컨버터
330 : 제1 선택부
340 : 액티브 밸런싱 제어부
350 : 제2 선택부
BR1 내지 BRn : 복수의 패시브 밸런싱 저항
TR1 내지 TRn : 복수의 패시브 밸런싱 스위치
S1 내지 Sn : 복수의 제1 액티브 밸런싱 스위치
T1 내지 Tn : 복수의 제2 액티브 밸런싱 스위치
310 : 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부
320 : DC-DC 컨버터
330 : 제1 선택부
340 : 액티브 밸런싱 제어부
350 : 제2 선택부
Claims (27)
- (A) 복수의 배터리 셀들 중 적어도 하나의 배터리 셀의 셀 전압을 센싱하는 단계;
(B) 상기 센싱된 셀 전압에 기반하여 패시브 밸런싱과 액티브 밸런싱을 동시에 수행할 것인지를 결정하는 단계;
(C) 상기 단계 (B)에서 패시브 밸런싱과 액티브 밸런싱을 동시에 수행하기로 결정한 경우, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계; 및
(D) 상기 단계 (B)에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하지 않기로 결정한 경우, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 패시브 밸런싱 또는 액티브 밸런싱을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 단계 (B)는,
적어도 하나의 배터리 셀의 전압이 목표 전압보다 소정 전압 이상 높고 적어도 하나의 배터리 셀의 전압이 상기 목표 전압보다 낮은 경우, 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하기로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법. - 청구항 2에 있어서, 상기 단계 (C)에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계는,
전압이 높은 셀의 에너지를 패시브 밸런싱 저항을 통해 전압이 낮은 셀에 인가하여 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법. - 청구항 3에 있어서, 상기 단계 (C)에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계는,
DC-DC 컨버터의 입력을 전압이 높은 셀에 연결하고 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 패시브 밸런싱 저항을 통해 전압이 낮은 셀에 인가하여 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 단계 (C)에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계는,
전압이 높은 셀의 에너지를 낮추고 전압이 낮은 셀은 에너지를 높여 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법. - 청구항 5에 있어서, 상기 단계 (C)에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계는,
전압이 높은 셀은 패시브 밸런싱 저항을 통해 에너지를 소비하고 전압이 낮은 셀은 DC-DC 컨버터의 출력을 통해 에너지를 얻어 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법. - 청구항 5에 있어서, 상기 단계 (C)에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계는,
전압이 높은 셀을 패시브 밸런싱 저항에 병렬로 연결하여 방전함과 동시에 DC-DC 컨버터의 입력으로 하고, 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 전압이 낮은 셀에 인가하여 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법. - 청구항 3에 있어서, 상기 단계 (C)에서 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계는,
액티브 밸런싱 저항 및 상기 액티브 밸런싱 저항에 직렬로 연결된 다이오드를 패시브 밸런싱 저항에 병렬로 연결하며, DC-DC 컨버터의 입력을 전압이 높은 셀에 연결하고 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 상기 다이오드, 상기 액티브 밸런싱 저항 및 상기 패시브 밸런싱 저항을 통해 전압이 낮은 셀에 인가하여 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 단계 (D)에서 수행되는 패시브 밸런싱은,
셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 전압이 높은 셀의 에너지를 패시브 밸런싱 저항을 통해 열 에너지로 소비시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 단계 (D)에서 수행되는 액티브 밸런싱은,
외부 전원을 이용하는 액티브 밸런싱 또는 전압이 높은 셀을 이용하는 자가 액티브 밸런싱을 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법. - 청구항 10에 있어서, 상기 외부 전원을 이용하는 액티브 밸런싱은,
셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 DC-DC 컨버터의 입력을 외부 전원에 연결하고 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 전압이 낮은 셀에 인가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법. - 청구항 11에 있어서, 상기 외부 전원은, 스위칭 모드 파워 서플라이(SMPS) 또는 별도의 배터리 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법.
- 청구항 10에 있어서, 상기 자가 액티브 밸런싱은,
셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 DC-DC 컨버터의 입력을 전압이 높은 셀에 연결하고 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 전압이 낮은 셀에 인가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 방법. - 복수의 배터리 셀들 각각에 병렬로 연결되는 복수의 패시브 밸런싱 저항;
상기 패시브 밸런싱 저항 각각에 직렬로 연결되어 상기 패시브 밸런싱 저항을 상기 배터리 셀에 병렬로 연결하거나 연결해제하는 복수의 패시브 밸런싱 스위치;
상기 패시브 밸런싱 저항과 상기 패시브 밸런싱 스위치가 연결된 곳에 일단이 연결되고 타단에 액티브 밸런싱용 전압이 인가되는 복수의 제1 액티브 밸런싱 스위치;
상기 배터리 셀의 셀 전압을 센싱하고, 제어신호를 출력하며, 상기 센싱된 셀 전압에 기반하여 상기 패시브 밸런싱 스위치 및 상기 제1 액티브 밸런싱 스위치를 제어하여 패시브 밸런싱 및 액티브 밸런싱을 수행하는 제어부;
상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 액티브 밸런싱을 위한 전압을 출력하는 DC-DC 컨버터; 및
상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 복수의 배터리 셀들의 출력 및 외부 전원 중 하나를 선택하여 상기 DC-DC 컨버터의 입력으로 출력하는 제1 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치. - 청구항 14에 있어서, 상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 상기 복수의 배터리 셀들 중 하나에 인가하기 위한 제2 선택부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치.
- 청구항 15에 있어서,
일단이 상기 배터리 셀들 각각의 마이너스 전압 단자에 연결되고 타단이 상기 DC-DC 컨버터의 마이너스 전압 출력에 연결되며, 상기 제어부의 제어신호에 따라 온 또는 오프되는 복수의 제2 액티브 밸런싱 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치. - 청구항 15에 있어서, 상기 제어부는,
상기 배터리 셀의 셀 전압을 센싱하고, 상기 센싱된 셀 전압에 기반하여 상기 패시브 밸런싱 스위치들을 제어하여 패시브 밸런싱을 수행하는 전압 센싱 및 패시브 밸런싱 제어부; 및
상기 센싱된 셀 전압에 기반하여 상기 액티브 밸런싱 스위치, 상기 DC-DC 컨버터, 상기 제1 선택부 및 상기 제2 선택부를 제어하여 액티브 밸런싱을 수행하는 액티브 밸런싱 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치. - 청구항 15에 있어서, 상기 제어부는,
상기 센싱된 셀 전압에 기반하여, 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행할 것인지를 결정하고, 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하기로 결정한 경우, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 상기 패시브 밸런싱 저항 및 상기 DC-DC 컨버터를 통해 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하며, 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하지 않기로 결정한 경우, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 패시브 밸런싱 또는 액티브 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치. - 청구항 18에 있어서,
상기 제어부는, 적어도 하나의 배터리 셀의 전압이 목표 전압보다 소정 전압 이상 높고 적어도 하나의 배터리 셀의 전압이 상기 목표 전압보다 낮은 경우, 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하기로 결정하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치. - 청구항 19에 있어서, 상기 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 것은,
상기 제어부가 상기 제1 선택부를 제어하여, 상기 DC-DC 컨버터의 입력을 전압이 높은 셀에 연결하고 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 전압이 낮은 셀에 연결된 패시브 밸런싱 저항을 통해 상기 전압이 낮은 셀에 인가하여, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 상기 전압이 높은 셀의 에너지 중 일부는 상기 패시브 밸런싱 저항을 통해 열에너지로 소비되게 하고 나머지 에너지는 상기 전압이 낮은 셀에 인가되도록 하여, 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치. - 청구항 19에 있어서, 상기 각각의 패시브 밸런싱 저항에 병렬로 연결되고, 서로 직렬로 연결된 액티브 밸런싱 저항 및 다이오드를 복수 개 더 포함하고,
상기 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 것은,
상기 제어부가 상기 제1 선택부를 제어하여, 상기 DC-DC 컨버터의 입력을 전압이 높은 셀에 연결하고 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 상기 다이오드, 상기 액티브 밸런싱 저항 및 상기 패시브 밸런싱 저항을 통해 전압이 낮은 셀에 인가하여, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 패시브 밸런싱 저항 및 액티브 밸런싱 저항을 통해 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시에 수행하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치. - 청구항 19에 있어서, 상기 패시브 밸런싱은,
셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 전압이 높은 셀의 에너지를 패시브 밸런싱 저항을 통해 열에너지로 소비시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치. - 청구항 19에 있어서, 상기 액티브 밸런싱은,
외부 전원을 이용하는 액티브 밸런싱 또는 전압이 높은 셀을 이용하는 자가 액티브 밸런싱을 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치. - 청구항 23에 있어서, 상기 외부 전원을 이용하는 액티브 밸런싱은,
상기 제어부가 상기 제1 선택부를 제어하여, 셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지 상기 DC-DC 컨버터의 입력을 외부 전원에 연결하고 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 전압이 낮은 셀에 인가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치. - 청구항 24에 있어서, 상기 외부 전원은, 스위칭 모드 파워 서플라이(SMPS) 또는 별도의 배터리 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치.
- 청구항 23에 있어서, 상기 자가 액티브 밸런싱은,
셀 전압이 목표 전압에 도달할 때까지, 상기 제어부가 상기 제1 선택부를 제어하여 상기 DC-DC 컨버터의 입력을 전압이 높은 셀의 출력에 연결하고, 상기 제어부가 상기 제2 선택부를 제어하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 전압이 낮은 셀에 인가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치. - 청구항 14 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 의한 액티브 밸런싱과 패시브 밸런싱을 동시수행하는 셀 밸런싱 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
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