KR102125462B1

KR102125462B1 - 셀 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템

Info

Publication number: KR102125462B1
Application number: KR1020180097035A
Authority: KR
Inventors: 이종현
Original assignee: 주식회사 다음코리아
Priority date: 2018-08-20
Filing date: 2018-08-20
Publication date: 2020-06-23
Also published as: KR20200021368A

Abstract

본 발명의 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템에 따르면, 배터리를 구성하는 직렬 연결된 복수 개의 충전 셀을 충전 또는 방전시킬 경우에 충전 셀의 충/방전 전압이 균일하게 되도록 충전 및 방전을 제어하기 위한 것이고, 각 셀의 충전, 방전 전류량 계측 알고리즘, 각 셀의 충전량 비교 알고리즘 및 각 셀의 전압, 충전량 계측 알고리즘을 포함하는 배터리 충전 상태 계측 알고리즘과, 각 셀의 임피던스 계측 알고리즘, 각 셀의 노화 계측 알고리즘 및 각 셀의 온도 계측 알고리즘을 포함하는 배터리 수명 계측 알고리즘과, 각 셀의 전압, 전류 비교 계측 알고리즘 및 배터리 팩의 전압, 전류 비교 계측 알고리즘을 포함하는 배터리 팩 모니터링 알고리즘을 이용하고, 셀 충전 전류 기반을 통한 액티브 방식의 배터리 관리를 통하여 배터리 충/방전 편차가 기존 5% 내지 10% 이었던 것을, 3% 내지 5%로 개선되도록 하여, 배터리의 수명이 길어지고, 이러한 배터리가 내장된 시스템이 안정화될 수 있어 에너지 저장 장치를 대용량화할 수 있다.

Description

셀 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템{Battery Management system based on Cell Charge up Current}

본 발명은 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리를 구성하는 직렬 연결된 복수 개의 충전 셀을 충전 또는 방전시킬 경우에 충전 셀의 충/방전 전압이 균일하게 되도록 충전 및 방전을 제어하기 위한 것이며, 셀 충전 전류 기반을 통한 액티브(Active) 방식의 배터리 관리를 통하여 배터리 충/방전 편차가 기존 5% 내지 10% 이었던 것을, 3% 내지 5%로 개선되도록 하여, 배터리의 수명이 길어지고, 이러한 배터리가 내장된 시스템이 안정화될 수 있어 에너지 저장 장치(ESS)를 대용량화할 수 있는 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.

현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.

이러한 이차전지를 단위 전지로 포함하는 전지팩은 전기 자동차, 전기 자전거, 전동 공구 및 휴대용 컴퓨터 등 다양한 디바이스의 전원으로 사용되고 있으며, 각각의 디바이스에 필요한 전압 및 용량을 확보할 수 있도록 복수의 전지셀들이 직렬 연결되어 있는 것이 일반적이다.

이러한 전지팩을 충전하기 위해서는, 전지셀들이 직렬로 연결되어 있는 상태에서 전류를 인가하여, 일괄적으로 충전하는 방법이 일반적으로 사용되었다.

다만, 전지팩에 포함된 전지셀들은 제조상의 오차로 인해 용량 및 내부 저항에 있어서 어느 정도 차이를 가지게 되고, 이에 대한 고려없이 일괄적으로 충전을 하는 경우, 충전 불균일 현상이 발생하여, 일부 전지셀들은 과충전 되고, 또 다른 일부 전지셀들은 완충전 되지 못하는 문제가 발생할 수 있다.

이러한 충전 불균일 현상으로 인하여, 일부 전지셀들의 용량을 충분히 활용하지 못하여 전지팩의 용량이 감소하는 문제, 일부 전지셀들의 과충전 또는 과방전으로 인해 전지의 수명이 단축되는 문제 등이 발생할 수 있다.

종래에는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 전지팩에 내장되어 있는 BMS (battery management system)를 이용하여, 충전 과정에서 각각의 전지셀들의 전압을 측정한 후 전지셀들이 전압 불균형을 이루는 경우, 전압이 높은 특정 전지셀을 방전시킴으로써 전지셀들 간의 전압이 균형을 이룰 수 있도록 조절하는 전지셀 밸런싱 방법이 사용되었다.

이와 같이 충전 중에 특정 전지셀을 방전시키기 위해서는, 각각의 전지셀에 저항과 트랜지스터를 연결하고 BMS를 통해 이를 제어해야 하므로, 전지팩의 구성이 복잡해지고, BMS의 제어 로직이 복잡해지는 문제가 발생하였다.

또한, 전지셀의 방전을 통해 밸런싱을 유도하므로 방전량만큼 에너지 효율이 감소하며, 방전 시 발생하는 열로 인하여 전지팩이 과열되어 안전성을 위협하는 문제도 발생하였다.

따라서, 전지팩 충전 시 전지셀들을 밸런싱 하더라도, 에너지 효율이 높고, 전지팩의 과열을 방지할 수 있으며, 전지팩의 구성을 간소화할 수 있는 기술에 대한 개발이 필요한 실정이다.

대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2007-0111587호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리를 구성하는 직렬 연결된 복수 개의 충전 셀을 충전 또는 방전시킬 경우에 충전 셀의 충/방전 전압이 균일하게 되도록 충전 및 방전을 제어하기 위한 것이고, 각 셀의 충전, 방전 전류량 계측 알고리즘, 각 셀의 충전량 비교 알고리즘 및 각 셀의 전압, 충전량 계측 알고리즘을 포함하는 배터리 충전 상태(SOC, State of Charge) 계측 알고리즘과, 각 셀의 임피던스 계측 알고리즘, 각 셀의 노화 계측 알고리즘 및 각 셀의 온도 계측 알고리즘을 포함하는 배터리 수명(SOH, State of Health) 계측 알고리즘과, 각 셀의 전압, 전류 비교 계측 알고리즘 및 배터리 팩(PACK)의 전압, 전류 비교 계측 알고리즘을 포함하는 배터리 팩 모니터링 알고리즘을 이용하고, 셀 충전 전류 기반을 통한 액티브(Active) 방식의 배터리 관리를 통하여 배터리 충/방전 편차가 기존 5% 내지 10% 이었던 것을, 3% 내지 5%로 개선되도록 하여, 배터리의 수명이 길어지고, 이러한 배터리가 내장된 시스템이 안정화될 수 있어 에너지 저장 장치(ESS)를 대용량화할 수 있으며, Multi Coupled Flayback Transformer를 통한 Coupled Inductor와 FET를 통한 5A 이상의 밸런싱 전류 제어 및 Coupled Inductor 내 저장에너지를 활용한 밸런싱 효율 증대로 인해 대용량 배터리 셀 밸런싱이 가능하고, Coupled Inductor에 의한 부품 수 감소로 원가 개선 및 신뢰성이 증대되며, 부품수가 작아 제품 사이즈를 줄일 수 있어 가격 경쟁력 확보가 가능한 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템은 제어 스위치 역할을 하는 P MOSFET와 N MOSFET로 구성된 FET의 동작을 제어하는 밸런싱제어부가 구비되고; 1개의 양방향 Flyback Transformer로 구성된 밸런싱수행부가 내부 권선으로 연결되어 구비되는 것으로, 밸런싱수행부의 일측은 배터리 셀과 배터리 셀 사이에 연결되어 구비되고, 밸런싱수행부의 타측은 P MOSFET와 N MOSFET 사이에 연결되어 구비되고; 각각의 배터리 셀에 대한 전류와 전압을 모니터링하여 밸런싱제어부로 전달하는 모니터링부가 구비되고; P MOSFET와 N MOSFET이므로 하나의 제어 신호로 두 개의 제어 스위치가 동시에 제어되며, 항상 동작은 홀수 번째 배터리 셀과 짝수 번째 배터리 셀로 구분하여 인접 배터리 셀의 밸런싱 수행으로 배터리 셀 불균형을 막도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템은, 초기화 후 배터리의 전체 전압과 전류를 측정하고, 이후 각각의 배터리 셀의 전압과 전류를 측정하고; 이어서, 짝수 번째의 배터리 셀의 최대 충전량, 최소 충전량, 평균 충전량을 측정하고; 이어서, 홀수 번째의 배터리 셀의 최대 충전량, 최소 충전량, 평균 충전량을 측정하고; 이어서, 각각의 배터리 셀의 충전량에서 최대 충전량, 충전량의 평균 충전량 대비 최소 충전량을 판정하여 밸런싱이 필요한 배터리 셀을 선정하고; 이어서, 선정된 배터리 셀에 대한 밸런싱을 수행 후 평균 충전량과 비교하여 지속적으로 최대 충전량 및 최소 충전량을 선정하여 밸런싱을 수행할 수 있다.

충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템은, 각각의 배터리 셀의 내부 임피던스 변화를 계측하여 배터리 셀의 수명을 측정하고; 온도에 따라 저항값이 변하는 NTC소자를 이용하여 배터리 셀의 충전/방전 시 내부 임피던스에 의해 발생하는 열과 외부 환경에 의해서 영향을 받는 전체적인 온도를 측정할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템에 따르면, 배터리를 구성하는 직렬 연결된 복수 개의 충전 셀을 충전 또는 방전시킬 경우에 충전 셀의 충/방전 전압이 균일하게 되도록 충전 및 방전을 제어하기 위한 것이고, 각 셀의 충전, 방전 전류량 계측 알고리즘, 각 셀의 충전량 비교 알고리즘 및 각 셀의 전압, 충전량 계측 알고리즘을 포함하는 배터리 충전 상태(SOC, State of Charge) 계측 알고리즘과, 각 셀의 임피던스 계측 알고리즘, 각 셀의 노화 계측 알고리즘 및 각 셀의 온도 계측 알고리즘을 포함하는 배터리 수명(SOH, State of Health) 계측 알고리즘과, 각 셀의 전압, 전류 비교 계측 알고리즘 및 배터리 팩(PACK)의 전압, 전류 비교 계측 알고리즘을 포함하는 배터리 팩 모니터링 알고리즘을 이용하고, 셀 충전 전류 기반을 통한 액티브(Active) 방식의 배터리 관리를 통하여 배터리 충/방전 편차가 기존 5% 내지 10% 이었던 것을, 3% 내지 5%로 개선되도록 하여, 배터리의 수명이 길어지고, 이러한 배터리가 내장된 시스템이 안정화될 수 있어 에너지 저장 장치(ESS)를 대용량화할 수 있으며, Multi Coupled Flayback Transformer를 통한 Coupled Inductor와 FET를 통한 5A 이상의 밸런싱 전류 제어 및 Coupled Inductor 내 저장에너지를 활용한 밸런싱 효율 증대로 인해 대용량 배터리 셀 밸런싱이 가능하고, Coupled Inductor에 의한 부품 수 감소로 원가 개선 및 신뢰성이 증대되며, 부품수가 작아 제품 사이즈를 줄일 수 있어 가격 경쟁력 확보가 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래의 액티브 밸런싱 회로를 나타낸 도면이며,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템을 나타낸 도면이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템이 포함된 전체 구성을 나타낸 도면이며,
도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템의 구성을 나타낸 도면이며,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템을 구성하는 액티브 밸런싱 회로를 나타낸 도면이며,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템을 통한 밸런싱 제어를 설명하는 플로우차트이며,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템에서 배터리 충전량, 배터리 수명, 온도를 계측하는 상태를 나타낸 도면이며,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템을 통한 충전 시 밸런싱 제어 결과를 나타낸 도면이며,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템을 통한 방전 시 밸런싱 제어 결과를 나타낸 도면이며,
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템을 나타낸 도면이며,
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템을 구성하는 배터리 셀의 동작 설명을 위한 도면이며,
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템을 구성하는 모니터링부의 동작 설명을 위한 도면이며,
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템을 통한 밸런싱 제어를 설명하기 위한 도면이며,
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템을 통한 밸런싱 제어를 설명하기 위한 플로우차트이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 일실시예에 따른 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템은 도 2 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, COUPLED INDUCTOR와 FET이 구비된 Multi Coupled Flayback Transformer와 통합 컨트롤 보드가 포함되어 BMS 모듈 형태로 구성된다.

상기 배터리 관리 시스템에서 밸런싱 수행할 수 있는 배터리 셀은 12채널(ch)이며, 셀(CELL) 전압 측정 범위는 0 ~ 4Vdc, 셀 Package 전압 측정 범위는 0 ~ 48Vdc (Max), 셀 간 편차 전압 범위는 0 ~ 50mVpp, 시험용 배터리용량은 48V 20Ah의 성능으로 구비될 수 있다.

상기 배터리 관리 시스템은 기본 12개의 배터리 셀을 모니터링과 밸런싱을 수행하는 방법으로 각 배터리 셀을 관리하고, 12개 배터리 셀을 단위 PACK으로 구성할 수 있다.

이러한 배터리 셀은 리튬이온 계열인 NMC 리튬이온, 리튬이온인산철, 리튬이온 니켈 등 리튬이온 계열의 배터리 셀이 될 수 있다.

상기 배터리 관리 시스템의 기능으로써, 안전 기능, 제어 및 모니터링 기능, 대기 기능, 보안 및 알고리즘 기능이 더 추가된다.

안전 기능으로써, 배터리 시스템에서 가장 위험한 오류의 원인이 되는 문제들인, 낡아서 해진 케이블 또는 사고의 영향으로 자동차 섀시에 존재하는 검출되지 않은 이상 고전압으로부터 발생하는 위험과 고전압 배터리의 화재 또는 폭발에서 오는 위험이 포함되며, 이러한 고전압 배터리의 원인으로는, 예를 들어 공중망에서 또는 에너지 복원으로 인한 배터리 과충전, 폭발성 기체의 유출 등으로 인한 배터리의 조기 노후화, 빗물 등에 의한 잘못된 액체 유입 및 단락 회로, 잘못된 수리와 같은 오용, 그리고 냉각이 제대로 이루어지지 않는 열관리 오류 등이다.

안전과 관련해 주 스위치(주 릴레이)는 고전압 관련 사고를 방지하고 BMS 전자 장치가 적절한 오류 반응을 갖도록 보장하는데 중요한 역할을 한다.

오류가 발생하면 스위치는 BMS 모듈에 의해 적절한 오류 반응 시간 내에(예, 10ms 미만) 개방되어야 한다.

Non-critical 오류 안전 조건은 BMS 마이크로컨트롤러(MCU)에 장애가 발생하는 경우, 컨트롤러 로직이 완전히 잘못된 경우에도 윈도우 워치독과 같은 독립적인 외부 안전 소자가 주 스위치 릴레이로 하여금 안전하게 인버터에 대한 고전압 접점 두 군데(플러스/마이너스)를 모두 개방하는 것을 보장한다는 특징을 갖는다.

BMS에는 누설 전류 모니터링, 주 스위치 릴레이 모니터링과 같은 다른 안전 기능도 포함돼 있다.

제어 및 모니터링 기능으로써, BMS는 배터리 스택에 설치된 전자 밸런싱 슬레이브를 제어하고 모니터링 한다.

밸런싱 IC는 BMS로부터 전기적으로 분리된 개별 고전압 배터리 셀의 전자 프론트 엔드로 동작하며, 개별 셀 스택의 일반적인 밸런싱과 단일 셀 전압의 정밀한 감지를 수행한다.

밸런싱 IC는 통상 최대 12개의 개별 배터리 셀로 이루어진 클러스터를 관리한다.

직렬로 연결된 관련된 수량의 클러스터는 전기차에서 인버터 전기 구동에 필요한 인버터 제어의 최대 수백 볼트의 높은 중간 회로 전압을 생성한다.

대기 기능으로써, BMS는 밸런싱 IC를 통해 BMS 동작 모드에서 특정 개별 배터리 셀 데이터를 기록하기 위해 μA 범위의 매우 낮은 MCU 소비 전력을 필요로 하면서 타이머와 같은 방법으로 시스템을 간단히 깨울 수 있는 특수한 저 전력 기반의 대기 기능을 제공한다.

보안 및 알고리즘 기능으로써, 기존의 배터리 클러스터에서 개별 셀을 교체하거나 해체된 개별 부품에서 가져온 중고 배터리를 조립하는 행위는 안전과 관련된 오류나 심지어 폭발 또는 화재와 같은 잠재적 위험을 감춘다.

따라서, 인피니언의 Origa 칩과 같은 적절한 보호 모듈을 개별 셀 클러스터에 직접 설치할 수 있다.

그러나 저가형 대안으로 하드웨어 보안 모듈(HSM) 형식으로 배터리 개별 데이터에 대한 논리적 보호를 MCU에 통합할 수 있다

참고로, 기존의 Active Balancing을 수행하기 위한 회로로써, 도 1의 (a)는 여러 개의 Inductor와 FET를 이용한 BUCK & BOOSTOR 밸런싱 방식으로 사용 부품의 과다로인한 비용이 상승하였고, 도 1의 (b)는 각각의 배터리 셀이 FLYBACK TRANSFORMER 사용으로 회로 구조가 복잡하고, 이에 따른 비용이 상승하였고, 도 1의 (c)는 1개의 TRANSFORMER에 각각의 배터리 셀이 연결하는 구조로 제어가 복잡하였다.

이에 대하여 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은 전반적으로 대용량 배터리의 셀을 보다 균등하게 유지가 가능하고, 원가 절감이 가능할 뿐만 아니라, 제품수명 및 신뢰성을 개선하여 제품의 경쟁력을 확보하고, 배터리 셀의 전류 충전량에 의한 12CH 양방향 FLYBACK 4A 전류 액티브 밸런싱을 수행한다.

본 발명에 따른 배터리 관리 시스템에서 밸런싱을 수행하기 위하여, 도 3 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 제어 스위치 역할을 하는 P MOSFET와 N MOSFET로 구성된 FET의 동작을 제어하는 밸런싱 제어부(MCU)가 구비되고, 1개의 양방향 Flyback Transformer로 구성된 밸런싱 수행부(Cell Balancing Parts)가 내부 권선으로 연결되어 구비되는 것으로, 밸런싱 수행부의 일측은 배터리 셀과 배터리 셀 사이에 연결되어 구비되고, 밸런싱 수행부의 타측은 P MOSFET와 N MOSFET 사이에 연결되어 구비된다.

각각의 배터리 셀에 대한 전류와 전압을 모니터링하여 밸런싱 제어부로 전달하는 모니터링부(Cell Monitoring)가 구비되고, P MOSFET와 N MOSFET이므로 하나의 제어 신호로 두 개의 제어 스위치가 동시에 제어되며, 항상 동작은 홀수 번째 배터리 셀과 짝수 번째 배터리 셀로 구분하여 인접 배터리 셀의 밸런싱 수행으로 배터리 셀 불균형을 막도록 제어된다.

본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은, 초기화 후 배터리의 전체 전압과 전류를 측정하고, 이후 각각의 배터리 셀의 전압과 전류를 측정하고, 이어서, 짝수 번째의 배터리 셀의 최대 충전량, 최소 충전량, 평균 충전량을 측정하고, 이어서, 홀수 번째의 배터리 셀의 최대 충전량, 최소 충전량, 평균 충전량을 측정하고, 이어서, 각각의 배터리 셀의 충전량에서 최대 충전량, 충전량의 평균 충전량 대비 최소 충전량을 판정하여 밸런싱이 필요한 배터리 셀을 선정하고, 이어서, 선정된 배터리 셀에 대한 밸런싱을 수행 후 평균 충전량과 비교하여 지속적으로 최대 충전량 및 최소 충전량을 선정하여 밸런싱을 수행한다.

그리고, 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은 배터리 SOC, SOH, THERMAL 계측을 수행하는 것으로, 배터리 셀의 내부 임피던스 변화를 계측하여 수학식 1 및 도 8에 의해 계산하여 SOH를 측정한다.

이어서, 제어 알고리즘에서 평가한 전류를 기반으로 배터리 팩 전체의 충전량을 측정하고, 온도에 따라 저항값이 변하는 NTC소자를 이용하여 배터리 셀의 충전/방전 시 내부 임피던스에 의해 발생하는 열과 외부 환경에 의해서 영향을 받는 전체적인 온도를 측정한다.

본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은 과충전 전압(OVP), 과방전 전압(UVP), 고온차단(OTP), 저온차단(UTP), 과충전 전류(OCCP), 과방전 전류(ODCP)의 보호 동작 기능과 함께 셀 밸런싱(Cell Balancing)기능을 수행하며, BMS가 측정한 배터리의 상태 정보 등을 셀 밸런싱 프로그램을 통하여 제어되는 기능을 하기와 같이 제공한다.

1) Over Voltage Alarm/Protection

Cell 전압을 모니터링 하는 동안 Cell 중 어떤 것이던 먼저 Over Voltage Alarm에 도달하면 OVA Status Bit가 Set되며 경고를 보내고, Cell 전압이 계속 상승하여 Over Voltage Protection에 도달하면 OVP Status Bit가 Set되며 BUZZER를 동작시켜 경고음을 내보낸다.

OVA/OVP 동작 후 모든 Cell 전압이 OVP Release Voltage에 도달하면 OVA/OVP Bit가 Clear되고 BUZZER 경고음은 멈춘다.

2) Under Voltage Alarm/Protection

Cell 전압을 모니터링 하는 동안 Cell 중 어떤 것이던 먼저 Under Voltage Alarm에 도달하면 UVA Status Bit가 Set 되며 경고를 보내고, Cell 전압이 계속 하강하여 Under Voltage Protection에 도달하면 UVP Status Bit가 Set 되며 BUZZER를 동작시켜 경고음을 내보낸다.

UVA/UVP 동작 후 모든 Cell전압이 UVP Release Voltage에 도달하면 UVA/OVP Bit가 Clear되고 BUZZER 경고음은 멈춘다.

3) Over Charge Current Protection

충전 중 전류를 모니터링 하는 동안 Parameter에 설정한 Over Charge Current Protection 이상의 전류를 감지하면 OCCP Status Bit가 Set되며 BUZZER를 동작시켜 경고음을 내보낸다.

4) Over Discharge Current Protection

방전 중 전류를 모니터링하는 동안 Parameter에 설정한 Over Discharge Current Protection 이상의 전류를 감지하면 ODCP Status Bit가 Set 되며 BUZZER를 동작시켜 경고음을 내보낸다.

5) Charge High Temperature 보호 기능

Cell 온도를 모니터링 하는 동안 Cell 온도 중 어떤 것이던 먼저 Charge Hi Temp Protection 설정 값 이상이면 CHTP Status Bit가 Set되며 BUZZER를 동작시켜 경고음을 내보낸다.

6) Charge Low Temperature 보호 기능

Cell 온도를 모니터링하는 동안 Cell 온도 중 어떤 것이던 먼저 Charge Low Temp Protection 설정 값 이하이면 CLTP Status Bit가 Set되며 BUZZER를 동작시켜 경고음을 내보낸다.

7) Discharge High Temperature

Cell 온도를 모니터링하는 동안 Cell 온도 중 어떤 것이던 먼저 Discharge Hi Temp Protection 설정 값 이상이면 DHTP Status Bit가 Set 되며 BUZZER를 동작시켜 경고음을 내보낸다.

8) Cell Balancing

어떤 Cell 전압이 설정 전압에 도달하면 CELL 밸런싱을 시작하고, 어떤 CELL 전압이 설정값 MAX에에 도달하면, LOAD 동작하여 설정값 MIN값까지 CELL 방전 후 다시 CELL 충전을 시작 한다.

이 동작은 반복으로 진행이 되고, CELL 밸런싱 시 FAN은 충전 모드 시 계속 동작을 하게 된다.

모든 CELL 전압이 설정값을 만족하면, LOAD는 충전 전류가 계속 흐르면 동작을 하며, 충전 전류가 ZERO가 되면 10분 정도 동작 후 멈춘다.

9) SOC calculation

초기 SOC는 일정 전압이상 충전 시 100%로 하며, SOC 계산은 전류 적산 방식(1초 단위로 사용 전류를 측정해서 이를 적산한 값)을 이용하여 계산한다.

이후 이를 보정은 BMS가 OFF 될 때 OCV전압을 이용하여 테이블화 한 값을 읽어 들여서 전류 적산 값과 비교를 하여 3% 미만일 때 OCV전압 값으로 보정을 하게 된다.

아울러, 도 9는 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템을 통하여 충전 시에 밸런싱된 상태를 나타낸 시험 결과이며, 도 10은 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템을 통하여 방전 시에 밸런싱된 상태를 나타낸 시험 결과이다.

본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은, 양방향 Coupled Multi Flyback Active 밸런싱 방식을 사용하여, 표 1에 나타낸 바와 같이, 기존 Active 밸런싱 방식(도 1 참고) 대비, Multi Coupled Transformer가 50% 정도 감소가 되므로 부품 단가를 획기적으로 절감할 수 있고, 스위치용 반도체 수량을 도 1의 (a) 방식보다 50% 감소하며, 도 1의 (b) 및 (c)의 방식보다는 적은 수량 사용으로 비용이 절감된다.

아울러, 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은, 제어해야할 전압이 낮기 때문에 스위치 반도체에서의 POWER LOSS를 줄이며, 이에 비례하여 제품 수명 및 신뢰성이 개선된다.

전반적으로 대용량 배터리의 셀을 보다 균등하게 유지가 가능하고, 원가절감이 가능할 뿐만 아니라, 제품수명 및 신뢰성을 개선하여 제품의 경쟁력을 확보할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템은 도 11 내지 도 15에 나타낸 바와 같이, 기존의 배터리 셀에 대한 밸런싱 방식이 충전이 완료된 후에 각 배터리 셀에 P MOSFET를 통하여 작은 전류를 방전하는 방식으로 진행을 하고, 이에 따른 밸런싱을 수행하는데 상당한 시간을 필요로 하였고, 적은 전류이다 보니 배터리 셀 전압의 RECOVERY현상으로 실제적인 밸런싱 효과가 떨어지던 문제점을 개선하기 위하여, 충전 중이더라도 큰 밸런싱 전류가 흐르도록 하고, 발열 문제를 개선하기 위하여 점멸식으로 진행함으로써 밸런싱 효과를 크게 얻을 수 있으며, 밸런싱 시간도 절약 할 수 있도록 구성된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템은 큰 전류를 흐르도록 하는 P MOSFET와 고밀도 저저항으로 구성되는 배터리 방전 회로가 포함되어 구성되며, 배터리 밸런싱 효과를 크게 하기 위하여, 중간 점멸식으로 배터리 방전을 진행하게 된다.

먼저, 배터리 셀 주변 회로의 동작 모드 및 동작 설명으로써, 도 12에 나타낸 바와 같이, 배터리 각 셀에 대한 전압은 R437, R436 등 C12, C11라인을 통하여 배터리 셀 모니터링 IC인 LT6804에서 전압을 모니터링한다.

기본은 12개의 배터리 각 셀은 LT6804 IC에 의해서 전압이 모니터링이 되고, 모니터링된 전압은 ISOLATOR를 통하여 MCU에 전달된다.

모니터링된 전압은 기 프로그램된 알고리즘에 의해서, 즉 배터리 셀 간 전압 편차 값을 일정범위 안으로 유지하기 위하여, MCU는 ISOLATOR를 통하여 밸런싱 명령을 전달한다.

LT6804는 MCU로부터 명령을 받고, 배터리 셀 밸런싱이 필요한 배터리 셀에 대하여 방전을 시작한다.

각 배터리에는 Q411, Q412와 같은 P형 FET가 연결되어 있으며, FET의 GATE에 S11, S12와 같이 LT6804에 연결되어 있고, 이 PORT를 HIGH, LOW로 상태를 유지함으로 FET를 ON/OFF하게 된다.

P형 FET가 ON시 배터리에 저장된 에너지가 RA 나 RB를 통하여 방전을 하고, 방전을 통하여 선택된 배터리 셀의 전압이 떨어지게 되고, 앞서 설명을 한 것처럼, 기 프로그램된 배터리 셀 편차 값 이내가 되었을 때, FET가 OFF가 된다.

이러한 반복된 과정을 통하여 각각의 배터리 셀의 전압을 조정하게 된다.

신호 전압 LEVEL SHIFT 동작 모드로써, 도 13에 나타낸 바와 같이, MONITORING 측에는 3.3V 전압이 MCU측에는 5V가 필요하며, 양측에도 같은 LEVEL의 신호 전압이 필요하다.

따라서, 다른 전압으로 신호 전달이 필요하고, 여기에 필요한 것이 UM302와 같은 절연형 ISOLATOR가 필요하고, SCK와 같은 SIGNAL CLOCK이 필요하며, 이에 따라 nCS를 통하여 데이터를 양방향으로 전달한다.

배터리 밸런싱 PROCEDURE 동작으로써 도 14 및 도 15에 나타낸 바와 같이, U101은 ATMEGA90CAN으로 16MHZ CLOCK SIGNAL로 동작을 하며, MCU 전압은 5V로 구동된다.

충전 및 방전 초기 및 실행 중에 각 배터리 모니터링 초기화하고, 지속적 모니터링을 진행하며, 각 셀 전압이 프로그램된 셀 간 편차 이내에 있을 경우 지속적으로 모니터링을 진행한다.

이어서, 가장 낮은 배터리 셀 전압 대비 셀 간 편차가 정해진 범위를 벗어난 경우, 벗어난 배터리 셀 중 가장 많이 벗어난 셀부터 밸런싱를 시작한다.

이어서, 밸런싱 전압이 정해진 편차 전압 이내로 들러올 경우 밸런싱을 멈추며, 다음으로 벗어난 배터리 셀을 밸런싱한다.

이어서, 같은 방법으로 순차적으로 밸런싱을 하여, 정해진 범위내로 모든 배터리 셀이 들어오면, 지속적인 모니터링 단계로 진행된다.

밸런싱 전류는 약 1.5A 정도로 85% 이상 충전 시 밸런싱 프로그램이 동작을 하며, 각 1분씩 밸런싱 동작을 하며, 최대 방전 전류를 흐르게 함으로써 짧은 시간 내에 각 셀 전압 편차를 정해진 범위로 들어오게 한다.

이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 제시하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims

제어 스위치 역할을 하는 P MOSFET와 N MOSFET로 구성된 FET의 동작을 제어하는 밸런싱제어부가 구비되고;
1개의 양방향 Flyback Transformer로 구성된 밸런싱수행부가 1차 코일과 2차 코일의 내부 권선으로 연결되어 구비되는 것으로, 밸런싱수행부의 일측 일단은 배터리 셀 BT1-BT2 사이에 연결되고, 일측 타단은 배터리 셀 BT3-BT4 사이에 연결되어 구비되고, 밸런싱수행부의 타측 일단은 P MOSFET와 N MOSFET Q2-Q1사이에 연결되고, 타측 타단은 P MOSFET와 N MOSFET Q4-Q3에 연결되어 구비되고;
각각의 배터리 셀에 대한 전류와 전압을 모니터링하여 밸런싱제어부로 전달하는 모니터링부가 구비되고;
상기 P MOSFET과 고밀도 저저항으로 구성되어 배터리 밸런싱 효과를 제고하기 위해 중간 점멸식으로 배터리 방전을 진행하는 배터리 방전회로가 구비되며;
P MOSFET와 N MOSFET이므로 하나의 제어 신호로 두 개의 제어 스위치가 동시에 제어되며, 항상 동작은 홀수 번째 배터리 셀과 짝수 번째 배터리 셀로 구분하여 인접 배터리 셀의 밸런싱 수행으로 배터리 셀 불균형을 막도록 제어되되,
상기 밸런싱제어부는
상기 배터리 셀의 충전, 방전 전류량 계측 알고리즘, 상기 배터리 셀의 충전량 비교 알고리즘 및 상기 배터리 셀의 전압, 충전량 계측 알고리즘을 포함하는 배터리 충전 상태(SOC, State of Charge) 계측 알고리즘과, 상기 배터리 셀의 임피던스 계측 알고리즘, 상기 배터리 셀의 노화 계측 알고리즘 및 상기 배터리 셀의 온도 계측 알고리즘을 포함하는 배터리 수명(SOH, State of Health) 계측 알고리즘과, 상기 배터리 셀의 전압, 전류 비교 계측 알고리즘 및 배터리 팩(PACK)의 전압, 전류 비교 계측 알고리즘을 포함하는 배터리 팩 모니터링 알고리즘을 이용하여, 상기 배터리 셀의 충전 전류량 기반으로 배터리 충전 상태를 계측하고, 배터리 수명을 계측하며, 배터리 팩 모니터링을 통해 능동적인 방식으로 배터리를 관리하는 것을 특징으로 한 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템.
청구항 1에 있어서, 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템은, 초기화 후 배터리의 전체 전압과 전류를 측정하고, 이후 각각의 배터리 셀의 전압과 전류를 측정하고; 이어서, 짝수 번째의 배터리 셀의 최대 충전량, 최소 충전량, 평균 충전량을 측정하고; 이어서, 홀수 번째의 배터리 셀의 최대 충전량, 최소 충전량, 평균 충전량을 측정하고; 이어서, 각각의 배터리 셀의 충전량에서 최대 충전량, 충전량의 평균 충전량 대비 최소 충전량을 판정하여 밸런싱이 필요한 배터리 셀을 선정하고; 이어서, 선정된 배터리 셀에 대한 밸런싱을 수행 후 평균 충전량과 비교하여 지속적으로 최대 충전량 및 최소 충전량을 선정하여 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 한 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템.
청구항 2에 있어서, 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템은, 각각의 배터리 셀의 내부 임피던스 변화를 계측하여 배터리 셀의 수명을 측정하고; 온도에 따라 저항값이 변하는 NTC소자를 이용하여 배터리 셀의 충전/방전 시 내부 임피던스에 의해 발생하는 열과 외부 환경에 의해서 영향을 받는 전체적인 온도를 측정하는 것을 특징으로 한 충전 전류 기반의 배터리 관리 시스템.