KR102133558B1 - 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치는, 배터리 트레이 내의 온도 조절을 위한 팬; 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 센싱하고 상기 복수의 배터리 셀 중 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀을 선택하여 선택된 셀의 전압을 출력하기 위한 셀 센싱 및 셀 선택부; 제어 신호에 따라 외부 전원의 전압 또는 상기 셀 센싱 및 셀 선택부에서 출력되는 전압을 상기 팬에 공급하는 선택부; 및 상기 셀 센싱 및 셀 선택부에서 센싱된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 이상인지를 판단하고, 상기 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 미만인 경우 상기 선택부의 동작을 제어하여 외부 전원의 전압을 상기 팬에 공급하며, 상기 셀간 전압 편차가 기준값 이상인 경우 상기 선택부의 동작을 제어하여 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 상기 팬에 공급하는 제어부를 포함하여, 많은 양의 에너지를 소모시키면서도 밸런싱 저항으로 인한 발열에 대한 부담이 없고, 기술 구현이 상대적으로 용이하며, 최소한의 비용으로 밸런싱 효율을 향상시킬 수 있고, 밸런싱에 소요되는 시간도 대폭 단축시킬 수 있다.
Description
본 발명은 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)은 발전 전력을 저장하여 수요 패턴에 맞게 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 시스템으로서, 발전소에서 과잉 생산된 전력을 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 공급해주는 저장 장치를 말한다.
에너지 저장 시스템은, 복수의 배터리 랙과 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)을 포함하는 배터리 시스템, 전력 변환 시스템(PCS: Power Conversion System) 및 에너지 관리 시스템(EMS: Energy Management System)을 포함한다.
복수의 배터리 랙은 에너지를 충전하여 저장하고 필요시 에너지를 방전하여 출력하기 위한 것이고, 배터리 관리 시스템은 상기 복수의 배터리 랙을 관리하기 위한 것이며, 전력 변환 시스템은 전력망인 그리드와 접속하여 직류를 교류로 변환하거나 교류를 직류로 변환하고 배터리의 충방전을 제어하기 위한 것이며, 에너지 관리 시스템은 부하, 배터리 상태 등을 고려하여 배터리 관리 시스템 및 전력 변환 시스템을 제어하기 위한 것이다.
상기 배터리 시스템에 포함된 복수의 배터리 랙 각각은 복수의 배터리 트레이를 포함하며, 각각의 배터리 트레이는 복수의 배터리 셀을 포함한다.
일반적으로 배터리 트레이에 포함된 복수의 배터리 셀 각각은 정격 충전 범위보다 현저하게 높게 충전되는 경우 위험할 수 있고 정격 충전 범위보다 낮게 방전되는 경우 배터리의 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.
또한, 동일 트레이 내에서 배터리 셀간 직병렬 구조에 따라 전압 편차가 발생할 수 있고, 전압 편차가 발생하면, 셀간 전압 불균형이 발생하여 가용 충전 상태(SOC: State Of Charge)가 줄어든다.
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, 배터리 시스템에 포함된 배터리 관리 시스템(BMS)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.
종래의 셀 밸런싱은 패시브 밸런싱 방식과 액티브 밸런싱 방식을 포함한다. 패시브 밸런싱 방식은 전압이 높은 셀의 전압을 밸런싱 저항을 이용하여 낮추는 방식으로, 전압이 높은 셀의 에너지를 밸런싱 저항을 통해 열로 소모시키기 때문에, 에너지 효율이 낮으며 발열에 대한 부담으로 많은 양의 에너지를 소모시키기 어렵다. 하지만, 기술 구현이 상대적으로 용이하다는 장점이 있다.
한편, 액티브 밸런싱 방식은 전압이 높은 셀의 에너지를 전압이 낮은 셀로 이동시키는 방식으로, 에너지 효율이 높으며, 패시브 밸런싱 방식에 비해 많은 양의 에너지를 이동시킬 수 있다. 하지만, 기술 구현이 상대적으로 어렵다는 단점이 있다.
하기의 선행기술문헌에 기재된 특허문헌은, 배터리의 밸런싱 과정에서 소모되는 전기를 접속된 외부 전자기기의 충전 전압에 맞는 에너지로 공급하여 에너지를 재사용하는 배터리 밸런싱 시스템 및 배터리 밸런싱 방법을 개시하고 있다. 하지만, 하기의 특허문헌은, 셀 밸런싱 과정에서 소모되는 에너지를 전력 용량별로 각각 저장하기 때문에, 별도의 에너지 저장부가 필요하고 구성이 복잡하다.
따라서, 많은 양의 에너지를 소모시키면서도 발열에 대한 부담이 없고, 기술 구현이 상대적으로 용이하며, 최소한의 비용으로 밸런싱 효율을 향상시킬 수 있고, 밸런싱에 소요되는 시간을 대폭 단축시킬 수 있는 셀 밸런싱 장치 및 방법이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 많은 양의 에너지를 소모시키면서도 밸런싱 저항으로 인한 발열에 대한 부담이 없고, 기술 구현이 상대적으로 용이하며, 최소한의 비용으로 밸런싱 효율을 향상시킬 수 있고, 밸런싱에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있는 셀 밸런싱 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 많은 양의 에너지를 소모시키면서도 밸런싱 저항으로 인한 발열에 대한 부담이 없고, 기술 구현이 상대적으로 용이하며, 최소한의 비용으로 밸런싱 효율을 향상시킬 수 있고, 밸런싱에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있는 셀 밸런싱 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치는,
배터리 트레이 내의 온도 조절을 위한 팬;
상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 센싱하고 상기 복수의 배터리 셀 중 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀을 선택하여 선택된 셀의 전압을 출력하기 위한 셀 센싱 및 셀 선택부;
제어 신호에 따라 외부 전원의 전압 또는 상기 셀 센싱 및 셀 선택부에서 출력되는 전압을 상기 팬에 공급하는 선택부; 및
상기 셀 센싱 및 셀 선택부에서 센싱된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 이상인지를 판단하고, 상기 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 미만인 경우 상기 선택부의 동작을 제어하여 외부 전원의 전압을 상기 팬에 공급하며, 상기 셀간 전압 편차가 기준값 이상인 경우 상기 선택부의 동작을 제어하여 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 상기 팬에 공급하는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치는, 상기 셀 센싱 및 셀 선택부에서 출력되는 전압을 상기 팬의 구동 전압으로 승압 변환하여 상기 선택부에 제공하는 DC-DC 컨버터를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치에 있어서, 상기 제어부는, 셀간 전압 편차가 기준값 이상인 경우 상기 선택부의 동작을 제어하여 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압이 타겟 셀 전압이 될 때까지 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 상기 DC-DC 컨버터를 통해 상기 팬에 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치에 있어서, 상기 셀 센싱 및 셀 선택부는 셀 밸런싱 회로를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치에 있어서, 상기 제어부는,
상기 셀 센싱 및 셀 선택부에서 센싱된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 미만인 경우 상기 선택부의 동작을 제어하여 외부 전원의 전압을 상기 팬에 공급하고, 셀간 전압 편차가 기준값 이상인 경우 상기 선택부의 동작을 제어하여 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 상기 DC-DC 컨버터를 통해 상기 팬에 제공하고, 상기 셀 센싱 및 셀 선택부의 동작을 제어하여 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 상기 밸런싱 회로에 인가할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치에 있어서, 상기 밸런싱 회로는, 패시브 밸런싱 회로 또는 액티브 밸런싱 회로를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치에 있어서, 상기 셀간 전압 편차 기준값은 20mV 이상 500mV 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치에 있어서, 상기 기준 전압 = 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압 + 상기 기준값일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치는,
배터리 트레이 내의 온도 조절을 위한 팬;
상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 센싱하고 상기 복수의 배터리 셀 중 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 적어도 하나의 셀을 선택하여 선택된 적어도 하나의 셀의 전압을 출력하기 위한 셀 센싱 및 셀 선택부;
제어 신호에 따라 외부 전원의 전압 또는 상기 셀 센싱 및 셀 선택부에서 출력되는 전압을 상기 팬에 공급하는 선택부; 및
상기 셀 센싱 및 셀 선택부에서 센싱된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 이상인지를 판단하고, 상기 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 미만인 경우 상기 선택부의 동작을 제어하여 외부 전원의 전압을 상기 팬에 공급하며, 상기 셀간 전압 편차가 기준값 이상인 경우 상기 선택부의 동작을 제어하여 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 적어도 하나의 셀의 전압을 상기 팬에 공급하는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치는, 상기 셀 센싱 및 셀 선택부에서 출력되는 전압을 상기 팬의 구동 전압으로 승압 변환하여 상기 선택부에 제공하는 DC-DC 컨버터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 방법은,
(A) 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 이상인지를 판단하는 단계;
(B) 상기 단계 (A)에서 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 이상인 것으로 판단되는 경우, 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 팬에 공급하여 셀 밸런싱을 수행하는 단계; 및
(C) 상기 단계 (A)에서 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 미만인 것으로 판단되거나 상기 단계 (B)의 셀 밸런싱이 완료되는 경우, 외부 전원의 전압을 상기 팬에 공급하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 방법에 있어서, 상기 단계 (B)는,
(B1) 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 상기 팬의 구동 전압으로 승압 변환하는 단계; 및
(B2) 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압이 타겟 셀 전압이 될 때까지 상기 승압 변환된 셀 전압을 상기 팬에 공급하여 셀 밸런싱을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 방법에 있어서, 상기 단계 (B)는,
(B3) 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 상기 팬의 구동 전압으로 승압 변환하는 단계; 및
(B4) 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압이 타겟 셀 전압이 될 때까지 상기 승압 변환된 셀 전압을 상기 팬에 공급하고, 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 밸런싱 회로에 공급하여 셀 밸런싱을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 방법에 있어서, 상기 밸런싱 회로는, 패시브 밸런싱 회로 또는 액티브 밸런싱 회로를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 방법에 있어서, 상기 셀간 전압 편차 기준값은 20mV 이상 500mV 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 방법에 있어서, 상기 기준 전압 = 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압 + 상기 기준값일 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 많은 양의 에너지를 소모시키면서도 밸런싱 저항으로 인한 발열에 대한 부담이 없고, 기술 구현이 상대적으로 용이하며, 최소한의 비용으로 밸런싱 효율을 향상시킬 수 있고, 밸런싱에 소요되는 시간도 대폭 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치의 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 방법의 흐름도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 방법의 흐름도.
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 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치의 블록도이다.
하기에, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치는, 배터리 트레이 내의 온도 조절을 위한 팬(104), 상기 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln) 각각의 전압을 센싱하고 상기 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln) 중 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀을 선택하여 선택된 셀의 전압을 출력하기 위한 셀 센싱 및 셀 선택부(108), 상기 셀 센싱 및 셀 선택부(108)에서 출력되는 전압을 상기 팬(104)의 구동 전압으로 승압 변환하여 출력하는 DC-DC 컨버터(106), 제1 제어 신호(CS1)에 따라 외부 전원인 스위칭 모드 파워 서플라이(SMPS, 미도시)의 출력 전압 또는 상기 셀 센싱 및 셀 선택부(108)에서 출력되는 전압을 선택적으로 상기 팬(104)에 공급하는 선택부(102), 및 상기 셀 센싱 및 셀 선택부(108)에서 센싱된 셀 전압에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln)간 전압 편차가 기준값 이상인지를 판단하고, 상기 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln)간 전압 편차가 기준값 미만인 경우 상기 선택부(102)의 동작을 제어하여 상기 SMPS의 출력 전압을 상기 팬(104)에 공급하며, 상기 셀간 전압 편차가 기준값 이상인 경우 상기 선택부(102)의 동작을 제어하여 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 상기 팬(104)에 공급하는 제어부(100)를 포함한다. 상기에서 n은 2 이상의 정수이다.
상기 팬(104)은 일반적으로 배터리 트레이 내부에 설치되어 있는 팬으로서, 배터리 트레이 내부의 온도 조절을 위한 것이다.
상기 제어부(100)는, 셀간 전압 편차가 기준값 이상인 경우 상기 선택부(102)의 동작을 제어하여 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압이 타겟 셀 전압이 될 때까지 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 상기 팬(104)에 공급한다.
상기 셀 센싱 및 셀 선택부(108)는 도면에는 도시되지 않았지만, 셀 밸런싱 기능을 수행하는 패시브 셀 밸런싱 회로 또는 액티브 셀 밸런싱 회로를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치의 동작을 하기에 설명하기로 한다.
제어부(100)는 외부전원인 SMPS의 출력 전압을 구동 전원으로 사용하여 동작한다. 제어부(100)는, 셀 센싱 및 셀 선택부(108)에서 센싱된 상기 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln) 각각의 셀 전압에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln)간 전압 편차가 기준값 이상인지를 판단한다. 본 발명의 실시예에서, 상기 셀간 전압 편차 기준값은 20mV 이상 500mV 이하일 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
제어부(100)는 상기 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln)간 전압 편차가 기준값 미만인 것으로 판단하는 경우, 상기 선택부(102)에 제1 제어 신호(CS1)를 인가하여 선택부(102)의 동작을 제어함으로써 일반적인 운영 방식에 따라 SMPS 출력 전압을 팬(104)에 공급한다. 따라서, 팬(104)은 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln)간 전압 편차가 기준값 미만인 경우, SMPS 출력 전압을 공급받아 동작한다.
한편, 제어부(100)는 상기 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln)간 전압 편차가 기준값 이상인 것으로 판단하는 경우, 상기 셀 센싱 및 셀 선택부(108)에 제2 제어 신호(CS2)를 인가하여 상기 셀 센싱 및 셀 선택부(108)의 동작을 제어함으로써 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압이 상기 셀 센싱 및 셀 선택부(108)에서 출력되어 DC-DC 컨버터(106)로 인가되게 한다. 본 발명의 실시예에서 상기 기준 전압은 상기 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln)의 평균 전압에 상기 셀간 전압 편차 기준값을 더한 전압일 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln)을 포함하고 있는 배터리 트레이 내부의 온도 조절을 위한 팬(104)은 24V의 구동 전압을 사용하고, 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln) 각각은 일반적으로 약 4.5V 정도의 셀 전압을 갖고 있기 때문에, 배터리 셀의 전압을 팬(104)의 구동 전압까지 승압시켜야만 팬(104)을 구동시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는, DC-DC 컨버터(106)를 이용하여 상기 셀 센싱 및 셀 선택부(108)로부터 입력되는 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 방전 대상의 셀의 전압을 상기 팬(104)의 구동 전압으로 승압 변환한다.
제어부(100)는 상기 선택부(102)에 제1 제어 신호(CS1)를 인가하여 상기 선택부(102)의 동작을 제어함으로써 DC-DC 컨버터(106)에서 출력되는 승압 변환된 방전 대상의 셀의 전압을 팬(104)에 제공한다.
한편, 제어부(100)는 셀 센싱 및 셀 선택부(108)에 의해 센싱된 셀 전압을 계속 감시하다가, 전압이 높은 셀인 방전 대상의 셀의 전압이 타겟 셀 전압까지 내려가면, 방전 대상의 셀의 셀 밸런싱이 완료된 것으로 판단하고, 셀 센싱 및 셀 선택부(108)에 제2 제어 신호(CS2)를 인가하여 방전 대상의 셀의 선택을 선택해제함으로써 방전 대상의 셀의 전압이 더 이상의 DC-DC 컨버터(106)에 공급되지 않도록 한다. 상기 타겟 셀 전압은 상기 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln)의 평균 전압을 포함할 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
또한, 제어부(100)는 선택부(102)에 제1 제어 신호(CS1)를 인가하여 선택부(102)의 동작을 제어함으로써, 일반적인 운영 방식에 따라 SMPS 출력 전압이 팬(104)에 공급되도록 하여, 팬(104)이 정상적으로 트레이 내부의 온도 조절 기능을 수행하도록 한다.
한편, 상기 셀 센싱 및 셀 선택부(108)가 셀 밸런싱 회로를 더 포함하는 경우, 상기 제어부(100)는 상기 셀 센싱 및 셀 선택부(108)에서 센싱된 상기 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln) 각각의 셀 전압에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln)간 전압 편차가 기준값 이상인지를 판단하고, 상기 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln)간 전압 편차가 기준값 이상인 경우 방전 대상의 셀의 전압을 DC-DC 컨버터(106)를 통해 승압 변환한 후 상기 선택부(102)의 동작을 제어하여 상기 팬(104)에 제공하며, 상기 셀 센싱 및 셀 선택부(108)의 동작을 제어하여 상기 방전 대상의 셀의 전압을 상기 밸런싱 회로(미도시)에 인가할 수 있다.
이 경우, 팬(104) 뿐만 아니라 밸런싱 회로(미도시)를 이용하여 셀 밸런싱이 수행되기 때문에, 밸런싱 효율이 더 향상될 수 있고 밸런싱 시간도 더 단축될 수 있다.
상기 밸런싱 회로(미도시)는, 밸런싱 저항을 이용하는 패시브 밸런싱 회로 또는 DC-DC 컨버터나 트랜스포머를 이용한 액티브 밸런싱 회로를 포함할 수 있다.
따라서, 상기 셀 센싱 및 셀 선택부(108)가 셀 밸런싱 회로를 더 포함하는 경우, 본 발명의 실시예는, 저항과 팬의 혼합형 셀 밸런싱이나, DC-DC 컨버터와 팬의 혼합형 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 하나의 팬을 사용하여 셀 밸런싱을 수행하는 것을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 복수의 팬을 사용하여 셀 밸런싱을 수행할 수도 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 하나의 셀의 전압을 밸런싱하는 것을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 방전 대상의 셀들이 다수 존재하는 경우, 상기 방전 대상의 셀들의 전압의 합이 팬(104)의 구동 전압이 되도록 상기 방전 대상의 셀들의 전압의 합을 상기 팬(104)의 구동 전압으로 승압 변환한 후 팬(104)에 공급되도록 하여, 방전 대상의 셀들의 전압을 동시에 밸런싱할 수도 있다.
본 발명에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치는 에너지 저장 시스템의 배터리 트레이에 포함된 복수의 배터리 셀의 셀 밸런싱에 사용될 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 팬과 배터리 셀을 사용하는 어떤 유형의 장치나 시스템에 포함된 배터리 셀들의 셀 밸런싱에도 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 방법의 흐름도이다.
도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 방법은, 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln)간 전압 편차가 기준값 이상인지를 판단하는 단계(단계 S200), 상기 단계 S200에서 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln)간 전압 편차가 기준값 이상인 것으로 판단되는 경우, 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 적어도 하나의 셀의 전압을 팬(104)에 공급하여 셀 밸런싱을 수행하는 단계(단계 S220), 및 상기 단계 S200에서 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln)간 전압 편차가 기준값 미만인 것으로 판단되거나 상기 단계 S220에서 셀 밸런싱이 완료된 경우, 외부 전원인 SMPS 출력 전압을 상기 팬(104)에 공급하는 단계(단계 S212)를 포함한다.
상기 단계 S220은, 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 방전 대상의 셀에 대한 밸런싱 명령을 내리는 단계(단계 S202), 상기 밸런싱 대상의 셀 전압을 팬 구동 전압으로 승압 변환하는 단계(단계 S204), 상기 승압 변환된 방전 대상의 셀 전압을 팬(104)에 공급하여 셀 밸런싱을 수행하는 단계(단계 S206), 상기 밸런싱 대상의 셀의 전압이 타겟 셀 전압까지 밸런싱되었는지를 판단하는 단계(단계 S208), 및 상기 셀 밸런싱을 종료하는 단계(단계 S210)를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 셀간 전압 편차 기준값은 20mV 이상 500mV 이하일 수 있고, 상기 기준 전압은 상기 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln)의 평균 전압에 상기 셀간 전압 편차 기준값을 더한 전압일 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
상기 방전 대상의 셀에 대한 밸런싱 명령을 내리는 단계(단계 S202)는, 제어부(100)가 셀 센싱 및 셀 선택부(108)에 제2 제어 신호(CS2)를 인가하여, 방전 대상의 셀을 선택함으로써 방전 대상의 셀의 전압이 상기 셀 센싱 및 셀 선택부(108)에서 출력되도록 하는 단계이다.
상기 단계 S204는, DC-DC 컨버터(106)를 이용하여 셀 센싱 및 셀 선택부(108)로부터 입력되는 방전 대상의 셀의 전압을 팬(104)의 구동 전압으로 승압 변환하는 단계이다.
상기 단계 S206은, 제어부(100)가 제1 제어 신호(CS1)를 선택부(102)에 인가하여 선택부(102)의 동작을 제어함으로써 상기 승압 변환된 방전 대상의 셀 전압을 팬(104)에 공급하여 셀 밸런싱을 수행하는 단계이다.
상기 단계 S208은, 제어부(100)가 셀 센싱 및 셀 선택부(108)에 의해 센싱된 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln) 각각의 셀 전압을 감시하다가, 밸런싱 대상의 셀 전압이 타겟 셀 전압까지 밸런싱되었는지를 판단하는 단계이다.
상기 단계 S208에서, 밸런싱 대상의 셀 전압이 타겟 셀 전압까지 밸런싱되지 않았다고 판단되는 경우, 다시 단계 S206으로 돌아가서 계속하여 방전 대상의 셀 전압이 팬(104)에 공급되어 셀 밸런싱이 계속 수행된다.
상기 셀 밸런싱 종료 단계(단계 S210)는, 상기 단계 S208에서 밸런싱 대상의 셀 전압이 타겟 셀 전압까지 밸런싱된 것으로 판단되는 경우, 셀 센싱 및 셀 선택부(108)에 제2 제어 신호(CS2)를 인가하여 방전 대상의 셀의 선택을 선택해제함으로써 방전 대상의 셀의 전압이 더 이상의 DC-DC 컨버터(106)에 공급되지 않도록 하는 단계이다.
상기 단계 S212에서는, 상기 단계 S200에서 복수의 배터리 셀(Cell1, Cell2, ..., Cell(n-1), Celln)간 전압 편차가 기준값 미만인 것으로 판단되거나, 상기 단계 S210에서 상기 셀 밸런싱이 완료되는 경우, 제어부(100)는 선택부(102)에 제1 제어 신호(CS1)를 인가하여 선택부(102)의 동작을 제어함으로써 SMPS 출력 전압을 팬(104)에 공급하여, 팬(104)이 SMPS 출력 전압을 구동 전압으로서 동작하도록 한다.
본 발명의 실시예에서는 하나의 팬을 사용하여 셀 밸런싱을 수행하는 것을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 복수의 팬을 사용하여 셀 밸런싱을 수행할 수도 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 하나의 셀의 전압을 밸런싱하는 것을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 방전 대상의 셀들이 다수 존재하는 경우, 상기 방전 대상의 셀들의 전압의 합이 팬(104)의 구동 전압이 되도록 상기 방전 대상의 셀들의 전압을 DC-DC 컨버터(106)를 이용하여 승압 변환한 후 팬(104)에 공급되도록 하여, 방전 대상의 셀들의 전압을 한꺼번에 밸런싱할 수도 있다.
본 발명에 의한 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치는 에너지 저장 시스템의 배터리 트레이에 포함된 복수의 배터리 셀의 셀 밸런싱에 사용될 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 팬과 배터리 셀을 사용하는 어떤 유형의 장치나 시스템에 포함된 배터리 셀들의 셀 밸런싱에도 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 기존의 배터리 트레이 내부에 설치되어 있는 팬(104)을 이용하여 셀 밸런싱을 수행하기 때문에, 추가적인 하드웨어 비용이 적으면서, 패시브 밸런싱시 밸런싱 저항으로 인한 발열에 대한 부담을 팬(104)을 통한 밸런싱을 통해 해소할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 팬(104)을 통해 셀 밸런싱을 수행함으로써, 밸런싱 저항을 사용하지 않아도 되기 때문에 패시브 밸런싱 시의 밸런싱 저항으로 인한 발열 문제를 해결할 수 있고, 밸런싱 회로의 구성이 간단해질 수 있다.
또한, 기존의 패시브 밸런싱이 수십 내지 수백 밀리암페어(mA)의 낮은 전류로 밸런싱을 수행했던 것에 비해, 팬(104)은 수 암페어(A)의 높은 전류로 동작하기 때문에, 높은 전류로 밸런싱을 수행할 수 있어, 밸런싱 효율이 향상되고, 밸런싱에 소요되는 시간을 대폭 단축시킬 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 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 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 제어부
102 : 선택부
104 : 팬
106 : DC-DC 컨버터
108 : 셀 센싱 및 셀 선택부
Ce1l1, ..., Celln : 제1 셀 내지 제n 셀
102 : 선택부
104 : 팬
106 : DC-DC 컨버터
108 : 셀 센싱 및 셀 선택부
Ce1l1, ..., Celln : 제1 셀 내지 제n 셀
Claims (16)
- 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 트레이 내의 온도 조절을 위한 팬;
상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 센싱하고 상기 복수의 배터리 셀 중 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀을 선택하여 선택된 셀의 전압을 출력하기 위한 셀 센싱 및 셀 선택부;
제어 신호에 따라 외부 전원의 전압 또는 상기 셀 센싱 및 셀 선택부에서 출력되는 전압을 상기 팬에 공급하는 선택부;
상기 셀 센싱 및 셀 선택부에서 출력되는 전압을 상기 팬의 구동 전압으로 승압 변환하여 상기 선택부에 제공하는 DC-DC 컨버터; 및
상기 셀 센싱 및 셀 선택부에서 센싱된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 이상인지를 판단하고, 상기 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 미만인 경우 상기 선택부의 동작을 제어하여 외부 전원의 전압을 상기 팬에 공급하며, 상기 셀간 전압 편차가 기준값 이상인 경우 상기 선택부의 동작을 제어하여 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압이 타겟 셀 전압이 될 때까지 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 상기 팬에 공급하되, 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀이 다수 존재하는 경우 이러한 셀들의 전압의 합이 팬의 구동 전압이 되도록 상기 DC-DC 컨버터를 이용하여 승압 변환한 후 상기 팬에 공급되도록 하여 셀들의 전압을 동시에 밸런싱하도록 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 타겟 셀 전압은 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압이며,
상기 기준 전압은 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압보다 높은 값인, 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치. - 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 셀 센싱 및 셀 선택부는 셀 밸런싱 회로를 더 포함하는 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치. - 청구항 4에 있어서,
상기 제어부는,
상기 셀 센싱 및 셀 선택부에서 센싱된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 미만인 경우 상기 선택부의 동작을 제어하여 외부 전원의 전압을 상기 팬에 공급하고, 셀간 전압 편차가 기준값 이상인 경우 상기 선택부의 동작을 제어하여 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압이 타겟 셀 전압이 될 때까지 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 상기 DC-DC 컨버터를 통해 상기 팬에 제공하고, 상기 셀 센싱 및 셀 선택부의 동작을 제어하여 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압이 타겟 셀 전압이 될 때까지 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 상기 밸런싱 회로에 인가하는 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치. - 청구항 5에 있어서,
상기 밸런싱 회로는 패시브 밸런싱 회로 또는 액티브 밸런싱 회로를 포함하는 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 셀간 전압 편차 기준값은 20mV 이상 500mV 이하인 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치. - 청구항 7에 있어서,
상기 기준 전압 = 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압 + 상기 기준값인 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치. - 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 트레이 내의 온도 조절을 위한 팬;
상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 센싱하고 상기 복수의 배터리 셀 중 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 적어도 하나의 셀을 선택하여 선택된 적어도 하나의 셀의 전압을 출력하기 위한 셀 센싱 및 셀 선택부;
제어 신호에 따라 외부 전원의 전압 또는 상기 셀 센싱 및 셀 선택부에서 출력되는 전압을 상기 팬에 공급하는 선택부; 상기 셀 센싱 및 셀 선택부에서 출력되는 전압을 상기 팬의 구동 전압으로 승압 변환하여 상기 선택부에 제공하는 DC-DC 컨버터; 및
상기 셀 센싱 및 셀 선택부에서 센싱된 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압에 기반하여 상기 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 이상인지를 판단하고, 상기 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 미만인 경우 상기 선택부의 동작을 제어하여 외부 전원의 전압을 상기 팬에 공급하며, 상기 셀간 전압 편차가 기준값 이상인 경우 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압이 타겟 셀 전압이 될 때까지 상기 선택부의 동작을 제어하여 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 적어도 하나의 셀의 전압을 상기 팬에 공급하되, 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀이 다수 존재하는 경우 이러한 셀들의 전압의 합이 팬의 구동 전압이 되도록 상기 DC-DC 컨버터를 이용하여 승압 변환한 후 상기 팬에 공급되도록 하여 셀들의 전압을 동시에 밸런싱하도록 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 타겟 셀 전압은 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압이며,
상기 기준 전압은 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압보다 높은 값인, 팬을 이용한 셀 밸런싱 장치. - 삭제
- (A) 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 이상인지를 판단하는 단계;
(B) 상기 단계 (A)에서 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 이상인 것으로 판단되는 경우, 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 팬에 공급하여 셀 밸런싱을 수행하는 단계; 및
(C) 상기 단계 (A)에서 복수의 배터리 셀간 전압 편차가 기준값 미만인 것으로 판단되거나 상기 단계 (B)의 셀 밸런싱이 완료되는 경우, 외부 전원의 전압을 상기 팬에 공급하는 단계를 포함하고,
상기 단계 (B)는
(B1) 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 상기 팬의 구동 전압으로 승압 변환하되, 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀이 다수 존재하는 경우 이러한 셀들의 전압의 합이 팬의 구동 전압이 되도록 DC-DC 컨버터를 이용하여 승압 변환한 후 상기 팬에 공급되도록 하여 셀들의 전압을 동시에 밸런싱하는 단계; 및
(B2) 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압이 타겟 셀 전압이 될 때까지 상기 승압 변환된 셀 전압을 상기 팬에 공급하여 셀 밸런싱을 수행하는 단계를 포함하고,
상기 타겟 셀 전압은 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압이며,
상기 기준 전압은 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압보다 높은 값인, 팬을 이용한 셀 밸런싱 방법. - 삭제
- 청구항 11에 있어서,
상기 단계 (B)는,
(B3) 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 상기 팬의 구동 전압으로 승압 변환하는 단계; 및
(B4) 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압이 타겟 셀 전압이 될 때까지 상기 승압 변환된 셀 전압을 상기 팬에 공급하고, 상기 기준 전압보다 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 밸런싱 회로에 공급하여 셀 밸런싱을 수행하는 단계를 포함하는 팬을 이용한 셀 밸런싱 방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 밸런싱 회로는 패시브 밸런싱 회로 또는 액티브 밸런싱 회로를 포함하는 팬을 이용한 셀 밸런싱 방법. - 청구항 11에 있어서,
상기 셀간 전압 편차 기준값은 20mV 이상 500mV 이하인 팬을 이용한 셀 밸런싱 방법. - 청구항 15에 있어서,
상기 기준 전압 = 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압 + 상기 기준값인 팬을 이용한 셀 밸런싱 방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| X091 | Application refused [patent] | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |