KR102225270B1 - 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치 - Google Patents

배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치 Download PDF

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성호형
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Abstract

본 발명은 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치에 관한 것으로서, 충방전시에 각 배터리 셀을 무손실 개별 밸런싱 제어하는 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치에 관한 것이다. 이를 위해 순차적으로 노드 전압이 더 커지도록 직렬 연결된 복수의 배터리 셀부, 복수의 배터리 셀부 각각을 충방전시키도록 복수의 PWM 스위칭 제어신호를 생성하는 복수의 스위칭 제어부, 복수의 PWM 스위칭 제어신호에 따라 각각의 복수의 배터리 셀부를 충방전시키도록 스위칭되는 복수의 스위칭부, 복수의 배터리 셀부 각각의 노드 전압을 감지하는 복수의 노드전압 감지부, 복수의 배터리 셀부 각각의 셀 전압을 감지하는 복수의 셀전압 감지부를 포함하며, 충방전시에 각각의 배터리 셀부를 개별 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치가 개시된다.

Description

배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치{Apparatus for battery balancing}
본 발명은 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 충방전시에 각 배터리 셀을 무손실 개별 밸런싱 제어하는 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 여러 개의 배터리 셀을 직렬 또는 병렬 연결하여 사용하는 리튬 계열 배터리는 셀 간 내부저항 편차로 인해 각 배터리 셀간의 전압 불균형이 발생하고 그에 따라 개별 배터리 셀의 과충전 또는 과방전이 발생하여 화재 발생의 원인이 될 뿐만 아니라 에너지 저장 능력이 저하되는 문제점 있다.
이 문제를 해결하기 위하여 BMS(Battery Management System) 제어를 하는데 이 BMS의 제어방식에는 Passive Balancing control, Active Balancing control, Loseless Balancing control 등의 방법이 있다.
그러나, 기존의 밸런싱 기술은,
1) 셀 간 전압 편차를 충분히 안정적인 수준으로 맞출 수 없거나 밸런싱 수행 속도가 느리며,
2) 과도하게 많은 반도체 소자가 필요하여 비용이 높거나,
3) 과충전 전압을 열에너지로 전환함으로서 에너지 효율이 떨어지거나,
4)밸런싱 수행을 위한 예비 배터리 셀을 보유하여야 하고,
5) BMS장치의 성능 한계로 인한 충전전류의 제약이 발생하는 등의 취약점이 있다.
이에 따라 패시브 밸런싱 기술은 상기의 1), 3), 4)의 문제점이 있으며, 액티브 밸런싱 기술은 1), 2), 3), 4)의 문제점이 있으며, 무손실 밸런싱 기술은 1), 4)의 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 10-2125462 대한민국 공개특허공보 10-2017-0138488 대한민국 공개특허공보 10-2018-0044485
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 이러한 기존 배터리 셀 밸런싱 기술의 한계를 넘어 1) 배터리 셀을 개별 밸런싱 제어함으로써 배터리 셀간 전압을 매우 정밀하게 맞출 수 있고, 2) 예비 배터리 셀이 없으면서도 손실 에너지 없이 밸런싱을 수행할 수 있으며, 3) 매우 빠른 속도로 각 배터리 셀간의 셀 전압 균형(밸런싱)을 맞출 수 있으며, 4) 배터리 셀의 충전 전류를 높여 초고속 충전이 가능한 발명을 제공할 수 있다.
그러나, 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 본 발명의 목적은, 순차적으로 노드 전압이 더 커지도록 직렬 연결된 복수의 배터리 셀부, 복수의 배터리 셀부 각각을 충방전시키도록 복수의 PWM 스위칭 제어신호를 생성하는 복수의 스위칭 제어부, 복수의 PWM 스위칭 제어신호에 따라 각각의 복수의 배터리 셀부를 충방전시키도록 스위칭되는 복수의 스위칭부, 복수의 배터리 셀부 각각의 노드 전압을 감지하는 복수의 노드전압 감지부, 복수의 배터리 셀부 각각의 셀 전압을 감지하는 복수의 셀전압 감지부를 포함하며, 충방전시에 각각의 배터리 셀부를 개별 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 충방전 모드에서 셀 전압을 각각 입력받아 다른 셀 전압과의 비교를 통해 불균일한 셀 전압을 찾아내고, 불균일한 셀 전압이 발생한 경우에 셀 전압 밸런싱 신호를 생성하는 전압 판별부, 충전 모드와 방전 모드를 관리 제어하며, 충방전시에 셀 전압 밸런싱 신호가 생성되면 셀 전압이 불균일한 배터리 셀부를 제어하여 셀 전압 밸런싱이 이루어지도록 하는 제어부를 더 포함한다.
또한, 제어부는 충전 모드에서, 어느 하나의 셀 전압이 다른 셀 전압에 비해 낮다고 판단되면, 낮은 셀 전압의 배터리 셀부의 노드 전압이 제1 노드 전압에 추종하도록 낮은 셀 전압과 관련된 스위칭부를 스위칭 동작시켜 낮은 셀 전압과 관련된 배터리 셀부의 충전 속도를 높이도록 밸런싱 제어하는 셀 전압 상승 충전 밸런싱 제어부, 낮은 셀 전압의 배터리 셀부의 노드 전압보다 더 큰 노드 전압을 가진 상향 직렬접속된 배터리 셀부가 있으면 상향 직렬접속된 배터리 셀부의 노드 전압이 제2 노드 전압에 추종하도록 상향 직렬접속된 배터리 셀부와 관련된 스위칭부를 낮은 셀 전압과 관련된 스위칭부와 동시에 스위칭 동작시키도록 밸런싱 제어하는 셀 전압 상승 동시 밸런싱 제어부를 포함하며, 제2 노드 전압은 제1 노드 전압에 비해 상대적으로 더 크다.
또한, 제어부는 방전 모드에서, 어느 하나의 셀 전압이 다른 셀 전압에 비해 낮다고 판단되면, 낮은 셀 전압의 배터리 셀부를 흐르는 전류가 제로가 되도록 낮은 셀 전압과 관련된 스위칭부를 스위칭 동작시킴으로써 낮은 셀 전압의 배터리 셀부의 노드 전압이 자신의 정상적인 노드 전압에 추종하도록 밸런싱 제어하는 셀 전압 상승 방전 밸런싱 제어부를 포함한다.
또한, 제어부는 충전 모드에서, 어느 하나의 셀 전압이 다른 셀 전압에 비해 높다고 판단되면, 높은 셀 전압의 배터리 셀부의 노드 전압이 제3 노드 전압에 추종하도록 높은 셀 전압과 관련된 스위칭부를 스위칭 동작시켜 높은 셀 전압과 관련된 배터리 셀부의 충전 속도를 낮추도록 밸런싱 제어하는 셀 전압 하강 충전 밸런싱 제어부, 높은 셀 전압의 배터리 셀부의 노드 전압보다 더 큰 노드 전압을 가진 상향 직렬접속된 배터리 셀부가 있으면 상향 직렬접속된 배터리 셀부의 노드 전압이 제4 노드 전압에 추종하도록 상향 직렬접속된 배터리 셀부와 관련된 스위칭부를 높은 셀 전압과 관련된 스위칭부와 동시에 스위칭 동작시키도록 밸런싱 제어하는 셀 전압 하강 동시 밸런싱 제어부를 포함하며, 제4 노드 전압은 제3 노드 전압에 비해 상대적으로 더 크다.
또한, 제어부는 방전 모드에서, 어느 하나의 셀 전압이 다른 셀 전압에 비해 높다고 판단되면, 정상적인 배터리 셀부의 셀 전압이 불균일한 높은 셀 전압과 동등해지도록 정상적인 배터리 셀부와 관련된 스위칭부를 스위칭 동작시켜 모든 배터리 셀부의 셀 전압을 동등하게 제어함으로써 높은 셀 전압의 배터리 셀부의 방전 속도를 높이도록 방전 밸런싱 제어하는 셀 전압 동등 방전 밸런싱 제어부, 높은 셀 전압을 가진 배터리 셀부가 종단 배터리 셀부인 경우에 종단 노드 전압보다 더 큰 전압을 종단 배터리 셀부에 스위칭 공급하도록 스위칭 제어하는 부트스트랩 제어부를 포함한다. 부트스트랩부는 부스트 DC-DC 변환부로 구체화될 수 있다.
또한, 각 배터리 셀부의 셀 전압, 노드 전압 및 각 배터리 셀부를 흐르는 셀 전류 값을 칼만 필터에 적용하여 기 설정된 알고리즘을 통해 각 배터리 셀 용량을 정확하게 산출하는 배터리 셀 용량 산출부를 더 포함한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 1) 배터리 셀을 개별 밸런싱 제어함으로써 배터리 셀간 전압을 매우 정밀하게 맞출 수 있고, 2) 예비 배터리 셀이 없으면서도 손실 에너지 없이 밸런싱을 수행할 수 있으며, 3) 매우 빠른 속도로 각 배터리 셀간의 셀 전압 균형(밸런싱)을 맞출 수 있으며, 4) 배터리 셀의 충전 전류를 높여 초고속 충전이 가능한 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치의 대략적인 구성을 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다. 또한, 종래 기술 및 당업자에게 자명한 사항은 설명을 생략할 수도 있으며, 이러한 생략된 구성요소(방법) 및 기능의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위내에서 충분히 참조될 수 있을 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 각각의 배터리셀부를 충전 모드와 방전 모드시에 무손실로 개별 밸런싱 제어한다. 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치에 대해 자세히 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 제1,2,n 배터리 셀부(110,120,130)는 부하(200)에 전력을 공급하기 위해 직렬로 연결접속된다. 여기서 n 배터리 셀부(130)는 직렬로 접속된 종단 배터리 셀부를 의미한다. 직렬접속에 따라 각각의 배터리 셀부의 순차적인 노드 전압(V1,V2,Vn)은 V1에 비해 V2가 더 크고, V2에 비해 Vn이 더 크다. 또한, 각각의 배터리 셀부(110,120,130)의 셀 전압은 배터리 셀의 용량에 따라 달라질 수 있으나 동일한 배터리 셀의 경우 셀 전압은 이상적으로 동일한 것이 바람직하다. 본 발명의 일실시예에서는 충전과 방전시에 배터리 셀부를 개별적으로 밸런싱 제어하여 과충전과 과방전을 피하고 무손실 제어한다.
제어부는 충전 모드와 방전 모드를 관리 제어하며, 충방전시에 셀 전압 밸런싱 신호가 생성되면 셀 전압이 불균일한 배터리 셀부를 제어하여 셀 전압 밸런싱이 이루어지도록 제어한다. 이를 위해 제어부는 전압 판별부를 포함한다.
전압 판별부는 충방전 모드에서 셀 전압을 각각 입력받아 다른 셀 전압과의 비교를 통해 불균일한 셀 전압을 찾아내고, 불균일한 셀 전압이 발생하였으면 셀 전압 밸런싱 신호를 생성한다. 즉, 전압 판별부는 제1,2,n 셀전압 감지부 및 제1,2,n 노드전압 감지부에서 감지한 셀 전압과 노드 전압을 각각 입력받으며, 제1,2,n 셀전압 감지부에서 입력받은 각각의 배터리 셀부의 셀 전압을 토대로 셀 전압이 불균일한 배터리 셀부를 찾아낸다. 이렇게 셀 전압이 불균일한 배터리 셀부는 밸런싱 제어가 필요하며, 셀 전압 밸런싱 신호가 생성됨으로써 밸런싱 제어가 시작된다.
제어부의 제1,2,n 스위칭 제어부는 제1,2,n 배터리 셀부(110,120,130) 각각을 충방전시키도록 복수의 PWM 스위칭 제어신호를 생성한다. 즉, 제1,2,n 스위칭 제어부는 충방전시에 정상 모드에서 PWM 노멀 스위칭 제어신호를 생성하며, 셀 전압 밸런싱 신호가 생성되면 밸런싱 모드에서 PWM 밸런싱 스위칭 제어신호를 생성한다.
제1,2,n 스위칭부는 스위칭 소자로 이루어지며, 정상 모드에서 PWM 노멀 스위칭 제어신호에 따라 제1,2,n 배터리 셀부(110,120,130)를 충방전시키도록 스위칭 되며, 밸런싱 모드에서 PWM 밸런싱 스위칭 제어신호에 따라 불균일한 배터리 셀부를 밸런싱 충방전시키도록 한다.
제1,2,n 노드전압 감지부는 도 1에 도시된 바와 같이 각각의 배터리 셀부의 노드 전압(V1,V2,Vn)을 감지한다. 또한, 제1,2,n 셀전압 감지부는 각각의 배터리 셀부의 셀 전압을 감지한다. 이때, 도 1에 도시된 바와 같이 제1 배터리 셀부(110)의 셀 전압(Vc1)과 제1 노드 전압(V1)은 같다. 또한, 제2 배터리 셀부(120)의 셀 전압(Vc2)은 제2 노드 전압(V2)과 제1 노드 전압(V1)을 입력받은 제2 차동부에 의해 차동 증폭한 값과 같다. 또한, 제n 배터리 셀부(130)의 셀 전압(Vcn)은 제n 노드 전압(Vn)과 제2 노드 전압(V2)을 입력받은 제n 차동부에 의해 차동 증폭한 값과 같다.
제1,2,n 스위칭 제어부는 상술한 바와 같이 충전 모드 및 방전 모드에서 각 배터리 셀부의 셀 전압과 노드 전압이 정상상태로 충방전되는 경우(정상 모드)에는 PWM 노멀 스위칭 제어신호를 생성한다. 충전 모드 및 방전 모드에서 각 배터리 셀부의 셀 전압과 노드 전압이 서로 불균일한 경우(밸런싱 모드)에는 PWM 밸런싱 스위칭 제어신호를 생성한다.
한편, 밸런싱 모드(셀전압 밸런싱 신호가 생성되면)에서의 제어는 충전 모드와 방전 모드에서 서로 다르게 배터리 셀부를 개별 제어하며, 또한 각각의 충방전 모드에서도 어느 셀 전압이 다른 셀 전압에 비해 높은지 또는 낮은지 여부에 따라 서로 다르게 배터리 셀부를 개별 제어한다. 따라서 밸런싱 모드의 충전 모드시에 불균일한 배터리 셀부의 셀 전압이 다른 배터리 셀부의 셀 전압에 비해 높은지 또는 낮은지 여부에 따라 충전 밸런싱 제어되며(충전 밸런싱 제어모드), 밸런싱 모드의 방전 모드시에 불균일한 배터리 셀부의 셀 전압이 다른 배터리 셀부의 셀 전압에 비해 높은지 또는 낮은지 여부에 따라 방전 밸런싱 제어된다(방전 밸런싱 제어모드). 이하에서 좀 더 자세히 설명하기로 한다.
제어부는 전압 판단부로부터 셀전압 밸런싱 신호를 입력받으면 현재 상태가 충전 모드인지 또는 방전 모드인지를 인식함으로써 상황에 맞는 충전 밸런싱 제어모드 또는 방전 밸런싱 제어모드로 진입하여 배터리 셀부를 개별 제어한다.
먼저, 충전 모드에서 적어도 어느 하나의 셀 전압이 다른 셀 전압에 비해 낮은 불균일 셀전압이 생성된 경우에 제어부는 제1 충전 밸런싱 제어모드로 진입하며, 이때 제어부의 셀 전압 상승 충전 밸런싱 제어부는 낮은 셀 전압의 배터리 셀부의 노드 전압이 자신의 정상적인 노드 전압(제1 노드 전압)에 추종하도록 낮은 셀 전압과 관련된 스위칭부를 밸런싱 스위칭 동작시켜(스위칭 duty 비율을 높여) 낮은 셀 전압과 관련된 배터리 셀부의 충전 속도를 높이도록 충전 밸런싱 제어한다.
일예로서, V2의 노드 전압이 V1 및 Vn에 비해 낮은 전압인 경우에 셀 전압 상승 충전 밸런싱 제어부는 제2 배터리 셀부(120)의 노드 전압(V2)이 자신의 정상적인 노드 전압(현재 셀전압에서 상승)에 추종하도록 제2 스위칭부를 밸런싱 스위칭 동작시켜 제2 배터리 셀부의 충전 속도를 높이도록 충전 밸런싱 제어한다.
이때, 상술한 예에서, 제2 배터리 셀부(120)의 노드 전압보다 더 큰 노드 전압을 가진 상향 직렬접속된 제n 배터리 셀부(130)가 존재하면, 제어부의 셀 전압 상승 동시 밸런싱 제어부는 상향 직렬접속된 제n 배터리 셀부(130)의 노드 전압(Vn)이 자신의 정상적인 노드 전압에 빠르게 추종하도록 제n 스위칭부를 제2 스위칭부와 동시에 동시 밸런싱 스위칭 동작시키는 것이 바람직하다. 만약에 노드 전압이 V1, V2, V3, V4,….,V으로 이루어진 상향 직렬접속된 배터리 셀부가 접속되어있다고 가정하고 V2 전압이 다른 셀 전압에 비해 낮다면, V2의 노드 전압이 자신의 정상 노드 전압에 추종하도록 제2 스위칭부를 밸런싱 스위칭 동작시킬 뿐만 아니라 V3, V4,….,V 각각의 노드 전압이 자신의 정상 노드 전압에 추종하도록 제3,4,...,n 스위칭부를 동시에 동시 밸런싱 스위칭 동작시키는 것이 바람직하다.
다음으로, 방전 모드에서 적어도 어느 하나의 셀 전압이 다른 셀 전압에 비해 낮은 불균일 셀전압이 생성된 경우에 제어부는 제1 방전 밸런싱 제어모드로 진입하며, 이때 제어부의 셀 전압 상승 방전 밸런싱 제어부는 낮은 셀 전압의 배터리 셀부를 흐르는 전류가 제로가 되도록 낮은 셀 전압과 관련된 스위칭부를 밸런싱 스위칭 동작시킴으로써 낮은 셀 전압의 배터리 셀부의 노드 전압이 자신의 정상적인 노드 전압에 추종하도록 방전 밸런싱 제어한다.
일예로서, V2의 노드 전압이 V1 및 Vn에 비해 낮은 전압인 경우에 셀 전압 상승 방전 밸런싱 제어부는 Ib2의 전류가 "0"이 되도록 제2 스위칭부를 밸런싱 스위칭 동작시킴으로써 제2 배터리 셀부의 노드 전압이 자신의 정상적인 노드 전압에 추종되로독 한다. 이렇게 Ib2의 전류가 "0"이 되도록 방전 밸런싱 제어함으로써 제2 배터리 셀부(120)의 방전을 중단시키고, 제1,n 배터리 셀부(110,130)에서 빠른 방전이 일어나도록 한다. 불균일한 셀 전압이 서로 동일할 때까지 방전 밸런싱 제어모드를 수행한다. 이를 위해 제1 전류 감지부는 제1 배터리 셀부(110)를 흐르는 전류를 감지하며, 제2 전류 감지부는 제2 배터리 셀부(120)를 흐르는 전류를 감지하며, 제n 전류 감지부는 제n 배터리 셀부(130)를 흐르는 전류를 감지한다.
한편, 셀 전압 및 노드 전압만으로 정교한 밸런싱을 수행하기 어려운 LFP(LiFePo4)계열의 배터리 셀 등에서는 상술한 제1,2,3 감지부에서 감지한 전류를 포함하여 셀 전압 및 노드 전압을 칼만 필터에 적용함으로써 각 배터리 셀에 입출력 되는 에너지의 총량을 산출함으로서 전압 판별 방식의 한계를 보완할 수 있다.
다음으로, 충전 모드에서 적어도 어느 하나의 셀 전압이 다른 셀 전압에 비해 높은 불균일 셀전압이 발생한 경우에 제어부는 제2 충전 밸런싱 제어모드로 진입하며, 이때 제어부의 셀 전압 하강 충전 밸런싱 제어부는 높은 셀 전압의 배터리 셀부의 노드 전압이 자신의 정상적인 노드 전압(제3 노드 전압)에 추종하도록 높은 셀 전압과 관련된 스위칭부를 밸런싱 스위칭 동작시켜(스위칭 duty 비율을 감소) 높은 셀 전압과 관련된 배터리 셀부의 충전 속도를 낮추거나 중단하도록 충전 밸런싱 제어한다.
일예로서, V2의 노드 전압이 V1 및 Vn에 비해 높은 전압인 경우에 셀 전압 하강 충전 밸런싱 제어부는 제2 배터리 셀부(120)의 노드 전압(V2)이 자신의 정상적인 노드 전압에 추종(제3 노드 전압, 현재 셀전압에서 하강)하도록 제2 스위칭부를 밸런싱 스위칭 동작시켜 제2 배터리 셀부의 충전 속도를 낮추거나 중단하도록 충전 밸런싱 제어한다.
이때, 상술한 예에서, 제2 배터리 셀부(120)의 노드 전압보다 더 큰 노드 전압을 가진 상향 직렬접속된 제n 배터리 셀부(130)가 존재하면, 제어부의 셀 전압 하강 동시 밸런싱 제어부는 상향 직렬접속된 제n 배터리 셀부(130)의 노드 전압(Vn)이 자신의 정상적인 노드 전압(제4 노드 전압, 현재 셀전압에서 하강)에 빠르게 추종하도록 제n 스위칭부를 제2 스위칭부와 동시에 동시 밸런싱 스위칭 동작시키는 것이 바람직하다. 만약에 노드 전압이 V1, V2, V3, V4,….,V으로 이루어진 상향 직렬접속된 배터리 셀부가 접속되어있다고 가정하고 V2 전압이 다른 셀 전압에 비해 높다면, V2의 노드 전압이 자신의 정상 노드 전압(현재 셀전압에서 하강)에 추종하도록 제2 스위칭부를 밸런싱 스위칭 동작시킬 뿐만 아니라 V3, V4,….,V 각각의 노드 전압이 자신의 정상 노드 전압(현재 셀전압에서 하강)에 추종하도록 제3,4,...,n 스위칭부를 동시에 동시 밸런싱 스위칭 동작시키는 것이 바람직하다.
다음으로, 방전 모드에서 적어도 어느 하나의 셀 전압이 다른 셀 전압에 비해 높은 불균일 셀전압이 생성된 경우에 제어부는 제2 방전 밸런싱 제어모드로 진입하며, 이때 제어부의 셀 전압 동등 방전 밸런싱 제어부는 정상적인 배터리 셀부의 셀 전압이 불균일한 높은 셀 전압과 동등해지도록 정상적인 배터리 셀부와 관련된 스위칭부를 스위칭 동작시켜(스위칭 duty 비율 증가) 모든 배터리 셀부의 셀 전압을 동등하게 제어함으로써 높은 셀 전압의 배터리 셀부의 방전 속도를 높이도록 방전 밸런싱 제어한다.
일예로서, 제2 배터리 셀부(120)의 셀 전압이 제1 배터리 셀부(110) 및 제n 배터리 셀부(130)의 정상적인 셀 전압에 비해 높은 불균일 전압인 경우에 셀 전압 동등 방전 밸런싱 제어부는 정상적인 셀 전압인 V1 및 Vn이 불균일한 높은 셀 전압과 동등해질 때까지 제1 스위칭부 및 제n 스위칭부를 밸런싱 스위칭 동작시킴으로써 제2 배터리 셀부(120)의 방전 속도를 높이도록 한다.
한편, 상술한 제2 방전 밸런싱 제어모드에서 높은 셀 전압을 가진 배터리 셀부가 종단 배터리 셀부인 경우에는 부트스트랩 제어가 필요하다. 즉, 일예로서 높은 셀 전압을 가진 배터리 셀부가 종단 셀인 제n 배터리 셀부(130)인 경우에는 부트스트랩 제어부 및 부트스트랩부에 의해 종단 노드 전압(Vn)보다 더 큰 전압(즉 "Vn+a"의 전압, 여기서 "a"는 기설정된 값)을 생성하여 제n 배터리 셀부에 스위칭 공급하도록 하는 것이 바람직하다. 이에 따라 부트스트랩 제어부는 제2 방전 밸런싱 제어모드로 진입시에 높은 셀 전압을 가진 배터리 셀부가 종단 셀인 경우에 부트스트랩 PWM 방전 밸런싱 제어신호를 생성하며, 부트스트랩 PWM 방전 밸런싱 스위칭 제어신호에 따라 부트스트랩부는 "Vn+a"의 전압을 생성하여 제n 배터리 셀부(130)에 스위칭 공급한다.
도면에는 도시되어 있지 않으나 부트스트랩부에서 생성되는 "Vn+a" 전압을 감지하기 위한 부트스트랩 차동부와 부트스트랩 전압 감지부가 더 포함될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서는 배터리 셀의 에너지량 저장 상태를 정확히 파악하기 위해 각 배터리 셀의 셀 전압 및 노드 전압을 각각 감지하고, 각 배터리 셀을 흐르는 전류를 감지하여 칼만 필터에 대입함으로써 각 배터리 셀의 에너지 저장상태를 정확히 예측하고 갱신할 수 있는 장점이 있다.
LFP 등의 일부 배터리는 셀의 관측 전압과 셀 내부에 실제로 저장된 에너지 량의 상관관계가 선형 조건을 만족하지 아니하므로, 전압 관측만으로 정교한 배터리 밸런싱을 수행하는데 어려움이 있다. 따라서 각 셀과 스위칭부의 출력단에 각각 전류 센서(상술한 전류 감지부)를 배치하고 관측된 전류량의 누적을 칼만 필터 알고리즘을 통해 추정함으로서 개별 배터리 셀 내부의 에너지 양을 정확하게 관측하여 더욱 정교한 밸런싱을 수행할 수 있으며 이는 화재 위험의 감소에 크게 기여할 수 있다.
일예로서. 제2 배터리 셀부를 예로 들어 설명하면, Vc2 = 제2 차동부를 거쳐 제2 셀전압 감지부에서 감지된 전압 일 때, 관측전압(Vm)은 다음 식으로 구해진다.
Figure 112020093742630-pat00001
연속하여 배터리 셀의 완충(에너지 포화)시 전압을 Vf, 방전 한계 전압을 Ve이라고 하고, 단순 전압관측을 통한 배터리 셀 내부의 에너지 양(Er1)은 다음 식으로 추정될 수 있다.
Figure 112020093742630-pat00002
또한 Ib2가 셀에서 입출력되는 전류량(관측치)일 때, 단위시간(dt)동안 배터리 셀에 작용한 평균 에너지양 Ei는
Figure 112020093742630-pat00003
이며,
전류센서에서 관측된 전류의 방향에 따라 방전 에너지량은 E11로, 충전 에너지량은 E12로 표기한다. 배터리 셀의 포화 에너지 용량을 Ef , 방전 한계 에너지 용량을 Ee라고 할 때, 배터리 셀 내부의 현재 에너지 양을 다음과 같이 칼만 필터를 이용하여 추정한다.
각 관측치에는 충방전 전류에 의한 전압 변화, 전압 감지기의 오차, 전류센서의 오차, 전류 관측 시간의 이산화에 의한 오차 등 다양한 오차를 포함하고 있으므로 오차의 영향을 최소화 하여 실제 에너지양을 정밀하게 추정할 수 있는 칼만 필터(잡음이 포함되어 있는 측정치를 바탕으로 선형 역학계의 상태를 추정하는 재귀 필터) 알고리즘을 이용하여 다음과 같이 추정한다.
특정 시간 k에서의 배터리 셀에 저장된 에너지 양을 Xk라고 정의하고, 또한 그 시간에서의 전류 관측을 통해 산출된 단위시간동안 작용한 에너지양을 Ei이라고 할 때 다음의 관계식을 차용한다.
Figure 112020093742630-pat00004
여기에서 Fk는 해당 시간에 이전 상태에 기반한 상태 전이 행렬을 나타낸다.
Bk는 입력(Ei)에 의한 상태 전이 행렬을 나타낸다.
또한 Wk는 공분산 행렬 Qk를 가지는 다변량 정규분포(Wk ~ N(0,Qk))잡음 변수이다.
여기서 최종 추정된 배터리 셀의 에너지 포화도 Er2는 다음과 같다.
Figure 112020093742630-pat00005
여기에서 Hk는 해당시간의 상태에서 측정값을 도출하는 행렬이고, Vk는 공분산행렬 Rk를 가지는 다변량 정규분포 Vk ~ N(O,Rk) 잡음 변수이다. 이상의 과정으로 산출된 Er2(%)를 통해 각 배터리 셀의 정확한 에너지 포화도를 추정할 수 있다.
칼만 필터는 범용 알고리즘이나, 셀 전압, 노드 전압 및 각 노드에서의 전류 측정치를 칼만 필터에 적용함으로써 배터리 포화도를 정밀하게 추정할 수 있는 점이 장점이다.
본 발명을 설명함에 있어 종래 기술 및 당업자에게 자명한 사항은 설명을 생략할 수도 있으며, 이러한 생략된 구성요소(방법) 및 기능의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위내에서 충분히 참조될 수 있을 것이다. 또한, 상술한 본 발명의 구성요소는 본 발명의 설명의 편의를 위하여 설명하였을 뿐 여기에서 설명되지 아니한 구성요소가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위내에서 추가될 수 있다.
상술한 각부의 구성 및 기능에 대한 설명은 설명의 편의를 위하여 서로 분리하여 설명하였을 뿐 필요에 따라 어느 한 구성 및 기능이 다른 구성요소로 통합되어 구현되거나, 또는 더 세분화되어 구현될 수도 있다.
이상, 본 발명의 일실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명이 이것에 한정되지는 않으며, 다양한 변형 및 응용이 가능하다. 즉, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 많은 변형이 가능한 것을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명과 관련된 공지 기능 및 그 구성 또는 본 발명의 각 구성에 대한 결합관계에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
110 : 제1 배터리 셀부
111 : 제1 다이오드
112 : 제2 다이오드
120 : 제2 배터리 셀부
121 : 제1 다이오드
122 : 제2 다이오드
130 : 제n 배터리 셀부
131 : 제1 다이오드
132 : 제2 다이오드
200 : 부하

Claims (7)

  1. 순차적으로 노드 전압이 더 커지도록 직렬 연결된 복수의 배터리 셀부,
    상기 복수의 배터리 셀부 각각을 충방전시키도록 복수의 PWM 스위칭 제어신호를 생성하는 복수의 스위칭 제어부,
    상기 복수의 PWM 스위칭 제어신호에 따라 각각의 복수의 배터리 셀부를 충방전시키도록 스위칭되는 복수의 스위칭부,
    상기 복수의 배터리 셀부 각각의 노드 전압을 감지하는 복수의 노드전압 감지부,
    상기 복수의 배터리 셀부 각각의 셀 전압을 감지하는 복수의 셀전압 감지부,
    충방전 모드에서 상기 셀 전압을 각각 입력받아 다른 셀 전압과의 비교를 통해 불균일한 셀 전압을 찾아내고, 불균일한 셀 전압이 발생한 경우에 셀 전압 밸런싱 신호를 생성하는 전압 판별부,
    충전 모드와 방전 모드를 관리 제어하며, 충방전시에 상기 셀 전압 밸런싱 신호가 생성되면 셀 전압이 불균일한 배터리 셀부를 제어하여 셀 전압 밸런싱이 이루어지도록 하는 제어부를 포함하며,
    충방전시에 각각의 배터리 셀부를 개별 제어하며,
    상기 제어부는,
    상기 충전 모드에서,
    어느 하나의 셀 전압이 다른 셀 전압에 비해 낮다고 판단되면, 낮은 셀 전압의 배터리 셀부의 노드 전압이 제1 노드 전압에 추종하도록 낮은 셀 전압과 관련된 스위칭부를 스위칭 동작시켜 낮은 셀 전압과 관련된 배터리 셀부의 충전 속도를 높이도록 밸런싱 제어하는 셀 전압 상승 충전 밸런싱 제어부,
    상기 낮은 셀 전압의 배터리 셀부의 노드 전압보다 더 큰 노드 전압을 가진 상향 직렬접속된 배터리 셀부가 있으면 상기 상향 직렬접속된 배터리 셀부의 노드 전압이 제2 노드 전압에 추종하도록 상향 직렬접속된 배터리 셀부와 관련된 스위칭부를 상기 낮은 셀 전압과 관련된 스위칭부와 동시에 스위칭 동작시키도록 밸런싱 제어하는 셀 전압 상승 동시 밸런싱 제어부를 포함하며,
    상기 제2 노드 전압은 제1 노드 전압에 비해 상대적으로 더 큰 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 순차적으로 노드 전압이 더 커지도록 직렬 연결된 복수의 배터리 셀부,
    상기 복수의 배터리 셀부 각각을 충방전시키도록 복수의 PWM 스위칭 제어신호를 생성하는 복수의 스위칭 제어부,
    상기 복수의 PWM 스위칭 제어신호에 따라 각각의 복수의 배터리 셀부를 충방전시키도록 스위칭되는 복수의 스위칭부,
    상기 복수의 배터리 셀부 각각의 노드 전압을 감지하는 복수의 노드전압 감지부,
    상기 복수의 배터리 셀부 각각의 셀 전압을 감지하는 복수의 셀전압 감지부,
    충방전 모드에서 상기 셀 전압을 각각 입력받아 다른 셀 전압과의 비교를 통해 불균일한 셀 전압을 찾아내고, 불균일한 셀 전압이 발생한 경우에 셀 전압 밸런싱 신호를 생성하는 전압 판별부,
    충전 모드와 방전 모드를 관리 제어하며, 충방전시에 상기 셀 전압 밸런싱 신호가 생성되면 셀 전압이 불균일한 배터리 셀부를 제어하여 셀 전압 밸런싱이 이루어지도록 하는 제어부를 포함하며,
    충방전시에 각각의 배터리 셀부를 개별 제어하며,
    상기 제어부는,
    상기 방전 모드에서,
    어느 하나의 셀 전압이 다른 셀 전압에 비해 낮다고 판단되면, 낮은 셀 전압의 배터리 셀부를 흐르는 전류가 제로가 되도록 낮은 셀 전압과 관련된 스위칭부를 스위칭 동작시킴으로써 낮은 셀 전압의 배터리 셀부의 노드 전압이 자신의 정상적인 노드 전압에 추종하도록 밸런싱 제어하는 셀 전압 상승 방전 밸런싱 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치.
  5. 순차적으로 노드 전압이 더 커지도록 직렬 연결된 복수의 배터리 셀부,
    상기 복수의 배터리 셀부 각각을 충방전시키도록 복수의 PWM 스위칭 제어신호를 생성하는 복수의 스위칭 제어부,
    상기 복수의 PWM 스위칭 제어신호에 따라 각각의 복수의 배터리 셀부를 충방전시키도록 스위칭되는 복수의 스위칭부,
    상기 복수의 배터리 셀부 각각의 노드 전압을 감지하는 복수의 노드전압 감지부,
    상기 복수의 배터리 셀부 각각의 셀 전압을 감지하는 복수의 셀전압 감지부,
    충방전 모드에서 상기 셀 전압을 각각 입력받아 다른 셀 전압과의 비교를 통해 불균일한 셀 전압을 찾아내고, 불균일한 셀 전압이 발생한 경우에 셀 전압 밸런싱 신호를 생성하는 전압 판별부,
    충전 모드와 방전 모드를 관리 제어하며, 충방전시에 상기 셀 전압 밸런싱 신호가 생성되면 셀 전압이 불균일한 배터리 셀부를 제어하여 셀 전압 밸런싱이 이루어지도록 하는 제어부를 포함하며,
    충방전시에 각각의 배터리 셀부를 개별 제어하며,
    상기 제어부는,
    상기 충전 모드에서,
    어느 하나의 셀 전압이 다른 셀 전압에 비해 높다고 판단되면, 높은 셀 전압의 배터리 셀부의 노드 전압이 제3 노드 전압에 추종하도록 높은 셀 전압과 관련된 스위칭부를 스위칭 동작시켜 높은 셀 전압과 관련된 배터리 셀부의 충전 속도를 낮추도록 밸런싱 제어하는 셀 전압 하강 충전 밸런싱 제어부,
    상기 높은 셀 전압의 배터리 셀부의 노드 전압보다 더 큰 노드 전압을 가진 상향 직렬접속된 배터리 셀부가 있으면 상기 상향 직렬접속된 배터리 셀부의 노드 전압이 제4 노드 전압에 추종하도록 상향 직렬접속된 배터리 셀부와 관련된 스위칭부를 상기 높은 셀 전압과 관련된 스위칭부와 동시에 스위칭 동작시키도록 밸런싱 제어하는 셀 전압 하강 동시 밸런싱 제어부를 포함하며,
    상기 제4 노드 전압은 제3 노드 전압에 비해 상대적으로 더 큰 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치.
  6. 순차적으로 노드 전압이 더 커지도록 직렬 연결된 복수의 배터리 셀부,
    상기 복수의 배터리 셀부 각각을 충방전시키도록 복수의 PWM 스위칭 제어신호를 생성하는 복수의 스위칭 제어부,
    상기 복수의 PWM 스위칭 제어신호에 따라 각각의 복수의 배터리 셀부를 충방전시키도록 스위칭되는 복수의 스위칭부,
    상기 복수의 배터리 셀부 각각의 노드 전압을 감지하는 복수의 노드전압 감지부,
    상기 복수의 배터리 셀부 각각의 셀 전압을 감지하는 복수의 셀전압 감지부,
    충방전 모드에서 상기 셀 전압을 각각 입력받아 다른 셀 전압과의 비교를 통해 불균일한 셀 전압을 찾아내고, 불균일한 셀 전압이 발생한 경우에 셀 전압 밸런싱 신호를 생성하는 전압 판별부,
    충전 모드와 방전 모드를 관리 제어하며, 충방전시에 상기 셀 전압 밸런싱 신호가 생성되면 셀 전압이 불균일한 배터리 셀부를 제어하여 셀 전압 밸런싱이 이루어지도록 하는 제어부를 포함하며,
    충방전시에 각각의 배터리 셀부를 개별 제어하며,
    상기 제어부는,
    상기 방전 모드에서,
    어느 하나의 셀 전압이 다른 셀 전압에 비해 높다고 판단되면, 정상적인 배터리 셀부의 셀 전압이 불균일한 높은 셀 전압과 동등해지도록 정상적인 배터리 셀부와 관련된 스위칭부를 스위칭 동작시켜 모든 배터리 셀부의 셀 전압을 동등하게 제어함으로써 높은 셀 전압의 배터리 셀부의 방전 속도를 높이도록 방전 밸런싱 제어하는 셀 전압 동등 방전 밸런싱 제어부,
    높은 셀 전압을 가진 배터리 셀부가 종단 배터리 셀부인 경우에 종단 노드 전압보다 더 큰 전압을 상기 종단 배터리 셀부에 스위칭 공급하도록 스위칭 제어하는 부트스트랩 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치.
  7. 제 1 항, 제 4 항, 제 5 항, 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 배터리 셀부의 셀 전압, 노드 전압 및 각 배터리 셀부를 흐르는 셀 전류 값을 칼만 필터에 적용하여 기 설정된 알고리즘을 통해 각 배터리 셀 용량을 산출하는 배터리 셀 용량 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치.
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