KR102284872B1 - Cell balancing apparatus and method - Google Patents
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Abstract
셀 밸런싱 장치 및 방법이 개시된다. 상기 셀 밸런싱 장치 및 방법은, 배터리 모듈 내에서 직렬 접속된 복수의 배터리 셀 간의 충전 상태를 밸런싱하기 위한 것이다. 상기 셀 밸런싱 장치는, 상기 각 배터리 셀의 양단 전압을 소정 주기마다 검출하도록 구성된 모니터링부; 복수의 밸런싱 회로를 포함하는 밸런싱부; 및 상기 모니터링부 및 상기 각 밸런싱 회로에 동작 가능하게 결합된 제어부;를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 각 배터리 셀의 양단 전압을 기초로 상기 복수의 배터리 셀 중 어느 하나의 밸런싱 대상을 결정하고, 상기 소정 주기 마다 상기 밸런싱 대상을 통해 흐르는 밸런싱 전류를 기준 밸런싱 전류로 일정하게 제어한다.A cell balancing apparatus and method are disclosed. The cell balancing apparatus and method are for balancing a state of charge between a plurality of battery cells connected in series in a battery module. The cell balancing device may include: a monitoring unit configured to detect voltages at both ends of each of the battery cells at predetermined intervals; a balancing unit including a plurality of balancing circuits; and a control unit operatively coupled to the monitoring unit and each of the balancing circuits. The control unit determines a balancing target of any one of the plurality of battery cells based on the voltages at both ends of the respective battery cells, and constantly controls the balancing current flowing through the balancing target every predetermined period as a reference balancing current. .
Description
본 발명은 셀 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리 모듈 내에서 직렬 접속된 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 균일화하는 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a cell balancing apparatus and method, and more particularly, to an apparatus for equalizing the state of charge of a plurality of battery cells connected in series in a battery module.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Recently, as the demand for portable electronic products such as notebook computers, video cameras, and portable telephones has rapidly increased, and development of electric vehicles, energy storage batteries, robots, satellites, etc. is in full swing, high-performance secondary batteries that can be repeatedly charged and discharged research is being actively conducted.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.Currently commercialized secondary batteries include nickel cadmium batteries, nickel hydride batteries, nickel zinc batteries, and lithium secondary batteries. Among them, lithium secondary batteries have almost no memory effect compared to nickel-based secondary batteries, so charging and discharging are free, The self-discharge rate is very low and the energy density is high, attracting attention.
최근 전기 자동차 등에서 고출력이 요구됨에 따라, 이에 탑재되는 배터리팩에는 서로 직렬 연결된 복수의 배터리 셀이 포함되는 것이 일반적이다. 그런데, 배터리 셀들은 완벽하게 동일한 특성을 가질 수는 없기 때문에, 배터리팩의 충방전이 반복될수록 배터리 셀들 간의 충전 상태에 불균형이 발생할 수 밖에 없다. 이러한 불균형을 억제하기 않고 계속적으로 배터리팩의 충방전을 반복할 경우, 배터리팩의 가용 용량이 감소할 뿐만 아니라, 이에 포함된 배터리 셀들의 퇴화가 가속화된다.Recently, as high output is required in electric vehicles, etc., a battery pack mounted thereon generally includes a plurality of battery cells connected in series with each other. However, since the battery cells cannot have completely the same characteristics, as charging and discharging of the battery pack are repeated, an imbalance in the state of charge between the battery cells is inevitable. If charging and discharging of the battery pack are continuously repeated without suppressing such imbalance, the usable capacity of the battery pack is reduced and deterioration of battery cells included therein is accelerated.
위와 같은 문제를 해결하기 위한 '셀 밸런싱'은, 각 배터리 셀에 병렬 연결된 밸런싱 회로를 제어하여 배터리 셀들 중에서 상대적으로 높은 충전 상태를 가지는 것을 강제적으로 방전시킴으로써 배터리 셀들 사이의 충전 상태를 균일화하는 기술이다. 이에 따르면, 각 배터리 셀의 개방 전압에 기초하여 균일화를 위한 목표 방전 용량을 결정하고, 결정된 목표 방전 용량만큼 각 배터리 셀을 개별적으로 방전시켜야 한다. 이때, 셀 밸런싱에 의한 실제 방전 용량이 목표 방전 용량에 근접할수록, 배터리 셀들 간의 충전 상태 편차가 원하는 만큼 정확하게 억제될 수 있다.'Cell balancing' to solve the above problem is a technology that equalizes the state of charge between battery cells by forcibly discharging those having a relatively high state of charge among the battery cells by controlling a balancing circuit connected in parallel to each battery cell. . Accordingly, a target discharge capacity for equalization must be determined based on the open-circuit voltage of each battery cell, and each battery cell must be individually discharged by the determined target discharge capacity. In this case, as the actual discharge capacity due to cell balancing approaches the target discharge capacity, the variation in the state of charge between the battery cells may be precisely suppressed as desired.
그런데, 밸런싱 회로의 저항값이 일정하더라도, 셀 밸런싱이 진행되는 동안 각 배터리 셀의 전압이 변하므로, 밸런싱 회로를 통해 흐르는 방전 전류 역시 일정하게 유지될 수 없다. 실제 방전 용량을 산출하기 위해서는 방전 전류의 정확한 모니터링이 요구되는데, 셀 밸런싱이 진행되는 동안 수시로 변화하는 방전 전류에 기초하여 산출된 실제 방전 용량은 그 정확도가 떨어지게 되는 문제가 있다.However, even if the resistance value of the balancing circuit is constant, since the voltage of each battery cell changes while the cell balancing is in progress, the discharge current flowing through the balancing circuit cannot be kept constant. In order to calculate the actual discharge capacity, accurate monitoring of the discharge current is required, but the accuracy of the actual discharge capacity calculated based on the discharge current that is frequently changed during cell balancing is deteriorated.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 셀 밸런싱이 진행되는 동안에 각 배터리 셀에 대한 주기 당 평균 방전 전류를 일정하게 유지하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide an apparatus and method for constantly maintaining an average discharge current per cycle for each battery cell while cell balancing is in progress.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.Other objects and advantages of the present invention may be understood by the following description, and will become more clearly understood by the examples of the present invention. In addition, it will be readily apparent that the objects and advantages of the present invention can be realized by means and combinations thereof indicated in the claims.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다양한 실시예는 다음과 같다.Various embodiments of the present invention for achieving the above object are as follows.
본 발명의 일 측면에 따른 셀 밸런싱 장치는, 배터리 모듈 내에서 직렬 접속된 복수의 배터리 셀 간의 충전 상태를 밸런싱하기 위한 것이다. 상기 셀 밸런싱 장치는, 상기 각 배터리 셀의 양단 전압을 소정 주기마다 검출하도록 구성된 모니터링부; 복수의 밸런싱 회로를 포함하는 밸런싱부; 및 상기 모니터링부 및 상기 각 밸런싱 회로에 동작 가능하게 결합된 제어부;를 포함한다. 상기 각 밸런싱 회로는, 직렬 접속된 저항 소자 및 스위칭 소자를 포함하고, 상기 각 배터리 셀에 병렬 접속된다. 상기 제어부는, 상기 각 배터리 셀의 양단 전압을 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 중 어느 하나의 밸런싱 대상을 결정하고, 상기 소정 주기 마다, 상기 밸런싱 대상에 병렬 접속된 밸런싱 회로의 밸런싱 전류를 기준 밸런싱 전류로 일정하게 유지하도록 상기 밸런싱부를 제어한다.A cell balancing device according to an aspect of the present invention is for balancing a state of charge between a plurality of battery cells connected in series in a battery module. The cell balancing device may include: a monitoring unit configured to detect voltages at both ends of each of the battery cells at predetermined intervals; a balancing unit including a plurality of balancing circuits; and a control unit operatively coupled to the monitoring unit and each of the balancing circuits. Each of the balancing circuits includes a resistance element and a switching element connected in series, and is connected in parallel to each of the battery cells. The control unit determines a balancing target of any one of the plurality of battery cells based on the voltages at both ends of each battery cell, and at every predetermined period, a balancing current of a balancing circuit connected in parallel to the balancing target is referenced The balancing unit is controlled to keep the current constant.
또한, 상기 제어부는, 상기 기준 밸런싱 전류, 상기 저항 소자의 저항값 및 상기 소정 주기마다 검출되는 상기 밸런싱 대상의 양단 전압을 기초로, 상기 소정 주기마다 듀티 사이클 보정값을 결정할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 듀티 사이클 보정값을 기초로, 상기 밸런싱 대상에 병렬 접속된 밸런싱 회로의 스위칭 소자에게 인가되는 스위칭 신호의 목표 듀티 사이클을 상기 소정 주기마다 갱신할 수 있다.In addition, the controller may determine a duty cycle correction value for each predetermined period based on the reference balancing current, the resistance value of the resistance element, and the voltage across both ends of the balancing target detected at each predetermined period. The controller may update a target duty cycle of a switching signal applied to a switching element of a balancing circuit connected in parallel to the balancing target at every predetermined period based on the duty cycle correction value.
또한, 상기 제어부는, 하기의 수학식:In addition, the control unit, the following formula:
(는 상기 기준 밸런싱 전류, 은 상기 밸런싱 대상의 양단 전압, 는 상기 저항 소자의 저항값, 는 미리 정해진 기준 듀티 사이클, 는 상기 듀티 사이클 보정값)( is the reference balancing current, is the voltage across the balancing target, is the resistance value of the resistive element, is the predetermined reference duty cycle, is the duty cycle correction value)
을 이용하여, 상기 듀티 사이클 보정값을 결정할 수 있다.may be used to determine the duty cycle correction value.
또한, 상기 모니터링부는, 상기 각 배터리 셀의 온도를 상기 소정 주기마다 검출하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 밸런싱 대상의 온도를 더 기초로, 상기 소정 주기마다 상기 듀티 사이클 보정값을 결정할 수 있다.In addition, the monitoring unit may be configured to detect the temperature of each battery cell at each predetermined period. The controller may determine the duty cycle correction value for each predetermined period based on the temperature of the balancing target.
또한, 상기 제어부는, 상기 각 배터리 셀의 양단 전압을 기초로, 상기 각 배터리 셀의 충전 상태를 결정하고, 상기 각 배터리 셀의 충전 상태를 기초로, 상기 밸런싱 대상을 결정할 수 있다.In addition, the controller may determine the charging state of each battery cell based on the voltage across the battery cells, and determine the balancing target based on the charging state of each battery cell.
또한, 상기 제어부는, 상기 복수의 배터리 셀의 충전 상태 중에서 가장 작은 것을 목표 충전 상태로 결정하고, 상기 밸런싱 대상의 충전 상태와 상기 목표 충전 상태 간의 차이를 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 방전 용량을 결정할 수 있다.In addition, the control unit determines the smallest one among the charging states of the plurality of battery cells as the target charging state, and based on the difference between the charging state of the balancing target and the target charging state, the target discharge capacity for the balancing target can be decided
또한, 상기 제어부는, 상기 기준 밸런싱 전류 및 상기 목표 방전 용량을 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 밸런싱 시간을 결정할 수 있다.Also, the controller may determine a target balancing time for the balancing target based on the reference balancing current and the target discharge capacity.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리팩은 상기 셀 밸런싱 장치를 포함할 수 있다. A battery pack according to another aspect of the present invention may include the cell balancing device.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 셀 밸런싱 방법은, 상기 복수의 배터리 셀의 초기 양단 전압을 기초로, 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 결정하는 단계; 상기 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 중 어느 하나의 밸런싱 대상을 결정하는 단계; 상기 복수의 배터리 셀의 초기 양단 전압을 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 충전 상태를 결정하는 단계; 상기 밸런싱 대상의 충전 상태와 상기 목표 충전 상태 간의 차이를 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 방전 용량을 결정하는 단계; 기준 밸런싱 전류 및 상기 목표 방전 용량을 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 밸런싱 시간을 결정하는 단계; 및 상기 목표 밸런싱 시간 동안, 상기 밸런싱 대상의 밸런싱 전류를 기준 밸런싱 전류로 일정하게 제어하는 단계;를 포함한다.Cell balancing method according to another aspect of the present invention, based on the initial voltage across the plurality of battery cells, determining the state of charge of the plurality of battery cells; determining a balancing target of any one of the plurality of battery cells based on the state of charge of the plurality of battery cells; determining a target state of charge for the balancing target based on initial voltages across the plurality of battery cells; determining a target discharge capacity for the balancing target based on a difference between the balancing target's charging state and the target charging state; determining a target balancing time for the balancing target based on a reference balancing current and the target discharge capacity; and constantly controlling the balancing current of the balancing target as a reference balancing current during the target balancing time.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 셀 밸런싱이 진행되는 동안, 각 배터리 셀의 전압이 변하더라도 주기 당 평균 방전 전류(이하, '밸런싱 전류'라고 함)를 일정하게 유지할 수 있다. According to at least one of the embodiments of the present invention, while the cell balancing is in progress, even if the voltage of each battery cell changes, the average discharge current per cycle (hereinafter, referred to as a 'balancing current') may be constantly maintained.
이에 따라, 밸런싱 전류에 기초하여 산출되는 실제 방전 용량이 목표 방전 용량에 더욱 근접해질 수 있다. 아울러, 실제 방전 용량이 목표 방전 용량에 도달하였는지 비교하는 데에 요구되는 연산 횟수를 줄일 수 있다.Accordingly, the actual discharge capacity calculated based on the balancing current may be closer to the target discharge capacity. In addition, it is possible to reduce the number of calculations required to compare whether the actual discharge capacity has reached the target discharge capacity.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치의 기능적 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 방법을 단계들을 보여주는 순서도이다.
도 3은 도 2의 셀 밸런싱 방법이 실행되는 동안의 밸런싱 대상의 양단 전압, 목표 듀티 사이클 및 밸런싱 전류를 보여주는 타이밍 챠트이다.The following drawings attached to the present specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical spirit of the present invention together with the detailed description of the present invention to be described later, so the present invention is a matter described in such drawings should not be construed as being limited only to
1 is a diagram showing a functional configuration of a cell balancing apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart showing steps of a cell balancing method according to an embodiment of the present invention.
3 is a timing chart showing a voltage across both ends of a balancing target, a target duty cycle, and a balancing current while the cell balancing method of FIG. 2 is executed.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor should properly understand the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. Therefore, the configuration shown in the embodiments and drawings described in the present specification is only the most preferred embodiment of the present invention and does not represent all of the technical spirit of the present invention, so at the time of the present application, various It should be understood that there may be equivalents and variations.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In addition, in the description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.Terms including an ordinal number such as 1st, 2nd, etc. are used for the purpose of distinguishing any one of various components from the others, and are not used to limit the components by such terms.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain element, it means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated. In addition, a term such as <control unit> described in the specification means a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or a combination of hardware and software.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.In addition, throughout the specification, when a part is "connected" with another part, it is not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another element interposed therebetween. include
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치(100)의 기능적 구성을 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a functional configuration of a
셀 밸런싱 장치(100)는, 배터리팩(10)의 배터리 모듈(20) 내에서 직렬 접속된 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln) 간의 충전 상태를 밸런싱한다. 도 1을 참조하면, 셀 밸런싱 장치(100)는, 모니터링부(110), 밸런싱부(120) 및 제어부(130)를 포함한다.The
모니터링부(110)는, 전압 검출 회로를 포함하고, 선택적으로 온도 검출 회로를 더 포함할 수 있다. 전압 검출 회로는, 적어도 하나의 전압 센서를 포함할 수 있다. 전압 검출 회로는, 배터리 모듈(20)에 포함된 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln) 각각의 양단(즉, 양극과 음극)에 센싱 라인을 통해 전기적으로 연결됨으로써, 각 배터리 셀(Cell)의 양단 전압을 소정 주기마다 검출하고, 검출된 양단 전압을 나타내는 전압 신호를 제어부(130)에게 전송할 수 있다. 온도 검출 회로는, 적어도 하나의 온도 센서를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 온도 검출 회로는, 밸런싱 회로(BC1~BCn)의 개수와 동일한 개수의 온도 센서(TS1~TSn)를 포함할 수 있다. 온도 센서(TSi, i = 1 ~ n)는 밸런싱부(120)에 포함된 밸런싱 회로(BCi)의 스위칭 소자(SWi)에 근접하게 설치될 수 있다. 온도 검출 회로는, 온도 센서(TS1~TSn)를 이용하여 소정 주기마다 복수의 밸런싱 회로(BC1~BCn)의 온도를 검출하고, 검출된 온도를 나타내는 온도 신호를 제어부(130)에게 전송할 수 있다.The
밸런싱부(120)는, 복수의 밸런싱 회로(BC1~BCn)를 포함할 수 있다. 밸런싱부(120)에 포함되는 밸런싱 회로(BC)의 개수는, 배터리 모듈(20)에 포함되는 배터리 셀(Cell)의 개수와 동일할 수 있다. 밸런싱 회로(BCi)는, 서로 직렬 연결된 저항 소자(Ri) 및 스위칭 소자(SWi)를 포함하고, 배터리 셀(Celli)에 병렬 연결될 수 있다. 저항 소자(Ri)는, 미리 정해진 저항값을 가질 수 있다. 스위칭 소자(SWi)는, 스위칭 신호(예, 펄스 폭 변조 신호)로 제어 가능한 반도체 스위치일 수 있다. 스위칭 소자(SWi)가 턴온 상태인 경우, 배터리 셀(Celli), 저항 소자(Ri) 및 스위칭 소자(SWi)에 의한 폐회로가 형성됨으로써, 배터리 셀(Celli)이 방전된다. The
제어부(130)는, 모니터링부(110) 및 복수의 밸런싱 회로(BC1~BCn)에 동작 가능하게 결합된다. 제어부(130)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 제어부(300)는, 메모리를 포함할 수 있다. 메모리는, 셀 밸런싱 장치(100)의 전반적인 동작에 요구되는 데이터들, 명령어 및 소프트웨어를 저장하는 것으로서, 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.The
제어부(130)는, 모니터링부(110)로부터 전압 신호와 온도 신호를 수신하고, 이를 기초로 복수의 밸런싱 회로(BC1~BCn)를 개별적으로 제어할 수 있다. 제어부(130)에 의한 셀 밸런싱 방법에 대하여는 이하 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.The
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 방법을 단계들을 보여주는 순서도이다.2 is a flowchart showing steps of a cell balancing method according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 단계 S200에서, 제어부(130)는, 모니터링부(110)로부터 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln)의 초기 양단 전압을 나타내는 전압 신호를 수신한다. 이때, 초기 양단 전압은, 배터리 모듈(20)이 무부하 상태에서 검출된 각 배터리 셀(Cell)의 개방 전압(OCV: Open Circuit Voltage)을 나타내는 것일 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2 , in step S200 , the
단계 S205에서, 제어부(130)는, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln)의 초기 양단 전압을 기초로, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln)의 충전 상태를 결정할 수 있다. 초기 양단 전압이 개방 전압인 경우, 제어부(130)는 그것에 내장된 메모리에 미리 기록된 개방 전압-충전 상태(SOC: State Of Charge) 커브 데이터를 이용하여, 각 배터리 셀(Cell)의 초기 개방 전압에 대응하는 충전 상태를 결정할 수 있다.In step S205, the
단계 S210에서, 제어부(130)는, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln)의 충전 상태를 기초로, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln) 중 어느 하나의 밸런싱 대상을 결정할 수 있다. 이때, 제어부(130)는, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln) 중 가장 높은 충전 상태를 가지는 것(Cellk, k=1~n)을 밸런싱 대상으로 결정할 수 있다. 물론, 제어부(130)는, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln) 중 둘 이상을 동시에 밸런싱 대상으로 결정할 수도 있다. 예컨대, 제어부(130)는, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln) 중 가장 낮은 충전 상태를 가지는 것을 제외한 나머지 중에서 둘 이상을 밸런싱 대상으로 결정할 수 있다.In step S210, the
단계 S215에서, 제어부(130)는, 밸런싱 대상을 위한 목표 충전 상태를 결정할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln)의 충전 상태 중에서 가장 작은 것을 목표 충전 상태로 결정할 수 있다. 그 이유는, 밸런싱부(120)는 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln)을 선택적으로 방전시킬 수만 있으므로, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln)의 충전 상태를 그것들 중의 최소치로 균일화하기 위함이다.In step S215 , the
단계 S220에서, 제어부(130)는, 밸런싱 대상(Cellk)의 충전 상태와 목표 충전 상태 간의 차이를 기초로, 밸런싱 대상(Cellk)을 위한 목표 방전 용량을 결정한다. 예컨대, 미리 주어진 최대 용량이 3000mAh이고, 밸런싱 대상(Cellk)의 충전 상태가 80%이고, 목표 충전 상태가 70%인 경우, 밸런싱 대상(Cellk)의 충전 상태 80%와 목표 충전 상태 70%의 차이인 10%에 대응하는 용량인 3000mAh × 10% = 300mAh를 목표 방전 용량으로 결정될 수 있다.In step S220, the
단계 S225에서, 제어부(130)는, 밸런싱 대상(Cellk)의 충전 상태와 목표 충전 상태 간의 차이를 기초로, 기준 밸런싱 전류를 결정할 수 있다. 일 예로, 밸런싱 대상(Cellk)의 충전 상태가 목표 충전 상태보다 15% 이상 높은 경우에는 밸런싱 대상(Cellk)의 충전 상태와 목표 충전 상태에 비례하여 기준 밸런싱 전류를 증가시키고, 그렇지 않은 경우에는 미리 주어진 고정값으로 일정하게 유지할 수 있다. 물론, 제어부(130)는, 밸런싱 대상(Cellk)의 충전 상태와 목표 충전 상태 간의 차이와는 무관하게, 미리 주어진 고정값을 기준 밸런싱 전류로 이용할 수도 있다.In step S225 , the
단계 S230에서, 제어부(130)는, 기준 밸런싱 전류 및 목표 방전 용량을 기초로, 밸런싱 대상(Cellk)을 위한 목표 밸런싱 시간을 결정한다. 이때, [밸렁신 지속 시간 = 목표 방전 용량 / 기준 밸런싱 전류]의 관계를 가진다.In step S230 , the
목표 방전 용량, 기준 밸런싱 전류 및 목표 밸런싱 시간이 결정되면, 제어부(130)는 후술할 단계 S230 내지 S245를 통해 밸런싱 대상(Cellk)에 병렬 접속된 밸런싱 회로(BCk)의 밸런싱 전류를 기준 밸런싱 전류로 일정하게 유지하도록 밸런싱부(120)를 제어한다. 이때, 밸런싱 회로(BCk)의 밸런싱 전류는, 소정 주기 동안에 밸런싱 대상에 병렬 접속된 밸런싱 회로(BC)를 통해 흐르는 방전 전류의 평균값일 수 있다.When the target discharge capacity, the reference balancing current, and the target balancing time are determined, the
단계 S235에서, 제어부(130)는, 소정 주기마다 검출되는 밸런싱 대상(Cellk)의 양단 전압을 기초로, 소정 주기마다 듀티 사이클 보정값을 결정한다. 이때, 제어부(130)는, 하기의 수학식 1 또는 수학식 2를 이용할 수 있다.In step S235 , the
<수학식 1><
<수학식 2><Equation 2>
상기 수학식 1 및 2에서, ICB는 기준 밸런싱 전류, VCELL 은 밸런싱 대상(Cellk)의 양단 전압, RCB는 저항 소자(R)의 미리 주어진 저항값, DFIX 는 미리 정해진 기준 듀티 사이클(예, 0.5 = 50%), DAD는 듀티 사이클 보정값이다. 상기 수학식 2의 α는 미리 주어진 상수이고, T는 밸런싱 회로(BCk)의 온도이다.In
상기 수학식 1에서 ICB, RCB 및 DFIX는 목표 밸런싱 시간 동안 일정하게 유지되는 값이므로, DAD는 VCELL에 의존하게 된다. 이와 비교할 때, 상기 수학식 2에서, ICB, RCB 및 DFIX는 목표 밸런싱 시간 동안 일정하게 유지되는 값이므로, DAD는 VCELL 뿐만 아니라 αT에도 의존하게 된다. 상기 수학식 2에 따르면, 밸런싱 회로(BCk)의 온도에 따라 RCB를 보정할 수 있다. 즉, 제어부(130)는, 밸런싱 대상(Cellk)의 양단 전압 VCELL 및 밸런싱 회로(BCk)의 온도 T를 기초로, 소정 주기마다 듀티 사이클 보정값을 결정할 수 있다.In
제어부(130)는, 목표 밸런싱 시간 동안의 밸런싱 대상(Cellk)이 방전됨에 따라, 소정 주기마다 검출되는 VCELL는 서서히 감소하게 된다. 상기 수학식 1 및 2에서, DAD와 VCELL는 반비례 관계를 가지므로, VCELL의 감소량에 대응하는 만큼 DAD는 증가하게 된다. As the balancing target Cell k is discharged during the target balancing time, the
단계 S240에서, 제어부(130)는, 듀티 사이클 보정값을 기초로, 밸런싱 대상(Cellk)을 위한 목표 듀티 사이클을 결정한다. 이때, 제어부(130)는, 하기의 수학식 3:In step S240 , the
을 이용하여, 밸런싱 대상(Cellk)을 위한 목표 듀티 사이클을 소정 주기마다 갱신할 수 있다. By using , the target duty cycle for the balancing target Cell k may be updated every predetermined period.
단계 S245에서, 제어부(130)는, 밸런싱 대상(Cellk)에 병렬 연결된 밸런싱 회로(BCk)의 밸런싱 스위치(SWk)에게 목표 듀티 사이클을 가지는 스위칭 신호를 출력한다. 이에 따라, 밸런싱 스위치(SWk)의 주기 당 턴온 시간과 턴오프 시간을 조절할 수 있다. 밸런싱 대상(Cellk)에 대한 셀 밸런싱이 진행 시, DAD의 증가에 따라 DSW도 증가하므로, 밸런싱 스위치(SWk)의 주기 당 턴온 시간 역시 증가하게 된다. 결과적으로, VCELL의 감소량이 DSW의 증가량에 의해 상쇄됨으로써, 목표 밸런싱 시간 동안의 밸런싱 전류가 기준 밸런싱 전류로 일정하게 유지될 수 있다. 이때, 밸런싱 전류가 기준 밸런싱 전류로 일정하게 유지된다는 것은, 밸런싱 전류가 기준 밸런싱 전류와 완전히 동일한 것으로 제한되지는 않으며, 둘 간의 차이가 허용치 내에 있는 것까지도 포괄하는 의미로 이해되어야 한다.In step S245 , the
단계 S250에서, 제어부(130)는, 누적 밸런싱 시간이 목표 밸런싱 시간에 도달하였는지 판정할 수 있다. 누적 밸런싱 시간은, 기준 밸런싱 전류를 이용한 셀 밸런싱이 개시된 시점부터 현재까지 경과된 시간일 수 있다. 단계 S250의 값이 "YES"인 경우, 제어부(130)는 밸런싱 스위치에 대한 스위칭 신호의 출력을 중단함으로써, 상기 방법을 종료한다. 단계 S250의 값이 "NO"인 경우, 제어부(130)는 단계 S235로 회귀한다.In step S250 , the
도 3은 도 2의 셀 밸런싱 방법이 실행되는 동안의 밸런싱 대상의 양단 전압, 목표 듀티 사이클 및 밸런싱 전류를 보여주는 타이밍 챠트이다. 이해를 돕기 위해, 제어부(130)는 수학식 1 및 2 중 수학식 1을 이용하여 결정된 듀티 사이클 보정값을 기초로 목표 듀티 사이클을 주기적으로 갱신하는 것으로 가정한다.3 is a timing chart showing a voltage across both ends of a balancing target, a target duty cycle, and a balancing current while the cell balancing method of FIG. 2 is executed. For better understanding, it is assumed that the
도 3의 (a)를 참조하면, 연속된 주기들 P1 ~ Pm을 거치면서 밸런싱 대상(Cellk)이 방전됨에 따라 밸런싱 대상의 양단 전압 VCELL이 점차적으로 감소함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3A , it can be seen that the voltage V CELL across both ends of the balancing target gradually decreases as the balancing target Cell k is discharged through successive periods P 1 to P m .
밸런싱 대상(Cellk)의 양단 전압 VCELL이 감소하는 것에 응답하여 제어부(130)가 DAD를 증가시킴에 따라, DSW 역시 P1 ~ Pm까지 점차적으로 증가하는 것을 도 3의 (b)로부터 확인할 수 있다. 목표 듀티 사이클은, 어느 한 주기가 끝나고 다음 주기가 시작될 때 갱신될 수 있으므로, 도 3의 (b)와 같이 계단 형태로 증가할 수 있다. 이에 따라, 도 3의 (c)와 같이, 밸런싱 대상(Cellk)의 밸런싱 전류 I가 P1 ~ Pm까지 기준 밸런싱 전류로 일정하게 유지될 수 있다. As the control unit 130 increases D AD in response to a decrease in the voltage V CELL across both ends of the balancing target (Cell k ), D SW also gradually increases from P 1 to P m in FIG. 3 (b) can be confirmed from Since the target duty cycle may be updated when one cycle ends and the next cycle starts, it may increase in a stepwise fashion as shown in FIG. 3B . Accordingly, as shown in (c) of FIG. 3 , the balancing current I of the balancing target Cell k may be constantly maintained as the reference balancing current from P 1 to P m .
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다. The embodiment of the present invention described above is not implemented only through the apparatus and method, and may be implemented through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium in which the program is recorded. The implementation can be easily implemented by those skilled in the art to which the present invention pertains from the description of the above-described embodiments.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.In the above, although the present invention has been described with reference to limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and will be described below with the technical idea of the present invention by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다. In addition, since the present invention described above can be various substitutions, modifications and changes within the scope that does not depart from the technical spirit of the present invention for those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, the above-described embodiments and attachments Not limited by the illustrated drawings, all or part of each embodiment may be selectively combined so that various modifications can be made.
10: 배터리팩
20: 배터리 모듈
Cell: 배터리 셀
100: 셀 밸런싱 장치
110: 모니터링부
120: 밸런싱부
BC: 밸런싱 회로
R: 저항 소자
SW: 스위칭 소자
130: 제어부10: battery pack
20: battery module
Cell: battery cell
100: cell balancer
110: monitoring unit
120: balancing unit
BC: balancing circuit
R: resistance element
SW: switching element
130: control unit
Claims (9)
상기 각 배터리 셀의 양단 전압을 소정 주기마다 검출하도록 구성된 모니터링부;
복수의 밸런싱 회로를 포함하는 밸런싱부; 및
상기 모니터링부 및 상기 각 밸런싱 회로에 동작 가능하게 결합된 제어부;를 포함하되,
상기 각 밸런싱 회로는, 직렬 접속된 저항 소자 및 스위칭 소자를 포함하고, 상기 각 배터리 셀에 병렬 접속되며,
상기 제어부는,
상기 각 배터리 셀의 양단 전압을 기초로, 상기 각 배터리 셀의 충전 상태를 결정하고,
상기 각 배터리 셀의 충전 상태를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 중 어느 하나의 밸런싱 대상을 결정하고,
상기 소정 주기 마다, 상기 밸런싱 대상에 병렬 접속된 밸런싱 회로의 밸런싱 전류를 기준 밸런싱 전류로 일정하게 유지하도록 상기 밸런싱부를 제어하는, 장치.
An apparatus for balancing a state of charge between a plurality of battery cells connected in series in a battery module, the apparatus comprising:
a monitoring unit configured to detect the voltage across the battery cells at predetermined intervals;
a balancing unit including a plurality of balancing circuits; and
a control unit operatively coupled to the monitoring unit and each of the balancing circuits;
Each of the balancing circuits includes a resistance element and a switching element connected in series, and is connected in parallel to each of the battery cells,
The control unit is
Determine the state of charge of each battery cell based on the voltage across the battery cells,
Determining a balancing target of any one of the plurality of battery cells based on the state of charge of each battery cell,
The apparatus of controlling the balancing unit to constantly maintain a balancing current of a balancing circuit connected in parallel to the balancing target as a reference balancing current at every predetermined period.
상기 제어부는,
상기 기준 밸런싱 전류, 상기 저항 소자의 저항값 및 상기 소정 주기마다 검출되는 상기 밸런싱 대상의 양단 전압을 기초로, 상기 소정 주기마다 듀티 사이클 보정값을 결정하고,
상기 듀티 사이클 보정값을 기초로, 상기 밸런싱 대상에 병렬 접속된 밸런싱 회로의 스위칭 소자에게 인가되는 스위칭 신호의 목표 듀티 사이클을 상기 소정 주기마다 갱신하는, 장치.
According to claim 1,
The control unit is
Based on the reference balancing current, the resistance value of the resistance element, and the voltage across the balancing target detected at each predetermined period, a duty cycle correction value is determined for each predetermined period,
and updating a target duty cycle of a switching signal applied to a switching element of a balancing circuit connected in parallel to the balancing target at every predetermined period based on the duty cycle correction value.
상기 제어부는,
하기의 수학식:
(ICB는 상기 기준 밸런싱 전류, VCELL은 상기 밸런싱 대상의 양단 전압, RCB는 상기 저항 소자의 저항값, DFIX는 미리 정해진 기준 듀티 사이클, DAD는 상기 듀티 사이클 보정값)
을 이용하여, 상기 듀티 사이클 보정값을 결정하는, 장치.
3. The method of claim 2,
The control unit is
Equation:
(I CB is the reference balancing current, V CELL is the voltage across both ends of the balancing target, R CB is the resistance value of the resistor, D FIX is a predetermined reference duty cycle, D AD is the duty cycle correction value)
to determine the duty cycle correction value.
상기 모니터링부는,
상기 각 배터리 셀의 온도를 상기 소정 주기마다 검출하도록 구성되고,
상기 제어부는,
상기 밸런싱 대상의 온도를 더 기초로, 상기 소정 주기마다 상기 듀티 사이클 보정값을 결정하는, 장치.
3. The method of claim 2,
The monitoring unit,
configured to detect the temperature of each battery cell at each predetermined period;
The control unit is
Further based on the temperature of the balancing target, the apparatus determines the duty cycle correction value for each predetermined period.
상기 제어부는,
상기 복수의 배터리 셀의 충전 상태 중에서 가장 작은 것을 목표 충전 상태로 결정하고,
상기 밸런싱 대상의 충전 상태와 상기 목표 충전 상태 간의 차이를 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 방전 용량을 결정하는, 장치.
According to claim 1,
The control unit is
Determining the smallest one among the charging states of the plurality of battery cells as the target state of charge,
determining a target discharging capacity for the balancing target based on a difference between a charging state of the balancing target and the target charging state.
상기 제어부는,
상기 기준 밸런싱 전류 및 상기 목표 방전 용량을 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 밸런싱 시간을 결정하는, 장치.
7. The method of claim 6,
The control unit is
determining a target balancing time for the balancing target based on the reference balancing current and the target discharge capacity.
를 포함하는, 배터리팩.
the device according to any one of claims 1 to 4, 6 and 7;
comprising, a battery pack.
상기 복수의 배터리 셀의 초기 양단 전압을 기초로, 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 결정하는 단계;
상기 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 중 어느 하나의 밸런싱 대상을 결정하는 단계;
상기 복수의 배터리 셀의 초기 양단 전압을 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 충전 상태를 결정하는 단계;
상기 밸런싱 대상의 충전 상태와 상기 목표 충전 상태 간의 차이를 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 방전 용량을 결정하는 단계;
기준 밸런싱 전류 및 상기 목표 방전 용량을 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 밸런싱 시간을 결정하는 단계; 및
상기 목표 밸런싱 시간 동안, 상기 밸런싱 대상의 밸런싱 전류를 기준 밸런싱 전류로 일정하게 제어하는 단계;
를 포함하는, 방법.A method of balancing a state of charge between a plurality of battery cells connected in series in a battery module, the method comprising:
determining the state of charge of the plurality of battery cells based on initial voltages across the plurality of battery cells;
determining a balancing target of any one of the plurality of battery cells based on the state of charge of the plurality of battery cells;
determining a target state of charge for the balancing target based on initial voltages across the plurality of battery cells;
determining a target discharge capacity for the balancing target based on a difference between the balancing target's charging state and the target charging state;
determining a target balancing time for the balancing target based on a reference balancing current and the target discharge capacity; and
constantly controlling the balancing current of the balancing target as a reference balancing current during the target balancing time;
A method comprising
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