KR102347275B1 - 패시브 밸런싱을 통한 배터리 관리 장치 및 동작 방법 - Google Patents

패시브 밸런싱을 통한 배터리 관리 장치 및 동작 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 관리 장치 및 동작 방법을 개시한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 관리 장치 및 동작 방법에 있어서, 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀에 대한 전압을 계측하는 계측부; 상기 배터리 모듈의 잔존 용량(state of charge, SOC)을 기준으로 충전된 상기 복수의 배터리 셀에 대해 각 배터리 셀의 전압을 기준으로 패시브 밸런싱(passive balancing)하는 제어부를 포함하는 배터리 관리 장치 및 동작 방법을 제공한다.

Description

패시브 밸런싱을 통한 배터리 관리 장치 및 동작 방법{Battery Management System and Method for Passive Balancing}
본 발명의 실시예들은 배터리를 이용한 배터리 관리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 다수의 배터리 셀 중 하나 이상을 밸런싱함으로써, 배터리의 수명을 연장하기 위한 배터리 관리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
최근, 신재생 에너지의 보급과 함께 스마트 그리드, 전기 자동차의 핵심으로 전력의 저장 및 품질, 그리고 에너지 사용의 효율을 극대화시킬 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS, energy storage system)에 대한 관심도 증가하고 있다.
에너지 저장 시스템은 전기 자동차, 하이브리드(Hybrid) 자동차, 및 전기 오토바이(E-Scooter) 등을 구동하기 위하여, 대용량의 전력을 발생할 수 있는 대용량의 배터리(배터리 모듈)를 이용한다. 즉, 에너지 저장 시스템은 다수의 배터리 셀들(Battery Cells)을 가지는 대용량의 배터리 모듈(Battery Module)을 포함할 수 있다.
배터리 모듈은 여러 배터리 모듈과 결합한 배터리 팩의 상태로 운반 된다. 이때, 배터리 팩의 상태에서 안전성을 확인하기 위하여 충전과 방전 및 다양한 실험을 진행하고, 이로 인하여 각 배터리 셀들의 전압 및 충전 상태(State of Charge, SOC)가 틀어진다. 즉, 다수개의 배터리 셀들을 연결하여 하나의 배터리 모듈로 사용할 경우, 배터리 모듈을 이루는 배터리 셀들의 지닌 화학적 차이, 물성적 차이 등 특성의 차이 등으로 인해 각 배터리 셀 간에 전압차가 발생될 수 있다. 셀들 간의 특성 차이는 각 셀에 충전된 전하량을 불균일하게 만들고, 이로 인해 셀 용량 또는 전압이 불균일해져 이차 전지의 성능을 저하시키는 원인으로 작용한다. 또한, 배터리 셀 간의 전압차로 인해 배터리 모듈의 수명이 단축될 수 있으므로, 최종적으로는 단셀(단일 배터리 셀) 1개의 전압 강하와 같은 성능저하 때문에 패키지화된 배터리 모듈 전체가 새로운 배터리 모듈로 교체되어야 하는 문제가 발생할 수 있다.
따라서 에너지 저장 시스템(ESS) 및 전기 자동차 등에 사용되는 대용량 배터리의 충전 또는 방전 시, 각 배터리 셀의 전압을 동일하게 유지할 수 있도록 하는 배터리 관리 시스템에 의한 셀 밸런싱(cell balancing) 과정이 필요할 수 있다.
배터리 관리 시스템은 배터리 셀 간 전압 불균일을 해소하기 위해 셀 밸런싱 회로를 구비한다. 배터리 관리 시스템은 셀 밸런싱 회로를 통해 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈에 대해 실시간으로 전압을 모니터링하고, 전압 모니터링을 통해 과충전과 같은 이상이 검출되면 충전 제어 스위치 또는 방전 제어 스위치를 제어하여 배터리 팩을 충방전시키는 기능을 수행한다.
셀들 간의 밸런싱을 수행하는 방법의 일 예로서 다중 권선 변압기를 이용하여 모듈(module)과 셀 사이에 에너지를 전달하는 방법을 들 수 있다. 이 방법에 따라 높은 전압을 갖는 셀에서 낮은 전압을 갖는 셀로 에너지를 전달하는 경우, 높은 전압을 갖는 셀에서 밸런싱 회로를 거쳐 모듈로 에너지가 전달되고, 다시 모듈에서 밸런싱 회로를 거쳐 낮은 전압을 갖는 셀로 에너지가 전달되는 과정을 거친다. 이러한 셀 밸런싱 시스템이 배터리 시스템에 적용됨으로써 과충전시 발생하는 폭발 및 화재를 막을 수 있으며, 과방전으로 인한 배터리의 수명 단축을 막아 결과적으로 배터리의 성능을 모두 발휘할 수 있다.
이러한 배터리 관리 시스템을 통해, 배터리 셀은 배터리 셀 각각의 전압 기준이 아니라 배터리 모듈의 SOC를 기준으로 관리된다. 다시 말하면, 충전 장치는 배터리 모듈의 양단에 단자를 연결하고, 배터리 모듈의 SOC를 기준으로 충전한다. 배터리 모듈의 SOC가 기 설정된 값에 도달하면, 배터리 관리 시스템은 절전 모드로 전환된다.
하지만, 배터리 모듈의 SOC를 기준으로 배터리 모듈을 충전하는 경우, 셀 간의 특성 차이로 인해 각 배터리 셀의 전압 값이 동일하지 않고, 배터리 모듈의 수명이 단축된다는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예들은, 배터리 모듈의 SOC를 기준으로 충전된 배터리 셀들의 전압 값 차이로 인해 배터리 모듈에서 배터리 셀들이 서로 다른 수명을 가지게 되고, 이로 인한 배터리 모듈의 수명 단축을 방지하기 위한 배터리 관리 장치 및 동작 방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 관리 장치 및 동작 방법에 있어서, 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀에 대한 전압을 계측하는 계측부; 상기 배터리 모듈의 잔존 용량(state of charge, SOC)을 기준으로 충전된 상기 복수의 배터리 셀에 대해 각 배터리 셀의 전압을 기준으로 패시브 밸런싱(passive balancing)하는 제어부를 포함하는 배터리 관리 장치 및 동작 방법을 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 배터리 관리 장치의 동작 방법에 있어서, 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀에 대한 전압을 계측하는 과정; 및 상기 배터리 모듈의 SOC를 기준으로 충전된 상기 복수의 배터리 셀에 대해 각 배터리 셀의 전압을 기준으로 패시브 밸런싱하는 과정을 포함하는 동작 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리 모듈을 SOC 기준에 따라 충전한 후 각 배터리 셀마다 패시브 밸런싱을 통해 각 배터리 셀에 대한 전압 값을 일치시킴으로써, 배터리 모듈의 수명을 연장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 구성요소를 예시한 구성도다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 상태를 예시한 상태도다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 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.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '~부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 도면들을 이용하여 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 내용을 명확하고 상세하게 기재할 것이다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 혹은 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 구성요소를 예시한 구성도다.
도 1을 참조하면, 마이크로 프로세서(100), 배터리 관리 장치(110), 계측부(112), 제어부(114), 배터리 모듈(120), 복수의 배터리 셀(122, 124, 126), 복수의 저항(R1, R2, R3) 및 복수의 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3)가 도시되어 있다.
이하에서, 하나의 배터리 셀, 하나의 저항 및 하나의 스위칭 소자에 대해 설명하는 부분이 있는 경우, 나머지 배터리 셀, 나머지 저항 및 나머지 스위칭 소자에 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 배터리 관리 장치(110)는 계측부(112)와 제어부(114) 외에 복수의 저항(R1, R2, R3) 및 복수의 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3)를 포함하는 하드웨어로 구성될 수 있다. 이때, 배터리 모듈(120)은 스위칭 소자 및 저항을 제외하고, 복수의 배터리 셀(122, 124, 126)만을 포함한다.
배터리 관리 장치(110)의 동작에 앞서, 배터리 모듈(120)은 양단에 충전 장치가 연결되고, 충전 상태(state of charge, SOC)가 기 설정된 값까지 충전된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 기 설정된 값은 SOC 50 퍼센트 값일 수 있다. 이때, 복수의 배터리 셀(122, 124, 126)의 전압에 대한 절대 값은 각각 다를 수 있다.
마이크로 프로세서(100)는 전자 기기에 포함된 배터리 및 배터리 관리 장치 이외의 다른 구성요소를 제어하고, 정보를 처리할 수 있다. 구체적으로, 마이크로 프로세서(100)는 배터리 관리 장치(110)에게 절전 모드 명령 신호와 배터리 셀에 대한 기준 전압 값을 전송하고, 자신도 절전 모드로 전환된다. 절전 모드 명령 신호는 배터리 관리 장치(110)를 절전 모드로 전환시키는 신호이고, 기준 전압 값은 각각의 배터리 셀(122, 124, 126)에 대한 공칭 전압 값으로서, 배터리 셀은 공칭 전압 값까지 방전된다. 공칭 전압(nominal voltage)란, 배터리 셀의 상태가 가장 안정적일 때 배터리 셀의 양단 전압으로서, 배터리 셀의 수명을 최대화할 수 있는 전압을 의미한다.
이러한 마이크로 프로세서(100)는 계측부(112) 및 제어부(114)로 구성되는 배터리 관리 장치(110)와는 별도로 구비될 수 있다. 마이크로 프로세서(100)는 자동차 엔진과 같은 자동차의 부품을 제어하기 위한 ECU(Electronic Control Unit)일 수 있다. 또한, 마이크로 프로세서(100)는 모바일 프로세서, 디지털 신호 처리기, 마이크로 컨트롤러 등으로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
계측부(112)는 배터리 모듈(120)에 포함된 복수의 배터리 셀(122, 124, 126)에 대한 전압을 계측하는 구성요소다. 계측부(112)는 각각의 배터리 셀에 연결되고, 배터리 셀마다 전압을 측정한다.
제어부(114)는 배터리 모듈(120)의 잔존 용량(state of charge, SOC)를 기준으로 충전된 복수의 배터리 셀(122, 124, 126)에 대해 각 배터리 셀의 전압을 기준으로 패시브 밸런싱을 수행하는 구성요소다. 제어부(114)는 각각의 스위칭 소자마다 온오프를 제어한다. 또한, 제어부(114)는 패시브 밸런싱 후에 계측부(112)를 절전 모드로 전환하고, 자신도 절전 모드로 전환한다.
배터리 모듈(120)은 배터리 충전 단위로서, 복수의 배터리 셀(122, 124, 126)을 포함하며, 복수의 저항(R1, R2, R3) 및 복수의 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3)를 더 포함할 수 있다. 복수의 배터리 셀(122, 124, 126)은 각각 저항과 스위칭 소자에 직렬 연결된다.
이하에서는, 배터리 관리 장치(110)의 동작 과정을 자세히 설명한다.
제어부(114)는 마이크로 프로세서(100)로부터 절전 모드 명령 신호와 기준 전압 값을 수신하면, 복수의 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3)를 제어함으로써, 복수의 배터리 셀(122, 124, 126)의 전압을 복수의 저항(R1, R2, R3)를 통해 기준 전압 값까지 방전한다. 여기서, 기준 전압 값은 공칭 전압으로서, 배터리 셀의 전압이 공칭 전압으로 유지될 때 배터리 셀의 수명이 최대가 된다.
본 발명의 일 실시예에 따라 공칭 전압은 각 배터리 셀의 SOC가 50 퍼센트일 때, 각 배터리 셀의 양단 전압일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 공칭 전압은 공칭 전류로 전지를 방전할 때 전지의 평균전압으로서, 접촉하는 전극의 단위 면적당 0.1mA 이하의 저전류 방전 시 전지의 평균 전압을 의미할 수 있다.
제어부(114)는 복수의 배터리 셀(122, 124, 126) 각각에 대한 전압이 기준 전압 값에 도달한 경우, 계측부(112)와 함께 절전 모드로 전환된다. 제어부(114)는 기준 전압 값 이하의 전압을 가진 배터리 셀에 대해서는 패시브 밸런싱을 수행하지 않는다.
전술한 과정을 통해, 복수의 배터리 셀(122, 124, 126)은 배터리 모듈(120)의 SOC 값이 아닌 각 배터리 셀의 전압 값을 기준으로 전압이 설정되므로, 배터리 관리 장치(110)는 전체적인 배터리 모듈(120)의 수명을 최대화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 상태를 예시한 상태도다.
도 2를 참조하면, 충전 상태(200), 측정 상태(210), 대기 상태(220), 밸런싱 상태(230), 확장 밸런싱 상태(240) 및 절전 상태(250)가 도시되어 있다. 도 2에서 단방향 화살표는 시간 순서를 의미하지만, 양방향 화살표는 두 상태가 병렬적으로 존재할 수도 있고, 시간에 따라 두 상태를 왕복하는 것을 의미할 수도 있다.
충전 상태(200)는 배터리 모듈의 양단 전압이 충전되는 상태다. 배터리 모듈은 양단에 충전 장치와 연결되어 전력을 공급받음으로써 충전된다. 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리 모듈은 SOC 값이 50 퍼센트가 될 때까지 충전될 수 있다.
측정 상태(200)는 배터리 관리 장치가 복수의 배터리 셀 각각에 대한 전압을 측정하는 상태다. 배터리 관리 장치는 복수의 배터리 셀의 전압으로부터 배터리 모듈에 대한 전압을 계산할 수도 있다.
대기 상태(220)는 배터리 모듈이 충전된 후 배터리 관리 장치가 패시브 밸런싱을 수행하기 전에 대기하는 상태다. 배터리 관리 장치(110)는 대기 상태에서도 배터리 셀에 대한 전압을 측정할 수 있다.
밸런싱 상태(230)는 배터리 관리 장치가 복수의 배터리 셀에 대해 패시브 밸런싱을 수행하는 상태다. 배터리 관리 장치는 복수의 배터리 셀 각각에 연결된 스위칭 소자 및 저항을 통해, 배터리 셀의 전압을 기준 전압 값까지 방전한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 전압 값은 공칭 전압으로서, 배터리 셀의 SOC가 50 퍼센트일 때 배터리 셀의 양단 전압을 의미할 수 있다.
확장 밸런싱 상태(240)는 충전 상태(200)에서 배터리 셀이 과충전되거나 절전 상태(250)에서 웨이크업(wake-up)되었을 때, 배터리 관리 장치가 패시브 밸런싱을 수행하는 상태다.
절전 상태(250)는 배터리 관리 장치가 복수의 배터리 셀 각각에 대한 전압을 각각의 공칭 전압까지 패시브 밸런싱을 수행한 후 전력 공급을 차단한 상태다. 절전 상태(250)에서 배터리 관리 장치는 절전 상태에 필요한 최소한의 전력만을 공급 받거나, 전력이 완전히 차단될 수 있다. 이때, 마이크로 프로세서도 절전 모드로 전환된다.
도 1 및 도 2에서는 각 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 1 및 도 2에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 각 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 6은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 1 및 도 2에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 이러한 컴퓨터가 읽을 수 있는　기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등의 비일시적인(non-transitory) 매체일 수 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송) 및 데이터 전송 매체(data transmission medium)와 같은 일시적인(transitory) 매체를 더 포함할 수도 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 마이크로 프로세서 110: 배터리 관리 장치
112: 계측부 114: 제어부
120: 배터리 모듈

Claims (10)

  1. 배터리 관리 장치에 있어서,
    배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀에 대한 전압을 계측하는 계측부;
    상기 배터리 모듈이 잔존 용량(state of charge, SOC)을 기준으로 충전된 후, 상기 복수의 배터리 셀에 대해 각 배터리 셀의 전압을 기준으로 패시브 밸런싱(passive balancing)하는 제어부
    를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 배터리 셀 각각에 대한 전압이 공칭 전압(nominal voltage)이 될 때까지 패시브 밸런싱하고, 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대한 전압이 공칭 전압(nominal voltage)까지 밸런싱되면 상기 계측부와 함께 절전 모드로 전환되며,
    상기 공칭 전압은 각 배터리 셀의 SOC가 50 퍼센트가 될 때, 상기 각 배터리 셀의 양단 전압인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    각각의 배터리 셀은 스위칭 소자 및 저항에 연결되고,
    상기 패시브 밸런싱은,
    상기 제어부가 상기 스위칭 소자를 제어함으로써, 상기 저항을 통해 상기 각각의 배터리 셀을 방전시키는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈의 충전 기준 SOC는 50 퍼센트인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  5. 삭제
  6. 배터리 관리 장치의 동작 방법에 있어서,
    배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀에 대한 전압을 계측하는 과정;
    상기 배터리 모듈이 SOC를 기준으로 충전된 후, 상기 복수의 배터리 셀에 대해 각 배터리 셀의 전압을 기준으로 패시브 밸런싱하는 과정; 및
    상기 복수의 배터리 셀 각각에 대한 전압이 공칭 전압(nominal voltage)까지 밸런싱된 경우, 상기 배터리 관리 장치가 절전 모드로 전환되는 과정
    을 포함하되,
    상기 패시브 밸런싱하는 과정은,
    상기 복수의 배터리 셀 각각에 대한 전압이 공칭 전압이 될 때까지 패시브 밸런싱하는 과정을 포함하며,
    상기 공칭 전압은 각 배터리 셀의 SOC가 50 퍼센트가 될 때, 상기 각 배터리 셀의 양단 전압인 것을 특징으로 하는 동작 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    각각의 배터리 셀은 스위칭 소자 및 저항에 연결되고,
    상기 밸런싱하는 과정은 상기 스위칭 소자를 제어함으로써, 상기 저항을 통해 상기 각각의 배터리 셀을 방전시키는 과정을 포함하는 동작 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 배터리 모듈의 충전 기준 SOC는 50 퍼센트인 것을 특징으로 하는 동작 방법.
  10. 삭제
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