KR102353747B1 - 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치는, 복수의 배터리 셀 각각의 전압 또는 전류를 측정하는 측정부와, 복수의 배터리 셀의 전압 간의 차이값이 기준 차이값 범위를 벗어날 경우에 차이값이 감소하도록 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나의 전압을 조정하는 셀 밸런싱 동작을 제어하는 밸런싱 제어부; 및 측정부의 전압 또는 전류의 측정 결과를 이용하여 복수의 배터리 셀 각각의 열화도를 추정하는 열화도 추정부를 포함하고, 밸런싱 제어부는 복수의 배터리 셀 간의 열화도 차이가 기준 열화도 범위 이내인 제1 경우보다 복수의 배터리 셀 간의 열화도 차이가 기준 열화도 범위를 벗어나는 제2 경우에 셀 밸런싱 동작의 빈도가 감소하도록 제2 경우에 탄력적 셀 밸런싱 모드로 동작할 수 있다.

Description

배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법 {Apparatus and method for balancing battery cell}
본 발명은 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 에너지 저장 장치 및 전기 자동차 등은 충전 가능한 전기 저장장치를 필요로 하며 이러한 전기 저장장치는 복수개의 배터리를 포함한다. 각각의 배터리는 제조 공정 등의 여러 가지 이유로 인해 용량 편차가 존재한다.
배터리는 최소단위의 배터리 단위 셀, 복수개의 배터리 단위셀이 연결되어 하나의 모듈 형태로 제작되는 배터리 모듈, 복수개의 배터리 모듈이 연결되어 트레이 형태로 제작되는 배터리 트레이, 복수개의 배터리 트레이가 연결되어 더욱 크게 제작되는 배터리 뱅크 등 더욱 더 큰 형태의 배터리를 필요에 따라 구성하여 사용 할 수 있고 명칭도 다양하게 부여할 수 있지만 전기를 저장할 수 있다는 기본적인 기능은 동일하다. 또한, 이들 상호간의 연결은 직렬, 병렬 또는 직병렬 혼합구조로 연결될 수 있다.
일반적으로, 배터리간의 직렬, 병렬 또는 직병렬 혼합구조로 연결되는 전기 저장장치는 이를 구성하는 각 배터리간의 상이한 전기화학적 특성으로 인해 전압 불균형이 존재한다.
따라서 배터리는 충방전 사이클 중에 각 배터리의 충방전 전압에 편차가 발생한다. 이에 따라 배터리는 충전 중에 특정 배터리가 과충전 될 수 있고, 또한 방전 중에 특정 배터리가 과방전 될 수 있다. 이와 같이 배터리 중에서 특정 배터리의 과충전이나 과방전은 배터리의 성능을 저하시킬 뿐만 아니라 배터리를 열화시키고 수명을 단축시키는 원인이 된다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 가용범위는 복수의 배터리 셀의 전압 편차가 클수록 감소할 수 있다. 만약 전압이 상대적으로 큰 배터리 셀은 나머지 배터리 셀이 과충전 제한보다 낮은 전압을 가지더라도 과충전 제한의 전압을 가져서 가용범위를 감소시킬 수 있다. 마찬가지로, 전압이 상대적으로 작은 배터리 셀은 나머지 배터리 셀이 과방전 제한보다 높은 전압을 가지더라도 과방전 제한의 전압을 가져서 가용범위를 감소시킬 수 있다. 이러한 가용범위의 감소는 배터리의 성능 저하, 열화 촉진 및 수명 단축을 유발할 수 있다.
하기의 특허문헌은 각 배터리 셀의 충전 전압을 균일하게 밸런싱하는 것을 개시한다.
공개특허공보 제10-2016-0008410호
각 배터리 셀의 충전 전압을 균일하게 밸런싱하는 배러티 셀 밸런싱 동작은 에너지 소모를 유발하고 배터리 셀의 열화를 촉진할 수 있다.
따라서, 본 발명은 배러티 셀 밸런싱 동작을 열화도에 따라 탄력적으로 수행하여 불필요한 배러티 셀 밸런싱 동작에 따른 에너지 소모를 줄이고 배터리 셀의 수명을 연장시킬 수 있는 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치는, 복수의 배터리 셀 각각의 전압 또는 전류를 측정하는 측정부; 상기 복수의 배터리 셀의 전압 간의 차이값이 기준 차이값 범위를 벗어날 경우에 상기 차이값이 감소하도록 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나의 전압을 조정하는 셀 밸런싱 동작을 제어하는 밸런싱 제어부; 및 상기 측정부의 전압 또는 전류의 측정 결과를 이용하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 열화도를 추정하는 열화도 추정부; 를 포함하고, 상기 밸런싱 제어부는 상기 복수의 배터리 셀 간의 열화도 차이가 기준 열화도 범위 이내인 제1 경우보다 상기 복수의 배터리 셀 간의 열화도 차이가 상기 기준 열화도 범위를 벗어나는 제2 경우에 상기 셀 밸런싱 동작의 빈도가 감소하도록 상기 제2 경우에 탄력적 셀 밸런싱 모드로 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 방법은, 복수의 배터리 셀 간의 전압 간의 차이값과 기준 차이값 범위를 비교하는 단계; 상기 차이값이 상기 기준 차이값 범위를 벗어날 경우에 상기 복수의 배터리 셀 간의 열화도 차이와 기준 열화도 범위를 비교하는 단계; 상기 차이값이 상기 기준 차이값 범위를 벗어나고 상기 열화도 차이가 상기 기준 열화도 범위 이내일 경우에 상기 복수의 배터리 셀 간의 전압 차이값이 감소하도록 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나의 전압을 조정하는 셀 밸런싱 동작을 제어하는 단계; 상기 차이값이 상기 기준 차이값 범위를 벗어나고 상기 열화도 차이가 상기 기준 열화도 범위를 벗어날 경우에 상기 복수의 배터리 셀 중 열화도가 큰 배터리 셀의 상대적 전압 고저 여부를 확인하는 단계; 상기 복수의 배터리 셀 중 열화도가 큰 배터리 셀의 상대적 전압이 낮은 경우에 상기 셀 밸런싱 동작의 수행 후에 상기 복수의 배터리 셀이 방전될 경우에 상기 셀 밸런싱 동작을 제어하는 단계; 및 상기 복수의 배터리 셀 중 열화도가 큰 배터리 셀의 상대적 전압이 높은 경우에 상기 셀 밸런싱 동작의 수행 후에 상기 복수의 배터리 셀이 충전될 경우에 상기 셀 밸런싱 동작을 제어하는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 배러티 셀 밸런싱 동작이 열화도에 따라 탄력적으로 수행되어 불필요한 배러티 셀 밸런싱 동작에 따른 에너지 소모가 감소하고 배터리 셀의 수명이 연장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 배터리 셀의 열화에 따른 배터리 셀 모델의 변화를 나타낸 도면이다.
도 4는 배터리 셀의 충방전에 따른 배터리 셀 모델의 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 셀 밸런싱 동작에 따른 배터리 셀 모델의 변화를 나타낸 도면이다.
도 6은 열화된 배터리 셀의 전압이 높을 때의 배터리 셀 모델의 밸런싱을 나타낸 도면이다.
도 7은 열화된 배터리 셀의 전압이 낮을 때의 배터리 셀 모델의 밸런싱을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 방법을 나타낸 순서도이다.
도 9은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법의 충방전 예상을 위한 학습을 나타낸 순서도이다.
도 10a는 전압 편차가 없는 복수의 배터리 셀의 가용범위를 나타낸 도면이다.
도 10b는 전압 편차가 큰 복수의 배터리 셀의 가용범위를 나타낸 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "동일하다"는 표현은 비교 대상이 서로 완벽하게 동일하다는 것이 아닌 실질적으로 동일하다는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 비교 대상간에 수% 이내의 오차가 포함되는 것도 실질적으로 동일하다고 해석되어야 한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치(100)는, 측정부(110), 밸런싱 제어부(120), 열화도 추정부(130) 및 충방전 여부 정보 제공부(140) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
측정부(110)는 복수의 배터리 셀(11, 12) 각각의 전압을 측정할 수 있다. 예를 들어, 상기 측정부(110)는 전압뿐만 아니라 전류 및 온도를 추가로 측정할 수도 있다.
여기서, 복수의 배터리 셀(11, 12)은 직렬 또는 병렬 연결된 구조를 가질 수 있으며, 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리 등의 하이브리드 배터리로 구현될 수 있으나, 특별히 한정되지 않는다.
밸런싱 제어부(120)는 복수의 배터리 셀(11, 12)의 전압 간의 차이값이 기준 차이값 범위를 벗어날 경우에 상기 차이값이 감소하도록 복수의 배터리 셀(11, 12) 중 적어도 하나의 전압을 조정하는 셀 밸런싱 동작을 제어할 수 있다.
열화도 추정부(130)는 측정부(110)의 전압 또는 전류의 측정 결과를 이용하여 복수의 배터리 셀 각각의 열화도를 추정할 수 있다.
이후, 밸런싱 제어부(120)는 복수의 배터리 셀(11, 12) 간의 열화도 차이가 기준 열화도 범위 이내인 제1 경우보다 복수의 배터리 셀(11, 12) 간의 열화도 차이가 기준 열화도 범위를 벗어나는 제2 경우에 셀 밸런싱 동작의 빈도가 감소하도록 제2 경우에 탄력적 셀 밸런싱 모드로 동작할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치(100)는 배러티 셀 밸런싱 동작을 열화도에 따라 탄력적으로 수행하여 불필요한 배러티 셀 밸런싱 동작에 따른 에너지 소모를 줄이고 배터리 셀의 수명을 연장시킬 수 있다.
충방전 여부 정보 제공부(140)는 셀 밸런싱 동작의 수행 후의 복수의 배터리 셀(11, 12)의 충방전 여부에 대응되는 정보를 제공할 수 있다.
예를 들어, 상기 충방전 여부 정보 제공부(140)는 복수의 배터리 셀(11, 12)을 사용하는 장치(예: 에너지 저장 장치, 전기 자동차 등)로부터 충방전 여부 정보를 전달받거나, 측정부(110)의 측정값 패턴을 저장하고 저장된 패턴에 대응되는 충방전 여부 정보를 예상할 수 있다. 충방전 여부 정보의 예상에 관한 구체적인 사항을 도 9를 참조하여 후술한다.
만약 복수의 배터리 셀(11, 12)이 전기 자동차에 구비될 경우, 상기 셀 밸런싱 동작은 이상적으로 전기 자동차가 주행 중일 경우나 전기 자동차가 휴면(sleep) 중일 경우에 수행될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치는 전기 자동차가 휴면 중일 때 상기 전기 자동차의 동작 재개 직후의 충방전 여부 정보를 이용하여 상기 셀 밸런싱 동작을 탄력적으로 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치는, 구동부(115), 처리부(131), 저장부(132), 입력부(133), 출력부(134) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
구동부(115)는 복수의 배터리 셀(11, 12, 13) 각각의 전압을 측정하고 측정결과에 기초하여 셀 밸런싱 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 구동부(115)는 제1 전위(V1)와 제4 전위(V4)를 생성하여 복수의 배터리 셀(11, 12, 13)을 충전 또는 방전할 수 있다.
이후, 상기 구동부(115)는 제2 전위(V2)와 제3 전위(V3)를 측정할 수 있다.
처리부(131)는 제1 전위(V1)와 제2 전위(V2) 간의 제1 전압과 제2 전위(V2)와 제3 전위(V3) 간의 제2 전압과 제3 전위(V3)와 제4 전위(V4) 간의 제3 전압을 각각 계산할 수 있다.
이후, 상기 처리부(131)는 제1 전압과 제2 전압 간의 제1 차이값과 제2 전압과 제3 전압 간의 제2 차이값과 제3 전압과 제1 전압 간의 제3 차이값 중 적어도 일부를 계산할 수 있다.
이후, 상기 처리부(131)는 제1 내지 제3 차이값 각각을 기준 차이값 범위와 비교하여 제1 내지 제3 차이값이 기준 차이값 범위를 벗어나는지 알 수 있으며, 제1 내지 제3 전압 중 셀 밸런싱 동작 대상의 전압을 알 수 있다. 여기서, 기준 차이값 범위의 중간값은 0으로 설정될 수 있다.
이후, 상기 처리부(131)는 셀 밸런싱 동작 대상 정보를 구동부(115)에 전달할 수 있다.
이후, 상기 구동부(115)는 상기 셀 밸런싱 동작 대상 정보에 대응되는 제1, 제2 및 제3 제어 전압(C1, C2, C3)을 생성할 수 있다.
즉, 상기 구동부(115)는 상기 제1, 제2 및 제3 제어 전압(C1, C2, C3)을 통해 제1, 제2 및 제3 스위치(M1, M2, M3)의 스위칭 상태를 각각 제어할 수 있다.
제1, 제2, 제3 저항(R1, R2, R3)의 투입 여부는 제1, 제2 및 제3 스위치(M1, M2, M3)의 스위칭 상태에 따라 결정될 수 있으며, 제1, 제2 및 제3 전압 중 적어도 일부를 변경할 수 있다.
셀 밸런싱 동작은 이러한 과정을 통해 수행될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 셀 밸런싱 동작은 전압이 상대적으로 낮은 배터리 셀에 충전 전류를 공급하여 전압을 상승시키는 원리, 전압이 상대적으로 높은 배터리 셀을 방전시켜 전압을 하강시키는 원리, 각 배터리 셀의 전압으로부터 밸런싱 목표 전압을 정하고 목표 전압보다 전압이 높은 배터리 셀은 방전시키고 목표 전압보다 낮은 배터리 셀은 충전시키는 원리 중 적어도 하나가 반영된 과정을 통해 수행될 수 있다.
한편, 처리부(131)는 셀 밸런싱 동작의 제어뿐만 아니라 복수의 배터리 셀(11, 12, 13) 각각의 열화도를 추정할 수 있으며, 설계에 따라 복수의 배터리 셀(11, 12, 13)의 충방전 여부에 대응되는 정보를 생성할 수도 있다.
저장부(132)는 기준 차이값 범위, 기준 열화도 범위와 같은 파라미터를 저장하고, 처리부(131)의 계산, 추정 및 생성을 위한 계산 논리를 저장할 수 있다. 설계에 따라, 상기 저장부(132)는 구동부(115)의 제1 내지 제4 전위(V1, V2, V3, V4)를 누적 저장할 수 있으며, 처리부(131)의 충방전 여부 정보의 생성을 위한 파라미터(예: 전압, 전류, 충전 상태, 온도 등)의 패턴 정보를 제공할 수 있다.
입력부(133)는 복수의 배터리 셀(11, 12, 13)을 사용하는 장치나 사용자로부터 충방전 여부 정보를 입력 받을 수 있으며, 저장부(132)에 저장된 정보의 변경을 위한 정보를 입력 받을 수 있다.
출력부(134)는 복수의 배터리 셀(11, 12, 13)의 각종 파라미터나 셀 밸런싱 동작 정보를 출력할 수 있다.
도 3은 배터리 셀의 열화에 따른 배터리 셀 모델의 변화를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 열화도가 균일한 제1 배터리 셀(11a), 제2 배터리 셀(12a), 제3 배터리 셀(13a)은 장기간 사용에 따라 열화도가 불균일한 제1 배터리 셀(11b), 제2 배터리 셀(12b), 제3 배터리 셀(13b)으로 변화될 수 있다.
배터리 셀 모델은 수조와 유사하게 설정될 수 있다. 상기 배터리 셀 모델에서, 용액의 양은 배터리 셀의 충전 상태(state of charge) 또는 충전된 전하량에 대응되고, 용액의 수위는 배터리 셀의 전압에 대응될 수 있으며, 수조의 폭은 배터리 셀의 열화도에 대응될 수 있다.
즉, 배터리 셀의 열화는 배터리 셀의 내부 저항의 증가를 유발하고, 내부 저항의 증가는 단위 에너지 충전에 따른 전압 상승값의 증가를 유발할 수 있다.
도 4는 배터리 셀의 충방전에 따른 배터리 셀 모델의 변화를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 복수의 배터리 셀(11c, 12c, 13c)의 충전 또는 방전에 따른 전압의 변화율은 배터리 셀의 열화도가 클수록 클 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치의 열화도 추정부는, 복수의 배터리 셀이 충전 또는 방전되는 동안 측정부에 의해 측정된 전압이 제1 전압일 때인 제1 시간과 제2 전압일 때인 제2 시간 간의 시간차에 기초하여 열화도를 추정할 수 있다.
한편, 상기 열화도 추정부는 전술한 열화도 추정 원리 이외에도 충전 또는 방전에 따른 전류 적산치를 통해 추정하거나 배터리 셀의 최대 충전 상태를 통해 추정할 수도 있다.
도 5는 셀 밸런싱 동작에 따른 배터리 셀 모델의 변화를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 복수의 배터리 셀(11d, 12d, 13d) 중 열화된 배터리 셀의 전압은 상대적으로 높은 전압일 경우에 V로 강하될 수 있다.
열화된 배터리 셀의 전압이 상대적으로 낮을 경우, 나머지 배터리 셀의 전압은 V'로 강하될 수 있다.
도 6은 열화된 배터리 셀의 전압이 높을 때의 배터리 셀 모델의 밸런싱을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치의 밸런싱 제어부는 탄력적 셀 밸런싱 모드로 동작할 때 복수의 배터리 셀(11e, 12e, 13e) 중 열화도가 큰 배터리 셀의 전압이 상대적으로 높고 복수의 배터리 셀(11e, 12e, 13e)이 충전될 제3 경우와 복수의 배터리 셀(11e, 12e, 13e) 중 열화도가 큰 배터리 셀의 전압이 상대적으로 높고 복수의 배터리 셀(11e, 12e, 13e)이 방전될 제4 경우 중 상기 제3 경우에만 상기 셀 밸런싱 동작을 수행할 수 있다.
즉, 복수의 배터리 셀(11e, 12e, 13e)의 전압 간의 차이값은 상기 제4 경우에 셀 밸런싱 동작 없이도 감소할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치는 셀 밸런싱 동작 없이도 복수의 배터리 셀(11e, 12e, 13e)의 전압 간의 차이값이 감소할 경우에 셀 밸런싱 동작을 생략하여 불필요한 배러티 셀 밸런싱 동작에 따른 에너지 소모를 줄이고 배터리 셀의 수명을 연장할 수 있다.
도 7은 열화된 배터리 셀의 전압이 낮을 때의 배터리 셀 모델의 밸런싱을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치의 밸런싱 제어부는 탄력적 셀 밸런싱 모드로 동작할 때 복수의 배터리 셀(11f, 12f, 13f) 중 열화도가 큰 배터리 셀의 전압이 상대적으로 낮고 복수의 배터리 셀(11f, 12f, 13f)이 충전될 제5 경우와 복수의 배터리 셀(11f, 12f, 13f) 중 열화도가 큰 배터리 셀의 전압이 상대적으로 낮고 복수의 배터리 셀이 방전될 제6 경우 중 상기 제6 경우에만 상기 셀 밸런싱 동작을 수행할 수 있다.
즉, 복수의 배터리 셀(11f, 12f, 13f)의 전압 간의 차이값은 상기 제5 경우에 셀 밸런싱 동작 없이도 감소할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치는 셀 밸런싱 동작 없이도 복수의 배터리 셀(11f, 12f, 13f)의 전압 간의 차이값이 감소할 경우에 셀 밸런싱 동작을 생략하여 불필요한 배러티 셀 밸런싱 동작에 따른 에너지 소모를 줄이고 배터리 셀의 수명을 연장할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 방법에 따른 장치 또는 프로세서는, 에너지 소비 장치(예: 에너지 저장 장치, 전기 자동차 등)의 동작이 중단(S110)된 이후, 복수의 배터리 셀 간의 전압 간의 차이값과 기준 차이값 범위를 비교(S120)할 수 있다.
이후, 상기 장치 또는 프로세서는 상기 차이값이 상기 기준 차이값 범위 이내일 경우에 에너지 소비 장치의 동작 시작을 확인(S130)하고, 상기 차이값이 상기 기준 차이값 범위를 벗어날 경우에 상기 복수의 배터리 셀 간의 열화도 차이와 기준 열화도 범위를 비교(S140)할 수 있다.
이후, 상기 장치 또는 프로세서는 상기 열화도 차이가 상기 기준 열화도 범위 이내일 경우에 상기 복수의 배터리 셀 간의 전압 차이값이 감소하도록 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나의 전압을 조정하는 셀 밸런싱 동작을 제어(S150)하고, 상기 열화도 차이가 상기 기준 열화도 범위를 벗어날 경우에 상기 복수의 배터리 셀 중 열화도가 큰 배터리 셀의 상대적 전압 고저 여부를 확인(S160)할 수 있다.
이후, 상기 장치 또는 프로세서는 상기 복수의 배터리 셀 중 열화도가 큰 배터리 셀의 전압이 상대적으로 높은 경우에 에너지 소비 장치의 다음 동작이 충전인지 확인(S170)하고, 확인결과에 따라 셀 밸런싱 동작을 제어(S150)할 수 있다.
또한, 상기 장치 또는 프로세서는 상기 복수의 배터리 셀 중 열화도가 큰 배터리 셀의 전압이 상대적으로 낮은 경우에 에너지 소비 장치의 다음 동작이 충전인지 확인(S180)하고, 확인결과에 따라 셀 밸런싱 동작을 제어(S190)할 수 있다.
한편, 상기 장치는 전기 자동차와 같은 에너지 소비 장치 내에 구축된 배터리 팩 내의 배터리관리시스템(Battery management system)으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 배터리관리시스템은 배터리 팩 내의 파워 릴레이 어셈블리(PRA)와 연동할 수 있다.
한편, 상기 프로세서는 도 2에 도시된 처리부와 동일하게 구현될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법의 충방전 예상을 위한 학습을 나타낸 순서도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치 또는 프로세서는, 에너지 소비장치의 동작이 중단(S210)된 이후, 배터리 상태를 저장(S220)하고, 배터리 상태에 따라 에너지 소비장치의 다음 동작을 예상(S230)하고, 에너지 소비장치의 동작이 시작(S240)된 이후, 에너지 소비장치의 실제 동작 결과를 저장(S250)하고, 예상된 동작과 실제 동작 결과를 비교(S260)하고, 비교 결과에 따라 동작 예상 로직의 변수를 업데이트(S270)할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치 또는 프로세서의 동작 예상 정확도는 지속적으로 향상될 수 있으며, 탄력적 셀 밸런싱 동작의 효율성은 더욱 향상될 수 있다.
한편, 저장되는 배터리 상태는 에너지 소비장치의 동작이 중단 직전의 배터리 충방전 여부, 충전 상태(state of charge), 온도, 전압, 전류 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
또한, 동작 예상 로직은 머신 러닝(machine learning)의 한 방법인 나이브 베이즈 분류(Naive Bayesian Classification)에 따라 설정될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
만약 상기 에너지 소비장치가 전기 자동차일 경우, 상기 예상된 동작은 운전자의 성향에 영향을 받을 수 있다.
만약 상기 운전자의 운전횟수 대비 평균 주행거리가 짧을 경우(예: 출퇴근용 전기 자동차), 상기 예상된 동작이 방전일 확률은 높아질 수 있다.
만약 상기 운전자의 충전횟수 대비 평균 충전용량이 작을 경우(예: 가까운 충전소), 상기 예상된 동작이 충전일 확률은 높아질 수 있다.
또한, 상기 예상된 동작은 전기 자동차의 특성에도 영향을 받을 수 있다.
만약 상기 전기 자동차의 주행거리 대비 전기 사용량이 작을 경우(예: 최신 전기 자동차), 상기 예상된 동작이 방전일 확률은 높아질 수 있다.
만약 상기 전기 자동차의 배터리 최대수용량이 작을 경우(예: 소형 전기 자동차), 상기 예상된 동작이 방전일 확률은 높아질 수 있다.
또한, 상기 운전자의 성향과 전기 자동차의 특성은 시간경과에 따라 변화될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법은 다양하고 가변적인 운전자의 성향과 전기 자동차의 특성에도 불구하고 전기 자동차의 동작 재개 이후의 충방전 여부를 높은 신뢰도로 예상할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 개진된 처리부(131)는 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU), 마이크로프로세서, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), Field Programmable Gate Arrays(FPGA) 중 적어도 하나로 구현될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 개진된 저장부(132)는 휘발성 메모리(예를 들어, RAM 등), 비휘발성 메모리(예를 들어, ROM, 플래시 메모리 등), 자기 스토리지, 광학 스토리지 중 적어도 하나로 구현될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 개진된 입력부(133)는 키보드, 마우스, 펜, 음성 입력 디바이스, 터치 입력 디바이스, 적외선 카메라, 비디오 입력 디바이스 중 적어도 하나로 구현될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 개진된 출력부(134)는 디스플레이, 스피커, 프린터, 통신접속(예: 모뎀, 네트워크 인터페이스 카드(NIC), 통합 네트워크 인터페이스, 무선 주파수 송신기/수신기, 적외선 포트, USB 접속) 중 적어도 하나로 구현될 수 있다.
또한, 처리부(131), 저장부(132), 입력부(133), 출력부(134)는 버스 등의 다양한 상호접속(예를 들어, 주변 구성요소 상호접속(PCI), USB, 펌웨어(IEEE 1394), 광학적 버스 구조 등)에 의해 접속될 수도 있고, 네트워크에 의해 상호접속될 수도 있다.
한편, 본 실시 예에서 사용되는 '~부' 라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 시스템 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "구성요소", "모듈", "시스템", "인터페이스" 등과 같은 용어들은 일반적으로 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 소프트웨어, 또는 실행중인 소프트웨어 관련 엔티티를 지칭하는 것이다. 예를 들어, 구성요소는 프로세서 상에서 실행중인 프로세스, 프로세서, 객체, 실행 가능물(executable), 실행 스레드 및/또는 프로그램일 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 컨트롤러 상에서 구동중인 애플리케이션 및 컨트롤러 모두가 구성요소일 수 있다. 하나 이상의 구성요소는 프로세스 및/또는 실행의 스레드 내에 존재할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 실시 예로써 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
11, 12, 13: 배터리 셀
110: 전압 측정부
120: 밸런싱 제어부
130: 열화도 추정부
140: 충방전 정보 제공부

Claims (7)

  1. 복수의 배터리 셀 각각의 전압 또는 전류를 측정하는 측정부;
    상기 복수의 배터리 셀의 전압 간의 차이값이 기준 차이값 범위를 벗어날 경우에 상기 차이값이 감소하도록 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나의 전압을 조정하는 셀 밸런싱 동작을 제어하는 밸런싱 제어부; 및
    상기 측정부의 전압 또는 전류의 측정 결과를 이용하여 상기 복수의 배터리 셀 각각의 열화도를 추정하는 열화도 추정부; 를 포함하고,
    상기 밸런싱 제어부는 상기 복수의 배터리 셀 간의 열화도 차이가 기준 열화도 범위 이내인 제1 경우보다 상기 복수의 배터리 셀 간의 열화도 차이가 상기 기준 열화도 범위를 벗어나는 제2 경우에 상기 셀 밸런싱 동작의 빈도가 감소하도록 상기 제2 경우에 탄력적 셀 밸런싱 모드로 동작하며,
    상기 밸런싱 제어부는,
    상기 복수의 배터리 셀 중 열화도가 큰 배터리 셀의 전압이 타 배터리 셀의 전압보다 높고 상기 복수의 배터리 셀이 방전될 경우, 및
    상기 밸런싱 제어부는 상기 탄력적 셀 밸런싱 모드로 동작할 때 상기 복수의 배터리 셀 중 열화도가 큰 배터리 셀의 전압이 타 배터리 셀의 전압보다 낮고 상기 복수의 배터리 셀이 충전될 경우 셀 밸런싱 동작을 차단하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 제어부는 상기 탄력적 셀 밸런싱 모드로 동작할 때 상기 복수의 배터리 셀의 충전 여부 정보 또는 방전 여부 정보에 따라 상기 셀 밸런싱 동작 여부가 결정되도록 동작하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충전 여부 정보는 상기 셀 밸런싱 동작의 수행 후의 상기 복수의 배터리 셀의 충전 여부에 대응되고,
    상기 방전 여부 정보는 상기 셀 밸런싱 동작의 수행 후의 상기 복수의 배터리 셀의 방전 여부에 대응되는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 제어부는 상기 탄력적 셀 밸런싱 모드로 동작할 때 상기 복수의 배터리 셀 중 열화도가 큰 배터리 셀의 전압이 타 배터리 셀의 전압보다 높고 상기 복수의 배터리 셀이 충전될 경우에 상기 셀 밸런싱 동작을 수행하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 제어부는 상기 복수의 배터리 셀 중 열화도가 큰 배터리 셀의 전압이 타 배터리 셀의 전압보다 낮고 상기 복수의 배터리 셀이 방전될 경우에 상기 셀 밸런싱 동작을 수행하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열화도 추정부는 상기 복수의 배터리 셀이 충전 또는 방전되는 동안 상기 측정부에 의해 측정된 전압이 제1 전압일 때인 제1 시간과 제2 전압일 때인 제2 시간 간의 시간차에 기초하여 열화도를 추정하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  7. 복수의 배터리 셀 간의 전압 간의 차이값과 기준 차이값 범위를 비교하는 단계;
    상기 차이값이 상기 기준 차이값 범위를 벗어날 경우에 상기 복수의 배터리 셀 간의 열화도 차이와 기준 열화도 범위를 비교하는 단계;
    상기 차이값이 상기 기준 차이값 범위를 벗어나고 상기 열화도 차이가 상기 기준 열화도 범위 이내일 경우에 상기 복수의 배터리 셀 간의 전압 차이값이 감소하도록 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나의 전압을 조정하는 셀 밸런싱 동작을 제어하는 단계;
    상기 차이값이 상기 기준 차이값 범위를 벗어나고 상기 열화도 차이가 상기 기준 열화도 범위를 벗어날 경우에 상기 복수의 배터리 셀 중 열화도가 큰 배터리 셀의 상대적 전압 고저 여부를 확인하는 단계;
    상기 복수의 배터리 셀 중 열화도가 큰 배터리 셀의 상대적 전압이 낮은 경우에 상기 셀 밸런싱 동작의 수행 후에 상기 복수의 배터리 셀이 방전될 경우에 상기 셀 밸런싱 동작을 제어하는 단계; 및
    상기 복수의 배터리 셀 중 열화도가 큰 배터리 셀의 상대적 전압이 높은 경우에 상기 셀 밸런싱 동작의 수행 후에 상기 복수의 배터리 셀이 충전될 경우에 상기 셀 밸런싱 동작을 제어하는 단계; 를 포함하는 배터리 셀 밸런싱 방법.
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