KR102373716B1 - 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치 - Google Patents

배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치 Download PDF

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Abstract

배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치가 개시된다. 본 발명의 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치는 셀의 에너지를 저장한 후 방출시켜 액티브 셀 밸런싱부; 셀의 에너지를 방전시키는 패시브 밸런싱부; 셀 중 적어도 하나를 액티브 셀 밸런싱부와 패시브 밸런싱부에 연결하는 밸런싱 스위칭부; 셀 각각의 전압을 측정하는 전압 측정부; 전압 측정부를 통해 셀 간 전압편차를 모니티링하고, 모니터링 결과에 따라 밸런싱 스위칭부를 통해 셀 중 적어도 하나를 액티브 셀 밸런싱부와 패시브 밸런싱부에 연결하여 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부 중 어느 하나를 통해 셀의 전압을 밸런싱하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치{CELL BALANCING APPARATUS OF BATTERY MODULE}
본 발명은 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에 배터리 모듈의 셀 밸런싱을 위한 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치에 관한 것이다.
최근 철도시스템을 비롯한 다양한 산업에서는 에너지효율 향상을 위해 대용량 배터리 시스템이 빠르게 도입되는 추세이다. 이렇게 널리 이용이 확산되고 있는 배터리는 높은 에너지 밀도 특성을 가진 장점이 있지만, 체계적인 관리가 안 될 경우 화재사고의 원인이 된다.
배터리로 인한 사고를 사전에 막기 위해서 배터리 셀이 안전 동작범위 내에서 동작하고, 배터리 시스템을 구성하는 배터리 셀들이 운영 사이클 수에 따라 동일한 노화 특성을 가질 수 있도록 제어하는 다양한 셀 밸런싱 기술들이 연구되고 있다. 이러한 셀 밸런싱 기술들은 크게 액티브(Active) 셀 밸런싱 방식과 패시브(Passive) 셀 밸런싱 방식으로 나뉜다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 10-2025286호(2019.09.19)의 '배터리 셀 밸런싱의 방법 및 시스템'에 개시되어 있다.
종래의 액티브 셀 밸런싱 방식은 셀 밸런싱 회로가 낮은 손실을 보이는 장점이 있지만, 다수의 전력변환 소자가 사용되어 회로 사이즈를 증가시키고 경우에 따라 상당히 긴 밸런싱 시간을 요구하는 문제점이 있다.
또한, 패시브 셀 밸런싱 방식은 시스템의 구성이 단순화시키고 밸런싱 시간을 단축시킬 수 있지만 셀 밸런싱 손실이 크게 발생한다는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 높은 셀 밸런싱 효율을 유지하면서도 셀 밸런싱 시간을 단축시킨 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치는 셀의 에너지를 저장한 후 방출시켜 액티브 셀 밸런싱부; 셀의 에너지를 방전시키는 패시브 밸런싱부; 셀 중 적어도 하나를 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결하는 밸런싱 스위칭부; 셀 각각의 전압을 측정하는 전압 측정부; 상기 전압 측정부를 통해 셀 간 전압편차를 모니티링하고, 모니터링 결과에 따라 상기 밸런싱 스위칭부를 통해 셀 중 적어도 하나를 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결하여 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부 중 어느 하나를 통해 셀의 전압을 밸런싱하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부는 병렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 액티브 셀 밸런싱부는 셀로부터 전달된 전력을 충전한 후 다른 셀로 전달하는 캐패시터; 및 상기 캐패시터를 통해 흐르는 전류를 단속하는 밸런싱 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 패시브 밸런싱부는 셀로부터 전달된 에너지를 열에너지로 소비하는 방전저항; 및 상기 방전저항에 흐르는 전류를 단속하는 방전스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 밸런싱 스위칭부는 셀의 양극과 음극 각각에 설치되어 셀의 전류를 개별적으로 단속하는 복수 개의 셀 스위치; 셀 중 홀수번째 셀의 양극단을 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결 또는 연결 해제시키거나, 또는 셀 중 짝수번째 셀의 양극단을 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결 또는 연결 해제시키는 양극 연결 스위치; 및 셀 중 홀수번째 셀의 음극단을 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결 또는 연결 해제시키거나, 또는 셀 중 짝수번째 셀의 음극단을 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결 또는 연결 해제시키는 음극 연결 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제어부는 상기 셀 간 전압편차가 기 설정된 제1 셀 간 전압편차 이상이면 상기 밸런싱 스위칭부를 통해 과충전된 셀의 에너지를 상기 액티브 셀 밸런싱부에 충전한 후 부족충전된 셀에 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제어부는 상기 셀 간 전압편차가 기 설정된 제1 셀 간 전압편차 미만이면 상기 밸런싱 스위칭부를 통해 과충전된 셀의 에너지를 상기 패시브 밸런싱부에 전달하여 상기 패시브 밸런싱부를 통해 방전시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제어부는 상기 셀 간 전압편차가 기 설정된 제1 셀 간 전압편차 이상이면 상기 밸런싱 스위칭부를 통해 과충전된 셀의 에너지를 상기 액티브 셀 밸런싱부에 충전한 후 부족충전된 셀에 공급하고, 이후 상기 셀 간 전압편차가 기 설정된 제1 셀 간 전압편차 미만이면 상기 밸런싱 스위칭부를 통해 과충전된 셀의 에너지를 상기 패시브 밸런싱부에 전달하여 상기 패시브 밸런싱부를 통해 방전시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치는 셀의 에너지를 저장한 후 방출시켜 셀의 전압을 밸런싱하는 액티브 셀 밸런싱부; 셀의 에너지를 방전시켜 셀의 전압을 밸런싱하는 패시브 밸런싱부; 및 셀 간 전압편차에 따라 셀 중 적어도 하나를 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결하는 밸런싱 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부는 병렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 액티브 셀 밸런싱부는 셀로부터 전달된 전력을 충전한 후 다른 셀로 전달하는 캐패시터; 및 상기 캐패시터를 통해 흐르는 전류를 단속하는 밸런싱 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 패시브 밸런싱부는 셀로부터 전달된 전압을 열에너지로 소비하는 방전저항; 및 상기 방전저항에 흐르는 전류를 단속하는 방전스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 밸런싱 스위칭부는 셀의 양극과 음극 각각에 설치되어 셀의 전류를 개별적으로 단속하는 복수 개의 셀 스위치; 셀 중 홀수번째 셀의 양극단을 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결 또는 연결 해제시키거나, 또는 셀 중 짝수번째 셀의 양극단을 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결 또는 연결 해제시키는 양극 연결 스위치; 및 셀 중 홀수번째 셀의 음극단을 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결 또는 연결 해제시키거나, 또는 셀 중 짝수번째 셀의 음극단을 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결 또는 연결 해제시키는 음극 연결 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치는 시스템 복잡도를 최소화하면서 셀 밸런싱 효율을 유지하고 셀 밸런싱 시간도 단축시킬 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치의 회로도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀의 과충전시 액티브 셀 밸런싱 동작에 따른 회로 동작을 도시한 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀의 부족충전시 액티브 셀 밸런싱 동작에 따른 회로 동작을 도시한 도면이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀의 과충전시 패시브 밸런싱 동작에 따른 회로 동작을 도시한 도면이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치의 SOC 편차를 나타낸 도면이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법을 도시한 순서도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치의 회로도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀의 과충전시 액티브 셀 밸런싱 동작에 따른 회로 동작을 도시한 도면이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀의 부족충전시 액티브 셀 밸런싱 동작에 따른 회로 동작을 도시한 도면이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀의 과충전시 패시브 셀 밸런싱부 동작에 따른 회로 동작을 도시한 도면이며, 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치의 SOC 편차를 나타낸 도면이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치는 액티브 셀 밸런싱부(40), 패시브 셀 밸런싱부(50), 밸런싱 스위칭부(30), 전압 측정부(60) 및 제어부(70)를 포함한다.
먼저, 배터리 모듈은 복수 개의 셀(20)로 구성된다. 1개의 배터리 모듈 내 셀(20)의 개수는 8개, 16개, 24개 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 배터리 팩은 상기한 배터래 모듈을 조립한 하나의 팩 형태로 구성된다.
전압 측정부(60)는 각 셀(20)의 전압을 측정하여 제어부(70)에 입력한다.
밸런싱 스위칭부(30)는 셀(20) 중 적어도 하나를 액티브 셀 밸런싱부(40)와 패시브 셀 밸런싱부(50)에 연결한다. 액티브 셀 밸런싱부(40)와 패시브 셀 밸런싱부(50)에 대해서는 후술한다.
밸런싱 스위칭부(30)는 복수 개의 셀 스위치(31), 양극 연결 스위치(32) 및 음극 연결 스위치(33)를 포함한다.
셀 스위치(31)는 셀(20)의 양극과 음극 각각에 설치되어 셀(20)의 전류를 셀(20)의 양극측과 음극측에서 각각 단속(SW11,SW12)한다.
양극 연결 스위치(32)는 일단이 액티브 셀 밸런싱부(40)와 패시브 셀 밸런싱부(50)에 연결되고 제1 스위치 위치가 셀(20) 중 홀수번째 셀(20)의 양극단에 연결되며 제2 스위치 위치가 셀(20) 중 짝수번째 셀(20)의 양극단에 연결된다(SW21). 따라서, 양극 연결 스위치(32)는 셀(20) 중 홀수번째 셀(20)의 양극단을 액티브 셀 밸런싱부(40)와 패시브 셀 밸런싱부(50)에 연결 또는 연결 해제시키거나, 또는 셀(20) 중 짝수번째 셀(20)의 양극단을 액티브 셀 밸런싱부(40)와 패시브 셀 밸런싱부(50)에 연결 또는 연결 해제시킨다.
음극 연결 스위치(33)는 일단이 일단이 액티브 셀 밸런싱부(40)와 패시브 셀 밸런싱부(50)에 연결되고 제1 스위치 위치가 셀(20) 중 홀수번째 셀(20)의 음극단에 연결되고 제2 스위치 위치가 셀(20) 중 짝수번째 셀(20)의 음극단에 연결된다(SW22). 따라서, 음극 연결 스위치(33)는 셀(20) 중 홀수번째 셀(20)의 음극단을 액티브 셀 밸런싱부(40)와 패시브 셀 밸런싱부(50)에 연결 또는 연결 해제시키거나, 또는 셀(20) 중 짝수번째 셀(20)의 음극단을 액티브 셀 밸런싱부(40)와 패시브 셀 밸런싱부(50)에 연결 또는 연결 해제시킨다.
액티브 셀 밸런싱부(40)는 셀(20)의 에너지를 저장한 후 방출시켜 셀(20)의 전압을 밸런싱한다.
액티브 셀 밸런싱부(40)는 일측이 밸런싱 스위칭부(30)를 통해 셀(20)의 양극단과 음극단에 각각에 연결되는 캐패시터(Balancing Cap) 및 밸런싱 스위치(SWbal)을 포함한다.
액티브 셀 밸런싱부(40)는 일측이 양극 연결 스위치(32)와 셀 스위치(31)를 통해 셀(20)의 양극단에 연결되고, 타측이 음극 연결 스위치(33)와 셀 스위치(31)를 통해 셀(20)의 음극단에 연결된다.
즉, 캐패시터(Balancing Cap)는 일측이 밸런싱 스위치(SWbal)에 연결되고 타측이 음극 연결 스위치(33)에 연결된다.
캐패시터(Balancing Cap)는 셀(20)로부터 전달된 전력을 충전한 후 다른 셀(20)로 전달한다.
즉, 캐패시터(Balancing Cap)는 상대적으로 높은 전압의 셀(20), 즉 과충전된 셀(20)로부터 밸런싱 스위칭부(30)를 통해 에너지를 전달받아 충전하고, 이후 충전이 완료되면 상대적으로 낮은 전압의 셀(20), 즉 부족충전된 셀(20)에 에너지를 전달함으로써, 과충전된 셀(20)과 부족충전된 셀(20) 간의 액티브 셀 밸런싱을 수행한다.
밸런싱 스위치(SWbal)는 일측이 캐패시터(Balancing Cap)에 연결되고 타측이 양극 연결 스위치(32)에 연결된다. 밸런싱 스위치(SWbal)는 캐패시터(Balancing Cap)를 통해 흐르는 전류를 단속한다. 즉, 밸런싱 스위치(SWbal)가 턴온되면 액티브 셀 밸런싱 방식으로 동작하고, 밸런싱 스위치(SWbal)가 턴오프되면 패시브 셀 밸런싱 방식으로 동작한다.
도 1 에서, 미설명 부호 ESR(Equivalent Series Resistance)은 등가직렬저항이다.
패시브 셀 밸런싱부(50)는 밸런싱 스위칭부(30)를 통해 셀(20)의 양극단과 음극단 각각에 연결되며, 과충전된 셀(20)의 에너지를 열 에너지로 방전시켜 패시브 셀 밸런싱을 수행한다.
패시브 셀 밸런싱부(50)는 방전저항(Rdiss) 및 방전스위치(SWdiss)를 포함한다. 방전저항과 방전스위치는 직렬 연결된다.
방전저항(Rdiss)은 일측이 양극 연결 스위치(32)와 셀 스위치(31)를 통해 셀(20)의 양극단과 연결되고 타측이 방전스위치(SWdiss)에 연결되어 과충전된 셀(20)의 에너지를 열에너지로 소비한다.
방전스위치(SWdiss)는 일측이 방전저항(Rdiss)에 연결되고 타측이 음극 연결 스위치(33)와 셀 스위치(31)를 통해 셀(20)의 음극단에 연결되어 셀(20)로부터 인가되는 전류를 단속한다.
따라서, 방전스위치(SWdiss)가 턴온되면 방전저항(Rdiss)을 통해 과충전된 셀(20)의 에너지가 열 에너지로 방출시켜 해당 과충전된 셀(20)이 방전된다.
여기서, 패시브 셀 밸런싱부(50)와 액티브 셀 밸런싱부(40)는 병렬 연결된다. 따라서, 방전스위치(SWdiss)가 턴온되면 패시브 셀 밸런싱부(50)에 의해 셀 밸런싱이 이루어지고, 방전스위치(SWdiss)가 턴오프되면 액티브 셀 밸런싱부(40)에 의해 셀 밸런싱이 이루어진다. 방전스위치(SWdiss)는 제어부(70)에 의해 턴온 또는 턴오프된다.
제어부(70)는 전압 측정부(60)를 통해 각 셀(20)의 전압을 측정하여 셀 간 전압편차(Vc)를 모니터링한다. 제어부(70)는 셀 간 전압편차(Vc)를 모니터링한 결과에 따라 밸런싱 스위칭부(30)를 통해 셀(20) 중 적어도 하나를 액티브 셀 밸런싱부(40)와 패시브 셀 밸런싱부(50)에 연결하여 액티브 셀 밸런싱부(40)와 패시브 셀 밸런싱부(50) 중 어느 하나를 통해 셀 밸런싱을 수행한다.
이 경우, 제어부(70)는 전압들 사이의 충전 에너지 편차가 크게 나타나는 밸런싱 초기 단계에서는 액티브 셀 밸런싱 방식의 밸런싱 속도가 크게 나타나기 때문에, 밸런싱 손실이 상대적으로 작은 액티브 셀 밸런싱 방식을 이용한다. 액티브 셀 밸런싱 방식은 셀(20) 간의 전압 편차가 줄어들수록 밸런싱 속도가 늦어지는 특성이 있다. 따라서, 이후 제어부(70)는 패시브 셀 밸런싱 방식으로 셀 밸런싱 방식을 변환한다.
예컨데, 제어부(70)는 밸런싱 초기, 예컨데 셀 간 전압편차(Vc)가 상대적으로 큰 제1 셀 간 전압편차(Vt)를 이상이면 밸런싱 스위치(SWBal)를 턴온시키고 밸런싱 스위칭부(30)를 통해 과충전된 셀(20)의 에너지를 캐패시터(Balancing Cap)에 충전한 후 부족충전된 셀(20)에 공급하는 액티브 셀 밸런싱 방식으로 셀 밸런싱을 수행한다.
이후, 셀 간 전압편차(Vc)가 감소하여 셀 간 전압편차(Vc)가 상대적으로 작은 제2 셀 간 전압편차(Vf) 미만이면, 제어부(70)는 밸런싱 스위치(SWBal)를 턴오프시키고 밸런싱 스위칭부(30)를 통해 과충전된 셀(20)의 에너지를 패시브 셀 밸런싱부(50)에 전달하여 패시브 셀 밸런싱부(50)를 통해 방전시킨다.
제어부(70)는 상기한 제1 셀 간 전압편차(Vt)와 제2 셀 간 전압편차(Vf)를 셀 밸런싱 동작 초기에 설정할 수 있다.
제1 셀 간 전압편차(Vt)는 셀 밸런싱 방식 전환을 위해 설정된 전압편차다. 따라서, 전압편차가 제1 셀 간 전압편차(Vt) 이상이면 액티브 셀 밸런싱을 수행하고, 이후 제1 셀 간 전압편차(Vt) 미만이 되면 패시브 셀 밸런싱을 수행한다.
제2 셀 간 전압편차(Vf)는 셀 밸런싱 종료를 위해 설정된 전압 편차이다. 따라서, 전압편차가 제1 셀 간 전압편차(Vt) 미만이 되면 패시브 셀 밸런싱을 종료한다.
즉, 제어부(70)는 셀(1)(cell(1))이 셀 간 전압편차(Vc)가 제1 셀 간 전압편차(Vt) 이상으로 과충전되고 셀(N)(cell(N))이 부족충전되면, 도 2 에 도시된 바와 같이 셀(1)(cell(1))의 양극단과 음극단에 각각 연결된 셀 스위치(31)를 턴온시키고, 양극 연결 스위치(32)를 제1 스위치 위치에 연결하며 음극 연결 스위치(33)를 제1 연결 스위치에 연결하며, 패시브 셀 밸런싱부(50)의 방전스위치(SWdiss)를 턴오프시키고 밸런싱 스위치(SWBal)를 턴온시킨다. 이에 따라, 셀(1)(cell(1))의 에너지가 액티브 셀 밸런싱부(40)의 캐패시터(Balancing Cap)에 충전된다.
이후, 제어부(70)는 부족충전된 셀(N)(cell(N))을 충전시킨다. 즉, 제어부(70)는 도 3 에 도시된 바와 같이 셀(N)(cell(N))의 양극단과 음극단에 각각 연결된 셀 스위치(31)를 턴온시키고, 양극 연결 스위치(32)를 제2 스위치 위치에 연결하며 음극 연결 스위치(33)를 제2 연결 스위치에 연결하며, 패시브 셀 밸런싱부(50)의 방전스위치(SWdiss)를 턴오프시킨다. 이에 따라, 캐패시터(Balancing Cap)의 에너지가 셀(N)(cell(N))에 충전된다.
또한, 제어부(70)는 셀(1)(cell(1))이 셀 간 전압편차(Vc)가 제2 셀 간 전압편차(Vf) 미만으로 과충전되면, 도 4 에 도시된 바와 같이 셀(1)(cell(1))의 양극단과 음극단에 각각 연결된 셀 스위치(31)를 턴온시키고, 양극 연결 스위치(32)를 제1 스위치 위치에 연결하며 음극 연결 스위치(33)를 제1 연결 스위치에 연결하며, 패시브 셀 밸런싱부(50)의 방전스위치(SWdiss)를 턴온시키며, 밸런싱 스위치(SWBal)를 턴오프시킨다. 이에 따라, 셀(1)(cell(1))의 에너지가 패시브 셀 밸런싱부(50)의 방전저항(Rdiss)에 의해 열 에너지로 변환되어 셀(1)(cell(1))가 방전된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 셀 밸런싱을 수행할 경우의 셀(20) 간 전압 편차(SOC(State of Charge) 편차)가 줄어드는 경향을 보여주고 있다. 셀(20) (1)(cell(1))이 과충전된 조건에서 패시브 셀 밸런싱 방식으로 밸런싱을 수행하고 패시브 셀 밸런싱 방식을 수행하면 밸런싱 편차가 크게 감소함을 확인할 수 있다.
이상으로 상술한 구성 요소들의 기능은 본 실시예에 대한 동작을 보다 명확하게 이해할 수 있도록 각기 구분하여 설명하였으나, 실시예에 따라서는 제어부(70)가 구성 요소들의 기능을 모두 통합하여 실시하거나, 또는 제어부(70)가 구성 요소들의 기능 중 적어도 하나 이상을 대체하여 실시할 수도 있음에 유의한다.
또한, 액티브 밸런싱이 적용되는 시점은 SOC 편차를 모니터링 하며 결정할 수 있다. SOC 편차가 작은 구간에서 Passive balancing을 적용할 경우, 밸런싱 속도가 상대적으로 늦어지는 반면에, 밸런싱 손실은 줄일 수 있다. 반대의 경우로, 패시브 셀 밸런싱부 구간을　넓힘으로써 밸런싱 속도를 증가시키는 제어도 가능하다.
이와 같이 제어의 달리함으로써, 시스템의 요구사항에 따라 밸런싱 회로의 동작을 최적화 할 수 있다는 장점이 있다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법을 도시한 순서도이다.
도 6 을 참조하면, 먼저 제어부(70)는 제1 셀 간 전압편차(Vt) 및 제2 셀 간 전압편차(Vf)를 각각 설정한다(S10,S20).
이어, 제어부(70)는 전압 측정부(60)를 통해 각 셀(20)의 전압을 측정하여 셀 간 전압편차(Vc)를 모니터링한다.
이때, 제어부(70)는 셀 간 전압편차(Vc)를 모니티링하고, 모니터링 결과에 따라 밸런싱 스위칭부(30)를 통해 셀(20) 중 적어도 하나를 액티브 셀 밸런싱부(40)와 패시브 셀 밸런싱부(50)에 연결하여 액티브 셀 밸런싱부(40)와 패시브 셀 밸런싱부(50) 중 어느 하나를 통해 셀(20)의 전압을 밸런싱한다.
이 경우, 제어부(70)는 전압들 사이의 충전 에너지 편차가 크게 나타나는 밸런싱 초기 단계에서는 액티브 셀 밸런싱 방식의 밸런싱 속도가 크게 나타나기 때문에, 밸런싱 손실이 작은 액티브 셀 밸런싱 방식을 수행한다.
이 경우, 제어부(70)는 셀 간 전압편차(Vc)를 제1 셀 간 전압편차(Vt)와 비교하여 셀 간 전압편차(Vc)가 제1 셀 간 전압편차(Vt) 이상이면 밸런싱 스위칭부(30)를 통해 과충전된 셀(20)의 에너지를 액티브 셀 밸런싱부(40)에 충전한 후 부족충전된 셀(20)에 공급하는 액티브 셀 밸런싱 방식으로 셀 밸런싱을 수행한다(S30,S40).
이 과정에서, 제어부(70)는 셀 간 전압편차(Vc)를 제1 셀 간 전압편차(Vt)와 비교하여 셀 간 전압편차(Vc)가 제1 셀 간 전압편차(Vt) 미만이면 밸런싱 스위칭부(30)를 통해 과충전된 셀(20)의 에너지를 패시브 셀 밸런싱부(50)에 전달하여 패시브 셀 밸런싱부(50)를 통해 방전시키는 패시브 셀 밸런싱 방식으로 셀 밸런싱을 수행한다(S50). 이 과정에서 제어부(70)는 셀 간 전압편차(Vc)가 제2 셀 간 전압편차(Vf) 미만이 되면(S60), 셀 밸런싱을 종료한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치는 배터리를 적용한 다양한 에너지저장장치(철도차량용 배터리팩, 전기자동차용 배터리 팩, 산업용 ESS 등)에 적용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치는 시스템 복잡도를 최소화하면서 셀 밸런싱 효율을 유지하고 셀 밸런싱 시간도 단축시킬 수 있다.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
20: 셀 30: 밸런싱 스위칭부
31: 셀 스위치 32: 양극 연결 스위치
33: 음극 연결 스위치 40: 액티브 셀 밸런싱부
50: 패시브 셀 밸런싱부 60: 전압 측정부
70: 제어부

Claims (13)

  1. 셀의 에너지를 저장한 후 방출시켜 셀의 전압을 밸런싱하는 액티브 셀 밸런싱부;
    셀의 에너지를 방전시키는 패시브 밸런싱부;
    셀 중 적어도 하나를 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결하는 밸런싱 스위칭부;
    셀 각각의 전압을 측정하는 전압 측정부; 및
    상기 전압 측정부를 통해 셀 간 전압편차를 모니터링하고, 모니터링 결과에 따라 상기 밸런싱 스위칭부를 통해 셀 중 적어도 하나를 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결하여 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부 중 어느 하나를 통해 셀의 전압을 밸런싱하는 제어부를 포함하고,
    상기 밸런싱 스위칭부는 셀의 양극과 음극 각각에 설치되어 셀의 전류를 개별적으로 단속하는 복수 개의 셀 스위치; 셀 중 홀수번째 셀의 양극단을 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결 또는 연결 해제시키거나, 또는 셀 중 짝수번째 셀의 양극단을 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결 또는 연결 해제시키는 양극 연결 스위치; 및 셀 중 홀수번째 셀의 음극단을 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결 또는 연결 해제시키거나, 또는 셀 중 짝수번째 셀의 음극단을 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결 또는 연결 해제시키는 음극 연결 스위치를 포함하며,
    상기 셀 스위치는 셀의 양극과 음극 각각에 설치되어 셀의 전류를 셀의 양극측과 음극측에서 각각 단속하며,
    상기 양극 연결 스위치는 공통단자가 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결되고, 제1 단자가 셀 중 홀수번째 셀의 양극단에 연결되며, 제2 단자가 셀 중 짝수번째 셀의 양극단에 연결되며,
    상기 음극 연결 스위치는 공통단자가 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결되고, 제1 단자가 셀 중 홀수번째 셀의 음극단에 연결되고 제2 단자가 셀 중 짝수번째 셀의 음극단에 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부는 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 액티브 셀 밸런싱부는
    셀로부터 전달된 전력을 충전한 후 다른 셀로 전달하는 캐패시터; 및
    상기 캐패시터를 통해 흐르는 전류를 단속하는 밸런싱 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 패시브 밸런싱부는
    셀로부터 전달된 에너지를 열에너지로 소비하는 방전저항; 및
    상기 방전저항에 흐르는 전류를 단속하는 방전스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 셀 간 전압편차가 기 설정된 제1 셀 간 전압편차 이상이면 상기 밸런싱 스위칭부를 통해 과충전된 셀의 에너지를 상기 액티브 셀 밸런싱부에 충전한 후 부족충전된 셀에 공급하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 셀 간 전압편차가 기 설정된 제1 셀 간 전압편차 미만이면 상기 밸런싱 스위칭부를 통해 과충전된 셀의 에너지를 상기 패시브 밸런싱부에 전달하여 상기 패시브 밸런싱부를 통해 방전시키는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 셀 간 전압편차가 기 설정된 제1 셀 간 전압편차 이상이면 상기 밸런싱 스위칭부를 통해 과충전된 셀의 에너지를 상기 액티브 셀 밸런싱부에 충전한 후 부족충전된 셀에 공급하고, 이후 상기 셀 간 전압편차가 기 설정된 제1 셀 간 전압편차 미만이면 상기 밸런싱 스위칭부를 통해 과충전된 셀의 에너지를 상기 패시브 밸런싱부에 전달하여 상기 패시브 밸런싱부를 통해 방전시키는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  9. 셀의 에너지를 저장한 후 방출시켜 셀의 전압을 밸런싱하는 액티브 셀 밸런싱부;
    셀의 에너지를 방전시켜 셀의 전압을 밸런싱하는 패시브 밸런싱부; 및
    셀 간 전압편차에 따라 셀 중 적어도 하나를 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결하는 밸런싱 스위칭부를 포함하고,
    상기 밸런싱 스위칭부는 셀의 양극과 음극 각각에 설치되어 셀의 전류를 개별적으로 단속하는 복수 개의 셀 스위치; 셀 중 홀수번째 셀의 양극단을 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결 또는 연결 해제시키거나, 또는 셀 중 짝수번째 셀의 양극단을 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결 또는 연결 해제시키는 양극 연결 스위치; 및 셀 중 홀수번째 셀의 음극단을 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결 또는 연결 해제시키거나, 또는 셀 중 짝수번째 셀의 음극단을 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결 또는 연결 해제시키는 음극 연결 스위치를 포함하며,
    상기 셀 스위치는 셀의 양극과 음극 각각에 설치되어 셀의 전류를 셀의 양극측과 음극측에서 각각 단속하며,
    상기 양극 연결 스위치는 공통단자가 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결되고, 제1 단자가 셀 중 홀수번째 셀의 양극단에 연결되며, 제2 단자가 셀 중 짝수번째 셀의 양극단에 연결되며,
    상기 음극 연결 스위치는 공통단자가 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부에 연결되고, 제1 단자가 셀 중 홀수번째 셀의 음극단에 연결되고 제2 단자가 셀 중 짝수번째 셀의 음극단에 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 액티브 셀 밸런싱부와 상기 패시브 밸런싱부는 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 액티브 셀 밸런싱부는
    셀로부터 전달된 전력을 충전한 후 다른 셀로 전달하는 캐패시터; 및
    상기 캐패시터를 통해 흐르는 전류를 단속하는 밸런싱 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 패시브 밸런싱부는
    셀로부터 전달된 전압을 열에너지로 소비하는 방전저항; 및
    상기 방전저항에 흐르는 전류를 단속하는 방전스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  13. 삭제
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