KR102558763B1 - 셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른, 셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 장치는, 복수의 배터리 셀의 충전을 위한 충전 전류를 공급하는 주 전력 충전 시스템(Main Power Charging System); 상기 복수의 배터리 셀 각각에 연결되고, 상기 주 전력 충전 시스템으로부터 상기 충전 전류를 공급 받아, 연결된 개별 배터리 셀 별로 전류의 크기를 조정 한 후 충전하는 DC/DC 컨버터(converter); 및 상기 복수의 배터리 셀에 관한 충전 상태를 분석하여, 상기 DC/DC 컨버터에 의해 조정되는 전류의 크기를 결정하는 MCU(Micro Controller Unit)를 포함하여 구성한다.

Description

셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 장치 및 방법{CELL BALANCING DEVICES AND METHODS FOR CELL BALANCING ACTION}

본 발명은, 컨버터 및 각 베터리 셀(Battery Cell) 간의 독립 DC/DC 컨버터를 이용한 전력변환 시스템 구동의 변화를 통해, 다수 개의 셀을 독립적으로 제어해 줌으로써, 배터리 효율 향상 및 수명 증가를 도모하는, 셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다.

배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)은, 배터리의 상태를 관리하기 위해 사용되는 것으로, 배터리의 전압과 전류의 감시를 통해 사고 위험을 관리 할 수 있다.

배터리 관리 시스템(BMS)은, 컨버터를 이용한 전력변환 시스템(Main Power System)과 배터리 셀 간의 전압을 조절해 주는 셀 밸런싱(Cell Balancing) 단으로 구성될 수 있다.

이러한 배터리 관리 시스템(BMS)은, 배터리 셀의 독립적 제어가 시스템 정밀 제어의 핵심이 되며, 셀 간 상호 간섭을 배제할수록, 충전 성능 향상 및 수명을 연장 시킬 수 있다.

도 1은 종래의 배터리 관리 시스템에서, 저항을 이용하여 셀 밸런싱 하는 일례를 설명하기 위한 도이다.

저항을 이용한 셀 밸런싱에 있어, 종래의 배터리 관리 시스템(BMS)은, 도 1와 같이, 셀 간 전압을 조절하기 위해 저항을 부가하여 연결한다.

도 1(a)와 도 1(b)에서는, Unbalancing 되어 있는 셀 들의 각기 상이한 전압(4.2V, 4.18V, 4.25V, 4.17V)을, 저항을 통해, 동일한 전압 4.17V로 밸런싱 하는 것을 예시한다.

도 2는 종래의 배터리 관리 시스템에서, 트랜스포머를 이용하여 셀 밸런싱 하는 일례를 설명하기 위한 도이다.

트랜스포머(Transformer)를 이용한 셀 밸런싱에 있어, 배터리 관리 시스템(BMS)은, 도 2와 같이, 셀 간 전압을 조절하기 위해 트랜스포머를 부가하여 연결한다.

도 2(a)와 도 2(b)에서는, 전력이 일단으로만 인입출되어 Unbalancing 되어 있는 셀 사이를, 트랜스포머에 의한 On 혹은 Switching 을 통해, 각 셀 마다 동일하게 전력이 인입출되도록 하여 밸런싱하는 것을 예시한다.

종래의 BMS 시스템은, 셀 간 전압을 조절하기 위해, 도 1과 같이 저항으로 연결하거나 도 2와 같이 트랜스포머 등을 이용하여, 셀 간의 전압 차이를 조절하고 있어, 셀 상호 간의 간섭을 배제할 수 없고, 효율 향상에 한계를 보이고 있다.

도 3은 종래의 배터리 관리 시스템에서, 저항을 이용한 셀 밸런싱의 원리를 설명하기 위한 도이다.

도 3에서는 저항을 이용하여 배터리 셀 간 밸런싱을 하는 방식을 예시한다.

초기 배터리 내부 셀들은, 각각 제조사의 제조과정 및 주위 환경으로 인해 내부에 저장된 에너지가 제각각 상이 할 수 있다. 도 3의 (a)에는, 4개의 셀 각각으로, 서로 다르게 70%, 80%, 70%, 90%의 에너지가 충전되어 평균 77.5%가 되는 것이 예시된다.

저항을 이용하여 배터리 셀 간 밸런싱을 하는 방식은, 각 셀 사이에 있는 저항을 통해 인접 셀 간 에너지를 소비함으로써 모든 셀이 비슷한 에너지를 가지게 한다. 도 3의 (b)에는 80%와 90%의 에너지가 과충전되어 있는, 2번째와 4번째 셀에 연결된 저항을 On 함으로써, 에너지를 소비하여 모든 셀이 동일한 70%의 에너지를 갖게 하는 것이 예시된다.

그러나, 저항을 이용하여 배터리 셀 간 밸런싱을 하는 방식은, 잉여 에너지를 소비하기 때문에 효율이 낮은 문제가 있으며, 또한 소비된 에너지로 인해 배터리가 항상 100%의 충전 상태로 있는 것이 불가능하다는 한계가 있다.

따라서, 전력변환 시스템 구동의 변화를 통해 다수 개의 셀을 독립적으로 제어해 줌으로써, 배터리 효율 향상 및 수명 증가를 도모하는 개선된 배터리 셀 간 밸런싱 기법이 절실히 요구되고 있다.

본 발명의 실시예는, 컨버터 및 각 셀 간의 독립 DC/DC 컨버터를 이용한 전력변환 시스템 구동의 변화를 통해 다수 개의 셀을 독립적으로 제어해 줌으로써 배터리 효율 향상 및 수명 증가를 위한, 셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 실시예는, 종래의 시스템이 가진 시스템 장착 위치의 한계를 독립 충전 시스템을 이용함으로써 극복하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른, 셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 장치는, 복수의 배터리 셀의 충전을 위한 충전 전류를 공급하는 주 전력 충전 시스템(Main Power Charging System); 상기 복수의 배터리 셀 각각에 연결되고, 상기 주 전력 충전 시스템으로부터 상기 충전 전류를 공급 받아, 연결된 개별 배터리 셀 별로 전류의 크기를 조정 한 후 충전하는 DC/DC 컨버터(converter); 및 상기 복수의 배터리 셀에 관한 충전 상태를 분석하여, 상기 DC/DC 컨버터에 의해 조정되는 전류의 크기를 결정하는 MCU(Micro Controller Unit)을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른, 셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 방법은, 주 전력 충전 시스템에서, 복수의 배터리 셀의 충전을 위한 충전 전류를 공급하는 단계; 상기 복수의 배터리 셀 각각에 연결되는 DC/DC 컨버터에서, 상기 주 전력 충전 시스템으로부터 상기 충전 전류를 공급 받아, 연결된 배터리 셀 별로 전류의 크기를 조정 한 후 충전하는 단계; 및 MCU에서, 상기 복수의 배터리 셀에 관한 충전 상태를 분석하여, 상기 DC/DC 컨버터에 의해 조정되는 전류의 크기를 결정하는 단계를 포함하여 구성할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 컨버터 및 각 셀 간의 독립 DC/DC 컨버터를 이용한 전력변환 시스템 구동의 변화를 통해 다수 개의 셀을 독립적으로 제어해 줌으로써 배터리 효율 향상 및 수명 증가를 위한, 셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 종래의 시스템이 가진 시스템 장착 위치의 한계를 독립 충전 시스템을 이용함으로써 극복 할 수 있다.

도 1은 종래의 배터리 관리 시스템에서, 저항을 이용하여 셀 밸런싱 하는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 종래의 배터리 관리 시스템에서, 트랜스포머를 이용하여 셀 밸런싱 하는 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 3은 종래의 배터리 관리 시스템에서, 저항을 이용한 셀 밸런싱의 원리를 설명하기 위한 도이다.
도 4는 본 발명의 셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치에 대한 전체 블록도이다.
도 6은 본 발명에 따른, 셀 밸런싱의 원리를 설명하기 위한 도이다.
도 7은 본 발명에 따른 MCU를 이용한 제어 알고리즘 시퀀스를 설명하기 위한 도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라, 전원 공급 제어 장치를 통해, 셀 밸런싱하는 셀 밸런싱 장치에 대한 전체 블록도이다.
도 9는 MCU가 프로세서인 경우의 셀 밸런싱 장치를 설명하는 도이다.
도 10는 도 9에서, 전원 공급 제어 장치가 추가되는 셀 밸런싱 장치를 설명하는 도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른, 셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 방법을 도시한 흐름도이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 4는 본 발명의 셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 장치의 구성을 도시한 블록도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른, 셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 장치(이하, '셀 밸런싱 장치'로 약칭함)(400)는, 주 전력 충전 시스템(Main Power Charging System, 410), DC/DC 컨버터(DC/DC converter, 420), 및 MCU(Micro Controller Unit, 430)를 포함하여 구성할 수 있다. 실시예에 따라, 셀 밸런싱 장치(400)는 전원 공급 제어 장치(440)를 추가적으로 포함하여 구성할 수도 있다.

우선, 주 전력 충전 시스템(410)은 복수의 배터리 셀의 충전을 위한 충전 전류를 공급한다. 즉, 주 전력 충전 시스템(410)은, 전원 소스로서, 배터리 셀을 충전하는 충전 전류를 출력시키는 역할을 할 수 있다.

주 전력 충전 시스템(410)은 전력변환시스템(예: 전력변환기)을 내장하여 충전 전류를 생산하고, 이를 후단의 DC/DC 컨버터(420)로 공급할 수 있다.

또한, 주 전력 충전 시스템(410)은 배터리 셀의 상태(또는 충전 관련한 주변 환경/상황)에 따라, 공급되는 충전 전류의 크기를 유연하게 조절할 수 있다. 충전 전류에 대한 크기 조절은, 후술하는 전원 공급 제어 장치(440)에 의한 제어에 의거하여 이루어질 수 있다.

DC/DC 컨버터(420)는, 복수의 배터리 셀 각각에 연결되고, 주 전력 충전 시스템(410)으로부터 상기 충전 전류를 공급 받아, 연결된 개별 배터리 셀 별로 전류의 크기를 조정한 후 충전한다. 즉, DC/DC 컨버터(420)는 복수의 배터리 셀 별로 인입되는 전류량을 가변 시킴으로써, 개별 배터리 셀에 대한 독립적인 충전이 이루어지도록 하는 역할을 할 수 있다.

DC/DC 컨버터(420)는, 공급되는 DC를, 보다 높이거나 낮춘 DC로 변환하여, 필요한 전압으로 만들거나 안정화하기 위한 기기일 수 있다.

특히, 본 발명에서는, DC/DC 컨버터(420)를, 각 배터리 셀 마다 연결하여, 배터리 셀 별로 필요한 전류의 크기가 독립적으로 조정되게 할 수 있다.

MCU(430)는 상기 복수의 배터리 셀에 관한 충전 상태를 분석하여, 상기 DC/DC 컨버터에 의해 조정되는 전류의 크기를 결정한다. 즉, MCU(430)는 배터리 셀의 충전 상태를 확인하고, 이를 통해 충전이 더 필요한 배터리 셀을 특정하여 요구되는 전류의 크기를 정하는 역할을 할 수 있다.

결정된 전류의 크기는 DC/DC 컨버터(420)로 전달되어, DC/DC 컨버터(420)로 하여금, 개별 배터리 셀 별로 전류의 크기를 조정한 후 충전할 수 있게 한다.

MCU(430)는 특정 시스템을 제어하기 위한 전용 프로세서일 수 있다.

상기 전류의 크기의 결정에 있어, MCU(430)는, 상기 배터리 셀의 전류량이, 목표치 이하가 되도록, 상기 전류의 크기를 결정 할 수 있다.

즉, MCU는 배터리 셀에 공급되는 전류량과 셀 전압을 확인하여, 적정한 충전 상태에 도달하지 않는 배터리 셀을 특정하고, 특정된 배터리 셀에 대한 추가 충전이 이루어지도록 함으로써, 상기 특정된 배터리 셀과 관련한 전류량이 목표치 이하에 도달하도록 할 수 있다.

또한, MCU(430)는, 상기 복수의 배터리 셀 중, 충전 전압이 가장 큰 배터리 셀과, 충전 전압이 가장 작은 배터리 셀 간의, 전위차를 확인하고, 상기 전위차가 선정된 범위 이내가 될 때 까지, 상기 조정되는 전류의 크기에 대한 결정을 반복할 수 있다.

즉, MCU(430)는 일정한 충전 기간 후, 복수의 배터리 셀 간의 전위차를 계산하고, 가장 큰 전위차가, 셀 밸런싱에서 허용한 범위 밖이라면, 셀 밸런싱이 아직 충분하지 않다고 판단하고, 전류의 크기 결정을 반복하여 개별 배터리 셀과 관련한 충전을 지속 시킬 수 있다.

반면, 가장 큰 전위차가, 셀 밸런싱에서 허용한 범위 이내가 되면, MCU(430)는 셀 밸런싱이 충분히 이루어졌다고 판단하고, 배터리 셀에 대한 충전을 종료 할 수 있다.

실시예에 따라, 셀 밸런싱 장치(400)는 전원 공급 제어 장치(440)에 의해 셀 밸런싱 동작을 구현할 수 있다.

이를 위해, 셀 밸런싱 장치(400)는 전원 공급 제어 장치(440)를 선택적으로 포함하여 구성 할 수 있다.

즉, 전원 공급 장치()는 MCU(430)로부터 상기 충전 상태를 수집하고, 상기 충전 상태에 기초하여, 주 전력 충전 시스템(410)으로부터 공급되는 충전 전류가 변경되도록, 주 전력 충전 시스템(410)을 제어할 수 있다.

즉, 전원 공급 제어 장치(440)는 주 전력 충전 시스템(410)을 직접 제어하여, 주 전력 충전 시스템(410)으로부터 출력되는 충전 전류가, 현재의 배터리 셀에 상태에 따라 유연하여 크기 조정되도록 할 수 있다.

예컨대, 복수의 배터리 셀 중 어느 하나의 배터리 셀 만이 밸런싱 상태가 아니라면, 전원 공급 제어 장치(440)는 주 전력 충전 시스템(410)을 제어하여, 밸런싱 상태가 아닌 배터리 셀에 연결된 DC/DC 컨버터(420)로 만 충전 전류가 공급되게 하여, 해당 배터리 셀에서 추가적인 충전이 이루어지도록 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 컨버터 및 각 셀 간의 독립 DC/DC 컨버터를 이용한 전력변환 시스템 구동의 변화를 통해 다수 개의 셀을 독립적으로 제어해 줌으로써 배터리 효율 향상 및 수명 증가를 위한, 셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 종래의 시스템이 가진 시스템 장착 위치의 한계를 독립 충전 시스템을 이용함으로써 극복 할 수 있다.

배터리 관리 시스템(BMS)은 일반적으로 다수 개의 셀로 구성된 배터리를 하나의 컨버터를 이용하여 제어하지만, 최근 배터리 효율 향상을 위해 배터리 내부 셀 레벨에서 제어를 하는 셀 밸런싱(cell Balancing) 방식으로 변경되면서 수명 연장 및 안전에 대한 문제가 대두되고 있다.

도 5는 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치에 대한 전체 블록도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 셀 밸런싱 장치(400)는, Main Power Charging System, 전력변환 시스템인 DC/D 컨버터, 및 배터리 셀 간의 전압을 조절해 주는 MCU를 포함하여 구성 할 수 있다.

셀 밸런싱 장치(400)는, DC/DC 컨버터를 이용하여, 각각의 셀의 상태를 개별적으로 감시 및 제어 할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른, 셀 밸런싱의 원리를 설명하기 위한 도이다.

도 6의 (a)에서는 개별 셀의 충전을 예시하고, 도 6의 (b)에서는 셀 상태의 확인을 예시하며, 도 6의 (c)에서는 추가 충전을 예시한다.

도 6을 살펴보면, 본 발명의 셀 밸런싱 장치(400)는, 각각의 셀에 대해 개별적인 DC/DC 컨버터를 장착함으로써, 각 셀에 대한 다수 개의 배터리 관리 시스템을 활용하는 것과 같은 효과를 유발하여, 배터리의 안전성과 제어의 정확성을 얻을 수 있다.

이하에서, 본 발명의 셀 밸런싱 장치(400)에서의 충전 구동 원리를 설명한다.

먼저 배터리의 충전이 시작되면, 셀 밸런싱 장치(400)는, Main Power Charging System으로부터 출력된 DC 전원을 배터리의 셀 전체로 통합해서 충전을 실시한다.

충전은, Mode 1과 Mode 2로 나누어 수행될 수 있다.

Mode 1에서 셀 밸런싱 장치(400)는, 충전 시 배터리와 전원단의 전위차로 인해 큰 전류가 흐를 수 있기 때문에 일정한 전류를 흐르게 만든다. 이때 Mode 1의 동작은 1PU의 전류를 기준으로 한다.

Mode 2에서 셀 밸런싱 장치(400)는, Mode 1의 충전에 의해 배터리의 전압과 DC 전원의 전위차 감소로 인해 충전 전류가 감소하기 때문에 일정한 전위차를 유지시키는 충전을 실시한다. 이때 Mode 2의 동작은 전류가 약 0.2PU 이하가 될 때 까지 유지한다.

이후, 도 6의 (a)와 같이 일정량의 에너지가 충전되면, 셀 밸런싱 장치(400)는, 배터리 각각의 셀에 장착되어 있는 독립 DC/DC 컨버터를 이용하여 Mode 3, Mode 4를 실시한다.

Mode 3에서 셀 밸런싱 장치(400)는, Mode 1 때와 마찬가지로 일정한 전류를 이용한 충전을 실시한다. 단, 셀 밸런싱 장치(400)는, Mode 1과 달리, Mode 3에서, 전체 셀이 아닌 DC/DC 컨버터에 의해 하나의 셀에 하나의 충전기가 연결된 구조 하에서 동작하게 된다.

Mode 4에서 셀 밸런싱 장치(400)는 Mode 2와 같이 충전 전원단과 셀 단의 일정 전위차를 유지 시킨다.

Mode 4에서 셀 밸런싱 장치(400)는, Mode 2와 달리 전체 셀이 아닌 DC/DC 컨버터에 의해 하나의 셀에 하나의 충전기가 연결된 구조로 각각의 셀 상태에 맞는 에너지 준위로 개별 충전을 실시한다.

이후, 셀 밸런싱 장치(400)는, 도 6의 (b)와 같이 모든 충전을 종료하고 개별 셀의 상태를 체크한다. 배터리 내부 저항에 의한 전압 드롭이 발생하기 때문에, 정확한 셀의 상태를 체크하기 위해, 셀 밸런싱 장치(400)는, 중간 휴지기가 필요 할 수 있다.

또한, 셀 밸런싱 장치(400)는, 도 6의 (c)와 같이 각각의 셀 중 목표 전압 레벨에 도달한 셀에 대해 충전을 종료 시키고, 반면 충전이 완료 되지 않은 개별 셀들에 대해 추가적인 충전을 실시한다.

또한, 셀 밸런싱 장치(400)는, 충전 중 전압과 전류의 상태를 상시 감시하여, 항시 위험 및 셀 불량에 대한 검지를 실시한다.

셀 밸런싱 장치(400)는, 가장 큰 전압을 가지는 셀과 가장 작은 전압을 가지는 셀의 전위차가 약 20mV 내외가 되었을 때 모든 충전을 종료한다.

도 7은 본 발명에 따른 MCU를 이용한 제어 알고리즘 시퀀스를 설명하기 위한 도이다.

도 7에는 본 발명의 전체 시퀀스를 설명한다.

단계 711에서 셀 밸런싱 장치(400)는, mode 1(CC mode)로 동작하여 일정한 전류 1PU로 흐르게 한다.

단계 712에서, 셀 밸런싱 장치(400)는, mode 1을 mode 2(CV mode)로 전환하여 동작한다.

단계 713에서, 셀 밸런싱 장치(400)는, 전류가 0.2PU 이하 인지를 판단한다. 만약, 전류가 0.2PU 이하가 아니라면(단계 713의 NO 방향), 셀 밸런싱 장치(400)는, mode 2를 유지한다.

반면, 전류가 0.2PU 이하이면(단계 713의 YES 방향), 단계 714에서 셀 밸런싱 장치(400)는, DC/DC 컨버터를 이용한 충전에 관한 mode 3, 4(CVC mode)로 전환한다.

단계 715, 단계 716에서 셀 밸런싱 장치(400)는, 개별 셀로의 전류가 0.05PU 이하로 될 때 까지 mode 3(CC mode)와, mode 4(CV mode)를 수행한다.

단계 717에서, 셀 밸런싱 장치(400)는, 전류가 0.05PU 이하 인지를 판단한다. 만약, 전류가 0.05PU 이하가 아니라면(단계 717의 NO 방향), 셀 밸런싱 장치(400)는, mode 4를 유지한다.

반면, 전류가 0.05PU 이하이면(단계 717의 YES 방향), 단계 718에서 셀 밸런싱 장치(400)는, charger mode을 통해, 셀 밸런싱을 수행한다. 셀 밸런싱은 충전이 완료된 셀에 대해 충전을 중지하고, 충전이 완료되지 않는 셀에 대해 추가 충전을 실시하여 이루어진다.

단계 719에서 셀 밸런싱 장치(400)는, 가장 큰 전압을 가지는 셀과 가장 작은 전압을 가지는 Cell의 전위차가 20mV 이내인지를 판단한다. 만약, 전위차가 20mv 이내가 아니라면(단계 719의 NO 방향), 셀 밸런싱 장치(400)는, 셀 밸런싱을 추가적으로 수행한다.

반면, 전위차가 20mV 이내라면(단계 719의 YES 방향), 셀 밸런싱 장치(400)는, 셀 밸런싱을 종결한다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라, 전원 공급 제어 장치를 통해, 셀 밸런싱하는 셀 밸런싱 장치에 대한 전체 블록도이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 다른 실시예의 셀 밸런싱 장치(400)는, 상술한 도 5의 구성에 더해 전원 공급 제어 장치가 추가되어 구성되는 형태 일 수 있다.

본 발명의 셀 밸런싱 장치(400)는, 전원 공급 제어 장치로, 셀 밸런싱 동작에 필요한 각 셀 마다의 적정 전력에 관한 데이터를 제공할 수 있다. 이에 따라, 전원 공급 제어 장치는, 제공된 데이터에 따른 각 셀 별 전력이 Main Power Charging System으로부터 제공되도록 함으로써, 전체적인 셀 밸런싱 동작이 이루어지도록 할 수 있다.

도 9는 MCU가 프로세서인 경우의 셀 밸런싱 장치를 설명하는 도이다.

도 9에서 프로세서는 MCU일 수 있다.

셀 밸런싱 장치는 메모리 및 프로세서를 포함 할 수 있다. 셀 밸런싱 장치의 각 구성(메모리, 프로세서)은 버스를 통해 서로 통신할 수 있다.

메모리는 프로세서에 의해 실행가능한 인스트럭션들(예: 프로그램)을 저장할 수 있다. 예를 들어, 인스트럭션들은 프로세서의 동작 및/또는 프로세서의 각 구성의 동작을 실행하기 위한 인스트럭션들을 포함할 수 있다.

프로세서는 메모리에 저장된 데이터를 처리할 수 있다. 프로세서는 메모리에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드(예를 들어, 소프트웨어) 및 프로세서에 의해 유발된 인스트럭션(instruction)들을 실행할 수 있다.

프로세서는 목적하는 동작들(desired operations)을 실행시키기 위한 물리적인 구조를 갖는 회로를 가지는 하드웨어로 구현된 데이터 처리 장치일 수 있다. 예를 들어, 목적하는 동작들은 프로그램에 포함된 코드(code) 또는 인스트럭션들(instructions)을 포함할 수 있다.

예를 들어, 하드웨어로 구현된 데이터 처리 장치는 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙 처리 장치(central processing unit), 프로세서 코어(processor core), 멀티-코어 프로세서(multi-core processor), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array)를 포함할 수 있다.

프로세서에 의해 수행되는 동작은 앞서 설명한 셀 밸런싱 장치의 동작과 실질적으로 동일할 수 있다.

도 10는 도 9에서, 전원 공급 제어 장치가 추가되는 셀 밸런싱 장치를 설명하는 도이다.

셀 밸런싱 장치는 도 9의 셀 밸런싱 장치와 실질적으로 동일하고, 전원 공급 제어 장치를 더 포함할 수 있다. 셀 밸런싱 장치의 각 구성(메모리, 프로세서, 전원 공급 제어 장치)은 버스를 통해 서로 통신할 수 있다.

전원 공급 제어 장치는 셀 밸런싱 장치와 구별되며, 셀 밸런싱 장치와 서로 통신을 수행하는 별도의 장치 내에 구현될 수 있다.

전원 공급 제어 장치는 각 셀 마다 공급되는 전력을 상이하게 하여, 셀 밸런싱이 수행되도록 하기 위한 수단 일 수 있다.

본 발명의 셀 밸런싱 장치는 MCU를 활용하여 제어 시퀀스를 수행할 수 있다.

셀 밸런싱 장치는 상위 제어기인 MCU를 통해 Main Power Charging System의 컨버터 스위칭 제어 및 상태 감시를 실시하며, 이를 통해 배터리의 상태에 따른 충전 Mode 전환을 결정한다.

Main Power Charging System을 이용한 전체 충전이 완료 되면, MCU는 Can 통신을 통해 Call Balancing charging MCU에 대한 제어로 제어를 전환 하여 각각의 독립된 셀에 대한 DC/DC 컨버터의 제어 및 각 셀의 상태를 감시하게 된다.

이러한 충전 방식은 배터리 셀 상호간의 충전을 통한 추가적인 에너지 손실이 발생하지 않기 때문에 이전에 이용하던 충전방식과는 상이함을 알 수 있다. 또한, 이러한 개별 셀에 대한 독립적 충전은 상호 셀 간의 추가적인 충전과 방전이 일어나지 않기 때문에 배터리 내부에 가해지는 영향과 에너지 손실이 줄어들며, 충전과 방전의 횟수 감소로 배터리의 수명 연장 또한 가능하다.

본 발명은 배터리 충전 시스템에서 저항을 이용하거나 Transformer를 이용해서 배터리 셀 Balancing을 하던 방식을 각 셀에 대한 독립된 DC/DC 컨버터를 활용하여 배터리 내부 각각의 셀이 독립적으로 제어 및 감시됨으로써, 배터리 효율 향상과 수명 연장을 할 수 있다.

또한, 종래의 배터리 충전 시스템은 배터리 셀과 셀 사이에 저항 또는 Transformer를 장착해 활용하기 때문에 배터리 내부에 위치하게 되어 배터리 및 셀 손상 시 함께 폐기해야 되는 문제가 있으나, 본 발명의 방식은 각각의 셀에 독립적인 DC/DC 컨버터를 활용하여 독립된 구조를 가지고 있어 배터리의 내부, 외부 어느 위치든 유저가 요구하는 위치에 장착 할 수 있다.

또한, 본 발명에 의해서는, 배터리가 폐기되더라도 배터리 충전 시스템 만을 제거하여 새로운 배터리에 활용할 수 있는 자유도를 가지고 있다.

이하, 도 11에서는 본 발명의 실시예들에 따른 셀 밸런싱 장치(400)의 작업 흐름을 상세히 설명한다.

본 실시예에 따른 셀 밸런싱 방법은 셀 밸런싱 장치(400)에 의해 수행될 수 있다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른, 셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 방법을 도시한 흐름도이다.

우선, 셀 밸런싱 장치(400)의 주 전력 충전 시스템에서, 복수의 배터리 셀의 충전을 위한 충전 전류를 공급한다(1110). 단계(1110)는 전원 소스로서의 주 전력 충전 시스템에 의해, 배터리 셀을 충전하는 충전 전류를 출력시키는 과정일 수 있다.

주 전력 충전 시스템은 전력변환시스템(예: 전력변환기)을 내장하여 충전 전류를 생산하고, 이를 DC/DC 컨버터로 공급할 수 있다.

또한, 주 전력 충전 시스템은 배터리 셀의 상태(또는 충전 관련한 주변 환경/상황)에 따라, 공급되는 충전 전류의 크기를 유연하게 조절할 수 있다. 충전 전류에 대한 크기 조절은, 전원 공급 제어 장치에 의한 제어에 의거하여 이루어질 수 있다.

또한, 셀 밸런싱 장치(400)의 DC/DC 컨버터에서, 복수의 배터리 셀 각각에 연결되고, 주 전력 충전 시스템으로부터 상기 충전 전류를 공급 받아, 연결된 개별 배터리 셀 별로 전류의 크기를 조정한 후 충전한다(1120). 단계(1120)는, DC/DC 컨버터에 의해, 복수의 배터리 셀 별로 인입되는 전류량을 가변 시킴으로써, 개별 배터리 셀에 대한 독립적인 충전이 이루어지도록 하는 과정일 수 있다.

DC/DC 컨버터는, 공급되는 DC를, 보다 높이거나 낮춘 DC로 변환하여, 필요한 전압으로 만들거나 안정화하기 위한 기기일 수 있다.

특히, 본 발명에서는, DC/DC 컨버터를, 각 배터리 셀 마다 연결하여, 배터리 셀 별로 필요한 전류의 크기가 독립적으로 조정되게 할 수 있다.

계속해서, 셀 밸런싱 장치(400)의 MCU에서, 상기 복수의 배터리 셀에 관한 충전 상태를 분석하여, 상기 DC/DC 컨버터에 의해 조정되는 전류의 크기를 결정한다(1130). 단계(1130)는 MCU에 의해, 배터리 셀의 충전 상태를 확인하고, 이를 통해 충전이 더 필요한 배터리 셀을 특정하여 요구되는 전류의 크기를 정하는 과정일 수 있다.

결정된 전류의 크기는 DC/DC 컨버터로 전달되어, DC/DC 컨버터로 하여금, 개별 배터리 셀 별로 전류의 크기를 조정한 후 충전할 수 있게 한다.

MCU는 특정 시스템을 제어하기 위한 전용 프로세서일 수 있다.

상기 전류의 크기의 결정에 있어, MCU는, 상기 배터리 셀의 전류량이, 목표치 이하가 되도록, 상기 전류의 크기를 결정 할 수 있다.

즉, MCU는 배터리 셀에 공급되는 전류량과 셀 전압을 확인하여, 적정한 충전 상태에 도달하지 않는 배터리 셀을 특정하고, 특정된 배터리 셀에 대한 추가 충전이 이루어지도록 함으로써, 상기 특정된 배터리 셀과 관련한 전류량이 목표치 이하에 도달하도록 할 수 있다.

또한, MCU는, 상기 복수의 배터리 셀 중, 충전 전압이 가장 큰 배터리 셀과, 충전 전압이 가장 작은 배터리 셀 간의, 전위차를 확인하고, 상기 전위차가 선정된 범위 이내가 될 때 까지, 상기 조정되는 전류의 크기에 대한 결정을 반복할 수 있다.

즉, MCU는 일정한 충전 기간 후, 복수의 배터리 셀 간의 전위차를 계산하고, 가장 큰 전위차가, 셀 밸런싱에서 허용한 범위 밖이라면, 셀 밸런싱이 아직 충분하지 않다고 판단하고, 전류의 크기 결정을 반복하여 개별 배터리 셀과 관련한 충전을 지속 시킬 수 있다.

반면, 가장 큰 전위차가, 셀 밸런싱에서 허용한 범위 이내가 되면, MCU는 셀 밸런싱이 충분히 이루어졌다고 판단하고, 배터리 셀에 대한 충전을 종료 할 수 있다.

실시예에 따라, 셀 밸런싱 장치(400)는 전원 공급 제어 장치에 의해 셀 밸런싱 동작을 구현할 수 있다.

이를 위해, 셀 밸런싱 장치(400)는 MCU로부터 상기 충전 상태를 수집하고, 상기 충전 상태에 기초하여, 주 전력 충전 시스템으로부터 공급되는 충전 전류가 변경되도록, 주 전력 충전 시스템을 제어할 수 있다.

즉, 전원 공급 제어 장치는 주 전력 충전 시스템을 직접 제어하여, 주 전력 충전 시스템으로부터 출력되는 충전 전류가, 현재의 배터리 셀에 상태에 따라 유연하여 크기 조정되도록 할 수 있다.

예컨대, 복수의 배터리 셀 중 어느 하나의 배터리 셀 만이 밸런싱 상태가 아니라면, 전원 공급 제어 장치는 주 전력 충전 시스템을 제어하여, 밸런싱 상태가 아닌 배터리 셀에 연결된 DC/DC 컨버터로 만 충전 전류가 공급되게 하여, 해당 배터리 셀에서 추가적인 충전이 이루어지도록 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 컨버터 및 각 셀 간의 독립 DC/DC 컨버터를 이용한 전력변환 시스템 구동의 변화를 통해 다수 개의 셀을 독립적으로 제어해 줌으로써 배터리 효율 향상 및 수명 증가를 위한, 셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 종래의 시스템이 가진 시스템 장착 위치의 한계를 독립 충전 시스템을 이용함으로써 극복 할 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

400 : 셀 밸런싱 장치
410 : 주 전력 충전 시스템 420 : DC/DC 컨버터
430 : MCU 440 : 전원 공급 제어 장치

Claims (5)

1. 셀 밸런싱 장치에 있어서,
   복수의 배터리 셀의 충전을 위한 충전 전류를 공급하는 주 전력 충전 시스템(Main Power Charging System);
   상기 복수의 배터리 셀 각각에 연결되고, 상기 주 전력 충전 시스템으로부터 상기 충전 전류를 공급 받아, 연결된 개별 배터리 셀 별로 전류의 크기를 조정 한 후 충전하는 DC/DC 컨버터(converter); 및
   상기 복수의 배터리 셀에 관한 충전 상태를 분석하여, 상기 DC/DC 컨버터에 의해 조정되는 전류의 크기를 결정하는 MCU(Micro Controller Unit)
   를 포함하고,
   상기 셀 밸런싱 장치는,
   복수의 충전 모드(charging mode)을 이용하여 상기 복수의 배터리 셀을 충전하고,
   상기 복수의 충전 모드는,
   mode 1, mode 2, mode 3, 및 mode 4
   를 포함하고,
   상기 셀 밸런싱 장치는,
   상기 mode 1을 통해, 상기 주 전력 충전 시스템으로부터 상기 복수의 배터리 셀로, 일정한 크기의 충전 전류를 공급하여, 상기 주 전력 충전 시스템과 상기 복수의 배터리 셀과의 전위차를 감소시키고,
   상기 mode 1의 충전에 의해, 상기 복수의 배터리 셀에 충전된 에너지량이 미리 정해진 에너지량 이상이 되는 경우, 충전 모드를 상기 mode 1로부터 상기 mode 2로 전환하고,
   상기 mode 2를 통해, 상기 주 전력 충전 시스템으로부터 상기 복수의 배터리 셀로, 점차 감소하는 충전 전류를 공급하고,
   상기 mode 2의 충전에 의해, 상기 복수의 배터리 셀에 미리 정해진 일정량의 에너지가 충전되고, 상기 주 전력 충전 시스템으로부터 상기 복수의 배터리 셀로의 충전 전류가 제1 임계 전류 이하가 되는 경우, 충전 모드를 상기 mode 2로부터 상기 mode 3으로 전환하고,
   상기 mode 3을 통해, 상기 주 전력 충전 시스템으로부터 상기 DC/DC 컨버터로, 일정한 크기의 충전 전류를 공급하여, 상기 DC/DC 컨버터로 하여금, 상기 DC/DC 컨버터에 연결된 개별 배터리 셀 별로 전류의 크기를 조정 한 후 충전하도록 하고,
   상기 mode 3의 충전에 의해, 상기 복수의 배터리 셀 각각에 충전된 에너지량이 미리 정해진 에너지량 이상이 되는 경우, 미리 정해진 에너지량 이상의 에너지량을 가지는 배터리 셀에 대한 충전 모드를 상기 mode 3으로부터 상기 mode 4로 개별적으로 전환하고,
   상기 mode 4를 통해, 상기 주 전력 충전 시스템으로부터 상기 DC/DC 컨버터로, 점차 감소하는 충전 전류를 공급하고,
   상기 mode 4의 충전에 의해, 상기 주 전력 충전 시스템으로부터 상기 DC/DC 컨버터로의 충전 전류가 제2 임계 전류 이하가 되는 경우, 상기 mode 4에 의한 충전을 종료하고, 셀 밸런싱을 수행하고,
   상기 셀 밸런싱 장치는,
   상기 mode 4에 의한 충전이 종료된 시점으로부터 일정 시간이 경과한 후에 상기 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 확인하고, 상기 복수의 배터리 셀 중 가장 큰 전압을 가지는 배터리 셀 및 가장 작은 전압을 가지는 배터리 셀 사이의 전위차가 임계 전압 이하가 될 때까지, 상기 가장 작은 전압을 가지는 배터리 셀에 대한 추가 충전을 실시하고, 상기 가장 큰 전압을 가지는 배터리 셀 및 상기 가장 작은 전압을 가지는 배터리 셀 사이의 전위차 상기 임계 전압 이하가 되는 경우, 상기 추가 충전을 종료함으로써 상기 셀 밸런싱을 수행하고,
   상기 셀 밸런싱 장치는,
   상기 복수의 충전 모드 동안 상기 복수의 배터리 셀의 전압 및 상기 주 전력 충전 시스템으로부터의 충전 전류를 상시 감시함으로써 상기 복수의 배터리 셀의 불량을 결정하고,
   상기 셀 밸런싱 장치는,
   상기 MCU로부터 상기 충전 상태를 수집하고, 상기 충전 상태에 기초하여 상기 주 전력 충전 시스템으로부터 공급되는 충전 전류가 변경되도록, 상기 주 전력 충전 시스템을 제어하는 전원 공급 제어 장치
   를 더 포함하고,
   상기 전원 공급 제어 장치는,
   CAN(controller area network) 프로토콜을 이용하여 상기 MCU와 통신하고,
   상기 제1 임계 전류는,
   상기 제2 임계 전류보다 큰 것인, 셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 MCU는,
   상기 배터리 셀의 전류량이, 목표치 이하가 되도록, 상기 전류의 크기를 결정하는
   셀 밸런싱 동작을 위한 셀 밸런싱 장치.
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