KR20060083133A - 배터리 팩의 전압 방전 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 팩의 전압 방전 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리팩의 전압 방전 장치에 있어서, 상기 배터리 팩의 다수개의 배터리 중 방전 대상 배터리와 연결되어 상기 방전 대상 배터리의 전압을 방전시키기 위한 방전용 저항과, 상기 방전 대상 배터리와 상기 방전용 저항을 연결하는 스위칭부와, 상기 방전 대상 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부와, 상기 방전 저항에서 소비되는 에너지가 일정하게 유지되도록 상기 측정된 배터리의 전압값에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다
그리고, 배터리 팩의 전압 방전 방법에 있어서, 상기 배터리 팩내의 다수개의 배터리중 방전 대상 배터리의 전압을 측정하는 단계와, 상기 측정된 전압값과 방전용 저항값을 이용하여 상기 방전 대상 배터리와 상기 방전용 저항을 연결하는 스위칭부의 PWM 듀티비를 산출하는 단계와, 상기 듀티비에 따라 스위칭부를 제어하여 상기 방전용 저항에서 소비되는 에너지가 일정하게 유지하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
배터리, 방전

Description

배터리 팩의 전압 방전 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BUCKING BATTERY}
도 1은 일반적인 배터리 방전시의 배터리 전압, 배터리 전류, 전력의 파형도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 방전 장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 방전시의 배터리 전압, 배터리 유효전류, 방전 전력의 파형도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 방전방법의 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 제어부 102 : 스위칭부
104 : 배터리 106 : 전압 측정부
본 발명은 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차등에 구비되는 배터리 팩의 배터리 밸런싱에 있어서 PWM(Pulse Width Modulation)방법을 이용하여 배터리 방전(Bucking)을 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
가령, 전기 에너지를 동력원으로 사용하는 전기 자동차는 필요 전력을 공급받기 위해 다수개의 배터리로 구성된 배터리 팩을 탑재한다. 이러한 배터리 팩에 포함되어 있는 다수개의 배터리는 안정성과 수명향상, 그리고 고출력을 얻기 위해 각 배터리의 전압을 균일하게 해줄 필요가 있다. 전기 자동차에는 10개 단위의 배터리로 구성되는 배터리 팩이 차량 구성에 따라 다수개로 구성되며, 배터리 관리 장치는 배터리 팩의 배터리들을 충전 또는 방전하면서 각 배터리가 적절한 전압을 가질 수 있게 한다. 하지만 다수개의 배터리는 내부 임피던스의 변화등의 여러 요인에 의해 평형 상태를 안정적으로 유지하기가 어려워 배터리 관리 시스템에서는 다수의 배터리의 충전 상태를 평형화시키기 위한 밸런싱 기능이 부가되었다.
이를 위해 종래에는 다수개의 배터리를 사용하는 고전압 배터리 팩의 내부에 있는 배터리의 전압을 균일하게 하기 위해 평균 전압보다 높은 전압을 보이는 배터리에 방전용 저항(Buck 저항)을 연결하여 저항을 통해 배터리가 가지고 있는 에너지를 버림으로써 전체 배터리 팩에 포함된 전압 차이를 줄이는 방법을 사용하였다. 이 방법은 컨트롤 회로에 의해 온/오프 방식으로 방전을 행한다. 그러나 이 방법은 방전(Buck)이 진행됨에 따라 배터리 전압도 낮아지는데 옴의 법칙(V= IR)에 의해 전압이 낮아지고 저항이 고정되어 있으면 전류량도 함께 낮아져서 방전이 진행됨에 따라 방전의 효과가 감소되는 문제점이 있었다. 또한 SSR을 사용하는 경우에 SSR이 허용하는 최대 전류량에 제한이 있어서 낮은 전류로 초기 방전을 수행하게 되고 이에 따라 방전을 수행하는 시간이 많이 소요되는 단점이 있었다. 또한 방전을 수행하는 시간이 늘어나게 됨으로써 제한된 시간 내에 완벽하게 방전 수행을 종료하지 못하는 단점이 있었다.
도 1은 종래의 배터리 방전시의 배터리 전압, 전류, 방전 에너지를 나타내고 있다. 종래의 방전 방식은 방전 대상 배터리와 방전용 저항을 연결함으로써, 방전 대상 배터리의 전압을 내리는데, 방전용 저항이 고정되므로, 상기 도 1에 도시한 바와 같이 방전 효과가 시간이 지남에 따라 감소함을 볼 수 있다.
예컨데, 배터리의 최고 전압이 4.5V라 하고 방전용 저항의 소모전력이 1W라고 가정하면 P=VI에서 전류I는 약 220mA가 된다. 따라서, V=IR에서 R은 22.5으로 결정된다. 이 경우에 종래기술과 같이 고정된 저항을 이용하는 방법이면 배터리의 전압이 2.5V가 될 경우 위에서 결정된 22.5을 이용한다면 V=IR에서 전류는 약 110mA가 흐르게 된다.
이때 저항에 의해 소모되는 방전전력 P는 P=VI에 의해 약 0.275W가 된다.
즉, 방전 저항에서의 소모 전력에 의해 시간이 지남에 따라 전압과 전류가 낮아지고 결과적으로 방전 저항에 의해 소모되는 에너지 역시 줄어들게 된다.
상술한 바와 같이, 종래에는 방전을 수행하는 시간이 경과할수록 방전의 효과가 줄어들게 되어 배터리 전압의 감소가 지체되고 제한된 시간 내에 방전을 완벽하게 수행하지 못하는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 배터리 팩내의 전압이 불균일한 배터리의 방전을 신속하게 수행할 수 있도록 한 배터리의 방전 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명은 배터리 팩 내에 있는 다수개 배터리의 전압을 균일하게 하기 위해 사용되는 BMS(Battery Management System)가 특정 배터리의 전압을 방전하기 위한 방법에 있어서 배터리와 방전용 저항의 연결을 SSR(Solid State Relay)을 통하여 하지만 SSR이 허용하는 최대 전류 한계 및 방전 저항의 최대 허용 전력을 배터리의 전압에 따라 SSR의 제어 신호를 PWM 형태로 제어함으로써 연결된 SSR에 흐르는 평균 전류량을 최대 허용 전류량과 동일하게 하여 SSR의 동작 안정성을 확보함과 동시에 빠른 시간 내에 배터리의 충전 잔존량을 내릴 수 있게 하는 것을 특징으로 한다. 즉, PWM 형태의 컨트롤 신호를 SSR에 인가하여 방전용 저항(Buck저항)에 의해 소비되는 에너지를 일정하게 하는 방법이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 방전방법은, 배터리 팩내의 다수개의 배터리중 방전 대상 배터리의 전압을 측정한는 단계와, 상기 측정된 전압값과 방전용 저항값을 이용하여 상기 방전 대상 배터리와 상기 방전용 저항을 연결하는 스위칭부의 PWM 듀티비를 산출하는 단계와, 상기 듀티비에 따라 스위칭부를 제어하여 상기 방전용 저항에서 소비되는 에너지가 일정하게 유지하도록 하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고 배터리 방전장치는, 상기 배터리 팩의 다수개의 배터리중 방전 대상 배터리와 연결되어 상기 방전 대상 배터리의 전압을 방전하기 위한 방전용 저항과, 상기 방전 대상 배터리와 상기 방전용 저항을 연결하는 스위칭부와, 상기 방전 대상 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부와, 상기 방전 저항에서 소비되는 에너지가 일정하게 유지하도록 상기 측정된 배터리의 전압값에 따라 상기 스위칭부를 제 어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 방전 장치의 구성을 도시한 것이고, 도 3은 본 발명이 적용되었을 때의 배터리 전압, 배터리 유효전류 및 방전 전력을 나타내는 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 배터리 방전 방법을 나타내는 흐름도이다.
먼저, 도 1에 의한 본 발명의 배터리 방전 장치는 배터리(104)와, 상기 배터리(104)에 충전된 전력을 방전시키는 방전저항(Rb)과, 상기 배터리(104)와 상기 방전저항(Rb)을 연결하는 스위칭부(104)와, 상기 배터리(104)의 전압을 측정하는 전압 측정부(106)와, 상기 방전 저항에서 소비되는 에너지가 일정하게 유지하도록 상기 측정된 배터리의 전압값에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 제어부로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 PWM 제어를 통해 방전 저항에 인가되는 유효 전류량을 조정하여 방전 저항에 의해 소모되는 방전 전력을 일정하게 유지시킴으로써 시간에 따른 배터리의 전압강하에 관계없이 일정한 에너지를 방전할 수 있도록 한 것에 기술적 특징이 있다.
본 발명의 구체적인 처리과정을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 구비되는 배터리 팩의 밸런싱을 할 목적으로 어느 한 배터리(104)의 방전을 수행하게 되면, 배터리 방전장치의 전압측정부(106)는 배터리(104)의 방전이 종료될 때까지 주기적으로, 예컨데 1sec 마다 배터리(104)의 전압을 측정하고, 측정된 전압값을 제어부(100)에 제공하면 상기 제어부(100)는 배터리(104)의 측정된 전압값과 방전용 저항값을 이용하여 PWM 듀티비를 산출하게 되며 그 산출과정은 다음과 같다.
P=VI (식1)
V=IR (식2)
방전용 저항을 Rb 이라 하고, Rb 을 산출하기 위해서 방전을 수행할 때 가장 낮은 전압, 즉 배터리 사용범위의 최저 전압을 Vmin 이라 하고 이때 흐르는 전류를 Imin 이라 하고, 방전 저항 Rb 에 의해 소비되는 방전 전력을 Pmax
라 하면 상기 식1 및 식2에 의해
Rb = Vmin 2/Pmax (식3)
가 유도된다.
설정된 방전 저항(Rb)을 이용하여 방전을 수행할 때 방전 저항(Rb )에 인가되는 전류를 조절하기 위해 PWM(Pulse Width Modulation) 방식의 제어로 스위칭함으로써 유효 전류를 조정하게 되는데 이때 조정된 전류를 Ipwm 이라 하고, PWM 듀티(Duty) 조정이 되지 않은, 즉 듀티비 100% 일 때의 전류를 Inormal 이라 하고, 현재의 전압을 Vb 이라고 하면 다음 두 식에서 최종적으로 PWM 듀티비의 계산식이 산출된다.
Ipwm = Pmax/Vb (식4)
Inormal = Vb/Rb (식5)
PWM 듀티비(Duty Rate)= (Ipwm /Inormal)*100% (식6)
위 3가지 식으로부터
PWM 듀티비(Duty Rate)= (Rb * Pmax/ Vb 2)*100% (식7)
가 도출되고, 상기 식3 및 식7로부터
PWM 듀티비(Duty Rate)= (Vmin 2/Vb 2)*100% (식8)
가 도출된다. 이해를 돕기 위해 상기 식3과 식7로부터 일실시예를 들어보면 다음과 같다.
Pmax = 1W
Vmin = 2.5V
이라 가정하면 식3에 의해 Rb = 6.25이 얻어진다. 이때, Vb가 Vmin 에 도달했을 때 PWM 듀티비가 100%가 되어야 한다. 따라서, Vb 가 2.5V일 경우, 식8에 의해 PWM 듀티비는 100%가 됨을 알 수 있다. 또한, Vb 가 4.5V일 경우, 식8에 의해 PWM 듀티비는 약 30.86%가 된다.
다시 말해, 상기 제어부(100)는 식3에서 Rb 를 결정하고 식8에서 매 전압측 정시마다 얻어진 배터리 전압 Vb 를 이용하여 식8에 의하면 듀티비를 구할 수 있다.
상기 제어부(100)는 현재 측정된 배터리 전압에 따른 듀티비가 산출되면 산출된 PWM 듀티비에 따라 방전 배터리(104)와 방전 저항(Rb)의 연결상태를 스위칭하도록 스위칭부(102)를 제어한다.
상기 스위칭부(102)는 가령, 반도체 계전기인 SSR(Solid State Relay)을 사용함으로써 스위칭 수명을 늘릴 수 있으며 보다 신뢰성있는 스위칭을 할 수 있다.
이러한 처리 과정은 해당 배터리(104)의 방전이 종료될 때까지 주기적으로 현재의 배터리 전압을 측정하면서 반복해서 수행하게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 전기 자동차 및 하이브리드 자동차등에 구비되는 배터리 팩의 배터리 방전시 배터리의 전압이 강하되는 것에 대응되게 스위칭부의 PWM제어를 통해 유효 전류를 조절하여 방전 전력을 배터리의 전압과 무관하게 일정하게 유지시킬 수 있게 함으로써 배터리를 신속하게 방전시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 방전용으로 사용되는 저항의 W(Watt)값의 경우, 배터리의 최대 전압을 고려하여 결정하는 것이 아니라 PWM 제어에 의해 조정된 유효전력에 의해 계산할 수 있으므로 필요 이상으로 높은 W값의 저항을 사용하지 않아도 되기 때문에 제품실장 및 가격에 큰 이점이 있다.
또한, 스위칭부를 SSR을 채택한 경우 SSR에 흐르는 최대 허용 전류량이 있어 배터리의 최대 전압을 고려하여 방전을 하는 경우 소자 손상의 위험이 있으나 본원은 PWM 제어를 통한 조정된 전압에 의해 방전 동작을 수행함으로 SSR에 흐르는 평균 전류량은 SSR의 최대 허용 전류량 이내에서 동작가능하게 됨으로 소자 손상의 위험도 없고 SSR의 동작 안정성도 높이는 이점이 있다.

Claims (12)

  1. 배터리팩의 전압 방전 장치에 있어서,
    상기 배터리 팩의 다수개의 배터리 중 방전 대상 배터리와 연결되어 상기 방전 대상 배터리의 전압을 방전시키기 위한 방전용 저항과,
    상기 방전 대상 배터리와 상기 방전용 저항을 연결하는 스위칭부와,
    상기 방전 대상 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부와,
    상기 방전용 저항에서 소비되는 에너지가 일정하게 유지하도록 상기 측정된 배터리의 전압값에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리팩의 전압 방전 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭부는 SSR(Solid State Relay)인 것을 특징으로 하는 배터리팩의 전압 방전 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 PWM방식에 의해 듀티(Duty)비를 조정하도록 상기 스위칭부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리팩의 전압 방전 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 SSR에 흐르는 평균 전류량은 SSR에 흐르는 최대 허용 전류량인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 방전 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 방전 저항값은 배터리의 측정 전압(Vb)이 배터리의 사용 범위의 최저 전압(Vmin)에 도달했을때 듀티가 100%가 되는 값인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 방전 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 PWM 듀티비는, 배터리의 측정 전압을 Vb , 배터리 사용범위의 최저 전압을 Vmin 라 하고, 상기 방전용 저항(Rb)에 의해 소비되는 전력을 Pmax 라 할 때, PWM 듀티비(Duty rate)= (Rb * Pmax/ Vb 2)*100% = (Vmin 2/Vb 2)*100% 로 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 방전 장치.
  7. 배터리 팩의 전압 방전 방법에 있어서,
    상기 배터리 팩내의 다수개의 배터리중 방전 대상 배터리의 전압을 측정한는 단계와,
    상기 측정된 전압값과 방전용 저항값을 이용하여 상기 방전 대상 배터리와 상기 방전용 저항을 연결하는 스위칭부의 PWM 듀티비를 산출하는 단계와,
    상기 듀티비에 따라 스위칭부를 제어하여 상기 방전용 저항에서 소비되는 에너지가 일정하게 유지하도록 하는 단계로 이루어진 배터리 팩의 전압 방전 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 스위칭부는 SSR(Solid State Relay)인 것을 특징으로 하는 배터리팩의 전압 방전 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제어부는 PWM방식에 의해 듀티(Duty)비를 조정하도록 상기 스위칭부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리팩의 전압 방전 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 SSR에 흐르는 평균 전류량은 SSR에 흐르는 최대 허용 전류량인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 방전 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 방전용 저항값은 배터리의 측정 전압(Vb)이 배터리의 사용 범위의 최저 전압(Vmin )에 도달했을때 듀티가 100%가 되는 값인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 방전 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 PWM 듀티비는, 배터리의 측정 전압을 Vb , 배터리 사용범위의 최저 전압을 Vmin 라 하고, 상기 방전 저항(Rb)에 의해 소비되는 방전 전력을 Pmax 라 할 때, PWM 듀티비(Duty rate)= (Rb * Pmax/ Vb 2)*100% = (Vmin 2/Vb 2)*100% 로 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 방전 방법.
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