KR20080083771A - 배터리 셀 밸런싱 장치 - Google Patents

배터리 셀 밸런싱 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈 내의 다수의 배터리 셀의 일부 또는 전부에 대해서 셀 밸런싱 제어 신호를 생성하여 전송하는 밸런싱 제어부와, 미리 지정된 개수의 배터리 셀이 대응되어 연결되며 상기 셀 밸런싱 제어 신호를 수신하여 상기 셀 밸런싱 제어 신호 중에서 자신에게 대응하여 연결된 상기 배터리 셀에 대한 상기 셀 밸런싱 제어 신호를 추출하여 자신에게 대응하여 연결된 상기 배터리 셀에 병렬적으로 전송하는 하나 이상의 병렬 전송부로서, 하나 이상의 상기 병렬 전송부는 체인 형태로 연결되어 상기 밸런싱 제어부 또는 다른 상기 병렬 전송부로부터 상기 셀 밸런싱 제어 신호를 수신하는 것인 하나 이상의 상기 병렬 전송부를 포함하는 배터리 셀 밸런싱 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 자동차 또는 노트북 컴퓨터 등의 대용량 배터리 모듈이 요구되는 장치에 있어서 SPI 버스 등을 이용하여 다수의 배터리 셀에 대해서 전체적으로 또는 개별적으로 배터리 셀의 방전을 제어하는 것에 의해서 배터리 셀의 과충전에 따른 고장이나 파손을 방지할 수 있다.
셀 밸런싱, SPI 버스, 하이브리드 자동차, 배터리 모듈

Description

배터리 셀 밸런싱 장치{BATTERY CELL BALANCING DEVICE}
도 1 내지 도 2는 종래 기술에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치의 예시적인 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치의 예시적인 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치에 있어서 인터페이스 연결부의 구현예를 나타내는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 밸런싱 제어부 130: 배터리 셀
150: 다중화부 210: 밸런싱 제어부
230: 배터리 셀 235: 부하 저항
250: 병렬 전송부 270: 인터페이스 연결부
273: 포토 다이오드 276: 스위치
본 발명은 배터리 셀 밸런싱 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 자동차 또는 노트북 컴퓨터 등의 대용량 배터리 모듈이 요구되는 장치에 있어서 SPI 버스 등을 이용하여 다수의 배터리 셀에 대해서 전체적으로 또는 개별적으로 배터리 셀의 방전을 제어하는 것에 의해서 배터리 셀의 과충전에 따른 고장이나 파손을 방지할 수 있는 배터리 셀 밸런싱 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 모터 구동용 배터리에서 수십 kW 정도의 대용량 전력을 발생하기 위해서는 수백 V, 수백 A 정도의 대용량 모터 구동용 배터리가 필요하다.
이를 위해서는 단일 배터리 셀을 직렬, 병렬로 연결하여 하나의 배터리 모듈을 형성하여 사용하여야 한다.
예컨대 하이브리드 자동차의 경우 각각 200 내지 300 V로 충전되는 40 내지 80개의 배터리 셀을 연결하여 모터 구동을 위해서 사용하며 연료 전지 자동차는 이보다 더 많은 대략 100개 내외의 배터리 셀을 연결하여 사용하게 된다.
또한 예컨대 노트북 컴퓨터에 있어서도 노트북 사용을 위하여 단일 배터리 셀이 아니라 하나의 배터리 모듈을 형성하여 사용하여야 한다.
이러한 배터리 모듈을 하이브리드 자동차 또는 노트북 컴퓨터 등에 장착하여 사용하는 경우 특히 배터리 모듈 내의 각 배터리 셀에 대해서 미리 지정된 용인 가능한 범위 내에서 전압이 분포하도록 전압 불균형을 수정하여야 한다.
예컨대 배터리 모듈 내의 각 배터리 셀 중에서 과충전되는 배터리 셀을 검색한 후 이러한 배터리 셀에 대해서는 방전을 통하여 과충전을 해소하여 다른 배터리 셀과의 전압 불균형을 수정한다.
이러한 전압 불균형의 수정을 이하 본원 발명의 명세서에서는 "셀 밸런싱"이 라 지칭한다.
한편 이러한 셀 밸런싱은 바람직하게는 배터리 모듈 내의 각 배터리 셀에 대해서 동시에 수행되는 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 2는 종래 기술에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치의 예시적인 블록도이다.
도 1을 참조하면 종래 기술에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치의 구현예는 밸런싱 제어부(110)를 포함한다.
밸런싱 제어부(110)는 배터리 셀(130a 내지 130n)의 과충전 여부를 기초로 배터리 셀의 방전을 제어하는 셀 밸런싱 제어 신호를 생성하여 해당 배터리 셀(130a 내지 130n 중 일부 또는 전부)에 전송하여 셀 밸런싱을 수행하도록 제어한다.
그러나 이러한 셀 밸런싱에 대한 제어를 수행하는 밸런싱 제어부(110)는 예컨대 마이컴 형태로 구성되나, 마이컴 구성에서 입출력 가능한 포트 수의 제한으로 인하여 빠른 시간 내에 다수의 배터리 셀에 대해서 셀 밸런싱이 수행되지 못하는 단점이 있다. 또한 다수의 배터리 셀을 연결하여 사용할 수도 없는 단점이 있다.
도 2를 참조하면 종래 기술에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치의 다른 구현예는 밸런싱 제어부(110)와, 다중화부(150)를 포함한다.
다중화부(150)는 다수개의 배터리 셀(130a 내지 130x)이 연결될 수 있어서 도 1의 구현예에서보다 연결 가능한 배터리 셀의 개수가 증가할 수 있다.
그러나 도 2를 참조로 하는 구현예의 경b에서는 예컨대 다중화부(150)에서 48개의 배터리 셀이 연결되어 밸런싱 제어부(110)에 의해서 셀 밸런싱을 수행하는 경우를 가정하면 한 번에 하나의 배터리 셀에 대해서만 셀 밸런싱을 수행하도록 제어할 수밖에 없다는 단점이 있다.
특히 고전압이 요구되는 하이브리드 자동차 등에서 사용하는 배터리 모듈의 경우 셀 밸런싱이 신속하고 다수의 배터리 셀에 대해서 빠른 시간 내에 수행되지 않는다면 배터리 셀의 파손 등의 경우가 발생하여 안전 사고의 한 원인이 될 수도 있다.
본 발명의 목적은 자동차 또는 노트북 컴퓨터 등의 대용량 배터리 모듈이 요구되는 장치에 있어서 SPI 버스 등을 이용하여 다수의 배터리 셀에 대해서 전체적으로 또는 개별적으로 배터리 셀의 방전을 제어하는 것에 의해서 배터리 셀의 과충전에 따른 고장이나 파손을 방지할 수 있는 배터리 셀 밸런싱 장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 배터리 모듈 내의 다수의 배터리 셀의 일부 또는 전부에 대해서 셀 밸런싱 제어 신호를 생성하여 전송하는 밸런싱 제어부와, 미리 지정된 개수의 배터리 셀이 대응되어 연결되며 상기 셀 밸런싱 제어 신호를 수신하여 상기 셀 밸런싱 제어 신호 중에서 자신에게 대응하여 연결된 상기 배터리 셀에 대한 상기 셀 밸런싱 제어 신호를 추출하여 자신에게 대응하여 연결된 상기 배터리 셀에 병렬적으로 전송하는 하나 이상의 병렬 전송부로 서, 하나 이상의 상기 병렬 전송부는 체인 형태로 연결되어 상기 밸런싱 제어부 또는 다른 상기 병렬 전송부로부터 상기 셀 밸런싱 제어 신호를 수신하는 것인 하나 이상의 상기 병렬 전송부를 포함하는 배터리 셀 밸런싱 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치에 있어서, 상기 밸런싱 제어부와 이에 대응하여 연결된 상기 병렬 전송부는 SPI 버스를 이용하여 상기 셀 밸런싱 제어 신호의 전송 및 수신을 수행할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치에 있어서, 상기 밸런싱 제어부는 하나 이상의 상기 병렬 전송부에 연결된 모든 상기 배터리 셀에 대해서 상기 셀 밸런싱 제어 신호를 직렬적으로 생성하며, 상기 병렬 전송부는 직렬적으로 생성된 상기 셀 밸런싱 제어 신호를 수신하여 자신에게 대응되어 연결된 상기 배터리 셀에 병렬적으로 전송하기 위해서 변환할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치에 있어서, 하나 이상의 상기 병렬 전송부 각각은 추가 또는 삭제가 가능할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치에 있어서, 상기 병렬 전송부와 상기 배터리 셀 사이에는 전압 차이에 따른 파손을 방지하기 위한 인터페이스 연결부가 배치될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치에 있어서, 상기 인터페이스 연결부는, 상기 병렬 전송부로부터 전송되는 상기 셀 밸런싱 제어 신호를 기초로 광 신호를 생성하는 포토 다이오드와, 상기 광 신호를 수신하면 상기 배터리 셀이 대응되어 연결된 부하 저항에 의해서 방전되도록 전기적인 연결을 수행하는 스위치를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 배터리 셀 밸런싱 장치의 실시예를 첨부한 도면을 참조로 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치의 예시적인 블록도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치는 밸런싱 제어부(210)와, 병렬 전송부(250a 내지 250b)를 포함한다.
밸런싱 제어부(210)는 배터리 모듈 내의 다수의 배터리 셀(230aa 내지 230bx)의 일부 또는 전부에 대해서 셀 밸런싱 제어 신호를 생성하여 전송한다.
밸런싱 제어부(210)는 특히 하나 이상의 병렬 전송부(250a 내지 250b)에 연결된 모든 배터리 셀(230aa 내지 230bx)에 대해서 셀 밸런싱 제어 신호를 직렬적으로 생성할 수 있다.
병렬 전송부(250a 내지 250b)는 하나 이상이 포함될 수 있다.
병렬 전송부(250a 내지 250b) 각각은 미리 지정된 개수의 배터리 셀이 대응되어 연결된다.
예컨대 병렬 전송부(250a)에는 배터리 셀(230aa 내지 230ax)이 대응되어 연결되며, 병렬 전송부(250b)에는 배터리 셀(230ba 내지 230bx)이 대응되어 연결된다.
밸런싱 제어부(210)에 연결 가능한 병렬 전송부는 필요에 따라서 추가 또는 삭제가 가능하다.
예컨대 48개의 배터리 셀에 대해서 셀 밸런싱을 수행하는 경우를 가정하자.
이 경우 하나의 병렬 전송부, 예컨대 병렬 전송부(250a)가 8개의 배터리 셀에 대해서 셀 밸런싱 제어 신호를 병렬적으로 전송이 가능하다고 하면 6개의 병렬 전송부를 밸런싱 제어부(210)에 연결하여 48개의 배터리 셀에 대해서 셀 밸런싱을 수행할 수 있을 것이다.
또한 이후 48개가 아니라 80개의 배터리 셀에 대해서 셀 밸런싱을 수행하는 경우라면 설계시 10개의 병렬 전송부를 밸런싱 제어부(210)에 연결하여 80개의 배터리 셀에 대해서 셀 밸런싱을 수행할 수 있을 것이다.
이와 같이 밸런싱 제어부(210)에 연결 가능한 병렬 전송부의 개수는 사용 목적에 따라서 변경이 가능하다.
또한 병렬 전송부 각각은 체인 형태로 연결된다.
예컨대 도 3을 보면, 밸런싱 제어부(210)와 병렬 전송부(250a)가 연결되어 밸런싱 제어부(210)에서 생성한 셀 밸런싱 제어 신호를 병렬 전송부(250a)에서 수신한다. 또한 병렬 전송부(250a)와 병렬 전송부(250b)가 연결되어 병렬 전송부(250a)에서 수신한 셀 밸런싱 제어 신호를 병렬 전송부(250b)로 전송할 수 있도록 구성된다.
이 경우 병렬 전송부(250a)는 밸런싱 제어부(210)에서 생성한 셀 밸런싱 제어 신호 중에서 자신에 대응하여 연결된 배터리 셀(230aa 내지 230ax)에 대한 셀 밸런싱 제어 신호만을 배터리 셀(230aa 내지 230ax)에게 병렬적으로 전송한다. 그 외의 셀 밸런싱 제어 신호에 대해서는 연결된 병렬 전송부(250b)에게 전송하여 병렬 전송부(250b)에서 자신에 대응하여 연결된 배터리 셀(230ba 내지 230bx)에 대해 서 셀 밸런싱 제어 신호를 병렬적으로 전송할 수 있도록 구성된다.
이와 같이 병렬 전송부는 밸런싱 제어부(210) 또는 다른 병렬 전송부로부터 셀 밸런싱 제어 신호를 수신하며, 자신에 대응하여 연결된 배터리 셀에 대한 셀 밸런싱 제어 신호가 아니면 다른 병렬 전송부에 전송한다.
한편 밸런싱 제어부(210)와 이에 대응하여 연결된 병렬 전송부, 예컨대 도 3에서는 병렬 전송부(250a)는 SPI(Serial Peripheral Interface) 버스를 이용하여 셀 밸런싱 제어 신호의 전송 및 수신을 고속으로 수행할 수 있다.
예컨대 밸런싱 제어부(210)는 배터리 셀(230aa 내지 230bx)에 대해서 셀 밸런싱 제어 신호를 직렬적으로 생성할 수 있다.
즉 배터리 셀(230aa)부터 배터리 셀(230bx)까지의 모든 배터리 셀에 대해서 직렬적으로 셀 밸런싱 제어 신호를 생성한다.
이러한 셀 밸런싱 제어 신호는 SPI 버스를 이용하여 고속으로 병렬 전송부(250a)에 연결되고, 병렬 전송부(250a)는 자신에게 해당하는 부분, 예컨대 배터리 셀(230aa 내지 230ax)에 대응하는 앞부분의 신호만을 수신하고 이를 병렬 형태로 변환하여 배터리 셀(230aa 내지 230ax)에 전송하고 나머지 부분의 신호는 병렬 전송부(250b)로 전송을 수행한 것이다.
한편 밸런싱 제어부(210)는 예컨대 마이컴을 이용하여 구현될 수 있고, 병렬 전송부는 예컨대 8개의 배터리 셀이 연결되는 경우라면 8비트 쉬프트 레지스터를 이용하여 구현될 수 있다.
비록 밸런싱 제어부(210)에서 셀 밸런싱 제어 신호는 체인 형태로 연결되는 병렬 전송부 중에서 밸런싱 제어부(210)에 연결된 병렬 전송부에게만 전송되지만 기타 클럭이나 리셋 신호는 밸런싱 제어부(210)에서 각 병렬 전송부에 직접적인 연결을 통한 전송도 가능하다.
한편 이러한 구성에 있어서 병렬 전송부와 배터리 셀 사이에는 전압 차이에 따른 병렬 전송부의 파손을 방지하기 위하여 인터페이스 연결부를 이용하여 연결될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치에 있어서 인터페이스 연결부의 구현예를 나타내는 도면이다.
예컨대 병렬 전송부의 구동 전압은 대략 5 V 내지 12 V인 경우가 많다, 그러나 배터리 셀(230)의 경우 수백 V인 경우가 가능하다.
따라서 직접적으로 병렬 전송부와 배터리 셀(230)이 연결되는 경우 과전압에 의해서 파손된다.
따라서 이러한 병렬 전송부와 배터리 셀(230) 사이의 셀 밸런싱 제어 신호 전송은 인터페이스 연결부(270)를 통하여 수행된다.
도시된 바와 같이 인터페이스 연결부(270)는 병렬 전송부로부터 전송되는 셀 밸런싱 제어 신호를 기초로 광 신호를 생성하는 포토 다이오드(273)와, 광 신호를 수신하면 배터리 셀(230)이 대응되어 연결된 부하 저항(235)에 의해서 방전되도록 전기적인 연결을 수행하는 스위치(276)를 포함한다.
이러한 포토 다이오드(273)와, 스위치(276)는 예컨대 입력단이 포토 다이오드가 배치되고 출력단에 MOS 스위치가 배치되는 포토모스(PhotoMOS) 구성을 이용 하여 구현 가능하다.
포토 다이오드(273)와, 스위치(276) 사이에는 바람직하게는 전기적 절연을 수행하면서 광 신호의 전송이 가능하도록 매질이 배치된다.
비록 본 발명의 구성이 구체적으로 설명되었지만 이는 단지 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 자동차 또는 노트북 컴퓨터 등의 대용량 배터리 모듈이 요구되는 장치에 있어서 SPI 버스 등을 이용하여 다수의 배터리 셀에 대해서 전체적으로 또는 개별적으로 배터리 셀의 방전을 제어하는 것에 의해서 배터리 셀의 과충전에 따른 고장이나 파손을 방지할 수 있다.

Claims (6)

  1. 배터리 모듈 내의 다수의 배터리 셀의 일부 또는 전부에 대해서 셀 밸런싱 제어 신호를 생성하여 전송하는 밸런싱 제어부와,
    미리 지정된 개수의 배터리 셀이 대응되어 연결되며 상기 셀 밸런싱 제어 신호를 수신하여 상기 셀 밸런싱 제어 신호 중에서 자신에게 대응하여 연결된 상기 배터리 셀에 대한 상기 셀 밸런싱 제어 신호를 추출하여 자신에게 대응하여 연결된 상기 배터리 셀에 병렬적으로 전송하는 하나 이상의 병렬 전송부로서, 하나 이상의 상기 병렬 전송부는 체인 형태로 연결되어 상기 밸런싱 제어부 또는 다른 상기 병렬 전송부로부터 상기 셀 밸런싱 제어 신호를 수신하는 것인 하나 이상의 상기 병렬 전송부
    를 포함하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 제어부와 이에 대응하여 연결된 상기 병렬 전송부는 SPI 버스를 이용하여 상기 셀 밸런싱 제어 신호의 전송 및 수신을 수행하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 제어부는 하나 이상의 상기 병렬 전송부에 연결된 모든 상기 배 터리 셀에 대해서 상기 셀 밸런싱 제어 신호를 직렬적으로 생성하며,
    상기 병렬 전송부는 직렬적으로 생성된 상기 셀 밸런싱 제어 신호를 수신하여 자신에게 대응되어 연결된 상기 배터리 셀에 병렬적으로 전송하기 위해서 변환하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 상기 병렬 전송부 각각은 추가 또는 삭제가 가능한 배터리 셀 밸런싱 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 병렬 전송부와 상기 배터리 셀 사이에는 전압 차이에 따른 파손을 방지하기 위한 인터페이스 연결부가 배치되는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 인터페이스 연결부는 상기 병렬 전송부로부터 전송되는 상기 셀 밸런싱 제어 신호를 기초로 광 신호를 생성하는 포토 다이오드와,
    상기 광 신호를 수신하면 상기 배터리 셀이 대응되어 연결된 부하 저항에 의해서 방전되도록 전기적인 연결을 수행하는 스위치
    를 포함하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
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