KR20100020113A

KR20100020113A - 하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법

Info

Publication number: KR20100020113A
Application number: KR1020080078768A
Authority: KR
Inventors: 김우성; 박현수
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2008-08-12
Filing date: 2008-08-12
Publication date: 2010-02-22
Also published as: KR100993655B1

Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고전압 배터리 팩 내 셀간 전압 편차를 최소화하는 셀 밸런싱 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법에 있어서,

키 온 상태인지 판단하여 셀 전압을 측정하는 단계; 전류가 1분 이상 일정값 이하인지 판단하여 셀 전압을 측정하는 단계; 배터리 팩 내에서 최저 전압값을 갖는 최저 전압 셀을 기준으로 셀간 전압 편차를 산출하는 단계; 상기 셀간 전압 편차가 일정 크기(△Ｖ) 이상이면 셀 밸런싱을 수행하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법을 제공한다.

하이브리드, 배터리, 배터리 팩, 셀, 밸런싱, 전압 편차

Description

하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법{METHOD OF BALANCING CELL IN BATTERY PACK OF HEV}

일반적으로 하이브리드 자동차는 필요 전력을 공급받기 위해 다수개의 배터리 셀로 구성된 배터리 팩을 탑재한다. 이러한 배터리 팩에 포함되어 있는 다수개의 배터리 셀은 안전성과 수명 향상, 그리고 고출력을 얻기 위해 각 배터리 셀의 전압을 균일하게 해주어야 하므로, 배터리 셀들을 충전 또는 방전하면서 각 배터리가 적절한 전압을 가질 수 있도록 하는 배터리 관리 장치를 이용한다.

그러나, 다수개의 배터리 셀(이하, 셀이라 함)들은 내부저항 등의 재질적 특성 및 배터리 팩 시스템의 사용 환경에 따른 인위적 편차 등으로 인해 전압 편차가 발생하게 된다.

셀간 전압 편차는 배터리 팩의 용량 및 출력 특성이 낮은 전압의 셀을 기준으로 하여 결정되므로 실제 가용 용량/출력에 비해 성능이 낮게 나타날 수 있다(배터리 팩의 성능 측정 시 최저 전압 셀을 기준으로 임계값을 설정함).

도 1은 열화 정도에 따른 배터리 팩의 출력 전압값을 나타내는 그래프로서, 예를 들어, 리튬 배터리는 잔존용량(State Of Charge, 이하 SOC라 함) 5%의 편차 발생 시 약 60mV의 전압 편차를 보이며, 이에 따라 최저 전압 셀(열화 셀)에 의해 팩의 용량이 5% 낮게 측정될 수 있으며, 출력 전압값도 그만큼 낮게 측정될 수 있다. 뿐만 아니라 전압 편차가 발생한 셀을 방치하여 배터리를 그래로 사용할 경우 편차가 지속적으로 증가하여 배터리 팩 내 모든 셀의 열화 및 과충전 등의 위험한 상황을 초래할 수 있다.

상기와 같이 배터리 팩의 셀들은 여러 요인에 의해 전압 평형 상태를 안정적으로 유지하기가 어렵기 때문에 충전 상태를 평형화시키기 위한 밸런싱 기능을 가진다.

즉, 배터리 팩 내의 셀들의 자기 방전률 차이에 의해 시간이 지남에 따라 배터리 셀들간의 SOC의 차이가 발생하게 되고, 이러한 셀들간의 용량 불균형을 극복하기 위해 배터리 셀들마다 충전(boost) 및 방전(buck)을 해주기 위해 별도의 회로를 구성하고 있다.

도 2는 종래 하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법을 나타낸 흐름도이다.

기존의 셀 밸런싱은 도 2에 도시된 바와 같이, 이그니션 온(Ignition on) 시 측정된 최초 셀 전압을 SOC로 환산하여 최저 SOC 셀과 나머지 셀간에 편차를 비교하고, 그 값이 5%를 넘는 셀에 대하여 밸런싱 저항과 셀 전압과의 관계로 밸런싱 시간을 계산하여 셀간 편차를 줄여나가는 방식이 있다.

예를 들어, 셀간 편차가 6%인 경우 1%의 용량을 밸런싱 저항을 통해 밸런싱 시간 동안 제거시키게 된다. 그러나 이 경우 매 단계마다 오차를 포함하게 되어 실제 밸런싱은 초기 계산보다 적게 수행될 수 있다. 최초 측정된 셀 전압을 SOC로 환산하는데 오차가 발생하며, 밸런싱 시간 계산시 초기 측정 전압으로 계산하므로 밸런싱 중 전압이 변하게 되면 오차가 증가하게 된다. 또한 밸런싱 회로의 저항 성분에 의한 에러가 포함될 수 있어 각 셀 마다 밸런싱 회로 저항 특성이 다를 경우 밸런싱 수행 양이 불규칙하게 된다.

또한, 상기의 오차들을 감안하여 밸런싱 수행 시간을 보정하더라도 역시 각 셀의 밸런싱 회로 저항 특성이 다르게 나타나 밸런싱 양을 초과하여 방전시키는 문제가 발생할 수도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 고전압 배터리 팩 내에 셀간 전압 편차를 최소화하여 배터리의 최적 성능을 유지하고 내구성 및 수명을 확보하는 하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법에 있어서,

키 온 상태인지 판단하여 셀 전압을 측정하는 제1단계; 전류가 1분 이상 일정값 이하인지 판단하여 셀 전압을 측정하는 제2단계; 배터리 팩 내에서 최저 전압값을 갖는 최저 전압 셀을 기준으로 셀간 전압 편차를 산출하는 제3단계; 상기 셀간 전압 편차가 일정 크기(△Ｖ) 이상이면 셀 밸런싱을 수행하는 제4단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법을 제공한다.

그리고, 상기 셀간 전압 편차가 일정 크기(△Ｖ)에서 소정 크기(Ｖmargin)를 감산한 값(△Ｖ-Ｖmargin) 이하인지 판단하여 셀 밸런싱을 해제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제4단계에서 진단(FAULT)이 발생하거나 잔존용량(SOC)이 20% 이하가 되면 셀 밸런싱을 해제하는 것을 특징으로 하며,

바람직하게, 상기 셀 전압 측정은 셀 밸런싱과 다른 시간대에 실시되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 셀 밸런싱 방법은 측정된 셀간 전압 편차가 일정 크기(△Ｖ) 에서 소정 크기(Ｖmargin)를 감산한 값(△Ｖ-Ｖmargin) 이하가 되는 때까지 셀 밸런싱을 수행하며, 이에 따라 셀 밸런싱 시간을 산출하는데 오차가 없으며, 실시간 셀간 전압 편차를 유지할 수 있다.

따라서, 배터리 팩의 최적 성능 및 내구성과 수명 등의 확보를 기대할 수 있다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백히 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

본 발명의 실시 예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 설명에 있어서 종래의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.

본 발명에 따른 셀 밸런싱 방법은 최저 전압 셀(배터리 팩 내에서 최저 전압값을 갖는 셀)을 기준으로 하여 다른 셀들과의 전압 편차가 일정 크기(△Ｖ) 이상 차이가 날 경우 밸런싱 수행 조건으로 판단한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

먼저, 셀 밸런싱을 실시하는데 있어서 수행 (필요)여부를 판단하기 위한 조건으로, 키 온(key on) 시 측정한 최초 셀 전압값에 대하여 일정 크기(△Ｖ) 이상 전압 편차(이하, 최저 전압 셀과 다른 셀간에 전압 편차를 의미함)가 발생하는지 판단한다.

전류가 인가되고 있는 중에는 셀의 전압 변화가 심하게 발생하여 셀간 접압 편차를 실제 편차로 판단하기 어렵기 때문에, 키 온 상태와 같이 전류가 흐르지 않는 상태에서 셀간 전압 편차의 측정이 정확하게 이루어진다.

그러나, 주행 중에는 전류가 '0'인 구간이 거의 없는 대신 전류가 '0' 근방의 값을 갖고 흐를 경우 전압 변화가 매우 적게 나타나므로, 전류가 '0' 근방의 값을 일정 시간 이상 유지하는 경우 즉, 일정 전류 이하로 약 1분간 유지하는 경우에만 셀 밸런싱 판단이 가능한 조건으로 설정하여 셀간 전압 편차가 일정 크기(△Ｖ) 이상 발생하는지 판단한다.

도 3은 본 발명에 따른 밸런싱 히스테리시스를 나타내는 그래프이다.

셀 밸런싱을 해제하기 위한 조건으로는 도 3에 도시된 바와 같은 히스테리시스를 적용하여, 셀간 전압 편차(최저 전압 셀과 다른 셀간에 전압 편차)가 일정 크기(△Ｖ)에서 소정 크기(Ｖmargin)를 감산한 값(△Ｖ-Ｖmargin) 이하로 감소할 경우를 셀 밸런싱 해제 조건으로 설정한다(Ｖmargin은 시험을 통해 튜닝된다.).

그리고, 셀 밸런싱을 강제 해제하기 위한 비상 종료 조건으로 진단 발생(fault 발생) 및 SOC가 20% 이하인 경우를 설정한다.

즉, 셀간 전압 편차가 △Ｖ-Ｖmargin 이하로 감소하지 않더라도 진단 플래그가 발생하거나 SOC가 20% 이하인 경우, 셀 밸런싱 중이거나 셀간 전압 편차가 일정 크기(△Ｖ) 이상 발생하더라도 무조건 셀 밸런싱을 중단(해제)하거나 또는 셀 밸런싱을 시행하지 않는다.

도 4는 본 발명에 따라 셀 밸런싱을 수행하는 셀에 적용되는 밸런싱 회로를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따라 셀 전압 측정과 셀 밸런싱이 다른 시간대에 실시되는 것을 나타낸 개념도이다.

셀 밸런싱을 수행하는 셀에 대하여, 도 4에 도시된 바와 같은 밸런싱 회로의 스위치를 연결하여 해당 셀을 밸런싱 해제 조건(△Ｖ-Ｖmargin)까지 방전시킨다. 이때 전압 센싱의 오류를 제거하기 위하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 셀 전압 측정시에는 셀 밸런싱을 실시하지 않도록 한다.

이하, 상기와 같이 실시되는 본 발명에 따른 셀 밸런싱을 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 키 온 시 셀 전압을 측정하여 셀간 전압 편차가 일정 크기(△Ｖ) 이상인지 판단하고, 주행 중에는 전류가 1분간 일정값 이하이면 셀 전압을 측정하여 셀간 전압 편차가 일정 크기(△Ｖ) 이상인지 판단한다(S100~S120).

최저 전압 셀을 기준으로 셀간 전압 편차가 일정 크기(△Ｖ) 이상이면 셀 밸런싱을 수행하여 해당 셀을 방전시킨다(S140).

만약, 진단이 발생하거나 SOC가 20% 이하가 되면 셀간 전압 편차가 일정 크기(△Ｖ) 이상이더라도 무조건 셀 밸런싱을 해제하여 종료한다.

즉, 진단이 발생하지 않고 SOC가 20% 이상인지 판단하여(S130), 만족하면 셀 밸런싱을 수행하여 해당 셀을 방전시키고(S140), 만족하지 않는다면 셀 밸런싱을 종료한다.

셀 밸런싱 수행 중에 셀간 전압 편차가 최저 전압 셀을 기준으로 밸런싱 해제 조건을 만족시켜 △Ｖ-Ｖmargin 이하가 되면 밸런싱이 완료된 것으로 판단하여 셀 밸런싱을 해제하여 종료한다(S150).

도 1은 열화 정도에 따른 배터리 팩의 출력 전압값을 나타내는 그래프,

도 2는 종래 하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법을 나타낸 흐름도,

도 3은 본 발명에 따른 밸런싱 히스테리시스를 나타내는 그래프,

도 4는 본 발명에 따라 셀 밸런싱을 수행하는 셀에 적용되는 밸런싱 회로를 도시한 도면,

도 5는 본 발명에 따라 셀 전압 측정과 셀 밸런싱이 다른 시간대에 실시되는 것을 나타낸 개념도,

도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법을 나타낸 흐름도.

Claims

하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법에 있어서,

키 온 상태인지 판단하여 셀 전압을 측정하는 제1단계;

전류가 1분 이상 일정값 이하인지 판단하여 셀 전압을 측정하는 제2단계;

배터리 팩 내에서 최저 전압값을 갖는 최저 전압 셀을 기준으로 셀간 전압 편차를 산출하는 제3단계;

상기 셀간 전압 편차가 일정 크기(△Ｖ) 이상이면 셀 밸런싱을 수행하는 제4단계;

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 셀간 전압 편차가 일정 크기(△Ｖ)에서 소정 크기(Ｖmargin)를 감산한 값(△Ｖ-Ｖmargin) 이하인지 판단하여 셀 밸런싱을 해제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 제4단계에서 진단(FAULT)이 발생하거나 잔존용량(SOC)이 20% 이하가 되면 셀 밸런싱을 해제하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 셀 전압 측정은 셀 밸런싱과 다른 시간대에 실시되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 배터리 팩의 셀 밸런싱 방법.