KR20100099421A - 고전압배터리 시스템의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로 - Google Patents

고전압배터리 시스템의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로 Download PDF

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Abstract

이 발명은 Li 계열 배터리 또는 슈퍼커패시터를 에너지 저장매체로 이용하는 고전압배터리 시스템에서 각 배터리셀의 셀전압을 측정하고 셀밸런싱 기능을 수행하는 회로에 관한 것이다.
이 발명의 고전압배터리 시스템의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로는, 다수의 배터리셀들이 직렬 접속되며, 인접하는 적어도 둘 이상의 배터리셀들이 하나의 배터리모듈로 묶여지고, 배터리모듈별 셀전압 측정 및 셀밸런싱부를 포함한다. 이 셀전압 측정 및 셀밸런싱부는, 배터리모듈의 일단에 직렬로 연결된 제1저항 및 제1스위칭소자와; 배터리모듈의 타단에 직렬로 연결된 제2저항 및 제2스위칭소자와; 배터리모듈을 구성하는 다수의 배터리셀들의 사이에 각각 연결된 다수의 접속저항과; 제1스위칭소자와 인접하는 접속저항과, 인접하는 두 접속저항과, 제2스위칭소자와 인접하는 접속저항을 각각 연결하는 다수의 접속스위칭소자와; 제1스위칭소자와 제2스위칭소자 사이에 연결된 커패시터와; 제1스위칭소자와 커패시터의 공통접점과 전압측정기 사이에 연결된 제3스위칭소자와; 제2스위칭소자와 커패시터의 공통접점과 전압측정기 사이에 연결된 제4스위칭소자를 구비한다.
고전압배터리, 셀밸런싱, 하이브리드, 전기자동차, 전압측정

Description

고전압배터리 시스템의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로 {Voltage Sensing Instrument for HEV Energy storage System}
이 발명은 고전압배터리 시스템의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Li 계열 배터리 또는 슈퍼커패시터를 에너지 저장매체로 이용하는 고전압배터리 시스템에서 각 배터리셀의 셀전압을 측정하고 셀밸런싱 기능을 수행하는 회로에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 하이브리드(HEV) 자동차의 기본 구성도이다. 하이브리드(HEV) 자동차는 도 1에 도시된 바와 같이, 고전압배터리(에너지 저장장치)(11), 인버터(12), 엔진(13), 모터(14), 트랜스미션(15)으로 구성된다. 하이브리드 자동차의 기본 제어는, 고전압배터리(11)에 저장된 에너지를 인버터(12)를 통해 모터(14)에 전달하여 차량 시동, 가속, 엔진 고효율점 운행 등에 사용한다. 엔진(13)에서 잉여 에너지 발생시 모터(14)를 발전기로 이용하여 그 잉여 에너지를 고전압배터리(11)에 저장한다.
고전압배터리 시스템은 배터리 제어기를 이용하여 온도, 전압, 전류 등을 측정하고 이를 이용하여 저장 가능한 에너지 양이나 모터로 전달할 수 있는 에너지 양을 계산(추정)하여 HEV 차량 제어에 사용한다. 이를 위하여 배터리 제어기는 SOC(State of Charge), SOH(State of Health), 가용 방전 전력, 충전 가능 전력 등을 차량 제어기에 통신이나 기타 여하한 방법으로 전달한다. 또한, 배터리 제어기는 배터리의 사용 환경을 최적화 하기 위하여 온도, 전압, 전류 등을 이용하여 냉각팬 제어를 통하여 최적화된 환경으로 냉각 제어를 하고, 추가적으로 이런 물리적인 측정량을 바탕으로 페일 세이프티(Fail safety)를 제어하게 된다.
현재, 하이브리드 자동차의 고전압 배터리로 사용되는 에너지 저장매체로는 납산전지, Ni-MH전지, Li전지, 슈퍼커패시터(Super capacitor) 등이 있다. 현재 기술 상황으로는 하나의 단위전지로는 모터가 필요로 하는 충분한 동력을 발생시킬 수 없다. 이 때문에 다수의 단위전지들을 직렬로 연결하여 고전압 및 고전력을 발생시킨다. 각 단위전지들의 전압은 고전압배터리 시스템의 정상적인 제어에 중요한 역할을 한다.
도 2는 종래의 Ni-MH 계열 배터리에 사용중인 배터리 셀전압 측정 회로를 도시한 도면이다. 고전압배터리는 다수의 배터리셀(VC1~VC8)이 직렬로 연결되어 이루어진다. 각 배터리셀의 양단에 다수의 스위칭소자들(S201~S209)의 일단들이 각각 연결된다. 홀수번째 스위칭소자들(S201,S203,S205,S207,S209)의 타단들이 연결되어 스위칭소자(S210)를 통해 전압측정기(200)에 연결되고, 짝수번째 스위칭소자들(S202,S204,S206,S208)의 타단들이 연결되어 스위칭소자(S211)를 통해 전압측정 기(200)에 연결된다. 홀수번째 스위칭소자들의 타단들의 공통접점과 짝수번째 스위칭소자들의 타단들의 공통접점 사이에는 커패시터(C201)가 연결된다. 스위칭소자들은 기계적인 릴레이 또는 포토모스 릴레이(photomos relay) 또는 트랜지스터(transistor)를 포함하여, 온/오프 제어가 가능한 소자로 구현된다.
상술한 도 2의 배터리 셀전압 측정회로의 동작을 설명한다. 먼저 제1배터리셀(VC1)의 셀전압을 측정하는 방법을 설명하면, 스위칭소자(S201,S202)를 온하고 스위칭소자(S203~S211)를 오프한다. 그러면, 제1배터리셀(VC1)의 셀전압이 커패시터(C201)에 충전된다. 다음, 스위칭소자(S201,S202)를 오프시키고 스위칭소자(S210,S211)를 온시킨다. 그러면, 커패시터(C201)의 충전전압이 전압측정기(200)에 입력되어 셀전압 측정이 가능하다. 제2배터리셀(VC2) 내지 제8배터리셀(VC8)의 셀전압 측정도 동일한 원리를 따른다.
도 3은 Li 계열 배터리 시스템에 적용되는 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로를 도시한 도면이다.
Li 계열 배터리 또는 슈퍼커패시터를 에너지 저장 시스템으로 적용할 경우, 도 3의 각 배터리셀(VC1~VC8)의 내부 저항의 차이로 인하여 배터리셀간 충전된 에너지의 양이 차이가 발생할 수 있다. 이 때문에, 셀밸런싱 기능이 필요하다. 셀밸런싱 기능이라 함은 배터리셀간에 충전 에너지의 양이 차이가 날 경우 충전 에너지가 많은 배터리셀의 에너지를 저항을 통해 소비시켜 다른 배터리셀과 충전 에너지가 동일해지도록 하는 기능을 의미한다.
종래의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로는 도 3에 도시된 바와 같이, 도 2의 셀전압 측정회로에 대응하는 셀전압측정용 스위칭소자(S309~S319)와 커패시터(C301)와 전압측정기(300)에, 셀밸런싱용 스위칭소자(S301~S308)와 셀밸런싱용 저항(R301~S308)를 추가 구성한 것이다. 각 배터리셀(VC1~VC8)에 대응되는 셀밸런싱용 스위칭소자(S301~S308)와 셀밸런싱용 저항(R301~R308)이 병렬로 연결된다.
상술한 종래의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로의 셀전압을 측정하는 방법을 제1배터리셀(VC1)의 셀전압을 측정하는 방법을 기준으로 설명한다. 셀전압측정용 스위칭소자(S309,S310)를 온하고, 나머지 모든 셀전압측정용 스위칭소자(S311~S319)를 오프하여, 제1배터리셀(VC1)의 셀전압이 커패시터(C301)에 충전되도록 한다. 다음, 셀전압측정용 스위칭소자(S309,S310)를 오프시키고 셀전압측정용 스위칭소자(S318,S319)를 온시켜, 커패시터(C301)의 충전전압이 전압측정기(300)에 전달되도록 한다. 그러면, 전압측정기(300)는 충전전압을 통해 제1배터리셀(VC1)의 셀전압을 알 수 있다. 제2배터리셀(VC2) 내지 제8배터리셀(VC8)의 셀전압 측정도 동일한 원리를 따른다.
또한, 상술한 종래의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로의 셀밸런싱 방법을 설명한다. 제1배터리셀(VC1), 제3배터리셀(VC3), 제8배터리셀(VC8)에 대해 셀밸런싱을 해야 하면, 셀밸런싱용 스위치(S301,S303,S308)를 온하고 나머지 셀밸런싱용 스위치(S302,S304~S307)를 오프한다. 그러면, 제1배터리셀(VC1), 제3배터리셀(VC3), 제8배터리셀(VC8)의 셀전압이 각각 셀밸런싱용 저항(R301,R303,R308)을 통해 에너지가 소모되어 다른 배터리셀들과의 셀밸런싱을 이룰 수 있다.
이상과 같이 Li 계열 배터리 또는 슈퍼커패시터를 에너지 저장매체로 이용하 는 하이브리드 자동차의 경우, 셀전압 측정 및 셀밸런싱이 반드시 필요하며, 이는 다수의 스위칭소자로 구현된다. 이 스위칭소자는 포토모스 릴레이(photomos relay)와 같은 전기적으로 절연된(isolated) 반도체소자를 이용하는데, 이 스위칭소자는 매우 고가이기 때문에, 원가 절감을 위해서는 이 스위칭소자의 개수를 줄여야 한다.
이 발명은 상기한 종래기술의 필요성을 충족시키기 위해 창작된 것으로서, 이 발명의 목적은 Li 계열 배터리를 이용한 고전압배터리 시스템의 배터리 제어기 설계시 절대적으로 필요한 기능 중에 하나인 셀밸런싱 기능과 전압측정 기능을 연동하도록 하여 적은 개수의 스위칭소자로 구현함으로써, 배터리 제어기의 원가를 절감시킬 수 있는 회로를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 이루기 위한 이 발명의 고전압배터리 시스템의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로는, 다수의 배터리셀들이 직렬 접속되며, 인접하는 적어도 둘 이상의 배터리셀들이 하나의 배터리모듈로 묶여지는 고전압배터리 시스템의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로에 있어서, 배터리모듈별 셀전압 측정 및 셀밸런싱부를 포함하고,
상기 셀전압 측정 및 셀밸런싱부는,
배터리모듈의 일단에 직렬로 연결된 제1저항 및 제1스위칭소자와; 상기 배터리모듈의 타단에 직렬로 연결된 제2저항 및 제2스위칭소자와; 상기 배터리모듈을 구성하는 다수의 배터리셀들의 사이에 각각 연결된 다수의 접속저항과; 상기 제1스위칭소자와 인접하는 접속저항과, 인접하는 두 접속저항과, 제2스위칭소자와 인접하는 접속저항을 각각 연결하는 다수의 접속스위칭소자와; 상기 제1스위칭소자와 제2스위칭소자 사이에 연결된 커패시터와; 상기 제1스위칭소자와 커패시터의 공통접점과 전압측정기 사이에 연결된 제3스위칭소자와; 상기 제2스위칭소자와 커패시터의 공통접점과 상기 전압측정기 사이에 연결된 제4스위칭소자를 구비한 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 이 발명은, 배터리 제어기의 원가를 20% 이상 절감할 수 있는 효과가 있다.
이하, 이 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 이 발명에 따른 고전압배터리 시스템의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로를 도시한 도면이다.
이 발명에서는 다수의 배터리셀의 묶음을 배터리모듈로 정의한다. 즉, 고전압배터리 시스템을 구성하는 배터리셀들을 일정한 개수씩 묶어서 배터리모듈을 구성한다. 이 발명의 실시예에서는 고전압배터리 시스템이 8개의 배터리셀로 이루어지고, 4개씩의 배터리셀들을 묶어서 2개의 배터리모듈을 구성하나, 이 발명은 이에 한정되지 아니하며 고전압배터리 시스템을 구성하는 배터리모듈의 개수와, 하나의 배터리모듈을 구성하는 배터리셀의 개수는 제한되지 않는다.
도 4를 참조하면, 이 발명의 고전압배터리 시스템의 셀전압 측정 및 셀밸런 싱 회로는 순차적으로 직렬 연결된 제1배터리셀 내지 제8배터리셀의 양단 및 사이에 각각 일단이 연결된 제1저항(R401) 내지 제9저항(R409)과, 상기 제1저항(R401) 내지 제9저항(R409) 중 인접하는 두 저항의 타단을 연결하는 제6스위칭소자(S406) 내지 제13스위칭소자(S413)와, 제1저항(R401)과 제6스위칭소자(S406) 사이에 연결된 제1스위칭소자(S401)와, 제5저항(R405)과 제9스위칭소자(S409)와 제10스위칭소자(S410)의 공통접점 사이에 연결된 제2스위칭소자(S402)와, 제9저항(R409)과 제13스위칭소자(S413) 사이에 연결된 제3스위칭소자(S403)와, 제1스위칭소자(S401)와 제6스위칭소자(S406)의 공통접점 및 제3스위칭소자(S403)와 제13스위칭소자(S413)의 공통접점과 일단이 연결되고 타단은 전압측정기에 연결된 제4스위칭소자(S404)와, 제2스위칭소자(S402)와 제9스위칭소자(S409)와 제10스위칭소자(S410)의 공통접점과 일단이 연결되고 타단은 상기 전압측정기에 연결된 제5스위칭소자(S405)와, 상기 제4스위칭소자(S404)의 일단과 상기 제5스위칭소자(S405)의 일단 사이에 연결된 커패시터(C401)로 구성된다.
이 발명에 따른 고전압배터리 시스템의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로는 고전압배터리의 전체 배터리전압 측정, 각 배터리셀의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 기능이 모두 가능한 바, 각 구동방법을 설명한다.
먼저, 전체 배터리전압을 측정하는 방법을 설명한다.
실제 배터리 제어기가 고전압배터리 시스템을 제어하려면 전체 배터리 전압을 측정할 필요가 있다. 이 발명에서는 배터리모듈별로 전압을 측정하여 모든 배터리모듈별 전압을 합산하여 전체 배터리전압을 측정한다.
제1배터리모듈(VM1)의 전압을 측정하는 방법은, 제1스위칭소자(S401)와 제2스위칭소자(S402)를 온하고, 나머지 스위칭소자(S403~S413)를 오프하여, 커패시터(C401)에 제1배터리모듈(VM1)의 전압 즉, 제1배터리셀(VC1) 내지 제4배터리셀(VC4)의 직렬 연결된 전압이 충전되도록 한다. 그후, 제1스위칭소자(S401)와 제2스위칭소자(S402)를 오프시키고 제4스위칭소자(S404)와 제5스위칭소자(S405)를 온시킴으로써, 전압측정기(400)가 커패시터(C401)의 충전전압을 측정하도록 한다.
이와 동일한 방법으로 제2배터리모듈(VM2)의 전압을 측정하여, 제1배터리모듈(VM1)과 제2배터리모듈(VM2)의 전압을 합산함으로써 전체 배터리전압을 계산하고, 고전압배터리의 SOC, SOH 등의 제어값들을 계산한다.
다음, 각 배터리셀의 셀전압을 측정하는 방법을 제1배터리셀의 셀전압 측정을 기준으로 설명한다. 이 셀전압 측정은 셀전압 측정주기마다 이루어진다.
제1배터리셀(VC1)의 셀전압을 측정하고자 할 때, 제1스위칭소자(S401), 제7스위칭소자(S407) 내지 제9스위칭소자(S409)를 온하고, 나머지 스위칭소자를 오프하여, 제1배터리셀(VC1)의 셀전압이 커패시터(C401)에 충전되도록 한다. 그후, 제1스위칭소자(S401), 제7스위칭소자(S407) 내지 제9스위칭소자(S409)를 오프시키고 제4스위칭소자(S404)와 제5스위칭소자(S405)를 온시켜서 커패시터(C401)의 충전전압이 전압측정기(400)에 인가되도록 한다. 동일한 원리를 이용하여 제2배터리셀(VC2) 내지 제8배터리셀(VC8)의 셀전압을 측정할 수 있다.
다음, 셀밸런싱 방법을 설명한다. 제1배터리셀(VC1)과 제3배터리셀(VC3)과 제8배터리셀(VC8)에 대해 셀밸런싱을 수행할 필요가 있을 경우, 제1스위칭소 자(S401)와 제6스위칭소자(S406), 제8스위칭소자(S408), 및 제3스위칭소자(S403)와 제13스위칭소자(S413)를 온시킨다. 그러면, 제1저항(R401)과 제2저항(R402), 제3저항(R403)과 제4저항(R404), 및 제8저항(R408)과 제9저항(R409)을 통해 에너지가 소모되어, 다른 배터리셀들과의 셀밸런싱을 이룰 수 있다.
고전압배터리의 전체 배터리전압을 측정하는 방법으로서, 종래에는 각 배터리셀의 셀전압을 측정하여 측정된 모든 배터리셀의 셀전압을 합산하여 전체 배터리전압을 계산한다. 그러나, 이 발명에 따르면 다수의 배터리셀을 묶어서 배터리모듈 단위로 전압을 측정하여 합산하기 때문에 전체 배터리전압을 측정하는 시간이 매우 단축된다.
실제 배터리제어기에서 전체 배터리전압과 SOC과 SOH 등의 측정주기는 수백msec로서 매우 짧다. 이 경우, 종래와 같이 모든 배터리셀의 셀전압을 각각 측정하여 합산하면 측정에 필요한 시간이 길어짐으로써, 다른 기능을 수행할 여유시간이 없다. 그러나, 이 발명과 같이 배터리모듈 단위로 전압을 측정하여 합산하면 측정에 필요한 시간이 단축되며, 남은 시간 동안에 셀밸런싱을 적용시킬 수 있다.
즉, 셀밸런싱의 경우, 일반적으로 한 시간에 한 번 또는 키 온(Key on)시 또는 키 오프(Key off)시에 수행하거나, 정밀하게 제어하더라도 10분에 한번 정도이다. 즉, 셀밸런싱이 필요한 주기마다 모든 배터리셀의 셀전압을 측정하여 어느 배터리셀의 셀밸런싱이 필요한지를 판단하고, 해당 배터리셀에 대해 셀밸런싱을 수행할 수 있다.
이 발명의 실시예에서는 8개의 배터리셀을 기준으로 설명하였지만, 실제 Li 계열 배터리 시스템의 배터리셀의 개수는 50~100 개이다. 예컨대, 100개의 배터리셀일 경우, 도 3의 종래의 회로를 구성하는 스위칭소자 개수는 약 200개이지만, 도 4의 이 발명의 회로를 구성하는 스위칭소자의 개수는 약 160개로서, 약 20%의 소자를 절감할 수 있다. 추가적으로 이 발명의 실시예에서는 4개의 배터리셀을 묶어서 하나의 배터리모듈을 구성하지만, 5개의 배터리셀을 하나의 배터리모듈로 묶거나 6개의 배터리셀을 하나의 배터리모듈로 묶을 경우 스위칭소자의 개수를 더 절감할 수 있다.
도 1은 일반적인 하이브리드(HEV) 자동차의 기본 구성도,
도 2는 종래의 Ni-MH 계열 배터리에 사용중인 배터리 셀전압 측정 회로를 도시한 도면,
도 3은 Li 계열 배터리 시스템에 적용되는 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로를 도시한 도면,
도 4는 이 발명에 따른 고전압배터리 시스템의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로를 도시한 도면이다.

Claims (3)

  1. 다수의 배터리셀들이 직렬 접속되며, 인접하는 적어도 둘 이상의 배터리셀들이 하나의 배터리모듈로 묶여지는 고전압배터리 시스템의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로에 있어서,
    배터리모듈별 셀전압 측정 및 셀밸런싱부를 포함하고,
    상기 셀전압 측정 및 셀밸런싱부는,
    배터리모듈의 일단에 직렬로 연결된 제1저항 및 제1스위칭소자와;
    상기 배터리모듈의 타단에 직렬로 연결된 제2저항 및 제2스위칭소자와;
    상기 배터리모듈을 구성하는 다수의 배터리셀들의 사이에 각각 연결된 다수의 접속저항과;
    상기 제1스위칭소자와 인접하는 접속저항과, 인접하는 두 접속저항과, 제2스위칭소자와 인접하는 접속저항을 각각 연결하는 다수의 접속스위칭소자와;
    상기 제1스위칭소자와 제2스위칭소자 사이에 연결된 커패시터와;
    상기 제1스위칭소자와 커패시터의 공통접점과 전압측정기 사이에 연결된 제3스위칭소자와;
    상기 제2스위칭소자와 커패시터의 공통접점과 상기 전압측정기 사이에 연결된 제4스위칭소자를 구비한 것을 특징으로 하는 고전압배터리 시스템의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 배터리모듈별 셀전압 측정 및 셀밸런싱부가 상기 커패시터와 제3스위칭소자와 제4스위칭소자를 공용하는 것을 특징으로 하는 고전압배터리 시스템의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스위칭소자는 포토모스 릴레이인 것을 특징으로 하는 고전압배터리 시스템의 셀전압 측정 및 셀밸런싱 회로.
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