KR20120015861A - 보조 셀을 사용하여 셀 밸런싱을 하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보조 셀을 사용하여 셀 밸런싱을 하는 방법에 관한 것이다.
도 1에 보인 것과 같이 셀(Cell)모듈을 구성하여 충전을 하여 메인 셀(Main Cell)이 만 충전 된 후에도 메인 셀(Main Cell)이 보조 셀(Cell)을 충전하는 동안 메인(Main Cell)의 전압이 충전 종지 전압 이상으로 상승 하지 못하게 하는 셀 밸런싱 방법을 제공한다.

Description

보조 셀을 사용하여 셀 밸런싱을 하는 방법{Method for cell balancing using sub-cell}

본 발명은 보조 셀을 사용하여 셀 밸런싱을 하는 방법에 관한 것이다.

여러 개의 셀(Cell, 단전지)을 조합하여 배터리 팩(Battery Pack)을 구성할 때 해결해야 하는 문제가 셀 밸런싱(cell balancing)이다. 배터리 팩(Battery pack) 을 충전할 때 배터리(Battery Pack)을 구성 하는 각 셀(Cell)의 용량 편차(cell unbalance)로 인해 각 셀(Cell)의 충전 속도가 다르고 이로 인해 먼저 충전된 셀(Cell)은 과충전되게 되고 과충전된 셀(Cell)의 전압이 충전 종지 전압 이상으로 상승 하게 되어 셀(Cell)이 파손 되거나 폭발의 위험성이 발생한다. 이런 문제를 해결 하기 위해 배터리 팩(Battery Pack)을 충전할 때 사용하는 기법이 셀 밸런싱(Cell Balancing)이다. 기존의 셀(Cell Balancing) 기법에서는 셀 밸런싱(Cell Balancing)회로를 BMS (Battery Management System) 회로에 포함하여 배터리 팩(Battery Pack)을 충전할 때 배터리 팩(Battery Pack)을 구성하는 각 셀(Cell)들의 전압을 감지하여 셀(Cell)이 만충전이 되면 셀(Cell)의 전압이 충전 종지 전압 이상 상승 되지 않도록 각 셀(Cell)에 공급되는 충전 에너지를 제어 한다.

이러한 기존의 방식 대부분은 만충전 이후에 공급되는 에너지를 저항에 바이패스(bypass)하여 열로 소비하는 방식으로 이 방식은 에너지를 낭비하는 결과를 초래할 뿐만 아니라 가장 전압이 낮은 셀(cell)을 기준으로 셀 밸런싱(cell balancing)을 함으로 배터리 팩(battery pack) 전체의 충전 량이 바이패스(bypass)하는 에너지 만큼 줄어 들게 되고, 셀 밸런싱(cell balancing)하는데 장 시간이 소요된다. 따라서 급속 충전 방전을 되풀이 하는 응용에서는 기존의 셀 밸런싱(cell balancing)기법을 사용하면 셀(cell)의 밸런싱(Balancing)을 할 수 있는 충분한 시간적 여유가 없어 배터리(battery pack)을 셀 언밸러스(cell un-balance)로부터 보호를 할 수가 없게 된다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로써, 본 발명에서는 종래의 셀 밸런싱(Cell Balancing) 할 때 에너지를 열로 소비하는 대신 이 에너지를 보조 셀(Cell)에 저장하였다가 사용하는 방식이다.

본 발명에서는 메인 셀(Main Cell)에 병렬로 메인 셀(Main Cell) 보다 용량이 작은 보조 셀(Cell)을 연결하고 여기에 전류 제어 회로를 포함하여 셀(Cell) 모듈을 구성하고 이 셀(Cell)모듈들을 시용하여 배터리(Battery Pack)을 조립함으로서 셀 언밸런스(Cell Unbalance)로 야기되는 문제 즉 먼저 충전된 셀(Cell)의 전압이 충전 종지 전압 이상으로 상승되는 것을 방지하여 셀(cell, main cell) 의 언밸런싱(un-balancing) 문제를 해결한다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 도 1에 보인 것과 같이 셀(Cell)모듈을 구성하여 충전을 하여 메인 셀(Main Cell)이 만 충전 된 후에도 메인 셀(Main Cell)이 보조 셀(Cell)을 충전하는 동안 메인(Main Cell)의 전압이 충전 종지 전압 이상으로 상승 하지 못하게 하는 셀 밸런싱 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 도 2에 보인 것과 같이 셀(Cell)모듈을 구성하여 충전을 하여 메인 셀(Main Cell)이 만 충전 된 후에도 메인 셀(Main Cell)이 보조 셀(Cell)을 충전하는 동안 메인(Main Cell)의 전압이 충전 종지 전압 이상으로 상승하지 못하게 하는 셀 밸런싱 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 도 1과 도 2에 보인 셀 모듈(Cell module)들을 직병렬로 연결하여 배터리 팩(Battery Pack)을 조립하여 충전 시 셀 언밸런스(Cell Un-Balance)로 인해 야기되는 문제를 해결 한 셀 밸런싱 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 도 1과 도 2에 보인 것과 같이 셀(Cell)모듈을 구성하여 충전 과정에서 셀 언밸런스(cell unbalance)를 해소 하기 위해 바이패스(bypass) 한 에너지를 회수하여 방전 시 이를 사용하는 셀밸런싱 방법을 제공한다.

이와 같은 본 발명은 셀(Cell) 모듈에 들어 있는 보조 셀(Cell)은 메인(Main Cell)의 과충전을 방지하고 배터리 팩(Battery Pack)을 구성하는 모든 메인 셀(Main Cell)들이 만충전 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예의 셀 모듈의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 스위칭 회로를 포함하는 셀 모듈의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예의 셀모듈의 충전 메커니즘을 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 n개의 셀(Cell) 모듈을 직렬로 연결하여 구성한 배터리 팩(Battery Pack)을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 셀(Cell) 모듈을 직병렬로 연결하여 구성한 배터리 팩(Battery Pack)을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 n개의 스위칭 회로를 포함하는 셀(Cell) 모듈을 직렬로 연결하여 구성 한 배터리 팩(Battery Pack)을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 스위칭 회로를 포함하는 셀(Cell) 모듈을 직병렬로 연결하여 구성 한 배터리 팩(Battery Pack0을 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

기존의 셀 밸런싱(Cell Balancing)에서는 배터리 팩(Battery Pack)을 충전 하면서 각 셀(Cell)의 전압을 감지하여 배터리 팩(Battery Pack)의 충전 시 배터리 팩(Battery Pack)을 구성하는 어느 한 셀의 전압이 충전 종지 전압 이상으로 올라 가면 셀 밸런싱(Cell Balancing)을 한다. 이때 대부분의 경우 셀 밸런싱(Cell Balancing)을 하기 위해 만충전된 셀(Cell)에 유입되는 전류를 저항에 바이패스(Bypass)하여 열로 소비함으로서 만충전된 셀(Cell)의 전압이 충전 종지 전압보다 높아 지는 것을 방지한다.

본 발명에서는 도 1 과 도 2에 보인 것과 같이 충전하는 Main Cell에 병렬로 보조 셀(Cell)과 전류 제어 회로를 연결 하여 셀 모듈(cell module)을 구성한다.

도 1에서는 보조 셀(Cell)에 직렬로 PTC와 저항을 직렬로 연결하여 Cell 모듈을 구성한다. 여기서 PTC는 보조 Cell에 필요 이상의 전류가 유입되는 것을 방지하고 저항은 Cell의 충전 전류의 양을 제어한다. 온도 센서는 cell module의 온도를 감지하고 BMS에 는 이 온도 정보를 이용해 battery pack의 보호 회로 등의 동작에 이용한다.

도 1의 Cell모듈이 충전 되는 과정을 설명 하면 다음과 같다.

1. 도 3 에서 보인 것과 같이 Cell 모듈을 충전 하면 충전 전류는 A 루프와 B 루프를 통해 흐르게 된다.

2. 여기서 A 루프의 저항이 B 루프의 저항보다 작다. 그 이유는 Main Cell의 용량이 보조 Cell의 용량보다 크기 때문에 Main Cell의 내부 저항이 보조 Cell의 내부 저항보다 작고 또한 보조 Cell에는 직렬로 PTC와 저항이 연결되어 있기 때문이다.

3. 충전이 시작되면 충전전류는 자연히 저항이 작은 A 루프를 통해 더 많이 흐르게 되어 Main Cell의 충전이 우선적으로 이루어 진다. 또한 B 루프에는 PTC가 직렬로 연결되어 있어 CC/CV 충전 방식의 충전 초기에 흐르는 큰 충전 전류가 보조 Cell로 유입되는 것을 방지한다.

따라서 CC/CV 충전 시 CC구간에서는 보조 Cell에 전류 거의 유입되지 않는다. 또한 보조 Cell에 직렬로 연결되어 있는 저항이 B루프의 저항을 높이기 때문에 Main Cell의 충전이 완료되어 Main Cell의 전압이 충전 종지 전압이 되기 까지는 충전 전류가 B루프로 유입되는 것을 억제 하여 준다.

4. 따라서 Main Cell이 먼저 충전된다.

5. Main Cell의 충전이 완료 되고 Main Cell의 전압이 충전 종지 전압에 도달한 이후에도 더 이상의 충전 전류가 A 루프에 유입되면 Main Cell의 전압이 충전 종지 전압 이상으로 상승 되게 되는데 이때 이 높은 전압이 B루프에 걸려 이때부터 보조 Cell이 충전되기 시작 한다. 다시 말해 Main cell에 추가로 유입되는 충전 에너지는 보조 Cell을 충전 하는데 사용이 되고 이 결과 보조 Cell이 충전 되는 동안 Main Cell의 전압은 충전종지 전압 이상으로 상승 하지 않는다.

이제 이 Cell모듈들을 도4와 같이 직렬로 n개 연결하여 Battery Pack을 구성 한다. 이렇게 구성된 Battery Pack을 충전 할 경우 Battery Pack 을 구성하는 Main Cell들이 과 충전으로 인한 과 전압으로부터 어떻게 보호 되는지를 설명 하면 다음과 같다.

1. Battery Pack의 (+), (-) 터미널에 충전기를 연결 하여 충전을 시작하면 각 Cell 모듈들이 동시에 충전되기 시작 한다. 이때 앞서 설명 한 대로 각 Cell모듈에서 충전은 Main Cell들이 우선 충전 된다.

2. 여기서 Cell Un-balance 로 인해 Cell 모듈 2가 먼저 만 충전이 되었다고 (또는 먼저 충전 종지 전압에 도달 하였다고) 가정 하자. Cell모듈 2의 Main Cell이 만 충전되고 계속하여 충전 전류가 Main Cell에 공급되면 Main Cell의 전압이 충전 종지 전압이상으로 상승 하기 시작한다. 이 경우 Main Cell의 전압은 B 루프에 걸리게 되는데 B 루프에 충전 종지 전압이 걸리면 보조 Cell이 충전을 시작 하게 된다. 따라서 Main Cell이 만 충전이 되고 이어서 Main Cell에 추가로 공급되는 충전 에너지는 보조 Cell을 충전 하는데 사용 되고 보조 Cell을 충전 하는 동안은 Main Cell의 추가 전압 상승은 일어나지 않는다.

3. 이렇게 Cell 모듈2가 보조 Cell을 충전 하는 동안 다른 Cell 모듈들이 충전을 계속 하게 되며 예를 들어 Cell모듈3 이 Cell Un-balance로 인해 다른 Cell 모듈들 보다 먼저 충전이 되는 경우 앞서 설명한 대로 먼저 만 충전된 Cell모듈3 의 Main Cell은 추가로 공급 받는 충전 에너지를 Cell 모듈 3의 보조 Cell을 충전 하는데 사용하게 되며 이때 Main Cell의 전압은 Main Cell이 보조 Cell을 충전 하는 동안 충전 종지 전압 이상으로 상승 하지 않는다.

4. 이렇게 하여 Battery Pack의 모든 Cell모듈들이 차례로 만 충전이 되게 되며 Battery Pack을 구성 하는 모든 Cell모듈들이 만 충전되면 Battery Pack의 전압이 (충전 종지 전압 ) x n의 값을 갖게 된다. Battery Pack의 전압이 (충전 종지 전압) x n의 값이 되면 충전기가 충전을 종료 한다.

5. 따라서 Battery Pack을 구성 하는 모든 Cell모듈들의 Main Cell들은 Cell의 Un-balance와 관계없이 만 충전 된다 .

Cell 모듈에 있는 보조 Cell들은 Main Cell들의 Cell Un-balance 정도에 따라 충전의 양이 각 각 다르게 된다. Battery Pack의 출력은 Main Cell들로 부터 나오기 때문에 보조 Cell의 충전양의 차이가 있는 것은 문제가 되지 않는다.

Battery Pack의 방전 메커니즘을 설명 하면 다음과 같다. Battery Pack의 방전 시 Main Cell의 용량이 보조 Cell 보다 크고 A 루프의 저항이 B 루프보다 작기 때문에 Main Cell이 속한 A루프를 통해 방전이 우선적으로 일어 난다. 이렇게 방전이 진행 됨에 따라 Main Cell의 전압이 내려가게 된다. Main Cell의 전압이 보조 Cell의 전압 보다 상대적으로 빨리 내려 가게 되며 Main Cell의 전압이 보조 Cell의 전압보다 더 낮아 지면 이제는 충전 시와는 반대로 보조 Cell이 Main Cell을 충전 하면서 보조 Cell에 충전되어 있는 에너지를 사용 하게 된다.

원하는 용량을 가진 battery pack을 구성 하기 위해 도5에 보인 것과 같이 cell module을 여러 개 직병렬을 할 수 있다

도2에 보인 것은 도1의 cell 모듈의 PTC와 저항을 스위칭 회로로 대치 한 것으로 보조 cell을 사용하여 cell Un-balance로 야기되는 문제 즉 battery pack의 충전 시 먼저 충전된 Cell의 전압이 충전 종지 전압 이상으로 상승되는 것을 방지하여 Cell un-balancing 문제를 해결 하는 것에 대한 동작원리는 도1과 동일 하다. 다시 말해 Main cell이 만 충전되면 main cell이 보조cell을 충전 하게 되고 보조 cell이 충전되는 동안 main cell의 전압이 충전 종지 전압 이상으로 상승 되는 것이 방지 된다.

도2에 보인 cell모듈에서는 스위칭 회로가 main cell의 전압을 감지하여 전압이 4.15V가 되면 (이 전압은 프로그램 할 수 있다) main cell을 보조 cell에 병렬로 연결하여 Main cell로 하여금 보조 cell을 충전 하도록 한다. 또한 스위칭 회로는 main cell과 보조 cell의 전압, 전류, 온도를 감지하여 BMS에 보내 준다. BMS는 스위칭 회로에서 보내온 정보를 활용하여 battery pack의 보호회로 구동, 잔량 측정, battery pack의 수명 측정, cell의 교체 시기 등을 알리는 기능을 수행 한다. 또한 BMS는 스위칭 회로에 제어 신호를 보내 스위칭 회로를 제어 한다.

방전 모드에서는 main cell의 전압이 보조 cell의 전압보다 낮을 경우 보조 cell이 main cell을 충전하며 또한 보조 cell이 부하 측으로 전류를 공급 하면서 보조 cell 에 저장해 놓았던 에너지를 사용 한다.

스위칭 소자는 FET, IGBT 또는 Relay 등을 사용 할 수 있으며 스위칭 회로의 구성은 일반적인 것 이므로 여기서는 이에 대한 설명을 생략 한다.

여기서 스위칭 회로의 전력 소비를 줄이기 위해 스위칭 회로의 전원을 차단하는 relay를 cell module에 포함하고 이를 BMS가 제어 하는 방식을 사용 할 수도 있다.

원하는 용량의 battery pack을 얻기 위해 cell module들을 도6과 도 7에 보인 것과 같이 직병렬을 하여 battery pack을 구성 한다.

이상 설명 한 바와 같이 Cell 모듈에 들어 있는 보조 Cell은 Main Cell의 과 충전을 방지하고 Battery Pack을 구성 하는 모든 Main Cell들이 만 충전 될 수 있도록 한다.

보조 Cell의 용량은 Main Cell의 용량, 종류와 응용 시스템의 구성에 따라 차이가 있을 수 있지만 보조 Cell의 용량은 Main Cell 용량의 5%에서 10% 정도로 한다. 그러나 이 수치가 절대적인 것은 아니다.

PTC의 규격은 Battery Pack의 CC/CV 충전의 CC 구간 전류에 비례하여 사용하며 CC 전류의 2% - 10%에서 트립 할 수 있는 것으로 선택한다.

저항의 값은 Main Cell의 용량, 종류와 응용 시스템의 구성에 따라 다를 수 있지만 Main Cell의 C - Rate 기준으로 2.5C - 7.5C 정도로 한다. 그러나 이 값이 절대적인 것은 아니다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (4)

1. 도 1에 보인 것과 같이 셀(Cell)모듈을 구성하여 충전을 하여 메인 셀(Main Cell)이 만 충전 된 후에도 메인 셀(Main Cell)이 보조 셀(Cell)을 충전하는 동안 메인(Main Cell)의 전압이 충전 종지 전압 이상으로 상승 하지 못하게 하는 셀 밸런싱 방법.
2. 도 2에 보인 것과 같이 셀(Cell)모듈을 구성하여 충전을 하여 메인 셀(Main Cell)이 만 충전 된 후에도 메인 셀(Main Cell)이 보조 셀(Cell)을 충전하는 동안 메인(Main Cell)의 전압이 충전 종지 전압 이상으로 상승하지 못하게 하는 셀 밸런싱 방법.
3. 도 1과 도 2에 보인 셀 모듈(Cell module)들을 직병렬로 연결하여 배터리 팩(Battery Pack)을 조립하여 충전 시 셀 언밸런스(Cell Un-Balance)로 인해 야기되는 문제를 해결 한 셀 밸런싱 방법.
4. 도 1과 도 2에 보인 것과 같이 셀(Cell)모듈을 구성하여 충전 과정에서 셀 언밸런스(cell unbalance)를 해소 하기 위해 바이패스(bypass) 한 에너지를 회수하여 방전 시 이를 사용하는 셀밸런싱 방법.

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