KR20120059247A - 배터리 팩의 셀 밸런싱 제어장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 셀 밸런싱의 보호 기능을 강화시켜 셀 밸런싱의 오동작, 오제어에 의해 발생 가능한 부품 소손 및 발화 방지를 제공하는 배터리 팩의 셀 밸런싱 제어장치 및 방법이 개시된다.
본 발명은 배터리 팩에 구성되는 각 셀의 전압을 검출하여 셀 밸런싱이 필요한 셀이 추출되면 밸런싱 듀티를 결정하여 방전 제어를 실행하는 셀 밸런싱 제어부, 셀 밸런싱 제어부에서 인가되는 셀 밸런싱 듀티 신호에 따라 셀에 충전된 전압을 방전시키는 셀 밸런싱 실행부, 셀 밸런싱 실행부의 전단에 배치되는 차단기; 배터리 관리 제어기 모듈의 온도를 상시 모니터링하여 제어부에 제공하는 온도검출부; 배터리 관리 제어기 모듈의 온도가 설정온도를 초과하면 셀 밸런싱을 실행하는 스위치의 폐쇄 고착 고장이나 셀 밸런싱 제어 오류에 의해 방전 지속으로 판정하여 셀 밸런싱을 강제 종료를 실행시키는 제어부; 제어부에서 인가되는 셀 밸런싱 강제 종료신호에 따라 차단기를 스위칭 오프시켜 셀 밸런싱 동작을 강제 차단시키는 보호회로부를 포함한다.

Description

배터리 팩의 셀 밸런싱 제어장치 및 방법{SYSTEM FOR CELL BALANCE CONTROL OF BATTERY PACK AND METHOD THEREOF}
본 발명은 배터리 팩의 셀 밸런싱(Cell Balance) 제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 셀 밸런싱의 보호 기능을 강화시켜 셀 밸런싱의 오동작, 오제어에 의해 발생 가능한 부품 소손 및 발화 방지를 제공하는 배터리 팩의 셀 밸런싱 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 배터리는 전자 및 전기분야에서 다양하게 이용되고 있으며, 고전압 배터리를 구성하기 위해서는 다수개의 셀(Cell)을 직렬로 연결한다.
고전압 배터리에 구성되는 다수개의 셀은 사용에 따른 시간이 경과함에 따라 쿨롱 효율 및 용량에서 기인하는 개별적인 동적 상태의 차이에 의해 충전전압이 서로 달라지는 현상이 발생된다.
이로 인하여 적어도 하나 이상의 셀이 다른 셀들보다 훨씬 낮은 상태의 충전전압을 가짐으로 인해 배터리 전체의 방전 능력을 영구적으로 제한하게 하는 문제점을 발생시킬 수 있다.
또한, 적어도 하나 이상의 셀이 다른 셀들보다 훨씬 높은 충전전압을 가짐으로으로 인해 배터리 전체의 충전량을 영구적으로 제한하게 하는 문제점을 발생시킬 수 있다.
만약 하나의 셀이 최저 충전전압의 한계값을 갖는 상태이고, 다른 어느 하나의 셀이 최고 충전전압의 한계값을 갖는 상태이면 모든 다른 셀들이 적당한 충전전압을 가지고 있더라도 상기 배터리는 충전뿐만 아니라 방전이 수행되지 못하는 문제점이 발생될 수 있다.
따라서, 낮은 충전전압이 갖는 셀에는 부스팅(Boosting)을 통해 개별적인 충전 작업을 실행하고, 높은 충전전압을 갖는 셀에는 보유한 충전량을 방전시키는 작업인 저항방전(Bucking)을 수행하여 전체적인 균형이 유지될 수 있도록 하는 셀 밸런싱이 제공된다.
상기 셀 밸런싱은 문제가 되는 셀들의 균형의 충분하게 만족할 만큼 가까워지면 중단될 수 있고, 상기 셀들이 상당한 불균형을 이룰 때 다시 시작될 수 있다.
셀 밸런싱의 방법으로는 높은 전압을 가지고 있는 하나 이상의 셀에서 극히 낮은 전압을 가진 하나 이상의 셀로 전압이 이동하여 전압의 균형을 맞추는 충전이동기술과 극히 높은 전압을 가진 하나 이상의 셀에 충전된 전압을 부하를 통해 소모시키는 충전소모기술이 적용될 수 있다.
상기 충전소모기술은 셀 밸런싱 스위치를 제어하여 방전이 필요한 셀을 선택적으로 저항방전(Bucking)을 실행하여 셀간의 전압편차를 줄여 줄 수 있도록 한다.
그러나, 방전이 필요한 셀을 선택하는 스위치의 불량이나 소손이 발생하여 항시 온 상태가 되면 셀 밸런싱은 프로세서의 제어에 관계없이 저항방전이 항시 수행되어 배터리 관리 제어기의 온도를 과다 상승시켜 부품소손 및 발화의 원인을 제공할 수 있다.
또한, 프로세서의 오류에 의해 셀 밸런싱이 과도하게 수행되는 경우에도 배터리 관리 제어기의 온도를 과다 상승시켜 부품소손 및 발화의 원인을 제공할 수 있다.
그리고, 상기와 같이 스위치 불량이나 프로세서의 오류에 의해 셀 전압이 과도하게 낮아져 진단을 정상적으로 수행하여 메인 릴레이를 오프하거나 안전플러그를 분리하더라도 과열로 인한 부품 소손 및 발화의 원인을 해소할 소 없다.
따라서, 이러한 과열 위험을 방지하기 위하여 셀 밸런싱의 동작을 7 : 3 혹은 8 : 2의 비율로 제한하고 있으나 셀 밸런싱 스위치의 소손 혹은 스위칭 제어의 오류로 인해 듀티제어가 불가능할 경우 배터리 관리 제어기의 소손 및 발화는 불가피한 현상이다.
이러한 현상은 배터리 팩을 구성하는 셀의 개수가 많아질수록 더욱 과다하게 발생되어 하이브리드 자동차(HEV), 전기자동차(EV)의 운행에서 심각한 위험성을 제공할 수 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 셀 밸런싱을 제어하는 배터리 관리 제어기의 온도를 모니터링하여 기준온도 이상의 과열로 판정되면 셀 밸런싱 동작을 중지시키고, 셀 밸런싱 스위치의 소손이나 스위칭 제어의 오류가 판단되면 셀 밸런싱 동작의 강제 종료를 제공하여 셀 밸런싱에 안전성 및 신뢰성을 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 배터리 팩에 구성되는 각 셀의 전압을 검출하여 셀 밸런싱이 필요한 셀이 추출되면 밸런싱 듀티를 결정하여 방전 제어를 실행하는 셀 밸런싱 제어부; 상기 셀 밸런싱 제어부에서 인가되는 셀 밸런싱 듀티 신호에 따라 셀에 충전된 전압을 방전시키는 셀 밸런싱 실행부; 상기 셀 밸런싱 실행부의 전단에 배치되는 차단기; 배터리 관리 제어기 모듈의 온도를 상시 모니터링하여 제어부에 제공하는 온도검출부; 배터리 관리 제어기 모듈의 온도가 설정온도를 초과하면 셀 밸런싱을 실행하는 스위치의 폐쇄 고착 고장이나 셀 밸런싱 제어 오류에 의해 방전 지속으로 판정하여 셀 밸런싱을 강제 종료를 실행시키는 제어부; 제어부에서 인가되는 셀 밸런싱 강제 종료신호에 따라 차단기를 스위칭 오프시켜 셀 밸런싱 동작을 강제 차단시키는 보호회로부를 포함한다.
상기 셀 밸런싱 실행부는 배터리 팩에 구성되는 각 셀의 양단간에 스위치와 부하저항이 직렬로 연결되어 구성될 수 있다.
상기 차단기는 스위치로 구성되며, 상기 셀 밸런싱 실행부를 구성하는 각각의 스위치 전단에 직렬로 각각 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 제1스위치를 온으로 유지하고 제2스위치를 오프로 유지한 일반 운전상태에서 배터리 팩에 구성되는 각 셀 전압을 검출하여 셀 밸런싱이 필요한 셀을 추출하는 과정; 셀 밸런싱이 필요한 셀이 추출되는 셀 밸런싱 듀티를 결정한 다음 셀 밸런싱 듀티로 제2스위치를 온 오프시켜 부하저항을 통한 방전으로 셀 밸런싱을 실행하는 과정; 배터리 관리 제어기 모듈의 온도가 과열 위험인지 판단하는 과정; 배터리 관리 제어기 모듈의 온도가 설정온도를 초과하면 제1스위치를 오프시켜 셀 밸런싱 동작을 강제 종료시키는 과정을 포함하는 배터리 팩의 셀 밸런싱 제어방법이 제공된다.
상기 배터리 관리 제어기 모듈의 과열 위험은 셀 밸런싱을 실행하는 제2스위치의 폐쇄 고착 고장이나 셀 밸런싱 제어 오류에 의한 과방전으로 판정할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 배터리 관리 제어기가 셀 밸런싱을 제어하는 과정에서 설정온도를 초과하는 경우 셀 밸런싱을 중지시켜 부품소손 및 열화의 발생을 방지함으로써, 내구성 및 안전성을 제공할 수 있다.
또한, 셀 밸런싱 스위치의 고장이나 스위칭 제어의 오류로 인해 셀 밸런싱이 중단되지 않을 때 보조 스위치를 통해 셀 밸런싱을 강제 종료시켜 부품소손 및 발화의 위험에서 안정되게 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 셀 밸런싱 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 셀 밸런싱 제어절차를 개략적으로 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 셀 밸런싱 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예는 제어부(11)와 셀 밸런싱 제어부(12), 셀 밸런싱 실행부(13), 온도검출부(14), 보호회로부(15) 및 차단기(16)를 포함하여 배터리 관리 제어기에 구성된다.
제어부(11)는 배터리 관리 제어기의 제반적인 동작을 제어하는 메인 프로세서로 셀 밸런싱 유지를 위한 동작과 셀 밸런싱의 실행에 따라 배터리 관리 제어기 모듈의 온도를 검출하여 설정온도 이상을 초과하는 과열로 판정되면 셀 밸런싱을 강제 종료한다.
셀 밸런싱 제어부(12)는 배터리 팩(20)을 구성하는 각 셀의 전압을 검출하여 셀 밸런싱이 필요한 셀을 검출하고, 평균 전압 이상을 갖는 방전이 필요한 셀이 검출되면 해당 셀의 방전을 위한 밸런싱 듀티를 결정한 다음 결정된 듀티로 방전 제어를 실행하여 셀간 전압편차가 발생되지 않는 셀 밸런싱이 제공되도록 한다.
상기 배터리 팩(20)은 고전압의 출력을 위해 일정 용량의 전압을 충전할 수 있는 다수개의 셀, 예를 들어 88개의 셀이 직렬로 연결된다.
셀 밸런싱 실행부(13)는 배터리 팩(20)을 구성하는 각 셀의 양단간에 스위치와 부하저항이 직렬로 연결되어 구성되며, 상기 셀 밸런싱 제어부(12)에서 인가되는 셀 밸런싱 듀티 신호에 따라 스위치의 온 오프가 실행되어 부하저항을 통해 셀에 충전된 전압을 방전시킨다.
온도검출부(14)는 배터리 관리 제어기 모듈의 온도를 상시 모니터링하여 그에 대한 정보를 제어부(11)에 제공한다.
보호회로부(15)는 제어부(11)에서 인가되는 제어신호에 따라 차단기(16)를 스위칭 오프시켜 셀 밸런싱 동작을 강제로 차단한다.
상기 제어부(11)는 온도검출부(14)에서 모니터링되는 온도가 설정온도를 초과하는 경우 셀 밸런싱을 실행하는 스위치의 고장이나 셀 밸런싱의 제어 오류에 의해 과도한 방전이 지속되는 것을 판정되는 경우 보호회로부(15)를 통해 차단기(16)를 스위칭 오프시켜 셀 밸런싱 동작을 강제로 차단시킴으로써, 배터리 관리 제어기 모듈의 과열을 방지시켜 주변 부품의 소손 및 발열의 위험으로부터 안정된 보호를 제공한다.
차단기(16)는 상기 셀 밸런싱 실행부(13)의 전단에 배치되어 보호회로부(15)의 제어에 따라 셀 밸런싱 동작을 강제 종료시킨다.
상기 차단기(16)는 스위치로 구성되며, 상기 셀 밸런싱 실행부(13)에 구성되는 스위치의 전단에 직렬로 연결된다.
안전 플러그(20)는 배터리 팩(10)의 출력에 이상이 있거나 배터리 팩(10)을 장착하는 과정에서 고전압의 노출이 발생되지 않도록 하는 보호 기능을 실행한다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명의 동작은 다음과 같이 실행된다.
본 발명이 적용되는 배터리 팩의 셀 밸런싱 제어장치는 통상적인 운전상태에서(S101) 제어부(11)는 보호회로부(15)를 통해 차단기(16)로 구성되는 제1스위치를 온 상태로 유지하고와 셀 밸런싱 제어부(12)는 셀 밸런싱 실행부(13)에 구성되는 제2스위치는 오프 상태로 유지한다(S102).
이러한 통상적인 운전상태에서 셀 밸런싱 제어부(12)는 배터리 팩(20)을 구성하는 각 셀의 전압을 검출하여(S103) 셀 밸런싱이 필요한 셀이 검출되는지를 판단한다(S104).
상기 S104에서 셀 밸런싱 제어부(12)는 평균 전압 이상을 갖는 방전이 필요한 셀이 검출되면 해당 셀을 방전시키기 위한 밸런싱 듀티를 결정한 다음(S105) 결정된 듀티로 셀 밸런싱 실행부(13)에 구성되는 제2스위치를 온, 오프 동작시켜 제2스위치에 직렬로 연결되는 부하저항을 통해 셀에 충전된 전압을 방전시켜 셀간 전압편차가 발생되지 않는 셀 밸런싱이 제공되도록 한다(S106).
상기와 같이 셀 밸런싱 동작이 실행되는 상태에서 제어부(11)는 온도검출부(14)를 통해 배터리 관리 제어기 모듈의 온도를 상시 모니터링하여(S107) 모니터링되는 온도가 설정온도를 초과하는 과열 위험인지를 판단한다(S108).
상기 S108의 판단에서 제어부(11)는 과열 위험으로 판단되지 않으면 상기 S106으로 리턴되어 셀 밸런싱 동작이 지속적으로 유지될 수 있도록 한다.
그러나, 상기 S108의 판단에서 제어부(11)는 과열 위험으로 판단되면 셀 밸런싱을 실행하는 제2스위치의 폐쇄 고착 고장이나 셀 밸런싱의 제어 오류에 의해 과도한 방전이 지속되는 것으로 판정한다.
따라서, 제어부(11)는 보호회로부(15)를 통해 차단기(16)를 구성하는 제1스위치를 스위칭 오프시켜(S109) 셀 밸런싱 동작을 강제로 차단시킴으로써, 배터리 관리 제어기 모듈의 과열을 방지시켜 주변 부품의 소손 및 발열의 위험으로부터 안정된 보호를 제공한다(S110).
예를 들어, 배터리 팩(10)의 배터리 팩(20)을 구성하는 제2셀(Cell 2)의 충전전압이 평균 전압 이상으로 방전이 필요한 셀로 검출되면 셀 밸런싱 제어부(12)는 제2셀(Cell 2)을 방전시키기 위한 밸런싱 듀티를 결정한다.
그리고, 결정된 듀티로 셀 밸런싱 실행부(13)를 구성하는 제2스위치(S12)를 온, 오프 동작시켜 제2스위치(S12)에 직렬로 연결되는 부하저항(R2)을 통해 제2셀(Cell 2)에 충전된 전압을 방전시킨다.
이때, 제어부(11)는 온도검출부(14)를 통해 검출되는 배터리 관리 제어기 모듈의 온도가 설정온도를 초과하는 과열 위험의 상태로 판단되면 셀 밸런싱을 실행하는 제2스위치(S12)의 폐쇄 고착 고장이나 셀 밸런싱 제어부(12)에서 출력되는 제어 오류에 의해 과도한 방전이 지속되는 것으로 판정한다.
그리고, 제어부(11)는 보호회로부(15)를 통해 제2스위치(S12)의 전단에 직렬로 연결되는 제1스위치(S2)를 스위칭 오프시켜 셀 밸런싱 동작을 강제로 차단시킴으로써, 배터리 관리 제어기 모듈이 과열되는 것을 방지한다.
따라서, 배터리 관리 제어기를 구성하는 주변 부품의 열화 및 소손을 방지시켜 안정성을 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 추가, 삭제 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 포함된다고 할 것이다.
11 : 제어부 12 : 셀 밸런싱 제어부
13 : 셀 밸런싱 실행부 14 : 온도검출부
15 : 보호회로부 16 : 차단기

Claims (5)

  1. 배터리 팩에 구성되는 각 셀의 전압을 검출하여 셀 밸런싱이 필요한 셀이 추출되면 밸런싱 듀티를 결정하여 방전 제어를 실행하는 셀 밸런싱 제어부;
    상기 셀 밸런싱 제어부에서 인가되는 셀 밸런싱 듀티 신호에 따라 셀에 충전된 전압을 방전시키는 셀 밸런싱 실행부;
    상기 셀 밸런싱 실행부의 전단에 배치되는 차단기;
    배터리 관리 제어기 모듈의 온도를 상시 모니터링하여 제어부에 제공하는 온도검출부;
    배터리 관리 제어기 모듈의 온도가 설정온도를 초과하면 셀 밸런싱을 실행하는 스위치의 폐쇄 고착 고장이나 셀 밸런싱 제어 오류에 의해 방전 지속으로 판정하여 셀 밸런싱을 강제 종료를 실행시키는 제어부;
    제어부에서 인가되는 셀 밸런싱 강제 종료신호에 따라 차단기를 스위칭 오프시켜 셀 밸런싱 동작을 강제 차단시키는 보호회로부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 베터리 팩의 셀 밸런싱 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 실행부는 배터리 팩에 구성되는 각 셀의 양단간에 스위치와 부하저항이 직렬로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 셀 밸런싱 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차단기는 스위치로 구성되며, 상기 셀 밸런싱 실행부를 구성하는 각각의 스위치 전단에 직렬로 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 셀 밸런싱 제어장치.
  4. 제1스위치를 온으로 유지하고, 제2스위치를 오프로 유지한 일반 운전상태에서 배터리 팩에 구성되는 각 셀 전압을 검출하여 셀 밸런싱이 필요한 셀을 추출하는 과정;
    셀 밸런싱이 필요한 셀이 추출되는 셀 밸런싱 듀티를 결정한 다음 셀 밸런싱 듀티로 제2스위치를 온 오프시켜 부하저항을 통한 방전으로 셀 밸런싱을 실행하는 과정;
    배터리 관리 제어기 모듈의 온도가 과열 위험인지 판단하는 과정;
    배터리 관리 제어기 모듈의 온도가 설정온도를 초과하면 제1스위치를 오프시켜 셀 밸런싱 동작을 강제 종료시키는 과정;
    을 포함하는 배터리 팩의 셀 밸런싱 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 관리 제어기 모듈의 과열 위험은 셀 밸런싱을 실행하는 제2스위치의 폐쇄 고착 고장이나 셀 밸런싱 제어 오류에 의한 과방전으로 판정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 셀 밸런싱 제어방법.
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