KR20120065293A

KR20120065293A - 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20120065293A
Application number: KR1020120047114A
Authority: KR
Inventors: 강정수; 김도연
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2012-05-03
Publication date: 2012-06-20
Also published as: KR101402802B1

Abstract

본 발명은 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치 및 방법을개시한다. 본 발명에 따르면, 배터리에 포함된 각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 포함하는 전압 변화 거동에 의해 각 셀의 개방전압 또는 충전상태를 추정한다. 그리고 상기 추정된 각 셀의 개방전압 또는 충전상태를 상호 비교하여 셀 간의 개방전압 또는 충전상태 편차를 제거한다.
본 발명에 따르면, IR 드롭 모델에 의한 셀 출력전압의 오차를 보정하여 셀의 개방전압을 추정함으로써 보다 정확한 배터리의 충전상태 추정이 가능하다. 이러한 셀 충전상태의 정확한 추정은셀 밸런싱을 통해 배터리 셀의 충전상태편차를 실제적으로 해소하는데 기여한다. 또한 본 발명은 셀의 출력전압을 이용하여 셀의 충전상태를 추정하므로 배터리의 충/방전이 일어나고 있는 상황에서도 능동적인 셀 밸런싱을 수행하여 셀 간 충전상태의 편차를 최소화할 수 있다.

Description

배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치 및 방법{Apparatus and Method for cell balancing based on battery's voltage variation pattern}

본 발명은 배터리 팩 내에 포함된 다수 셀 간의 충전상태(State Of Charge; 이하, SOC라 함)를 밸런싱하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용하여 셀 간의 충전상태를 밸런싱하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기 자동차와 같이 고출력 제품에 탑재되는 배터리는 부하에 고전압을 공급하여야 하므로 직렬 또는 병렬 연결된 다수의 셀을 포함한다.

다수의 셀이 포함된 배터리를 방전시키면 각 셀의 자기 방전률 차이로 인해 시간이 지남에 따라 각 셀의 충전상태가 서로 달라진다. 이러한 충전상태의 불균형이 있는 상태에서 배터리의 방전이 계속되면 충전상태가 낮은 특정 셀이 과방전되어 배터리의 안정적 동작이 어려워진다. 따라서 종래에는 셀 간의 충전상태 불균형을 해소하기 위해 각 셀마다 충전회로(Boost) 또는 방전(Buck) 회로를 추가하여 충전상태가 상대적으로 높은 셀을 방전시키거나 충전상태가 상대적으로 낮은 셀을 충전시켜 셀 간의 충전상태 불균형을 해소하는 방법을 사용하고 있다.

배터리 셀 간의 충전상태 불균형을 제거하기 위해서는 각 셀의 충전상태를 정확하게 파악할 필요가 있다. 하지만 배터리 셀의 비선형성으로 인해 배터리 셀의 충전상태는 직접적인 측정이 불가능하다. 따라서 셀의 개방전압이나 방전전류 등 측정이 가능한 다른 전기적 파라미터를 측정하여 배터리 셀의 충전상태를 간접적으로 추정하고 있다.

개방전압을 이용한 충전상태 추정 방법은, 배터리 셀의 개방전압 별로 셀의 충전상태를 룩업 테이블의 형태로 미리 마련한 후 셀의 출력전압에 의해 셀의 개방전압을 계산한 후 룩업 테이블로부터 개방전압에 대응되는 셀의 충전상태를 맵핑하는 방법이다.

하지만, 배터리 셀의 충전 또는 방전이 일어나면 IR 드롭 현상에 의해 셀의실제 출력전압과 측정 출력전압 사이에 오차가 발생하게 되므로 단순히 셀의 출력전압을 이용하여 셀의 충전상태를 추정하면 정확도가 떨어지는 문제가 있다.

참고로, IR 드롭 현상은 셀이 부하에 연결되어 방전이 시작되거나 셀의 충전이 시작될 때 실제 셀 전압과 달리 셀의 측정 전압이 급격하게 변하는 현상을 말한다. 즉, 방전이 시작될 때에는 셀 전압이 급격하게 떨어지고, 충전이 시작될 때에는 셀 전압이 급격하게 올라간다.

충방전전류를 적산하여 셀의 충전상태를 추정하는 방법은, 셀의 충방전전류를 적산하여 적산된 전류량을 통해 셀의 충전상태를 추정하는 방법이다. 이 방법은 비교적 간단하게 셀의 충전상태를 추정할 수 있다는 장점이 있지만, 전류를 측정하는 과정에서 발생되는 오차가 시간이 지남에 따라 계속 누적되어 충전상태 추정의 정확도가 시간이 지남에 따라 떨어지는 문제가 있다.

최근에는 셀의 전압, 전류, 온도 등 측정 가능한 다양한 전기적 파라미터로부터 셀의 충전상태를 계산하는 수학적 모델을 수립한 후 수학적 모델을 이용하여 셀의 충전상태를 추정하는 다양한 방법들이 제시되고 있다. 하지만, 수학적 모델의 복잡성으로 인해 배터리 충전상태의 추정시간이 오래 걸릴 뿐 아니라, 복잡한 연산을 수행하기 위해 높은 하드웨어 사양이 필요하다는 점이 한계로 지적되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 측정 오차가 누적되지 않는 배터리 출력전압을 이용하여 배터리의 개방전압과 충전상태를 정확하게 추정하여 배터리 셀 간의 충전상태를 밸런싱하는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치는, 배터리에 포함된 포함된 복수의 셀을 밸런싱하는 장치로서, 각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 포함하는 전압 변화 거동에 의해 각 셀의 개방전압을 추정하는 개방전압 추정 수단; 및 상기 추정된 각 셀의 개방전압을 비교하여 밸런싱이 필요한 셀을 선택하고, 선택된 셀에 대응되는 밸런싱 회로를 제어하여 셀의 충전상태를 밸런싱하는 셀 밸런싱 수단을 포함한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치는, 배터리 팩에 포함된 복수의 셀을 밸런싱하는 장치로서, 각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 포함하는 전압 변화 거동에 의해 각 셀의 개방전압을 추정하는 개방전압 추정 수단; 상기 개방전압으로부터 각 셀의 충전상태를 추정하는 충전상태 추정 수단; 및 상기 추정된 각 셀의 충전상태를 비교하여 밸런싱이 필요한 셀을 선택하고, 선택된 셀에 대응되는 밸런싱 회로를 제어하여 셀의 충전상태를 밸런싱하는 셀 밸런싱 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 개방전압 추정 수단은, 각 셀 전압을 측정하는 전압 센싱부; 각 셀의 온도를 측정하는 온도 센싱부; 상기 전압 센싱부 및 온도 센싱부로부터 주기적으로 각 셀 전압과 온도 데이터를 입력 받아 메모리부에 저장하는 데이터 저장부; 셀 전압에 대한 변화 거동과 개방전압 변화량 사이의 상관 관계를 정의한 수학적 모델을 적용하여 상기 메모리부에 저장된 현재 및 과거에 측정된 각 셀의 전압들의 변화 거동으로부터 각 셀의 개방전압 변화량을 계산하고, 각 셀의 온도에 대응하는 보정 팩터를 상기 계산된 각 셀의 개방전압 변화량에 반영하여 현재 단계의 각 셀에 대한 개방전압 변화량을 추정하는 개방전압 변화량 추정부; 및 직전 단계에서 추정된 각 셀의 개방전압에 상기 추정된 각 셀의 개방전압 변화량을 반영하여 각 셀에 대한 현재 단계의 개방전압을추정하는 개방전압 추정부를 포함한다.

본 발명에서, 상기 충전상태 추정부는 개방전압 및 온도별로 충전상태를 정의한 룩업 테이블을 참조하여 각 셀의 개방전압과 온도에 대응되는 충전상태를 추정한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 밸런싱 회로는 방전회로이고, 상기 셀 밸런싱 수단은, 개방전압 또는 충전상태가 일정한 기준보다 높은 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀에 대응하는 방전회로를 동작시켜 셀의 충전상태를 감소시킨다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 밸런싱 회로는 충전회로이고, 상기 셀 밸런싱 수단은, 개방전압 또는 충전상태가 일정한 기준보다 낮은 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀에 대응하는 충전회로를 동작시켜 셀의 충전상태를 증가시킨다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 밸런싱 회로는 충전회로와 방전회로를 포함하고, 상기 셀 밸런싱 수단은, 개방전압 또는 충전상태가 일정한 범위를 벗어나는셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀 중 개방전압 또는 충전상태가 상기 범위의 상한 보다 높은 셀은 대응하는 밸런싱 회로를 방전회로로 스위칭하여 셀의 충전상태를 감소시키고, 선택된 셀 중 개방전압 또는 충전상태가 상기 범위의 하한 보다 낮은 셀은 대응하는 밸런싱 회로를 충전회로로 스위칭하여 셀의 충전상태를 증가시킨다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법은, 배터리에 포함된 복수의 셀을 밸런싱하는 방법으로서, 각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 포함하는 전압 변화 거동에 의해 각 셀의 개방전압을 추정하는 단계; 및 상기 추정된 각 셀의 개방전압을 비교하여 각 셀의 충전상태를 밸런싱하는 단계;를 포함한다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법은, 배터리에 포함된 복수의 셀을 밸런싱하는 방법으로서, 각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 포함하는 전압 변화 거동에 의해 각 셀의 개방전압을 추정하는 단계; 상기 개방전압으로부터 각 셀의 충전상태를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 각 셀의 충전상태를 비교하여 각 셀의 충전상태를 밸런싱하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, IR 드롭 현상과 온도 변화에 의해 발생되는 셀 출력전압의 오차를 보정하여 셀의 개방전압을 추정함으로써 보다 정확한 배터리의 충전상태 추정이 가능하다. 특히, 본 발명은 셀 전류를 이용하지 않고 셀의 충전상태를 추정하므로 기존의 전류 적산 방법에 비해 정확하게 배터리의 충전상태를 추정할 수 있다. 이러한 셀 충전상태의 정확한 추정은 배터리 셀의 충전상태 편차를 실제적으로 해소하는데 기여한다. 또한 본 발명은 셀의 출력전압을 이용하여 셀의 충전상태를 추정하므로 배터리의 충/방전이 일어나고 있는 상황에서도 능동적인 셀 밸런싱을 수행하여 셀 간 충전상태의 편차를 최소화할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명의실시예에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 밸런싱 모듈의 기능적 블록을도시한 블록 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법의절차 흐름도이다.
도 4는 실험예1에 따른 충방전 사이클이 적용되었을 때, 본 발명에의해 배터리의 충전상태가 추정된 경우와 종래의 전류 적산 방법에 의해 배터리의 충전상태가 추정되었을 때 각 충전상태 값을 서로 비교한 그래프이다.
도 5는 실험예1에서 제안된 조건의 충방전 사이클에서 본 발명에 의해 추정된 배터리 개방전압과 실제 측정한 배터리 출력전압을 비교한 그래프이다.
도 6은 250초의 충방전 주기와 10분간의 휴지기를 설정한 경우, 본 발명에 의해 추정된 OCV와 실제 측정한 배터리 출력전압을 비교한 그래프이다.
도 7은 500초의 충방전 주기와 10분간의 휴지기를 설정한 경우, 본 발명에 의해 추정된 OCV와 실제 측정한 배터리 출력전압을 비교한 그래프이다.
도 8은 실험예2의 조건에서 38번에 걸쳐 배터리의 온도, 측정된 개방전압, 추정된 개방전압, 측정된 개방전압과 추정된 개방전압의 차이값(에러값), 측정된 충전상태, 추정된 충전상태, 및 측정된 충전상태와 추정된 충전상태의 차이값(에러값)에 대한 수치를 비교 분석한 표이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치(10)는, 전압 센싱부(11), 온도 센싱부(12), 메모리부(13) 및 제어부(14)를 구비한다. 도면에서, 배터리는 직렬로 연결된 n개의 셀(C1 ~ Cn)을 포함하는 것으로 도시하였는데, n개의 셀(C1 ~ Cn)은 병렬로 연결되어도 무방하다. 배터리는 통상적인 경우와 마찬가지로 부하(15)에 연결되어 전원을 공급한다.

상기 전압 센싱부(11)는 배터리에 포함된 각 셀(C1 ~ Cn)의 출력전압을 주기적으로 측정하여 제어부(14) 측으로 출력한다.

상기 온도 센싱부(12)는 배터리에 포함된 각 셀(C1 ~ Cn)의 온도를 주기적으로 측정하여 제어부(14)로 출력한다.

상기 메모리부(13)는 사전에 실험을 통해 얻어진 온도별 및 개방전압별 셀 충전상태 정보, 각 셀(C1 ~ Cn)로부터 주기적으로 얻어지는 출력전압과 온도 데이터, 각 셀 별로 산출되는 개방전압과 충전상태 정보, 그리고 각 셀(C1~Cn)의 개방전압과 충전상태를 추정하여 각 셀을 밸런싱하는 셀 밸런싱 모듈을 저장하는 기록매체이다.

여기서, 상기 온도별 및 개방전압별 셀 충전상태 정보와 상기 셀 밸런싱 프로그램은 메모리부(13)의 비 휘발성 영역에 저장된다. 따라서, 온도별 및 개방전압별 셀 충전상태에 관한 데이터와 상기 셀 밸런싱 프로그램은 메모리부(13)에 전원이 공급되지 않더라도 소실되지 않는다.

상기 전압 센싱부(11)와 온도 센싱부(12)에 의해 측정된 각 셀(C1 ~ Cn)의 출력전압, 온도 데이터, 추정된 개방전압 및 충전상태 정보는 메모리부(13)의 휘발성 영역에 저장된다. 따라서 상기 각 데이터의 저장은 메모리부(13)에 전원이 공급되고 있을 때에만 저장되고 유지된다.

상기 제어부(14)는 장치 초기화 시 메모리부(13)로부터 셀 밸런싱 프로그램을 로딩하고, 상기 전압 센싱부(11) 및 온도 센싱부(12)로부터 주기적으로 각 셀(C1~ Cn)의 출력전압과 온도 데이터를 입력 받아 상기 메모리부(13)에 저장하고, 저장된 데이터를 기초로 셀 별로 개방전압과 충전상태를 추정하여 충전상태 또는 개방전압의 셀 간 편차를 제거하기 위해셀 밸런싱을 수행한다.

본 발명에서, 배터리 셀(C1 ~ Cn)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 반복적인 충방전이 가능한 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.

또한, 부하(15)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 비디오 카메라, 휴대용 전화기, 휴대용 PC, PMP, MP3 플레이어 등과 같은 휴대용 전자기기, 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 모터, DC to DC 컨버터 등으로 구성할 수 있다.

도 2는 본 발명의바람직한 실시예에 따른 셀 밸런싱 모듈(20)의 기능적 블록을 보인 블록 다이어그램이다.

도 2를 참조하면, 상기 셀 밸런싱 모듈(20)은, 데이터 저장부(21), 개방전압 변화량 추정부(22), 개방전압 추정부(23), SOC 추정부(24) 및 셀 밸런싱부(25)를 포함한다.

상기 데이터 저장부(21)는 도 1에 도시된 전압 센싱부(11) 및 온도 센싱부(12)로부터 주기적으로 각 셀(C1 ~ Cn)의 출력전압 및 온도 데이터를 입력 받아 상기메모리부(13)에 저장한다. 각 셀(C1 ~ Cn)의 출력전압 및 온도 데이터를 센싱하는 주기는 셀 밸런싱 주기에 대응하는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 데이터 저장부(21)가 n(n≥3, n은 정수)번째 측정 주기에서 메모리부(13)에 각 셀(C1 ~ Cn)의 출력전압 및 온도 데이터를 저장하면, 개방전압 변화량 추정부(22)는 셀 별로 개방전압 변화량을 추정한다.

구체적으로, 상기 개방전압 변화량 추정부(22)는 셀 별로 개방전압을 추정하기 위해 각 셀(C1 ~ Cn)이 보인 셀 출력전압의 변화 패턴을 이용하여 셀의 이전 단계 개방전압을 기준으로 셀의 개방전압 변화량을 추정한다. 즉 상기 개방전압 변화량 추정부(242)는 셀의 이전 단계 개방전압을 기준으로 현재 단계의 개방전압이 어느 정도 변화되었을 것인지를 추정한다.

구체적으로, 상기 개방전압 변화량 추정부(22)는 n번째 측정 주기에서 각 셀(C1 ~ Cn)의 출력전압과 온도 데이터가 메모리부(13)에 모두 저장되면, 셀 별로 메모리부(13)로부터 현재 단계의셀 출력전압, 이전 단계의 셀 출력전압 그리고 현재 단계의 셀 온도를 리드한다. 그런 다음, 하기 수학식1에 의해 개방전압 변화량 △OCV_n(k) 을 추정한다.

[수학식1]

△OCV_n(k) = = OCV_n(k)- OCV_n _-1(k) = G(V)×F(T)

상기 수학식1에서, n은 개방전압 변화량 추정의 순서 인덱스이고, k는 셀의 순서 인덱스이다. 따라서 △OCV_n(k)는 k번째 셀에 대하여 n번째로 추정된 개방전압 변화량을 나타낸다.

상기 수학식1에서, G(V)는 현재 단계와 이전 단계의 셀 출력전압 변화량 'V_n - V_n _-1'을 개방전압 변화량 △OCV_n(k)로 맵핑하는 개방전압 변화량 연산 함수이고, F(T)는 온도에 따른 개방전압 변동 효과를 반영하여 셀의 온도에 따라 개방전압 변화량 △OCV_n(k)을 보정하는 개방전압 보정 함수이다. 여기서, 상기 V_n과 V_n _-1은 개방전압 변화량의 추정 대상이 되는 배터리 셀(Ck)의 출력전압이다.

상기 G(V)는 셀 출력전압의 변화량을 개방전압 변화량으로 그대로 환산하지 않고 IR 드롭 현상에 의한 셀 출력전압의 오차(측정 전압과 실제 전압의 차이)를 보정하여 환산하는 함수이다. 즉 G(V)는 셀 출력전압 변화량이 이전 측정 단계를 기준으로 한 셀 출력전압 변화량보다 커지는 경향이 있으면 셀 출력전압의 변화량을 감쇄시켜 셀 개방전압 변화량으로 출력하고, 셀 출력전압 변화량이 이전과 동일하게 유지되는 경향이 있으면 셀 출력전압의 변화량을 그대로 셀 개방전압 변화량으로 출력하고, 셀 출력전압의 변화량이 이전보다 감소하는 경향이 있으면 셀 출력전압 변화량을 조금 증폭시켜 셀 개방전압 변화량으로 출력한다.

G(V)는 특정한 온도 조건에서 셀 출력전압의 변화 패턴과 이에 대응되는 개방전압 변화량 사이의 상관관계를 수치분석을 통한 수학적 모델링을 통해 얻을 수 있다.

예를 들어, 상기 G(V)는 셀 출력전압과 셀 개방전압이 측정 가능한 실험실 조건에서 배터리에 포함된 셀과 동일한 조건을 갖는 표준 셀을 만충시킨 후 방전전류를 불규칙하게 변화시키면서 셀 방전을 하는 동안 일정한 주기로 셀의 출력전압과 무부하 상태의 개방전압을 측정하여 셀 출력전압 V_n, V_n _-1및 V_n _-2의 변화 패턴과 이에 대응하는 개방전압 변화량 사이에 존재하는 함수적 상관 관계를 수학적으로 분석하여 산출할 수 있다. 여기서, 셀 출력전압의 변화패턴을 구성하는 셀 출력전압의 수는 4개 이상으로 확장 가능하다.

상기 G(V)는 다음 수학식 2와 같이 일반화하여 정의할 수 있다.

[수학식 2]

G(V) = [V_n -V_n _-1] × g(V_n, V_n _-1, V_n _-2, …)

여기서, g(V_n, V_n _-1, V_n _-2,…)는 표준 셀 출력전압의 변화 패턴을 정의하는 패턴 함수이다. 상기 '…' 기호는 현재 시점에서 측정된 셀 출력전압을 포함하여 3개 이상의 셀 출력전압에 의해 패턴 함수가 정의될 수 있다는 것을 의미한다. 상기 패턴 함수 g는 실험적으로 얻은 다수의 셀 출력전압 변화량과 셀 개방전압 변화량 사이의 상관 관계를 분석하여 정의한다. 일 예로, 함수 g는 현재 단계의 출력전압 변화량을 기준으로 전 단계의 출력전압 변화량의 상대적 비율로 정의할 수 있다. 물론, 본 발명은 패턴 함수의 구체적인 수식에 의해 한정되지 않음은 물론이다.

한편 셀의 내부저항은 온도에 따라 변화한다. 셀의 내부저항이 변하면 충전 또는 방전조건이 동일하여도 셀 출력전압 패턴과 셀 개방전압 변화량이 달라진다. 이러한 점을 감안하여, 상기 F(T)는 G(V)에 의해 계산된 개방전압 변화량을 셀의 온도 조건에 따라 보정한다. 다시 말해, F(T)는 셀의 온도가 G(V)의 산출 조건으로 설정한 온도와 차이가있는 경우 G(V)에 의해 추정된 개방전압 변화량을 보정하는 함수이다. 상기 F(T)는 온도를 일정한 간격으로 변화시키면서 셀 출력전압의 변화 패턴과 셀 개방전압 변화량의 상관관계를 분석하여 산출할 수 있다. 즉 F(T)는 일정한 간격, 예컨대 1℃ 간격으로 설정한 각각의 측정 온도에서 셀 출력전압 패턴이 동일하게 되도록 실험 조건을 설정한 상태에서 셀의 개방전압 변화량의 변화폭을 정량적으로 측정하고 온도 T와 셀의 개방전압 변화량을 각각 입력 변수와 출력 변수로 하는 수학적 모델링을 통해 구할 수 있다. 이렇게 얻어진 F(T)는 셀의 온도 T를 입력 변수로 하여 셀 개방전압 변화량의 보정 팩터를 출력하는 함수가 된다. 계산의 단순화를 위해 각 T 값에 따른 보정 팩터는 룩업 테이블로 구성하여 메모리부(13)에 수록하고 셀 개방전압 변화량을 계산할 때 상기 룩업 테이블에 수록된 온도 별 보정 팩터를 참조할 수 있다.

상기 개방전압 추정부(23)는 n번째 측정 주기에서 각 셀(C1 ~ Cn)에 대한 개방전압 변화량의 계산이 완료되면, 셀 별로 상기 메모리부(130)로부터 과거에 추정된 개방전압인 n-1차 개방전압을 리드한 후, n-1차 개방전압에 상기 개방전압 변화량 추정부(22)에서 추정된 개방전압 변화량을 가산하여 n차 개방전압을 추정한다.

바람직하게, 상기 개방전압 추정부(23)는 셀 별로 개방전압을 추정함에 있어서 현 단계의 셀 출력전압 V_n과 이전 단계에서 측정된 셀 출력전압 사이의 가중평균 V_n(meanvalue)을 하기 수학식 3을 통해서 산출한다.

[수학식 3]

V_n ₍ _meanvalue ₎ = (A₁*V₁+A₂*V₂+…+A_n _-1*V_n _-1+ A_n*V_n)/A_total

A_total = A₁ + A₂ + A₃+ … + A_n

하기 수학식 3에서, A_p(1≤p≤n)는 p 값이 증가할수록 감소한다. 예를 들어 n=10인 경우, A_p 값은 10으로부터 시작하여 1씩 감소하는 값을 가질 수 있다. 대안적인 예에서, 상기 수학식 3에서 A₁*V₁+A₂*V₂+…+A_n _-2*V_n _-2는생략하여도 무방하다. 이런 경우도 A_p 값의 경향성은 상기한 바와 동일하게유지된다. A₁*V₁+A₂*V₂+…+A_n _-2*V_n _-2은 0으로 간주하고 A_n보다 A_n _-1에 상대적으로 큰 값을 부여할 수 있다. 예를 들어 A_n _-1과 A_n에 각각 90 및 10의 값을 부여할 수 있다.

상기 개방전압 추정부(23)는 셀 별로 산출된 가중평균 V_n ₍ _meanvalue ₎과 각 셀의 개방전압 OCV_n _-1의 차분을 상기 추정된 n차 개방전압에 가산하여 추가적인 보정을 수행함으로써 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 개방전압의 추정 값을 다시 한번 보정할 수 있다. 가중평균을 산출하여 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 개방전압에 추가적인 보정을 행하면, 배터리 셀로부터 출력되는 출력전압이 급격하게 변화되더라도 추정된 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 개방전압에 대한 오차를 줄일 수 있다.

상기 개방전압 추정부(23)는 각 셀(C1 ~ Cn)에 대한 n차 개방전압의 추정이 완료되면, 각 개방전압 값을 메모리부(13)에 저장한다.

상기 SOC 추정부(24)는 개방전압 추정부(23)가 추정한 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 개방전압과, n차 개방전압 추정 시 측정한 각 셀(C1 ~ Cn)의 온도에 해당하는 배터리의 충전상태를 상기 메모리부(13)에 저장된 온도별 및 개방전압별 배터리 충전상태 정보로부터 맵핑하여 출력한다.

상기 온도별 및 개방전압별 충전상태 정보는 하기 표 1과 같은 룩업테이블 형태로 구축될 수 있다.

상기 SOC 추정부(24)는 표 1과 같은 온도별 및 개방전압별 충전상태 정보를 수록한 룩업 테이블에서 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 개방전압 및 온도를 맵핑하여 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 충전상태를 추정한다. 예컨대, 특정 셀의 n차 개방전압이 2.97이고, n차 개방전압의 추정시 측정한 셀의 온도가 -30도라면 해당 셀의 n차 충전상태는 2%가 된다.

상기 SOC 추정부(24)는 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 충전상태에 대한 추정이 완료되면, 각 충전상태 값을 메모리부(13)에 저장한다.

상기 셀 밸런싱부(25)는 n차 측정주기에서 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 개방전압 또는 n차 충전상태가 메모리부(13)에 저장되고 나면, 각 셀간의 충전상태 편차를 계산한다. 충전상태 편차는 전체 셀(C1 ~ Cn)의 충전상태에 대한 평균을 구한 후 각 셀(C1 ~ Cn)의 충전상태와 충전상태 평균과의 차이 값을 셀의 충전상태 편차로 정의할 수 있다. 하지만 본 발명은 셀의 충전상태 편차를 정의하는 구체적인 방법에 의해 한정되지 않는다.

상기 셀 밸런싱부(25)는 각 셀(C1 ~ Cn)의 충전상태 편차에 대한 계산이 완료되면, 셀 밸런싱이 필요한 셀을 지정한다. 셀 밸런싱이 필요한 셀은 다음과 같은 여러 가지 방식으로 지정할 수 있다.

제1방식: 충전상태 편차가 일정한 레벨(예컨대, 10%)보다 큰 셀을 셀 밸런싱이 필요한 셀로 지정한다.

제2방식: 충전상태 편차가 일정한 레벨(예컨대, -10%)보다 작은 셀을 셀 밸런싱이 필요한 셀로 지정한다.

제3방식: 충전상태 편차가 일정 범위를(예컨대, -10% ~ 10%) 벗어나는 셀을 셀 밸런싱이 필요한 셀로 지정한다.

상기 셀 밸런싱부(25)는 셀 밸런싱이 필요한 셀의 지정이 완료되면, 지정된 셀과 연결된 밸런싱 회로(Bk)에 밸런싱 제어 신호를 인가하여 일정한 시간 동안 밸런싱 회로(Bk)를 동작시킴으로써 셀의 충전상태 편차를 제거한다.

상기 제1방식에 따르면, 상기 밸런싱 회로(Bk)는 방전회로인 것이 바람직하다. 이런 경우, 상기 셀 밸런싱부(25)는 셀 밸런싱이 필요한 각 셀에 대한 방전시간을 미리 계산하고, 각 밸런싱 회로를 계산된 시간 동안 동작시켜 셀 밸런싱을 수행할 수 있다. 각 셀의 방전시간은 셀의 충전상태 편차를 제거하기 위한 셀의 방전용량을 계산한 후 계산된 셀의 방전용량과 밸런싱 회로(Bk)의 방전효율을 고려하여 계산한다.

상기 제2방식에 따르면, 상기 밸런싱 회로(Bk)는 충전회로인 것이 바람직하다. 이런 경우, 상기 셀 밸런싱부(25)는 셀 밸런싱이 필요한 각 셀에 대한 충전시간을 미리 계산하고, 각 밸런싱 회로를 계산된 시간 동안 동작시켜 셀 밸런싱을 수행할 수 있다. 각 셀의 충전시간은 셀의 충전상태 편차를 제거하기 위한 셀의 충전용량을 계산한 후 계산된 셀의 충전용량과 밸런싱 회로(Bk)의 충전효율을 고려하여 계산한다. 상기 밸런싱 회로(Bk)가 충전회로로 구성되는 경우, 밸런싱 회로(Bk)는 외부 전원(미도시)으로부터 충전전류를 입력 받거나 충전상태가 높은 다른 배터리 셀로부터 충전전류를 입력 받는다. 상기 외부 전원은 DC to DC 컨버터일 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.

상기 제3방식에 따르면, 상기 밸런싱 회로(Bk)는 충전회로 및 방전회로를 포함한다. 이런 경우, 상기 셀 밸런싱부(25)는 셀 밸런싱이 필요한 각 셀에 대한 충전시간 또는 방전시간을 미리 계산하고, 각 밸런싱 회로(Bk)를 계산된 시간 동안 충전모드 또는 방전모드로 동작시켜 셀 밸런싱을 수행한다. 상기 셀 밸런싱부(25)는 충전상태가 일정 값을 넘어서는 셀에 대해서는 해당 셀과 연결된 밸런싱 회로(Bk)를 방전회로로 스위칭하여 동작시킨다. 반대로, 상기 셀 밸런싱부(25)는 충전상태가 일정 값보다 작은 셀에 대해서는 해당 셀과 연결된 밸런싱 회로(Bk)를 충전회로로 스위칭하여 동작시킨다. 특정 셀이 충전될 때 셀충전시간은 셀의 충전상태 편차를 제거하기 위한 셀의 충전용량과 밸런싱 회로에 포함된 충전회로의 충전효율을 고려하여 계산한다. 또한, 특정 셀이 방전될 때 셀 방전시간은 셀의 충전상태 편차를 제거하기 위한 셀의 방전용량과 밸런싱 회로에 포함된 방전회로의 방전효율을 고려하여 계산한다. 상기 밸런싱 회로(Bk)가 충전회로로 동작하는 경우, 밸런싱 회로(Bk)는 상기 제2방식과 마찬가지로 외부 전원 또는 충전상태가 높은 비 밸런싱 셀로부터 충전전류를 입력 받을 수 있다.

한편, 상기 셀 밸런싱부(25)는 각 셀의 충전상태 편차에 기초하여 셀 밸런싱 동작을 수행할 수도 있지만, 대안적으로는 각 셀의 개방전압에 기초하여 셀 밸런싱 동작을 수행할 수도 있다. 이런 경우, 상기 셀 밸런싱부(25)는 각 셀(C1 ~ Cn)의 n차 개방전압을 메모리부(13)로부터 리드한 후 각 셀(C1 ~ Cn)의 개방전압 편차를 계산하고, 개방전압 편차가 밸런싱 기준에 부합되는 셀을 밸런싱 대상 셀로 선정하고, 선정된 셀의 밸런싱을 위해 필요한 충전시간 또는 방전시간을 계산하고, 계산된 시간 동안 선정된 셀에 연결된 밸런싱 회로(Bk)를 동작시켜 각 셀의 개방전압 편차를 제거한다.

여기에서, 밸런싱 대상 셀의 선정은 상술한 제1 ~ 3방식과 유사한 방식으로 한다. 즉, 개방전압 편차가 일정한 레벨(예컨대, 0.5V)보다 큰 셀을 셀 밸런싱이 필요한 셀로 지정하거나, 개방전압 편차가 일정한 레벨(예컨대, -0.5V)보다 작은 셀을 셀 밸런싱이 필요한 셀로 지정하거나, 개방전압 편차가 일정 범위(예컨대, -0.5V ~ 0.5V)를 벗어나는 셀을 셀 밸런싱이 필요한 셀로 지정한다.

밸런싱이 필요한 셀의 충전시간은 개방전압 편차를 제거하기 위해 필요한 셀의 충전용량과 밸런싱 회로(Bk)의 충전효율을 감안하여 계산하고, 밸런싱이 필요한 셀의 방전시간은 개방전압 편차를 제거하기 위해 필요한 셀의 방전용량과 밸런싱 회로(Bk)의 방전효율을 감안하여 계산한다.

상기 셀 밸런싱부(25)가 각 셀(C1 ~ Cn)의 개방전압 편차에 의해 셀 밸런싱을 수행할 경우 밸런싱 회로(Bk)의 동작 형태는 상술한 바와 실질적으로 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.

본 발명에서, 각 셀(C1 ~ Cn)의 출력전압과 온도 데이터에 기초한 개방전압과 충전상태 추정, 그리고 충전상태 또는 개방전압 편차에 기초한 셀 밸런싱은 일정한 주기를 가지고 반복될 수 있을 것임은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

상술한 실시예에서, 셀 밸런싱 모듈(20)은 프로그램으로 구현되는 것으로 설명되었다. 하지만 셀 밸런싱 모듈(20)은 ASIC과 같은 주문형 반도체 기술을 이용하여 논리 회로 모듈로 구현하는 것도 가능하다. 이런 경우 상기 제어부(14)는 상기 셀 밸런싱 모듈(20)의 기능을 구현하는 논리 회로 모듈을 포함할 것임은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

도 3은 본 발명에 따른 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법의 순서를 도시한 절차 흐름도이다. 이하의 설명에서, 각 단계의 수행 주체는 도 1에 도시된 셀 밸런싱 장치의 제어부(14)임을 미리 밝혀둔다.

먼저, 단계(S10)에서, 배터리에 부하가 연결되기 직전에 셀 별로 1차 출력전압과 온도를 측정한다. 여기서, 상기 1차 출력전압은 무부하 상태의 출력전압이므로 1차 개방전압에 해당한다.

단계(S20)에서는, 셀 별로 S10 단계에서 측정된 1차 출력전압을 각 셀의 1차 개방전압(OCV₁) 및 2차 개방전압(OCV₂) 값으로 할당하여 각 셀의 1차 개방전압(OCV₁) 및 2차 개방전압(OCV₂)을 초기화 시킨다.

마찬가지로, 단계(S30)에서는, 셀 별로 1차 출력전압을 1차 출력전압(V₁) 및 2차 출력전압(V₂) 값으로 할당하여 각 셀의 1차 출력전압(V₁) 및 2차 출력전압(V₂)도 초기화 시킨다.

단계(S40)에서는, 배터리의 셀 밸런싱 주기가 도래되었는지 판단한다. 여기서셀 밸런싱 주기는 임의로 설정이 가능하다.

단계(S50)은 셀 밸런싱 주기가 도래되었을 때 진행되는 단계로서, 전압 센싱부(11)와 온도 센싱부(12)를 통해 각 셀의 n차 출력전압과 온도를 센싱하여 메모리부(13)에 저장한다. 참고로, 단계(S50)에서 n에는 3이 할당되어 있다.

단계(S60)에서는, 각 셀의 출력전압 변화패턴과 온도에 의해 각 셀의 n차 개방전압 변화량을 추정한다. n차 개방전압 변화량 추정 시 사용하는 수학식은 이미 설명하였다. n 값은 현재 3이므로 각 셀의 출력전압 변화패턴은 3차, 2차 및 1차 출력전압의 변화패턴이다. 하지만 n이 4이상이 되면 각 셀의 출력전압 변화패턴은 4개 이상의 출력전압에 대한 변화패턴일 수도 있다.

단계(S70)에서는, 셀 별로 n-1차 개방전압에 n차 개방전압 변화량을 가산하여 n차 개방전압을 추정한다. 현재 n은 3이므로, 단계 S70은 셀 별로 2차 개방전압에 3차 개방전압 변화량을 가산하여 3차 개방전압을 추정하는 단계이다.

단계(S80)은 선택적으로 진행할 수 있는 단계로서, 셀 별로 n차 출력전압과 n차 이전 출력전압 사이의 가중평균을 산출하고, 산출된 가중평균과 n-1차 개방전압의 차분을 n차 개방전압에 가산하여 n차 개방전압을 추가적으로 보정한다. 가중평균의 계산에 사용하는 수학식은 이미 설명하였다.

단계(S90)에서는, 셀 별로 추정된 n차 개방전압과 측정된 온도에 해당하는 셀의 충전상태를 온도별 및 개방전압별 충전상태 정보를 수록한 룩업 테이블로부터 맵핑하여 셀의 n차 충전상태 정보를 추정한다.

단계(S100)에서는, 각 셀의 n차 충전상태 또는 n차 개방전압의 셀 간 편차를 산출하여 밸런싱 대상 셀을 지정한다. 이 때, 밸런싱 대상 셀이 존재하지 않으면 나머지 프로세스는 종료된다. 각 셀의 충전상태 또는 개방전압 편차의 계산 방법은 이미 설명하였다.

단계(S110)에서는, 밸런싱 대상 셀로 지정된 셀과 연결된 밸런싱 회로를 제어하여 해당 셀을 충전 또는 방전시킴으로써 충전상태 편차 또는 개방전압 편차를 제거한다. 지정된 셀의 밸런싱 방식과 각 방식에 따른 밸런싱 회로의 구체적인 제어 방법은 이미 설명하였다.

단계(S120)에서는, 부하가 아직 연결되어 있는지 여부를 판단한다.

단계(S130)에서는, 배터리에 부하가 연결되어 있다고 판단된 경우 진행되는 단계로서, 배터리의 셀 밸런싱 주기가 도래되었는지 판단한다.

단계(S140)은 배터리의 셀 밸런싱 주기가 도래되었다고 판단된 경우 진행되는 단계로서, n의 값을 1 증가시킨 상태에서 프로세스를 단계(S50)으로 이행한다. 그러면, 각 셀에 대한 n+1차 개방전압 변화량 추정, n차 개방전압과 추정된 n+1차 개방전압 변화량의 합산에 의한 n+1차 개방전압 추정, 출력전압의 가중평균과 n차 개방전압의 차분에 의한 추정된 n+1차 개방전압의 보정, 룩업 테이블을 이용한 n+1차 충전상태의 추정, 추정된 n+1차 충전상태 또는 n+1차 개방전압의 셀 간 편차에 의한 셀 밸런싱 과정이 반복적으로 이루어진다.

<실험예>

이하에서는 실험예를 통해 본 발명에 의해 추정된 배터리 셀의 충전상태가 실제 배터리 셀의 충전상태에 근사적으로 수렴한다는 것을 구체적으로 설명한다. 그러나, 실험예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 이하에서는 충전상태와 개방전압을 추정하고 측정할 때 배터리 셀 전체의 충전상태와 개방전압을 추정하고 측정하였음을 미리 밝혀둔다.

실험예1

본 실험예1에서는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차 업계에서 차량 테스트의 표준으로 제시되는 미국 환경 보호청(EPA; Environmental Protection Agency)에서 규정한UDDS(Urban Dynamometer Driving Cycle), HWFET(Highway Fuel Economy Driving Schedule), NYCC(New York City Cycle Driving Schedule) 및 US60(Aggressive Driving Cycle)에 따른 차량 운행 모델을 연속적으로 적용하여 자동차에 탑재된 배터리에 충방전을 실시하였다. 여기서, 상기 UDDS와 NYCC는 도심에서 차량을 운행하였을 때, HWFET는 고속도로에서 차량을 운행하였을 때, US60은 차량을 고속으로 운행하였을 때 차량이 받게 되는 차량의 상태변화를 가정한 표준화된 차량 운행 모델이다.

도 4는 실험예1에 따른 충방전 사이클이 적용되었을 때, 본 발명에따라 추정된 배터리의 충전상태와 종래기술의 전류 적산 방법에 의해 추정된 배터리의 충전상태 값을 서로 비교한 그래프이다.

도 4를 참조하면, 종래의 전류 적산 방법에 의해 배터리의 충전상태를 추정하면 전류의 측정 오차가 누적되어 충전상태의 프로파일이 미세하게 흔들리면서 진행되는데 반해, 본 발명에 따라 추정된 배터리의 충전상태는 전류 적산 방법을 적용했을 때에 비해 충전상태의 프로파일이 안정적인 것을 알 수 있다. 이로부터, 본 발명에 따라 배터리의 충전상태를 추정하면 종래기술의 전류 적산 방법에 비해 안정적으로 배터리의 충전상태를 추정할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

도 5는 실험예1에서 제안된 조건의 충방전 사이클에서 본 발명에 따라 배터리의 개방전압과 실제 측정한 배터리의 출력전압을 비교한 그래프이다.

도 5를 참조하면, 실제 측정한 배터리의 출력전압은 IR 드롭 현상에 의해 급격한 전압 변화 패턴이 발생되었음에도 불구하고, 본 발명에 따라 추정된 배터리의 개방전압은 급격한 전압 변화 패턴이 발생되지 않음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, IR 드롭 효과가 배제된 안정화된 개방전압 프로파일을 얻을 수 있고, 그 결과 배터리의 충전상태 추정 시 오차를 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.

실험예2

본 실험예2에서는 상기 실시예1과 같은 조건에서 배터리의 충방전 주기를 각각 250초 및 50초 간격으로 설정하고 충방전 주기가 종료될 때마다 10분간의 휴지기를 두어 배터리의 출력전압을 안정 상태에 이르도록 대기하였다가 다시 충방전 주기를 실시하는 과정을 반복하였다.

도 6은 250초의 충방전 주기와 10분간의 휴지기를 설정한 경우, 도 7은 50초의 충방전 주기와 10분간의 휴지기를 설정한 경우, 본 발명에 따라 추정된 배터리 개방전압과 실제 측정한 배터리 출력전압을 비교한 그래프들이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 충방전 주기 사이에 휴지기를 두어 배터리의 전압상태를 안정화시킨 경우라 하더라도 본 발명에 따라 개방전압을 추정하면 IR 드롭 효과를 배제할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명은종래보다 정확하게 배터리의 충전상태를 추정할 수 있다는 것을 다시 한번 확인할 수 있다.

도 8은 실험예2의 조건에서 38번에 걸쳐 배터리의 온도, 측정된 개방전압, 추정된 개방전압, 측정된 개방전압과 추정된 개방전압의 차이값(에러값), 측정된 충전상태, 추정된 충전상태, 및 측정된 충전상태와 추정된 충전상태의 차이값(에러값)에 대한 수치를 비교 분석한 표이다.

도 8에서, Case1~25는 250초의 충방전 주기와 10분의 휴지기를 설정한 경우이고, Case26~38은 50초의 충방전 주기와 10분의 휴지기를 설정한 경우이다.

도 8에 나타난 개방전압의 오차와 충전상태의 오차를 분석하면, RMSE(Root Mean Square Error)가 1.4%, MAE(Mean Absolute Error)가 1.14%로서, 당업계에서 규정하고 있는 허용오차보다 크게 하회하는 값이 나타나는 것을 알 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10: 장치 11: 전압 센싱부
12: 온도 센싱부 13: 메모리부
14: 제어부 15: 부하
B1: 밸런싱 회로 21: 데이터 저장부
22: 개방전압 변화량 추정부 23: 개방전압 추정부
24: SOC 추정부 25: 셀 밸런싱부

Claims

배터리에 포함된 포함된 복수의 셀을 밸런싱하는장치에 있어서,
각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 파라미터로 하여 셀의 개방전압을 추정할 수 있는 미리 정의된 상관 관계를 이용하여 각 셀의 개방전압을 추정하는 개방전압 추정 수단; 및
상기 추정된 각 셀의 개방전압을 비교하여 밸런싱이 필요한 셀을 선택하고,선택된 셀에 대응되는 밸런싱 회로를 제어하여 셀의 충전상태를 밸런싱하는 셀 밸런싱 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
배터리 팩에 포함된 복수의 셀을 밸런싱하는장치에 있어서,
각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 파라미터로 하여 셀의 개방전압을 추정할 수 있는 미리 정의된 상관 관계를 이용하여 각 셀의 개방전압을 추정하는 개방전압 추정 수단;
상기 개방전압으로부터 각 셀의 충전상태를 추정하는 충전상태 추정 수단; 및
상기 추정된 각 셀의 충전상태를 비교하여 밸런싱이 필요한 셀을 선택하고, 선택된 셀에 대응되는 밸런싱 회로를 제어하여 셀의 충전상태를 밸런싱하는 셀 밸런싱 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 개방전압 추정 수단은,
각 셀 전압을 측정하는 전압 센싱부;
각 셀의 온도를 측정하는 온도 센싱부;
상기 전압 센싱부 및 온도 센싱부로부터 주기적으로 각 셀 전압과 온도 데이터를 입력 받아 메모리부에 저장하는 데이터 저장부;
현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 포함하는 셀 전압에 대한 변화 거동과 개방전압 변화량 사이의 상관 관계를 정의한 수학적 모델을 적용하여 상기 메모리부에 저장된 현재 및 과거에 측정된 각 셀의 전압들의 변화 거동으로부터 각 셀의 개방전압 변화량을 계산하고, 각 셀의 온도에 대응하는 보정 팩터를 상기 계산된 각 셀의 개방전압 변화량에 반영하여 현재 단계의 각 셀에 대한 개방전압 변화량을 추정하는 개방전압 변화량 추정부; 및
직전 단계에서 추정된 각 셀의 개방전압에 상기 추정된 각 셀의 개방전압 변화량을 반영하여 각 셀에 대한 현재 단계의 개방전압을 추정하는 개방전압 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
제3항에 있어서,
상기 충전상태 추정부는 개방전압 및 온도별로 충전상태를 정의한 룩업 테이블을 참조하여 각 셀의 개방전압과 온도에 대응되는 충전상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
제1항에 있어서,
상기 밸런싱 회로는 방전회로이고,
상기 셀 밸런싱 수단은, 개방전압이 일정한 기준보다 높은 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀에 대응하는 방전회로를 동작시켜 셀의 충전상태를 감소시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
제1항에 있어서,
상기 밸런싱 회로는 충전회로이고,
상기 셀 밸런싱 수단은, 개방전압이 일정한 기준보다 낮은 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀에 대응하는 충전회로를 동작시켜 셀의 충전상태를 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
제1항에 있어서,
상기 밸런싱 회로는 충전회로와 방전회로를 포함하고,
상기 셀 밸런싱 수단은,
개방전압이 일정한 범위를 벗어나는 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀 중 개방전압이 상기 범위의 상한 보다 높은 셀은 대응하는 밸런싱 회로를 방전회로로 스위칭하여 셀의 충전상태를 감소시키고, 선택된 셀 중 개방전압이 상기 범위의 하한 보다 낮은 셀은 대응하는 밸런싱 회로를 충전회로로 스위칭하여 셀의 충전상태를 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
제2항에 있어서,
상기 밸런싱 회로는 방전회로이고,
상기 셀 밸런싱 수단은, 충전상태가 일정 기준보다 높은 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀에 대응하는 방전회로를 동작시켜 셀의 충전상태를 감소시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
제2항에 있어서,
상기 밸런싱 회로는 충전회로이고,
상기 셀 밸런싱 수단은, 충전상태가 일정 기준보다 낮은 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀에 대응하는 충전회로를 동작시켜 셀의 충전상태를 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
제2항에 있어서,
상기 밸런싱 회로는 충전회로와 방전회로를 포함하고,
상기 셀 밸런싱 수단은,
충전상태가 일정한 범위를 벗어나는 셀을 밸런싱 대상 셀로 선택하고, 선택된 셀 중 충전상태가 상기 범위의 상한 보다 높은 셀은 대응하는 밸런싱 회로를 방전회로로 스위칭하여 셀의 충전상태를 감소시키고, 선택된 셀 중 충전상태가 상기 범위의 하한 보다 낮은 셀은 대응하는 밸런싱 회로를 충전회로로 스위칭하여 셀의 충전상태를 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치.
배터리에 포함된 복수의 셀을 밸런싱하는 방법에있어서,
각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 파라미터로 하여 셀의 개방전압을 추정할 수 있는 미리 정의된 상관 관계를 이용하여 각 셀의 개방전압을 추정하는 단계; 및
상기 추정된 각 셀의 개방전압을 비교하여 각 셀의 충전상태를 밸런싱하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법.
배터리에 포함된 복수의 셀을 밸런싱하는 방법에있어서,
각 셀의 전압을 센싱하고 현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 파라미터로 하여 셀의 개방전압을 추정할 수 있는 미리 정의된 상관 관계를 이용하여 각 셀의 개방전압을 추정하는 단계;
상기 개방전압으로부터 각 셀의 충전상태를 추정하는 단계; 및
상기 추정된 각 셀의 충전상태를 비교하여 각 셀의 충전상태를 밸런싱하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 개방전압 추정 단계는,
각 셀 전압과 온도를 측정하는단계;
현재의 셀 전압과 과거의 셀 전압을 포함하는 셀 전압에 대한 변화 거동과 개방전압 변화량 사이의 상관 관계를 정의한 수학적 모델을 적용하여 측정된 각 셀 전압의 변화 거동으로부터 각 셀의 개방전압 변화량을 계산하는 단계;
각 셀의 온도에 대응하는 보정 팩터를 상기 계산된 각 셀의 개방전압 변화량에 반영하여 현재 단계의 각 셀에 대한 개방전압 변화량을 추정하는 단계; 및
직전에 추정된 각 셀의 배터리 개방전압에 상기 추정된 각 셀의 개방전압 변화량을 반영하여 각 셀에 대한 현재 단계의 배터리 개방전압을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법.
제13항에 있어서,
상기 충전상태 추정 단계는, 개방전압 및 온도 별로 충전상태를 정의한 룩업 테이블을 참조하여 각 셀의 개방전압과 온도에대응되는 충전상태를 추정하는단계인 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법.
제11항에 있어서,
상기 셀 밸런싱 단계는, 개방전압이 일정 기준보다 높은 셀을 방전시키거나, 개방전압이 일정 기준보다 낮은 셀을 충전시키거나, 개방전압이 일정 범위를 벗어나는 셀 중 개방전압이 상기 범위의 상한보다 높은 셀은 방전시키고 개방전압이 상기 범위의 하한보다 낮은 셀은 충전시키는 단계인 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법.
제12항에 있어서,
상기 셀 밸런싱 단계는, 충전상태가 일정 기준보다 높은 셀을 방전시키거나, 충전상태가 일정 기준보다 낮은 셀을 충전시키거나, 충전상태가 일정 범위를 벗어나는 셀 중 충전상태가 상기 범위의 상한보다 높은 셀은 방전시키고 충전상태가 상기 범위의 하한보다 낮은 셀은 충전시키는 단계인 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 방법.