KR20130010410A - 전지 전압 관리방법 및 이를 위한 전압 관리장치 - Google Patents

전지 전압 관리방법 및 이를 위한 전압 관리장치 Download PDF

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Abstract

전지 전압 관리방법 및 이를 위한 전압 관리장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 전압 관리방법은 각 셀의 전압이 센싱되는 단계;상기 센싱된 셀의 전압이 기설정된 제 1 전압범위를 초과하는 경우, 상기 초과된 전압의 셀 전압을 낮추는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전지 전압 관리방법 및 이를 위한 전압 관리장치{Method and system for controlling voltage in a battery}
본 발명은 전지 전압 관리방법 및 이를 위한 전압 관리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직렬연결된 셀 전압을 각 셀별로 측정하여 셀의 최소전압이 일정 수준 이상인 경우에만 각 셀의 전압을 조절하고, 또한, 셀의 전압을 조절하는 밸런싱 모드에서는 셀간 전압의 차이와 셀 전압의 허용범위, 두 가지를 제어 요소로 하여, 셀 전압을 조절하므로, 효과적인 셀 전압 조절이 가능한 전지 전압 관리방법 및 이를 위한 전압관리장치에 관한 것이다.
배터리(전지)는 다량의 셀을 직렬연결하여 사용을 하는 것이 일반적이며, 다량의 셀을 직렬연결하여 사용함에 따라 셀 전압의 산포가 발생하게 된다. 이러한 셀 전압의 산포가 발생하게 되면, 시간경과에 따라 누적량이 증가하고 일부 셀의 단락 및 파손, 폭발등의 안전사고가 발생할 가능성이 있다.
일반적으로 산업용에 쓰이는 대용량 리튬전지는 기존에 쓰이는 연축전지, 니켈카드뮴 축전지, 니켈수소 축전지와는 배터리 특성이 다르며, 기존의 UPS등에 배터리만 교체하여 사용할 시에 리튬전지의 특성 상 미세전류에 민감하게 반응하게 된다. 따라서, 이와 같이 민감한 리튬전지를 대용량으로 사용하는 경우, 각 개별 셀에서의 전압 산포를 최소화시키는 기술이 요구된다.
따라서 본 발명이 해결하려는 과제는 직렬연결된 전지 셀의 산포를 최소화하는 방법과 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 복수 셀이 직렬연결된 전지의 전압 관리방법으로, 상기 방법은 각 셀의 전압이 센싱되는 단계; 상기 센싱된 셀의 전압이 기설정된 제 1 전압범위를 초과하는 경우, 상기 초과된 전압의 셀 전압을 낮추는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 전압 관리방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 복수 셀 전압의 평균편차를 기준으로 결정된 제 2 전압범위에 따라, 상기 셀싱된 셀 전압 모두가 기설정된 제 1 전압범위 이내인 경우에서도, 상기 제 2 전압범위를 벗어나는 셀의 전압을 상기 제 2 전압범위 이내로 변화시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 센싱된 셀의 전압이 제 1 전압범위 미만인 경우, 상기 청구항 2의 전압관리방법이 진행되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면,셀 전압을 낮추는 단계는 상기 셀로부터의 전류를 외부 저항을 거치도록 유도하는 방식이며, 상기 전지는 대용량 리튬전지이다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 직렬연결된 복수 셀을 포함하는 전지의 전압관리장치로서, 상기 장치는 상기 복수 셀 각각의 전압을 측정하기 위한 복수 개의 전압 측정부; 및 상기 복수 개의 전압 측정부에 의하여 측정된 복수 개의 전압값을 입력받아, 입력된 복수 개의 전압값이 제 1 전압범위 이상인 경우, 상기 제 1 전압범위를 벗어나는 전압이 측정된 셀의 전류를 외부 저항으로 흐르도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압관리장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 제 1 전압범위 이내인 상기 복수 셀 전압의 평균편차가 제 2 전압범위 이상인 경우, 상기 제 2 전압범위를 벗어나는 셀의 전압을 변화시키며, 상기 센싱된 셀의 전압이 제 1 전압범위 미만인 경우, 전압차가 상기 제 2 전압범위를 초과하여도 상기 전압의 셀 전류를 외부로 흘리지 않는다.
본 발명에 따르면, 직렬연결된 셀의 전압을 각 셀별로 측정하여 셀의 최소전압이 일정 수준 이상인 경우에만 각 셀의 전압을 조절한다. 또한, 셀의 전압을 조절하는 밸런싱 모드에서는 셀간 전압의 차이와 셀 전압의 허용범위, 두 가지를 제어 요소로 하여, 셀 전압을 조절하므로, 효과적인 셀 전압 조절이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압관리방법의 단계도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 모드와 제 1 밸런싱 모드의 단계도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압관리장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전압 조절 방법의 단계도이다.
이하, 본 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 본 명세서 전반에 걸쳐 표시되는 약어는 본 명세서 내에서 별도의 다른 지칭이 없다면 당업계에서 통용되어, 이해되는 수준으로 해석되어야 한다.
본 발명은 셀 전압의 산포에 따라 발생하는 문제를 방지하기 위하여, 셀간 전압을 개별적, 독립적으로 관리하는 방법 및 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압관리방법의 단계도이다.
도 1을 참조하면, 상기 방법은 먼저 직렬연결된 전지의 각 셀로부터 각 셀의 전압이 센싱된다(S110). 상기 셀 전압 센싱 방법은 각각의 셀에 연결된 센싱 라인을 통하여 이루어진다. 이후 상기 센싱된 셀의 전압이 기설정된 범위를 초과하는 경우, 상기 초과된 전압의 셀 전압이 낮아지는데(S120), 본 발명의 일 실시예에서 상기 셀 전압을 낮추는 방식은, 상기 축전지 셀에 연결된 전지 관리 장치(Battery Management System)에 의하여 높아진 셀로부터 전류를 외부 저항으로 흘리는 방식이다. 이로써 저항에서는 열이 발생하고, 이에 따라 해당 셀의 전압은 감소된다. 기설정된 전압범위에 따라 초과하는 전압을 감소시키는 상기 방식은 이하 제 1 밸런싱 모드로 지칭된다.
하지만, 상기 상기 센싱된 셀의 전압이 기설정된 범위 미만인 경우, 즉, 충전이 진행되고 있는 경우라면, 상술한 제 1 밸런싱 모드가 진행되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 모드와 제 1 밸런싱 모드의 단계도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 모든 셀의 전압이 적어도 최소 소준 이상인 경우, 충전 모드에서 제 1 밸런싱 모드로 변화된다. 즉, 센싱된 셀 전압이 기설정된 전압범위(제 1 전압범위)에 속하는 지를 판단하고(S220), 만약, 셀 중 어느 하나라도 상기 최소 수준을 만족시키지 않으면, 본 발명에 따른 셀 전압 관리 장치는 상기 제 1 밸런싱 모드로 진입하지 않고, 충전(S230)이 진행된다. 하지만, 셀 전압이 모두 기설정된 전압범위 이내에 속하는 경우라면, 도 1에 따른 밸런싱 모드로 진입한다. 이에 따라 셀 전압이 기설정된 전압범위를 초과하는 경우, 초과한 셀 전압을 낮추며, 기설정된 전압범위 이내에 상기 셀 전압이 속하는 경우, 정상 셀 상태를 유지한다.
본 발명의 일 실시예에서는 상술한 바와 같이 상기 제 1 밸런싱 모드의 기준 전압 범위를 좁게 구성하여, 실질적인 셀간 전압 산포를 최소화시키며, 높은 전압의 셀 전류를 외부로 흘리는 방식으로 셀의 전압 산포를 줄인다. 하지만, 본 발명의 또 다른 일 실시예는 상기 제 1 밸런싱 모드와 함께 비록 상기 전압 범위 이내에서라도 셀간 전압 산포를 조절하는 제 2 밸런싱 모드를 동시에 진행한다. 이로써, 제 1 밸런싱 모드의 전압 범위를 넓게 하여 치명적인 전압 오버슈팅을 우선 방지하고, 미세한 전류에도 반응하는 대용량 리튬 이차전지의 미세 전압 관리를 효과적으로 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압관리장치의 블록도이다.
도 3을 참조하면, 상기 장치는 상기 복수 셀 각각의 전압을 측정하기 위한 복수 개의 전압 측정부(310)와, 상기 복수 개의 전압 측정부(310)에 의하여 측정된 복수 개의 전압값을 입력받아, 입력된 복수 개의 전압값이 소정 범위 이상인 경우, 상기 소정 범위를 벗어나는 전압이 측정된 셀의 전류를 외부 저항(330)으로 흐르도록 제어하는 제어부(320)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제어부(320)는 기설정된 상기 제 1 전압 범위 이내에 속하는 상기 복수 셀 전압의 전압차가 수정 수준 이상인 경우, 전압차가 발생한 셀 중 높은 전압의 셀의 전류를 외부 저항으로 흐르도록 제어한다. 이로써 미세한 전류에도 반응하는 대용량 리튬 이차전지의 전압 관리를 효과적으로 수행할 수 있다.
또한, 상기 제어부(320)는 상기 센싱된 셀의 전압이 기설정된 제 1 전압범위 미만인 경우, 전압차가 상기 소정 수준 이상이어도 상기 높은 전압의 셀 전류를 외부로 흘리지 않는다. 즉, 상기 제어부(320)는 충전 모드와 밸런싱 모드로 상태를 구분하며, 이때 상기 밸런싱 모드는 기설정된 제 1 전압범위를 기준으로 하는 제 1 밸런싱 모드와, 상기 제 1 전압범위 이내의 미세 전압범위인 제 2 전압범위를 기준으로 하는 제 2 밸런싱 모드를 포함한다. 이때 상기 셀 중 어느 하나라도 셀 전압이 상기 제 1 밸런싱 모드 단계인 제 1 전압범위 미만이면, 상기 셀 전압 관리 장치는 제 1 및 제 2 밸런싱 모드에 따라 셀 전압을 조절하지 않는다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전압 조절 방법의 단계도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 셀 전압을 센싱하고(S310), 이후 셀 전압이 기설정된 전압범위 미만인지, 아닌지를 제 1 판단한다(S320). 만약 셀 전압이 상기 전압범위(제 1 전압범위) 미만이면, 충전이 진행되고(S330), 그렇지 않으면, 다시 센싱된 상기 셀 전압이 상기 전압범위를 초과하였는지를 제 2 판단한다(S340). 만약, 센싱된 전압이 상기 제 1 전압범위를 초과하면, 본 발명에 따른 전압관리장치는 초과된 셀 전압을 전압범위 이내로 낮춘다(S350). 낮춤에 따라 셀의 전압상태는 정상 전압범위 상태를 유지하는데(S360), 이때에도 상기 센상된 셀 전압들의 평균 편차를 판단하며(S370), 만약 상기 평균편차가 기설정된 전압범위(제 2 전압범위)를 초과하면, 편차가 발생한 셀 중 높은 전압의 셀에 해당하는 전압을 낮추게 되며(S350), 이때 셀 전압을 낮추는 방식은 상술한 바와 같다. 만약, 반대로 편차가 발생한 특정 셀 전압이 평균치보다 제 2 전압범위 이하로 낮으면, 상기 셀에 대한 충전을 진행한다(S330). 즉, 본 발명에서는 셀 전압 평균값을 기준으로 제 2 전압범위를 결정하고, 이를 벗어나는 셀의 전압을 낮추거나, 올리게 된다. 따라서, 본 발명은 제 1 전압범위와 제 2 전압범위를 달리 설정하여, 미세한 전류에도 반응하는 대용량 리튬 이차전지를 효과적으로 관리할 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 복수 셀이 직렬연결된 전지의 전압 관리방법으로, 상기 방법은
    각 셀의 전압이 센싱되는 단계;
    상기 센싱된 셀의 전압이 기설정된 제 1 전압범위를 초과하는 경우, 상기 초과된 전압의 셀 전압을 낮추는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 전압 관리방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 방법은
    상기 복수 셀 전압의 평균편차를 기준으로 결정된 제 2 전압범위에 따라, 상기 셀싱된 셀 전압 모두가 기설정된 제 1 전압범위 이내인 경우에서도, 상기 제 2 전압범위를 벗어나는 셀의 전압을 상기 제 2 전압범위 이내로 변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 전압 관리방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 센싱된 셀의 전압이 제 1 전압범위 미만인 경우, 상기 청구항 2의 전압관리방법이 진행되지 않는 것을 특징으로 하는 전지 전압 관리방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    셀 전압을 낮추는 단계는 상기 셀로부터의 전류를 외부 저항을 거치도록 유도하는 방식인 것을 특징으로 하는 전지 전압 관리방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전지는 대용량 리튬전지인 것을 특징으로 하는 전지 전압 관리방법.
  6. 직렬연결된 복수 셀을 포함하는 전지의 전압관리장치로서, 상기 장치는
    상기 복수 셀 각각의 전압을 측정하기 위한 복수 개의 전압 측정부; 및
    상기 복수 개의 전압 측정부에 의하여 측정된 복수 개의 전압값을 입력받아, 입력된 복수 개의 전압값이 제 1 전압범위 이상인 경우, 상기 제 1 전압범위를 벗어나는 전압이 측정된 셀의 전류를 외부 저항으로 흐르도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압관리장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 제 1 전압범위 이내인 상기 복수 셀 전압의 평균편차가 제 2 전압범위 이상인 경우, 상기 제 2 전압범위를 벗어나는 셀의 전압을 변화시키는 것을 특징으로 하는 전압관리장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 센싱된 셀의 전압이 제 1 전압범위 미만인 경우, 전압차가 상기 제 2 전압범위를 초과하여도 상기 전압의 셀 전류를 외부로 흘리지 않는 것을 특징으로 하는 전압관리장치.
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