KR20130041480A - 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 방법 및 장치 - Google Patents

차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

직렬로 연결된 복수의 배터리 셀이 각각 내장된 복수의 배터리 서브팩; 상기 배터리 서브팩의 배터리 셀 직렬회로에 연결되며, 스위치와 서브저항이 구비된 밸런싱부; 상기 배터리 서브팩의 전압을 측정하고, 전압이 상대적으로 높은 배터리 서브팩에 대하여는 밸런싱부의 서브저항이 스위칭을 통해 연결되도록 함으로써 해당 배터리 서브팩의 전압이 낮아지도록 하는 제어부;를 포함하는 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 장치 및 방법이 소개된다.

Description

차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR VOLTAGE BALANCING BETWEEN SUB-PACKS OF BATTERY}
본 발명은 차량의 배터리 서브팩간 전압불균형 문제를 해결하기 위한 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 방법 및 장치에 관한 것이다.
전기자동차 또는 하이브리드 자동차 등과 같이 모터와 배터리를 구동원으로 사용하는 차량들의 경우 배터리 시스템은 승용차의 경우 단일 팩으로 구성하는게 일반적이지만 버스와 같은 상용차는 에너지량을 증가시키기 위하여 여러 개의 서브팩을 병렬로 연결하여 동력원으로 사용하게 된다.
이 경우 각 서브팩에는 서브팩 내의 배터리 셀간 밸런싱을 위한 서브 BMS(battery management system)가 있고 차량 측면에서는 각각의 서브 BMS를 통합 관리하는 메인 BMS가 별도로 존재한다. 이때, 각각의 서브팩들은 전력분배기(PDU,power distribution unit)에 병렬로 연결된 형태를 취하기 때문에, 각 배터리 서브팩간에는 전압의 밸런싱이 병렬 연결의 구조상 불가능하였다.
본래, 배터리 서브팩의 경우 제조 오차로 인하여 서로 다른 내부저항을 가질 수 밖에 없는 한계가 있고, 이를 동일하게 가져가지 않을 경우 결국 전압의 차이로 연결된다. 이와 같이 전압이 차이가 있는 전원들을 병렬로 연결할 경우에는 일측으로 과다전류가 흐르게 되어 특정 배터리 서브팩의 열화가 빠르게 진행될 수 있고, 전체적인 전압 역시 손해를 보게 되어 배터리의 성능을 최대한 끌어내기 어려우며 전체 SOC(state of charge) 역시 가용용량에 한계가 발생하게 된다.
따라서, 이러한 병렬로 연결되는 배터리 서브팩 간의 전압 밸런싱이 필요한데, 지금까지 제시된 기술들은 모두 배터리 셀간의 밸런싱 또는 직렬로 연결된 형태에서의 밸런싱에 관한 것들만이 제시되었고, 이러한 기술들은 본 발명의 분야인 배터리 서브팩간의 밸런싱에 적합하지 못한 기술들이었다.
따라서, 병렬로 연결되는 배터리 서브팩간의 전압 밸런싱 기술이 요구되고 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 병렬로 연결된 배터리 서브팩간의 전압을 밸런싱 할 수 있는 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 장치는, 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀이 각각 내장된 복수의 배터리 서브팩; 상기 배터리 서브팩의 배터리 셀 직렬회로에 연결되며, 스위치와 서브저항이 구비된 밸런싱부; 상기 배터리 서브팩의 전압을 측정하고, 전압이 상대적으로 높은 배터리 서브팩에 대하여는 밸런싱부의 서브저항이 스위칭을 통해 연결되도록 함으로써 해당 배터리 서브팩의 전압이 낮아지도록 하는 제어부;를 포함한다.
상기 밸런싱부는 일단부가 배터리 셀 직렬회로에 연결되고 타단부가 접지되도록 마련될 수 있다.
상기 제어부는 각 배터리 서브팩의 전압을 측정하는 메인제어부 및 각 배터리 서브팩마다 마련되어 메인제어부의 명령에 따라 밸런싱부의 스위치를 제어하는 서브제어부로 구성될 수 있다.
상기 제어부는 전압이 가장 낮은 배터리 서브팩을 기준으로 나머지 배터리 서브팩에 대하여 밸런싱부의 서브저항을 연결함으로써 전압을 떨어뜨리도록 할 수 있다.
상기 제어부는 전압이 가장 낮은 배터리 서브팩과 나머지 배터리 서브팩간의 전압 차이가 일정크기 이상인 경우 해당 배터리 서브팩에 밸런싱부의 서브저항을 연결함으로써 전압을 떨어뜨리도록 할 수 있다.
상기 제어부는 배터리 충전량이 일정량 이하이거나, 배터리가 충전중인 경우에는 밸런싱부의 서브저항을 연결하지 않도록 할 수 있다.
한편, 상기 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 장치를 이용한 밸런싱 방법은, 복수의 배터리 셀이 직렬연결되어 내장된 배터리 서브팩 각각의 전압을 측정하는 측정단계; 및 서브저항과 스위치가 구비된 밸런싱부를 상기 배터리 서브팩의 배터리 셀 직렬회로에 연결시켜 배터리 서브팩 각각의 전압을 독립적으로 떨어뜨리는 밸런싱단계;를 포함한다.
상기 측정단계는, 배터리 충전량과 배터리가 충전중인지를 체크하는 체크단계;를 더 포함하고, 상기 밸런싱단계는 배터리 충전량이 일정량 이하이거나 배터리가 충전중인 경우에는 밸런싱부의 서브저항을 연결하지 않도록 할 수 있다.
상기 측정단계는, 배터리 서브팩간의 전압차이를 비교하는 비교단계;를 더 포함하고, 상기 밸런싱단계는 전압이 가장 낮은 배터리 서브팩과 나머지 배터리 서브팩간의 전압 차이가 일정크기 이상인 경우 해당 배터리 서브팩에 밸런싱부의 서브저항을 연결함으로써 전압을 떨어뜨리도록 할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 방법 및 장치에 따르면, 배터리 서브팩을 병렬로 연결하여 구성하여도 배터리 서브팩간 밸런싱이 가능하다. 또한, 배터리 서브팩간 밸런싱을 유지하여 전체 차량의 배터리 성능 및 수명이 향상된다. 그리고, 병렬로 연결된 배터리팩의 가용 SOC 폭이 넓어진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 장치를 위한 회로도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 방법의 순서도.
도 3은 도 2에 도시된 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 방법에 따른 결과를 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 방법 및 장치에 대하여 살펴본다.
본 발명의 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 장치는, 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀(220)이 각각 내장된 복수의 배터리 서브팩(200); 상기 배터리 서브팩(200)의 배터리 셀(220) 직렬회로에 연결되며, 스위치(320)와 서브저항(340)이 구비된 밸런싱부(300); 상기 배터리 서브팩(200)의 전압을 측정하고, 전압이 상대적으로 높은 배터리 서브팩에 대하여는 밸런싱부(300)의 서브저항(340)이 스위칭을 통해 연결되도록 함으로써 해당 배터리 서브팩의 전압이 낮아지도록 하는 제어부(100);를 포함한다.
배터리는 도시된 바와 같이, 복수의 배터리 서브팩(200)으로 구성되고 각각의 서브팩(200)들은 모두 전력분배기(120)로 연결되어 병렬로 접속된다. 각각의 배터리 서브팩(200)은 내부에 복수의 배터리 셀(220)들이 직렬로 연결된 형태를 갖는다. 그리고 각각의 배터리 서브팩(200)은 해당 배터리 셀(220)의 측정/제어를 수행하는 서브제어부(130)를 갖고, 복수의 배터리 서브팩(200)은 모두 메인제어부(110)에 의해 측정/제어되도록 한다.
여기서, 각각의 배터리 서브팩(200)들은 제작 오차상 내부저항이 각기 다를 수밖에 없고, 그에 따라 각각 다른 전압을 발생할 수밖에 없다. 이러한 경우의 전압 불균일 문제를 해결하기 위해 배터리 서브팩(200)에는 밸런싱부(300)가 마련된다.
밸런싱부(300)는 각각의 배터리 서브팩(200)마다 마련되며 배터리 서브팩(200)의 배터리 셀(220) 직렬연결에 접속된다. 밸런싱부(300)는 스위치(320)와 서브저항(340)으로 구성되며, 밸런싱부(300)는 일단부가 배터리 셀(220) 직렬회로에 연결되고 타단부가 접지되도록 마련되어 스위칭시 서브저항(340)에서 전력을 소모함으로써 배터리 서브팩의 전압이 낮아지도록 조절할 수 있도록 한다.
이러한 밸런싱부(300)의 스위칭은 제어부(100)에서 제어하도록 하는데, 본 발명의 제어부(100)는 메인제어부(110), 서브제어부(130), 전력분배기(120) 중 어느 하나 이상의 구성을 통해 수행될 수 있도록 한다. 바람직하게는, 제어부(100)는 각 배터리 서브팩(200)의 전압을 측정하는 메인제어부(110) 및 각 배터리 서브팩(200)마다 마련되어 메인제어부(110)의 명령에 따라 밸런싱부(300)의 스위치(320)를 제어하는 서브제어부(130)로 구성되도록 하여 메인제어부(110)에서 각 배터리 서브팩(200)의 전압을 측정하고, 전압이 너무 높은 배터리 서브팩(200)의 서브제어부(130)에 명령을 하고 그에 따라 서브제어부(130)는 해당 배터리 서브팩(200)의 스위치(320)를 작동시켜 해당 서브저항(340)을 통해 배터리 서브팩(200)의 전압을 낮출 수 있는 것이다.
한편, 상기 제어부(100)는 전압이 가장 낮은 배터리 서브팩을 기준으로 나머지 배터리 서브팩에 대하여 밸런싱부(300)의 서브저항(320)을 연결함으로써 전압을 떨어뜨리도록 할 수 있다. 구체적으로는, 상기 제어부(100)는 전압이 가장 낮은 배터리 서브팩과 나머지 배터리 서브팩간의 전압 차이가 일정크기 이상인 경우 해당 배터리 서브팩에 밸런싱부(300)의 서브저항(320)을 연결함으로써 전압을 떨어뜨리도록 할 수 있다. 즉, 가장 낮은 전압을 갖는 배터리 서브팩을 기준으로 하여 다른 배터리 서브팩의 전압을 그에 맞출 수 있도록 스위치(320)를 제어하되, 그 차이값이 일정 범위 내라면 전압조정을 수행하지 않도록 할 수 있는 것이다.
그러한 작용은 도 3의 그래프에 잘 나타나 있다. 도 3을 참고하면, 배터리 서브팩 2의 전압이 낮은 상태이므로, 배터리 서브팩 1의 전압을 △t의 시간동안 스위칭하여 낮출 수 있도록 한다. 그 후 다시 스위치를 개방시키고 다시 서브팩 1, 2간의 차이가 임계값을 넘을 경우 또다시 배터리 서브팩 1의 전압을 △t의 시간동안 스위칭하여 낮출 수 있도록 반복하는 것이다. 이러한 작용을 통해 배터리 서브팩 1, 2의 경우 유사한 전압흐름을 갖도록 할 수 있는 것이며, 이에 의해 배터리의 성능과 내구성을 유사하게 보장받을 수 있는 것이다.
한편, 상기 제어부(100)는 배터리 충전량이 일정량 이하이거나, 배터리가 충전중인 경우에는 밸런싱부(300)의 서브저항(320)을 연결하지 않도록 함이 바람직할 것이다.
위와 같은 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 장치를 이용한 밸런싱 방법은, 복수의 배터리 셀이 직렬연결되어 내장된 배터리 서브팩 각각의 전압을 측정하는 측정단계(S100); 및 서브저항과 스위치가 구비된 밸런싱부를 상기 배터리 서브팩의 배터리 셀 직렬회로에 연결시켜 배터리 서브팩 각각의 전압을 독립적으로 떨어뜨리는 밸런싱단계(S500);를 포함한다.
차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 방법은 도 2에 도시되어 있다. 우선, 각각의 배터리 서브팩의 전압을 측정한다. 그리고 상기 측정단계(S100)는, 배터리 서브팩간의 전압차이를 비교하는 비교단계(S200);를 더 포함하는바, 각각의 배터리 서브팩간 전압차이를 계산한다.
그 후 배터리 충전량과 배터리가 충전중인지를 체크하는 체크단계(S300,S400);를 더 포함하는바, 배터리의 SOC가 일정량 이하인 경우에 또는 배터리가 충전중일 경우에는 밸런싱부의 서브저항을 연결하지 않도록 하는 것이다.
또한, 밸런싱단계(S500)는 서브저항과 스위치가 구비된 밸런싱부를 상기 배터리 서브팩의 배터리 셀 직렬회로에 연결시켜 배터리 서브팩 각각의 전압을 독립적으로 떨어뜨리는데, 전압이 가장 낮은 배터리 서브팩과 나머지 배터리 서브팩간의 전압 차이가 일정크기 이상인 경우 해당 배터리 서브팩에 밸런싱부의 서브저항을 연결함으로써 전압을 떨어뜨리도록 할 수 있는 것이다. 이는 100ms 단위의 짧은 시간동안 이루어지도록 할 수 있으며, 지속적으로 전압을 체크하면서 필요시에만 도 3의 경우와 같이 제어할 경우 각 배터리 서브팩들이 유사한 전압을 추종하도록 할 수 있는 것이다. 또한, 일시적인 제어를 수행함으로써 전압 밸런싱을 위한 배터리의 소모를 최소한도로 할 수 있게 된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 제어부 110 : 메인제어부
130 : 서브제어부 200 : 배터리 서브팩
220 : 배터리 셀 300 : 밸런싱부
320 : 스위치 340 : 서브저항

Claims (9)

  1. 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀(220)이 각각 내장된 복수의 배터리 서브팩(200);
    상기 배터리 서브팩(200)의 배터리 셀(220) 직렬회로에 연결되며, 스위치(320)와 서브저항(340)이 구비된 밸런싱부(300); 및
    상기 배터리 서브팩(200)의 전압을 측정하고, 전압이 상대적으로 높은 배터리 서브팩에 대하여는 밸런싱부(300)의 서브저항(340)이 스위칭을 통해 연결되도록 함으로써 해당 배터리 서브팩의 전압이 낮아지도록 하는 제어부(100);를 포함하는 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸런싱부(300)는 일단부가 배터리 셀(220) 직렬회로에 연결되고 타단부가 접지되도록 마련된 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부(100)는 각 배터리 서브팩(200)의 전압을 측정하는 메인제어부(110) 및 각 배터리 서브팩(200)마다 마련되어 메인제어부(110)의 명령에 따라 밸런싱부(300)의 스위치(320)를 제어하는 서브제어부(130)로 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부(100)는 전압이 가장 낮은 배터리 서브팩을 기준으로 나머지 배터리 서브팩에 대하여 밸런싱부(300)의 서브저항(320)을 연결함으로써 전압을 떨어뜨리는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부(100)는 전압이 가장 낮은 배터리 서브팩과 나머지 배터리 서브팩간의 전압 차이가 일정크기 이상인 경우 해당 배터리 서브팩에 밸런싱부(300)의 서브저항(320)을 연결함으로써 전압을 떨어뜨리는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부(100)는 배터리 충전량이 일정량 이하이거나, 배터리가 충전중인 경우에는 밸런싱부(300)의 서브저항(320)을 연결하지 않는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 장치.
  7. 복수의 배터리 셀이 직렬연결되어 내장된 배터리 서브팩 각각의 전압을 측정하는 측정단계(S100); 및
    서브저항과 스위치가 구비된 밸런싱부를 상기 배터리 서브팩의 배터리 셀 직렬회로에 연결시켜 배터리 서브팩 각각의 전압을 독립적으로 떨어뜨리는 밸런싱단계(S500);를 포함하는 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 측정단계(S100)는, 배터리 충전량과 배터리가 충전중인지를 체크하는 체크단계;를 더 포함하고,
    상기 밸런싱단계(S500)는 배터리 충전량이 일정량 이하이거나 배터리가 충전중인 경우에는 밸런싱부의 서브저항을 연결하지 않는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 측정단계(S100)는, 배터리 서브팩간의 전압차이를 비교하는 비교단계(S200);를 더 포함하고,
    상기 밸런싱단계(S500)는 전압이 가장 낮은 배터리 서브팩과 나머지 배터리 서브팩간의 전압 차이가 일정크기 이상인 경우 해당 배터리 서브팩에 밸런싱부의 서브저항을 연결함으로써 전압을 떨어뜨리는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 서브팩간 전압밸런싱 방법.
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