KR20130070630A - 배터리 시스템, 및 직렬로 접속된 복수의 배터리 셀의 충전 방법 - Google Patents

배터리 시스템, 및 직렬로 접속된 복수의 배터리 셀의 충전 방법 Download PDF

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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 직렬로 접속된 복수의 배터리 셀(10)을 갖는 배터리 시스템에 관한 것으로서, 복수의 배터리 셀(10) 중에서 적어도 하나의 배터리 셀은 전기 소자(12)에 병렬로 접속되고, 상기 전기 소자(12)와 상기 적어도 하나의 배터리 셀(10)에 인가되는 전압이 미리 결정된 전압 입계값(UBR)을 초과하는 경우, 상기 전기 소자의 저항은 감소한다. 또한, 본 발명은 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀을 충전하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 본 발명에 따른 배터리 시스템(100)을 사용하여 실행될 수 있다.

Description

배터리 시스템, 및 직렬로 접속된 복수의 배터리 셀의 충전 방법{Battery system and method for charging a large number of battery cells which are connected in series}
본 발명은, 배터리 시스템, 본 발명에 따르는 배터리 시스템을 장착한 자동차, 및 직렬로 접속된 복수의 배터리 시스템을 충전하기 위한 충전 방법에 관한 것이다.
리튬-이온 기술을 이용하면, 또 다른 배터리 기술을 이용하여 제조되는 배터리들보다 더 높은 에너지 밀도를 보유하는 성능이 매우 좋은 배터리를 제조할 수 있다. 또한, 리튬 이온 배터리에서는 메모리 효과로 알려진 용량 손실이 발생하지 않는다. 그에 반해서 리튬 이온 배터리 셀들의 몇몇 단점 중 한 가지는 과전압에 대한 민감성이며, 이런 민감성은 셀 전압 값이 전형적으로 4.2V 이상일 경우 발생한다. 과전압 시에 금속 리튬은 애노드에서 침착되며, 그럼으로써 캐소드 재료가 산화종(oxidizing element)이 되면서 자체의 안정성을 잃게 된다. 그로 인해 배터리 셀은 계속하여 가열되고, 극단적으로 불이 붙을 수 있다[소위 열 폭주(thermal runaway)]. 전기 차량에서 적용 시에 직렬로 접속된 수백 개의 개별 셀로 구성되는 배터리 팩의 경우, 과전압은 강제적으로 방지되어야 하는데, 그 이유는 단일의 셀의 열 폭주가 전체의 배터리 팩의 내부에서 연쇄 증폭 반응(cascade reaction)을 야기할 수도 있기 때문이다.
열 폭주를 방지하기 위해, 리튬 이온 배터리 팩 내에 포함된 개별 셀들의 전압은 특별한 제어 회로를 통해 모니터링된다. 이 경우 컨트롤 회로는 최대 12개의 배터리 셀을 모니터링할 수 있다. 배터리 팩의 충전 중에 배터리 셀들 중 하나의 배터리 셀에서 과전압이 발생하면, 제어 회로를 포함하는 배터리 관리 시스템에 의해서 즉각적으로 고전압 접촉기가 개방되면서, 전체의 배터리 팩을 위한 충전 과정은 중단된다. 비록 이러한 조치가 배터리 팩의 안전성을 보장하기는 하지만, 수많은 단점을 내포한다.
그리고 제어 회로들 상에 평가 전자 장치를 제공하면, 이는 상대적으로 높은 비용과 결부된다. 그 외에 배터리 셀들 전체를 위한 충전 과정도 중단되며, 이런 점은 지나치게 높은 전압을 나타내는 그런 배터리 셀뿐 아니라, 나머지 셀에 대해서도 적용된다. 예컨대 직류 쵸퍼 컨버터, 충전 장치 또는 전기 차량의 전기 모터의 활성화 또는 비활성화에 의해 야기되는 거의 짧은 비임계의 전압 피크는 배터리의 분리를 초래하고, 그 결과로 예컨대 전기 차량은 계속 주행할 수 없게 된다. 또한, 지금까지의 개념은 저비용의 단상 충전 장치들을 이용할 경우 적합하지 않은데, 그 이유는 상기 충전 장치들은, 배터리가 완전하게 충전되기 이전에 배터리의 분리를 초래할 수 있는 높은 전류 리플과 그에 따른 상응하는 전압 리플을 생성하기 때문이다. 마지막으로 종래의 방법을 적용할 경우 배터리 팩의 가용한 용량의 제한이 발생하는데, 그 이유는 충전 과정의 기간 동안 셀 전압이 휴지 전압(resting voltage)보다 더욱 높기 때문이며, 이때 휴지 전압은 관련된 충전 상태를 정의한다. 충전이 과전압 손상(over-voltage damage)으로 인해 중단된다면, 상기 시점에 배터리 셀은 더 이상 자체의 총 용량에 상응하게 충전되지 않는다.
셀 전압의 모니터링 외에도, 제어 회로의 기능은 배터리 셀들의 전압들의 균형 조절에 있다. 이는 약간 수의 배터리 셀이 이미 100%의 충전 상태에 있고 그에 따라 과전압 차단 한계에 가깝게 위치해 있지만, 나머지 배터리 셀 대부분은 아직 명확히 100% 미만인 충전 상태를 나타내게 되는 점을 방지하기 위해 필요하다. 그러므로 충전 위상들 사이에 충전 균형 조절의 단계가 없으면, 배터리 팩의 가용 용량은 개별 셀들의 가용 용량들의 합보다 훨씬 더 낮을 수도 있다.
그러므로 지금까지는 충전 위상 이전에, 또는 충전 위상들 사이에서 셀들의 충전 균형 조절(소위 셀 밸런싱)이 실행되었으며, 이런 충전 균형 조절 시에 항상 최고로 충전된 배터리 셀들은, 모든 배터리 셀이 가장 적게 충전된 셀의 충전 상태에 근접하게 될 때까지, 저항기를 통해 제어 회로들로 방전된다. 비록 지금까지 이용되었던 상기 전략이 셀들의 충전 균형 조절을 보장하기는 하지만, 상기 충전 균형 조절도 몇 가지 단점과 결부된다.
제어 회로들 상에 제공되는 평가 전자 장치에 대해 재차 비판의 대상이 되는 상대적으로 높은 비용 외에, 배터리 팩 내의 불균일한 온도 분포도 바람직하지 못하며, 이런 온도 분포의 원인은 발생하는 열이 중앙에서 제어 회로들로 소산되는 점에 있다. 그 외에 충전 균형 조절은 상대적으로 오랜 기간을 요구하는데, 그 이유는 충전 균형 조절은 항상 배터리 팩의 적은 개수의 배터리 셀에서만 동시에(전형적으로 12개의 배터리 셀 중에서 하나의 배터리 셀만이 지정된 시점에 저항기를 통해 제어 회로에 방전될 수 있음), 그리고 배터리 상태 인식을 위한 휴지 기간과 교대로만 개시될 수 있기 때문이다.
본 발명이 해결하려는 과제는 직렬로 접속된 복수의 배터리 셀들을 갖는 배터리 시스템, 상기 배터리 시스템을 장착한 자동차, 및 상기 배터리 시스템을 충전하기 위한 충전 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라서, 직렬로 접속된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 시스템이 제공되며, 상기 배터리 시스템의 경우 하나 이상의 배터리 셀에 전기 소자(electrical component)가 병렬로 접속된다. 상기 전기 소자와 상기 배터리 셀에 공동으로 인가되는 전압이 미리 결정된 전압 임계값을 초과하는 경우, 상기 전기 소자의 저항은 감소된다.
상기 배터리 시스템은 바람직하게는 리튬 이온 배터리 시스템이다.
본 발명에 따르는 배터리 시스템은, 배터리 셀에 인가된 전압을 평가하기 위해 어떠한 지능이나 소프트웨어도 요구되지 않는다는 장점을 갖는다. 요구되는 특성을 갖는 저비용의 전기 소자를 이용하는 조건에서, 본 발명에 따르는 배터리 시스템에서는, 배터리 셀들 간의 충전 균형 조절을 위한 확고한 방법이 실행될 수 있으면서, 그와 동시에 배터리 셀들의 과전압도 방지할 수 있다. 직렬로 접속된 배터리 셀들의 가용 용량은 개별 셀 용량들의 합과 동일하다. 그 외에 본 발명에 따르는 배터리 시스템에서 실행되는 충전 과정은 전압 피크에 대해서도 둔감하며, 그럼으로써 상기 충전 과정은 단상 충전 장치들이 이용되는 조건에서도 완벽하게 실행될 수 있게 된다. 충전 과정에서 열은 모든 이용되는 전기 소자에 걸쳐서 발생하기 때문에, 배터리 시스템 내 온도 분포는 종래 기술로부터 공지된 시스템에서보다 더욱 균일하다. 마지막으로 충전 과정 및 충전 균형 조절의 기간은 상대적으로 짧은데, 그 이유는 요구되는 특성을 갖는 대응하는 전기 소자가 병렬로 접속되어 있는 모든 배터리 셀에 대한 충전 균형 조절이 동시에 개시될 수 있기 때문이다.
바람직하게는 복수의 배터리 셀 각각에 각각의 전기 소자가 병렬로 접속되며, 상기 전기 소자와 상기 전기 소자에 병렬로 접속된 배터리 셀에 인가되는 전압이 미리 결정된 전압 임계값을 초과하는 경우 상기 전기 소자의 저항은 감소된다.
상기 전기 소자의 저항은, 미리 결정된 전압 임계값 이상에서, 인가된 전압이 상승함에 따라 지수형(exponential)으로 감소할 수 있다.
상기 전기 소자는 제너 다이오드일 수 있다. 그러나 예컨대 TVS(과도 전압 억제) 다이오드로 공지된 억제형 다이오드(suppressor diode)를 이용하거나, 또는 금속 산화물 바리스터를 이용하는 조건에서 또 다른 구현도 가능하다. 상기 구조 소자들은 자체의 특성 곡선과 관련하여 제너 다이오드와 유사한 특성을 나타낸다. 상기 구조 소자들과 트랜지스터들로 조합된 구성도 가능하다.
본 발명의 추가의 관점은, 본 발명에 따르는 배터리 시스템을 장착한 자동차에도 관한 것이며, 이 경우 배터리 시스템은 자동차의 구동 시스템과 연결된다.
본 발명의 추가의 관점은, 직렬로 접속된 복수의 배터리 셀을 충전하기 위한 충전 방법에 관한 것이며, 상기 충전 방법의 경우 직렬로 접속된 복수의 배터리 셀이 충전 과정 동안 충전 전류를 공급받으며, 복수의 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀에 인가되는 전압이 미리 결정된 전압 임계값을 초과한다면 상기 하나의 배터리 셀에서 흐르는 전류는 억제된다. 또한, 전압 임계값을 초과하는 경우, 배터리 셀에 병렬로 접속된 전기 소자의 저항은 감소되며, 그럼으로써 충전 전류의 일부분이 전기 소자를 통해 흐르게 된다.
본 발명에 따르는 방법은, 배터리 셀들의 충전이 종래 기술에 비해서 단순화된다는 장점을 갖는다. 특히 복수의 배터리 셀은 소위 CC(정전류) 충전 위상에서 일정한 충전 전류로 완전하게 충전될 수 있으며, 이때 배터리 셀들에서 과전압도 발생하지 않으며, 그에 반해 배터리 셀들 간에 충전 균형 조절은 동시에 개시된다.
이런 경우 충전 과정은 다음과 같이 진행된다. 우선, 최고의 충전 상태를 갖는 배터리 셀들이 전압 임계값(예컨대 제너 다이오드의 항복 전압)에 도달하게 될 때까지, 약간 상이한 충전 상태를 갖는 배터리 셀들이 충전된다. 그런 다음, 상기 배터리 셀들에 접속된 전기 소자들의 저항이 빠르게 감소하며, 그에 따라 상기 전기 소자들은 더 높은 비율의 충전 전류가 높은 충전 상태를 갖는 배터리 셀들을 우회 통과하도록 전도하며, 그럼으로써 높은 충전 상태를 갖는 상기 배터리 셀들은 더 낮은 충전 상태를 갖는 배터리 셀들보다 더욱 적게 충전된다. 그에 따라 전기 소자의 병렬 접속 회로는 브리지 회로의 효과를 갖게 된다.
계속하여 충전할 경우, 거의 100%의 충전 상태를 갖는 배터리 셀들 내에서는, 충전 전류가 거의 완전하게 전기 소자에 의해 형성된 브리지 회로에 의해 전도되기 때문에, 충전 전류가 멈추는 반면에, 나머지 배터리 셀들은 자체의 브리지 회로가 추가의 충전을 저지할 때까지 계속하여 충전된다.
충전 과정의 종료 시에 모든 배터리 셀은 완전하게 충전되며, 이때 상기 배터리 셀들 간에 추가의 충전 균형 조절은 요구되지도 않는다.
전체의 충전 과정 동안 배터리 셀 내에서는 과전압이 발생할 수 없는데, 그 이유는 브리지 회로의 저항이 전압 증가에 따라 지수형으로 감소되고 그에 따라 모든 충전 전류를 우회시키기 때문이다.
본 발명의 실시예들은 도면과 하기의 설명에 따라서 더욱 상세하게 설명된다.
본 발명의 배터리 시스템에 따르면, 배터리 셀에 인가된 전압을 검출하기 위한 추가의 장치나 소프트웨어가 요구되지 않는다. 요구되는 특성을 갖는 낮은 비용의 전기 소자를 이용하면서도, 배터리 셀들 간의 충전 균형 조절을 확실히 실행할 수 있으며, 이와 동시에 배터리 셀들의 과전압도 방지될 수 있다.
직렬로 접속된 배터리 셀들의 가용 용량은 개별 셀 용량들의 합과 동일하다. 또한, 본 발명에 따르는 배터리 시스템에서 실행되는 충전 과정은 전압 피크에 대해서도 둔감하며, 상기 충전 과정은 단상 충전 장치들이 이용되는 조건에서도 완벽하게 실행될 수 있다.
충전 과정에서 열은 모든 이용되는 전기 소자에 걸쳐서 발생하기 때문에, 배터리 시스템 내 온도 분포는 종래 기술로부터 공지된 시스템에서보다 더욱 균일하다.
마지막으로, 충전 과정 및 충전 균형 조절의 시간은 상대적으로 짧다. 그 이유는 요구되는 특성을 갖는 전기 소자가 병렬로 접속되어 있는 모든 배터리 셀에 대한 충전 균형 조절이 동시에 실행될 수 있기 때문이다.
본 발명의 충전 방법에 따르면, 배터리 셀들의 충전이 종래 기술에 비해서 단순화된다는 장점을 갖는다. 특히, 복수의 배터리 셀은 소위 CC(정전류) 충전 위상에서 일정한 충전 전류로 완전하게 충전될 수 있으며, 배터리 셀들에서 과전압이 발생하지 않고, 배터리 셀들 간에 충전 균형 조절은 동시에 이루어진다.
도 1은 제1 실시예에 따르는 배터리 시스템을 도시한 회로도이다.
도 2는 제1 실시예에 따르는 배터리 시스템에 배치되는 제너 다이오드의 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 1에는 본 발명의 제1 실시예에 따르는 배터리 시스템(100)이 도시된다. 배터리 시스템(100)은 직렬로 접속된 복수의 배터리 셀(10)을 포함하고, 이들 배터리 셀은 각각 내부 저항(14)을 포함한다. 각각의 배터리 셀(10)에는 각각 제너 다이오드(12)가 병렬로 접속되며, 제너 다이오드(12)는 도 1에 도시된 배터리 셀들(10)의 극성과 관련하여 비전도 방향(non-conducting direction)으로 접속된다.
소정의 배터리 셀(10)에 병렬로 접속된 제너 다이오드(12)는, 상기 배터리 셀(10)의 셀 전압이 충전 과정 동안 소정의 전압 임계값을 초과하면, 곧바로 활성화되는 브리지 회로의 기능을 수행한다. 상기 전압 임계값을 초과하면, 제너 다이오드(12)의 저항은 전압이 계속하여 상승함에 따라 지수형으로 낮아진다. 제너 다이오드(12)의 저항 대 배터리 셀(10)의 내부 저항(14)의 비율에 따라서, 전압이 증가함에 따라, 점점 더 높은 비율의 충전 전류가 제너 다이오드(12)를 경유하여 흐르게 되고, 그럼으로써 배터리 셀(10)을 우회 통과하도록 흐르게 된다.
도 2에는 도 1에 도시된 제너 다이오드들(12) 중에서 하나의 제너 다이오드의 특성 곡선이 그래프로 도시되어 있다. 제어 다이오드(12)는 셀 전압의 동작 범위(16) 내에서 매우 높은 저항을 나타내며, 그럼으로써 상기 동작 범위에서는 무시해도 될 정도의 낮은 누설 전류(전형적으로 1㎂ 미만)만이 제너 다이오드(12)를 경유하여 흐르게 된다. 그에 따라 제너 다이오드(12)의 항복 전압(UBR) 미만인 동작 범위(16)에서는, 실질적으로 모든 충전 전류가 배터리 셀(10)을 경유하여 전도되면서 상기 배터리 셀을 충전할 정도로, 제너 다이오드(12)의 저항은 높다.
제너 다이오드(12)의 항복 전압(UBR)은, 대략 배터리 셀(14)의 과전압 한계에 상응하도록 선택된다. 제너 다이오드(12)의 항복 전압(UBR) 조건에서는 전류(I1)가 흐른다. 전압이 계속하여 상승할 때(도 2에서 음(-)의 U[V]축의 방향), 제너 다이오드(12)의 저항은 전압이 계속하여 증가함에 따라 지수형으로 낮아진다. 제너 다이오드(12)의 저항이 점점 더 낮아질수록, 점점 더 많은 전류가 상기 제너 다이오드를 경유하여 전도되며, 그리고 연계된 배터리 셀(10)을 추가로 충전하는데 점점 더 적은 전류가 공급된다.
제너 다이오드(12)를 통해 흐르는 전류는 항복 전압(UBR)의 초과 시에 갑작스럽게 상승하며, 그럼으로써 전압(U2)에서는 실질적으로 모든 충전 전류(I2)가 제너 다이오드(12)에 의해 형성된 브리지 회로를 경유하여 배터리 셀(10)을 우회 통과하도록 전도되며, 그에 따라 배터리 셀(10)은 과전압으로부터 보호된다.
방전 과정에서 제너 다이오드(12)의 저항은 배터리 셀(10)의 내부 저항(14)에 비해서 방전 전류가 완전하게 배터리 셀(10)을 경유하여 흐를 정도로 높아진다.

Claims (8)

  1. 직렬로 접속된 복수의 배터리 셀(10)을 포함하는 배터리 시스템(100)에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀(10) 중에서 적어도 하나의 배터리 셀에 전기 소자(12)가 병렬로 접속되고,
    상기 전기 소자(12)와 상기 적어도 하나의 배터리 셀(10)에 인가된 전압이 미리 결정된 전압 임계값(UBR)을 초과하는 경우 상기 전기 소자의 저항이 감소하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀(10) 각각에 전기 소자(12)가 병렬로 접속되고,
    상기 전기 소자(12)와 상기 전기 소자에 병렬로 접속된 배터리 셀(10)에 인가되는 전압이 미리 결정된 전압 임계값(UBR)을 초과하는 경우 상기 전기 소자의 저항이 감소하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 미리 결정된 전압 임계값(UBR) 이상에서, 상기 전기 소자(12)의 저항은 인가된 전압이 증가함에 따라 지수형으로 감소하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 소자는 제너 다이오드(12)인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 소자는 억제형 다이오드(suppressor diode)인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 소자는 금속 산화물 바리스터(metal oxide varistor)인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따르는 배터리 시스템(100)을 장착한 자동차에 있어서,
    상기 배터리 시스템(100)은 상기 자동차의 구동 시스템과 연결되는 것을 특징으로 하는 자동차.
  8. 직렬로 접속되는 복수의 배터리 셀(10)을 충전하기 위한 충전 방법으로서,
    직렬로 접속된 상기 복수의 배터리 셀은 충전 과정 동안 충전 전류를 공급받고,
    상기 복수의 배터리 셀(10) 중에서 적어도 하나의 배터리 셀에 인가되는 전압이 미리 결정된 전압 임계값(UBR)을 초과하는 경우 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 흐르는 전류는 억제되며,
    상기 전압 임계값(UBR)을 초과하는 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀(10)에 병렬로 접속된 전기 소자(12)의 저항이 감소되어, 충전 전류의 일부분이 상기 전기 소자(12)를 통해 흐르는 것을 특징으로 하는 충전 방법.
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