KR20140061840A

KR20140061840A - 고전압 셀 밸런싱의 밸런싱 필요 시간 추정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20140061840A
Application number: KR1020120128952A
Authority: KR
Inventors: 박용준
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2014-05-22
Also published as: KR101967863B1

Abstract

본 발명은 밸런싱 필요 시간 추정 방법으로, 모듈을 구성하는 적어도 하나 이상의 셀 전압을 측정하는 단계; 상기 측정된 전압을 바탕으로 상기 셀의 최저 용량을 선정하는 단계; 상기 전압이 전압 관리 범위를 초과하면 상기 셀의 밸런싱 시간을 계산하는 단계; 및 상기 셀에 밸런싱을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 셀 전압 센싱, 배터리 온도, 배터리 전류 등을 이용하여 전압과 셀 전압 합 차이를 비교한 후 밸런싱 추성 시간을 산출한다. 따라서, 밸런싱 시간을 계산할 때, 현재 셀 전압을 기준으로 하는 종래 기술에 비하여 오차를 줄일 수 있으므로 밸런싱 시간을 정확히 산출할 수 있다. 따라서 밸런싱 시간을 정확하게 계산하지 못해 실제 배터리 잔여량보다 낮게 잔여량을 추정하여 배터리 활용도가 저하되고 배터리 충전시 실제보다 많은 양의 에너지를 배터리에 주입하게 되어 배터리 수명이 감축되거나, 배터리 폭발과 같은 안전 사고가 발생하는 문제를 해결할 수 있다. 또한 하드웨어 구성 요소를 추가 또는 변경하는 것 없이 밸런싱 시간을 계산하는 소프트웨어의 추가로 기존의 센싱부 및 제어부(예컨대 차량의 ECU)를 그대로 사용할 수 있어 경제성을 확보할 수 있다.

Description

고전압 셀 밸런싱의 밸런싱 필요 시간 추정 장치 및 방법 {Device and method of balancing requirement time estimation in high voltage cell balancing}

본 발명은 밸런싱 필요 시간 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 고전압 셀 밸런싱의 밸런싱 필요 시간 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술인 밸런싱 에너지를 도시한 도면이다. 고전압 배터리가 사용되는 어플리케이션에서 셀들은 직렬로 연결된다. 따라서 충전, 방전시 동시에 배터리에서 에너지가 충전, 방전되는 구조를 갖는다. 이때 셀 간 전압 편차가 발생하게 되는 데, 예를 들어 10개의 셀 중에서 9개의 셀이 4.0 V, 한 개의 셀이 4.3 V인 배터리를 가정하면 4.3 V인 한 개의 셀 때문에 더 이상 충전을 할 수 없게 된다.

그 이유는 셀에 과충전을 하면 배터리의 수명이 짧아지기 때문이다. 따라서 에너지를 100% 충전하지 못하게 된다.

역으로 방전인 경우도 과방전을 막기 위해 방전을 끊기 때문에 100% 방전을 못하게 된다. 따라서 고전압 배터리가 사용되는 어플리케이션에서는 밸런싱이 매우 중요하다.

그런데 종래의 밸런싱은 도 1과 같이 밸런싱이 필요한 에너지 차이를 현재 셀 전압과 밸런싱 저항값을 이용하여 시간을 구하였다. 하지만 이 경우 사용자가 원하는 에너지보다 더 많은 에너지를 밸런싱하게 된다.

또한, 종래 발명은 밸런싱에 필요한 시간을 계산할 때, 현재 셀 전압을 기준으로 하기 때문에 도 1에서 보이는 것처럼 실제 밸런싱에 필요한 에너지보다 더 많은 양의 에너지를 목표로 밸런싱하기 때문에 밸런싱 시간이 요구되는 것보다 크게 산출되는 문제점이 있었다.

본 발명은 벨런싱 시간을 계산하는데 사용되는 현재 셀 전압을 밸런싱 할 때 감소되는 셀 전압을 고려하여 실제 사용자가 의도하는 에너지 양만큼 밸런싱하는 밸런싱 필요 시간 추정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일면에 따른 밸런싱 필요시간 추정 장치는 모듈을 구성하는 적어도 하나 이상의 셀 전압을 감지하고 배터리 온도, 상기 배터리 전류를 감지하는 센싱부; 및 상기 셀 전압, 상기 배터리 온도 및 상기 배터리 전류를 입력으로 받아 밸런싱 알고리즘을 실행하여 밸런싱 실행 여부를 결정하고, 상기 셀의 전압 차, 밸런싱 시작 전압 및 밸런싱 종료 전압을 구해서 최종 밸런싱에 필요한 시간을 산출하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 다른 면에 따른 밸런싱 필요 시간 추정 방법은 모듈을 구성하는 적어도 하나 이상의 셀 전압을 측정하는 단계; 상기 측정된 전압을 바탕으로 상기 셀의 최저 용량을 선정하는 단계; 상기 전압이 전압 관리 범위를 초과하면 상기 셀의 밸런싱 시간을 계산하는 단계; 및 상기 셀에 밸런싱을 수행하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 셀 전압 센싱, 배터리 온도, 배터리 전류 등을 이용하여 전압과 셀 전압 합 차이를 비교한 후 밸런싱 추성 시간을 산출한다. 따라서, 밸런싱 시간을 계산할 때, 현재 셀 전압을 기준으로 하는 종래 기술에 비하여 오차를 줄일 수 있으므로 밸런싱 시간을 정확히 산출할 수 있다. 따라서 밸런싱 시간을 정확하게 계산하지 못해 실제 배터리 잔여량보다 낮게 잔여량을 추정하여 배터리 활용도가 저하되고 충전시 실제보다 많은 양의 에너지를 배터리에 주입하게 되어 배터리 수명이 감축되거나, 배터리 폭발과 같은 안전 사고가 발생하는 문제를 해결할 수 있다. 또한 하드웨어 구성 요소를 추가 또는 변경하는 것 없이 밸런싱 시간을 계산하는 소프트웨어의 추가로 기존의 센싱부 및 제어부(예컨대 차량의 ECU)를 그대로 사용할 수 있어 경제성을 확보할 수 있다.

도 1은 종래 기술인 밸런싱 에너지를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 밸런싱 필요 시간 추정 장치 구성도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 센싱부의 구성도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 밸런싱 필요 시간 추정 방법의 순서도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 밸런싱 필요 시간 추정 장치 구성도이고 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 센싱부의 구성도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면,밸런싱 필요 시간 추정 장치는 센싱부(110), 제어부(120) 및 밸런싱 수행부(130)를 포함한다.

센싱부(110)는 셀 전압 센싱부(112), 배터리 온도 센싱부(114) 및 배터리 전류 센싱부(116)를 포함한다. 셀 전압 센싱부(112)는 셀 전압을 감지하고 배터리 온도 센싱부(114)는 배터리 온도를 감지하며 배터리 전류 센싱부(116)는 배터리 전류를 감지한다.

센싱부(110)는 모듈을 구성하는 적어도 하나 이상의 셀 전압을 감지하고 배터리 온도, 배터리 전류를 감지한다.

제어부(120)는 셀 전압, 배터리 온도 및 배터리 전류를 입력으로 받아 밸런싱 알고리즘을 실행하여 밸런싱 실행 여부를 결정하고, 셀의 전압 차, 밸런싱 시작 전압 및 밸런싱 종료 전압을 구해서 최종 밸런싱에 필요한 시간을 산출한다.

제어부(120)는 밸런싱 실행이 결정되면 셀 전압 차를 계산하고 look-up-table을 이용하여 밸런싱 시작 전압과 밸런싱 종료 전압을 구한다.

밸런싱 수행부(130)는 제어부(120)로부터의 지시에 따라 밸런싱을 수행한다.

구체적으로 밸런싱 수행부(130)는 셀이 병렬로 밸런싱 저항과 연결되어 있는 경우 밸런싱 실행이 결정되면 셀이 밸런싱 저항과 연결될 수 있도록 밸런싱 스위치를 연산된 시간만큼 닫아 밸런싱을 수행한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 밸런싱 필요 시간 추정 방법의 순서도이다. 도 4를 참조하면, 먼저 모듈을 구성하는 적어도 하나 이상의 셀 전압을 측정한다(S210).

구체적으로, 셀 전압 센싱부(112)를 이용하여 셀 전압을 감지한다.

다음으로, 측정된 전압을 바탕으로 셀의 최저 용량을 선정한다(S220).

이어, 전압이 전압 관리 범위를 초과하면(S230) 셀의 밸런싱 시간을 계산한다(S240). 전압이 전압 관리 범위 이내이면 각 셀 간 전압 편차가 크지 않으므로 셀 밸런싱이 필요없다.

구체적으로 밸런싱 시작 전압과 밸런싱 종료 전압을 기저장한 look-up-table에서 찾아 셀 밸런싱 시간을 계산한다.

셀 특성에 맞게 용량별 OCV 값은 look-up-table로 아래와 같이 메모리에 미리 저장되어 있다.

용량 = {100, 95, 90, …, 10, 5, 0}

OCV = {4.3, 4.2, 4.1, …, 3.2, 3.1, 3.0}

셀 밸런싱 편차가 발생시 밸런싱 시작 전압(OCV2)와 밸런싱 종료 전압(OCV1)을 기저장한 look-up-table에서 찾고 이 값을 밸런싱 수식에 대입하여 최종 시간을 계산한다.

이 경우 밸런싱 시간 계산은 하기 수학식을 이용하여 계산한다.

:셀 밸런싱 시간,

:밸런싱 오차, C:전체 배터리 용량,

:현재 셀 전압, R:밸런싱 저항

셀 밸런싱 식은 각 셀별로 오차가 발생시 밸런싱 스위치를 폐쇄하는 시간

를 구하는 것을 목적으로 한다.

의 시간 단위는 sec(초)이다. 배터리 용량을 나타내는 C의 단위는 Ah(암페어 아워)이다. 여기에서 밸런싱 오차를 구하기 위해서 전체 배터리 용량(C)에서 밸런싱 오차

를 곱해주면 오차에 대한 Ah가 구해진다. 따라서 밸런싱 시간을 계산하기 위해 전류분을 소거해 주면 되는데, 시간을 초로 변경하기 위한 3600과 전류분을 소거하기 위한 전류(

)을 곱하면 밸런싱 시간이 계산된다.

본 발명은 상기 식에서 셀 전압에 해당하는 파라미터를 오차가 발생하지 않도록 하기 위해

를 사용한다. 그 이유는 실제 밸런싱이 진행되면서 해당 전압분이 감소하기 때문이다.

끝으로, 셀에 밸런싱을 수행한다(S250).

본 발명에 따르면, 셀 전압 센싱, 배터리 온도, 배터리 전류 등을 이용하여 전압과 셀 전압 합 차이를 비교한 후 밸런싱 추성 시간을 산출한다. 따라서, 밸런싱 시간을 계산할 때, 현재 셀 전압을 기준으로 하는 종래 기술에 비하여 오차를 줄일 수 있으므로 밸런싱 시간을 정확히 산출할 수 있다. 따라서 밸런싱 시간을 정확하게 계산하지 못해 실제 배터리 잔여량보다 낮게 잔여량을 추정하여 배터리 활용도가 저하되고 배터리 충전시 실제보다 많은 양의 에너지를 배터리에 주입하게 되어 배터리 수명이 감축되거나, 배터리 폭발과 같은 안전 사고가 발생하는 문제를 해결할 수 있다. 또한 하드웨어 구성 요소를 추가 또는 변경하는 것 없이 밸런싱 시간을 계산하는 소프트웨어의 추가로 기존의 센싱부 및 제어부(예컨대 차량의 ECU)를 그대로 사용할 수 있어 경제성을 확보할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 밸런싱 필요시간 추정 장치
110 : 센싱부 120 : 제어부
130 : 밸런싱 수행부
112 : 셀 전압 센싱부 114 : 배터리 온도 센싱부
116 : 배터리 전류 센싱부

Claims

모듈을 구성하는 적어도 하나 이상의 셀 전압, 배터리 온도 및 상기 배터리 전류를 감지하는 센싱부; 및
상기 셀 전압, 상기 배터리 온도 및 상기 배터리 전류를 입력으로 받아 밸런싱 알고리즘을 실행하여 밸런싱 실행 여부를 결정하고, 상기 셀의 전압 차, 밸런싱 시작 전압 및 밸런싱 종료 전압을 구해서 최종 밸런싱에 필요한 시간을 산출하는 제어부
를 포함하는 밸런싱 필요시간 추정 장치.
제1항에 있어서, 상기 센싱부는
상기 셀 전압을 감지하는 셀 전압 센싱부, 상기 배터리 온도를 감지하는 베터리 온도 센싱부 및 상기 배터리 전류를 감지하는 배터리 전류 센싱부를 포함하는 것
인 밸런싱 필요시간 추정 장치..
제1항에 있어서, 상기 제어부는
상기 밸런싱 실행이 결정되면 상기 셀 전압 차를 계산하고 look-up-table을 이용하여 밸런싱 시작 전압과 밸런싱 종료 전압을 구하는 것
인 밸런싱 필요시간 추정 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부로부터의 지시에 따라 밸런싱을 수행하는 밸런싱 수행부를 더 포함하는 것
인 밸런싱 필요시간 추정 장치.
제4항에 있어서, 상기 밸런싱 수행부는
상기 셀이 병렬로 밸런싱 저항과 연결되어 있는 경우 밸런싱 실행이 결정되면 상기 셀이 상기 밸런싱 저항과 연결될 수 있도록 밸런싱 스위치를 연산된 시간만큼 닫아 밸런싱을 수행하는 것
인 밸런싱 필요시간 추정 장치.
모듈을 구성하는 적어도 하나 이상의 셀 전압을 측정하는 단계;
상기 측정된 전압을 바탕으로 상기 셀의 최저 용량을 선정하는 단계;
상기 전압이 전압 관리 범위를 초과하면 상기 셀의 밸런싱 시간을 계산하는 단계; 및
상기 셀에 밸런싱을 수행하는 단계
를 포함하는 밸런싱 필요 시간 추정 방법.
제6항에 있어서,
상기 셀 전압을 측정하는 단계는
셀 전압 센싱부를 이용하여 셀 전압을 센싱하는 것
인 밸런싱 필요 시간 추정 방법.
제6항에 있어서,
상기 밸런싱 시간을 계산하는 단계는
밸런싱 시작 전압과 밸런싱 종료 전압을 기저장한 look-up-table에서 찾아 셀 밸런싱 시간을 계산하는 것
인 밸런싱 필요 시간 추정 방법.
제6항에 있어서,
상기 밸런싱 시간을 계산하는 단계는
하기 수학식을 이용하여 계산하는 것

:셀 밸런싱 시간,
: 밸런싱 오차, C : 전체 배터리 용량,
:현재 셀 전압, R:밸런싱 저항

인 밸런싱 필요 시간 추정 방법.