KR20140110574A - 배터리 셀 밸런싱 장치 및 배터리 셀 밸런싱 방법 - Google Patents

배터리 셀 밸런싱 장치 및 배터리 셀 밸런싱 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 셀 밸런싱 장치로서 소정의 전압을 갖는 복수의 배터리 셀; 전기에너지가 저장된 에너지 저장부; 상기 소정의 배터리 셀의 전압이 제1 기준전압 이하인 경우 에너지 저장부로부터 상기 소정의 배터리 셀로 자기 유도 방식에 의해 전기에너지를 전달하는 에너지 전달부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 셀 밸런싱 장치 및 배터리 셀 밸런싱 방법{Cell balancing apparatus and method}
본발명은 전기자동차, 하이브리드자동차 또는 골프-카트의 배터리의 배터리 셀 밸런싱 장치 및 배터리 셀 밸런싱 방법에 대한 것이다.
가솔린이나 경유를 주원료로 사용하는 내연 기관을 사용하는 자동차는 대기오염의 주요 원인이 된다. 또한 화석연료가 갈수록 고갈됨에 따라 최근 전기자동차, 하이브리드자동차가 기존의 내연 기관을 사용하는 자동차의 대체 수단으로 각광을 받고 있다.
전기자동차는 배터리(battery)에서 출력되는 전기에너지를 동력원으로 하여 동작하는 자동차이다. 전기자동차는 충전, 방전이 가능한 다수의 2차 전지인 배터리 셀(battery cell)로 구성된 배터리 팩(battery pack)을 주 동력원으로 하여 동작한다.
하이브리드자동차란 2개 이상의 동력수단을 혼합하여 동력원으로 이용하는 자동차이다. 동력 수단으로 내연기관, 배터리, 연료전지 등이 있다.
전기자동차, 하이브리드자동차의 동력원으로 사용되는 멀티셀 배터리 팩은 각각의 배터리 셀이 자체적으로 충전, 방전의 특성을 가지기 때문에 시간의 경과에 따라 셀 밸런싱(Cell Balancing)이 필요하다.
본 발명은 복수의 배터리 셀 (battery cell)이 병렬 또는 직렬 또는 직병렬 혼합으로 연결된 배터리 팩의 셀 밸런싱에 있어서 종전 패시브 셀 밸런싱(passive cell balancing) 방식의 에너지의 손실, 열의 발생, 스위칭에 따른 노이즈 문제가 있었다.
배터리 셀 밸런싱(battery cell balancing)은 배터리 셀의 전압을 일정하게 맞추어 열화에 따른 배터리 전체의 기능 정지 및 셀 과충전에 따른 문제를 제거하고자 하는 것이다. 종전의 비 효율적인 패시브 셀 밸런싱의 개선이 본 발명의 해결하고자 하는 과제이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 배터리 셀 밸런싱 장치는 소정의 전압을 갖는 복수의 배터리 셀(10); 전기에너지가 저장된 에너지 저장부(20); 상기 소정의 배터리 셀(10)의 전압이 제1 기준전압 이하인 경우 에너지 저장부(20)로부터 상기 소정의 배터리 셀(10)로 자기 유도 방식에 의해 전기에너지를 전달하는 에너지 전달부(30); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 배터리 셀 밸런싱 장치는 소정의 전압을 갖는 복수의 배터리 셀(10); 전기에너지가 저장된 에너지 저장부(20); 상기 소정의 배터리 셀(10)의 전압이 제2 기준전압 이상인 경우 상기 소정의 배터리 셀(10)로부터 상기 에너지 저장부(20)로 자기 유도 방식에 의해 전기에너지를 전달하는 에너지 전달부(30); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 셀 밸런싱 장치에 상기 소정의 배터리 셀(10)의 전압이 제1 기준전압 이하인 경우 에너지 저장부(20)로부터 상기 소정의 배터리 셀(10)로 전기에너지를 전달받아 전기 에너지를 충전하고, 상기 소정의 배터리 셀(10)의 전압이 제2 기준전압 이상인 경우 상기 소정의 배터리 셀(10)로부터 상기 에너지 저장부(20)로 전기에너지를 전달하여 전기에너지를 방전하도록 제어하는 배터리 관리 시스템(battery management system)(40)을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수도 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
소정의 전압을 갖는 복수의 배터리 셀(10); 전기에너지가 저장된 에너지 저장부(20); 상기 소정의 배터리 셀(10)의 전압이 제1 기준전압 이하인 경우 에너지 저장부(20)로부터 상기 소정의 배터리 셀(10)로 자기 유도 방식에 의해 전기에너지를 전달하는 에너지 전달부(30); 를 포함하는 셀 밸런싱 장치 및 셀 밸런싱 방법은 패시브 셀 밸런싱방식에 있어의 에너지의 손실, 열의 발생, 스위칭에 따른 노이즈 문제를 해결하여 성능면에서 효율적이고 기능면에서 안정적인 배터리 팩을 제조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 배터리 온도 유지장치의 구성도를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 배터리 온도 유지장치의 회로도를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 배터리 온도 유지장치의 작동 흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1에는 발명의 하나의 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치의 구성도가 도시되어 있다.
도 2에는 발명의 하나의 실시예에 따른 배터리 셀 밸런싱 장치의 회로도가 도시되어 있다.
도 1 과 도 2를 참조하면,
배터리 셀 밸런싱 장치는 소정의 전압을 갖는 복수의 배터리 셀(10); 전기에너지가 저장된 에너지 저장부(20); 상기 소정의 배터리 셀(10)의 전압이 제1 기준전압 이하인 경우 에너지 저장부(20)로부터 상기 소정의 배터리 셀(10)로 자기 유도 방식에 의해 전기에너지를 전달하는 에너지 전달부(30);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
배터리 셀 밸런싱 장치는 소정의 전압을 갖는 복수의 배터리 셀(10); 전기에너지가 저장된 에너지 저장부(20); 상기 소정의 배터리 셀(10)의 전압이 제2 기준전압 이상인 경우 상기 소정의 배터리 셀(10)로부터 상기 에너지 저장부(20)로 자기 유도 방식에 의해 전기에너지를 전달하는 에너지 전달부(30); 를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 구성요소 외에 상기 소정의 배터리 셀(10)의 전압이 제1 기준전압 이하인 경우 에너지 저장부(20)로부터 상기 소정의 배터리 셀(10)로 전기에너지를 전달받아 전기 에너지를 충전하고, 상기 소정의 배터리 셀(10)의 전압이 제2 기준전압 이상인 경우 상기 소정의 배터리 셀로(10)부터 상기 에너지 저장부(20)로 전기에너지를 전달하여 전기에너지를 방전하도록 제어하는 배터리 관리 시스템(battery management system)(40)을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
제1 기준전압은 셀 밸런싱이 필요 없는 전압의 범위의 최소값을 의미한다.
제2 기준전압은 셀 밸런싱이 필요 없는 전압의 범위의 최대값을 의미한다.
배터리 셀(10)은 2차 전지를 의미한다. 한 번 쓰고 버리는 1차전지(일반 건전지)와 달리 외부전원을 이용해 충전해서 반영구적으로 사용하는 전지를 2차전지라고 한다. 2차전지에는 충전 물질로 무엇을 쓰느냐에 따라 니켈-카드뮴 전지(nickelcadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery)등이 있다. 리튬이온전지는 현재 2차 전지 시장의 대부분은 차지하고 있는 것으로, 양극과 음극 사이에 유기전해질을 넣어 충전과 방전을 반복하게 한다. 무게가 가벼운데다 고용량의 전지를 만드는 데 유리해 휴대전화기 등에 많이 사용되고 있다.
리튬폴리머전지는 리튬이온전지보다 한단계 발전한 전지로, 양극과 음극 사이에 고체나 겔 형태의 폴리머 재료로 된 전해질을 사용, 전기를 발생시킨다. 모양을 다양하게 할 수 있고 현재까지 개발된 2차전지 가운데 가장 얇은 전지를 만들 수 있다는 장점이 있다.
복수의 배터리 셀(10)이 병렬 또는 직렬 또는 직병렬 혼합으로 연결된 배터리 모듈(battery module)을 배터리 팩이라고 한다. 배터리 팩은 각각의 배터리 셀(10)이 자체적으로 충전, 방전의 특성을 가지기 때문에 시간의 경과에 따라 셀 밸런싱(Cell Balancing)이 필요하다.
배터리 셀 밸런싱(battery cell balancing)은 배터리 셀의 전압을 일정하게 맞추어 열화에 따른 배터리 전체의 기능 정지 및 셀 과충전에 따른 문제를 제거하고자 하는 것이다.
에너지 저장부(20)는 전기 에너지가 저장된다. 에너지 저장부(20)는 배터리, 커패시터 또는 수퍼커패시터와 같이 에너지를 저장할 수 있는 수단을 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 에너지 저장부(20)는 에너지 전달부(30)를 통해 하나 이상의 배터리 셀(10)에게 전기 에너지를 전달할 수 있다. 에너지 저장부(20)는 에너지 전달부(30)를 통해 하나 이상의 배터리 셀(10)로부터 전기 에너지를 전달 받을 수 있다.
에너지 전달부(30)는 복수의 배터리 셀(10)로부터 에너지 저장부(20)로 전기 에너지를 전달하거나 에너지 저장부(20)로부터 하나 이상의 배터리 셀(10)로 전기 에너지를 전달한다.
에너지 전달 방식에는 자기 유도 방식을 이용한 방식, 자기공명방식, 전자기파방식 등이 있을 수 있다.
자기 유도 방식은 코일에 흐르는 전류가 변화하면 그에 따라 자속이 변화하므로 전자 유도에 의해서 코일 내에 유기 기전력이 발생한다. 이것을 자기 유도라 한다. 권수 n인 코일의 인덕턴스 L은 그곳에 흐르는 전류를 I[A], 자속을 Φ[Wb]로 하면L=nΦ/I[H]가 되는데 코일을 통과하는 자속에 변화가 있으면 이것을 방해하는 방향으로 전류를 흘리려고 하는 유기 기전력 V가 코일의 단자에 나타나므로 V=-L(dI/dt)=-n(dΦ/dt)[V]가 된다.
에너지 전달부(30)는 배터리 셀(10)의 전압이 제1 기준전압 이하이어서 셀 밸런싱이 필요한 경우 에너지 저장부(20)로부터 제1 기준전압 이하인 배터리 셀(10)로 자기 유도 방식에 의해 전기에너지를 전달한다.
에너지 전달부(30)는 배터리 셀(10)의 전압이 제2 기준전압 이상이어서 셀 밸런싱이 필요한 경우 제2 기준전압 이상인 배터리 셀(10)로부터 에너지 저장부(20)로 자기 유도 방식에 의해 전기에너지를 전달한다.
자기공명 방식은 자기모멘트를 가진 입자의 에너지준위(準位)가 정자기장(靜磁氣場) 속에서 분리되어 있을 때 그 간격에 대응하는 진동수의 진동자기장 또는 전자기파(電磁氣波)와 사이에 생기는 공명현상. 정자기장 H에서 자기모멘트를 지닌 원자핵 또는 전자는 자기장의 방향을 축으로 하여 주파수 υ로 회전운동을 시작한다(라머세차운동). υ를 라머주파수라 하는데, υ와 H 사이에는 2πυ= H 는 (磁氣回轉比, 즉물질의 자기모멘트에 의해 정해지는 상수)라는 관계식이 성립한다. 이 식을 자기공명의 조건식이라 한다. 이 식에 따라 라머세차운동을 하는 입자에 자기장 H의 방향과 직각인 방향으로 같은 주파수 υ의 고주파자기장 h를 걸면 입자는 이 고주파자기장의 에너지를 흡수하여 공명흡수를 일으키는데, 이것이 자기공명이다.
전자기파는 대전된 입자의 진동에 의하여 발생되는 전기장과 자기장의 변화에 의하여 발생하는 장의 섭동이 전파되는 정보이다. 전자기파는 진행하는 방향에 대해 수직으로 진동하면서 전파되는 횡파이며, 맥스웰(J. C. Maxwell, 1831~1879)의 방정식에 의해 그 존재가 예견되었고 자유공간(진공)에서의 전파속도 m/s의 값을 갖는다. 파장에 따라 γ선〈10－3 nm), X선(10－3~1 nm), 자외선(1~300 nm), 가시광선(400~800 nm), 적외선(1~103 ㎛), 마이크로파(1 mm~10 cm), 전파(≥1 cm) 등으로 나뉘는데, 우리가 눈으로 느끼는 가시광선도 특정 파장을 가진 전자기파의 일종이다.
배터리 관리 시스템(battery management system)(40)은 배터리 셀(10)의 전압/전류/온도 등을 측정하여 배터리 SOC (state of charge) 계산 및 출력가능 파워 등을 실시간으로 계산하며, 측정된 전압 값을 근거로 셀간의 밸런싱 제어를 수행한다.
배터리 관리 시스템(battery management system)(40)은 상기 소정의 배터리 셀(10)의 전압이 제1 기준전압 이하인 경우 에너지 저장부(20)로부터 상기 소정의 배터리 셀(10)로 전기에너지를 전달받아 전기 에너지를 충전할 수 있게 제어한다.
배터리 관리 시스템(battery management system)(40)은 상기 소정의 배터리 셀(10)의 전압이 제2 기준전압 이상인 경우 상기 소정의 배터리 셀(10)로부터 상기 에너지 저장부(20)로 전기에너지를 전달하여 전기에너지를 방전할 수 있게 제어한다.
배터리 관리 시스템(battery management system)(40)의 제어에 의해 필요에 따라 에너지 저장부(20)의 제1 스위치(21)가 동작된다.
배터리 관리 시스템(battery management system)(40)의 제어에 의해 필요에 따라 배터리 셀(10)의 제2 스위치(11), 제3 스위치(12)가 동작된다.
도 3는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치의 작동 흐름도이다.
하나의 실시예는 다음과 같다. 배터리 관리 시스템(battery management system)(40)이 배터리 팩을 구성하는 각 배터리 셀(10)의 전압을 측정한다(S100).
배터리 셀(10)은 2차 전지를 의미한다. 한 번 쓰고 버리는 1차전지(일반 건전지)와 달리 외부전원을 이용해 충전해서 반영구적으로 사용하는 전지를 2차전지라고 한다. 2차전지에는 충전 물질로 무엇을 쓰느냐에 따라 니켈-카드뮴 전지(nickelcadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery)등이 있다.
배터리 관리 시스템(battery management system)(40)은 배터리 셀(10)의 전압/전류/온도 등을 측정하여 배터리 SOC (state of charge) 계산 및 출력가능 파워 등을 실시간으로 계산하며, 측정된 전압 값을 근거로 셀간의 밸런싱 제어를 수행한다.
상기 측정된 배터리 셀(10)의 전압을 바탕으로 배터리 관리 시스템(battery management system)(40)은 밸런싱 대상이 되는 셀을 선택한다(S110). 배터리 셀 밸런싱(battery cell balancing)은 배터리 셀의 전압을 일정하게 맞추어 열화에 따른 배터리 전체의 기능 정지 및 셀 과충전에 따른 문제를 제거하고자 하는 것이다. 밸런싱 대상이 되는 셀은 측정된 배터리 셀(10)의 전압이 제1 기준전압 이하 또는 제2 기준전압 이상인 경우에 해당한다. 제1 기준전압은 셀 밸런싱이 필요 없는 전압의 범위의 최소값을 의미한다. 제2 기준전압은 셀 밸런싱이 필요 없는 전압의 범위의 최대값을 의미한다.
상기 밸런싱 대상이 되는 셀이 제1 기준전압 이하인 경우(S120) 소정의 전기에너지를 저장하고 있는 에너지 저장부(20)로부터 전기에너지를 자기 유도 방식에 의해 전달받아 전기 에너지를 충전한다.(S130)
상기 밸런싱 대상이 되는 셀이 제2 기준전압 이상인 경우(S140) 소정의 전기에너지를 저장할 수 있는 에너지 저장부(20)로 전기에너지를 자기 유도 방식에 의해 전달하여 에너지를 방전한다.(S150)
에너지 저장부(20)는 전기 에너지가 저장된다. 에너지 저장부(20)는 배터리, 커패시터 또는 수퍼커패시터와 같이 에너지를 저장할 수 있는 수단을 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 에너지 저장부(20)는 에너지 전달부(30)를 통해 하나 이상의 배터리 셀(10)에게 전기 에너지를 전달할 수 있다. 에너지 저장부(20)는 에너지 전달부(30)를 통해 하나 이상의 배터리 셀(10)로부터 전기 에너지를 전달 받을 수 있다.
에너지 전달부(30)는 복수의 배터리 셀(10)로부터 에너지 저장부(20)로 전기 에너지를 전달하거나 에너지 저장부(20)로부터 하나 이상의 배터리 셀(10)로 전기 에너지를 전달한다.
에너지 전달 방식에는 자기 유도 방식을 이용한 방식, 자기공명방식, 전자기파방식 등이 있을 수 있다.
이러한 과정을 거쳐 배터리 셀(10)의 셀밸런싱을 수행한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
10 : 복수의 배터리 셀
11 : 제 2스위치
12 : 제 3스위치
20 : 에너지 저장부
21 : 제 1스위치
30 : 에너지 전달부
40 : 배터리 관리 시스템 (BMS : battery management system)

Claims (5)

  1. 소정의 전압을 갖는 복수의 배터리 셀;
    전기에너지가 저장된 에너지 저장부; 및
    상기 소정의 배터리 셀의 전압이 제1 기준전압 이하인 경우 에너지 저장부로부터 상기 소정의 배터리 셀로 자기 유도 방식에 의해 전기에너지를 전달하는 에너지 전달부; 를 포함하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  2. 소정의 전압을 갖는 복수의 배터리 셀;
    전기에너지가 저장된 에너지 저장부; 및
    상기 소정의 배터리 셀의 전압이 제2 기준전압 이상인 경우 상기 소정의 배터리 셀로부터 상기 에너지 저장부로 자기 유도 방식에 의해 전기에너지를 전달하는 에너지 전달부; 를 포함하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 소정의 배터리 셀의 전압이 제1 기준전압 이하인 경우 에너지 저장부로부터 상기 소정의 배터리 셀로 전기에너지를 전달받아 전기 에너지를 충전하고, 상기 소정의 배터리 셀의 전압이 제2 기준전압 이상인 경우 상기 소정의 배터리 셀로부터 상기 에너지 저장부로 전기에너지를 전달하여 전기에너지를 방전하도록 제어하는 배터리 관리 시스템(battery management system)을 더 포함하는 배터리 셀 밸런싱 장치.
  4. 배터리 팩을 구성하는 각 셀의 전압을 측정하는 단계;
    상기 측정된 전압을 바탕으로 밸런싱 대상이 되는 셀을 선택하는 단계; 및
    상기 밸런싱 대상이 되는 셀이 제1 기준전압 이하인 경우 소정의 전기에너지를 저장하고 있는 에너지 저장부로부터 전기에너지를 자기 유도 방식에 의해 전달받아 전기 에너지를 충전하는 단계; 를 포함하는 배터리 셀 밸런싱 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 밸런싱 대상이 되는 셀이 제2 기준전압 이상인 경우 소정의 전기에너지를 저장할 수 있는 에너지 저장부로 전기에너지를 자기 유도 방식에 의해 전달하여 에너지를 방전하는 단계를 더 포함하는 배터리 셀 밸런싱 방법.




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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101602277B1 (ko) * 2014-12-05 2016-03-10 현대오트론 주식회사 배터리 셀 밸런싱 장치 및 방법
US9902283B2 (en) 2015-02-18 2018-02-27 Audi Ag Battery for a motor vehicle, motor vehicle, and method for operating a battery
US10571523B2 (en) 2017-07-20 2020-02-25 Lg Chem, Ltd. Wireless battery management system and battery pack including same
WO2020171456A1 (ko) * 2019-02-19 2020-08-27 주식회사 엘지화학 Ic 칩 및 이를 이용한 회로 시스템

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