KR20140122520A - 전압차를 이용한 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

전압차를 이용한 밸런싱 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 관리 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 배터리 팩(Battery Pack) 충전, 방전함에 있어서 배터리 셀(Cell)과 배터리 셀(Cell)사이에 전압차(이하 ΔVoltage)를 감지하여 배터리 셀간의 전압을 일정하게 유지시켜 주어 발열이나 배터리의 상태를 최적화는 전압차를 이용한 밸런싱 장치 및 방법에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀간의 전압차이를 최소한으로 줄여 배터리의 충전과 방전의 효율을 높여 가장 이상적인 배터리 팩으로 사용할 수 있다.

Description

전압차를 이용한 밸런싱 장치 및 방법{Apparatus and Method for balancing using voltage difference}
본 발명은 배터리 관리 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 배터리 팩(Battery Pack) 충전, 방전함에 있어서 배터리 셀(Cell)과 배터리 셀(Cell)사이에 전압차(이하 ΔVoltage)를 감지하여 배터리 셀간의 전압을 일정하게 유지시켜 주어 발열이나 배터리의 상태를 최적화는 전압차를 이용한 밸런싱 장치 및 방법에 대한 것이다.
경제 발전에 따라 차량에 대한 수요가 폭발적인 증가세를 보이고 있다. 이와 같이 차량 수요가 늘어남에 따라 차량에서 배출되는 배기가스가 환경오염의 주요 원인이 되고 있다.
따라서 차량의 배출가스를 줄이기 위한 다양한 연구들이 지속적으로 진행되고 있으며, 업계에서는 배출가스를 줄일 수 있는 차량의 개발이 진행되고 있다. 이러한 연구들과 개발의 결과로서 배출가스를 발생하지 않는 전기차량의 상용화가 부분적으로 시도되고 있다.
전기차량(전기이륜차 및 전기 충전에 의해 운행가능 특수 차량 포함)은 전기를 전력공급원으로 하여 운행하는 차량을 의미하며, 차량 자체에 전력공급원으로 충전이 가능한 배터리를 탑재하고, 탑재된 배터리에서 공급되는 전력을 이용하여 운행하는 차량을 말한다.
이러한 전기차량의 구성은 크게 일반 차량과 동일한 구성요소를 갖는 차량의 기본적인 기능부와 함께, 크게 전기에 의해 구동되어 차량을 운행시키기 위한 구동모터와, 그 구동모터에 전기를 공급하는 배터리로 구성된다.
한편, 배터리는 다수개의 배터리 셀로 구성되고, 다수개의 배터리 셀은 안전성과 수명 향상, 그리고 고출력을 얻기 위해 각 배터리 셀의 전압을 균일하게 해주어야 하므로, 배터리 셀들을 충전 또는 방전하면서 각 배터리가 적절한 전압을 가질 수 있도록 하는 배터리 밸런싱 장치를 이용한다.
또한, 다양한 분야에서 배터리 팩(Battery Pack)을 사용함에 있어서 여러 개의 배터리 셀을 직렬 및/또는 병렬로 연결을 하여 구성을 한다. 연결된 배터리 팩을 충전 혹은 방전 시 각각의 배터리 셀들의 전압차는 어느 정도 일정하게 유지된다.
일반적으로 BMS(Battery Management System)는 기본적으로 배터리 팩(Battery Pack)의 상태를 관리하는 목적으로 개발된 장치이다. 관리 규격의 항목으로 충전이나 방전을 할 때 배터리 팩의 총 전압, 전류, 온도 등의 최소, 최대 수치를 감지하여 배터리 팩내의 배터리 셀을 안전한 영역에서 관리한다.
배터리 팩의 충전이나 방전 시 과충전 또는 과방전이 되었을 때, 배터리 셀의 전압이 배터리의 규격 전압보다 낮거나 높을 때를 감지하여 전원을 강제로 오픈(Open)하여 전류를 차단한 후 해당 배터리 셀을 강제 방전시켜 배터리 셀의 밸런스를 유지한다.
그러나, 이러한 방식의 경우 배터리 셀간의 과충전과 과방전은 관리가 되지만, 사용 가능 구간의 전압차로 인한 문제점은 관리되지 않는다.
따라서, 배터리를 충전 및/또는 방전하는 과정에서 배터리 셀간의 전압차이가 보상되지 않은 상태로 유지되므로 배터리 팩의 용량을 최대로 사용하는 것이 어려워진다.
그로 인하여 배터리 팩(Battery Pack) 사용 시간이 줄어들고 전압차가 더욱 커지므로 밸런싱(Balancing) 시간이 길어지게 되거나, 배터리 팩을 사용하지 못하게 된다.
또한, 전압차로 인하여 발생하는 열로 인하여 배터리 팩내의 온도가 높아지는 현상으로 모든 배터리에 손상을 줄 수 있다는 단점이 있다.
1. 한국공개특허번호 제10-2010-0019256호 2. 한국공개특허번호 제10-2010-0020113호 3. 한국공개특허번호 제10-2011-0029006호 4. 한국공개특허번호 제10-2009-0031449호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 배터리 팩(Battery Pack) 충전, 방전함에 있어서 배터리 셀(Cell)과 배터리 셀(Cell)사이에 전압차(ΔVoltage)를 감지하여 배터리 셀간의 전압을 일정하게 유지시켜 주어 발열이나 배터리의 상태를 최적화는 전압차를 이용한 밸런싱 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 배터리 셀(Cell)과 배터리 셀(Cell)사이에 전압차(ΔVoltage)를 감지하여 배터리 셀간의 전압을 일정하게 유지시도록 제어하여 배터리의 상태를 최적화는 전압차를 이용한 밸런싱 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 배터리 팩(Battery Pack) 충전, 방전함에 있어서 배터리 셀(Cell)과 배터리 셀(Cell)사이에 전압차(ΔVoltage)를 감지하여 배터리 셀간의 전압을 일정하게 유지시켜 주어 발열이나 배터리의 상태를 최적화는 전압차를 이용한 밸런싱 장치를 제공한다.
상기 밸런싱 장치는,
다수의 배터리 셀을 갖는 배터리 팩;
상기 다수의 배터리 셀의 셀 전압을 센싱하는 셀 전압 센싱부;
센싱된 셀 전압에 대한 전압차를 계산하는 전압차 계산부;
계산된 전압차가 미리 설정된 값을 초과하는 지를 판단하여 강제 방전 명령을 생성하는 밸런싱 제어부; 및
생성된 강제 방전 명령에 따라 상기 다수의 배터리 셀 중 해당 배터리 셀을 강제 방전하는 셀 밸런싱 회로부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 미리 설정된 값은 300 내지 500㎷일 수 있다.
또한, 상기 강제 방전은 로드 저항을 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 일실시예는, 다수의 배터리 셀의 셀 전압을 센싱하는 단계; 센싱된 셀 전압에 대한 전압차를 계산하는 단계; 계산된 전압차가 미리 설정된 값을 초과하는 지를 판단하는 단계; 판단 결과, 초과되면 강제 방전 명령을 생성하는 단계; 및 생성된 강제 방전 명령에 따라 상기 다수의 배터리 셀 중 해당 배터리 셀을 강제 방전하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압차를 이용한 밸런싱 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀간의 전압차이를 최소한으로 줄여 배터리의 충전과 방전의 효율을 높여 가장 이상적인 배터리 팩으로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 배터리에서 발생하는 열을 줄여 사용상 안정성을 높일 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 이로 인하여 배터리의 수명과 제품 사용 시간을 높일 수 있으며 물리적, 전기적 변수가 발생하여 배터리의 밸런스가 깨어져도 안정한 복구가 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전압차를 이용한 밸런싱 장치(100)의 간략한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 밸런싱 장치(100)를 세부적으로 보여주는 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전압차를 이용하여 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전압차(ΔVoltage) 구간을 보여주는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 전압차를 이용한 밸런싱 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전압차를 이용한 밸런싱 장치(100)의 간략한 구성도이다. 도 1을 참조하면, 배터리 팩(Battery Pack) 충전, 방전함에 있어서 배터리 셀(Cell)과 배터리 셀(Cell)사이에 전압차(ΔVoltage)를 감지하여 배터리 셀간의 전압을 일정하게 유지시켜 주어 발열이나 배터리의 상태를 최적화는 밸런싱 장치(100)는, 배터리 팩(120)과, 이 배터리 팩(120)을 제어하는 BMS(Battery Management System)(110) 등으로 구성된다.
배터리 팩(120)은 다수의 배터리 셀이 직렬로 구성되어 하나의 패키지처럼 구성된 형태이다. 예를 들면, 20개의 단위 배터리 셀로 구성될 수 있다. 물론, 본 발명에서는 다수의 배터리 셀이 직렬로 연결되는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 직렬 및/또는 병렬로 단위 배터리 셀을 구성하는 것도 가능하다.
도 2는 도 1에 도시된 밸런싱 장치(100)를 세부적으로 보여주는 블럭도이다. BMS(Battery Management System)(110)은, 다수의 배터리 셀(220-1 내지 220-n)의 셀 전압을 센싱하는 셀 전압 센싱부(210); 센싱된 셀 전압에 대한 전압차를 계산하는 전압차 계산부(220); 계산된 전압차가 미리 설정된 값을 초과하는 지를 판단하여 강제 방전 명령을 생성하는 밸런싱 제어부(230); 및 생성된 강제 방전 명령에 따라 상기 다수의 배터리 셀(220-1 내지 220-n) 중 해당 배터리 셀을 강제 방전하는 셀 밸런싱 회로부(240) 등으로 포함하여 구성된다.
배터리 팩(120)에는 제 1 배터리 셀(220-1), 제 2 배터리 셀(220-2) 내지 제 n 배터리 셀(220-n)이 직렬로 구성된다. 물론, 이는 이해를 위한 것으로 병렬로 구성될 수도 있고 직렬과 병렬로 조합하여 구성될 수도 있다.
배터리 셀(220-1 내지 220-n)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 반복적인 충방전이 가능한 리튬 이온전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성될 수 있다.
또한, 밸런싱 제어부(230)는 마이크로프로세서, 메모리 등을 포함하여 구성된다. 여기서, 메모리는 센싱된 셀 전압 정보 및/또는 셀 전류 정보, 셀 밸런싱 정보 등을 이용하여 해당 배터리 셀(220-1 내지 220-n)에 대한 이상 여부를 판단하여 이상 여부 정보를 생성하기 위한 알고리즘, 데이터 등이 저장된다.
여기서, 메모리는 마이크로프로세서 내에 구비되는 메모리일 수 있고, 별도의 메모리가 될 수 있다. 따라서 하드 디스크 드라이브, 플래시 메모리,EEPROM(Electrically erasable programmable read-only memory),SRAM(Static RAM), FRAM(Ferro-electric RAM), PRAM(Phase-change RAM), MRAM(Magnetic RAM) 등과 같은 비휘발성 메모리 및/또는 RAM(Random Access Memory), DRAM(Dynamic Random Access Memory) 등과 같은 휘발성 메모리가 사용될 수 있다.
셀 밸런싱 회로부(240)는 밸런싱 제어부(110)의 제어에 따라 각 배터리 셀(220-1 내지 220-n)의 균형을 맞춘다. 즉, 전압차가 미리 설정된 값을 넘는 배터리 셀은 방전시키고 충전상태가 비교적 낮은 셀은 충전시키는 기능을 수행한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전압차를 이용하여 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 배터리 팩(120)이 충전/방전을 시작하면 다수의 배터리 셀(220-1 내지 220-n)의 셀 전압을 센싱하여 센싱된 셀 전압에 대한 전압차를 계산한다(단계 S300,S310).
부연하면, 배터리 팩(120)을 충전 혹은 방전 시 각각의 배터리 셀(220-1 내지 220-n)들의 전압차는 어느 정도 일정하게 유지된다. 하지만, 배터리 셀들의 물리적 및/또는 전기적 반응이나 변수에 의해 배터리 팩(120)내 배터리 셀의 밸런스(Balance)가 깨지고 배터리 셀간의 전압차가 발생하게 된다.
따라서, 각 배터리 셀(220-1 내지 220-n)의 전압 센싱에 따른 전압차가 계산되면, 계산된 전압차가 미리 설정된 값(도 3에서는 용이한 이해를 위해 300㎷라고 하자)을 초과하는 지를 판단한다(단계 S320). 이러한 개념을 보여주는 도면이 도 4에 도시된다. 도 4에 대하여는 후술하기로 한다.
도 3을 계속 참조하여 설명하면, 판단 결과, 계산된 전압차가 미리 설정된 값을 초과하게 되면 강제 방전 명령을 생성하고 생성된 강제 방전 명령에 따라 상기 다수의 배터리 셀 중 해당 배터리 셀을 강제 방전하여 밸런싱을 수행한다(단계 S350, S360, S370).
강제 방전 방식은 배터리 셀(220-1 내지 220-n)에 로드 저항을 연결시켜 실행한다.
도 3에 도시된 단계(S330 및 S350)는 종래 기술로서 배터리 팩의 충전이나 방전 시 과충전 또는 과방전이 되었을 때, 배터리 셀의 전압이 배터리의 규격 전압보다 낮거나 높을 때를 감지하여 전원을 강제로 오픈(Open)하여 전류를 차단한 후 해당 배터리 셀을 강제 방전시켜 배터리 셀의 밸런스를 유지하는 방식을 보여주는 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전압차(ΔVoltage) 구간을 보여주는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 제 1 배터리 셀(220-1)은 3.20V와 3.50V의 전압차(ΔVoltage)인 300㎷ 내에 있고, 제 2 배터리 셀(220-2)은 300㎷이상이다.
따라서, 로드 저항(미도시)을 이용하여 제 2 배터리 셀(220-2)을 강제 방전(400)을 수행한다.
물론, 도 4에서는 이상구간(410)에서 전압차를 300㎷로 설정하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 300 내지 500㎷일 수 있다.
또한, 이러한 전압차는 고정된 것이 아니면, 도 2에 도시된 밸런싱 제어부(110)에 구비되는 프로그램을 사용자의 환경에 따라 배터리에 손상을 주지 않는 한도에서 변경하는 것도 가능하다.
100: 밸런싱 장치
110: BMS(Battery Management System)
120: 배터리 팩
210: 셀전압 센싱부
220: 전압차 계산부
230: 밸런싱 제어부
240:셀 밸런싱 회로부
220-1 내지 220-n: 배터리 셀
400: 강제 방전
410: 이상 구간

Claims (4)

  1. 다수의 배터리 셀을 갖는 배터리 팩;
    상기 다수의 배터리 셀의 셀 전압을 센싱하는 셀 전압 센싱부;
    센싱된 셀 전압에 대한 전압차를 계산하는 전압차 계산부;
    계산된 전압차가 미리 설정된 값을 초과하는 지를 판단하여 강제 방전 명령을 생성하는 밸런싱 제어부; 및
    생성된 강제 방전 명령에 따라 상기 다수의 배터리 셀 중 해당 배터리 셀을 강제 방전하는 셀 밸런싱 회로부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압차를 이용한 밸런싱 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 값은 300 내지 500㎷이며, 상기 강제 방전은 로드 저항을 이용하는 것을 특징으로 하는 전압차를 이용한 밸런싱 장치.
  3. 다수의 배터리 셀의 셀 전압을 센싱하는 단계;
    센싱된 셀 전압에 대한 전압차를 계산하는 단계;
    계산된 전압차가 미리 설정된 값을 초과하는 지를 판단하는 단계;
    판단 결과, 초과되면 강제 방전 명령을 생성하는 단계; 및
    생성된 강제 방전 명령에 따라 상기 다수의 배터리 셀 중 해당 배터리 셀을 강제 방전하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압차를 이용한 밸런싱 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 값은 300 내지 500㎷이며, 상기 강제 방전은 로드 저항을 이용하는 것을 특징으로 하는 전압차를 이용한 밸런싱 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017111187A1 (ko) * 2015-12-23 2017-06-29 주식회사 엘지화학 배터리 랙 간 전압 밸런싱 장치 및 방법
KR20230015596A (ko) * 2021-07-23 2023-01-31 주식회사 솔루엠 밸런스 상태 관리모듈을 구비하는 배터리팩 장치

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