KR20150089627A - 배터리 셀 전압 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 배터리 셀이 포함된 배터리 팩에서 배터리 셀 간 전압을 밸런싱하는 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 장치는, 배터리 팩에 포함된 다수의 배터리 셀 간 전압을 밸런싱하는 장치로서, 상기 배터리 셀 각각에 연결되어 각 배터리 셀을 충전 또는 방전시키는 충방전부; 상기 배터리 셀과 상기 충방전부 사이에 구비되어 충방전 경로를 선택적으로 온오프시키는 스위칭부; 상기 배터리 셀 각각의 전압을 측정하는 전압 측정부; 배터리 셀 각각에 대한 측정 전압과 기준 전압을 비교하여, 측정 전압과 기준 전압 사이의 전압 편차를 계산하는 편차 계산부; 및 각 배터리 셀에 대하여 전압 편차가 높은 순으로 순위를 정하고, 선순위의 배터리 셀부터 스위칭부를 순차적으로 턴온시켜 배터리 셀을 충전 또는 방전시키되, 스위칭부가 턴온된 배터리 셀에 인접한 배터리 셀에 대해서는 스위칭부가 턴오프 상태로 유지되도록 하고, 스위칭부가 턴오프 상태인 배터리 셀의 다음 순위의 배터리 셀의 스위칭부를 턴온시키는 밸런싱 제어 동작을 수행하는 제어부를 포함한다.

Description

배터리 셀 전압 밸런싱 장치 및 방법{Battery cell voltage balancing apparatus and method}
본 발명은 배터리 팩을 관리하는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 배터리 셀이 포함된 배터리 팩에서 배터리 셀 간 전압을 밸런싱하는 장치 및 방법, 그리고 다수의 배터리 셀을 구비하는 배터리 모듈 간 전압을 밸런싱하는 기술에 관한 것이다.
근래에 들어서, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높다는 등의 장점으로 인해 많은 각광을 받고 있다.
한편, 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 미국, 유럽, 일본, 한국을 비롯하여 전 세계적으로 하이브리드 자동차와 전기 자동차는 물론, 전기 자전거나 전기 스쿠터와 같은 전기 구동 차량에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 이러한 전기 구동 차량은 배터리 팩의 충방전 에너지를 이용하여 차량 구동력을 얻기 때문에, 엔진만을 이용하는 차량에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있다는 점에서 많은 소비자들에게 좋은 반응을 얻고 있다. 따라서, 전기 구동 차량의 핵심적 부품인 배터리에 보다 많은 관심과 연구가 집중되고 있다.
또한, 최근에는 스마트 그리드 시스템과 같이 에너지를 저장하는 기술 또한 가장 각광받는 기술 중 하나이다. 스마트 그리드 시스템이란 전력의 생산, 운반, 소비 과정에 정보통신 기술을 접목함으로써 전력 공급과 소비의 상호작용을 통해 전력 이용의 효율성을 높이고자 하는 지능형 전력망 시스템이다. 이러한 스마트 그리드 시스템을 구축하기 위해 중요한 구성요소 중 하나가 바로 전력을 저장하는 배터리 팩이다.
이와 같이, 배터리는 다양한 분야에서 이용되는데, 전기 구동 차량, 스마트 그리드 시스템과 같이 최근에 배터리가 많이 활용되는 분야는 큰 용량을 필요로 하는 경우가 많다. 배터리 팩의 용량을 증가하기 위해서는 이차 전지, 즉 배터리 셀 자체의 용량을 증가시키는 방법이 있을 수 있겠지만, 이 경우 용량 증대 효과가 크지 않고, 이차 전지의 크기 확장에 물리적 제한이 있으며 관리가 불편하다는 단점을 갖는다. 따라서, 통상적으로는 다수의 배터리 셀이 직렬 및 병렬로 연결된 배터리 팩이 널리 이용된다.
상기 배터리 팩을 구성하는 다수의 배터리 셀은 사용 시간이 경과됨에 따른 본질적인 특성 또는 제조 환경의 차이, 시스템 적용의 다원성 등에 기인하여 전지들 간의 용량(capacity) 성능의 차이가 발생하게 되고 이는 충방전에 의한 해당 셀 단자 전압의 차이 또는 SOC(State Of Charge)차이를 발생시키게 된다.
이러한 차이는 상대적인 전기적 특성의 차이를 가지는 다수의 배터리 셀이 하나의 배터리 팩으로서 구동하는 경우, 성능이 저하된 특정 배터리 셀에 의하여 배터리 팩 전체의 충전 또는 방전 능력이 제한되고, 배터리 팩이 노화되며, 과전압 등의 문제점이 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하고자, 종래에 배터리 셀 간 전압을 밸런싱하기 위한 다양한 셀 밸런싱 기술이 연구 및 시도되고 있다. 이와 같은 셀 밸런싱 기술에 있어서는 여러 가지 측면이 고려되어야 하는데, 그 중 대표적인 것이 기술적 구현 가능성과 함께 제조 비용, 설계상 문제 등이라 할 수 있다.
종래 제안된 여러 종류의 셀 밸런싱 장치 중, 소정의 셀 밸런싱 장치는 인접하고 있는 셀에 대하여 동시에 셀 밸런싱을 수행하지 못하는 한계가 있다. 특히, 이러한 셀 밸런싱 장치는, AFE IC(Analog Front End Integrated Circuit)를 구비하고, 이러한 AFE IC의 여러 뱅크(bank)에 각 배터리 셀의 스위칭 장치가 연결되어 AFE IC에 의해 스위칭 장치가 턴온됨으로써 셀 밸런싱이 수행되는 방식으로 구현될 수 있다. 이때, 종래 일부 AFE IC는 서로 인접하는 배터리 셀에 대해 모두 밸런싱이 필요한 상황에서도 모든 뱅크에 연결된 스위칭 장치를 턴온시키지 못하는 문제점이 있다. 따라서, 종래 이러한 AFE IC는, 밸런싱이 필요한 모든 배터리 셀에 대하여 스위칭부를 턴온시키지 못하고, 밸런싱이 가장 필요한 1개의 특정 배터리 셀에 대해서만 스위칭부를 턴온시켜 해당 배터리 셀만 밸런싱되도록 하거나, 밸런싱의 시급 순위와 관계 없이 배치 순서에 따라 인접하지 않는 배터리 셀에 대하여 일괄적으로 스위칭부를 턴온시켜 밸런싱 동작을 수행하는 등의 문제가 있다.
물론, AFE IC의 설계 변경 등을 통해, 인접하고 있는 배터리 셀에 대해서도 스위칭부가 동시에 턴온되도록 할 수도 있으나, 이 경우 AFE IC의 설계가 복잡해지고 제조 비용이 증가하는 등의 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 인접하고 있는 배터리 셀에 대하여 밸런싱을 수행하지 못하는 상황에서도 효율적으로 배터리 셀 간 밸런싱이 수행될 수 있는 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 장치는, 배터리 팩에 포함된 다수의 배터리 셀 간 전압을 밸런싱하는 장치로서, 상기 배터리 셀 각각에 연결되어 각 배터리 셀을 충전 또는 방전시키는 충방전부; 상기 배터리 셀과 상기 충방전부 사이에 구비되어 충방전 경로를 선택적으로 온오프시키는 스위칭부; 상기 배터리 셀 각각의 전압을 측정하는 전압 측정부; 배터리 셀 각각에 대한 측정 전압과 기준 전압을 비교하여, 측정 전압과 기준 전압 사이의 전압 편차를 계산하는 편차 계산부; 및 각 배터리 셀에 대하여 전압 편차가 높은 순으로 순위를 정하고, 선순위의 배터리 셀부터 스위칭부를 순차적으로 턴온시켜 배터리 셀을 충전 또는 방전시키되, 스위칭부가 턴온된 배터리 셀에 인접한 배터리 셀에 대해서는 스위칭부가 턴오프 상태로 유지되도록 하고, 스위칭부가 턴오프 상태인 배터리 셀의 다음 순위의 배터리 셀의 스위칭부를 턴온시키는 밸런싱 제어 동작을 수행하는 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 밸런싱 제어 동작에서 스위칭부가 턴오프된 배터리 셀을 대상으로, 상기 밸런싱 제어 동작을 추가로 수행한다.
또한 바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 전압 편차가 기준 편차 이상인 배터리 셀에 대해서만 상기 밸런싱 제어 동작을 수행한다.
또한 바람직하게는, 상기 기준 전압은, 배터리 셀 각각에 대한 측정 전압 중 가장 낮은 전압이다.
또한 바람직하게는, 상기 기준 전압은, 배터리 셀 각각에 대한 측정 전압의 평균값이다.
또한 바람직하게는, 상기 충방전부는, 저항 소자를 구비한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 장치를 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기 구동 차량은, 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 장치를 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 방법은, 배터리 셀 각각에 연결되어 배터리 셀을 충전 또는 방전시키는 충방전부 및 배터리 셀과 충방전부 사이에 구비되어 충방전 경로를 선택적으로 온오프시키는 스위칭부를 이용하여, 배터리 팩에 포함된 다수의 배터리 셀 간 전압을 밸런싱하는 방법으로서, 상기 배터리 셀 각각의 전압을 측정하는 단계; 배터리 셀 각각에 대한 측정 전압과 기준 전압을 비교하여, 측정 전압과 기준 전압 사이의 전압 편차를 계산하는 단계; 각 배터리 셀에 대하여 전압 편차가 높은 순으로 순위를 정하는 단계; 및 선순위의 배터리 셀부터 스위칭부를 순차적으로 턴온시켜 배터리 셀을 충전 또는 방전시키되, 스위칭부가 턴온된 배터리 셀에 인접한 배터리 셀에 대해서는 스위칭부가 턴오프 상태로 유지되도록 하고, 스위칭부가 턴오프 상태인 배터리 셀의 다음 순위의 배터리 셀을 턴온시키는 단계를 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈 전압 밸런싱 장치는, 다수의 배터리 셀이 포함된 배터리 모듈 간 전압을 밸런싱하는 장치로서, 상기 배터리 모듈 각각에 연결되어 각 배터리 모듈을 충전 또는 방전시키는 모듈 충방전부; 상기 배터리 모듈과 상기 충방전부 사이에 구비되어 충방전 경로를 선택적으로 온오프시키는 모듈 스위칭부; 상기 배터리 모듈 각각의 전압을 측정하는 모듈 전압 측정부; 배터리 모듈 각각에 대한 측정 전압과 기준 전압을 비교하여, 측정 전압과 기준 전압 사이의 전압 편차를 계산하는 모듈 편차 계산부; 및 각 배터리 모듈에 대하여 전압 편차가 높은 순으로 우선 순위를 정하고, 선순위의 배터리 모듈부터 스위칭부를 순차적으로 턴온시켜 배터리 모듈을 충전 또는 방전시키되, 스위칭부가 턴온된 배터리 모듈에 인접한 배터리 모듈에 대해서는 스위칭부가 턴오프 상태로 유지되도록 하고, 스위칭부가 턴오프 상태인 배터리 모듈의 다음 순위의 배터리 모듈을 턴오프시키는 밸런싱 제어 동작을 수행하는 모듈 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 인접하고 있는 배터리 셀에 대하여 동시에 밸런싱을 수행하지 못하는 경우, 밸런싱의 필요성이 높은 배터리 셀을 중심으로 효율적인 밸런싱이 이루어지도록 할 수 있다.
따라서, 인접하고 있는 배터리 셀에 대하여 밸런싱을 위한 스위칭 소자를 동시에 턴온시킬 수 없는 AFE IC 등이 채용된 배터리 팩에 대해서도, 배터리 셀 간 효과적인 밸런싱 동작이 수행되도록 할 수 있다.
그러므로, 종래 AFE IC에 대하여 설계 변경 등을 고려할 필요 없이 이를 그대로 이용하면 되므로, 효과적인 밸런싱을 위해 제조 비용 증가나 설계가 복잡해지는 문제가 해소될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 장치의 배터리 팩 내 연결 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 편차 계산부의 전압 편차 계산 결과를 나타내는 테이블이다.
도 4 내지 도 7은, 도 3의 전압 편차 계산 결과를 바탕으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 밸런싱 제어 동작을 순서대로 나타낸 도면이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 장치의 일 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다. 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 장치의 배터리 팩 내 연결 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 장치는, 배터리 팩에 다수의 배터리 셀이 포함된 경우, 이러한 배터리 셀 간 전압을 밸런싱하는 장치로서, 충방전부(110), 스위칭부(120), 전압 측정부(130), 편차 계산부(140) 및 제어부(150)를 포함한다.
상기 충방전부(110)는, 배터리 셀 각각에 연결되어 각 배터리 셀을 충전 또는 방전시킬 수 있다.
이때, 상기 충방전부(110)는, 각 배터리 셀을 방전시키거나 충전시키는 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 충방전부(110)는 소정 배터리 셀을 방전시켜 해당 배터리 셀의 전압을 낮추는 방식으로 각 배터리 셀 간 전압 밸런싱이 이루어지도록 할 수 있다. 또는, 상기 충방전부(110)는 소정 배터리 셀을 충전시켜 해당 배터리 셀의 전압을 높이는 방식으로 각 배터리 셀 간 전압 밸런싱이 이루어지도록 할 수 있다.
특히, 상기 충방전부(110)가 소정 배터리 셀을 방전시키는 방식으로 밸런싱이 이루어지도록 할 때, 상기 충방전부(110)는 저항 소자를 구비할 수 있다. 이 경우, 각 저항 소자는, 도 2에 도시된 바와 같이, 각 배터리 셀마다 병렬로 연결될 수 있다.
상기 스위칭부(120)는, 배터리 셀과 충방전부(110) 사이에 구비되어 충방전 경로를 선택적으로 온오프시킨다. 즉, 배터리 셀 각각은 충방전부(110)와 연결되어 밸런싱을 위한 충전 전류 또는 방전 전류가 흐를 수 있는 경로를 각각 구비하게 되는데, 이러한 밸런싱용 충방전 경로에는 해당 경로를 개폐할 수 있는 스위칭부(120)가 구비될 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 구성에서, 4개의 배터리 셀 각각에는 PB로 표시된 바와 같이 밸런싱을 위한 별도의 충방전 경로가 형성되어 있으며, 이러한 밸런싱용 충방전 경로(PB)에는 각각 별도의 스위칭부(120)가 구비될 수 있다. 이때, 각 스위칭부(120)는 턴온됨으로써, 해당 충방전 경로로 충방전 전류가 흐르도록 하여, 해당 배터리 셀을 충전 또는 방전시킬 수 있다.
한편, 상기 스위칭부(120)는, 충방전 경로에서 전류의 흐름을 선택적으로 차단할 수 있는 다양한 소자를 이용할 수 있다. 특히, 상기 스위칭부(120)는, FET(Field Effect Transistor) 소자로 구현될 수 있다.
상기 전압 측정부(130)는, 배터리 셀 각각의 전압을 측정한다. 예를 들어, 상기 전압 측정부(130)는, 배터리 셀 각각의 양단 전압을 측정함으로써, 각 배터리 셀의 전압을 측정할 수 있다. 이때, 전압 측정부(130)는 다양한 형태로 각 배터리 셀의 전압을 측정할 수 있으며, 본 발명이 이러한 전압 측정 방식에 의해 제한되는 것은 아니다. 한편, 전압 측정부(130)에 의해 측정된 각 배터리 셀의 전압 측정 결과는 편차 계산부(140)로 전송될 수 있다.
상기 편차 계산부(140)는, 전압 측정부(130)에 의해 배터리 셀 각각에 대하여 전압이 측정된 경우, 그러한 측정 전압과 기준 전압을 비교한다. 이때, 기준 전압은, 배터리 셀 각각의 측정 전압과 비교되기 위해 참조가 되는 전압값이다.
그리고, 상기 편차 계산부(140)는, 측정 전압과 기준 전압의 비교 결과를 바탕으로, 각 배터리 셀에 대하여 측정 전압과 기준 전압 사이의 전압 편차를 계산한다.
여기서, 상기 기준 전압은, 배터리 셀 각각에 대한 측정 전압 중 가장 낮은 전압일 수 있다. 따라서, 상기 편차 계산부(140)는, 각 배터리 셀에 대하여 측정된 전압 중 가장 낮은 전압을 기준으로 각 배터리 셀의 전압 편차를 계산할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 편차 계산부(140)의 전압 편차 계산 결과를 나타내는 테이블이다.
도 3을 참조하면, B1부터 B8까지 8개의 배터리 셀에 대한 측정 전압값이 도시되어 있다. 이때, 측정 전압값은 전압 측정부(130)에 의해 각 배터리 셀에 대하여 측정된 값이라 할 수 있다.
이 경우, 상기 편차 계산부(140)는, 전압 측정부(130)에 의해 측정된 각 배터리 셀의 측정 전압 중 가장 낮은 측정 전압값을 인지할 수 있는데, 도 3에서는 B6 배터리 셀의 전압 3.4V가 가장 낮은 측정 전압값이라 할 수 있다. 따라서, 상기 편차 계산부(140)는, 이러한 3.4V를 기준 전압으로 하여, 각 배터리 셀의 전압 편차를 계산할 수 있으며, 그러한 계산 결과는 도 3에 기재된 바와 같다.
한편, 상기 도 3의 실시예에서는 배터리 셀의 각 측정 전압 중 가장 낮은 전압을 기준 전압으로 하여 전압 편차가 계산되는 구성이 도시되어 있으나, 전압 편차는 다른 다양한 방식으로 계산될 수도 있다.
예를 들어, 상기 기준 전압은, 배터리 셀 각각에 대한 측정 전압의 평균값일 수 있다. 이 경우, 도 3의 측정 전압 결과에 의하면, 각 측정 전압의 평균값은 3.75V가 될 수 있다. 따라서, 상기 편차 계산부(140)는 3.75V를 기준 전압으로 하여, 각 측정 전압과 이러한 기준 전압 사이의 차이를 계산하고, 그 계산값을 편차 전압으로 볼 수 있다.
또는, 상기 기준 전압은, 배터리 셀 각각에 대한 측정 전압 중 가장 높은 값이거나, 배터리 셀의 실제 측정 전압과 관계없는 임의로 설정된 값일 수도 있다.
이처럼, 편차 계산부(140)에 의해 계산된 전압 편차 정보는 제어부(150)로 전송될 수 있다.
상기 제어부(150)는, 편차 계산부(140)에 의해 계산된 전압 편차 정보를 바탕으로 밸런싱 제어 동작을 수행한다.
보다 구체적으로, 상기 제어부(150)는, 각 배터리 셀에 대하여 전압 편차가 높은 순으로 밸런싱 제어 순위를 정할 수 있다. 그리고, 상기 제어부(150)는, 이와 같이 전압 편차를 기준으로 전체 배터리 셀에 대하여 순위가 정해지면, 선순위의 배터리 셀부터 스위칭부(120)를 순차적으로 턴온시킬 수 있다. 다만, 상기 제어부(150)는, 선순위의 배터리 셀에 대하여 스위칭부(120)를 턴온시킬 때, 스위칭부(120)가 턴온된 배터리 셀에 인접하는 배터리 셀에 대해서는 스위칭부(120)가 턴오프 상태로 유지되도록 한다. 그리고 나서, 제어부(150)는, 후순위의 배터리 셀에 대한 스위칭부(120) 턴온시 스위칭부(120)가 이미 턴오프된 상태의 배터리 셀에 대해서는 턴온되지 않도록 하고, 그 다음 순위의 배터리 셀의 스위칭부(120)가 턴온되도록 할 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 대해서는, 도 4 내지 도 7을 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 4 내지 도 7은, 도 3의 전압 편차 계산 결과를 바탕으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(150)의 밸런싱 제어 동작을 순서대로 나타낸 도면이다.
다만, 본 실시예에서, B1부터 B8의 배터리 셀은 각각 순서대로 위치하는 것으로 가정한다. 즉, 각 배터리 셀은 B1-B2-B3-B4-...와 같은 형태로 차례로 정렬되어 직렬 연결되는 것으로 가정하며, 여기서 인접이란 물리적으로 바로 옆에 배치되는 것을 의미한다고 할 수 있다. 예를 들어, B1 배터리 셀은 B2 배터리 셀과 인접하고, B2 배터리 셀은 B1 배터리 셀 및 B3 배터리 셀과 인접하며, B3 배터리 셀은 B2 배터리 셀 및 B4 배터리 셀과 인접한다고 할 수 있다.
먼저, 도 4를 참조하면, 도 3의 전압 편차 계산 결과에 따라, 전압 편차가 높은 배터리 셀부터 전압 편차가 낮은 배터리 셀 순으로 각 배터리 셀의 순위가 정해진 채 리스트화되어 있다. 이 경우, 제어부(150)는 가장 선순위인 1순위의 B3 배터리 셀에 대하여, 우선적으로 스위칭부(120)를 턴온시킨다. 즉, 상기 제어부(150)는 B3 배터리 셀의 밸런싱용 충방전 경로에 구비된 스위칭부(120)를 턴온시켜, B3 배터리 셀이 충전 또는 방전됨으로써 밸런싱되도록 할 수 있다.
그리고, 상기 제어부(150)는, B3와 인접한 배터리 셀인 B4 및 B2에 대해서 턴오프되도록 할 수 있다. 이때, B4 및 B2 배터리 셀의 스위칭부(120)는 이미 턴오프 상태일 수 있으며, 이 경우 제어부(150)는 B3의 스위칭부(120)를 턴온시키면서, B4 및 B2 배터리 셀의 스위칭부(120)가 그대로 턴오프 상태로 유지되도록 할 수 있다.
여기서, 제어부(150)는 B4 및 B2 배터리 셀에 대하여 각 스위칭부(120)가 턴오프되도록 하는 신호를 각 스위칭부(120)로 전송할 수 있다. 이 경우, 이러한 턴오프 신호를 수신한 B4 및 B2 배터리 셀의 스위칭부(120)는 턴오프 상태가 그대로 유지될 수 있다.
한편, 상기 제어부(150)에 의해 B4 및 B2 배터리 셀의 스위칭부(120)에 턴오프 신호가 전송되기 전에, B4 및 B2 배터리 셀의 각 스위칭부(120)가 이미 턴오프된 상태인 경우, 상기 제어부(150)는 B4 및 B2 배터리 셀의 각 스위칭부(120)에 대하여 별도의 턴오프 신호를 전송하지 않을 수도 있다. 다만, 이 경우 제어부(150)는, B4 및 B2 배터리 셀에 대해서는 스위칭부(120)의 턴오프 상태가 유지되도록 하는 결정이 수행되었다는 사실에 대해서는 별도로 저장할 수 있다. 따라서, 제어부(150)는, 이미 온오프 여부가 결정된 배터리 셀에 대해서는 이후에 다시 온오프 여부가 결정되지 않도록 할 수 있다.
다음으로, 도 5를 참조하면, B3 배터리 셀의 스위칭부(120)가 밸런싱을 위해 턴온된 이후, 전압 편차 기준으로 B3 배터리 셀의 바로 다음 후순위인 B5 배터리 셀에 대하여 스위칭부(120)에 대한 턴온 신호가 전송될 수 있다. 즉, 상기 제어부(150)는, 1순위인 B3 배터리 셀의 스위칭부(120)가 턴온되도록 함으로써 B3 배터리 셀의 밸런싱이 수행되도록 한 상태에서, 2순위인 B5 배터리 셀의 스위칭부(120)가 턴온되도록 할 수 있다. 그러면, B5 배터리 셀의 스위칭부(120)는 턴온되어, B5 배터리 셀에 대한 충전 또는 방전 과정이 수행됨으로써 B5 배터리 셀이 밸런싱될 수 있다.
이때, 제어부(150)는 B5 배터리 셀의 스위칭부(120)를 턴온시키면서, B5 배터리 셀과 인접한 B4 배터리 셀 및 B6 배터리 셀의 각 스위칭부(120)가 턴오프되도록 할 수 있다. 다만, B4 배터리 셀은 앞선 B3 배터리 셀의 턴온시 인접하는 배터리 셀로서 턴오프되었기 때문에, 제어부(150)는 B4 배터리 셀에 대해서는 별도의 턴오프 신호를 전송하지 않을 수 있다.
다음으로, 도 6을 참조하면, B5 배터리 셀의 스위칭부(120)를 턴온시킨 상태에서, 제어부(150)는 전압 편차 기준으로 B5 배터리 셀의 바로 다음 순위가 아닌 그 다음 순위인 B7 배터리 셀에 대하여 스위칭부(120)를 턴온시킬 수 있다. 즉, 전압 편차 기준으로 2순위인 B5 배터리 셀 다음의 3순위는 B4 배터리 셀이지만, B4 배터리 셀은 앞선 B3 배터리 셀의 턴온시 턴오프가 유지되도록 결정된 바 있다. 따라서, 상기 제어부(150)는 2순위인 B5 배터리 셀의 스위칭부(120)를 턴온시킨 상태에서 3순위인 B4 배터리 셀의 스위칭부(120)에 대해서는 턴온시키지 않고 그대로 턴오프가 유지되도록 한 채, 4순위인 B7 배터리 셀의 스위칭부(120)에 대해 턴온되도록 할 수 있다.
그리고, 제어부(150)는 B7 배터리 셀과 인접한 B8 배터리 셀 및 B6 배터리 셀의 스위칭부(120)가 턴오프되도록 할 수 있다. 다만, B6 배터리 셀은 앞선 순위의 배터리 셀에 대한 스위칭부(120) 턴온시 턴오프되도록 결정된 바 있으므로, 제어부(150)는 B7 배터리 셀의 스위칭부(120) 턴온시 B6 배터리 셀의 스위칭부(120)에 대해서는 별도의 턴오프 제어 신호를 전송하지 않을 수 있다.
다음으로, 도 7을 참조하면, B7 배터리 셀의 스위칭부(120)를 턴온시킨 상태에서, 제어부(150)는 전압 편차 기준으로 B7 배터리 셀의 바로 다음 순위인 B1 배터리 셀의 스위칭부(120)를 턴온시킬 수 있다.
이때, B1 배터리 셀에 인접하는 배터리 셀인 B2 배터리 셀은 앞선 B3 배터리 셀의 스위칭부(120) 턴온시 스위칭부(120)가 턴오프된바 있으므로, 제어부(150)는 이러한 B2 배터리 셀의 스위칭부(120)에 대해서는 별도의 턴오프 신호를 전송하지 않을 수 있다.
이처럼, 도 4 내지 도 7의 실시예와 같이 제어부(150)에 의해 각 배터리 셀의 스위칭부(120)가 밸런싱되는 구성에 의하면, 밸런싱 제어 동작의 우선 순위에 따라, B3, B5, B7 및 B1 배터리 셀에 대한 밸런싱이 동시에 수행될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부(150)는, 턴오프된 배터리 셀을 대상으로 밸런싱 제어 동작을 추가로 수행할 수 있다.
예를 들어, 도 4 내지 도 7의 실시예에서, B3, B5, B7 및 B1 배터리 셀에 대한 밸런싱 동작이 완료된 경우, 상기 제어부(150)는 B3, B5, B7 및 B1 배터리 셀의 각 스위칭부(120)를 턴오프시키고, 앞선 밸런싱 동작에서 턴오프되도록 결정된 B4, B2, B8 및 B6 배터리 셀에 대해서 밸런싱 동작이 수행되도록 할 수 있다.
이때, 상기 제어부(150)는, 앞선 B1 ~ B8 배터리 셀에 대하여 수행된 밸런싱 동작과 마찬가지로 밸런싱 제어 동작을 수행할 수 있다. 이 경우, 제어부(150)는, 턴오프된 배터리 셀 중 가장 선순위의 배터리 셀인 B4 배터리 셀의 스위칭부(120)를 턴온시키고, 바로 다음 순위의 B2 배터리 셀의 스위칭부(120)를 턴온시킬 수 있다. 그리고, 제어부(150)는 B2 배터리 셀의 스위칭부(120)를 턴온시킨 상태에서, 바로 B8 배터리 셀 및 B6 배터리 셀에 대해서 밸런싱 동작이 수행되도록 할 수 있다.
또는, 제어부(150)는 상기 B4, B2, B8 및 B6 배터리 셀에 대해서 동시에 스위칭부(120)를 턴온시킴으로써 동시에 밸런싱 동작이 수행되도록 할 수도 있다.
또는, 상기 제어부(150)는, 도 4 내지 도 7의 실시예에서, B3, B5, B7 및 B1 배터리 셀에 대한 밸런싱 동작을 완료한 후, 이들 배터리 셀의 스위칭부(120)를 턴오프시킨 후, 다시 B1 내지 B8 배터리 셀 모두에 대한 전압을 다시 측정하고, 상기 도 4 내지 도 7과 같은 밸런싱 동작이 재차 수행되도록 할 수도 있다.
또한 바람직하게는, 상기 제어부(150)는, 전압 편차가 기준 편차 이상인 배터리 셀에 대해서만 밸런싱 제어 동작이 수행되도록 할 수 있다.
예를 들어, 도 4 내지 도 7의 실시예에서 기준 편차를 0.4V라 할 경우, 상기 제어부(150)는, 전압 편차가 0.4V 이상인 배터리 셀에 대해서만 밸런싱 제어 동작을 수행할 수 있다. 이 경우, 전압 편차가 0.4V 이상인 배터리 셀은 B3, B5, B4 및 B7이므로, 상기 제어부(150)는 이들 배터리 셀에 대해서만 스위칭부(120)의 턴온 내지 턴오프를 제어하면 된다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 밸런싱 제어 동작이 보다 간단해지고 제어 속도가 향상될 수 있다.
한편, 상기 실시예의 경우, 물리적으로 인접하는 배터리 셀에 대한 스위칭부(120)의 턴온 동작이 동시에 수행되지 않는 구성을 위주로 설명되었으나, 본 발명이 반드시 이러한 구성으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 물리적으로 인접하지 않더라도 스위칭부(120)의 턴온 내지 턴오프 동작을 수행하는 IC 등이 동시에 스위칭부(120)를 턴온시킬 수 없는 구성에 대해서는 본 발명이 적용될 수 있다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 장치의 일 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다. 여기에서는, 앞선 설명들이 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고, 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 8을 참조하면, 배터리 팩에 다수의 배터리 셀이 포함되어 있고, 각 배터리 셀은 직렬 연결되어 있다. 그리고, 각 배터리 셀마다 밸런싱을 위한 별도의 충방전 경로가 형성되며, 각 충방전 경로에는 밸런싱을 위한 스위칭부(120) 및 충방전부(110)가 구비되어 있다.
이때, 각 배터리 셀의 양단 및 스위칭부(120)는 AFE IC(Analog Front End Integrated Circuit)에 연결되어 있다. 그리고, 이러한 AFE IC에는 MCU(Micro Controller Unit)가 연결되어 있다.
이러한 구성에서, AFE IC는 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 장치에서 전압 측정부(130)의 역할 및 제어부(150)의 일부 역할, 이를테면 스위칭부(120)에 턴온 내지 턴오프 신호를 전송하는 역할을 수행할 수 있다.
그리고, MCU는 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 장치에서 편차 계산부(140)의 역할 및 제어부(150)의 일부 역할, 이를테면 전압 편차 순으로 배터리 셀의 순위를 정하고 AFE IC로 하여금 스위칭부(120)에 턴온 내지 턴오프 신호를 전송하도록 하는 역할을 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 종래 배터리 팩 구성에 존재하는 AFE IC 및 MCU에 의하여, 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 장치의 셀 간 전압 밸런싱을 위한 각 동작이 수행되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 상술한 배터리 셀 전압 밸런싱 장치를 포함할 수 있다. 이때, 편차 계산부(140) 및 제어부(150)의 일부 구성은, 상술한 바와 같이, 배터리 팩의 MCU에 의해 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 전기 구동 차량은, 상술한 배터리 셀 전압 밸런싱 장치를 포함할 수 있다. 여기서, 전기 구동 차량은, 전기에 의해 구동될 수 있는 차량을 의미하는 것으로, 전기 자동차나 하이브리드 자동차, 전기 자전거나 전기 스쿠터 등 배터리 팩에 의해 모터가 구동되는 다양한 탈것이 포함될 수 있다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 도 9에서 각 단계의 수행 주체는, 상술한 배터리 팩 관리 장치의 각 구성요소라 할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 방법에 의하면, 먼저 배터리 팩에 포함된 배터리 셀 각각의 전압이 측정된다(S110).
다음으로, 상기 S110 단계에서 측정된 배터리 셀 각각의 측정 전압과 기준 전압을 비교하여, 측정 전압과 기준 전압 사이의 전압 편차를 계산한 후(S120), 각 배터리 셀에 대하여 전압 편차가 높은 순으로 밸런싱 제어를 위한 우선 순위를 결정한다(S130).
그리고 나서, 상기 S130 단계에서 결정된 밸런싱 제어 순위에 따라 선순위의 배터리 셀부터 순차적으로 각 배터리 셀의 스위칭부(120)를 턴온시켜 배터리 셀을 충전 또는 방전시키되, 스위칭부(120)가 턴온된 배터리 셀에 인접한 배터리 셀에 대해서는 스위칭부(120)가 턴오프 상태로 결정되도록 하고, 스위칭부(120)가 턴오프 상태로 결정된 배터리 셀에 대해서는 스킵하고 다음 순위의 배터리 셀에 대한 스위칭부(120)를 턴온시키도록 결정한다(S140).
한편, 상기 실시예에서는, 본 발명에 따른 밸런싱 구성이 배터리 셀 간 전압을 밸런싱하는데 적용된 구성을 중심으로 설명되어 있으나, 이러한 밸런싱 구성은 둘 이상의 배터리 셀이 포함된 배터리 모듈 간 전압을 밸런싱하는 데에도 적용될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈 전압 밸런싱 장치는, 다수의 배터리 셀이 포함된 배터리 모듈 간 전압을 밸런싱하는 장치로서, 모듈 충방전부, 모듈 스위칭부, 모듈 전압 측정부, 모듈 편차 계산부 및 모듈 제어부를 포함할 수 있다.
상기 모듈 충방전부는, 배터리 모듈 각각에 연결되어 각 배터리 모듈을 충전 또는 방전시킬 수 있다.
상기 모듈 스위칭부는, 배터리 모듈과 충방전부 사이에 구비되어 충방전 경로를 선택적으로 온오프시킬 수 있다.
상기 모듈 전압 측정부는, 배터리 모듈 각각의 전압을 측정할 수 있다.
상기 모듈 편차 계산부는, 배터리 모듈 각각에 대한 측정 전압과 기준 전압을 비교하여, 측정 전압과 기준 전압 사이의 전압 편차를 계산한다.
상기 모듈 제어부는, 각 배터리 모듈에 대하여 전압 편차가 높은 순으로 우선 순위를 정하고, 선순위의 배터리 모듈부터 스위칭부를 순차적으로 턴온시켜 배터리 모듈을 충전 또는 방전시키되, 스위칭부가 턴온된 배터리 모듈에 인접한 배터리 모듈에 대해서는 스위칭부가 턴오프 상태로 유지되도록 하고, 스위칭부가 턴오프 상태인 배터리 모듈의 다음 순위의 배터리 모듈을 턴오프시키는 밸런싱 제어 동작을 수행한다.
이러한 모듈 충방전부, 모듈 스위칭부, 모듈 전압 측정부, 모듈 편차 계산부 및 모듈 제어부의 구성은, 그 적용 대상만 셀이 아닌 모듈로 달라질 뿐, 앞서 설명된 배터리 셀 전압 밸런싱 장치의 충방전부, 스위칭부, 전압 측정부, 편차 계산부 및 제어부의 구성과 유사하다고 할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 '충방전부', '스위칭부', '전압 측정부', '편차 계산부' 및 '제어부' 등과 같이 '부'라는 용어가 사용되었으나, 이는 논리적인 구성 단위를 나타내는 것으로서, 각 구성 단위 간 반드시 물리적으로 분리될 수 있거나 물리적으로 분리되어야 하는 구성요소를 나타내는 것이 아니며, 각각의 구성 단위가 반드시 물리적으로 하나의 소자나 장치에 의해 구현되어야 하는 것이 아니라는 점은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 자명하다.
110: 충방전부
120: 스위칭부
130: 전압 측정부
140: 편차 계산부
150: 제어부

Claims (10)

  1. 배터리 팩에 포함된 다수의 배터리 셀 간 전압을 밸런싱하는 장치에 있어서,
    상기 배터리 셀 각각에 연결되어 각 배터리 셀을 충전 또는 방전시키는 충방전부;
    상기 배터리 셀과 상기 충방전부 사이에 구비되어 충방전 경로를 선택적으로 온오프시키는 스위칭부;
    상기 배터리 셀 각각의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    배터리 셀 각각에 대한 측정 전압과 기준 전압을 비교하여, 측정 전압과 기준 전압 사이의 전압 편차를 계산하는 편차 계산부; 및
    각 배터리 셀에 대하여 전압 편차가 높은 순으로 순위를 정하고, 선순위의 배터리 셀부터 스위칭부를 순차적으로 턴온시켜 배터리 셀을 충전 또는 방전시키되, 스위칭부가 턴온된 배터리 셀에 인접한 배터리 셀에 대해서는 스위칭부가 턴오프 상태로 유지되도록 하고, 스위칭부가 턴오프 상태인 배터리 셀의 다음 순위의 배터리 셀의 스위칭부를 턴온시키는 밸런싱 제어 동작을 수행하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 밸런싱 제어 동작에서 스위칭부가 턴오프된 배터리 셀을 대상으로, 상기 밸런싱 제어 동작을 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 밸런싱 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 전압 편차가 기준 편차 이상인 배터리 셀에 대해서만 상기 밸런싱 제어 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 밸런싱 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기준 전압은, 배터리 셀 각각에 대한 측정 전압 중 가장 낮은 전압인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 밸런싱 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기준 전압은, 배터리 셀 각각에 대한 측정 전압의 평균값인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 밸런싱 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 충방전부는, 저항 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 밸런싱 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 장치를 포함하는 배터리 팩.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 배터리 셀 전압 밸런싱 장치를 포함하는 전기 구동 차량.
  9. 배터리 셀 각각에 연결되어 배터리 셀을 충전 또는 방전시키는 충방전부 및 배터리 셀과 충방전부 사이에 구비되어 충방전 경로를 선택적으로 온오프시키는 스위칭부를 이용하여, 배터리 팩에 포함된 다수의 배터리 셀 간 전압을 밸런싱하는 방법에 있어서,
    상기 배터리 셀 각각의 전압을 측정하는 단계;
    배터리 셀 각각에 대한 측정 전압과 기준 전압을 비교하여, 측정 전압과 기준 전압 사이의 전압 편차를 계산하는 단계;
    각 배터리 셀에 대하여 전압 편차가 높은 순으로 순위를 정하는 단계; 및
    선순위의 배터리 셀부터 스위칭부를 순차적으로 턴온시켜 배터리 셀을 충전 또는 방전시키되, 스위칭부가 턴온된 배터리 셀에 인접한 배터리 셀에 대해서는 스위칭부가 턴오프 상태로 유지되도록 하고, 스위칭부가 턴오프 상태인 배터리 셀의 다음 순위의 배터리 셀을 턴온시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 밸런싱 방법.
  10. 다수의 배터리 셀이 포함된 배터리 모듈 간 전압을 밸런싱하는 장치에 있어서,
    상기 배터리 모듈 각각에 연결되어 각 배터리 모듈을 충전 또는 방전시키는 모듈 충방전부;
    상기 배터리 모듈과 상기 충방전부 사이에 구비되어 충방전 경로를 선택적으로 온오프시키는 모듈 스위칭부;
    상기 배터리 모듈 각각의 전압을 측정하는 모듈 전압 측정부;
    배터리 모듈 각각에 대한 측정 전압과 기준 전압을 비교하여, 측정 전압과 기준 전압 사이의 전압 편차를 계산하는 모듈 편차 계산부; 및
    각 배터리 모듈에 대하여 전압 편차가 높은 순으로 우선 순위를 정하고, 선순위의 배터리 모듈부터 스위칭부를 순차적으로 턴온시켜 배터리 모듈을 충전 또는 방전시키되, 스위칭부가 턴온된 배터리 모듈에 인접한 배터리 모듈에 대해서는 스위칭부가 턴오프 상태로 유지되도록 하고, 스위칭부가 턴오프 상태인 배터리 모듈의 다음 순위의 배터리 모듈을 턴오프시키는 밸런싱 제어 동작을 수행하는 모듈 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 전압 밸런싱 장치.
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