KR20160046221A - 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 하우징 내에 수납되고, 직렬로 연결된 복수의 셀을 포함하는 배터리; 상기 하우징의 외부에 노출된 보조 배터리 연결 단자; 상기 보조 배터리 연결 단자에 선택적으로 탈 부착되는 보조 배터리; 상기 복수의 셀 중 어느 하나와 상기 보조 배터리의 전기적 연결을 개폐하는 스위치 제어부; 및 상기 복수의 셀에 대한 충전 상태를 추정하고, 추정된 충전 상태를 바탕으로 밸런싱 대상 셀을 선택하고, 상기 스위치 제어부에 스위치 제어 신호를 출력하여 상기 선택된 밸런싱 대상 셀과 상기 보조 배터리를 전기적으로 연결하는 제어 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 장치 및 방법{Apparatus for Cell Balancing Using Auxiliary Battery and Method thereof}
본 발명은 배터리 팩 내에 포함된 다수 셀 간의 충전상태(State Of Charge; 이하, SOC라 함)를 밸런싱하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 보조 배터리를 이용하여 셀 간의 충전상태를 밸런싱하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기 자동차와 같이 고출력 제품에 탑재되는 배터리는 부하에 고전압을 공급하여야 하므로 직렬 또는 병렬 연결된 다수의 셀을 포함한다.
다수의 셀이 포함된 배터리를 방전시키면 각 셀의 자기 방전률 차이로 인해 시간이 지남에 따라 각 셀의 충전상태가 서로 달라진다.
이러한 충전상태의 불균형이 있는 상태에서 배터리의 방전이 계속되면 충전상태가 낮은 특정 셀이 과방전되어 배터리의 안정적 동작이 어려워진다.
종래에는 셀 간의 충전상태 불균형을 해소하기 위해 충전상태가 상대적으로 높은 셀을 방전시켜 셀 간의 충전 상태 불균형을 해소하는 Buck 방식 또는 충전상태가 상대적으로 낮은 셀을 충전시켜 셀 간의 충전상태 불균형을 해소하는 Boost 방식이 널리 사용되고 있다.
Buck 방식은 셀 밸런싱 과정에서 에너지가 낭비되는 문제가 있고, Boost 방식은 충전 회로가 각각의 셀과 연결되어야 하므로 회로 설계가 복잡해지는 단점이 있다.
공지된 셀 밸런싱 방법 중에는 한국 공개특허 공보 제10-2014-0028350호에 개시된 바와 같이 보조 배터리를 사용하는 방식도 있다.
보조 배터리를 활용하는 방식은, 충전 상태가 상대적으로 높은 셀과 보조 배터리를 연결하고 셀에 저장된 전기 에너지를 방전시켜 보조 배터리를 충전한다. 그러면 Buck 방식의 셀 밸런싱이 이루어지는데, 이 과정에서 에너지가 낭비되지 않는다.
또한 보조 배터리가 어느 정도 충전되면 충전 상태가 상대적으로 낮은 셀과 보조 배터리를 연결하여 보조 배터리에 저장된 전기 에너지를 방전시켜 충전 상태가 낮은 셀을 충전시킨다. 그러면, 기존의 Boost 방식과 달리 충전 전류를 생성하기 위한 전류 원이 별도로 없더라도 보조 배터리에 저장된 에너지를 재활용하여 셀 밸런싱을 구현하는 것이 가능해진다.
하지만 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 방식은 보조 배터리의 충 방전 빈도수가 많기 때문에 보조 배터리가 빨리 퇴화되는 문제가 있다. 배터리가 퇴화되면 내부 저항이 증가하여 열이 발생되고 내부에서 부 반응이 생겨 가스가 발생하므로 보조 배터리가 퇴화되면 셀 밸런싱의 안전성이 저하된다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 보조 배터리를 주기적으로 교체해 주어야 한다. 하지만 종래의 기술은 배터리의 외장재 내부에 보조 배터리가 복수의 셀과 함께 장착되기 때문에 보조 배터리의 교체를 위해서는 배터리의 외장재를 분해해야 하는 번거로움이 있다.
특히, 전기 자동차의 경우 배터리가 차체 프레임의 하부에 장착되기 때문에 보조 배터리의 교체를 위해서는 전기 자동차를 들어 올리는 리프팅 장비와 정비 전문가의 도움이 반드시 필요하다.
또한, 보조 배터리에 고장이 생긴 경우 보조 배터리가 교체되기 전까지는 셀 밸런싱이 불가능하다. 그러면, 특정 셀이 과방전되거나 과충전되어 배터리 전체의 안전성에 위험이 초래된다.
따라서, 보조 배터리가 제 기능을 하지 못할 때 보조 배터리의 교체가 이루어지기 전까지 셀 밸런싱을 수행할 수 있도록 기술의 개선이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 인식 하에 창안된 것으로서, 보조 배터리의 장착 영역과 배터리의 장착 영역을 공간적으로 분리함으로써 보조 배터리가 퇴화되거나 제 기능을 발휘하지 못할 때 보조 배터리를 손쉽게 교체할 수 있는 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 방식과 기존의 셀 밸런싱 방식을 결합하여 보조 배터리에 이상이 생겼을 때 기존의 셀 밸런싱 방식으로 전환할 수 있는 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 보조 배터리가 교체되었을 때 보조 배터리의 장착을 인식하여 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 모드로 자동 전환이 가능한 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 보조 배터리를 이용한 셀밸런싱 장치는, 하우징 내에 수납되고, 직렬로 연결된 복수의 셀을 포함하는 배터리; 상기 하우징의 외부에 노출된 보조 배터리 연결 단자; 상기 보조 배터리 연결 단자에 선택적으로 탈 부착되는 보조 배터리; 상기 복수의 셀 중 어느 하나와 상기 보조 배터리의 전기적 연결을 개폐하는 스위치 제어부; 및 상기 복수의 셀에 대한 충전 상태를 추정하고, 추정된 충전 상태를 바탕으로 밸런싱 대상 셀을 선택하고, 상기 스위치 제어부에 스위치 제어 신호를 출력하여 상기 선택된 밸런싱 대상 셀과 상기 보조 배터리를 전기적으로 연결하는 제어 모듈;을 포함할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 상기 보조 배터리의 양극과 음극이 접속된 제1커넥터; 상기 보조 배터리 연결 단자가 접속된 제2커넥터; 및 상기 제1커넥터와 제2커넥터를 연결하는 전력 케이블을 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 상기 복수의 셀의 각각에 병렬 연결된 저항과 이 저항과 직렬 연결된 스위치를 포함하는 복수의 밸런싱 회로부;를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제어 모듈은 상기 보조 배터리 연결 단자의 전압을 측정하고, 측정된 전압이 정상 범위를 벗어나면 상기 선택된 밸런싱 대상 셀에 대응되는 밸런싱 회로부를 동작시켜 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제어 모듈은 상기 보조 배터리의 건강 상태(State Of Health)를 추정하고, 건강 상태가 기준치 미만이면 상기 선택된 밸런싱 대상 셀에 대응되는 밸런싱 회로부를 동작시켜 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어 모듈은 상기 보조 배터리 연결 단자의 전압을 측정하고, 측정된 전압이 0 이면 보조 배터리가 탈거된 것으로 결정하고, 상기 선택된 밸런싱 대상 셀에 대응되는 밸런싱 회로부를 동작시켜 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어 모듈은, 상기 보조 배터리의 충전 상태를 추정하고, 추정된 충전 상태가 임계치 이상이면, 복수의 셀들 중에서 충전 상태가 상대적으로 낮은 적어도 하나의 셀을 상기 밸런싱 대상 셀로 선택할 수 있다.
일 예에서, 상기 밸런싱 대상 셀로 선택된 셀의 충전 상태는 상기 보조 배터리의 충전 상태보다 낮을 수 있다.
바람직하게, 상기 제어 모듈은, 상기 보조 배터리의 충전 상태를 추정하고, 추정된 충전상태가 임계치보다 작으면, 복수의 셀들 중에서 충전 상태가 상대적으로 큰 적어도 하나의 셀을 상기 밸런싱 대상 셀로 선택할 수 있다.
일 예에서, 상기 밸런싱 대상 셀로 선택된 셀의 충전 상태는 상기 보조 배터리의 충전 상태보다 클 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 방법은, 하우징 내에 수납되고, 직렬로 연결된 복수의 셀을 포함하는 배터리; 상기 하우징의 외부에 노출된 보조 배터리 연결 단자; 및 상기 복수의 셀 중 어느 하나와 상기 보조 배터리 연결 단자에 접속된 보조 배터리의 전기적 연결을 개폐하는 스위치 제어부를 포함하는 장치를 이용하여 셀 밸런싱을 수행하는 방법으로서, 상기 보조 배터리 연결 단자에 보조 배터리를 장착하는 단계; 상기 복수의 셀에 대한 충전 상태를 추정하는 단계; 추정된 충전 상태를 바탕으로 밸런싱 대상 셀을 선택하는 단계; 및 상기 스위치 제어부에 스위치 제어 신호를 출력하여 상기 선택된 밸런싱 대상 셀과 상기 보조 배터리를 전기적으로 연결하는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 보조 배터리를 장착하는 단계는, 상기 보조 배터리 연결 단자에 연결된 전력 케이블의 끝단에 구비된 컨넥터에 상기 보조 배터리의 단자를 접속시키는 단계일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 보조 배터리 연결 단자의 전압을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 전압이 기준치 미만이면 상기 선택된 밸런싱 대상 셀을 방전시킬 수 있는 밸런싱 회로부를 동작시켜 셀 밸런싱을 수행하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 보조 배터리의 건강 상태(State Of Health)를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 건강 상태가 기준치 미만이면 상기 선택된 밸런싱 대상 셀을 방전시킬 수 있는 밸런싱 회로부를 동작시켜 셀 밸런싱을 수행하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 보조 배터리 연결 단자의 전압을 측정하는 단계; 상기 측정된 전압이 0 이면 보조 배터리가 탈거된 것으로 결정하는 단계; 및 상기 선택된 밸런싱 대상 셀을 방전시킬 수 있는 밸런싱 회로부를 동작시켜 셀 밸런싱을 수행하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 보조 배터리의 장착 영역과 배터리의 장착 영역을 공간적으로 분리함으로써 보조 배터리가 퇴화되거나 제 기능을 발휘하지 못할 때 보조 배터리를 손쉽게 교체할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 방식과 기존의 셀 밸런싱 방식을 결합하여 보조 배터리에 이상이 생겼을 때 기존의 셀 밸런싱 방식으로 전환할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 보조 배터리가 교체되었을 때 보조 배터리의 장착을 인식하여 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 모드로 자동 전환이 가능하다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 보조 배터리와 배터리가 전력 케이블로 연결된 실시예를 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치가 전기 자동차에 적용될 때 보조 배터리의 장착 위치를 보여주는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 방법의 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 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 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치(100)는, 하우징(110) 내에 수납되고, 직렬로 연결된 복수의 셀(120)을 포함하는 배터리(130)와, 상기 하우징(110)의 외부에 노출된 보조 배터리 연결 단자(140)와, 상기 보조 배터리 연결 단자(140)에 전기적으로 결합되는 보조 배터리(150)와, 상기 복수의 셀(120)의 양극 및 음극 단자와 연결된 복수의 스위치(160)와, 상기 복수의 스위치(160)를 선택적으로 개폐하여 상기 복수의 셀(120) 중 어느 하나와 상기 보조 배터리(150) 사이의 전기적 연결을 개폐하는 스위치 제어부(170)와, 상기 복수의 셀(120)에 대한 충전 상태(State Of Charge)를 추정하고, 추정된 충전 상태를 바탕으로 밸런싱 대상 셀을 선택하고, 상기 스위치 제어부(170)에 스위치 제어 신호를 출력하여 상기 선택된 밸런싱 대상 셀과 상기 보조 배터리(150)를 전기적으로 연결하는 제어 모듈(180)을 포함한다.
상기 복수의 셀(120)은 리튬 이차 전지일 수 있다. 리튬 이차 전지는 리튬 이온이 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 전지를 말한다. 하지만, 본 발명은 상기 복수의 셀(120)이 어떠한 종류의 이차 전지인지 여부에 의해 한정되지 않는다.
각 셀(120)은 밸런싱 회로부(121)와 병렬로 연결된다. 밸런싱 회로부(121)는 방전 저항(121)과 스위치(123)를 포함한다. 스위치(123)가 턴온되면 밸런싱 회로부(121)를 통해 셀(120)의 전기 에너지가 방전된다. 이를 통해, BUCK 방식의 셀 밸런싱이 가능하다.
상기 보조 배터리(150)는 복수의 셀(120)과 동일한 종류의 이차 전지이거나 용량 및/또는 충/방전율이 상대적으로 큰 다른 이차 전지일 수 있다. 상기 보조 배터리(150)는 직렬 및/또는 병렬 연결된 복수의 단위 셀을 포함할 수 있다.
상기 하우징(110)은 배터리(130)를 외부의 환경으로 보호하기 위해 부재로서, 금속 소재 또는 플라스틱 소재로 이루어진다. 상기 하우징(110)의 일 측에는 배터리(130)를 부하 또는 충전 장치와 연결하기 위한 외부 터미널(190)이 구비된다. 또한, 상기 하우징(110)의 일 측에는 상기 제어 모듈(180)이 외부의 제어 장치와 통신을 수행하기 위한 통신 인터페이스(200)가 구비된다. 일 예에서, 상기 통신 인터페이스(200)는 캔(CAN) 통신 인터페이스 또는 데이지 체인(Daisy Chain) 통신 인터페이스일 수 있다.
바람직하게, 상기 제어 모듈(180)은 프로세싱부(181)와 메모리부(182)를 포함한다. 상기 프로세싱부(181)는 컴퓨터 프로세서로서 셀 밸런싱 방법을 구현하기 위한 S/W 알고리즘을 실행한다. 일 예로, 프로세싱부(181)는 ASIC 칩셋으로 구현할 수 있다. 상기 메모리부(182)는 상기 프로세싱부(181)의 제어 로직을 포함하는 S/W와 S/W가 실행되는 과정에서 생기는 데이터를 기록, 갱신, 삭제 또는 전송한다. 일 예로, 상기 메모리부(182)는 RAM, ROM 또는 레지스터로 구현할 수 있다.
상기 제어 모듈(180)은, 셀 밸런싱을 실행하기 위해 각 셀(120)의 전압을 측정하여 출력하는 셀 전압 측정부(210)와 전기적으로 결합되어 각 셀(120)의 전압 정보를 획득할 수 있다.
즉, 상기 제어 모듈(180)은 각 셀(120)의 전압을 미리 정해진 순서에 따라 측정하기 위한 제어 신호를 상기 셀 전압 측정부(210)에 출력하고, 그에 응하여 상기 셀 전압 측정부(210)가 각 셀(120)의 전압을 측정하여 출력하면 해당 전압 정보를 입력 받아 메모리부(181)에 기록한다.
상기 제어 모듈(180)은 또한 보조 배터리 연결 단자(140)에 인가되는 전압을 측정하기 위해 단자 전압 측정부(211)와 전기적으로 결합되어 보조 배터리 연결 단자(140)에 인가되는 단자 전압(Vt)을 획득할 수 있다.
즉, 상기 제어 모듈(180)은 전압 측정을 위한 제어 신호를 상기 단자 전압 측정부(211)에 출력하고, 그에 응하여 상기 단자 전압 측정부(211)가 보조 배터리 연결 단자(140)에 인가되는 단자 전압(Vt)을 측정하여 출력하면 입력 받아 메모리부(181)에 기록한다.
상기 단자 전압(Vt)은 보조 배터리(150)의 전압에 해당한다. 따라서, 상기 제어 모듈(180)은 단자 전압(Vt)의 크기에 의해 보조 배터리(150)의 장착 여부를 인식할 수 있다. 일 예로, 상기 제어 모듈(180)은, 단자 전압(Vt)이 0이면 보조 배터리(150)가 탈거된 것으로, 단자 전압(Vt)이 0이 아니면 보조 배터리(150)가 장착된 상태로 인식이 가능하다.
상기 셀 전압 측정부(210)는 각 셀(120)의 양극 및 음극 단자에 연결된 전압 센싱 라인을 통해 각 셀(120)의 전압을 선택적으로 측정하는 회로를 포함한다. 유사하게, 상기 단자 전압 측정부(211)는 보조 배터리 연결 단자(140)와 연결된 도선 사이의 전압 차를 측정하는 회로를 포함한다. 전압 측정 회로는 당업계에 널리 알려진 기술에 해당하므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 제어 모듈(180)은, 각 셀(120)의 충전 상태 등을 추정하기 위해, 메인 센스 저항(220)을 통해서 배터리(130)의 충전 전류 또는 방전 전류를 측정하고 측정된 값을 메모리부(182)에 기록할 수 있다. 여기서, 배터리(130)의 전류 값은, 메인 센스 저항(220) 양단의 전압을 측정한 후 오옴의 법칙(I=V/R)을 적용하여 계산할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어 모듈(180)은, 암페어 카운팅 방식으로 각 셀(120)의 충전 상태를 추정할 수 있다. 즉, 상기 제어 모듈(180)은 각 셀(120)이 무부하 상태에 있을 때 개방 전압(Open Circuit Voltage: OCV)을 측정하고, 메모리부(182)에 미리 저장된 OCV-SOC 룩업 테이블로부터 측정된 개방 전압에 대응되는 SOC를 룩업하고, 각 셀(130)이 충전 또는 방전되면 상기 메모리부(182)에 기록된 전류 값을 적산하여 용량 변화량(?SOC)을 산출하고, 산출된 용량 변화량(?SOC)으로부터 각 셀(120)의 충전 상태를 추정할 수 있다. 참고로, 전류 값의 적산 시 충전 전류 값은 플러그 값을 취하고, 방전 전류 값은 마이너스 값을 취한다.
상기 제어 모듈(180)은 또한 보조 배터리(150)의 충전 상태나 건강 상태(State Of Health)를 추정하기 위해 보조 센스 저항(230)을 통해서 보조 배터리(150)의 충전 전류 또는 방전 전류를 측정하고 측정된 값을 메모리부(182)에 기록할 수 있다. 여기서, 보조 배터리(150)의 전류 값은, 보조 센스 저항(230) 양단의 전압을 측정한 후 오옴의 법칙(I=V/R)을 적용하여 계산할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어 모듈(180)은, 각 셀(120)의 충전 상태를 추정하는 방식을 유사하게 적용하여 보조 배터리(150)의 충전 상태를 추정할 수 있다.
또한, 상기 제어 모듈(180)은 보조 배터리(150)의 저항을 계산하여 보조 배터리(150)의 건강 상태(State Of Health: SOH)를 추정할 수 있다. 여기서, 저항 값은, 메모리부(182)에 누적 기록된 보조 배터리 연결 단자(140)의 전압 측정 값과 보조 배터리(150)의 전류 측정 값을 이용하여 보조 배터리(150)의 전류 변화량 대비 전압 변화량의 비율(dVk/dIk)에 관한 누적 평균 Rmean=Sigma(dVk/dIk) 을 계산하여 얻을 수 있다. 참고로, dVk/dIk는 보조 배터리(150)의 저항을 나타내는 파라미터이다. 그리고, 건강 상태는 보조 배터리(150)의 초기 저항 값 대비 현재 저항 값의 증가 비율로부터 계산할 수 있다. 예를 들어, 저항 증가 비율이 15%라면, 보조 배터리(150)의 건강 상태는 85%로 추정할 수 있다.
상기 스위치 제어부(170)는 제어 모듈(180)로부터 입력되는 스위치 제어 신호에 응답하여 복수의 셀(120) 중 어느 하나를 보조 배터리(150)와 선택적으로 연결한다.
상기 스위치 제어 신호는 복수의 스위치(160)의 개수에 상응하는 비트의 배열을 포함할 수 있고, 특정 스위치(160k)의 턴온 여부는 해당 스위치(160k)에 대응되는 비트 값에 의해 정의될 수 있다. 즉, 비트 값이 1 이면 턴온을 의미하고, 비트 값이 0이면 턴오프를 의미할 수 있다. 만약, 첫 번째 셀을 보조 배터리(150)와 연결하고자 한다면, 상기 스위치 제어 신호는 첫 번째와 두 번째 비트는 1이고 나머지 비트는 0인 비트 수의 나열로 정의될 수 있다.
상기 스위치 제어부(170)는 부가적으로 제어 모듈(180)로부터 밸런스 제어 신호를 입력 받아 각 셀(120)에 대응되는 밸런싱 회로부(121)의 스위치(123)의 개폐를 제어할 수 있다. 이 때, 밸런스 제어 신호도 상술한 바와 유사하게 비트의 배열을 이용하여 정의될 수 있다. 일 예로, 두 번째 밸런싱 회로부(121)의 스위치(123)를 턴온시키는 밸런스 제어 신호는 두 번째 밸런싱 회로부(121)에 대응되는 비트가 1일 수 있다. 한편, 밸런스 제어 신호를 앞서 언급된 스위치 제어 신호와 구분하기 위해 밸런스 제어 신호는 플래그 비트를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 장치의 개략적인 구성도이다.
도시된 바와 같이, 보조 배터리(150)는 전력 케이블(230)을 통해 보조 배터리 연결 단자(140)와 간접적으로 연결될 수 있다.
바람직하게, 전력 케이블(230)은 보조 배터리(150)의 양극과 음극이 접속될 수 있는 제1커넥터(240)와, 보조 배터리 연결 단자(140)와 접속될 수 있는 제2커넥터를 포함할 수 있다.
상기 전력 케이블(230)은 보조 배터리(150)의 위치에 대한 제약을 없애준다. 따라서, 보조 배터리(150)는 교체가 용이한 위치라면 어디든 위치할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치가 하이브리드 자동차에 적용될 경우 보조 배터리(150)의 위치가 임의로 선택될 수 있음을 보여주는 개념도이다.
도시된 바와 같이, 배터리를 포함하는 하우징(110)은 자동차의 하부 프레임에 결합되고, 보조 배터리(150)는 자동차의 보닛이나 후방 트렁크에 장착될 수 있다. 그리고, 보조 배터리(150)는 전력 케이블(230)을 통해 하우징(110)에 구비된 보조 배터리 연결 단자(140)에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 보조 배터리(150)에 고장 등의 문제가 생길 경우 운전자 또는 자동차 정비자는 보닛과 후방 트렁크를 열어서 보조 배터리(150)를 쉽게 교체할 수 있다.
다시 도 1로 돌아가서, 제어 모듈(180)은, 보조 배터리(150)를 이용하여 셀 밸런싱을 수행하는 것을 기본 모드로 하면서 보조 배터리(150)에 문제가 생겼을 경우 각 셀(120)에 병렬 연결된 밸런싱 회로부(121)를 사용하여 밸런싱이 필요한 셀(120)을 강제 방전시키는 Buck 방식의 밸런싱을 보조 모드로서 운용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 보조 배터리(150)를 이용한 셀 밸런싱 방법의 절차 흐름을 구체적으로 나타낸 순서도이다.
이하, 도 4를 참조하여 제어 모듈(180)이 보조 배터리(150)를 이용하여 셀 밸런싱을 수행하는 과정을 보다 구체적으로 설명한다.
먼저, 제어 모듈(180)은, 각 셀(120)의 충전 상태를 추정한다(S10 단계). 충전 상태는 각 셀(120)이 무부하 상태에 있을 경우는 개방 전압 측정에 의해, 그리고 각 셀(120)이 충전 또는 방전되고 있는 동안에는 암페어 카운팅 법을 이용하여 추정한다.
이어서, 제어 모듈(180)은 단자 전압 측정부(211)를 통해서 보조 배터리 연결 단자(140)의 단자 전압(Vt)을 측정한다. 그 다음, 제어 모듈(180)은 단자 전압(Vt)이 정상 전압 범위인지 판별한다(S30 단계). 정상 전압 범위는 보조 배터리(150)의 동작 전압 범위를 말한다.
만약, 단자 전압(Vt)이 정상 전압 범위에 속하면, 제어 모듈(180)은 보조 배터리(150)에 고장 등의 문제가 없는 것으로 판별한다(S40 단계). 반대로, 단자 전압(Vt)이 정상 전압 범위를 벗어나면, 제어 모듈(180)은 보조 배터리(150)에 고장이 생기거나 교체를 위해 탈거된 것으로 판별한다(S50 단계).
보조 배터리(150)가 정상인 경우, 제어 모듈(180)은 메모리부(182)에 기록된 보조 배터리(150)의 전류 측정 값과 보조 배터리 연결 단자(140)의 전압 측정 값을 이용하여 보조 배터리의 건강 상태를 추정한다(S60 단계). 보조 배터리(150)의 건강 상태는 보조 배터리(150)의 저항을 이용하여 추정하는데 이에 대해서는 상술하였다.
이어서, 제어 모듈(180)은 추정된 건강 상태가 임계치 이상인지 여부를 판별한다(S70 단계). 여기서, 임계치는 적절하게 설정할 수 있는데, 예컨대 60 내지 70%로 설정할 수 있다.
만약, 건강 상태가 임계치 이상이면, 제어 모듈(180)은 셀 밸런싱 모드를 보조 배터리(150)를 활용하는 기본 셀 밸런싱 모드로 설정한다(S80 단계). 반면, 건강 상태가 임계치 미만이면, 제어 모듈(180)은 셀 밸런싱 모드를 각 셀(120)에 병렬 연결된 밸런싱 회로부(121)를 활용하는 보조 모드인 Buck 밸런싱 모드로 설정한다(S90 단계).
제어 모듈(180)은, 밸런싱 모드를 기본 셀 밸런싱 모드로 설정한 경우, 보조 배터리(150)의 충전 상태를 추정한다(S100 단계). 보조 배터리(150)는 셀 밸런싱이 개시되기 전에 무부하 상태에 있다. 따라서, 제어 모듈(180)은, 단자 전압 측정부(211)를 통해 보조 배터리 연결 단자(140)의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 보조 배터리(150)의 개방 전압으로 결정하고, 메모리부(180)에 기록된 보조 배터리(150)의 OCV-SOC 룩업 테이블을 이용하여 상기 결정된 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 추정할 수 있다.
이어서, 제어 모듈(180)은 추정된 충전 상태가 임계치 이상인지 여부를 판별한다(S110 단계). 여기서, 임계치는 적절하게 설정할 수 있는데 일 예로 60%로 설정할 수 있다.
충전 상태가 임계치 이상이면, 제어 모듈(180)은 보조 배터리 방전 모드를 설정한다(S120 단계). 반면, 충전 상태가 임계치 미만이면, 제어 모듈(180)은 보조 배터리 충전 모드를 설정한다(S130 단계).
S120 단계에서 보조 배터리 방전 모드가 설정되면, 제어 모듈(180)은 각 셀(120)의 충전 상태를 참고하여 충전 상태가 상대적으로 낮은 셀을 밸런싱 대상 셀(들)로 선택한다(S140 단계). 일 예로, 제어 모듈(180)은 보조 배터리(150)의 충전 상태보다 충전 상태가 낮은 셀(들)을 밸런싱 대상 셀로 선택한다.
반면, S130 단계에서 보조 배터리 충전 모드가 설정되면, 제어 모듈(180)은 각 셀(120)의 충전 상태를 참고하여 충전 상태가 상대적으로 높은 셀을 밸런싱 대상 셀(들)로 선택한다(S140 단계). 일 예로, 제어 모듈(180)은 보조 배터리(150)의 충전 상태보다 충전 상태가 높은 셀(들)을 밸런싱 대상 셀로 선택한다.
이어서, 제어 모듈(180)은 셀 인덱스를 초기화하고(S150 단계), 스위치 제어 부(170)에 스위치 제어 신호를 출력하여 밸런싱 대상 셀(들) 중에서 첫 번째 셀과 보조 배터리(150)를 전기적으로 연결한다(S160 단계). 그러면, 보조 배터리(150)가 충전 또는 방전되면서 보조 배터리(150)와 연결된 셀의 충전 상태가 밸런싱된다.
즉, S120 단계에서 보조 배터리 방전 모드가 설정된 경우 보조 배터리(150)에 저장된 에너지가 보조 배터리(150)와 연결된 셀 측으로 방전되면서 셀의 충전 상태가 증가하게 되고 그 결과로서 셀 밸런싱이 이루어진다.
반면, S130 단계에서 보조 배터리 충전 모드가 설정된 경우 보조 배터리(150)와 연결된 셀의 에너지가 보조 배터리(150) 측으로 방전되면서 보조 배터리(150)의 충전 상태가 증가하게 되고 그 결과로서 셀 밸런싱이 이루어진다.
S160 단계에서 보조 배터리(150)와 연결된 셀의 밸런싱이 완료된 후, 제어 모듈(180)은 밸런싱 대상 셀이 남아 있는지 판별한다(S170 단계).
만약, 밸런싱 대상 셀이 남아 있으면, 제어 모듈(180)은 셀 인덱스를 증가시킨 후(S180 단계) 다음 순서의 밸런싱 대상 셀과 보조 배터리(150)를 전기적으로 연결하는 과정을 다시 반복한다.
이러한 과정은 S170 단계에서 밸런싱 대상 셀이 없다고 판단될 때가지 계속 반복된다. 만약, 밸런싱 대상 셀이 없다고 판별되면, 제어 모듈(180)은 본 발명에 따른 셀 밸런싱 프로세스를 종료한다.
한편, 본 발명은 S20 단계에서 측정한 보조 배터리 연결 단자(140)의 단자 전압(Vt)이 정상 범위를 벗어나면 보조 배터리(150)를 이용하여 셀 밸런싱을 수행하지 않고 각 셀(120)과 병렬 연결된 밸런싱 회로부(121)를 동작시켜 Buck 방식의 셀 밸런싱을 수행한다.
구체적으로, 제어 모듈(180)은 S20 단계에서 측정한 단자 전압(Vt)가 0이거나 동작 전압의 하한보다 작거나 상한보다 큰 경우 보조 배터리(150)에 고장이 발생한 것으로 판별한다(S50 단계). 여기서, 단자 전압(Vt)이 0 이면, 보조 배터리(150)가 교체를 위해 탈거되거나 내부에 단선 고장이 발생한 경우이다. 그리고, 단자 전압(Vt)이 동작 전압 범위를 벗어나 있으면, 이 경우도 어떠한 원인에 의해 내부에 고장이 발생한 경우이다.
이런 경우, 제어 모듈(180)은 밸런싱 모드를 Buck 밸런싱 모드로 설정하고(S 90 단계), 밸런싱 대상 셀(들)을 선택한다(S200 단계). 예를 들어, 제어 모듈(180)은 복수 셀들(120)의 평균 충전 상태보다 충전 상태가 높은 셀(들)을 밸런싱 대상 셀(들)로 선택할 수 있다.
그런 다음, 제어 모듈(180)은, 셀 인덱스를 초기화하고(S210 단계), 스위치 제어부(170)를 통해 첫 번째 밸런싱 대상 셀과 병렬 연결된 밸런싱 회로부(121)의 스위치(123)를 턴온시켜 밸런싱 회로부(121)를 구동시킨다(S220 단계). 그러면, 밸런싱 회로부(121)에 포함된 방전 저항(122)을 통해 해당 셀이 방전되면서 셀 밸런싱이 이루어진다.
S220 단계에서 첫 번째 밸런싱 대상 셀의 밸런싱이 완료된 후, 제어 모듈(180)은 밸런싱 대상 셀이 남아 있는지 판별한다(S230 단계). 만약, 밸런싱 대상 셀이 남아 있으면, 제어 모듈(180)은 셀 인덱스를 증가시킨 후(S240 단계) 다음 순서의 밸런싱 대상 셀에 병렬 연결된 밸런싱 회로부(121)를 동작시켜 해당 셀의 방전을 통해 셀 밸런싱을 수행하는 과정을 다시 반복한다. 이러한 과정은 S230단계에서 밸런싱 대상 셀이 없다고 판단될 때가지 계속 반복되고, 밸런싱 대상 셀이 없으면 제어 모듈(180)은 셀 밸런싱 프로세스를 종료한다.
제어 모듈(180)은, 전술한 셀 밸런싱 프로세스를 일정한 시간이 경과할 때마다 실행할 수 있다. 또한, 제어 모듈(180)은 셀들(120)의 충전 상태에 대한 편차가 미리 정한 기준을 초과하여 증가했을 때 전술한 셀 밸런싱 프로세스를 실행할 수 있다.
또한, 제어 모듈(180)은 S160 단계와 S220 단계에서 셀 밸런싱이 이루어지고 있는 동안 해당 셀의 충전 상태를 실시간으로 추정할 수 있고, 추정된 충전 상태가 목표 값에 도달되면 셀 밸런싱을 중단할 수 있다.
여기서, 목표 값은 적절하게 설정될 수 있는데, 예를 들어 미리 정한 %만큼 증가 또는 감소된 값으로 설정하거나 셀들의 충전 상태에 대한 평균 값으로 설정할 수 있다.
한편, 제어 모듈(180)은 셀 밸런싱이 진행되는 동안 전압 측정부(210)를 통해 각 셀(120)의 전압을 측정하여 모니터 할 수 있고, 과방전 또는 과충전과 같은 위험 상황이 발생했을 때 셀 밸런싱을 중단하는 제어 로직을 실행할 수 있다.
본 발명은, 상술한 셀 밸런싱 방식을 통해 보조 배터리(150)가 정상이고 성능이 양호한 경우는 에너지의 낭비 없이 셀 밸런싱을 구현할 수 있고, 보조 배터리(150)에 문제가 생기거나 보조 배터리(150)의 교체를 위해 보조 배터리(150)가 탈거된 상황 등에서는 Buck 방식의 셀 밸런싱을 보조적으로 수행함으로써 에너지의 낭비를 방지하면서 보다 신뢰성 있는 셀 밸런싱을 구현할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 있어서, 제어 모듈(180)은, 상술한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어 모듈(180)의 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다.
상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다.
상기 코드 체계는 캐리어 신호로 변조되어 특정한 시점에 통신 캐리어에 포함될 수 있고, 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
이상에서 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.
100: 셀 밸런싱 장치 110: 하우징
120: 셀 130: 배터리
140: 보조 배터리 연결 단자 150: 보조 배터리
160: 스위치부 170: 스위치 제어부
180: 제어 모듈 181: 프로세싱부
182: 메모리부 190: 외부 터미널

Claims (19)

  1. 하우징 내에 수납되고, 직렬로 연결된 복수의 셀을 포함하는 배터리;
    상기 하우징의 외부에 노출된 보조 배터리 연결 단자;
    상기 보조 배터리 연결 단자에 선택적으로 탈 부착되는 보조 배터리;
    상기 복수의 셀 중 어느 하나와 상기 보조 배터리의 전기적 연결을 개폐하는 스위치 제어부; 및
    상기 복수의 셀에 대한 충전 상태를 추정하고, 추정된 충전 상태를 바탕으로 밸런싱 대상 셀을 선택하고, 상기 스위치 제어부에 스위치 제어 신호를 출력하여 상기 선택된 밸런싱 대상 셀과 상기 보조 배터리를 전기적으로 연결하는 제어 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조 배터리의 양극과 음극이 접속된 제1커넥터;
    상기 보조 배터리 연결 단자가 접속된 제2커넥터; 및
    상기 제1커넥터와 제2커넥터를 연결하는 전력 케이블을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 셀의 각각에 병렬 연결된 저항과 이 저항과 직렬 연결된 스위치를 포함하는 복수의 밸런싱 회로부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어 모듈은 상기 보조 배터리 연결 단자의 전압을 측정하고, 측정된 전압이 정상 범위를 벗어나면 상기 선택된 밸런싱 대상 셀에 대응되는 밸런싱 회로부를 동작시켜 셀 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어 모듈은 상기 보조 배터리의 건강 상태(State Of Health)를 추정하고, 건강 상태가 기준치 미만이면 상기 선택된 밸런싱 대상 셀에 대응되는 밸런싱 회로부를 동작시켜 셀 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어 모듈은 상기 보조 배터리 연결 단자의 전압을 측정하고, 측정된 전압이 0 이면 보조 배터리가 탈거된 것으로 결정하고, 상기 선택된 밸런싱 대상 셀에 대응되는 밸런싱 회로부를 동작시켜 셀 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어 모듈은, 상기 보조 배터리의 충전 상태를 추정하고, 추정된 충전 상태가 임계치 이상이면, 복수의 셀들 중에서 충전 상태가 상대적으로 낮은 적어도 하나의 셀을 상기 밸런싱 대상 셀로 선택하는 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 밸런싱 대상 셀로 선택된 셀의 충전 상태는 상기 보조 배터리의 충전 상태보다 낮은 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어 모듈은, 상기 보조 배터리의 충전 상태를 추정하고, 추정된 충전상태가 임계치보다 작으면, 복수의 셀들 중에서 충전 상태가 상대적으로 큰 적어도 하나의 셀을 상기 밸런싱 대상 셀로 선택하는 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 밸런싱 대상 셀로 선택된 셀의 충전 상태는 상기 보조 배터리의 충전 상태보다 큰 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 장치.
  11. 하우징 내에 수납되고, 직렬로 연결된 복수의 셀을 포함하는 배터리; 상기 하우징의 외부에 노출된 보조 배터리 연결 단자; 및 상기 복수의 셀 중 어느 하나와 상기 보조 배터리 연결 단자에 접속된 보조 배터리의 전기적 연결을 개폐하는 스위치 제어부를 포함하는 장치를 이용하여 셀 밸런싱을 수행하는 방법으로서,
    (a) 상기 보조 배터리 연결 단자에 보조 배터리를 장착하는 단계;
    (b) 상기 복수의 셀에 대한 충전 상태를 추정하는 단계;
    (c) 추정된 충전 상태를 바탕으로 밸런싱 대상 셀을 선택하는 단계; 및
    (d) 상기 스위치 제어부에 스위치 제어 신호를 출력하여 상기 선택된 밸런싱 대상 셀과 상기 보조 배터리를 전기적으로 연결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (a) 단계는, 상기 보조 배터리 연결 단자에 연결된 전력 케이블의 끝단에 구비된 컨넥터에 상기 보조 배터리의 단자를 접속시키는 단계임을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 보조 배터리 연결 단자의 전압을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 전압이 기준치 미만이면 상기 선택된 밸런싱 대상 셀을 방전시킬 수 있는 밸런싱 회로부를 동작시켜 셀 밸런싱을 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 보조 배터리의 건강 상태(State Of Health)를 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 건강 상태가 기준치 미만이면 상기 선택된 밸런싱 대상 셀을 방전시킬 수 있는 밸런싱 회로부를 동작시켜 셀 밸런싱을 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 보조 배터리 연결 단자의 전압을 측정하는 단계;
    상기 측정된 전압이 0 이면 보조 배터리가 탈거된 것으로 결정하는 단계; 및
    상기 선택된 밸런싱 대상 셀을 방전시킬 수 있는 밸런싱 회로부를 동작시켜 셀 밸런싱을 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    상기 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계; 및
    상기 보조 배터리의 충전 상태가 임계치 이상이면, 복수의 셀들 중에서 충전 상태가 상대적으로 낮은 적어도 하나의 셀을 상기 밸런싱 대상 셀로 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 밸런싱 대상 셀로 선택된 셀의 충전 상태는 상기 보조 배터리의 충전 상태보다 낮은 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 방법.
  18. 제11항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    상기 보조 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계; 및
    상기 보조 배터리의 충전 상태가 임계치 미만이면, 복수의 셀들 중에서 충전 상태가 상대적으로 큰 적어도 하나의 셀을 상기 밸런싱 대상 셀로 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 밸런싱 대상 셀로 선택된 셀의 충전 상태는 상기 보조 배터리의 충전 상태보다 큰 것을 특징으로 하는 보조 배터리를 이용한 셀 밸런싱 방법.
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