KR20160129617A - 셀 밸런싱 방법 및 배터리 관리 시스템 - Google Patents

Abstract

실시 예는 복수의 셀 각각의 현재 셀 용량을 예측하고, 상기 복수의 셀 각각의 현재 SOC와 소정의 타겟 SOC를 상기 예측된 실제 용량을 이용하여 상기복수의 셀 각각의 최대 방전 에너지를 산출하며, 상기 복수의 셀 각각의 최대 방전 에너지 간의 차이가 소정의 임계 값을 초과할 때, 상대적으로 높은 최대 방전 에너지를 가지는 셀에 대해서 셀 밸런싱을 수행한다.

Description

셀 밸런싱 방법 및 배터리 관리 시스템{CELL BALANCING METHOD AND BATTERY MANAGEMENT SYSTEM USING THE CELL BALANCING METHOD}

실시 예는 셀 밸런싱 방법 및 상기 셀 밸런싱 방법을 이용한 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.

복수의 셀이 직렬 연결되어 배터리 팩을 구성한다. 복수의 셀 각각의 용량 편차를 줄이기 위해서 셀 밸런싱 동작이 수행된다. 예를 들어, 복수의 셀 각각의 전압을 측정하고, 측정된 셀 전압이 소정의 임계 값을 초과하거나, 측정된 셀 전압과 다른 측정된 셀 전압간의 차가 소정의 임계 값을 초과할 때, 셀을 방전시킬 수 있다. 그런데 셀 전압(예를 들어, open circuit voltage, OCV)을 기준으로 충전 상태(state of state, SOC)를 정확하게 예측하기 어렵다. SOC-OCV의 관계 곡선에서 SOC의 변화에 대한 OCV의 변화가 매우 작은 평탄 구간이 존재하기 때문이다.

셀의 용량을 고려하여 셀 밸런싱 동작을 제어할 수 있는 방법 및 이를 이용한 배터리 관리 시스템을 제공하고자 한다.

실시 예에 따른 셀 밸런싱 방법은, 복수의 셀 각각의 현재 셀 용량을 예측하는 단계 상기 복수의 셀 각각의 현재 SOC와 소정의 타겟 SOC를 상기 예측된 실제 용량을 이용하여 상기 복수의 셀 각각의 최대 방전 에너지를 산출하는 단계, 및 상기 복수의 셀 각각의 최대 방전 에너지 간의 차이가 소정의 임계 값을 초과할 때, 상대적으로 높은 최대 방전 에너지를 가지는 셀에 대해서 셀 밸런싱을 수행하는 단계를 포함한다.

상기 최대 방전 에너지를 산출하는 단계는, 상기 복수의 셀 각각의 현재 SOC에서 상기 타겟 SOC를 차감한 값에 상기 복수의 셀 각각의 현재 셀 용량을 곱하여 산출한다.

상기 셀의 OCV, SOC, 및 SOH를 이용하여 상기 현재 셀 용량을 예측할 수 있다.

실시 예에 따른 배터리 관리 시스템은, 직렬 연결된 복수의 셀을 포함하는 배터리의 관리 시스템이다. 상기 배터리 관리 시스템은 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압을 검출하는 셀 전압 검출부, 및 상기 복수의 셀 각각의 SOC 및 SOH를 이용하여 상기 복수의 셀 각각의 최대 방전 에너지를 산출하며, 상기 복수의 셀 각각의 최대 방전 에너지 간의 차이가 소정의 임계 값을 초과할 때, 상대적으로 높은 최대 방전 에너지를 가지는 셀에 대한 셀 밸런싱을 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 제어부는 상기 복수의 셀 각각의 현재 SOC에서 상기 타겟 SOC를 차감한 값에 상기 복수의 셀 각각의 현재 셀 용량을 곱하여 산출한다.

상기 제어부는 상기 셀의 OCV, SOC, 및 SOH를 이용하여 상기 현재 셀 용량을 예측할수 있다.

상기 배터리 관리 시스템은 상기 제어부로부터 생성되는 복수의 밸런싱 신호에 따라 스위칭 동작하는 복수의 밸런싱 스위치, 및 상기 복수의 밸런싱 스위치와 함께 상기 복수의 셀 각각의 양단에 병렬 연결되어 있는 복수의 방전 저항을 더 포함한다.

셀의 용량을 고려하여 셀 밸런싱 동작을 제어할 수 있는 방법 및 이를 이용한 배터리 관리 시스템을 제공한다.

도 1 및 2는 실시 예에 따른 셀 밸런싱 방법을 설명하기 위해 셀들의 용량을 나타낸 도면이다.
도 3은 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

실시 예에 따른 셀 밸런싱 방법은 셀의 실제 용량을 Ah 단위로 예측하고, 현재 SOC와 타겟 SOC를 예측된 실제 용량(이하, 현재 셀 용량이라 함.)과 함께 고려하여 셀의 최대 방전 에너지(Maximum Dischargeable Energy)를 산출한다. 최대 방전 에너지 간의 차이가 소정의 임계 값을 초과할 때, 상대적으로 높은 최대 방전 에너지를 가지는 셀에 대해서 셀 밸런싱을 수행한다.

최대 방전 에너지는 아래 수학식 1과 같이, 현재 셀의 용량에 현재SOC와 타겟SOC의 차를 곱한 값으로 산출한다.

[수학식 1]

최대 방전 에너지 = 현재 셀 용량 * (현재 SOC - 타겟 SOC)

셀 간의 노화 속도가 다르므로, 셀들 각각의 현재 셀 용량이 다를 수 있다. SOC는 현재 셀 용량에 대한 현재 충전 용량을 나타내는 상대적인 값이다. 즉, 셀들 간에 현재 셀 용량 편차가 있는 경우, 동일한 SOC를 가지는 셀들 간에도 현재 충전 용량 편차가 발생한다. 따라서 앞서 설명한 셀 전압을 기준으로 셀 밸런싱을 판단하는 것뿐만 아니라 SOC를 기준으로 셀 밸런싱을 판단하는 것도 정확성이 부족하다.

실시 예에 따른 셀 밸런싱 방법은 셀들 간의 최대 방전 에너지의 편차를 기준으로 셀 밸런싱 여부를 판단하여, 실제 셀에 충전된 용량을 기준으로 셀 밸런싱을 수행한다.

이하 도면을 참조하여 실시 예를 설명한다.

도 1은 실시 예에 따른 셀 밸런싱 방법을 설명하기 위해 셀들의 용량을 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 세 개의 셀 1-3(CELL1, CELL2, CELL3) 각각의 용량을 100Ah(ampere-hour), 80Ah, 및 100Ah인 것으로 설정한다. 셀의 노화에 따라 셀 간에는 용량 편차가 발생할 수 있다. 도 1에서는, 타겟 SOC를 50%로 설정한다.

SOC 50%를 기준으로 세 개의 셀 1-3(CELL1, CELL2, CELL3) 각각의 용량을 도식적으로 나타내는 용량 박스가 배열되어 있다. 실시 예를 구체적으로 설명하기 위해서 세 개의 셀(CELL1, CELL2, CELL3) 각각의 SOC가 모두 70%이고, 임계 값은 3Ah인 것으로 가정한다.

셀1 및 셀3(CELL1, CELL3)의 최대 방전 에너지는 수학식 1에 따라 계산할 때 20Ah이고, 셀 2(CELL2)의 최대 방전 에너지는 수학식 1에 따라 계산할 때 16Ah이다. 셀 1(또는 셀 3)과 셀 2 간의 최대 방전 에너지 차이 4Ah는 임계 값 3Ah보다 크므로, 셀 1 및 셀 3은 셀 밸런싱이 수행된다.

SOC를 기준으로 셀 밸런싱 여부를 판단한다면, 세 개의 셀 1-3에는 셀 밸런싱이 필요하지 않았지만, 셀 1(또는 셀 3)과 셀 2 사이에는4Ah라는 충전 용량 차이가 있어 셀 밸런싱이 필요한 상황이다. 이와 같이, 실시 예에 따른 셀 밸런싱 방법은 셀 밸런싱의 수행 여부를 정확하게 판단할 수 있다.

셀들 간의 SOC 차이가 있더라도, 셀 용량을 고려하여 최대 방전 에너지 차이가 임계 값을 넘지 않는다면 셀 밸런싱은 수행되지 않는다.

이하, 도 2를 참조하여 실시 예에 따른 구체적인 예를 설명한다.

도 2는 실시 예에 따른 셀 밸런싱 방법을 설명하기 위해 셀들의 용량을 나타낸 도면이다.

세 개의 셀1-3(CELL1, CELL2, CELL3) 각각의 용량을 100Ah, 80Ah, 및 100Ah이고, 타겟 SOC는 50%이다. 도 2에 도시된 바와 같이, SOC 50%를 기준으로 세 개의 셀 1-3(CELL1, CELL2, CELL3) 각각의 용량을 도식적으로 나타내는 용량 박스가 배열되어 있다. 실시 예를 구체적으로 설명하기 위해서 두 개의 셀(CELL1, CELL3) 각각의 SOC는 모두 70%이고, 셀(CELL2)의 SOC는 75%이며, 임계 값은 3Ah인 것으로 가정한다.

셀1-3(CELL1-CELL3) 각각의 최대 방전 에너지를 수학식 1에 따라 계산하면, 세 개의 셀1-3(CELL1-CELL3) 각각의 최대 방전 에너지는 20Ah로 동일하다. 따라서 셀 1(또는 셀 3)과 셀 2 간에 SOC 차이가 5% 있지만, 최대 방전 에너지가 임계 값 3Ah 보다 작아 셀 밸런싱은 수행되지 않는다.

이하, 실시 예에 따른 셀 밸런싱 방법이 적용된 배터리 관리 시스템을 설명한다.

도 3은 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템을 나타낸 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 시스템(10)은 제어부(100), 셀 전압 측정부(110), 방전부(120), 전류 센서(130), 충전 제어 스위치(CHS), 및 방전 제어 스위치(DHS)를 포함한다.

배터리(20)는 복수의 셀(CELL1-CELL5)를 포함하고, 복수의 셀(CELL1-CELL5)은 직렬 연결되어 있다. 배터리(20)의 일단은 양의 단자(+)에 연결되어 있고, 배터리의 타단은 음의 단자(-)에 연결되어 있다. 설명의 편의를 위해 배터리(20)가 5 개의 셀을 포함하는 것으로 도시하였으나, 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.

방전 제어 스위치(DHS)의 드레인과 소스 사이에는 바디 다이오드(D1)가 형성되어 있고, 충전 제어 스위치(CHS)의 드레인과 소스 사이에는 바디 다이오드(D2)가 형성되어 있다. 방전 제어 스위치(DHS)의 소스는 배터리(20)의 타단에 연결되어 있고, 방전 제어 스위치(DHS)의 게이트에는 게이트 전압(VG1)이 공급된다. 방전 제어 스위치(DHS)의 드레인은 충전 제어 스위치(CHS)의 드레인에 연결되어 있고, 충전 제어 스위치(CHS)의 소스는 음의 단자(-)에 연결되어 있으며, 충전 제어 스위치(CHS)의 게이트에는 게이트 전압(VG2)이 공급된다.

도 1에 도시되어 있지 않으나, 양의 단자(+)와 음의 단자(-) 사이에 부하가 연결되어 있을 때, 방전 제어 스위치(DHS)가 턴 온 되면, 배터리(20)으로부터 공급되는 전류가 바디 다이오드(D2) 및 방전 제어 스위치(DHS)를 통해 흐른다.

양의 단자(+)와 음의 단자(-) 사이에 충전기가 연결되어 있을 때, 충전 제어 스위치(CHS)가 턴 온 되면, 충전기로부터 배터리(20)로 흐르는 전류가 바디 다이오드(D1) 및 충전 제어 스위치(CHS)를 통해 흐른다.

셀 전압 측정부(110)는 복수의 셀(CELL1-CELL5) 각각의 전압을 측정하여, 복수의 셀 감지 전압(VC1-VC5)을 생성한다. 셀 전압 측정부(110)는 복수의 셀(CELL1-CELL5) 각각에 연결되는 커패시터(도시하지 않음)를 이용하여 셀 감지 전압(VC1-VC5)을 생성할 수 있다.

예를 들어, 셀(CELL1)과 배선(L1) 및 배선(L2)를 통해 커패시터가 연결되어 셀(CELL1)의 전압에 의해 커패시터가 충전되고, 셀 전압 측정부(110)는 커패시터에 충전된 전압을 증폭하여 셀 감지 전압(VC1)을 생성할 수 있다. 셀(CELL2)과 배선(L2) 및 배선(L3)를 통해 커패시터가 연결되어 셀(CELL2)의 전압에 의해 커패시터가 충전되고, 셀 전압 측정부(110)는 커패시터에 충전된 전압을 증폭하여 셀 감지 전압(VC2)을 생성할 수 있다. 셀(CELL3)과 배선(L3) 및 배선(L4)를 통해 커패시터가 연결되어 셀(CELL3)의 전압에 의해 커패시터가 충전되고, 셀 전압 측정부(110)는 커패시터에 충전된 전압을 증폭하여 셀 감지 전압(VC3)을 생성할 수 있다. 셀(CELL4)과 배선(L4) 및 배선(L5)를 통해 커패시터가 연결되어 셀(CELL4)의 전압에 의해 커패시터가 충전되고, 셀 전압 측정부(110)는 커패시터에 충전된 전압을 증폭하여 셀 감지 전압(VC4)을 생성할 수 있다. 셀(CELL5)과 배선(L5) 및 배선(L6)를 통해 커패시터가 연결되어 셀(CELL6)의 전압에 의해 커패시터가 충전되고, 셀 전압 측정부(110)는 커패시터에 충전된 전압을 증폭하여 셀 감지 전압(VC5)을 생성할 수 있다.

방전부(120)는 제어부(100)로부터 복수의 밸런싱 신호(BLS1-5)에 따라 복수의 셀(CELL1-CELL5) 중 선택된 셀을 방전한다. 도 3에 도시된 방전부(120)의 구조는 일 예로서 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.

방전부(120)는 복수의 방전 저항(DR1-DR5) 및 복수의 밸런싱 스위치(BS1-BS5)를 포함한다. 방전 저항(DR1) 및 밸런싱 스위치(BS1)는 셀(CELL1)의 양극과 음극 사이에 병렬 연결되어 있다. 밸런싱 스위치(BS1)는 밸런싱 신호(BLS1)에 따라 스위칭 동작한다. 방전 저항(DR2) 및 밸런싱 스위치(BS2)는 셀(CELL2)의 양극과 음극 사이에 병렬 연결되어 있다. 밸런싱 스위치(BS2)는 밸런싱 신호(BLS2)에 따라 스위칭 동작한다. 방전 저항(DR3) 및 밸런싱 스위치(BS3)는 셀(CELL3)의 양극과 음극 사이에 병렬 연결되어 있다. 밸런싱 스위치(BS3)는 밸런싱 신호(BLS3)에 따라 스위칭 동작한다. 방전 저항(DR4) 및 밸런싱 스위치(BS4)는 셀(CELL4)의 양극과 음극 사이에 병렬 연결되어 있다. 밸런싱 스위치(BS4)는 밸런싱 신호(BLS4)에 따라 스위칭 동작한다. 방전 저항(DR5) 및 밸런싱 스위치(BS5)는 셀(CELL5)의 양극과 음극 사이에 병렬 연결되어 있다. 밸런싱 스위치(BS5)는 밸런싱 신호(BLS5)에 따라 스위칭 동작한다.

밸런싱 스위치(BS1-BS5)가 턴 온 되면, 턴 온 된 밸런싱 스위치를 통해 방전저항을 포함하는 방전 경로가 형성되어, 해당 셀이 방전된다.

전류 센서(130)는 배터리(20)에 흐르는 전류를 감지하여 전류 감지 신호(IB)를 생성한다.

제어부(100)는 전류 감지 신호(IB) 및 복수의 셀 감지 전압(VC1-VC5)를 입력받고, 복수의 셀(CELL1-CELL) 각각의 OCV(open circuit voltage), SOC(state of charge), 및 SOH(state of health)를 계산하고, 복수의 셀(CELL1-CELL4) 각각의 현재 셀 용량을 예측한다. 제어부(100)는 적어도 OCV, SOH 및 SOC를 이용하여 복수의 셀(CELL1-CELL4) 각각의 현재 셀 용량을 Ah 단위로 예측할 수 있다. 추가적으로, 제어부(100)는 배터리(20)의 온도도 함께 고려하여 복수의 셀 각각의 현재 셀 용량을 예측할 수 있다.

예를 들어, 제어부(100)는 배터리 및 배터리 관리 시스템을 포함하는 모듈의 온도를 평균하여 평균 온도를 산출하고 평균 온도에 기초해 온도 강도 및 온도 가중치를 산출한다. 제어부(100)는 측정된 배터리 전류에 기초한 전류 강도(current intensity)와 온도 강도(temperature intensity)를 이용하여 전류 축적을 산출하고, 산출된 전류 축적과 온도 가중치를 이용해 용량 감소를 산출한다. 제어부(100)는 초기 용량에서 감소된 용량을 차감하여 현재 셀 용량을 예측할 수 있다.

아울러, 제어부(100)는 복수의 셀(CELL1-CELL5) 각각의 현재 SOC와 예측된 현재 셀 용량 및 타겟 SOC를 고려하여 복수의 셀(CELL1-CELL5) 각각의 최대 방전 에너지 산출한다. 제어부(10)는 복수의 셀(CELL1-CELL5) 간의 최대 방전 에너지 차이를 산출하고, 산출된 최대 방전 에너지 중 임계 값을 초과하는 대상 셀들을 판단한다. 제어부(100)는 대상 셀들 중 높은 최대 방전 에너지를 가지는 셀을 방전시키기 위한 밸런싱 신호를 생성한다.

또한, 제어부(100)는 복수의 셀 감지 전압(VC1-VC5)을 이용하여 충전 중 과전압이 검출되면 충전 제어 스위치(CHS)를 턴 오프 시키는 게이트 전압(VG2)를 생성한다. 제어부(100)는 복수의 셀 감지 전압(VC1-VC5)를 이용하여 방전 중 과방전이 검출되면, 방전 제어 스위치(DHS)를 턴 오프 시키는 게이트 전압(VG2)를 생성한다.

이와 같이, 실시 예에 따르면 정확한 셀 밸런싱을 제어할 수 있는 셀 밸런싱 방법 및 배터리 관리 시스템이 제공된다.

이상에서 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 든다고 할 것이다.

배터리 관리 시스템(10)
제어부(100)
셀 전압 측정부(110)
방전부(120)
전류 센서(130)
충전 제어 스위치(CHS)
방전 제어 스위치(DHS)
배터리(20)
셀(CELL1-CELL5)

Claims (7)

1. 복수의 셀 각각의 현재 셀 용량을 예측하는 단계
   상기 복수의 셀 각각의 현재 SOC와 소정의 타겟 SOC를 상기 예측된 실제 용량을 이용하여 상기복수의 셀 각각의 최대 방전 에너지를 산출하는 단계, 및
   상기 복수의 셀 각각의 최대 방전 에너지 간의 차이가 소정의 임계 값을 초과할 때, 상대적으로 높은 최대 방전 에너지를 가지는 셀에 대해서 셀 밸런싱을 수행하는 단계를 포함하는 셀 밸런싱 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 최대 방전 에너지를 산출하는 단계는,
   상기 복수의 셀 각각의 현재 SOC에서 상기 타겟 SOC를 차감한 값에 상기 복수의 셀 각각의 현재 셀 용량을 곱하여 산출하는 셀 밸런싱 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 현재 셀 용량을 예측하는 단계는,
   상기 복수의 셀 각각의 OCV, SOC, 및 SOH를 이용하는 셀 밸런싱 방법.
4. 직렬 연결된 복수의 셀을 포함하는 배터리의 관리 시스템에 있어서,
   상기 복수의 셀 각각의 셀 전압을 측정하여 복수의 셀 감지 전압을 생성하는 셀 전압 검출부, 및
   상기 복수의 셀 감지 전압, 상기 복수의 셀 각각의 SOC 및 SOH를 이용하여 상기 복수의 셀 각각의 최대 방전 에너지를 산출하며, 상기 복수의 셀 각각의 최대 방전 에너지 간의 차이가 소정의 임계 값을 초과할 때, 상대적으로 높은 최대 방전 에너지를 가지는 셀에 대한 셀 밸런싱을 제어하는 제어부를 포함하는 배터리 관리 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 복수의 셀 각각의 현재 SOC에서 상기 타겟 SOC를 차감한 값에 상기 복수의 셀 각각의 현재 셀 용량을 곱하여 산출하는 배터리 관리 시스템.
6. 제4항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 복수의 셀 각각의 OCV, SOC, 및 SOH를 이용하여 상기 현재 셀 용량을 예측하는 배터리 관리 시스템.
7. 제4항에 있어서,
   상기 제어부로부터 생성되는 복수의 밸런싱 신호에 따라 스위칭 동작하는 복수의 밸런싱 스위치, 및
   상기 복수의 밸런싱 스위치와 함께 상기 복수의 셀 각각의 양단에 병렬 연결되어 있는 복수의 방전 저항을 더 포함하는 배터리 관리 시스템.

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