KR20180013576A - 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전압 변환부가 배터리에 포함된 복수의 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀과 연결되어 제1 배터리 셀의 출력 전압을 미리 설정된 저전압으로 변환하고, 전압 변환부와 연결되지 않은 제2 배터리 셀의 방전 전기량이 제1 배터리 셀의 출력 전기량과 동일하도록 제2 배터리 셀의 밸런싱을 제어하는 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치 및 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리에 포함된 복수의 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀의 출력 전압을 미리 설정된 저전압으로 변환하여 저전압 전원을 제공하는 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 화석 에너지의 고갈과 화석 에너지의 사용으로 인한 환경오염으로 이차 전지 배터리를 이용하여 구동할 수 있는 전기 제품에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 따라, 모바일 기기, 전기 차량(Electric Vehicle; EV), 하이브리드 차량(Hybrid Vehicle; HV), 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS) 및 무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply; UPS) 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지 배터리의 수요가 급격히 증가하고 있다.
이러한 이차 전지 배터리는 화석 에너지의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
특히, 친환경 제품에 대한 요구와 연비를 개선의 요구에 따라 이차 전지 배터리를 사용하는 하이브리드 차량(Hybrid Electric Vehicle)에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.
하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하고, 대부분의 경우는 연료를 사용하여 구동력을 얻는 엔진과 이차 전지 배터리의 전력으로 구동되는 전기모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 일컫는다.
최근에는 이차 전지 배터리의 용량을 종전의 하이브리드 차량보다 크게 만들고 이차 전지 배터리를 외부 전원으로부터 충전하여, 근거리 주행시는 순수 전기자동차 모드인 EV(Electric Vehicle) 모드로만 주행하고, 이차 전지 배터리가 고갈되면 엔진의 회전력을 주동력으로 하면서 모터의 회전력을 보조 동력으로 이용하는 보조 모드인 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 주행하는 플러그인 하이브리드 차량(Plug In Hybrid Electric Vehicle : PHEV)이 개발되고 있다.
이러한 플러그인 하이브리드 차량 또는 하이브리드 차량은 이차 전지 배터리로부터 고전압을 인가받는 모터를 구동하기 위해 고전압부 전원을 공급받는 고전압부와 납축전지와 같은 저전압 배터리로부터 저전압을 인가받는 저전압부를 서로 절연하여 분리구성함으로써 고전압 노이즈로 인한 CAN 통신라인 및 제어유닛의 고장을 방지한다.
이때, 고전압의 이차 전지 배터리를 이용하여 저전압부로 전력을 공급하고자 하는 경우 고전압을 저전압으로 변환하는 리니어 레귤레이터를 사용하게 된다.
이러한 리니어 레귤레이터는 이차 전지 배터리로부터 나오는 고전압의 직류전압을 저전압의 직류전압으로 변환하여 차량의 전장부하에 제공하는 역할을 한다.
보다 구체적으로, 리니어 레귤레이터는 이차 전지 배터리의 고전압을 다운시켜 약 전압 5V를 납축 전지로 공급하여 충전시키거나 전장부하에 전력을 공급한다.
리니어 레귤레이터의 입력 전압은 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에 탑재되는 이차 전지 배터리의 출력 전압이며 차량의 종류에 따라 입력 전압의 범위가 최소 약 60V에서 최대 450V 까지 매우 다르다.
이와 같이, 이차 전지 배터리에 포함된 모든 배터리 셀로부터 출력되는 출력 전압을 저잔압으로 변환하는 리니어 레귤레이터는 입력 가능한 전압 범위가 클수록 가격이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 리니어 레귤레이터는 최소 약 60V에서 최대 450V 까지의 고전압을 약 5V의 저전압으로 변환하는 과정에서 발열이 발생하여 주변 부품의 열화를 가속시키는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 전압 변환부가 배터리에 포함된 복수의 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀과 연결되어 제1 배터리 셀의 출력 전압을 미리 설정된 저전압으로 변환하고, 전압 변환부와 연결되지 않은 제2 배터리 셀의 방전 전기량이 제1 배터리 셀의 출력 전기량과 동일하도록 제2 배터리 셀의 밸런싱을 제어함으로써, 발열과 부품 가격이 낮은 전압 변환부를 이용하여 저전압 전원을 제공할 수 있으며 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀 간의 소모되는 전기량을 동일하게 제어할 수 있는 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치는 배터리에 포함된 복수의 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀과 연결되어 상기 제1 배터리 셀의 출력 전압을 미리 설정된 저전압으로 변환하는 전압 변환부; 상기 제1 배터리 셀에서 상기 전압 변환부로 출력된 출력 전기량을 산출하는 산출부; 및 상기 복수의 배터리 셀 중에서 상기 전압 변환부와 연결되지 않은 제2 배터리 셀의 방전 전기량이 상기 출력 전기량과 동일하도록 상기 제2 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀을 방전시키는 밸런싱 저항 간의 연결을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된다.
일 실시예에서, 상기 제1 배터리 셀에서 상기 전압 변환부로 출력되는 출력 전류의 출력 전류값을 측정하는 측정부;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산출부는 상기 측정된 출력 전류의 출력 전류값과 상기 출력 전류가 출력된 출력 시간을 이용하여 상기 출력 전기량을 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산출부는 하기의 수학식을 이용하여 상기 출력 전기량을 산출할 수 있다.
<수학식>
여기서, Qo는 상기 출력 전기량, Io는 상기 출력 전류값, to는 상기 출력 시간이다.
일 실시예에서, 추정부는 상기 제2 배터리 셀의 충전 전압 및 상기 밸런싱 저항의 밸런싱 저항값 중 하나 이상을 이용하여 상기 밸런싱 저항에 흐르는 방전 전류의 방전 전류값를 추정하는 추정부;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 방전 전류값을 이용하여 상기 제2 배터리 셀과 상기 밸런싱 저항이 연결되는 밸런싱 시간을 상기 방전 전기량과 상기 출력 전기량이 동일하도록 산출하고, 상기 산출된 밸런싱 시간 동안 상기 제2 배터리 셀과 상기 밸런싱 저항을 연결시켜 상기 제2 배터리 셀을 방전시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 하기 수학식을 이용하여 상기 밸런싱 시간을 산출할 수 있다.
<수학식>
여기서, tb는 상기 밸런싱 시간, Qb는 상기 방전 전기량, Ib는 상기 방전 전류값, Qo는 상기 출력 전기량, Io는 상기 출력 전류값이다.
본 발명에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 방법은 전압 변환부가 배터리에 포함된 복수의 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀과 연결되어 상기 제1 배터리 셀의 출력 전압을 미리 설정된 저전압으로 변환하는 단계; 산출부가 상기 제1 배터리 셀에서 상기 전압 변환부로 출력된 출력 전기량을 산출하는 단계; 및 제어부가 상기 복수의 배터리 셀 중에서 상기 전압 변환부와 연결되지 않은 제2 배터리 셀의 방전 전기량이 상기 출력 전기량과 동일하도록 상기 제2 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀을 방전시키는 밸런싱 저항 간의 연결을 제어하는 단계;를 포함하여 구성된다.
일 실시예에서, 상기 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 방법은 측정부가 상기 제1 배터리 셀에서 상기 전압 변환부로 출력되는 출력 전류의 출력 전류값을 측정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.,
일 실시예에서, 상기 산출하는 단계는 상기 산출부가 상기 측정된 출력 전류의 출력 전류값과 상기 출력 전류가 출력된 출력 시간을 이용하여 상기 출력 전기량을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.,
일 실시예에서, 상기 산출하는 단계는 상기 산출부가 하기의 수학식을 이용하여 상기 출력 전기량을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.,
<수학식>
여기서, Qo는 상기 출력 전기량, Io는 상기 출력 전류값, to는 상기 출력 시간이다.
일 실시예에서, 상기 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 방법은 측정부가 상기 제2 배터리 셀의 충전 전압 및 상기 밸런싱 저항의 밸런싱 저항값 중 하나 이상을 이용하여 상기 밸런싱 저항에 흐르는 방전 전류의 방전 전류값를 추정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.,
일 실시예에서, 상기 제어하는 단계는 상기 제어부가 상기 방전 전류값을 이용하여 상기 제2 배터리 셀과 상기 밸런싱 저항이 연결되는 밸런싱 시간을 상기 방전 전기량과 상기 출력 전기량이 동일하도록 산출하고, 상기 산출된 밸런싱 시간 동안 상기 제2 배터리 셀과 상기 밸런싱 저항을 연결시켜 상기 제2 배터리 셀을 방전시키는 단계;를 포함할 수 있다.,
일 실시예에서, 상기 제어하는 단계는 상기 제어부가 하기 수학식을 이용하여 상기 밸런싱 시간을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.,
<수학식>
여기서, tb는 상기 밸런싱 시간, Qb는 상기 방전 전기량, Ib는 상기 방전 전류값, Qo는 상기 출력 전기량, Io는 상기 출력 전류값이다.
본 발명에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치 및 방법은 전압 변환부가 배터리에 포함된 복수의 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀과 연결되어 제1 배터리 셀의 출력 전압을 미리 설정된 저전압으로 변환하고, 전압 변환부와 연결되지 않은 제2 배터리 셀의 방전 전기량이 제1 배터리 셀의 출력 전기량과 동일하도록 제2 배터리 셀의 밸런싱을 제어함으로써, 발열과 부품 가격이 낮은 전압 변환부를 이용하여 저전압 전원을 제공할 수 있는 효과와 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀 간의 소모되는 전기량을 동일하게 제어할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치가 적용될 수 있는 전기 차량을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 작동을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치가 적용될 수 있는 전기 차량을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에서 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치가 전기 차량에 적용된 예를 도시하고 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치는 전기 차량 이외에도 모바일 기기, 에너지 저장 시스템 또는 무정전 전원 공급 장치 등 이차 전지 배터리가 적용될 수 있는 분야라면 어떠한 기술 분야라도 적용될 수 있다.
전기 차량(1)은 배터리(10), BMS(Battery Management System, 20), ECU(Electronic Control Unit, 30), 인버터(40) 및 모터(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리(10)는 모터(50)에 구동력을 제공하여 전기 차량(1)를 구동시키는 전기 에너지원이다. 배터리(10)는 모터(50) 또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 인버터(40)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다.
여기서, 배터리(10)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.
BMS(20)는 배터리(10)의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)를 관리한다. 예컨대, 배터리(10)의 잔존 용량(State Of Charging; SOC), 잔존 수명(State Of Health; SOH), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리(10) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리(10)의 교체 시기 추정도 가능하다.
또한, BMS(20)는 후술되는 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치(도 2의 100)를 포함할 수 있다. 이러한 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치(100)는 배터리(10)에 포함된 복수의 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀과 연결되어 제1 배터리 셀의 출력 전압을 미리 설정된 저전압으로 변환하고, 전압 변환부와 연결되지 않은 제2 배터리 셀의 방전 전기량이 제1 배터리 셀의 출력 전기량과 동일하도록 제2 배터리 셀의 밸런싱을 제어함으로써, 배터리(10)로부터 저전압 전원을 제공할 수 있다.
배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치(100)가 저전압 전원을 제공하고 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀 간의 밸런싱를 수행하는 내용은 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다.
ECU(30)는 전기 차량(1)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 액셀러레이터(Accelerator), 브레이크(Break), 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터(50)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다.
또한, ECU(30)는 BMS(20)에 의해 전달받은 배터리(10)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(40)에 제어 신호를 보낸다.
인버터(40)는 ECU(30)의 제어 신호에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전되도록 한다.
모터(50)는 배터리(10)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(30)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 전기 차량(1)를 구동한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치의 구성을 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치(100)는 밸런싱부(110), 전압 변환부(120), 측정부(130), 산출부(140), 추정부(150) 및 제어부(160)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치(100)는 배터리 셀(11a, 11b)을 포함하는 배터리(10) 및 배터리 셀(11a, 11b) 각각 전압, 전류 및 온도에 근거하여 배터리 셀(11a, 11b)의 잔존 용량(State Of Charging; SOC), 잔존 수명(State Of Health; SOH) 및 최대 입출력 전력 허용량을 산출하고, 산출된 배터리 셀(11a, 11b)의 상태 정보(SOC, SOH 및 최대 입출력 전력 허용량)를 이용하여 배터리 셀(11a, 11b)의 충전 또는 방전을 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS, 20)에 포함될 수 있다.
한편, 배터리 셀(11a, 11b)은 제1 배터리 셀(11a)과 제2 배터리 셀(11b)로 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 배터리 셀(11a)은 후술되는 전압 변환부(120)와 연결되어 전압 변환부(120)로 출력 전압을 출력할 수 있으며, 제2 배터리 셀(11b)은 배터리 셀(11a, 11b) 중에서 전압 변환부(120)와 연결되지 않은 배터리 셀일 수 있다.
이때, 배터리 셀(11a, 11b) 즉, 제1 배터리 셀(11a)과 제2 배터리 셀(11b)은 각각 밸런싱부(110)와 연결되어 충전 또는 방전될 수 있다.
한편, 도 2에서 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치(100)가 제1 배터리 셀(11a)과 제2 배터리 셀(11b) 각각의 개수가 2개인 배터리(10)와 연결된 것으로 도시된 바 있으나, 제1 배터리 셀(11a)과 제1 배터리 셀(11a) 하나의 최대 충전 전압에 대응하여 설정될 수 있으며, 제2 배터리 셀(11b) 각각의 개수는 제한되지 않음을 유의한다.
밸런싱부(110)는 제1 배터리 셀(11a) 및 제2 배터리 셀(11b)의 충전 전압을 방전시키는 역할을 수행할 수 있다. 이를 위해, 밸런싱부(110)는 스위칭 소자(111) 및 밸런싱 저항(112)을 포함할 수 있다.
여기서, 스위칭 소자(111)는 MOS FET(Metal Oxide Silicon Field Effect transistor) 소자, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자 및 BJT(Bipolar Junction Transistor) 소자 중 어느 하나일 수 있다.
밸런싱부(110)는 스위칭 소자(111)가 MOS FET 소자인 경우, 밸런싱 저항(112) 외에 MOS FET 소자의 게이트 전압을 조절하기 위한 게이트 저항(113)을 더 포함할 수 있다.
이하에서, 스위칭 소자(111)가 MOS FET 소자인 밸런싱부(110)에 대해 설명하도록 한다.
스위칭 소자(111)는 드레인 단자(D), 게이트 단자(G) 및 소스 단자(S)를 포함할 수 있으며, 드레인 단자(D) 및 게이트 단자(G) 는 각각 밸런싱 저항(112) 및 게이트 저항(113)과 연결될 수 있다.
스위칭 소자(111)는 게이트 단자(G)에 문턱 전압(Threshold Voltage) 이상의 게이트 전압이 인가되는 경우, 드레인 단자(D) 및 소스 단자(S)가 통전되어 드레인 단자(D)와 연결된 밸런싱 저항(112)에 전류가 흐를 수 있다.
즉, 스위칭 소자(111)가 통전되어 제1 배터리 셀(11a) 및 제2 배터리 셀(11b)로부터 출력되는 전류가 밸런싱 저항(112)에 흐름으로써 제1 배터리 셀(11a) 및 제2 배터리 셀(11b)이 방전되고, 이로 인해, 제1 배터리 셀(11a) 및 제2 배터리 셀(11b)에 충전된 충전 전압의 전압값이 감소될 수 있다.
한편, 스위칭 소자(111)의 문턱 전압에 대응하여 게이트 단자(G)에 인가되는 게이트 전압을 조절하기 위해 게이트 저항(113)의 저항값은 변경될 수 있다.
전력 변환부(120)는 제1 배터리 셀(11a)과 연결되어 제1 배터리 셀(11a)로부터 출력되는 출력 전압을 미리 설정된 저전압으로 변환하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 미리 설정된 저전압은 전기 자동차(1)의 전장을 구동시키기 위한 저전압 전원의 전압으로 설정될 수 있다.
이러한, 전력 변환부(120)는 고전압의 직류 전압을 저전압의 직류 전압으로 변환하는 리니어 레귤레이터 또는 LDO(Low Drop Out) 레귤레이터일 수 있다.
이를 통해, 전력 변환부(120)는 배터리 셀(11a, 11b) 중에서 일부의 제1 배터리 셀(11a)와만 연결되어 배터리(10) 전체의 출력 전압 보다 낮은 제1 배터리 셀(11a)의 출력 전압을 저전압으로 변환함으로써, 최소 60V 이상의 고전압을 저전압으로 변환하는 과정에서 발생하는 발열을 방지할 수 있다.
한편, 전력 변환부(120)로부터 변환된 저전압 전원은 전기 자동차(1)의 전장을 구동시키기 위한 전원으로 제공될 수 있다.
상술한 바와 같이, 전력 변환부(120)와 제1 배터리 셀(11a)만을 연결하여 저전압 전원을 제공하는 경우, 제1 배터리 셀(11a)에 충전된 전기량만 소모됨으로써 제1 배터리 셀(11a)과 제2 배터리 셀(11b) 간에 충전된 전기량의 불균형이 발생하게 된다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치(100)는 제2 배터리 셀(11b)의 방전 전기량이 제1 배터리 셀(11a)의 출력 전기량과 동일하도록 제2 배터리 셀(11b)의 밸런싱을 제어할 수 있다.
이를 위하여, 측정부(130)는 제1 배터리 셀(11a)에서 전압 변환부(120)로 출력되는 출력 전류의 출력 전류값을 측정하는 역할을 수행할 수 있다.
이때, 측정부(130)는 전압 변환부(120)와 제1 배터리 셀(11a) 사이에 연결되는 측정 저항(131)과 측정 저항(131)에 출력 전류가 흐름으로써 인가되는 전압을 측정하는 전압 측정 센서(132)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 측정부(130)는 측정 저항(131)과 전압 측정 센서(132)를 이용하여 출력 전류값을 측정하는 것으로 설명하였으나, 출력 전류값을 측정하는한 측정부(130)의 구성과 종류는 한정되지 않음을 유의한다.
예를 들어, 다른 실시예에 따른 측정부는 자기장을 이용하여 전류를 측정하는 홀센서를 포함할 수 있다.
산출부(140)는 측정부(130)로부터 측정된 출력 전류값을 이용하여 제1 배터리 셀(11a)에서 전압 변환부(120)로 출력된 출력 전기량을 산출하는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 산출부(140)는 측정된 출력 전류값과 제1 배터리 셀(11a)에서 전압 변환부(120)로 출력 전류가 출력된 출력 시간을 이용하여 출력 전기량을 산출할 수 있다.
이때, 산출부(140)는 하기의 수학식 1을 이용하여 출력 전기량을 산출할 수 있다.
<수학식1>
여기서, Qo는 상기 출력 전기량, Io는 상기 출력 전류값, to는 상기 출력 시간이다.
여기서, 출력 전기량은 제1 배터리 셀(11a) 각각의 배터리 셀에서 전력 변환부로 출력된 출력 전기량 즉, 소모된 전기량일 수 있다.
상술한 바와 같이, 전력 변환부(120)와 제1 배터리 셀(11a)만을 연결하여 저전압 전원을 제공하는 경우, 제1 배터리 셀(11a)의 전기량만 소모됨으로써 제1 배터리 셀(11a)과 제2 배터리 셀(11b) 간에 충전된 전기량의 불균형이 발생하게 된다.
이때, 제2 배터리 셀(11b)이 충전 및 방전되지 않는 경우, 산출부(140)로부터 산출된 출력 전기량 만큼 제1 배터리 셀(11a)과 제2 배터리 셀(11b) 간에 전기량의 불균형이 발생하게 된다.
이하에서는 1 배터리 셀(11a)과 제2 배터리 셀(11b) 간에 전기량의 불균형을 방지하는 방법에 대해 설명하도록 한다.
추정부(150)는 제2 배터리 셀(11b)에서 밸런싱 저항(112)으로 흐르는 방전 전류의 방전 전류값을 추정하는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 추정부(150)는 밸런싱부(110)에 포함된 밸런싱 저항(112)의 밸런싱 저항값과 제2 배터리 셀(11b)의 현재 충전 전압을 이용하여 배런싱 저항(112)에 흐르는 방전 전류의 방전 전류값을 추정할 수 있다.
이를 통해, 추정부(150)는 측정부(130)와 같이, 별도의 센서 또는 측정 저항을 별도로 연결하거나 구비하지 않고도 제2 배터리 셀(11b)의 방전 전류값을 추정할 수 있다.
여기서, 밸런싱 저항(112)의 밸런싱 저항값은 밸런싱 부(110) 마다 미리 저장될 수 있으며, 제2 배터리 셀(11b)의 충전 전압은 상술된 BMS로부터 수신될 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 추정부(150)는 제2 배터리 셀(11b)의 방전 전류값을 측정하지 않고 밸런싱부(110)에 포함된 소자들의 특성값을 이용하여 추정하는 것으로 설명하였으나 다른 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치(100)는 추정부(150)를 대신하여 상술된 측정부(130)와 동일한 방전 전류값 측정부를 통해 방전 전류값을 측정할 수 있다.
제어부(160)는 밸런싱 시간 동안 제2 배터리 셀(11b)과 연결된 스위치 소자(111)의 작동 상태를 온(On)으로 제어하여 제2 배터리 셀(11a, 11b)과 밸런싱 저항(112)을 연결함으로써 제2 배터리 셀(11b)을 방전시키는 역할을 수행할 수 있다.
즉, 제어부(160)는 제1 배터리 셀(11a)에서 전력 변환부(120)로 출력된 출력 전기량만큼 제2 배터리 셀(11b)의 전기량을 소모시키기 위하여 스위치 소자(111)를 제어하여 밸런싱 시간 동안 제2 배터리 셀(11b)을 방전시킬 수 있다.
여기서, 밸런싱 시간은 추정부(150)로부터 추정된 방전 전류값의 방전 전류로 제2 배터리 셀(11b)을 방전하는 경우, 방전 전기량이 출력 전기량과 동일해지도록 제2 배터리 셀(11b)과 연결된 스위치 소자(111)의 작동 상태를 온(On)으로 제어하는 시간일 수 있다.
즉, 제어부(160)가 밸런싱 시간 동안 제2 배터리 셀(11b)과 연결된 스위치 소자(111)의 작동 상태를 온(On)으로 제어하여 제2 배터리 셀(11b)을 방전시키는 경우, 방전 전기량과 출력 전기량이 동일해짐으로써, 제1 배터리 셀(11a)와 제2 배터리 셀(11b) 간에 전기량이 균일해질 수 있다.
이때, 제어부(160)는 하기의 수학식 2를 이용하여 밸런싱 시간을 산출할 수 있다.
<수학식 2>
여기서, tb는 상기 밸런싱 시간, Qb는 상기 방전 전기량, Ib는 상기 방전 전류값, Qo는 상기 출력 전기량, Io는 상기 출력 전류값이다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치(100)는 발열과 부품 가격이 낮은 전압 변환부(120)를 이용하여 저전압 전원을 제공할 뿐만 아니라 제1 배터리 셀(11a)과 제2 배터리 셀(11b) 간의 소모되는 전기량을 동일하게 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 전압 변환부가 배터리에 포함된 복수의 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀과 연결되어 제1 배터리 셀의 출력 전압을 미리 설정된 저전압으로 변환하게 된다(S401). 여기서, 미리 설정된 저전압은 전기 자동차의 전장을 구동시키기 위한 저전압 전원의 전압으로 설정될 수 있다.
한편, 전력 변환부와 제1 배터리 셀만을 연결하여 저전압 전원을 제공하는 경우, 제1 배터리 셀에 충전된 전기량만 소모됨으로써 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀 간에 충전된 전기량의 불균형이 발생하게 된다.
이에 따라, 후술되는 S402 단계 내지 S406 단계를 통해 제2 배터리 셀(11b)의 방전 전기량이 제1 배터리 셀(11a)의 출력 전기량과 동일하도록 제2 배터리 셀(11b)의 밸런싱을 제어하게 된다.
보다 구체적으로, 측정부가 제1 배터리 셀에서 전압 변환부로 출력되는 출력 전류의 출력 전류값을 측정하게 되고(S402), 산출부가 측정된 출력 전류의 출력 전류값과 출력 전류가 출력된 출력 시간을 이용하여 출력 전기량을 산출하게 된다(S403).
다음으로, 추정부가 제2 배터리 셀의 충전 전압 및 밸런싱 저항의 밸런싱 저항값 중 하나 이상을 이용하여 밸런싱 저항에 흐르는 방전 전류의 방전 전류값를 추정하게 된다(S404).
제어부가 방전 전류값을 이용하여 제2 배터리 셀과 밸런싱 저항이 연결되는 밸런싱 시간을 방전 전기량과 출력 전기량이 동일하도록 산출하게 되고(S405), 산출된 밸런싱 시간 동안 제2 배터리 셀과 밸런싱 저항을 연결시켜 제2 배터리 셀을 방전시키게 된다(S406).
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 방법은 발열과 부품 가격이 낮은 전압 변환부를 이용하여 저전압 전원을 제공할 뿐만 아니라 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀 간의 소모되는 전기량을 동일하게 제어할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치
110 : 밸런싱부
111 : 스위칭 소자 112 : 밸런싱 저항
113 : 게이트 저항
D : 드레인 단자 G : 게이트 단자
S : 소스 단자
120 : 전압 변환부 130 : 측정부
140 : 산출부 150 : 추정부
160 : 제어부
10 : 배터리
11a : 제1 배터리 셀 11b : 제2 배터리 셀
20: 배터리 관리 시스템
110 : 밸런싱부
111 : 스위칭 소자 112 : 밸런싱 저항
113 : 게이트 저항
D : 드레인 단자 G : 게이트 단자
S : 소스 단자
120 : 전압 변환부 130 : 측정부
140 : 산출부 150 : 추정부
160 : 제어부
10 : 배터리
11a : 제1 배터리 셀 11b : 제2 배터리 셀
20: 배터리 관리 시스템
Claims (14)
- 배터리에 포함된 복수의 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀과 연결되어 상기 제1 배터리 셀의 출력 전압을 미리 설정된 저전압으로 변환하는 전압 변환부;
상기 제1 배터리 셀에서 상기 전압 변환부로 출력된 출력 전기량을 산출하는 산출부; 및
상기 복수의 배터리 셀 중에서 상기 전압 변환부와 연결되지 않은 제2 배터리 셀의 방전 전기량이 상기 출력 전기량과 동일하도록 상기 제2 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀을 방전시키는 밸런싱 저항 간의 연결을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 배터리 셀에서 상기 전압 변환부로 출력되는 출력 전류의 출력 전류값을 측정하는 측정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 산출부는,
상기 측정된 출력 전류의 출력 전류값과 상기 출력 전류가 출력된 출력 시간을 이용하여 상기 출력 전기량을 산출하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 산출부는,
하기의 수학식을 이용하여 상기 출력 전기량을 산출하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치.
<수학식>
여기서, Qo는 상기 출력 전기량, Io는 상기 출력 전류값, to는 상기 출력 시간이다.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 배터리 셀의 충전 전압 및 상기 밸런싱 저항의 밸런싱 저항값 중 하나 이상을 이용하여 상기 밸런싱 저항에 흐르는 방전 전류의 방전 전류값를 추정하는 추정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치.
- 제5항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 방전 전류값을 이용하여 상기 제2 배터리 셀과 상기 밸런싱 저항이 연결되는 밸런싱 시간을 상기 방전 전기량과 상기 출력 전기량이 동일하도록 산출하고, 상기 산출된 밸런싱 시간 동안 상기 제2 배터리 셀과 상기 밸런싱 저항을 연결시켜 상기 제2 배터리 셀을 방전시키는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 제어부는,
하기 수학식을 이용하여 상기 밸런싱 시간을 산출하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치.
<수학식>
여기서, tb는 상기 밸런싱 시간, Qb는 상기 방전 전기량, Ib는 상기 방전 전류값, Qo는 상기 출력 전기량, Io는 상기 출력 전류값이다.
- 전압 변환부가 배터리에 포함된 복수의 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀과 연결되어 상기 제1 배터리 셀의 출력 전압을 미리 설정된 저전압으로 변환하는 단계;
산출부가 상기 제1 배터리 셀에서 상기 전압 변환부로 출력된 출력 전기량을 산출하는 단계; 및
제어부가 상기 복수의 배터리 셀 중에서 상기 전압 변환부와 연결되지 않은 제2 배터리 셀의 방전 전기량이 상기 출력 전기량과 동일하도록 상기 제2 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀을 방전시키는 밸런싱 저항 간의 연결을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 방법.
- 제8항에 있어서,
측정부가 상기 제1 배터리 셀에서 상기 전압 변환부로 출력되는 출력 전류의 출력 전류값을 측정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 산출하는 단계는,
상기 산출부가 상기 측정된 출력 전류의 출력 전류값과 상기 출력 전류가 출력된 출력 시간을 이용하여 상기 출력 전기량을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 산출하는 단계는,
상기 산출부가 하기의 수학식을 이용하여 상기 출력 전기량을 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 방법.
<수학식>
여기서, Qo는 상기 출력 전기량, Io는 상기 출력 전류값, to는 상기 출력 시간이다.
- 제8항에 있어서,
측정부가 상기 제2 배터리 셀의 충전 전압 및 상기 밸런싱 저항의 밸런싱 저항값 중 하나 이상을 이용하여 상기 밸런싱 저항에 흐르는 방전 전류의 방전 전류값를 추정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 제어하는 단계는,
상기 제어부가 상기 방전 전류값을 이용하여 상기 제2 배터리 셀과 상기 밸런싱 저항이 연결되는 밸런싱 시간을 상기 방전 전기량과 상기 출력 전기량이 동일하도록 산출하고, 상기 산출된 밸런싱 시간 동안 상기 제2 배터리 셀과 상기 밸런싱 저항을 연결시켜 상기 제2 배터리 셀을 방전시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 방법.
- 제13항에 있어서,
상기 제어하는 단계는,
상기 제어부가 하기 수학식을 이용하여 상기 밸런싱 시간을 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 방법.
<수학식>
여기서, tb는 상기 밸런싱 시간, Qb는 상기 방전 전기량, Ib는 상기 방전 전류값, Qo는 상기 출력 전기량, Io는 상기 출력 전류값이다.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160097489A KR102225896B1 (ko) | 2016-07-29 | 2016-07-29 | 배터리 셀을 이용한 저전압 전원 공급 장치 및 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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- 2016-07-29 KR KR1020160097489A patent/KR102225896B1/ko active IP Right Grant
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