KR20190048526A - 셀 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20190048526A KR1020170143553A KR20170143553A KR20190048526A KR 20190048526 A KR20190048526 A KR 20190048526A KR 1020170143553 A KR1020170143553 A KR 1020170143553A KR 20170143553 A KR20170143553 A KR 20170143553A KR 20190048526 A KR20190048526 A KR 20190048526A
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Abstract

셀 밸런싱 장치 및 방법이 개시된다. 상기 셀 밸런싱 장치 및 방법은, 배터리 모듈 내에서 직렬 접속된 복수의 배터리 셀 간의 충전 상태를 밸런싱하기 위한 것이다. 상기 셀 밸런싱 장치는, 상기 각 배터리 셀의 양단 전압을 소정 주기마다 검출하도록 구성된 모니터링부; 복수의 밸런싱 회로를 포함하는 밸런싱부; 및 상기 모니터링부 및 상기 각 밸런싱 회로에 동작 가능하게 결합된 제어부;를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 각 배터리 셀의 양단 전압을 기초로 상기 복수의 배터리 셀 중 어느 하나의 밸런싱 대상을 결정하고, 상기 소정 주기 마다 상기 밸런싱 대상을 통해 흐르는 밸런싱 전류를 기준 밸런싱 전류로 일정하게 제어한다.

Description

셀 밸런싱 장치 및 방법{Cell balancing apparatus and method}
본 발명은 셀 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리 모듈 내에서 직렬 접속된 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 균일화하는 장치에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 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 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
최근 전기 자동차 등에서 고출력이 요구됨에 따라, 이에 탑재되는 배터리팩에는 서로 직렬 연결된 복수의 배터리 셀이 포함되는 것이 일반적이다. 그런데, 배터리 셀들은 완벽하게 동일한 특성을 가질 수는 없기 때문에, 배터리팩의 충방전이 반복될수록 배터리 셀들 간의 충전 상태에 불균형이 발생할 수 밖에 없다. 이러한 불균형을 억제하기 않고 계속적으로 배터리팩의 충방전을 반복할 경우, 배터리팩의 가용 용량이 감소할 뿐만 아니라, 이에 포함된 배터리 셀들의 퇴화가 가속화된다.
위와 같은 문제를 해결하기 위한 '셀 밸런싱'은, 각 배터리 셀에 병렬 연결된 밸런싱 회로를 제어하여 배터리 셀들 중에서 상대적으로 높은 충전 상태를 가지는 것을 강제적으로 방전시킴으로써 배터리 셀들 사이의 충전 상태를 균일화하는 기술이다. 이에 따르면, 각 배터리 셀의 개방 전압에 기초하여 균일화를 위한 목표 방전 용량을 결정하고, 결정된 목표 방전 용량만큼 각 배터리 셀을 개별적으로 방전시켜야 한다. 이때, 셀 밸런싱에 의한 실제 방전 용량이 목표 방전 용량에 근접할수록, 배터리 셀들 간의 충전 상태 편차가 원하는 만큼 정확하게 억제될 수 있다.
그런데, 밸런싱 회로의 저항값이 일정하더라도, 셀 밸런싱이 진행되는 동안 각 배터리 셀의 전압이 변하므로, 밸런싱 회로를 통해 흐르는 방전 전류 역시 일정하게 유지될 수 없다. 실제 방전 용량을 산출하기 위해서는 방전 전류의 정확한 모니터링이 요구되는데, 셀 밸런싱이 진행되는 동안 수시로 변화하는 방전 전류에 기초하여 산출된 실제 방전 용량은 그 정확도가 떨어지게 되는 문제가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 셀 밸런싱이 진행되는 동안에 각 배터리 셀에 대한 주기 당 평균 방전 전류를 일정하게 유지하는 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 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다양한 실시예는 다음과 같다.
본 발명의 일 측면에 따른 셀 밸런싱 장치는, 배터리 모듈 내에서 직렬 접속된 복수의 배터리 셀 간의 충전 상태를 밸런싱하기 위한 것이다. 상기 셀 밸런싱 장치는, 상기 각 배터리 셀의 양단 전압을 소정 주기마다 검출하도록 구성된 모니터링부; 복수의 밸런싱 회로를 포함하는 밸런싱부; 및 상기 모니터링부 및 상기 각 밸런싱 회로에 동작 가능하게 결합된 제어부;를 포함한다. 상기 각 밸런싱 회로는, 직렬 접속된 저항 소자 및 스위칭 소자를 포함하고, 상기 각 배터리 셀에 병렬 접속된다. 상기 제어부는, 상기 각 배터리 셀의 양단 전압을 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 중 어느 하나의 밸런싱 대상을 결정하고, 상기 소정 주기 마다, 상기 밸런싱 대상에 병렬 접속된 밸런싱 회로의 밸런싱 전류를 기준 밸런싱 전류로 일정하게 유지하도록 상기 밸런싱부를 제어한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 기준 밸런싱 전류, 상기 저항 소자의 저항값 및 상기 소정 주기마다 검출되는 상기 밸런싱 대상의 양단 전압을 기초로, 상기 소정 주기마다 듀티 사이클 보정값을 결정할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 듀티 사이클 보정값을 기초로, 상기 밸런싱 대상에 병렬 접속된 밸런싱 회로의 스위칭 소자에게 인가되는 스위칭 신호의 목표 듀티 사이클을 상기 소정 주기마다 갱신할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 하기의 수학식:
Figure pat00001
(
Figure pat00002
는 상기 기준 밸런싱 전류,
Figure pat00003
은 상기 밸런싱 대상의 양단 전압,
Figure pat00004
는 상기 저항 소자의 저항값,
Figure pat00005
는 미리 정해진 기준 듀티 사이클,
Figure pat00006
는 상기 듀티 사이클 보정값)
을 이용하여, 상기 듀티 사이클 보정값을 결정할 수 있다.
또한, 상기 모니터링부는, 상기 각 배터리 셀의 온도를 상기 소정 주기마다 검출하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 밸런싱 대상의 온도를 더 기초로, 상기 소정 주기마다 상기 듀티 사이클 보정값을 결정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 각 배터리 셀의 양단 전압을 기초로, 상기 각 배터리 셀의 충전 상태를 결정하고, 상기 각 배터리 셀의 충전 상태를 기초로, 상기 밸런싱 대상을 결정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 복수의 배터리 셀의 충전 상태 중에서 가장 작은 것을 목표 충전 상태로 결정하고, 상기 밸런싱 대상의 충전 상태와 상기 목표 충전 상태 간의 차이를 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 방전 용량을 결정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 기준 밸런싱 전류 및 상기 목표 방전 용량을 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 밸런싱 시간을 결정할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리팩은 상기 셀 밸런싱 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 셀 밸런싱 방법은, 상기 복수의 배터리 셀의 초기 양단 전압을 기초로, 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 결정하는 단계; 상기 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 중 어느 하나의 밸런싱 대상을 결정하는 단계; 상기 복수의 배터리 셀의 초기 양단 전압을 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 충전 상태를 결정하는 단계; 상기 밸런싱 대상의 충전 상태와 상기 목표 충전 상태 간의 차이를 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 방전 용량을 결정하는 단계; 기준 밸런싱 전류 및 상기 목표 방전 용량을 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 밸런싱 시간을 결정하는 단계; 및 상기 목표 밸런싱 시간 동안, 상기 밸런싱 대상의 밸런싱 전류를 기준 밸런싱 전류로 일정하게 제어하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 셀 밸런싱이 진행되는 동안, 각 배터리 셀의 전압이 변하더라도 주기 당 평균 방전 전류(이하, '밸런싱 전류'라고 함)를 일정하게 유지할 수 있다.
이에 따라, 밸런싱 전류에 기초하여 산출되는 실제 방전 용량이 목표 방전 용량에 더욱 근접해질 수 있다. 아울러, 실제 방전 용량이 목표 방전 용량에 도달하였는지 비교하는 데에 요구되는 연산 횟수를 줄일 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 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 셀 밸런싱 장치의 기능적 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 방법을 단계들을 보여주는 순서도이다.
도 3은 도 2의 셀 밸런싱 방법이 실행되는 동안의 밸런싱 대상의 양단 전압, 목표 듀티 사이클 및 밸런싱 전류를 보여주는 타이밍 챠트이다.
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 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 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.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
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 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치(100)의 기능적 구성을 나타낸 도면이다.
셀 밸런싱 장치(100)는, 배터리팩(10)의 배터리 모듈(20) 내에서 직렬 접속된 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln) 간의 충전 상태를 밸런싱한다. 도 1을 참조하면, 셀 밸런싱 장치(100)는, 모니터링부(110), 밸런싱부(120) 및 제어부(130)를 포함한다.
모니터링부(110)는, 전압 검출 회로를 포함하고, 선택적으로 온도 검출 회로를 더 포함할 수 있다. 전압 검출 회로는, 적어도 하나의 전압 센서를 포함할 수 있다. 전압 검출 회로는, 배터리 모듈(20)에 포함된 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln) 각각의 양단(즉, 양극과 음극)에 센싱 라인을 통해 전기적으로 연결됨으로써, 각 배터리 셀(Cell)의 양단 전압을 소정 주기마다 검출하고, 검출된 양단 전압을 나타내는 전압 신호를 제어부(130)에게 전송할 수 있다. 온도 검출 회로는, 적어도 하나의 온도 센서를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 온도 검출 회로는, 밸런싱 회로(BC1~BCn)의 개수와 동일한 개수의 온도 센서(TS1~TSn)를 포함할 수 있다. 온도 센서(TSi, i = 1 ~ n)는 밸런싱부(120)에 포함된 밸런싱 회로(BCi)의 스위칭 소자(SWi)에 근접하게 설치될 수 있다. 온도 검출 회로는, 온도 센서(TS1~TSn)를 이용하여 소정 주기마다 복수의 밸런싱 회로(BC1~BCn)의 온도를 검출하고, 검출된 온도를 나타내는 온도 신호를 제어부(130)에게 전송할 수 있다.
밸런싱부(120)는, 복수의 밸런싱 회로(BC1~BCn)를 포함할 수 있다. 밸런싱부(120)에 포함되는 밸런싱 회로(BC)의 개수는, 배터리 모듈(20)에 포함되는 배터리 셀(Cell)의 개수와 동일할 수 있다. 밸런싱 회로(BCi)는, 서로 직렬 연결된 저항 소자(Ri) 및 스위칭 소자(SWi)를 포함하고, 배터리 셀(Celli)에 병렬 연결될 수 있다. 저항 소자(Ri)는, 미리 정해진 저항값을 가질 수 있다. 스위칭 소자(SWi)는, 스위칭 신호(예, 펄스 폭 변조 신호)로 제어 가능한 반도체 스위치일 수 있다. 스위칭 소자(SWi)가 턴온 상태인 경우, 배터리 셀(Celli), 저항 소자(Ri) 및 스위칭 소자(SWi)에 의한 폐회로가 형성됨으로써, 배터리 셀(Celli)이 방전된다.
제어부(130)는, 모니터링부(110) 및 복수의 밸런싱 회로(BC1~BCn)에 동작 가능하게 결합된다. 제어부(130)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 제어부(300)는, 메모리를 포함할 수 있다. 메모리는, 셀 밸런싱 장치(100)의 전반적인 동작에 요구되는 데이터들, 명령어 및 소프트웨어를 저장하는 것으로서, 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
제어부(130)는, 모니터링부(110)로부터 전압 신호와 온도 신호를 수신하고, 이를 기초로 복수의 밸런싱 회로(BC1~BCn)를 개별적으로 제어할 수 있다. 제어부(130)에 의한 셀 밸런싱 방법에 대하여는 이하 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 방법을 단계들을 보여주는 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 단계 S200에서, 제어부(130)는, 모니터링부(110)로부터 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln)의 초기 양단 전압을 나타내는 전압 신호를 수신한다. 이때, 초기 양단 전압은, 배터리 모듈(20)이 무부하 상태에서 검출된 각 배터리 셀(Cell)의 개방 전압(OCV: Open Circuit Voltage)을 나타내는 것일 수 있다.
단계 S205에서, 제어부(130)는, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln)의 초기 양단 전압을 기초로, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln)의 충전 상태를 결정할 수 있다. 초기 양단 전압이 개방 전압인 경우, 제어부(130)는 그것에 내장된 메모리에 미리 기록된 개방 전압-충전 상태(SOC: State Of Charge) 커브 데이터를 이용하여, 각 배터리 셀(Cell)의 초기 개방 전압에 대응하는 충전 상태를 결정할 수 있다.
단계 S210에서, 제어부(130)는, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln)의 충전 상태를 기초로, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln) 중 어느 하나의 밸런싱 대상을 결정할 수 있다. 이때, 제어부(130)는, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln) 중 가장 높은 충전 상태를 가지는 것(Cellk, k=1~n)을 밸런싱 대상으로 결정할 수 있다. 물론, 제어부(130)는, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln) 중 둘 이상을 동시에 밸런싱 대상으로 결정할 수도 있다. 예컨대, 제어부(130)는, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln) 중 가장 낮은 충전 상태를 가지는 것을 제외한 나머지 중에서 둘 이상을 밸런싱 대상으로 결정할 수 있다.
단계 S215에서, 제어부(130)는, 밸런싱 대상을 위한 목표 충전 상태를 결정할 수 있다. 예컨대, 제어부(130)는, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln)의 충전 상태 중에서 가장 작은 것을 목표 충전 상태로 결정할 수 있다. 그 이유는, 밸런싱부(120)는 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln)을 선택적으로 방전시킬 수만 있으므로, 복수의 배터리 셀(Cell1~Celln)의 충전 상태를 그것들 중의 최소치로 균일화하기 위함이다.
단계 S220에서, 제어부(130)는, 밸런싱 대상(Cellk)의 충전 상태와 목표 충전 상태 간의 차이를 기초로, 밸런싱 대상(Cellk)을 위한 목표 방전 용량을 결정한다. 예컨대, 미리 주어진 최대 용량이 3000mAh이고, 밸런싱 대상(Cellk)의 충전 상태가 80%이고, 목표 충전 상태가 70%인 경우, 밸런싱 대상(Cellk)의 충전 상태 80%와 목표 충전 상태 70%의 차이인 10%에 대응하는 용량인 3000mAh × 10% = 300mAh를 목표 방전 용량으로 결정될 수 있다.
단계 S225에서, 제어부(130)는, 밸런싱 대상(Cellk)의 충전 상태와 목표 충전 상태 간의 차이를 기초로, 기준 밸런싱 전류를 결정할 수 있다. 일 예로, 밸런싱 대상(Cellk)의 충전 상태가 목표 충전 상태보다 15% 이상 높은 경우에는 밸런싱 대상(Cellk)의 충전 상태와 목표 충전 상태에 비례하여 기준 밸런싱 전류를 증가시키고, 그렇지 않은 경우에는 미리 주어진 고정값으로 일정하게 유지할 수 있다. 물론, 제어부(130)는, 밸런싱 대상(Cellk)의 충전 상태와 목표 충전 상태 간의 차이와는 무관하게, 미리 주어진 고정값을 기준 밸런싱 전류로 이용할 수도 있다.
단계 S230에서, 제어부(130)는, 기준 밸런싱 전류 및 목표 방전 용량을 기초로, 밸런싱 대상(Cellk)을 위한 목표 밸런싱 시간을 결정한다. 이때, [밸렁신 지속 시간 = 목표 방전 용량 / 기준 밸런싱 전류]의 관계를 가진다.
목표 방전 용량, 기준 밸런싱 전류 및 목표 밸런싱 시간이 결정되면, 제어부(130)는 후술할 단계 S230 내지 S245를 통해 밸런싱 대상(Cellk)에 병렬 접속된 밸런싱 회로(BCk)의 밸런싱 전류를 기준 밸런싱 전류로 일정하게 유지하도록 밸런싱부(120)를 제어한다. 이때, 밸런싱 회로(BCk)의 밸런싱 전류는, 소정 주기 동안에 밸런싱 대상에 병렬 접속된 밸런싱 회로(BC)를 통해 흐르는 방전 전류의 평균값일 수 있다.
단계 S235에서, 제어부(130)는, 소정 주기마다 검출되는 밸런싱 대상(Cellk)의 양단 전압을 기초로, 소정 주기마다 듀티 사이클 보정값을 결정한다. 이때, 제어부(130)는, 하기의 수학식 1 또는 수학식 2를 이용할 수 있다.
<수학식 1>
Figure pat00007
<수학식 2>
Figure pat00008
상기 수학식 1 및 2에서, ICB는 기준 밸런싱 전류, VCELL
Figure pat00009
은 밸런싱 대상(Cellk)의 양단 전압, RCB는 저항 소자(R)의 미리 주어진 저항값, DFIX
Figure pat00010
는 미리 정해진 기준 듀티 사이클(예, 0.5 = 50%), DAD는 듀티 사이클 보정값이다. 상기 수학식 2의 α는 미리 주어진 상수이고, T는 밸런싱 회로(BCk)의 온도이다.
상기 수학식 1에서 ICB, RCB 및 DFIX는 목표 밸런싱 시간 동안 일정하게 유지되는 값이므로, DAD는 VCELL에 의존하게 된다. 이와 비교할 때, 상기 수학식 2에서, ICB, RCB 및 DFIX는 목표 밸런싱 시간 동안 일정하게 유지되는 값이므로, DAD는 VCELL 뿐만 아니라 αT에도 의존하게 된다. 상기 수학식 2에 따르면, 밸런싱 회로(BCk)의 온도에 따라 RCB를 보정할 수 있다. 즉, 제어부(130)는, 밸런싱 대상(Cellk)의 양단 전압 VCELL 및 밸런싱 회로(BCk)의 온도 T를 기초로, 소정 주기마다 듀티 사이클 보정값을 결정할 수 있다.
제어부(130)는, 목표 밸런싱 시간 동안의 밸런싱 대상(Cellk)이 방전됨에 따라, 소정 주기마다 검출되는 VCELL는 서서히 감소하게 된다. 상기 수학식 1 및 2에서, DAD와 VCELL는 반비례 관계를 가지므로, VCELL의 감소량에 대응하는 만큼 DAD는 증가하게 된다.
단계 S240에서, 제어부(130)는, 듀티 사이클 보정값을 기초로, 밸런싱 대상(Cellk)을 위한 목표 듀티 사이클을 결정한다. 이때, 제어부(130)는, 하기의 수학식 3:
Figure pat00011
을 이용하여, 밸런싱 대상(Cellk)을 위한 목표 듀티 사이클을 소정 주기마다 갱신할 수 있다.
단계 S245에서, 제어부(130)는, 밸런싱 대상(Cellk)에 병렬 연결된 밸런싱 회로(BCk)의 밸런싱 스위치(SWk)에게 목표 듀티 사이클을 가지는 스위칭 신호를 출력한다. 이에 따라, 밸런싱 스위치(SWk)의 주기 당 턴온 시간과 턴오프 시간을 조절할 수 있다. 밸런싱 대상(Cellk)에 대한 셀 밸런싱이 진행 시, DAD의 증가에 따라 DSW도 증가하므로, 밸런싱 스위치(SWk)의 주기 당 턴온 시간 역시 증가하게 된다. 결과적으로, VCELL의 감소량이 DSW의 증가량에 의해 상쇄됨으로써, 목표 밸런싱 시간 동안의 밸런싱 전류가 기준 밸런싱 전류로 일정하게 유지될 수 있다. 이때, 밸런싱 전류가 기준 밸런싱 전류로 일정하게 유지된다는 것은, 밸런싱 전류가 기준 밸런싱 전류와 완전히 동일한 것으로 제한되지는 않으며, 둘 간의 차이가 허용치 내에 있는 것까지도 포괄하는 의미로 이해되어야 한다.
단계 S250에서, 제어부(130)는, 누적 밸런싱 시간이 목표 밸런싱 시간에 도달하였는지 판정할 수 있다. 누적 밸런싱 시간은, 기준 밸런싱 전류를 이용한 셀 밸런싱이 개시된 시점부터 현재까지 경과된 시간일 수 있다. 단계 S250의 값이 "YES"인 경우, 제어부(130)는 밸런싱 스위치에 대한 스위칭 신호의 출력을 중단함으로써, 상기 방법을 종료한다. 단계 S250의 값이 "NO"인 경우, 제어부(130)는 단계 S235로 회귀한다.
도 3은 도 2의 셀 밸런싱 방법이 실행되는 동안의 밸런싱 대상의 양단 전압, 목표 듀티 사이클 및 밸런싱 전류를 보여주는 타이밍 챠트이다. 이해를 돕기 위해, 제어부(130)는 수학식 1 및 2 중 수학식 1을 이용하여 결정된 듀티 사이클 보정값을 기초로 목표 듀티 사이클을 주기적으로 갱신하는 것으로 가정한다.
도 3의 (a)를 참조하면, 연속된 주기들 P1 ~ Pm을 거치면서 밸런싱 대상(Cellk)이 방전됨에 따라 밸런싱 대상의 양단 전압 VCELL이 점차적으로 감소함을 확인할 수 있다.
밸런싱 대상(Cellk)의 양단 전압 VCELL이 감소하는 것에 응답하여 제어부(130)가 DAD를 증가시킴에 따라, DSW 역시 P1 ~ Pm까지 점차적으로 증가하는 것을 도 3의 (b)로부터 확인할 수 있다. 목표 듀티 사이클은, 어느 한 주기가 끝나고 다음 주기가 시작될 때 갱신될 수 있으므로, 도 3의 (b)와 같이 계단 형태로 증가할 수 있다. 이에 따라, 도 3의 (c)와 같이, 밸런싱 대상(Cellk)의 밸런싱 전류 I가 P1 ~ Pm까지 기준 밸런싱 전류로 일정하게 유지될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
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.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
10: 배터리팩
20: 배터리 모듈
Cell: 배터리 셀
100: 셀 밸런싱 장치
110: 모니터링부
120: 밸런싱부
BC: 밸런싱 회로
R: 저항 소자
SW: 스위칭 소자
130: 제어부

Claims (9)

  1. 배터리 모듈 내에서 직렬 접속된 복수의 배터리 셀 간의 충전 상태를 밸런싱하는 장치에 있어서,
    상기 각 배터리 셀의 양단 전압을 소정 주기마다 검출하도록 구성된 모니터링부;
    복수의 밸런싱 회로를 포함하는 밸런싱부; 및
    상기 모니터링부 및 상기 각 밸런싱 회로에 동작 가능하게 결합된 제어부;를 포함하되,
    상기 각 밸런싱 회로는,
    직렬 접속된 저항 소자 및 스위칭 소자를 포함하고, 상기 각 배터리 셀에 병렬 접속되며,
    상기 제어부는,
    상기 각 배터리 셀의 양단 전압을 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 중 어느 하나의 밸런싱 대상을 결정하고,
    상기 소정 주기 마다, 상기 밸런싱 대상에 병렬 접속된 밸런싱 회로의 밸런싱 전류를 기준 밸런싱 전류로 일정하게 유지하도록 상기 밸런싱부를 제어하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 기준 밸런싱 전류, 상기 저항 소자의 저항값 및 상기 소정 주기마다 검출되는 상기 밸런싱 대상의 양단 전압을 기초로, 상기 소정 주기마다 듀티 사이클 보정값을 결정하고,
    상기 듀티 사이클 보정값을 기초로, 상기 밸런싱 대상에 병렬 접속된 밸런싱 회로의 스위칭 소자에게 인가되는 스위칭 신호의 목표 듀티 사이클을 상기 소정 주기마다 갱신하는, 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수학식:
    Figure pat00012

    (ICB는 상기 기준 밸런싱 전류, VCELL은 상기 밸런싱 대상의 양단 전압, RCB는 상기 저항 소자의 저항값, DFIX는 미리 정해진 기준 듀티 사이클, DAD는 상기 듀티 사이클 보정값)
    을 이용하여, 상기 듀티 사이클 보정값을 결정하는, 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    상기 각 배터리 셀의 온도를 상기 소정 주기마다 검출하도록 구성되고,
    상기 제어부는,
    상기 밸런싱 대상의 온도를 더 기초로, 상기 소정 주기마다 상기 듀티 사이클 보정값을 결정하는, 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 각 배터리 셀의 양단 전압을 기초로, 상기 각 배터리 셀의 충전 상태를 결정하고,
    상기 각 배터리 셀의 충전 상태를 기초로, 상기 밸런싱 대상을 결정하는, 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 배터리 셀의 충전 상태 중에서 가장 작은 것을 목표 충전 상태로 결정하고,
    상기 밸런싱 대상의 충전 상태와 상기 목표 충전 상태 간의 차이를 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 방전 용량을 결정하는, 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 기준 밸런싱 전류 및 상기 목표 방전 용량을 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 밸런싱 시간을 결정하는, 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 상기 장치;
    를 포함하는, 배터리팩.
  9. 배터리 모듈 내에서 직렬 접속된 복수의 배터리 셀 간의 충전 상태를 밸런싱하는 방법에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀의 초기 양단 전압을 기초로, 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 결정하는 단계;
    상기 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 기초로, 상기 복수의 배터리 셀 중 어느 하나의 밸런싱 대상을 결정하는 단계;
    상기 복수의 배터리 셀의 초기 양단 전압을 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 충전 상태를 결정하는 단계;
    상기 밸런싱 대상의 충전 상태와 상기 목표 충전 상태 간의 차이를 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 방전 용량을 결정하는 단계;
    기준 밸런싱 전류 및 상기 목표 방전 용량을 기초로, 상기 밸런싱 대상을 위한 목표 밸런싱 시간을 결정하는 단계; 및
    상기 목표 밸런싱 시간 동안, 상기 밸런싱 대상의 밸런싱 전류를 기준 밸런싱 전류로 일정하게 제어하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
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