KR20220094850A - 직렬 배터리 팩 간 밸런싱 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20220094850A
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Abstract

본 발명은 직렬 배터리 팩 간 밸런싱 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 직렬 연결된 배터리 팩들 중 최소 셀 전압 값을 기준으로 셀 밸런싱을 수행하도록 제어하여 배터리의 충/방전 용량을 최대화할 수 있는 직렬 배터리 팩 간 밸런싱 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

직렬 배터리 팩 간 밸런싱 제어 시스템 및 방법{Balancing control system and method between series battery packs}
본 발명은 직렬 배터리 팩 간 밸런싱 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 직렬 배터리 팩 간 밸런싱을 통해 배터리의 충/방전 용량을 최대화할 수 있는 직렬 배터리 팩 간 밸런싱 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
배터리는 스마트 폰, 노트북, 태블릿 PC 등과 같은 휴대용 전자기기뿐만 아니라 전기 스쿠터, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전기 등을 포함하는 다양한 분야에서 이용되고 있다. 전기 구동 차량 또는 스마트 그리드 시스템과 같은 분야는 큰 용량을 필요로 하는 경우가 많아 출력을 증가시키기 위해 복수의 배터리 팩을 직렬 연결하여 사용한다.
일반적으로 물리적으로 분리된 복수의 배터리 팩을 직렬 연결하여 사용하는 경우, 각 배터리 팩의 최소 전압 및 최대 전압을 기준으로 하여 배터리 팩 별 밸런싱만을 수행하도록 구성되어 배터리 팩 간의 전압 편차가 발생한 채로 배터리를 사용하게 되는 문제가 있다.
이에 따라, 충전 시에는 전체 직렬 배터리 팩 중 최대 전압을 가지는 배터리 팩을 기준으로 충전이 종료되어 나머지 배터리 팩들은 완전 충전 상태에 이르지 못하게 된다. 또한, 방전 시에는 전체 직렬 배터리 팩 중 최소 전압을 가지는 배터리 팩을 기준으로 방전이 종료되어 나머지 배터리 팩들은 완전 방전 상태에 이르지 못하게 된다.
이러한 상태로 배터리를 사용하는 경우, 실제 사용하는 용량은 설계된 용량에 미치지 못하여 배터리를 비효율적으로 사용하게 되는 문제가 발생한다.
(특허문헌 1) KR10-2013-0041480 A
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 직렬 연결된 배터리 팩들 간 밸런싱을 통해 배터리의 충/방전 용량을 최대화할 수 있도록 하는 밸런싱 제어 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 밸런싱 제어 시스템은, 복수의 배터리 셀들을 포함하며, 상호 직렬 연결된 적어도 둘 이상의 배터리 팩; 및 상기 배터리 팩들 각각으로부터 획득되는 배터리 셀들의 전압 값을 바탕으로 직렬 배터리 팩 간 밸런싱 필요 여부를 판단하여, 판단된 경우 상기 배터리 셀들의 전압 값들 중 최소 전압 값을 기준으로 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 제어하는 밸런싱 제어부; 를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 각각의 배터리 팩은, 소정의 주기 간격으로, 해당 배터리 팩 내에 포함된 배터리 셀들의 전압을 측정하는 전압 측정부; 상기 밸런싱 제어부와의 통신을 연결하는 제1 통신부; 상기 전압 측정부에서 측정된 배터리 셀들의 전압 값을 상기 제1 통신부를 통해 상기 밸런싱 제어부로 송신하는 셀 전압 송신부; 상기 밸런싱 제어부의 제어에 따라 해당 배터리 팩 내에 포함된 배터리 셀들의 밸런싱을 수행하는 밸런싱 회로부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 밸런싱 제어부는, 상기 각 배터리 팩의 제1 통신부와 통신을 연결하는 제2 통신부; 상기 각 배터리 팩의 셀 전압 송신부로부터 해당 배터리 팩 내에 포함된 배터리 셀들의 전압 값을 수신하는 셀 전압 수신부; 상기 셀 전압 수신부에서 수신한 배터리 셀들의 전압 값들로부터 각 배터리 팩 별로 최소 셀 전압 값을 추출하는 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부; 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들 중에서 가장 작은 전압 값인 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 추출하는 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출부; 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출부에서 추출된 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는지를 각각 비교하여, 그 비교 결과에 따라 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱 시작 여부를 판단하는 밸런싱 시작 여부 판단부; 상기 밸런싱 시작 여부 판단부의 판단 결과, 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 시작해야 하는 것으로 판단된 경우, 각 배터리 팩이 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 기준으로 밸런싱을 수행하도록 밸런싱 시작 신호를 출력하는 밸런싱 동작 제어부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 밸런싱 제어부는, 상기 밸런싱 동작 제어부로부터 밸런싱 시작 신호가 출력된 이후 획득되는 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들과 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값이 상호 동일한지를 각각 비교하여, 그 비교 결과에 따라 현재 수행 중인 밸런싱 동작의 종료 여부를 판단하는 밸런싱 종료 여부 판단부; 를 더 포함하여 구성되며, 상기 밸런싱 동작 제어부는, 상기 밸런싱 종료 여부 판단부의 판단 결과, 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 종료해야 하는 것으로 판단되면, 각 배터리 팩이 셀 밸런싱을 종료하도록 밸런싱 종료 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 밸런싱 시작 여부 판단부는, 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출부에서 추출된 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는지 각각 비교하는 제1 비교부; 상기 제1 비교부의 비교 결과, 상기 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들 중에서 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는 값이 어느 하나라도 존재하는 경우, 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 시작해야 하는 것으로 판단하여 밸런싱 시작 판단 신호를 출력하는 제1 판단부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 밸런싱 종료 여부 판단부는, 상기 밸런싱 동작 제어부로부터 밸런싱 시작 신호가 출력된 이후 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부에서 추출되는 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들과 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출부에서 추출되는 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값이 동일한지를 각각 제2 비교부; 상기 제2 비교부의 비교 결과, 상기 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값과 모두 동일한 경우, 상기 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 종료하는 것으로 판단하는 제2 판단부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 밸런싱 제어 방법은, 적어도 둘 이상의 직렬 연결된 배터리 팩들 간의 밸런싱을 제어하는 방법에 있어서, 상기 각 배터리 팩들과 밸런싱 제어부와의 통신을 연결하는 통신 연결 단계; 밸런싱 제어부가 상기 통신 연결 단계를 통하여 통신 연결된 각각의 배터리 팩으로부터 해당 배터리 팩 내에 포함된 배터리 셀들의 전압 값을 획득하는 셀 전압 획득 단계; 밸런싱 제어부가 상기 셀 전압 획득 단계에서 획득한 셀 전압 값들로부터 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값을 추출하는 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계; 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들 중에서 가장 작은 전압 값인 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 추출하는 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출 단계; 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출 단계에서 추출된 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는지를 각각 비교하여, 그 비교 결과에 따라 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱 시작 여부를 판단하는 밸런싱 시작 여부 판단 단계; 상기 밸런싱 시작 여부 판단 단계의 판단 결과 상기 배터리 팩들 간 밸런싱을 시작해야 하는 것으로 판단된 경우, 상기 각 배터리 팩이 상기 배터리 팩 전체 최소 전압 값을 기준으로 셀 밸런싱을 수행하도록 제어하는 밸런싱 시작 제어 단계; 상기 밸런싱 시작 제어 단계에 의해, 상기 각 배터리 팩이 상기 배터리 팩 전체 최소 전압 값을 기준으로 셀 밸런싱을 수행하는 밸런싱 수행 단계; 를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 밸런싱 수행 단계가 진행되는 중 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계 및 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출 단계에서 추출되는 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들과 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값이 상호 동일한지를 각각 비교하여, 그 비교 결과에 따라 현재 수행 중인 밸런싱 동작의 종료 여부를 판단하는 밸런싱 종료 여부 판단 단계; 상기 밸런싱 종료 여부 판단의 판단 결과 현재 수행 중인 밸런싱 동작을 종료하는 것으로 판단되면, 상기 각 배터리 팩이 셀 밸런싱을 종료하도록 제어하는 밸런싱 종료 제어 단계; 를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 밸런싱 시작 여부 판단 단계는, 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출 단계에서 추출된 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는지 각각 비교하는 제1 비교 단계; 상기 제1 비교 단계의 비교 결과, 상기 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들 중 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는 값이 어느 하나라도 존재하는 경우, 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 시작해야 하는 것으로 판단하는 제1 판단 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 밸런싱 종료 여부 판단 단계는, 상기 밸런싱 수행 단계가 진행되는 중 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계 및 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출 단계에서 추출되는 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들과 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값이 상호 동일한지를 각각 비교하는 제2 비교 단계; 상기 제2 비교 단계의 비교 결과, 상기 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값과 모두 동일하면, 상기 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 종료하는 것으로 판단하는 제2 판단 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 직렬 연결된 배터리 팩들이 전체 최소 전압을 기준으로 패시브(Passive) 밸런싱을 수행하도록 제어하여 전체 직렬 배터리 팩의 전압 레벨을 동일하게 맞춤으로써, 배터리의 충/방전 용량을 최대화하여 사용 효율성을 증진시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 밸런싱 제어 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 밸런싱 제어 방법의 순서도를 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
1. 본 발명에 따른 밸런싱 제어 시스템
도 1은 본 발명에 따른 직렬 배터리 팩 간 밸런싱 제어 시스템의 구성을 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 밸런싱 제어 시스템은 아래와 같은 구성을 포함하여 구성될 수 있다.
1.1. 직렬 배터리 팩(100a~100n)
배터리 팩은 전기 에너지를 저장하고 제공한다. 상기 배터리 팩은 충전 및 방전 가능한 복수의 배터리 셀(미도시)들을 포함할 수 있다. 이러한 배터리 팩은 적어도 하나 이상의 개수가 상호 직렬 연결되어 직렬 배터리 팩을 구성할 수 있다.
직렬 배터리 팩을 구성하는 각각의 배터리 팩은, 하기의 세부 구성을 포함하여 구성될 수 있다.
가. 전압 측정부(110)
전압 측정부는, 소정의 주기 간격으로 배터리 팩 내에 포함된 배터리 셀들(미도시) 각각의 전압을 측정한다.
나. 제1 통신부(120)
제1 통신부는, 밸런싱 제어부(200)와의 통신을 연결하는 구성이다. 보다 구체적으로는, 후술하는 밸런싱 제어부(200)의 제2 통신부(210)와의 통신을 연결한다.
다. 셀 전압 송신부(130)
셀 전압 송신부는, 상기 전압 측정부(110)에서 측정되는 배터리 셀들(미도시)의 전압 값을 상기 제1 통신부(120)를 통해 밸런싱 제어부(200)로 송신한다.
라. 밸런싱 회로부(미도시)
밸런싱 회로부는, 후술하는 밸런싱 제어부(200)의 제어에 따라 해당 배터리 팩 내에 포함된 배터리 셀들(미도시)의 패시브(Passive) 밸런싱을 수행한다. 보다 구체적으로, 후술하는 밸런싱 제어부(200)로부터의 밸런싱 시작 신호에 따라 전체 직렬 배터리 팩의 최소 셀 전압 값을 기준으로 패시브 밸런싱을 수행한다. 즉, 전체 최소 셀 전압 값에 맞춰 다른 배터리 셀들의 전압을 방전시키는 것이다.
1.2. 밸런싱 제어부(200)
밸런싱 제어부는, 직렬 연결된 배터리 팩들(100a~100n)과의 통신 연결을 통해 상기 배터리 팩들(100a~100n)로부터 획득되는 배터리 셀들(미도시)의 전압 값을 바탕으로 배터리 팩들(100a~100n) 간 밸런싱 필요 여부를 판단하고, 그 판단 결과에 따라 상기 배터리 셀들(미도시)의 최소 셀 전압 값을 기준으로 배터리 팩들(100a~100n) 간 전압 상태가 동일해지도록 밸런싱을 제어하는 구성이다. 이와 같은 밸런싱 제어부는, 하기의 세부 구성을 포함하여 구성될 수 있다.
가. 제2 통신부(210)
제2 통신부는, 각 배터리 팩(100a~100n)에 구성되어 있는 제1 통신부(110)와의 통신을 연결한다.
나. 셀 전압 수신부(220)
셀 전압 수신부는, 상기 제2 통신부(210)를 통해 각 배터리 팩의 셀 전압 송신부(130)로부터 해당 배터리 팩 내에 포함된 배터리 셀들(미도시)의 전압 값을 수신한다.
다. 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부(230)
팩 별 최소 셀 전압 값 추출부는, 상기 셀 전압 수신부(220)에서 수신한 배터리 팩들 각각에 해당하는 배터리 셀들의 전압 값들 중에서, 각 배터리 팩 별로 가장 작은 셀 전압 값을 추출한다.
즉, 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부에서 추출하는 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값은, 각 배터리 팩 별로 팩 내에 구성된 배터리 셀들의 전압 값 중 최소 셀 전압 값을 의미한다.
라. 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출부(240)
팩 전체 최소 셀 전압 값 추출부는, 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부(230)에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들 중에서 가장 작은 전압 값을 추출한다. 즉, 전체 배터리 팩들 내의 배터리 셀들의 전압 값들 중 최소 셀 전압 값을 추출하는 구성으로서, 추출되는 셀 전압 값을 팩 전체 최소 셀 전압 값으로 지칭한다.
다시 말해, 본 명세서에서 언급하는 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값은 각 배터리 팩 별로 팩 내에 구성된 배터리 셀들의 전압 값들 중 최소 셀 전압 값이고, 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값은 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들 중 최소 셀 전압 값을 의미하는 것이다.
마. 밸런싱 시작 여부 판단부(250)
밸런싱 시작 여부 판단부는, 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부(230)에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출부(240)에서 추출된 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는지를 각각 비교하여, 그 비교 결과에 따라 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱 시작 여부를 판단한다. 이러한 밸런싱 시작 여부 판단부는, 아래 세부 구성을 포함하여 구성될 수 있다.
1) 제1 비교부(252)
제1 비교부는, 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부(230)에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출부(240)에서 추출된 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는지를 각각 비교한다.
2) 제1 판단부(254)
제1 판단부는, 상기 제1 비교부(252)의 비교 결과, 상기 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들 중에서 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는 값이 어느 하나라도 존재하는 경우, 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 시작해야 하는 것으로 판단한다. 판단 시, 이를 나타내는 밸런싱 시작 판단 신호를 출력할 수 있다.
바. 밸런싱 동작 제어부(260)
밸런싱 동작 제어부는, 상기 제1 판단부(254)로부터의 밸런싱 시작 판단 신호 및 후술하는 제2 판단부(274)로부터의 밸런싱 종료 판단 신호에 따라, 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 시작 및 종료하도록 제어한다.
보다 구체적으로, 상기 제1 판단부(254)로부터 밸런싱 시작 판단 신호가 출력되는 경우, 각각의 배터리 팩들(100a~100n)이 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 기준으로 패시브(Passive) 밸런싱을 시작하도록 제어한다. 이 때, 각 배터리 팩으로 밸런싱 시작 신호를 출력할 수 있다.
이후, 후술하는 제2 판단부(274)로부터 밸런싱 판단 신호가 출력되면, 각 배터리 팩들(100a~100n)이 현재 수행 중인 패시브(Passive) 밸런싱을 종료하도록 제어한다. 이 때, 각 배터리 팩으로 밸런싱 종료 신호를 출력할 수 있다.
사. 밸런싱 종료 여부 판단부(270)
밸런싱 종료 여부 판단부는, 상기 밸런싱 동작 제어부(260)에 의해 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 시작한 이후 획득되는 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들과 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값이 상호 동일한지를 각각 비교하여, 그 비교 결과에 따라 수행 중인 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱 동작의 종료 여부를 판단한다. 이러한 밸런싱 종료 여부 판단부는, 상기 밸런싱 시작 여부 판단부(250)의 제1 비교부(252) 및 제1 판단부(254)에서 진행하거나, 추가의 제2 비교부(272) 및 제2 판단부(274)를 통하여 진행할 수 있다.
<실시 예 1>
앞서 설명한 제1 비교부(252) 및 제1 판단부(254)에서 셀 밸런싱 동작의 종료 여부를 판단할 수 있다.
이 경우, 제1 비교부(252)는 상기 밸런싱 동작 제어부(260)로부터 밸런싱 시작 신호가 출력된 이후 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부(230)에서 추출되는 배터리 팩 최소 셀 전압 값들이 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출부(240)에서 추출되는 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값과 동일한지를 각각 상호 비교한다. 이에, 제 1 판단부(254)는, 상기 제1 비교부(252)의 비교 결과, 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값과 동일하면, 현재 수행 중인 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 종요하는 것으로 판단한다. 판단 시, 이를 나타내는 밸런싱 종료 신호를 출력할 수 있다.
<실시 예 2>
아래와 같이 제2 비교부(272), 제2 판단부(274)를 통하여 셀 밸런싱 동작의 종료 여부를 판단할 수 있다.
1) 제2 비교부(272)
제2 비교부는, 상기 밸런싱 동작 제어부(260)에 의해 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 수행한 이후 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부(230)에서 추출되는 각 배터리 팩의 최소 셀 전압 값이 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출부(240)에서 추출되는 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값과 동일한지를 비교한다. 즉, 상기 밸런싱 동작 제어부(260)로부터 밸런싱 시작 신호가 출력된 이후에 획득되는 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들과 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값이 동일한지를 각각 비교하는 것이다.
2) 제2 판단부(274)
제2 판단부는, 상기 제2 비교부(272)의 비교 결과, 상기 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값과 모두 동일한 경우, 현재 수행 중인 상기 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 종료하는 것으로 판단한다. 판단 시, 이를 나타내는 밸런싱 종료 판단 신호를 출력할 수 있다.
즉, 각 배터리 팩(100a~100n)들의 최소 셀 전압 값이 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값과 동일한 상태가 되면, 배터리 팩들 간 밸런싱을 종료하는 것으로 판단하는 것이다.
이와 같이, 직렬 배터리 팩들 간에 전압 편차가 발생한 경우, 전체 배터리 셀들의 전압 값 중 최소 셀 전압 값을 기준으로 각 배터리 팩이 패시브 밸런싱 하도록 제어함으로써, 전체 배터리 팩들 간 전압 상태가 동일해지게 되어 직렬 배터리 팩 간 전압 편차가 효과적으로 해소된다.
2. 본 발명에 따른 밸런싱 제어 방법
도 2는 본 발명에 따른 직렬 배터리 팩 간 밸런싱 제어 방법의 순서도를 도시한 도면이다. 이를 참조하여, 본 발명의 밸런싱 제어 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
2.1. 통신 연결 단계(S100)
통신 연결 단계는, 직렬 연결된 배터리 팩들과 밸런싱 제어부(200)와의 통신을 연결하는 단계이다.
2.2. 셀 전압 획득 단계(S200)
셀 전압 획득 단계는, 밸런싱 제어부(200)가 상기 통신 연결 단계(S100)를 통하여 통신 연결된 각 배터리 팩(100a~100n)으로부터 해당 배터리 팩 내에 포함된 배터리 셀들(미도시)의 전압 값을 획득하는 단계이다. 이러한 셀 전압 획득 단계는, 앞서 설명한 밸런싱 제어부(200)의 셀 전압 수신부(220)에 의해 소정의 주기 간격으로 수행된다.
2.3. 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계(S300)
팩 별 최소 전압 값 추출 단계는, 밸런싱 제어부(200)가 상기 셀 전압 획득 단계(S200)에서 획득한 배터리 팩들 각각의 배터리 셀들의 전압 값을 중에서 각 배터리 팩 별로 가장 작은 셀 전압 값을 추출한다. 즉, 각 배터리 팩 내에 구성된 배터리 셀들의 전압 값 중 최소 셀 전압 값을 추출하는 것이다.
2.4. 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출 단계(S400)
팩 전체 최소 셀 전압 값 추출 단계는, 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계(S300)에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들 중에서 가장 작은 셀 전압 값을 추출한다. 즉, 전체 배터리 팩들 내의 배터리 셀들의 전압 값들 중 최소 전압 값을 추출하는 것이다.
2.5. 밸런싱 시작 여부 판단 단계(S500)
밸런싱 시작 여부 판단 단계는, 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단게(S300)에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출 단계(S400)에서 추출된 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는지를 각각 비교하여, 그 비교 결과에 따라 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱 시작 여부를 판단하는 단계이다. 이러한 단계는 상술한 밸런싱 시작 여부 판단부(250)에 의해 이루어진다.
가. 제1 비교 단계(S510)
제1 비교 단계는, 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계(S300)에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출 단계(S400)에서 추출된 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는지를 각각 비교한다. 이는 제1 비교부(252)에 의해 수행된다.
나. 제1 판단 단계(S520)
제1 판단 단계는, 상기 제1 비교 단계(S510)의 비교 결과, 상기 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들 중 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는 값이 어느 하나라도 존재하는 경우, 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 시작해야 하는 것으로 판단한다. 이와 같은 판단 단계는, 제1 판단부(254)에 의해 수행된다.
2.6. 밸런싱 시작 제어 단계(S600)
밸런싱 시작 제어 단계는, 상기 밸런싱 시작 여부 판단 단계(S500)의 제1 판단 단계(S520)의 판단 결과 배터리 팩들 간 밸런싱을 시작해야 하는 것으로 판단되면, 각 배터리 팩이 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 기준으로 패시브(Passive) 밸런싱을 수행하도록 제어한다.
2.7. 밸런싱 수행 단계(S700)
밸런싱 수행 단계는, 상기 밸런싱 시작 제어 단계(S600)에 의해 각 배터리 팩들(100a~100n)이 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 기준으로 패시브(Passive) 밸런싱을 수행한다. 즉, 각 배터리 팩의 밸런싱 회로부(미도시)는 해당 팩 내에 포함된 배터리 셀들을 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값에 맞춰 방전시킨다.
2.8. 밸런싱 종료 여부 판단 단계(S800)
밸런싱 종료 여부 판단 단계는, 상기 밸런싱 수행 단계(S700)가 동작하는 과정에서 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계(S300) 및 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출 단계(S400)를 통해 획득되는 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값과 모두 동일한지를 비교하여, 그 비교 결과에 따라 상기 전체 배터리 팩들 간 밸런싱의 종료 여부를 판단한다.
가. 제2 비교 단계(S810)
제2 비교 단계는, 상기 밸런싱 수행 단계(S700)가 이루어지고 있는 과정에서 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계(S300)에서 추출되는 각 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값이 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출 단계(S400)에서 추출되는 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값과 동일한지를 각각 비교한다.
나. 제2 판단 단계(S820)
제2 판단 단계는, 상기 제2 비교 단계(S810)의 비교 결과 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값과 모두 동일한 경우, 현재 수행 중인 상기 전체 배터리 팩들 간 밸런싱을 종료하는 것으로 판단한다.
한편, 상기 제2 비교 단계(S810)의 비교 결과 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들 중 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값과 동일하지 않은 값이 어느 하나라도 존재하는 경우, 상기 밸런싱 수행 단계(S700)로 회귀하여 패시브(Passive) 밸런싱을 계속해서 수행한다.
2.9. 밸런싱 종료 제어 단계(S900)
밸런싱 종료 제어 단계는, 상기 밸런싱 종료 여부 판단 단계(S800)의 판단 결과 전체 배터리 팩들 간 밸런싱을 종료하는 것으로 판단되면, 각 배터리 팩이 패시브(Passive) 밸런싱을 종료하도록 제어한다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100a~100n: 배터리 팩
110: 전압 측정부
120: 제1 통신부
130: 셀 전압 송신부
200: 밸런싱 제어부
210: 제2 통신부
220: 셀 전압 송신부
230: 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부
240: 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출부
250: 밸런싱 시작 여부 판단부
252: 제1 비교부
254: 제1 판단부
260: 밸런싱 동작 제어부
270: 밸런싱 종료 여부 판단부
272: 제2 비교부
274: 제2 판단부

Claims (10)

  1. 복수의 배터리 셀들을 포함하며, 상호 직렬 연결된 적어도 둘 이상의 배터리 팩; 및
    상기 배터리 팩들 각각으로부터 획득되는 배터리 셀들의 전압 값을 바탕으로 직렬 배터리 팩 간 밸런싱 필요 여부를 판단하여, 판단된 경우 상기 배터리 셀들의 전압 값들 중 최소 전압 값을 기준으로 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 제어하는 밸런싱 제어부;
    를 포함하여 구성되는 밸런싱 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 배터리 팩은,
    소정의 주기 간격으로, 해당 배터리 팩 내에 포함된 배터리 셀들의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 밸런싱 제어부와의 통신을 연결하는 제1 통신부;
    상기 전압 측정부에서 측정된 배터리 셀들의 전압 값을 상기 제1 통신부를 통해 상기 밸런싱 제어부로 송신하는 셀 전압 송신부;
    상기 밸런싱 제어부의 제어에 따라 해당 배터리 팩 내에 포함된 배터리 셀들의 밸런싱을 수행하는 밸런싱 회로부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 밸런싱 제어부는,
    상기 각 배터리 팩의 제1 통신부와 통신을 연결하는 제2 통신부;
    상기 각 배터리 팩의 셀 전압 송신부로부터 해당 배터리 팩 내에 포함된 배터리 셀들의 전압 값을 수신하는 셀 전압 수신부;
    상기 셀 전압 수신부에서 수신한 배터리 셀들의 전압 값들로부터 각 배터리 팩 별로 최소 셀 전압 값을 추출하는 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부;
    상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들 중에서 가장 작은 전압 값인 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 추출하는 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출부;
    상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출부에서 추출된 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는지를 각각 비교하여, 그 비교 결과에 따라 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱 시작 여부를 판단하는 밸런싱 시작 여부 판단부;
    상기 밸런싱 시작 여부 판단부의 판단 결과, 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 시작해야 하는 것으로 판단된 경우, 각 배터리 팩이 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 기준으로 밸런싱을 수행하도록 밸런싱 시작 신호를 출력하는 밸런싱 동작 제어부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 밸런싱 제어부는,
    상기 밸런싱 동작 제어부로부터 밸런싱 시작 신호가 출력된 이후 획득되는 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들과 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값이 상호 동일한지를 각각 비교하여, 그 비교 결과에 따라 현재 수행 중인 밸런싱 동작의 종료 여부를 판단하는 밸런싱 종료 여부 판단부; 를 더 포함하여 구성되며,
    상기 밸런싱 동작 제어부는,
    상기 밸런싱 종료 여부 판단부의 판단 결과, 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 종료해야 하는 것으로 판단되면, 각 배터리 팩이 셀 밸런싱을 종료하도록 밸런싱 종료 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 제어 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 밸런싱 시작 여부 판단부는,
    상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출부에서 추출된 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는지 각각 비교하는 제1 비교부;
    상기 제1 비교부의 비교 결과, 상기 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들 중에서 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는 값이 어느 하나라도 존재하는 경우, 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 시작해야 하는 것으로 판단하여 밸런싱 시작 판단 신호를 출력하는 제1 판단부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 제어 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 밸런싱 종료 여부 판단부는,
    상기 밸런싱 동작 제어부로부터 밸런싱 시작 신호가 출력된 이후 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출부에서 추출되는 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들과 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출부에서 추출되는 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값이 동일한지를 각각 제2 비교부;
    상기 제2 비교부의 비교 결과, 상기 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값과 모두 동일한 경우, 상기 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 종료하는 것으로 판단하는 제2 판단부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 제어 시스템.
  7. 적어도 둘 이상의 직렬 연결된 배터리 팩들 간의 밸런싱을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 각 배터리 팩들과 밸런싱 제어부와의 통신을 연결하는 통신 연결 단계;
    밸런싱 제어부가 상기 통신 연결 단계를 통하여 통신 연결된 각각의 배터리 팩으로부터 해당 배터리 팩 내에 포함된 배터리 셀들의 전압 값을 획득하는 셀 전압 획득 단계;
    밸런싱 제어부가 상기 셀 전압 획득 단계에서 획득한 셀 전압 값들로부터 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값을 추출하는 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계;
    상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들 중에서 가장 작은 전압 값인 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 추출하는 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출 단계;
    상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출 단계에서 추출된 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는지를 각각 비교하여, 그 비교 결과에 따라 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱 시작 여부를 판단하는 밸런싱 시작 여부 판단 단계;
    상기 밸런싱 시작 여부 판단 단계의 판단 결과 상기 배터리 팩들 간 밸런싱을 시작해야 하는 것으로 판단된 경우, 상기 각 배터리 팩이 상기 배터리 팩 전체 최소 전압 값을 기준으로 셀 밸런싱을 수행하도록 제어하는 밸런싱 시작 제어 단계;
    상기 밸런싱 시작 제어 단계에 의해, 상기 각 배터리 팩이 상기 배터리 팩 전체 최소 전압 값을 기준으로 셀 밸런싱을 수행하는 밸런싱 수행 단계;
    를 포함하여 구성되는 밸런싱 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 밸런싱 수행 단계가 진행되는 중 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계 및 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출 단계에서 추출되는 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들과 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값이 상호 동일한지를 각각 비교하여, 그 비교 결과에 따라 현재 수행 중인 밸런싱 동작의 종료 여부를 판단하는 밸런싱 종료 여부 판단 단계;
    상기 밸런싱 종료 여부 판단의 판단 결과 현재 수행 중인 밸런싱 동작을 종료하는 것으로 판단되면, 상기 각 배터리 팩이 셀 밸런싱을 종료하도록 제어하는 밸런싱 종료 제어 단계;
    를 포함하여 구성되는 밸런싱 제어 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 밸런싱 시작 여부 판단 단계는,
    상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계에서 추출된 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출 단계에서 추출된 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는지 각각 비교하는 제1 비교 단계;
    상기 제1 비교 단계의 비교 결과, 상기 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들 중 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값을 초과하는 값이 어느 하나라도 존재하는 경우, 전체 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 시작해야 하는 것으로 판단하는 제1 판단 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 밸런싱 종료 여부 판단 단계는,
    상기 밸런싱 수행 단계가 진행되는 중 상기 팩 별 최소 셀 전압 값 추출 단계 및 상기 팩 전체 최소 셀 전압 값 추출 단계에서 추출되는 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들과 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값이 상호 동일한지를 각각 비교하는 제2 비교 단계;
    상기 제2 비교 단계의 비교 결과, 상기 배터리 팩 별 최소 셀 전압 값들이 상기 배터리 팩 전체 최소 셀 전압 값과 모두 동일하면, 상기 직렬 배터리 팩들 간 밸런싱을 종료하는 것으로 판단하는 제2 판단 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 제어 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102499839B1 (ko) * 2022-06-29 2023-02-14 (주)그린파워 직렬 배터리 충방전 장치에 적용되는 파우치형 배터리 셀의 직렬 연결 구조

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