KR101500547B1 - 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 셀 충전량 밸런싱 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 셀 충전량 밸런싱 장치는, 복수의 배터리 셀 각각의 충전 전압 및 방전 전압을 측정하여 전압 측정 신호를 출력하는 전압 센싱부; 및 상기 전압 센싱부에서 출력된 각각의 배터리 셀에 대한 충전 전압과 방전 전압의 시간 평균값을 각 배터리 셀의 충전 상태 전압으로 산출하고, 상기 산출된 각 배터리 셀의 충전 상태 전압을 비교하여 밸런싱이 필요한 배터리 셀을 선택하고, 상기 선택된 배터리 셀에 대응되는 밸런싱 회로에 제어신호를 출력하는 제어부;를 포함한다. 본 발명에 따르면, 충전과 방전이 연속적으로 이루어지는 환경에서 배터리 팩의 충전량 밸런싱이 가능하다.

Description

배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BALANCING OF BATTERY CELL'S CHARGING CAPACITY}
본 발명은 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 팩에 포함된 각 배터리 셀의 충전량을 파악하여 각 배터리 셀의 충전량을 밸런싱할 수 있는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 화석 에너지의 고갈과 환경오염으로 인해 화석 에너지를 사용하지 않고 전기 에너지를 이용하여 구동할 수 있는 전기 제품에 대한 관심이 높아지고 있다.
이에 따라 모바일 기기, 전기차, 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치, 무정전 전원 장치 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며 수요의 형태 역시 다양해지고 있다. 따라서 다양한 요구에 부응할 수 있게 이차 전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 리튬 계열 전지와 니켈 수소 계열의 전지로 분류된다. 리튬 계열 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품에 주로 적용되며, 니켈 수소 계열 전지는 전기 자동차나 하이브리드 전기 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품에 적용되어 사용되고 있다.
한편, 전기 자동차나 하이브리드 전기 자동차가 주행하기 위해서는 고출력을 요구하는 전동 모터를 구동시켜야 한다. 또한, 건물이나 일정 지역에 전력을 공급하는 전력 저장 장치의 경우 전력 수요를 충족시킬 수 있을 만큼 많은 전력을 공급해야 한다. 이처럼 고출력 또는 대용량 전력을 제공하기 위해 단위 셀 집합체로 이루어진 배터리를 직렬 또는 병렬로 다수 연결하여 원하는 출력 또는 전력이 공급되도록 하고 있다.
그런데, 다수의 단위 셀이 연결된 배터리의 경우, 충방전을 반복하게 되면 각 단위 셀의 충전량에 차이가 발생하게 된다. 이러한 충전량의 불균형이 있는 상태에서 배터리의 방전이 계속되면 충전량이 낮은 특정 단위 셀이 과방전되어 배터리의 안정적인 동작이 어려워 진다. 반대로, 이러한 충전량의 불균형이 있는 상태에서 배터리의 충전이 계속되면 충전량이 높은 특정 단위 셀이 과충전되어 배터리의 안전성을 저해한다. 충전량의 불균형은 일부의 단위 셀을 과충전 상태 또는 과방전 상태가 되도록 할 수 있고, 이러한 문제로 인해 부하(예컨대, 전동 모터, 전력망)에 안정적으로 전력을 공급할 수 없는 문제가 발생하게 된다.
위와 같은 문제를 해결하기 위해 배터리 셀의 충전량을 지속적으로 모니터링 하여 각 배터리 셀의 충전량을 일정한 레벨로 밸런싱하는 다양한 형태의 회로가 필요하다.
배터리 셀의 전압 변화 거동을 이용한 셀 밸런싱 장치 및 방법(10-2010-0019256호, 2010.02.18. 공개)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 감안하여 창안된 것으로서, 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치는, 복수의 배터리 셀 각각의 충전 전압 및 방전 전압을 측정하여 전압 측정 신호를 출력하는 전압 센싱부; 및 상기 전압 센싱부에서 출력된 각각의 배터리 셀에 대한 충전 전압과 방전 전압의 시간 평균값을 각 배터리 셀의 충전 상태 전압으로 산출하고, 상기 산출된 각 배터리 셀의 충전 상태 전압을 비교하여 밸런싱이 필요한 배터리 셀을 선택하고, 상기 선택된 배터리 셀에 대응되는 밸런싱 회로에 제어신호를 출력하는 제어부;를 포함한다.
본 발명에 따른 상기 제어부는 하기 수학식을 이용하여 배터리 셀의 충전 상태 전압을 산출할 수 있다.
Figure 112012037563810-pat00001
(Vk - ave: k번째 배터리 셀의 충전 상태 전압, Vkc(T): k번째 배터리 셀의 시간에 대한 충전 전압, Vkd(T): k번째 배터리 셀의 시간에 대한 방전 전압, Tc: 배터리 셀의 전압이 측정된 마지막 시간, Ts: 충전 상태 전압을 산출하기 위해 배터리 셀의 충전 전압 또는 방전 전압을 적분하기 시작하는 시간)
본 발명에 따른 상기 제어부는 상기 시간 구간(Tc-Ts)은 적어도 하나의 방전 구간과 적어도 하나의 충전 구간을 포함하거나, 동일한 SOC 범위에서 측정된 충전 구간과 방전 구간을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 바로 이전에 수행된 배터리 셀의 충전량 밸런싱 이후에 측정된 충전 전압 및 방전 전압의 시간 평균값을 이용하여 각 배터리 셀의 충전 상태 전압을 산출한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제어부는 미리 설정된 주기마다 충전 전압과 방전 전압의 시간 평균값을 배터리 셀의 충전 상태 전압으로 산출한다. 상기 미리 설정된 주기는, 시간 또는 충방전 횟수를 기준으로 설정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제어부는 실시간으로 배터리 셀의 충전 상태 전압을 산출한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 산출된 배터리 셀들에 대한 충전 상태 전압의 평균값을 밸런싱 기준 전압으로 계산하고, 상기 밸런싱 기준 전압과 편차가 있는 충전 상태 전압을 가진 배터리 셀에 대응하는 밸런싱 회로에 제어신호를 출력하여 배터리 셀의 충전량을 밸런싱한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 미리 설정된 밸런싱 기준 전압과 편차를 보이는 충전 상태 전압을 가진 배터리 셀에 대응하는 밸런싱 회로에 제어신호를 출력하여 배터리 셀의 충전량을 밸런싱한다.
본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치는, 상기 각 배터리 셀의 시간 평균값을 계산하기 위해 사용되는 충전 전압 및 방전 전압과 각 배터리 셀의 충전 상태 전압을 저장하는 메모리부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치는, 배터리 팩의 일 구성 요소가 될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치는, 배터리 팩; 및 상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급 받는 부하;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 구동 시스템의 일 구성 요소가 될 수 있다. 이때, 상기 부하는 전기 구동 수단 또는 전력 변환 회로가 될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치는, 복수의 배터리 팩을 포함하는 전력 저장 시스템의 일 구성 요소가 될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 방법은, 전압 센싱부 및 제어부를 포함하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치를 이용하여 배터리 셀의 충전량을 밸런싱하는 방법으로서, (a) 복수의 배터리 셀 각각의 충전 전압 신호 및 방전 전압 신호를 수신하는 단계; (b) 수신한 충전 전압 신호 및 방전 전압 신호의 시간 평균값을 각 배터리 셀의 충전 상태 전압으로 산출하는 단계; (c) 상기 산출된 각 배터리 셀의 충전 상태 전압을 비교하여 밸런싱이 필요한 배터리 셀을 선택하는 단계; 및 (d) 상기 선택된 배터리 셀에 대응되는 밸런싱 회로에 제어신호를 출력하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 셀의 충전량을 확인하기 위해 작동을 멈추지 않고 배터리 셀의 충전량을 비교할 수 있다. 따라서 배터리 셀의 밸런싱을 위해 부하와의 연결 또는 충전기와의 연결을 끊는 비효율적인 배터리 운영 대신, 부하와의 연결 또는 충전기와의 연결을 연속적으로 유지하는 효과적인 배터리 운영이 가능하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 충전과 방전이 이루어지는 동안 실시간으로 밸런싱 기준 전압을 판단할 수 있다. 따라서, 배터리 셀 간의 과도한 전압 편차로 인한 사고를 미연에 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 충전과 방전이 연속적으로 이루어지는 환경에서도 배터리 셀의 밸런싱이 가능하다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 배터리 셀이 충방전 될 때 IR효과에 의한 배터리 셀의 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 서로 다른 내부 저항값을 가지는 배터리 셀이 충방전 될 때 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 4는 충전 및 방전에 따른 배터리 셀의 전압 변동을 나타내는 그래프이다.
도 5는 밸런싱 회로로서 방전 회로가 적용된 실시예를 도시한 회로 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 방법의 흐름을 순차적으로 도시한 순서도이다.
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 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 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명이 속하는 기술 분야에는 배터리 셀의 충전량을 밸런싱하기 위한 다양한 방법이 존재한다. 배터리 셀 간의 충전량을 밸런싱하기 위해 각 배터리 셀마다 충전 회로(BOOST CIRCUIT) 또는 방전 회로(BUCK CIRCUIT)를 추가하여, 상대적으로 충전량이 낮은 배터리 셀을 충전시키거나 상대적으로 충전량이 높은 배터리 셀을 방전시켜 충전량을 밸런싱하는 방법을 사용하고 있다.
배터리 셀의 충전량을 밸런싱하기 위해서는 각 배터리 셀의 충전량을 정확하게 파악할 필요가 있다. 배터리 셀의 충전량은 배터리 셀의 개방전압을 통해 산출이 가능하다. 하지만 배터리 셀이 충방전되고 있는 동안에는 개방전압을 정확하게 측정하기 어렵다. 따라서 배터리 셀의 전압을 센싱하여 이로부터 배터리 셀의 개방전압을 간접적으로 추정하는 방법이 사용될 수 있다. 하지만 배터리 셀의 전압은 IR 효과로 인해 충방전 전류의 크기나 배터리 셀의 내부저항 변화에 따라 개방전압과의 편차가 가변되는 특성이 있다. 따라서 상기 동적 전압으로부터 개방 전압을 추정하여 배터리 셀의 충전량을 산출하면 그 정확도를 신뢰할 수 없다는 한계가 있다.
도 1은 배터리 셀이 충방전 될 때 IR효과에 의한 배터리 셀의 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 그래프 가로축의 단위는 배터리 셀의 충전량을 나타내는 SOC(State Of Charge)이다. 그리고, 그래프 세로축의 단위는 배터리 셀의 전압을 나타내는 V(Voltage)이다. 도 1에 도시되어 있듯이, 배터리 셀의 충전량이 증가할 수록 배터리 셀의 전압이 상승하는 것을 확인할 수 있다.
도 1에 도시된 3개의 프로파일 중 중앙에 도시된 프로파일은 배터리 셀의 개방 전압(OCV)을 나타낸다. 그리고, 개방 전압을 나타내는 프로파일의 위에 도시된 프로파일은 충전 중에 측정된 배터리 셀의 전압을 나타낸다. 마지막으로, 개방 전압을 나타내는 프로파일의 아래에 도시된 프로파일은 배터리 셀의 방전 중에 측정된 전압을 나타낸다. 배터리 셀은 고유한 내부 저항을 가진다. 이러한 배터리 셀의 특성상 충전 중에 배터리 셀의 전압을 측정하면, IR효과에 의해 실제 배터리 셀의 개방 전압보다 높은 전압이 측정된다. 반대로, 방전 중에 배터리 셀의 전압을 측정하면 IR효과에 의해 실제 배터리 셀의 개방 전압보다 낮은 전압이 측정된다.
도 2는 서로 다른 내부 저항값을 가지는 배터리 셀이 충방전 될 때 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2를 설명하기에 앞서, 본 명세서에서는 2개의 배터리 셀 중에서 1번 배터리 셀의 내부 저항이 2번 배터리 셀의 내부 저항에 비해서 상대적으로 작은 것으로 설정하였다. 이하 설명의 편의를 위해 내부 저항이 상대적으로 작은 배터리 셀을 '1번 셀', 내부 저항이 상대적으로 높은 배터리를 '2번 셀'이라고 명명한다.
도 2를 참조하면, 실선은 배터리 셀의 개방전압 프로파일을, 점선은 1번 셀의 충전 전압과 방전 전압의 프로파일을, 1점 쇄선은 2번 셀의 충전 전압과 방전 전압의 프로파일을 나타내고 있다.
1번 셀의 충전 전압과 방전 전압에 대한 프로파일은 배터리 셀의 개방 전압 프로파일과 비교하여 상대적으로 편차가 작고, 2번 셀의 충전 전압과 방전 전압에 대한 프로파일은 배터리 셀의 개방 전압 프로파일과 비교하여 상대적으로 편차가 크다. 즉, 내부 저항이 높을수록 IR효과에 의한 전압 변동의 폭이 더 크다는 것을 알 수 있다.
상기와 같이 서로 다른 내부 저항을 갖는 1번 셀 및 2번 셀이 연결된 전원 공급 시스템에서 각 배터리 셀의 정확한 충전량을 추정하기 위해서는 충방전을 중단하고 배터리 셀의 개방 전압을 개별적으로 측정해야 한다. 그러나 이와 같이 충방전을 중단하고 배터리 셀의 개방 전압을 측정하는 방식은 배터리와 부하 또는 배터리와 충전기와의 연결을 빈번하게 단절시키는 결과를 가져온다. 이러한 개방 전압 측정 방식은 충전과 방전이 연속적으로 이루어지는 환경에서는 적합하지 않다.
한편, 배터리 셀이 충전되는 동안 각 배터리 셀의 전압을 측정하여 충전량을 추정하는 경우를 가정해 보자. 그리고, 측정된 각 배터리의 충전 전압이 도 2에 도시된 바와 같이 동일하게 V1으로 측정된 경우를 가정해 보겠다. 1번 셀의 실제 충전량(d)이 2번 셀의 실제 충전량(c)보다 많음에도 불구하고, 동일한 충전량으로 추정될 수 있다. 경우에 따라서는 충전량이 상대적으로 적은 배터리 셀의 전압이 더 높게 측정되고 충전량이 상대적으로 더 많은 배터리 셀의 전압이 더 낮게 측정되어, 오히려 충전량이 반대로 추정될 수도 있다. 따라서, 각 배터리 셀의 충전 전압만을 이용하여 배터리 셀의 충전량을 추정하는 방법은 바람직하지 않다.
반대로, 배터리 셀이 방전되는 동안 각 배터리 셀의 전압을 측정하여 충전량을 추정하는 경우를 가정해 보자. 그리고, 측정된 각 배터리 셀의 전압이 도 2에 도시된 바와 같이 동일하게 V2로 추정된 경우를 가정해 보자. 마찬가지로 1번 셀의 실제 충전량(a)과 2번 셀의 실제 충전량(b)이 서로 다름에도 불구하고, 측정된 전압이 동일하므로 충전량도 동일하게 추정될 것이다. 따라서, 각 배터리 셀의 방전 전압만을 이용하여 배터리의 충전량을 추정하는 방법도 바람직하지 않다.
이에 본 발명자는 충전과 방전이 연속적으로 이루어지는 환경에서 배터리와 부하 또는 배터리와 충전기와의 연결을 단절시키지 않고 충전량을 추정할 수 있는 장치 및 방법을 도출하게 되었다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치(100)의 구성을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치(100)는 전압 센싱부(110) 및 제어부(120)를 포함한다. 본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치(100)는 복수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 배터리 팩(130)에 연결되어 있다.
상기 배터리 팩(130)은 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 것으로 배터리 셀의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 각각의 배터리 셀은 재충전이 가능하고 충전 또는 방전 전압을 고려해야 하는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다. 그러나, 본 발명이 배터리 셀의 종류, 출력전압, 충전용량 등에 의해 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 각 배터리 셀에는 밸런싱 회로(140)가 연결된다. 상기 밸런싱 회로(140)는 상기 제어부(120)의 제어신호에 의해서 각 배터리 셀의 충전량을 감소시키거나 증가시키는 역할을 한다. 상기 밸런싱 회로(140)는 충전 회로(BOOST CIRCUIT) 또는 방전 회로(BUCK CIRCUIT)로서 이에 대해서는 당업자에게 널리 알려진 공지의 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치(100)는 메모리부(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 메모리부(150)의 역할에 대해서는 이하 본 발명에 대한 상세한 설명과 함께 구체적으로 서술하도록 한다.
상기 전압 센싱부(110)는 상기 배터리 팩(130)에 포함된 복수의 배터리 셀 각각의 충전 전압 및 방전 전압을 측정한다. 여기서, 상기 충전 전압은 배터리 셀이 충전될 때 측정한 전압이고, 상기 방전 전압은 배터리 셀이 방전될 때 측정한 전압을 의미한다, 그리고, 상기 전압 센싱부(110)는 측정된 충전 전압 및 방전 전압에 대응하는 신호를 상기 제어부(120)로 출력한다. 이를 위해, 상기 전압 센싱부(110)는 하나의 전압 측정 소자가 2이상의 배터리 셀에 서로 다른 시점에 연결되어 각 배터리 셀의 전압을 측정할 수도 있지만, 복수의 배터리 셀에 각각 대응하는 복수개의 전압 측정 소자를 포함하여 각 배터리 셀의 충전 전압 및 방전 전압을 서로 같은 시점에 개별적으로 측정하는 것 또한 가능하다. 도 3에는 후자의 경우가 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.
상기 제어부(120)는 상기 전압 센싱부(110)로부터 각 배터리 셀에 관한 충전 전압 및 방전 전압에 대응하는 신호를 수신한다. 그리고, 충전 전압과 방전 전압의 시간 평균값을 계산하여 각 배터리 셀의 충전 상태 전압으로 산출한다. 여기서 배터리 셀의 충전 상태 전압이란, 각 배터리 셀의 충전량을 간접적으로 나타내는 전압 즉, 각 배터리 셀의 충전량을 추정하기 위한 전압값이다. 2 이상의 배터리 셀에 대한 충전 전압과 방전 전압의 시간 평균값을 이용하여 어떻게 배터리 셀의 충전량을 추정할 수 있는지에 대해서는 이하 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 충전 및 방전에 따른 배터리 셀의 전압 변동을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 그래프 가로축의 단위는 시간을 나타내며, 각 구간마다 충전 및 방전이 반복되는 것을 나타낸다. 그래프 세로축의 단위는 배터리 셀의 전압을 나타내는 V(Voltage)이다. 앞서 도 2에서와 마찬가지로 내부 저항이 상대적으로 작은 배터리 셀을 '1번 셀', 내부 저항이 상대적으로 큰 배터리 셀을 '2번 셀'이라고 명명한다. 그리고, 각각의 프로파일은 배터리 셀의 개방 전압을 나타내고 상대적으로 높은 개방 전압은 상대적으로 많은 충전량을 나타낸다.
먼저 충전할 때를 살펴본다. 배터리 팩(130)내에서 1번 셀과 2번 셀은 직렬로 연결되어 있으므로, 충전할 때 동일한 충전 전류가 흐른다. 동일한 충전 전류에 의해 충전될 때, 1번 셀은 내부 저항이 상대적으로 작기 때문에 2번 셀에 비해서 손실되는 에너지가 적다. 즉, 배터리 셀이 동일한 충전 전류에 의해 충전되는 과정에서 1번 셀은 2번 셀에 비해서 충전 효율이 좋다고 할 수 있다. 따라서, 동일한 충전 전류에 의해서 1번 셀은 2번 셀에 비해서 더 많은 전기 에너지를 충전하게 되므로 1번 셀은 2번 셀에 비해서 상대적으로 더 높은 개방 전압 증가율을 보이게 된다.
다음으로 방전할 때를 살펴본다. 역시 1번 셀과 2번 셀은 직렬로 연결되어 있으므로, 방전할 때 동일한 방전 전류가 흐른다. 동일한 방전 전류를 출력하기 위해, 2번 셀은 내부 저항이 상대적으로 크기 때문에 1번 셀에 비해서 사용하는 에너지가 더 많다. 즉, 동일한 방전 전류를 출력하는 과정에서 2번 셀은 1번 셀에 비해서 방전 효율이 나쁘다고 할 수 있다. 따라서, 2번 셀은 1번 셀에 비해서 더 많은 전기 에너지를 방전하게 되므로 2번 셀은 1번 셀에 비해서 상대적으로 더 큰 개방 전압 감소율을 보이게 된다.
다시 말하면, 충전할 때 1번 셀의 개방 전압은 2번 셀의 개방 전압에 비해서 상대적으로 가파르게 상승하지만, 방전할 때 1번 셀의 개방 전압은 2번 셀의 개방 전압에 비해서 상대적으로 완만하게 하강한다. 반대로, 충전할 때 2번 셀의 개방 전압은 1번 셀의 개방 전압에 비해서 상대적으로 완만하게 상승하지만, 방전할 때 2번 셀의 개방 전압은 1번 셀의 개방 전압에 비해서 상대적으로 가파르게 하강한다. 따라서, 충전과 방전이 반복될수록, 1번 셀의 개방 전압과 2번 셀의 개방 전압의 차이는 점차적으로 벌어진다.
이러한 개방 전압의 차이는 충전량의 차이를 나타내며, 충전량의 차이는 개방 전압의 시간 평균값을 통해서 정량적으로 확인할 수 있다. 즉, 1번 셀 및 2번 셀의 개방 전압에 대한 시간 평균값을 각각 산출하였을 때, 시간 평균값의 차이가 바로 충전량의 차이에 해당하게 되는 것이다.
또한, 배터리 셀의 반복적인 충방전에 의해 발생한 충전량의 차이는 각 배터리 셀의 충전 전압과 방전 전압의 시간 평균값을 통해서 간접적으로 확인할 수 있다. 배터리 셀의 충전 전압은 IR 효과에 의한 편차만큼 개방 전압보다 높은 값을 가지고, 배터리 셀의 방전 전압은 IR 효과에 의한 편차만큼 개방 전압보다 낮은 값을 가진다. 이러한, 배터리 셀의 충전 전압과 방전 전압의 시간 평균은 IR 효과에 의한 편차를 서로 상쇄하는 효과를 가진다. 따라서, 어느 정도의 시간 구간에 대한 배터리 셀의 충전 전압과 방전 전압의 시간 평균값은 상기 시간 구간에서 개방 전압의 시간 평균값을 추종하게 된다.
상기 제어부(120)는 하기의 수학식 1을 이용하여 각 배터리 셀의 충전 상태 전압을 산출할 수 있다.
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상기 제어부(120)는 상기 전압 센싱부(110)로부터 출력된 각 배터리 셀의 충전 전압 및 방전 전압을 시간 간격을 두고 또는 주기적으로 반복하여 상기 메모리부(150)에 저장한다. 본 명세서에서는 k번째 배터리 셀의 시간에 대한 충전 전압을 'Vkc(T)', k번째 배터리 셀의 시간에 대한 방전 전압을 'Vkd(T)'라고 정의한다. 그리고, 배터리 셀의 밸런싱이 필요하다고 판단될 때, 상기 메모리부(150)에 저장된 각 배터리 셀의 충전 전압과 방전 전압을 적산하여 시간을 기준으로 시간 평균값을 산출한다.
상기 수학식1에서, 'Ts'는 충전 상태 전압의 산출을 위해 충전 전압과 방전 전압의 적분을 시작하는 시간을 나타낸다. 그리고 'Tc'는 배터리 셀의 전압이 측정된 마지막 시간을 나타낸다. 또한, 'Vk - ave'는, 상기 수학식 1을 통해 산출된 k번째 배터리 셀에 대한 충전 전압 및 방전 전압의 시간 평균값을 나타낸다. 상기 수학식 1을 통해 산출된 시간 평균값은 각 배터리 셀의 충전량을 나타내는 배터리 셀의 충전 상태 전압이 된다. 그리고, 각 배터리 셀의 충전 상태 전압은 각 배터리 셀의 충전량을 간접적으로 비교할 수 있는 파라미터가 될 수 있다. 따라서 배터리 셀들의 충전 상태 전압을 비교하면, 밸런싱을 위해 어느 배터리 셀을 방전 또는 충전시켜야 하는지 판단할 수 있다.
상기 제어부(120)는 배터리 셀의 충전 상태 전압을 이용하여 각 배터리 셀의 충전량을 간접적으로 추정할 때 적어도 배터리 셀의 방전 구간과 충전 구간을 함께 고려한다. 따라서, 상기 수학식에서 분모에 해당하는 시간 구간은 적어도 하나 이상의 방전 구간과 적어도 하나 이상의 충전 구간이 시간 평균값의 계산에 이용될 수 있도록 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 시간 구간은 동일한 SOC 영역에서 측정된 적어도 하나의 충전 구간과 방전 구간이 시간 평균값의 계산에 이용될 수 있도록 설정될 수 있다. 또한, 배터리 셀의 충전 상태 전압을 이용하여 각 배터리 셀의 충전량을 간접적으로 추정할 때 그 정확도를 높이기 위해서 가능한 많은 충전 구간과 방전 구간에 대해 적분이 될 수 있도록 상기 시간 구간을 설정할 수 있다. 또한, 상기 시간 구간은 바로 이전에 수행된 배터리 셀의 충전량 밸런싱 이후에 측정된 충전 전압 및 방전 전압이 시간 평균값의 계산에 이용될 수 있도록 설정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부(120)는 미리 설정된 주기마다 충전 전압과 방전 전압의 시간 평균값을 배터리 셀의 충전 상태 전압으로 산출한다. 상기 미리 설정된 주기는 시간 또는 충방전 횟수를 기준으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치(100)가 가정용 스마트 그리드의 일 구성 요소인 경우, 전력 사용량이 적은 새벽시간마다 밸런싱 작업을 수행할 수 있다. 상기 미리 설정된 주기는 본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치(100)가 사용되는 환경에 따라서 다양하게 설정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제어부(120)는 실시간으로 배터리 셀의 충전 상태 전압을 산출한다. 즉, 상기 제어부(120)는 각 배터리 셀의 충전 전압 및 방전 전압이 수신될 때마다 상기 수학식 1을 사용하여 각 배터리 셀의 충전 상태 전압을 산출하고, 이를 메모리부(150)에 저장할 수 있다.
도 3에서 상기 밸런싱 회로는 방전 회로 또는 충전 회로가 될 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치(100)는 충전량이 상대적으로 높은 배터리 셀의 충전량을 감소시키는 방법 및/또는 충전량이 상대적으로 낮은 배터리 셀의 충전량을 증가시키는 방법에 의해서 밸런싱 작업을 수행할 수 있다. 이를 위해 상기 제어부(120)는 각 배터리 셀들에 대한 충전 상태 전압을 비교하고, 어느 배터리 셀의 충전량을 감소 및/또는 증가시킬지 판단할 수 있다.
상기 제어부(120)는 밸런싱 기준 전압과 편차가 있는 충전 상태 전압을 가진 배터리 셀에 대응하는 밸런싱 회로에 제어신호를 출력하여 배터리 셀의 충전량을 밸런싱할 수 있다. 여기서, 상기 밸런싱 기준 전압이란 충전량을 감소시켜야 할 배터리 셀을 선정하는 기준값으로 사용되는 전압값이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제어부(120)는 상기 산출된 배터리 셀들에 대한 충전 상태 전압의 평균값을 밸런싱 기준 전압으로 계산할 수 있다. 그리고, 상기 계산된 밸런싱 기준 전압과 각 배터리 셀의 충전 상태 전압의 비교를 통해서 밸런싱 대상을 선택할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제어부(120)는 미리 설정된 밸런싱 기준 전압과 각 배터리 셀의 충전 상태 전압의 비교를 통해서 밸런싱 대상을 선택할 수 있다. 이 경우, 상기 메모리부(150)에 밸런싱 기준 전압을 미리 저장한다.
도 5는 밸런싱 회로로서 방전 회로가 적용된 실시예를 도시한 회로 블럭도이다.
도 5를 참조하면, 도 3에 도시된 밸런싱 회로(140) 자리에 방전 저항(141)과 스위치(142)를 포함하는 방전 회로가 각 배터리 셀에 연결되어 있는 것을 확인할 수 있다. 상기 제어부(120)는 방전을 통해 충전량을 감소시켜야 할 배터리 셀이 판단되면, 해당 배터리 셀에 대응하는 스위치(142)에 제어신호를 출력한다. 상기 스위치(142)가 on 되면, 배터리 셀에 저장된 전력이 상기 방전 저항(141)을 통해서 소모되어 배터리 셀의 충전량이 감소된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부(120)는 산출된 각 배터리 셀들에 대한 충전 상태 전압의 시간 평균값을 계산하고, 산출된 시간 평균값을 밸런싱 기준 전압으로 설정할 수 있다. 상기 제어부(120)는 상기 밸런싱 기준 전압보다 높은 충전 상태 전압을 가진 배터리 셀에 대응하는 방전 회로에 제어신호를 출력한다. 이때, 상기 제어부(120)는 방전 대상으로 선택된 각 배터리 셀의 충전 상태 전압과 상기 밸런싱 기준 전압의 차이에 비례하여 상기 제어신호를 출력하는 시간을 조절할 수 있다.
일 예로, 상기 제어부(120)는 방전하기로 선택된 배터리 셀의 충전 상태 전압과 상기 밸런싱 기준 전압과의 차이에 따라 방전 회로의 작동 시간을 제어할 수 있다. 즉, 선택된 배터리 셀의 충전 상태 전압과 상기 밸런싱 기준 전압의 편차가 클 수록 상기 방전 회로의 작동 시간을 증가시킬 수 있다. 상기 작동 시간은 배터리 셀의 용량, 방전효율, 방전 저항등을 고려하여 설정할 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 제어부(120)는 각 배터리 셀의 충전 상태 전압과 상기 밸런싱 기준 전압과의 차이에 따라 배터리 셀의 방전 시간을 미리 설정한 룩업 테이블을 참조하여 상기 방전 회로의 작동 시간을 제어할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제어부(120)는 미리 설정된 밸런싱 기준 전압보다 높은 충전 상태 전압을 가진 배터리 셀에 대응하는 방전 회로에 제어신호를 출력하여 배터리 셀의 충전량을 감소시킬 수 있다. 이 경우 상기 밸런싱 기준 전압은 미리 설정되어 상기 메모리부(150)에 저장된다. 또한, 밸런싱 기준 전압은 본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치(100)가 사용되는 환경에 따라서 다양하게 설정될 수 있으며, 경우에 따라서 변경도 가능하다.
상기 제어부(120)는 미리 설정된 밸런싱 기준 전압에 의해서 밸런싱을 수행하는 경우에도, 각 배터리 셀의 충전 상태 전압과 미리 설정된 밸런싱 기준 전압과의 차이를 이용하여 계산된 방전 시간에 따라 선택된 배터리 셀의 방전 시간을 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부(120)는 각 배터리 셀의 충전 상태 전압과 미리 설정된 밸런싱 기준 전압과의 차이에 따라 방전 시간이 미리 설정된 룩업 테이블을 참조하여 방전 시간을 제어할 수도 있다.
도 3에서 상기 밸런싱 회로는 충전 회로가 될 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치(100)는 충전량이 상대적으로 낮은 배터리 셀의 충전량을 증가시키는 방법에 의해서 밸런싱 작업을 수행한다. 상기 제어부(120)는 각 배터리 셀들에 대한 충전 상태 전압을 비교하고, 어느 배터리 셀의 충전량을 증가시킬지 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부(120)는 산출된 각 배터리 셀들에 대한 충전 상태 전압의 시간 평균값을 계산하고, 산출된 시간 평균값을 밸런싱 기준 전압으로 설정할 수 있다. 상기 제어부(120)는 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮은 충전 상태 전압을 가진 배터리 셀에 대응하는 충전 회로에 제어신호를 출력한다. 이때, 상기 제어부(120)는 충전 대상으로 선택된 각 배터리 셀의 충전 상태 전압과 상기 밸런싱 기준 전압의 차이에 비례하여 제어신호를 출력하는 시간을 조절할 수 있다.
일 예로, 상기 제어부(120)는 충전하기로 선택된 배터리 셀의 충전 상태 전압과 상기 밸런싱 기준 전압과의 차이에 따라 충전 회로의 작동 시간을 제어할 수 있다. 즉, 선택된 배터리 셀의 충전 상태 전압과 상기 밸런싱 기준 전압의 편차가 클 수록 상기 충전 회로의 동작 시간을 증가시킬 수 있다. 상기 작동 시간은 배터리 셀의 용량, 충전 회로의 특성 등을 고려하여 설정할 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 제어부(120)는 각 배터리 셀의 충전 상태 전압과 상기 밸런싱 기준 전압과의 차이에 따라 배터리 셀의 충전 시간을 미리 설정한 룩업 테이블을 참조하여 방전 시간을 제어할 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치(100)가 사용되는 배터리 셀의 특성과 충전 회로의 특성 등을 고려하여 실험을 통해 얻은 데이터를 상기 메모리부(150)에 저장한다. 그리고, 상기 제어부(120)는 각 배터리 셀의 충전 상태 전압과 상기 밸런싱 기준 전압과의 차이에 해당하는 제어 시간을 상기 메모리부(150)에 저장된 룩업 테이블을 참조하여, 상기 충전 회로를 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제어부(120)는 미리 설정된 밸런싱 기준 전압보다 낮은 충전 상태 전압을 가진 배터리 셀에 대응하는 충전 회로에 제어신호를 출력하여 배터리 셀의 충전량을 증가시킬 수 있다. 상기 밸런싱 기준 전압은 미리 설정되어 상기 메모리부(150)에 저장될 수 있다. 또한, 밸런싱 기준 전압은 본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치(100)가 사용되는 환경에 따라서 다양하게 설정될 수 있으며, 경우에 따라서 변경도 가능하다.
상기 제어부(120)는 미리 설정된 밸런싱 기준 전압에 의해서 밸런싱을 수행하는 경우에도, 각 배터리 셀의 충전 상태 전압과 미리 설정된 밸런싱 기준 전압과의 차이를 이용하여 계산된 충전 시간에 따라 선택된 배터리 셀의 충전 시간을 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부(120)는 각 배터리 셀의 충전 상태 전압과 미리 설정된 밸런싱 기준 전압과의 차이에 따라 충전 시간이 미리 설정된 룩업 테이블을 참조하여 충전 시간을 제어할 수도 있다.
본 발명에 따른 상기 메모리부(150)는 RAM, ROM, EEPROM등 데이터를 기록하고 소거할 수 있다고 알려진 공지의 반도체 소자나 하드 디스크와 같은 대용량 저장매체로서, 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
상기 메모리부(150)에는 각 배터리 셀의 시간 평균값을 계산하기 위해 사용되는 충전 전압 및 방전 전압이 저장될 수 있다. 또한, 상기 메모리부(150)에는 상기 수학식 1을 통해 산출된 각 배터리 셀의 전압 평균값 즉, 충전 상태 전압이 저장될 수 있다. 또한, 상기 메모리부(150)에는 밸런싱 기준 전압 또는 밸런싱을 위한 충전/방전 시간 제어시간에 관한 데이터도 함께 저장하는 것이 가능하다.
상기 제어부(120)는 앞서 설명된 다양한 제어 로직을 실행하기 위해 본 발명이 속한 기술분야에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 포함할 수 있다. 또한, 상술한 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(120)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 여기서, 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 메모리는 메모리부(150)의 내부 또는 외부에 위치할 수 있다. 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치(100)는 다수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 셀 어셈블리와 이러한 셀 어셈블리의 충방전을 제어하는 BMS(Battery Management System)를 포함하는 배터리 팩의 일 구성요소가 될 수 있다. 이러한 경우, 상기 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치(100)는 BMS와 통합될 수도 있고 별도의 회로 장치를 구성하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치(100)는 배터리 팩과 이로부터 전력을 공급받는 부하를 포함하는 배터리 구동 시스템의 일 구성요소가 될 수 있다.
상기 배터리 구동 시스템의 일 예로는 전기차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자전거(E-Bike), 전동 공구(Power tool), 상기 복수의 배터리 팩을 포함하는 전력 저장 장치(Energy Storage System), 무정전 전원 장치(UPS), 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 휴대용 오디오 장치, 휴대용 비디오 장치 등이 될 수 있으며, 상기 부하의 일 예로는 배터리 팩이 공급하는 전력에 의해 회전력을 제공하는 모터 또는 배터리 팩이 공급하는 전력을 각종 회로 부품이 필요로 하는 전력으로 변환하는 전력 변환 회로일 수 있다.
이하에서는 상술한 장치의 동작 메커니즘에 해당하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 방법을 개시한다. 다만, 앞서 설명된 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치(100)에 포함된 구성 요소에 대해서는 반복적인 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 방법의 흐름을 순차적으로 도시한 순서도이다.
먼저, 단계 S300에서, 상기 제어부(120)는 복수의 배터리 셀들이 충전되거나 방전될 때 각각의 충전 전압 신호 또는 방전 전압 신호를 상기 전압 센싱부(110)로부터 수신하여 메모리부(150)에 저장한다. 단계 S300은 시간 간격을 두고 반복되므로, 상기 메모리부(150)에는 충전 전압과 방전 전압에 관한 복수의 데이터들이 일정한 시간 동안 누적된다. 다음 단계 S310에서, 상기 제어부(120)는 메모리부(150)에 저장된 충전 전압과 방전 전압 데이터의 시간 평균값을 각각의 배터리 셀 별로 계산하여 상기 메모리부(150)에 저장한다.
상기 각 배터리 셀마다 계산되는 시간 평균값은 상술한 수학식 1을 통해 산출될 수 있다. 상기 시간 평균값을 계산할 때, 충전 전압과 방전 전압의 적분이 이루어지는 시간 구간은 다양하게 설정될 수 있는데, 이에 대해서는 이미 상술한 바 있다.
상기 단계 S310은 미리 설정된 주기(즉, 충전량 밸런싱 주기)마다 또는 실시간으로 수행되는 단계일 수 있다. 상기 주기는 시간 또는 충방전 횟수에 의해서 설정될 수 있음은 상술한 바 있다.
다음 단계 S320에서, 상기 제어부(120)는 각 배터리 셀의 시간 평균값을 각 배터리 셀의 충전 상태 전압으로 추정한다. 배터리 셀의 충전 상태 전압은 배터리 셀들의 충전량을 상대적으로 비교할 수 있는 파라미터에 해당한다. 이어서, 단계 S330에서, 상기 제어부(120)는 각 배터리 셀의 충전 상태 전압을 비교함으로써 어느 배터리 셀을 밸런싱 대상으로 선택할 것인지 판단한다.
일 실시예에서, 충전량 밸런싱은 방전 방식을 통해 구현될 수 있다. 이 경우, 단계 S330은 어느 배터리 셀을 방전할 것인지 판단하는 단계이다. 일 예로, 단계 S330은 배터리 셀들에 대한 충전 상태 전압의 평균값을 밸런싱 기준 전압으로 설정하고, 상기 밸런싱 기준 전압보다 높은 충전 상태 전압을 가진 배터리 셀을 선택하는 단계일 수 있다. 다른 예로, 단계 S330은, 미리 설정된 밸런싱 기준 전압보다 높은 충전 상태 전압을 가진 배터리 셀을 선택하는 단계일 수 있다. 이를 위해, 본 발명은 상기 메모리부(150)에 상기 미리 설정된 밸런싱 기준 전압을 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 충전량 밸런싱은 충전 방식을 통해 구현될 수 있다 이 경우, 단계 S330은 어느 배터리 셀을 충전할 것인지 판단하는 단계이다. 일 예로, 단계 S330은 배터리 셀들에 대한 충전 상태 전압의 평균값을 밸런싱 기준 전압으로 설정하고, 상기 밸런싱 기준 전압보다 낮은 충전 상태 전압을 가진 배터리 셀을 선택하는 단계일 수 있다. 다른 예로, 단계 S330은 미리 설정된 밸런싱 기준 전압보다 낮은 충전 상태 전압을 가진 배터리 셀을 선택하는 단계일 수 있다. 이를 위해, , 본 발명은 상기 메모리부(150)에 상기 미리 설정된 밸런싱 기준 전압을 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
마지막으로, 단계 S340에서, 상기 제어부(120)는 밸런싱이 필요한 배터리 셀의 밸런싱 회로에 제어신호를 출력한다.
일 실시예에서, 단계 S340은 방전 회로를 이용하여 선택된 배터리 셀을 방전하는 단계이다. 상기 제어부(120)는 방전 회로에 제어신호를 출력하는 시간을 조절하여 각 배터리 셀의 충전량을 감소시킬 수 있다. 일 예로, 상기 제어부(120)는 선택된 배터리 셀의 충전 상태 전압과 상기 밸런싱 기준 전압과의 차이에 비례하여 각 배터리 셀의 방전 시간을 조절할 수 있다. 다른 예로, 상기 제어부(120)는 각 배터리 셀의 충전 상태 전압과 상기 밸런싱 기준 전압과의 차이에 따라 배터리 셀의 방전 시간을 미리 설정한 룩업 테이블을 참조하여 방전 시간을 조절하는 것도 가능하다. 이를 위해, 본 발명은 상기 메모리부(150)에 상기 방전 시간을 미리 설정한 룩업 테이블을 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 단계 S340은 충전 회로를 이용하여 선택된 배터리 셀을 적절하게 충전하는 단계이다. 상기 제어부(120)는 충전 회로에 제어신호를 출력하는 시간을 조절하여 각 배터리 셀의 충전량을 증가시킬 수 있다. 일 예로, 상기 제어부(120)는 선택된 배터리 셀의 충전 상태 전압과 상기 밸런싱 기준 전압과의 차이에 비례하여 각 배터리 셀의 충전 시간을 조절할 수 있다. 다른 예로, 상기 제어부(120)는 각 배터리 셀의 충전 상태 전압과 상기 밸런싱 기준 전압과의 차이에 따라 배터리 셀의 충전 시간을 미리 설정한 룩업 테이블을 참조하여 충전 시간을 조절하는 것도 가능하다. 이를 위해, 본 발명은 상기 메모리부(150)에 상기 충전 시간을 미리 설정한 룩업 테이블을 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀의 충전량을 확인하기 위해 작동을 멈추지 않고 배터리 셀의 충전량을 비교할 수 있다. 따라서 배터리 셀의 밸런싱을 위해 부하와의 연결 또는 충전기와의 연결을 끊는 비효율적인 배터리 운영 대신, 부하와의 연결 또는 충전기와의 연결을 연속적으로 유지하는 효과적인 배터리 운영이 가능하다. 또한, 충전과 방전이 이루어지는 동안 실시간으로 밸런싱 기준 전압을 판단할 수 있다. 따라서, 배터리 셀 간의 과도한 전압 편차로 인한 사고를 미연에 방지할 수 있다. 또한, 충전과 방전이 연속적으로 이루어지는 환경에서도 배터리 셀의 밸런싱이 가능하다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 도 3에 도시된 본 발명의 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치에 대한 각 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.
즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관하게 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.
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 : 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치 110 : 전압 센싱부
120 : 제어부 130 : 배터리 팩
140 : 밸런싱 회로 141 : 방전 저항
150 : 메모리부 142 : 스위치

Claims (26)

  1. 복수의 배터리 셀 각각이 충전되는 동안에 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대해 측정되는 전압인 충전 전압과 상기 복수의 배터리 셀 각각이 방전되는 동안에 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대해 측정되는 전압인 방전 전압을 측정하여 전압 측정 신호를 출력하는 전압 센싱부; 및
    상기 전압 센싱부에서 출력된 각각의 배터리 셀에 대한 충전 전압과 방전 전압을 이용하여 각각의 배터리 셀에 대한 충전 전압과 방전 전압의 시간 평균값을 각 배터리 셀의 충전 상태 전압으로 산출하고, 상기 산출된 각 배터리 셀의 충전 상태 전압을 비교하여 밸런싱이 필요한 배터리 셀을 선택하고, 상기 선택된 배터리 셀에 대응되는 밸런싱 회로에 제어신호를 출력하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 하기 수학식을 이용하여 배터리 셀의 충전 상태 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치.
    Figure 112012037563810-pat00003

    (Vk - ave: k번째 배터리 셀의 충전 상태 전압, Vkc(T): k번째 배터리 셀의 시간에 대한 충전 전압, Vkd(T): k번째 배터리 셀의 시간에 대한 방전 전압, Tc: 배터리 셀의 전압이 측정된 마지막 시간, Ts: 충전 상태 전압을 산출하기 위해 배터리 셀의 충전 전압 또는 방전 전압을 적분하기 시작하는 시간)
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시간 구간(Tc-Ts)은 적어도 하나의 방전 구간과 적어도 하나의 충전 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 시간 구간(Tc-Ts)은 동일한 SOC 범위에서 측정된 충전 구간과 방전 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 바로 이전에 수행된 배터리 셀의 충전량 밸런싱 이후에 측정된 충전 전압 및 방전 전압의 시간 평균값을 이용하여 각 배터리 셀의 충전 상태 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 미리 설정된 주기마다 충전 전압과 방전 전압의 시간 평균값을 배터리 셀의 충전 상태 전압으로 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 미리 설정된 주기는, 시간 또는 충방전 횟수를 기준으로 설정된 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 실시간으로 배터리 셀의 충전 상태 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 산출된 배터리 셀들에 대한 충전 상태 전압의 평균값을 밸런싱 기준 전압으로 계산하고, 상기 밸런싱 기준 전압과 편차가 있는 충전 상태 전압을 가진 배터리 셀에 대응하는 밸런싱 회로에 제어신호를 출력하여 배터리 셀의 충전량을 밸런싱하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 미리 설정된 밸런싱 기준 전압과 편차를 보이는 충전 상태 전압을 가진 배터리 셀에 대응하는 밸런싱 회로에 제어신호를 출력하여 배터리 셀의 충전량을 밸런싱하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 배터리 셀에 대한 충전 전압과 방전 전압의 시간 평균값을 계산하기 위해 사용되는 충전 전압 및 방전 전압과 각 배터리 셀의 충전 상태 전압을 저장하는 메모리부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치를 포함하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 따른 복수의 배터리 팩을 포함하는 전력 저장 시스템.
  14. 제12항에 따른 배터리 팩; 및
    상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급 받는 부하;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 구동 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 부하는 전기 구동 수단 또는 전력 변환 회로임을 특징으로 하는 배터리 구동 시스템.
  16. 전압 센싱부 및 제어부를 포함하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치를 이용하여 배터리 셀의 충전량을 밸런싱하는 방법에 있어서,
    (a) 복수의 배터리 셀 각각이 충전되는 동안에 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대해 측정되는 전압과 대응되는 신호인 충전 전압 신호와 상기 복수의 배터리 셀 각각이 방전되는 동안에 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대해 측정되는 전압인 방전 전압과 대응되는 신호인 방전 전압 신호를 수신하는 단계;
    (b) 상기 수신한 충전 전압 신호 및 방전 전압 신호를 이용하여 각각의 배터리 셀에 대한 충전 전압과 방전 전압의 시간 평균값을 각 배터리 셀의 충전 상태 전압으로 산출하는 단계;
    (c) 상기 산출된 각 배터리 셀의 충전 상태 전압을 비교하여 밸런싱이 필요한 배터리 셀을 선택하는 단계; 및
    (d) 상기 선택된 배터리 셀에 대응되는 밸런싱 회로에 제어신호를 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 (b)단계는, 하기 수학식을 이용하여 배터리 셀의 충전 상태 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 방법.
    Figure 112012037563810-pat00004

    (Vk - ave: k번째 배터리 셀의 충전 상태 전압, Vkc(T): k번째 배터리 셀의 시간에 대한 충전 전압, Vkd(T): k번째 배터리 셀의 시간에 대한 방전 전압, Ts: 충전 상태 전압을 산출하기 위해 배터리 셀의 충전 전압 또는 방전 전압을 적분하기 시작하는 시간)
  18. 제17항에 있어서,
    상기 시간 구간(Tc-Ts)은 적어도 하나의 방전 구간과 적어도 하나의 충전 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 시간 구간(Tc-Ts)은 동일한 SOC 범위에서 측정된 충전 구간과 방전 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 (b)단계는, 바로 이전에 수행된 배터리 셀의 충전량 밸런싱 작업 이후에 측정된 충전 전압 및 방전 전압의 시간 평균값을 이용하여 각 배터리 셀의 충전 상태 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 (b)단계는, 미리 설정된 주기마다 충전 전압과 방전 전압의 시간 평균값을 배터리 셀의 충전 상태 전압으로 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 미리 설정된 주기는 시간 또는 충방전 횟수를 기준으로 설정된 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 방법.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 (b)단계는, 실시간으로 배터리 셀의 충전 상태 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 방법.
  24. 제16항에 있어서,
    상기 (c)단계는, 상기 산출된 배터리 셀들에 대한 충전 상태 전압의 평균값을 밸런싱 기준 전압으로 계산하고, 상기 밸런싱 기준 전압과 편차가 있는 충전 상태 전압을 가진 배터리 셀을 선택하는 단계;임을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 방법.
  25. 제16항에 있어서,
    상기 (c)단계는, 미리 설정된 밸런싱 기준 전압과 편차가 있는 충전 상태 전압을 가진 배터리 셀을 선택하는 단계;임을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 방법.
  26. 제16항에 있어서,
    상기 각각의 배터리 셀에 대한 충전 전압과 방전 전압의 시간 평균값을 계산하기 위해 사용되는 충전 전압 및 방전 전압과 각 배터리 셀의 충전 상태 전압을 저장하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 충전량 밸런싱 방법.
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