KR100969589B1

KR100969589B1 - 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템

Info

Publication number: KR100969589B1
Application number: KR1020090017812A
Authority: KR
Inventors: 김흥일
Original assignee: 대호전자(주)
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2010-07-12

Abstract

개별 배터리 셀간의 밸런싱을 수행한 후 만충전시킴으로써, 예비 충전 상태에서 급속 충전 상태로 신속하게 전환시킬 수 있고, 배터리 팩에 포함된 각각의 배터리 셀간의 전압을 측정하여, 항상 균등한 상태로 충방전이 이루어질 수 있게 하는 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템이 제공된다. 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템은, 다수의 배터리 셀의 양단에 각각 연결되어 배터리 셀의 전압을 개별적으로 선택 검출하는 배터리 셀 전압검출부; 배터리 셀 전압검출부에 의해 검출된 개별 배터리 셀의 전압을 디지털 값으로 변환하여 계산하는 연산부; 연산부에서 계산된 개별 배터리 셀의 측정 데이터를 비교하여 각각의 전압 편차를 계산하고, 개별 배터리 셀간의 밸런싱을 수행하도록 각각의 전압 편차에 대응하여 개별 충전신호 또는 개별 방전신호를 생성하는 제어부; 배터리 셀을 전체 충전하거나 또는 제어부의 생성된 개별 충전신호에 따라 개별 배터리 셀을 개별 충전하는 배터리 셀 전압 충전부; 다수의 배터리 셀의 양단에 각각 연결되어 배터리 셀을 개별 방전시키는 방전부; 및 각각의 전압 편차에 대응하는 제어부의 개별 방전신호에 따라 방전부의 방전을 제어하는 방전 제어부를 포함한다.

배터리 관리 시스템, 급속 충전, 배터리 팩, 배터리 셀, 밸런싱, 개별 방전

Description

급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템 {Battery module maintenance system for quick charging}

본 발명은 배터리 모듈 관리 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 항상 균등한 상태로 충방전이 이루어질 수 있도록 배터리 팩 내의 각 배터리 셀간의 잔존 용량을 측정하여 배터리 셀간의 전압을 균등하게 맞추기 위한 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 전기자동차, 하이브리드(Hybrid) 전기자동차, 전기 오토바이(E-Scooter) 등에서의 모터를 구동하기 위한 배터리는, 수십 킬로와트(㎾) 정도의 대용량 전력을 발생하기 위하여 수십 볼트(V), 수백 암페어(A) 정도의 출력이 가능한 대용량 배터리가 사용되는데, 이를 위해서는 단일 배터리 셀을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 하나의 배터리 모듈을 형성하여 사용해야 한다. 즉, 단일 셀보다는 멀티-셀의 팩을 이용함으로서 고전압을 인가하거나 용량을 증가시킬 수 있다.

그러나 다수의 배터리 셀을 연결하여 하나의 배터리 모듈로 사용하는 경우, 해당 각 셀이 지닌 화학적 차이, 물성적 차이, 노후화의 차이 등으로 인해 해당 각 셀간의 전압차가 발생하게 된다. 이때, 이것을 방치하고 그대로 배터리 셀을 사용하는 경우에는, 시간이 지남에 따라 전압이 낮은 셀은 더욱 낮아지게 되고, 결국에 배터리 모듈 또는 배터리 팩(Pack) 전체를 새것으로 교체해야 함으로써, 전체적인 배터리 수명이 단축되어 경제적인 손실을 초래하게 되는 문제점이 있다.

도 1은 일반적인 다수의 배터리의 연결에 따른 출력 상태들을 예시하는 도면이다.

구체적으로, 도 1의 a)는 정상적인 2V 110EA 배터리가, 예를 들면, 110개 연결되어 220V가 정상 출력되는 것을 예시하는 도면이고, 도 1의 b)는 적어도 한 개 이상의 배터리가 0V인 경우, 전체 출력전압이 0V가 되는 것을 예시하며, 도 1의 c)는 적어도 한 개 이상의 배터리가 성능이 저하됨으로써 전체 성능이 저하되거나 폭발의 위험성이 발생할 수 있는 것을 예시하는 도면이다.

특히, 각 배터리 셀에서의 충방전 횟수가 증가됨에 따라 각각의 배터리 셀간에 용량 편차가 점차 심해지며, 이에 따라, 도 1의 c)에 도시된 바와 같이, 상대적으로 다른 배터리 셀보다 전압이 약한 배터리 셀이 발생하게 되고, 약한 배터리 셀은 전체적으로 나머지 다른 배터리 셀의 성능을 약화시킨다는 문제점이 있었다.

이와 같이 배터리 팩 안의 배터리 셀들 사이의 전압 편차는 배터리들 사이에 언밸런싱을 생성하여, 배터리 팩의 용량 손실을 초래할 수 있다. 이에 따라, 모든 배터리의 과충전을 방지하고 균등하게 충전시킬 수 있도록 각각의 배터리들을 밸런싱하기 위한 다양한 배터리 밸런싱 시스템 및 방법이 개발되었다.

밸런싱 기능을 간략히 설명하면, 배터리 관리 시스템은 다수의 배터리의 평균전압을 검출하고, 평균전압을 초과하는 배터리에 대해서는 방전저항을 통해 방전시키고 평균전압에 미치지 못하는 배터리에 대해서는 외부전원을 이용하여 충전한다. 이로서 모든 배터리의 전압 또는 방전심도(State Of Charge: SOC)가 평형을 이루게 된다.

예를 들면, 배터리 팩 내의 배터리 셀 중에서 전압이 높은 배터리 셀에 저항 등을 통해 전류를 흐르게 하여 배터리 밸런싱을 맞추는 방법이 있다. 이 방법은 간단하지만, 밸런스가 맞지 않는 고전압 배터리 셀의 수가 많아지면, 방전 전류량이 많아지고 발열이 많이 되는 문제점이 있었다. 또한, 이 방법은 배터리 팩의 복수의 배터리 중 최저 전압의 배터리에 밸런스가 맞춰지는 문제점이 있었다.

또한, 배터리 팩의 복수의 배터리들 중 저전압의 배터리에 충전 전류를 흐르게 하여 밸런싱을 맞추는 방법도 있다. 이 방법은 DC-DC 컨버터를 이용하는 것으로 일반적으로 효율이 높고 발열이 작다. 그러나 이 방법도 저전압 배터리의 수가 많아지면, 배터리 팩의 전체의 배터리의 전압이 원래의 최저 전압보다 낮아지는 상황이 발생한다.

또한, 배터리 팩 안의 배터리들의 전압을 검출할 때, 배터리에 밸런스 전류가 흐르고 있는지 여부에 관계없이 전압을 검출하는 방법도 있다. 이러한 전압 검출 방법은 큰 전류로 밸런스를 맞추는 시스템이나, 밸런스 전류가 흐르는 경로와 전압 검출 경로를 공용하는 시스템에서 밸런스 전류에 의한 전압 강하가 생기고 전압을 정확하게 검출할 수 없는 문제점이 발생한다.

예를 들면, 배터리로 밸런스 전류가 흐르고 있는 경우, 그 밸런스 전류의 변화에 의해 배터리의 단자 전압은 복잡하게 변한다. 따라서 밸런싱 전류가 흐르는 배터리가 있을 때에, 이 밸런싱 전류에 상관없이 전압을 판독하면, 모든 배터리의 밸런스가 맞더라도, 각 배터리들이 다른 전압값으로 판독된다.

한편, 관련 기술로서, 대한민국 특허출원번호 제2005-3852호(출원일: 2005년 01월 14일)에는 "배터리의 밸런싱 장치 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 이러한 배터리의 밸런싱 방법은, 주기적으로 다수의 배터리의 전압을 검출하여 소정 개수의 밸런싱 대상 배터리가 존재하면, 이들 중 최고 전압의 배터리와 최저 전압의 배터리를 선택하여 서로 병렬 연결하고, 이에 따라 별도의 외부전원 없이도 전압 평균값을 초과하는 최고 전압의 배터리는 방전되고, 전압 평균값에 미치지 못하는 최저 전압의 배터리는 충전되면서 밸런싱이 완료되는 것을 특징으로 한다.

특허출원번호 제2005-3852호에 따르면, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 구비되는 다수의 배터리를 밸런싱하는데 별도의 외부 에너지의 손실 없이 다수의 배터리의 평형상태를 유지시킬 수 있고, 또는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 구비되는 배터리 관리 시스템의 발열을 최소화할 수 있다.

한편, 관련 기술로서, 대한민국 특허출원번호 제2005-128935호(출원일: 2005년 12월 23일)에는 "리튬 이온 배터리의 전압 밸런싱 제어 시스템 및 그 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 이러한 리튬 이온 배터리의 전압 밸런싱 제어 시스템은, 전압 판독 기간과 밸런스 기간을 정하고 있는 판독 밸런스 신호와 전압 판독시의 배터리 전압을 홀드하는 판독 홀드 신호의 입력을 출력하는 버티컬 인터페이스; 제어하고자 하는 배터리의 어드레스를 지정하기 위한 어드레스 클럭; 전압 밸런스 기간 내의 배터리 전압을 독립적으로 판독하기 위한 밸런스 홀드 신호의 입력을 출력하는 인터페이스; 및 상기 버티컬 인터페이스 및 인터페이스에 접속되어, 이들 인터페이스로부터 신호 출력을 수신하여 배터리들의 밸런싱을 조절하는 배터리 밸런싱 조절 회로의 제어부를 포함한다.

특허출원번호 제2005-128935에 따르면, 리튬 이온 배터리 배터리에서 밸런스 기간과 전압 측정 기간을 구분하여 전압 밸런싱의 정확도를 향상시킬 수 있다.

또한, 종래기술에 따른 배터리 팩의 기존의 충방전 시스템에서 나타나는 급작스런 수명의 저하와 배터리 전압과 사용 전류, 잔존 용량 등을 보여주는 배터리 관련 게이지의 부정확성과 같은 문제점이 발생하고 있다. 또한, 전술한 종래기술에 따른 밸런싱 방법들의 경우, 각각의 배터리 셀의 잔존 용량을 정확하게 측정하여 계산하지 않기 때문에 급속 충전 시에 성능의 열화가 발생하게 되는 문제점이 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 개별 배터리 셀간의 밸런싱을 수행한 후 만충전시킴으로써, 예비 충전 상태에서 급속 충전 상태로 신속하게 전환시킬 수 있는 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 배터리 팩 내의 배터리 셀의 잔존 용량을 정확하게 측정하는 회로 개발을 통하여 각 배터리 셀의 잔존 용량을 측정하여 계산함으로써 배터리 셀간의 전압편차를 계산하여 배터리 셀간의 전압 편차를 균등하게 맞출 수 있는 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템을 제공하기 위한 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템은, 다수의 개별 배터리 셀(Battery Cell)로 각각 이루어진 다수의 배터리 팩(Battery Pack)을 직렬 또는 병렬로 연결한 배터리 모듈(Battery module)의 충전 및 방전을 관리하는 배터리 모듈 관리 시스템에 있어서, 상기 다수의 배터리 셀의 양단에 각각 연결되어 상기 배터리 셀의 전압을 개별적으로 선택 검출하는 배터리 셀 전압검출부; 상기 배터리 셀 전압검출부에 의해 검출된 개별 배터리 셀의 전압을 디지털 값으로 변환하여 계산하는 연산부; 상기 연산부에서 계산된 개별 배터리 셀의 측정 데이터를 비교하여 각각의 전압 편차를 계산하고, 상기 개별 배터리 셀간의 밸런싱을 수행하도록 상기 각각의 전압 편차에 대응하여 개별 충전신호 또는 개별 방전신호를 생성하는 제어부; 상기 배터리 셀을 전체 충전하거나 또는 상기 제어부의 생성된 개별 충전신호에 따라 개별 배터리 셀을 개별 충전하는 배터리 셀 전압 충전부; 상기 다수의 배터리 셀의 양단에 각각 연결되어 상기 배터리 셀을 개별 방전시키는 방전부; 및 상기 각각의 전압 편차에 대응하는 상기 제어부의 개별 방전신호에 따라 상기 방전부의 방전을 제어하는 방전 제어부를 포함하되, 상기 제어부는 상기 개별 배터리 셀간의 밸런싱을 수행한 후 만충전시킴으로써, 예비 충전 상태에서 급속 충전 상태로 신속하게 전환시키는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제어부는 직렬로 연결된 각각의 배터리 셀의 전체 충전 후에 각각의 배터리 셀간의 밸런스를 위하여 개별 배터리 셀이 방전되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 본 발명에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템은, 상기 배터리 셀 전압검출부가 직렬로 연결된 배터리 셀로부터 개별적으로 각각의 배터리 셀 전압을 검출하도록 전체 전압을 각각 분배하는 분배저항을 추가로 포함할 수 있다.

여기서, 상기 배터리 셀 전압검출부는 직렬로 연결된 배터리 셀을 개별적으로 선택하는 멀티플렉서(MUX)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 배터리 셀 전압 충전부는 직렬로 연결된 배터리 셀에게 개별 충전을 수행할 수 있도록 TTL 레벨에서 구동되는 FET(Field Effect Transistor)로 절체되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 배터리 셀 전압검출부의 측정 전압은 상기 연산부의 A/D 변환 동작범위에서 상기 배터리 셀의 전압을 측정할 수 있도록 사용 전원전압(Vdd) 이하로 설정되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 방전부는 선택된 배터리 셀의 방전을 수행하며, 상기 배터리 셀의 용량에 따라 온/오프 시간(On/Off Time)이 조절되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 방전부는 상기 배터리 셀들이 직렬로 연결되어 전압 차이가 존재하므로 각각의 개별 방전을 선택하도록 TTL 레벨에서 구동되는 FET로 절체되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 본 발명에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템은, 상기 배터리 셀의 각각의 전압, 사용 전류 및 잔존 용량을 보여주는 배터리 관련 게이지를 추가로 포함할 수 있다.

여기서, 본 발명에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템은, 상기 제어부와 외부 시스템이 시리얼(Serial) 통신하도록 시리얼 통신부(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter: UART)를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 개별 배터리 셀간의 밸런싱을 수행한 후 만충전시킴으로써, 예비 충전 상태에서 급속 충전 상태로 신속하게 전환시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 배터리 팩 내의 각 배터리 셀간의 잔존 용량을 정확하게 측정하여 배터리 셀간의 전압을 균등하게 맞추어 항상 일정한 용량의 전압과 전류량을 유지하며 충방전을 할 수 있도록 함으로써, 배터리 팩의 수명을 연장시킬 수 있고, 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 배터리 게이지의 정확도를 향상시켜 관리자가 배터리 팩의 잔존 용량을 정확하게 판단함으로써 주행 거리를 정확하게 예측할 수 있게 되어 사용의 편리성을 증대시키고 A/S 비용을 감소시킬 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 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.

본 발명의 실시예로서, 개별 배터리 셀간의 밸런싱을 수행한 후 만충전시킴으로써, 적어도 두 개 이상의 배터리 팩에 대한 예비 충전 시간을 단축하고, 또한, 예비 충전 상태에서 급속 충전 상태로 신속하게 전환시킬 수 있는, 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템이 제공된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템의 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템(100)은 다수의 개별 배터리 셀(Battery Cell)로 각각 이루어진 다수의 배터 리 팩(Battery Pack)을 직렬 또는 병렬로 연결한 배터리 모듈(Battery module: 200)의 충전 및 방전을 관리하는 배터리 모듈 관리 시스템으로서, 조작 스위치(110), 제어부(120), 전원 공급부(130), 연산부(140), 배터리 셀 전압 측정부(150), 분배저항(160), 방전 제어부(170), 방전부(180), 시리얼 통신부(UART: 191), LED 표시부(192) 및 경보 출력부(193)를 포함한다. 여기서, 배터리 모듈(200)은 부하(300)에 연결되는 다수의 배터리 팩을 포함할 수 있고, 각각의 배터리 팩은 직렬로 연결되는 다수의 배터리 셀을 포함할 수 있다.

배터리 셀 전압 측정부(150)는 상기 다수의 배터리 셀의 양단에 각각 연결되어 상기 배터리 셀의 전압을 개별적으로 선택 검출하게 된다. 이때, 상기 배터리 셀 전압검출부(150)는 직렬로 연결된 배터리 셀을 개별적으로 선택하는 멀티플렉서(MUX)로 구현될 수 있다. 상기 배터리 셀 전압검출부(150)의 측정 전압은 상기 연산부(140)의 A/D 변환 동작범위에서 상기 배터리 셀의 전압을 측정할 수 있도록 사용 전원전압(Vdd) 이하로 설정되는 것이 바람직하다.

연산부(140)는 상기 배터리 셀 전압검출부(150)에 의해 검출된 개별 배터리 셀의 전압을 디지털 값으로 변환하여 계산한다.

제어부(120)는 통상적으로 마이컴으로 구현될 수 있고 조작 스위치(110)에 의해 신호를 입력받게 되며, 상기 연산부(140)에서 계산된 개별 배터리 셀의 측정 데이터를 비교하여 각각의 전압 편차를 계산하고, 상기 개별 배터리 셀간의 밸런싱을 수행하도록 상기 각각의 전압 편차에 대응하여 개별 충전신호 또는 개별 방전신호를 생성하게 된다. 또한, 상기 제어부(120)는 직렬로 연결된 각각의 배터리 셀 의 전체 충전 후에 각각의 배터리 셀간의 밸런스를 위하여 개별 배터리 셀이 방전되도록 제어하게 된다.

배터리 셀 전압 충전부(도시되지 않음)는 상기 배터리 셀을 전체 충전하거나 또는 상기 제어부(120)의 생성된 개별 충전신호에 따라 개별 배터리 셀을 개별 충전하게 된다. 이때, 상기 배터리 셀 전압 충전부는 상기 배터리 셀 전압 측정부(150)와 함께 유사한 회로로 구현될 수 있으며, 상기 배터리 셀 전압 충전부는 직렬로 연결된 배터리 셀에게 개별 충전을 수행할 수 있도록 TTL 레벨에서 구동되는 FET(Field Effect Transistor)로 절체되어야 한다.

분배저항(160)은 상기 배터리 셀 전압검출부(150)가 직렬로 연결된 배터리 셀로부터 개별적으로 각각의 배터리 셀 전압을 검출하도록 전체 전압을 각각 분배하게 된다.

방전부(180)는 상기 다수의 배터리 셀의 양단에 각각 연결되어 상기 배터리 셀을 개별 방전시키는 역할을 한다. 여기서, 상기 방전부(180)는 선택된 배터리 셀의 방전을 수행하며, 상기 배터리 셀의 용량에 따라 온/오프 시간(On/Off Time)이 조절되며, 또한, 상기 방전부(180)는 상기 배터리 셀들이 직렬로 연결되어 전압 차이가 존재하므로 각각의 개별 방전을 선택하도록 TTL 레벨에서 구동되는 FET로 절체될 수 있다.

방전 제어부(170)는 상기 각각의 전압 편차에 대응하는 상기 제어부(120)에서 생성된 개별 방전신호에 따라 상기 방전부(180)의 방전을 제어하게 된다.

시리얼 통신부(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter: UART)(191)는 상기 제어부(120)와 외부 시스템이 시리얼(Serial) 통신이 가능하도록 구비되며, 통상적으로, 상기 UART(191)는 상기 제어부(120)인 마이컴 내에 내장될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템은, 상기 배터리 셀의 각각의 전압, 사용 전류 및 잔존 용량을 보여주는 배터리 관련 게이지(도시되지 않음)를 추가로 포함할 수 있다.

LED 표시부(192)는 상기 배터리 셀의 충전 및 방전 등의 상태를 LED로 표시하기 위해 사용될 수 있고, 경보 출력부(193)는 상기 배터리 셀의 충전 및 방전 시 발생할 수 있는 위험 등에 대비하여 설치되는 알람일 수 있다.

결국, 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템(100)은, 배터리 잔량 측정 회로를 통하여 각각의 배터리 셀의 전압 및 전류를 측정하여 다른 배터리 셀과의 측정 데이터를 비교하고, 발생한 전압편차를 계산하여 계산된 용량만큼 충전 혹은 방전을 하여 균형이 같게 맞추어 주게 된다. 이에 따라 상기 제어부(120)는 상기 개별 배터리 셀간의 밸런싱을 수행한 후 만충전시킴으로써, 예비 충전 상태에서 급속 충전 상태로 신속하게 전환시킬 수 있게 된다.

한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템의 데이터 통신을 예시하는 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템(100)은, 적어도 두개 이상의 배터리 셀(221b, 222b, 223b)로 구성된 배터리 팩(220a, 220b, 220c)이 다수 직렬 또는 병렬로 연결된 배터리 모듈(200a, 200b, 200c)을 관리하기 위한 시스템으로서, 전체 출력전압은 이러한 배터리 모듈(200a, 200b, 200c)의 합성전압과 합성전류가 된다. 이때, 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템(100)은 무선 데이터 통신이 가능하도록 형성될 수 있고, 또한, 각각의 배터리 모듈(200a, 200b, 200c)은 펄스코드 변조(PCM) 데이터 통신이 가능하도록 구성될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.

그런데, 전술한 도 1의 a)에 도시된 바와 같이 직렬(또는 병렬)로 구성된 배터리 모듈(200a, 200b, 200c)의 충전 및 방전을 전체용량에 대한 충전 및 방전을 시행하고, 만약 도 1의 b)에 도시된 바와 같이 전압 불균형의 장기화로 인한 배터리 모듈(200a, 200b, 200c) 불량으로 인해 배터리 전체에서 전압이 출력되지 않는 단점이 있다.

이에 따라 도 3에서와 같이 충전 및 방전을 각 배터리 모듈(200a, 200b, 200c)별로 제어함으로써, 전체 배터리 모듈(200a, 200b, 200c) 중에서 하나의 배터리 모듈(200a, 200b, 200c)이 불량이 발생하더라도 불량이 발생한 배터리 모듈(200a, 200b, 200c)을 바로 확인할 수 있으며, 이에 따라 안정적으로 전원을 공급할 수 있게 된다. 이때, 배터리 모듈(200a, 200b, 200c)과 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템(100)은 스위치(410, 420, 430)에 의해 선택적으로 연결될 수 있다.

한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 각각의 배터리 모듈들의 충전 전압을 측정한 것을 나타내는 화면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 통신 포트 연결 및 데이터 수신을 나타내는 화면이다.

본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 각각의 배터리 모듈들의 충전 전압을 측정한 것을 나타내는 화면(510)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 배터리 셀들이 3.313V로 모두 동일하게 나타나는 것을 예시하고 있다.

본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 통신 포트 연결 및 데이터 수신을 나타내는 화면(520)은, 도 2에 도시된 UART(191)와 RS232C 통신하는 것을 나타낸 화면으로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 통신포트 연결 후에 데이터 수신을 확인하고, 통신 확인 후에 끊기를 수행함으로써 데이터 수신이 종료된다.

한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 마스터 모듈과 슬레이브 모듈들 간의 연결 관계를 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템이 마스터 모듈(610)과 슬레이브 모듈들(620, 630)로 구현될 수 있는데, 이때, 마스터 모듈(610)과 슬레이브 모듈들(620, 630)은 각각 DC/DC 변환기(642) 및 UART(641a, 641b, 641c)가 연결될 수 있다.

충전기(643a, 643b, 643c)로 유입되는 외부 전원과 배터리 모듈(200a, 200b, 200c) 사이의 전원이 절연되어야 전압충돌을 막을 수 있다. 충전 시에는 슬레이브 모듈(620, 630)과 마스터 모듈(610)의 구분 없이 독립적으로 충전하며, 완충 시에만 결과를 마스터 모듈(610)로 전달하여 마스터 모듈(610)이 전체 충전 완료를 파악할 수 있다.

또한, 평소에는 마스터 모듈(610)이 충전과 방전을 관리하고, 또한, 마스터 모듈(610)에 상위 시스템인 PC를 연결하면 데이터를 수집할 수도 있다.

한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 멀티플렉서 회로를 예시하는 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템의 배터리 셀 전압검출부(150)는 여러 개의 배터리 셀에서 하나를 선택할 수 있게 해주는 멀티플렉서(MUX) 회로, 구체적으로, CMOS 멀티플렉서 IC로 구현될 수 있다.

이때, 멀티플렉서(MUX) 회로는 상기 다수의 배터리 셀의 양단에 각각 연결되어 상기 배터리 셀의 전압을 개별적으로 선택 검출하게 된다. 즉, 배터리 모듈(200) 내의 직렬로 연결된 배터리 셀에서 하나의 배터리 셀만을 분리하여 전압을 측정한다.

상기 배터리 셀 전압검출부(150)의 측정 전압은 상기 연산부(140)의 A/D 변환 동작범위에서 상기 배터리 셀의 전압을 측정할 수 있도록 사용 전원전압(Vdd) 이하로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 배터리 셀 전압검출부(150)는 스위치 온(On) 시에 CMOS IC의 내부 저항값을 고려한 회로로서, 예를 들면, 하이브리드화하거나 ASIC으로 구현할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 FET 스위치 절체회로를 예시하는 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템의 배터리 셀 전압 충전부(155)는 FET 스위치 절체회로로서, 상기 배터리 셀을 전체 충전하거나 또는 상기 제어부(120)의 생성된 개별 충전신호에 따라 개별 배터리 셀을 개별 충전하게 된다. 이때, 상기 배터리 셀 전압 충전부(155)는 배터리 셀간의 밸런스를 위하여 직렬로 연결된 배터리 셀에게 개별 충전을 수행할 수 있도록 TTL 레벨에서 구동되는 FET(Field Effect Transistor)로 절체되어야 한다.

상기 배터리 셀 전압 충전부(155)는 충전하고자 하는 개별의 배터리 셀에 FET를 이용하여 전극단을 스위칭하게 되며, FET에 인가되는 전원 전압을 초과하지 않도록 설계하고, 또한, 예를 들면, 하이브리드화하거나 ASIC으로 구현할 수 있다.

한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 구체적인 밸런싱 회로도로서, 각각의 배터리 셀을 선택하여 방전하게 된다.

직렬로 연결된 배터리 팩 내의 각각의 배터리 셀에 충전 및 방전을 제어하며, FET를 사용하여 개별 셀 전압을 보정해줄 수 있다. 또한 배터리 셀간 전압을 보정하기 위해서 방전시 사용되는 저항은 반드시 와트저항으로 한다. 이때, 연속 방전시 열화가 우려되므로 일정 주기, 예를 들면, 약 0.5초로 단속하여 제어하는 것이 바람직하다.

한편, 이하 도 10 내지 도 13을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템의 방전 및 충전 실험을 설명하기로 한다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 각각의 개별 셀들을 방전하고 전체를 충전하는 실험을 예시하는 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템은, 도 10에 도시된 바와 같이, 직렬로 연결된 배터리 셀에서 전체 충전 후에 개별 방전하게 된다.

구체적으로, 전체 충전 후에 각 배터리 셀의 전압을 측정하여 셀간의 전압 편차를 각각의 배터리 셀 방전을 통하여 균등하게 해주는지 확인한다. 이때, 6개의 배터리 셀에 전체전압 25.20V를 인가한 후, 최초 4.20V에 도달하는 배터리 셀을 방전하며, 다음에 도달하는 배터리 셀도 차례로 방전하여 마지막 셀이 4.20V까지 되는지를 실험하고, 충전과 방전에서 과열 현상을 확인하고, 최소 제어 전압 50㎷를 확인한다.

구체적으로, 도 10은 각각의 셀을 방전하며 전체를 충전하는 실험을 나타내는 사진으로서, 도면부호 710은 2000㎃h의 6개의 배터리 셀을 나타내며, 도면부호 720은 각 배터리 셀을 선택하여 방전하는 것을 나타내고, 도면부호 730은 각각의 배터리 셀 전압을 분리하여 측정하는 것을 나타낸다.

따라서 기초실험을 기본으로 하여 직렬로 연결된 배터리에 전체 충전을 하고, 충전을 진행하면서 완충된 배터리 셀은 개별 방전을 하면서 종지전압을 유지한다. 이때, 나머지 배터리들이 만충전되도록 전체 충전을 유지한다.

한편, 배터리 셀들은 직렬로 연결되어 있어 전압 차이가 존재한다. 이때, 각각의 개별 방전을 선택하기 위하여 TTL 레벨로 CMOS IC를 구동하기 위하여 회로가 필요하므로, FET를 조합하여 회로를 구성한다.

본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서, 선택된 배터리만 방전이 이루어지며 배터리 셀들의 용량에 따라 ON/OFF Time을 조절해야 하며, 방전 ON Time이 길게 되면 방전저항 및 회로 열화로 문제가 발생할 수 있다. 따라서 방전 주기는 30%~60% 이내로 조정한다.

도 11a 및 도 11b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 테스트보드에 구성한 방전회로 및 배터리 보호용 퓨즈 블록을 예시하는 도면들이며, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 개별 방전 실험을 수행하기 위한 회로도이다.

도 11a는 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 테스트보드에 구성한 방전회로 실험을 나타내는 사진으로서, 개별 방전을 위한 FET 회로 구성을 나타내며, 도 12에 도시된 바와 같은 회로로 구성된다.

도 12에서 도면부호 A로 도시된 바와 같은 FET에 의해 개별 방전이 이루어진다. 이때, 배터리 셀의 선택은 TTL 레벨로 전술한 제어부의 출력 단자에서 제어할 수 있도록 구성할 수 있고, 그 실험 결과는 선택한 채널이 제어부에서 제어 가능하도록 구현된다.

도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 배터리 보호용 퓨즈 블록을 예시하는 도면으로서, 실험 도중에 회로 이상으로 과부하가 걸려서 전압 측정용 배선이 급격한 과부하를 견디지 못하여 배선에서 발화할 가능성이 있으므로, 만일의 사태에 대비하고자 배터리 각 셀 단자에 보호용 퓨즈를 장착한 것을 나타내고 있다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 개별 전압 측정 실험을 수행하기 위한 회로도이다.

도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서, 배터리 셀 전압 측정부(150)는 A/D 컨버터의 동작범위에서 배터리 전압을 측정하기 위해서는 측정전압을 사용 전원전압 이하로 만들어야 한다. 이때, 직렬로 연결된 배터리 전압은 매우 높은 전압이므로 분배저항을 사용하여 분배해야만 하며, 결국, 직렬로 연결된 배터리에서 개별로 각각의 배터리 셀 전압을 검출할 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 전압 측정부(150)는 OP-AMP의 비교기 기능을 이용하여 분리하며, 이때, 차동증폭기의 +, - 단자에 직렬로 연결된 배터리의 전압을 인가하여 분리한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 전압 측정부(150)는 접지전압(GROUND)을 기준으로 각각의 셀 전압을 단독으로 측정하게 되며, 이때 측정된 전압값은 A/D 연산할 수 있다.

결국, 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템은, 배터리 팩 내에 직렬로 배치된 각각의 배터리 셀의 충전 상태, 즉, 충전전압 및 충전전류를 지속적으로 확인하고, 균등한 밸런싱을 수행하여 짧은 시간내에 만충전이 가능하게 함으로써 하이브리드 장치, 예를 들면, 풍력, 태양광, 수력 등 신재생 에너지 또는 하이브리드 카 등에 사용되는 배터리 모듈을 고속으로 충전하고, 이에 따라 배터리 모듈의 효율을 향상시킬 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템의 데이터 통신을 예시하는 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 각각의 배터리 모듈들의 충전 전압을 측정한 것을 나타내는 화면이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 통신 포트 연결 및 데이터 수신을 나타내는 화면이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 마스터 모듈과 슬레이브 모듈들 간의 연결 관계를 나타내는 도면이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 멀티플렉서 회로를 예시하는 도면이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 구체적인 밸런싱 회로도이다.

도 11a 및 도 11b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 테스트보드에 구성한 방전회로 및 배터리 보호용 퓨즈 블록을 예시하는 도면들이다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템에서 개별 방전 실험을 수행하기 위한 회로도이다.

< 도면부호의 간단한 설명 >

100: 배터리 모듈 관리 시스템

110: 조작 스위치 120: 제어부(마이컴)

130: 전원 공급부 140: 연산부

150: 배터리 셀 전압 검출부

155: 배터리 셀 전압 보정부

160: 분배저항 170: 방전 제어부

180: 방전부 191: 시리얼 통신부(UART)

192: LED 표시부 193: 경보 출력부

200, 200a, 200b, 200c: 배터리 모듈 300: 부하

220a, 220b, 220c: 배터리 팩 221b, 223b, 223b: 배터리 셀

410, 420, 430: 스위치 610: 마스터 모듈

620, 630: 슬레이브 모듈 641a, 641b, 641c: UART

642: DC/DC 변환기 643a, 643b, 643c: 충전기

Claims

다수의 개별 배터리 셀(Battery Cell)로 각각 이루어진 다수의 배터리 팩(Battery Pack)을 직렬 또는 병렬로 연결한 배터리 모듈(Battery module)의 상기 다수의 배터리 셀의 양단에 각각 연결되어 상기 배터리 셀의 전압을 개별적으로 선택 검출하는 배터리 셀 전압검출부;

상기 배터리 셀 전압검출부에 의해 검출된 개별 배터리 셀의 전압을 디지털 값으로 변환하여 계산하는 연산부;

상기 연산부에서 계산된 개별 배터리 셀의 측정 데이터를 비교하여 각각의 전압 편차를 계산하고, 상기 개별 배터리 셀간의 밸런싱을 수행하도록 상기 각각의 전압 편차에 대응하여 개별 충전신호 또는 개별 방전신호를 생성하는 제어부;

상기 배터리 셀을 전체 충전하거나 또는 상기 제어부의 생성된 개별 충전신호에 따라 개별 배터리 셀을 개별 충전하는 배터리 셀 전압 충전부;

상기 다수의 배터리 셀의 양단에 각각 연결되어 상기 배터리 셀을 개별 방전시키는 방전부; 및

상기 각각의 전압 편차에 대응하는 상기 제어부의 개별 방전신호에 따라 상기 방전부의 방전을 제어하는 방전 제어부로 구성되어, 충전 및 방전을 관리하는 배터리 모듈 관리 시스템에 있어서,

상기 제어부는;

상기 개별 배터리 셀의 각각의 개별 방전을 통하여 상기 개별 배터리 셀간의 밸런싱을 수행한 후, 상기 다수의 개별 배터리 셀 전체를 일괄 만충전시킴으로써, 예비 충전 상태에서 급속 충전 상태로 신속하게 전환시키고, 상기 직렬로 연결된 각각의 배터리 셀의 전체 충전 후에 각각의 배터리 셀간의 밸런스를 위하여 개별 배터리 셀이 방전되도록 제어하며,

상기 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템은,

하나의 마스터 모듈(610)과 다수의 슬레이브 모듈들(620, 630)로 구성되며,

상기 하나의 마스터 모듈(610)과 다수의 슬레이브 모듈들(620, 630)은 각각 DC/DC 변환기(642) 및 UART(641a, 641b, 641c)가 연결되고, 충전기(643a, 643b, 643c)로 유입되는 외부 전원과 배터리 모듈(200a, 200b, 200c) 사이의 전원이 절연되어 전압충돌을 막고, 충전 시에는 상기 다수의 슬레이브 모듈(620, 630)과 상기 마스터 모듈(610)의 구분 없이 독립적으로 충전하며, 완충 시에만 결과를 상기 마스터 모듈(610)로 전달하여 상기 마스터 모듈(610)이 전체 충전 완료를 파악할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템.
삭제
제1항에 있어서,

상기 배터리 셀 전압검출부가 직렬로 연결된 배터리 셀로부터 개별적으로 각각의 배터리 셀 전압을 검출하도록 전체 전압을 각각 분배하는 분배저항

을 추가로 포함하는 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 배터리 셀 전압검출부는 직렬로 연결된 배터리 셀을 개별적으로 선택하는 멀티플렉서(MUX)를 포함하는 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 배터리 셀 전압 충전부는 직렬로 연결된 배터리 셀에게 개별 충전을 수행할 수 있도록 TTL(Transistor Transistor Logic) 레벨에서 구동되는 FET(Field Effect Transistor)로 절체되는 것을 특징으로 하는 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 배터리 셀 전압검출부의 측정 전압은 상기 연산부의 A/D 변환 동작범위에서 상기 배터리 셀의 전압을 측정할 수 있도록 사용 전원전압(Vdd) 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 방전부는 선택된 배터리 셀의 방전을 수행하며, 상기 배터리 셀의 용량에 따라 온/오프 시간(On/Off Time)이 조절되는 것을 특징으로 하는 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 방전부는 상기 배터리 셀들이 직렬로 연결되어 전압 차이가 존재하므로 각각의 개별 방전을 선택하도록 TTL 레벨에서 구동되는 FET로 절체되는 것을 특징으로 하는 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 배터리 셀의 각각의 전압, 사용 전류 및 잔존 용량을 보여주는 배터리 관련 게이지

를 추가로 포함하는 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 제어부와 외부 시스템이 시리얼(Serial) 통신하도록 시리얼 통신부(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter: UART)를 추가로 포함하는 급속 충전용 배터리 모듈 관리 시스템.