KR101482147B1

KR101482147B1 - 배터리 관리 시스템용 균등 제어장치

Info

Publication number: KR101482147B1
Application number: KR1020130136284A
Authority: KR
Inventors: 김시경; 최철형
Original assignee: 공주대학교 산학협력단
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2015-01-14

Abstract

본 발명은 복수의 셀의 출력 전압에 대한 평균값을 이용하여 셀 밸런스를 맞추도록 함으로써, 최저 셀의 특성에 따라 주변 셀을 맞추는 최저전압 추종방식의 셀 밸런스 방식의 셀 효율 저하와 주변 셀의 컨디션을 무시하는 단점을 최소화하고, 가장 높은 전압의 셀을 방전시켜 셀 밸런스를 맞추는 최대 전압 추종방식의 에너지 낭비를 최소화하며, 각 셀에 대해 채널 번호를 부여하여 배터리 팩에서의 위치관계를 파악하여 각 셀을 개별 모니터링 할 수 있는 배터리 관리 시스템용 균등 제어장치를 개시한다.

Description

배터리 관리 시스템용 균등 제어장치{Balencing controller for battery management systme}

본 발명은 균등 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 팩을 구성하는 각 셀(Cell)의 평균값을 추종하여 이웃 셀의 셀 밸런스를 맞추는 균등제어를 수행함으로써 최저전압 추종방식 또는 최대전압 추종방식으로 셀 밸런스를 맞추는 제어방식의 단점을 보완하는 배터리 관리 시스템용 균등 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 배터리 팩은 셀 단위 배터리의 전압을 직결하여 고전압을 형성한 배터리로서, 에너지 저장 시스템(ESS), 무정전 전원 공급장치(UPS), 전기자동차용 배터리 및 휴대용 전동 공구 배터리 등으로 이용되고 있다.

이러한 배터리 팩은 충전 및 방전 가능한 2차 전지 셀(Cell)을 직렬로 연결하여 출력 전압을 증가시키거나, 병렬로 연결하여 전류 공급량 증가시키거나, 또는 직병렬로 연결하여 장비에서 요구하는 전압과 전류를 충족하도록 구성된다.

여기서, 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 때, 배터리 팩을 구성하는 각 셀들 사이에 전압 불평형 상태가 발생할 수 있다.

셀을 충전 시, 음극에 연결되는 셀이 먼저 충전되고, 이웃한 타 셀이 충전되는 경우, 먼저 충전된 셀은 과충전 상태가 되는 반면, 이웃한 타 셀은 저 충전상태가 되거나, 셀의 특성에 따라 충전상태에 차이가 발생하기도 한다.

이러한 차이에 따라, 직렬 연결된 셀들 중 저 방전을 일으켜 전체 배터리 팩의 출력 전압을 떨어뜨리거나 과방전된 셀의 출력 전압이 급격히 감소하여 전체 배터리 팩의 출력 전압을 떨어뜨릴 수 있으며, 배터리 팩을 구성하는 셀의 과충전과 과방전은 전체 배터리 팩에 요구되는 기대 수명을 단축하거나 배터리 팩의 전력 공급 지속 시간을 단축시킬 수 있다.

이러한 문제에 대해 제안된 셀 제어방법으로 크게 최저전압 추종방식과 최대전압 추종방식이 있다.

최저전압 추종방식은 배터리 팩을 구성하는 각 셀의 출력 전압 중 출력 전압이 가장 낮은 셀의 전압을 기준으로 타 셀의 전압을 맞추어 각 셀을 균등 제어하는 방법으로서,

배터리 셀의 수가 증가할수록 최저전압의 셀에 맞추어 타 셀들의 전압을 다운시켜야 하므로 불필요한 에너지 소비가 과다해지는 문제가 있다.

또한, 최저전압 추종방식은 특성이 좋지 않은 셀의 전압을 기준으로 특성이 우수한 셀의 전압을 강제로 다운(Down)시키므로 배터리 팩 전체의 특성이 가장 나쁜 셀에 맞춰지는 단점이 있다.

최저전압 추종방식과 대비되는 셀 제어방법으로는 최고전압 추종방식이 있는데, 최고전압 추종방식은 배터리 팩을 구성하는 셀들 중 출력 전압이 가장 높은 셀의 출력 전압을 낮추어 각 셀에 대한 균등제어를 수행한다.

최고전압 추종방식은 최저전압 추종방식에 비해 에너지 낭비가 적다는 장점은 있으나, 각 셀의 특성을 최저 전압을 출력하는 셀에 맞추는 최저전압 추종방식에 비해서는 각 셀 사이의 전압 차가 크게 나타나는 단점이 있다.

또한, 최대 전압을 출력하는 셀을 셀 단위로 스위칭 제어하여 방전시켜야 하므로 최저전압 추종방식에 비해 배터리 제어에 소요되는 시간이 증가하는 경향이 있다.

즉, 최저전압 추종방식의 경우 출력 전압이 최저인 셀이 과방전되는 것을 방지하는 효과가 가장 두드러진 장점으로서, 장기적으로 특정 셀에 의한 배터리 팩의 노후화로 인한 수명 단축을 감소시킬 수 있지만, 셀 밸런싱을 위한 에너지 소비가 가장 크기 때문에 충방전 1 사이클의 사용량이 다른 방식의 패시브 균등제어보다 떨어진다. 이에 대해 최고 전압 추정 방식의 경우 단일 배터리 셀 스위칭으로 균등 제어하는 방식이므로 최저 전압 추종 방식보다 에너지 소비 면에서 우수하지만 균등 제어를 완료하기까지의 소요시간이 오래걸리며 방전 완료 후 전체 배터리 셀의 전압 차가 큰 것이 단점이다.

이에 대해 등록특허 10-0680854에서는 배터리 팩을 구성하는 각 셀의 부하 특성을 시뮬레이션하고, 그 결과에 따라 각 셀에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 기능을 구비하는 충방전 장치를 제안한 바 있다. 그러나, 등록특허 10-10-0680854에 언급된 셀 벨런싱 방식은 각 셀의 부하 특성을 위해, 각 셀별 부하특성을 파악하여야 하며, 이는 출력 전압이 최대인 셀을 방전하는 최대전압 추종방식 보다도 셀 밸런싱에 더 많은 시간이 소요될 수 있다.

본 발명의 목적은 셀 밸런싱 수행 시 발생하는 에너지 소모를 최소화하고, 셀 밸런싱을 위해 소모되는 시간을 최소화하고, 특정 셀에 추종되는 제어 방식을 탈피하여 다수의 셀 특성을 추종하도록 하며, 배터리 팩에서의 셀의 위치 및 상태를 개별 모니터링 할 수 있도록 하는 배터리 관리 시스템용 균등 제어장치를 제공함에 있다.

상기한 목적은 본 발명에 따라, 적어도 하나 이상의 셀이 어레이 연결되어 구성되는 배터리 팩의 각 셀 전압을 측정하여 디지털 변환하는 AD(Analog to Digital) 변환부, 각 셀의 양극과 음극 사이에 전류패스를 형성하는 방전 어레이 및 각 셀의 출력전압에 대한 평균값을 산출하고, 방전 어레이를 이용하여 각 셀들 중 평균값을 초과하는 초과 셀에 대한 방전 제어를 수행하여 셀 각각에 대한 셀 밸런스를 맞추는 균등 제어부를 포함하며, 균등 제어부는, 각 셀의 전압에 대한 평균값을 산출하고, 각 셀에 채널번호를 부여 후, 채널 번호가 부여된 셀을 전압의 크기에 따라 정렬하며, 정렬된 채널 번호를 참조하여 배터리 팩을 구성하는 각 셀이 배터리 팩에서 점유하는 위치 정보를 모니터링하는 배터리 관리 시스템용 균등 제어장치에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 복수의 셀의 출력 전압에 대한 평균값을 이용하여 셀 밸런스를 맞추도록 함으로써, 최저 셀의 특성에 따라 주변 셀을 맞추는 최저전압 추종방식의 셀 밸런스 방식의 셀 효율 저하와 주변 셀의 컨디션을 무시하는 단점을 최소화하고, 가장 높은 전압의 셀을 방전시켜 셀 밸런스를 맞추는 최대 전압 추종방식의 에너지 낭비를 최소화하며, 각 셀에 대해 채널 번호를 부여하여 배터리 팩에서의 위치관계를 파악하여 각 셀을 개별 모니터링 할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템용 균등 제어장치에 대한 블록개념도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 방전 어레이의 작동 방식을 설명하기 위한 참조도면을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템용 균등 제어방법에 대한 흐름도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템용 정렬 기법을 이용한 패시브 균등제어 장치에 대한 실험 결과 그래프를 도시한다.
도 5는 기존의 배터리 관리 시스템용 패시브 균등 제어에 의한 최고 전압 추종 방식에 따른 실험 그래프를 도시한다.
도 6은 기존의 배터리 관리 시스템용 패시브 균등 제어에 의한 최저 전압 추종 방식의 실험 그래프를 도시한다.

본 명세서에서 언급되는 셀(Cell)은 2차 전지로 구성되며, 2차 전지의 출력 전압을 증가시키기 위해, 직렬 연결되는 배터리 단위를 의미할 수 있다.

본 명세서에서 언급되는 배터리 팩은 복수의 셀이 직렬 어레이 연결되어 고압을 출력하는 배터리 셀 연결체를 의미할 수 있다.

본 명세서에서 언급되는 셀 밸런싱은 배터리 팩을 구성하는 각 셀들의 출력 전압에 대한 "균등화"를 의미할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 언급되는 균등 제어는 각 셀에 대한 셀 밸런싱을 위한 제어를 의미할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템용 균등 제어장치에 대한 블록개념도를 도시하고, 도 2는 도 1에 도시된 방전 어레이의 작동 방식을 설명하기 위한 참조도면을 도시한다.

도 1과 도 2를 함께 참조하여 설명하면, 실시예에 따른 배터리 관리 시스템용 균등 제어장치는, 배터리 팩(C)을 구성하는 각 셀(C1 ∼ Cn)의 양(+) 단자와 음(-) 단자 사이에 연결되는 방전 어레이(110), AD 변환부(120) 및 균등 제어부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.

방전 어레이(110)는 복수의 방전부(110a ∼ 110n)로 구성되며, 각 방전부(110a ∼ 110n)는 각 셀(C1 ∼ Cn)의 양(+) 단자와 음(-) 단자 사이에 연결된다. 각 방전부(110a ∼ 110n)는 각 셀(C1 ∼ Cn)의 양(+) 단자에서 음(-) 단자 사이에순차 연결되는 저항(111a ∼ 111n) 및 스위칭 소자로 구성되며, 스위칭 소자(112a ∼ 112n)는 균등 제어부(130)에 의해 온-오프 제어된다.

예컨대, 균등 제어부(130)에 의해 방전부(110a)가 스위치-온되고, 나머지 방전부(110b ∼ 110n)가 스위치-오프 상태로 전환되는 경우, 셀(C1) - 저항(111a) - 스위칭 소자(112a)가 전류패스를 형성할 수 있으며, 셀(C1)의 전류는 저항(111a)에서 소모되어 전압이 낮아질 수 있다. 나머지 셀(C2 ∼ Cn) 또한 마찬가지의 방법으로 해당되는 방전부(110b ∼ 110n)에 마련되는 저항(111b ∼ 111n)에 의해 전류가 소모되어 전압이 낮아질 수 있다. 실시예에 따른 방전 어레이(110)는 각 셀(C1 ∼ Cn)별로 스위치-온 및 스위치-오프하여 원하는 셀(C1 ∼ Cn)만 선택적으로 전압을 낮출 수 있다.

AD 변환부(120)는 각 셀(C1 ∼ Cn)의 양(+) 단자와 연결되어 각 셀(C1 ∼ Cn)의 아날로그 전압값을 획득하고, 이를 디지털 값으로 변환하여 균등 제어부(130)로 제공한다. 도 1에는 AD 변환부(120)가 각 셀(C1 ∼ Cn) 별로 마련되는 것을 예시하고 있다. 그러나, AD 변환부(120)는 하나의 통합 칩을 이용하여 구현될 수도 있는데, 이 경우, 각 셀(C1 ∼ Cn)의 양(+) 단자에서 출력되는 전압을 수신하는 하나의 단일 칩으로 구현될 수도 있다. 다른 한편, AD 변환부(120)가 균등 제어부(130)에 내장되는 형태일 수도 있다. 다만 한정하지는 않는다.

균등 제어부(130)는 AD 변환부(120)를 통해 각 셀(C1 ∼ Cn)의 출력 전압을 파악하고, 각 셀(C1 ∼ Cn)의 출력 전압에 대한 평균값을 산출한다.

산출된 평균값을 이용하여 균등 제어부(130)는 각 셀(C1 ∼ Cn)에 채널 번호를 부여할 수 있는데, 채널 번호는 배터리 팩(Battery pack)의 외부에서 식별되지 않는 각 셀(C1 ∼ Cn)을 논리적으로 식별하기 위해 마련되고, 각 셀(C1 ∼ Cn)은 식별부호에 의해 셀(C1 ∼ Cn) 특성이 관리될 수 있다. 이에 따라, 배터리 팩을 관리할 때, 몇번째 셀(C1 ∼ Cn 중 어느 하나)의 상태가 불량한가를 알 수 있으며, 배터리 팩에서 셀을 교체할 때, 어느 셀을 교체해야 하는가가 채널 번호에 의해 쉽게 인지될 수 있다.

본 실시예에서, 채널 번호는 셀(C1 ∼ Cn)이 배터리 팩에서 배치되는 순서에 따라 부여될 수 있다. 예컨대, 배터리 팩이 10개의 셀로 구성되는 경우, 채널 1, 채널 2, 채널 3, .... 채널 10과 같이 채널 번호를 부여할 수 있다. 채널 번호는 균등 제어부(130)와 연결되는 각 AD 변환기(120a ∼ 120n)의 순서에 따라 정해질 수 있다. 도 1에서, 참조부호 120a는 채널 1에 대응되고, 참조부호 120b는 채널 2에 대응되며, 참조부호 120c는 채널 3에 대응될 수 있다. 따라서, 균등 제어부(130)가 별도로 셀(C1 ∼ Cn)에 채널 번호를 부여할 필요는 없으며, AD 변환기(120a ∼ 120n)가 배열된 순서대로 각 셀(C1 ∼ Cn)에 채널 번호를 부여할 수 있고, 이는 배터리 팩에서 각 셀(C1 ∼ Cn)이 연결되는 순서에 대응된다.

균등 제어부(130)는 각 셀(C1 ∼ Cn) 별로 부여된 채널 번호에 각 셀(C1 ∼ Cn)의 출력 전압을 매칭하고 이를 메모리(135)에 저장할 수 있다.

이어서, 균등 제어부(130)는 각 채널 번호에 대응하는 출력 전압을 이용하여 랭크를 매겨 각 채널 번호를 정렬할 수 있다. 채널 번호의 정렬은 출력 전압이 높은 순서대로 정렬하거나 또는 낮은 순서대로 정렬할 수 있다.

바람직하게는 균등 제어부(130)는 전압 측정부(131), 평균값 산출부(132), 정렬부(133) 및 방전 제어부(134)를 포함하여 구성될 수 있다.

전압 측정부(131)는 AD 변환부(120)를 통해 각 셀(C1 ∼ Cn)에 대한 디지털 출력 전압을 파악하고, 디지털 출력전압을 측정한 AD 변환기(120a ∼ 120n)의 순서에 맞추어 채널 번호를 부여한다.

정렬부(133)는 채널 번호가 부여된 각 셀(C1 ∼ Cn)의 출력 전압을 고려하여 최대 전압 또는 최소 전압의 순서에 따라 각 채널 번호를 정렬할 수 있다. 예컨대, 셀(C1 ∼ Cn)이 리튬 이온 배터리이고 6셀로 구성되어 셀(C1 ∼ C6)의 출력전압이 다음과 같다고 가정하면, 균등 제어부(130)는 아래와 같이 각 채널별 출력 전압을 연계하여 메모리(135)에 저장할 수 있다.

셀(C1)의 출력전압이 3.3v - 채널 1

셀(C2)의 출력전압이 3.6v - 채널 2

셀(C3)의 출력전압이 3.8V - 채널 3

셀(C4)의 출력전압이 4.1v - 채널 4

셀(C5)의 출력전압이 3.7v - 채널 5

셀(C6)의 출력전압이 3.7v - 채널 6

이후, 균등 제어부(130)는 높은 전압(또는 낮은 전압) 순으로 각 채널 번호를 랭크할 수 있으며, 다음과 같이 각 셀(C1 ∼ C6)을 순차 정렬할 수 있다.

셀(C4)의 출력전압이 4.1v - 채널 4

셀(C3)의 출력전압이 3.8V - 채널 3

셀(C5)의 출력전압이 3.7v - 채널 5

셀(C6)의 출력전압이 3.7v - 채널 6

셀(C2)의 출력전압이 3.6v - 채널 2

셀(C1)의 출력전압이 3.3v - 채널 1

다음으로, 평균값 산출부(132)는 각 셀(C1 ∼ C6)에 대한 출력 전압에 대한 평균값을 산출하며, 산출된 평균값은 3.7V(222/6셀)로서, 배터리 팩을 구성하는 각 셀(C1 ∼ C6)의 출력 전압 평균값은 3.7v로 산출할 수 있다.

각 채널 번호(채널 1 ∼ 채널 6)별 전압과 평균값이 산출되면 방전 제어부(134)는 방전 제어가 요구되는 셀(C1 ∼ C6 중 적어도 하나)을 판단하고, 판단 결과에 따라 스위칭 소자(112a ∼ 112n)를 스위치-온, 또는 스위치-오프하여 각 셀(C1 ∼ C6)의 출력 전압이 평균값(3.7V)을 추종하도록 스위칭 제어할 수 있다. 이때, 방전 제어부(134)는 평균값보다 더 높은 전압을 출력하는 셀(C3, C4)을 방전 제어 대상으로 할 수 있다.

따라서, 방전 제어부(134)는 배터리 팩을 구성하는 6개의 셀(C1 ∼ C6) 중 2개의 셀(C3, C4)만이 방전 제어를 통해 평균값(3.7V)으로 전압이 낮춰지고 나머지 셀(C1 C2, C5, C6)에 대해서는 방전제어를 수행하지 않는다. 만일,

종래의 최저전압 추종방식에 따라 방전제어를 한다고 가정하면, 셀(C1)을 제외한 나머지 셀(C2 ∼ C6) 모두가 방전제어 대상이 되어야 하므로 방전 제어 대상 셀(C2 ∼ C6) 모두가 3.3V 에 맞추어 방전되므로 에너지 소모가 큰 것에 비해 실시예에 따른 균등 제어부(130)는 두 개의 셀(C3, C4)에 대해서만 방전제어를 수행하므로 에너지 손실이 적음을 알 수 있다.

다른 한편, 종래의 최고전압 추종방식에 따라 방전 제어를 한다고 가정하면,

셀(C4)의 전압 4.1V를 셀(C1)의 전압(3.3V)에 맞추어 방전해야 하므로, 셀(C4)의 전압이 4.1V -> 3.3V로 낮춰주어야 하고, 이는 셀(C4)의 에너지를 크게 손실시키는 것은 물론 4.1V 에서 3.3V가 될 때까지 방전시켜야 하므로 오랜 방전 시간이 요구되는 것이다.

반면, 실시예에 따른 균등 제어부(130)는 셀(C3)의 전압을 -0.1V 낮출 뿐이며, 출력 전압과 평균값의 차이가 가장 큰 셀(C4)의 전압도 0.5V (4.1V - 3.7V) 낮추면 되므로 최대 전압 추종 방식에 비해서 에너지 손실도 적고 방전 제어에 소요되는 시간도 감소시킬 수 있음을 알 수 있다. 즉, 실시예에 따른 균등 제어부(130)는 에너지 소모가 큰 종래의 최저전압 추종방식 및 최대전압 추종방식의 단점을 극복함을 알 수 있다.

방전 제어부(134)는 평균값 산출부(132)에서 산출된 평균값과 전압 검출부(131)에서 판단된 각 셀(C1 ∼ Cn)의 출력 전압을 참조하여 평균값을 초과하는 전압을 출력하는 셀(C1 ∼ Cn)에 대해 방전 제어를 수행한다. 방전 제어부(134)는 방전 어레이(110)에 마련되는 각 방전부(110a ∼ 110n)를 스위칭-온 및 스위칭-오프 하여 각 셀(C1 ∼ Cn)의 전압을 낮출 수 있다. 방전 제어방법은 도 2를 참조하여 설명하도록 한다.

도 2를 참조하면, 균등 제어부(130)는 스위칭 소자(112a)에 제어신호(CTRL 1)를 인가하여, 스위칭 소자(112a)를 스위칭-온 하며, 스위칭 소자(112a)가 스위칭-온 되면 셀(C1), 저항(111a) 및 스위칭 소자(112a)가 전기적으로 통전되어 전류패스를 형성한다. 전류패스가 형성되면, 셀(C1)의 전류는 저항(111a)을 통해 소모되며, 저항(111a)을 통해 소모되는 만큼 셀(C1)의 출력 전압이 낮아진다.

이때, 방전 제어부(134)에서 스위칭 소자(112a)로 제공되는 제어신호(CTLR 1)는 펄스 또는 DC(Direct Current) 타입의 신호일 수 있다. 제어신호(CTRL 1)가 펄스 타입인 경우, 스위칭 소자(112a)는 간헐적으로 스위칭-온과 스위칭-오프를 반복하면서 셀(C1)의 전류를 저항(111a)에서 소모시키며, DC 타입인 경우, AD 변환기(120)를 통해 목적 전압(예컨대 3.7V)이 될 때까지 셀(C1)의 전류를 소모시킬 수 있다. 여기서, 셀(C2)에 마련되는 스위칭 소자(112b)는 스위칭-오프 상태를 유지하여 셀(C1)의 전류 패스와 연결되지 않도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템용 균등 제어방법에 대한 흐름도를 도시한다. 도 1과 도 2를 함께 참조하여 설명하면,

먼저, AD 변환부(120)는 배터리 팩을 구성하는 각 셀(C1 ∼ Cn)의 출력 전압을 측정하고(S301), 균등 제어부(130)는 각 셀(C1 ∼ Cn)에 대해 측정된 출력 전압에 대해 평균값을 산출할 수 있다(S302). 다음으로, 균등 제어부(130)는 AD 변환기(120a ∼ 120n)의 측정 위치에 따라 각 셀(C1 ∼ Cn)에 대해 채널 번호를 부여하며, 채널 번호와 출력 전압을 대응시켜 메모리(135)에 기록한다(S303).

다음으로, 정렬부(133)는 메모리(135)에 기록된 채널 번호에 맞추어 각 셀(C1 ∼ Cn)의 출력전압을 정렬 후(S304), 각 채널 번호별 출력 전압을 출력 전압 크기에 따라 정렬할 수 있다(S305).

이때, 정렬부(133)는 채널의 개수만큼 메모리(135)에 랭크 영역을 생성할 수 있다. 만일, 채널 번호가 6까지 할당되는 셀이 배터리 팩을 이루는 경우, 정렬부(133)는 채널 번호의 수와 동일한 6개의 랭크 영역을 메모리에 생성할 수 있다.

다음으로, 정렬부(133)는 채널의 위치별로 저장된 셀(C1 ∼ Cn)의 채널 번호 및 출력 전압을 채널 순서에 따라 출력 전압끼리 비교하여 그 순위를 결정한다.

예컨대, 셀(C1 ∼ Cn)이 배터리 팩을 구성하고, 각 셀에 대한 채널이 CH1 ∼ CHn 이라고 가정하면,

정렬부(133)는 CH1과 CH2의 출력 전압을 비교하여 어느 채널의 출력 전압이 더 높은가를 판단한다. 판단결과, CH2 > CH1 인경우, CH2 - CH1의 순서대로 랭크를 설정할 수 있다. 다음으로, 정렬부(133)는 CH3의 출력 전압을 CH1과 비교하여 CH3의 위치를 결정 후, CH1, CH2, CH3를 정렬하고, 다음으로 정렬부(133)는 CH4의 출력 전압을 CH1 ∼ CH4와 비교하여 CH4의 랭크를 설정할 수 있다.

정렬부(133)는 채널(CH1 ∼ CH4)의 출력 전압을 참조하여 가장 낮은(혹은 높은) 랭크 하나를 도출하고 이 과정을 하나의 사이클로 설정할 수 있다. 다음으로, 정렬부(133)는 가장 낮은(혹은 높은) 랭크를 제외한 나머지 채널에 대해 같은 방법을 반복 적용하게 되며, 나머지 3개의 채널에 대하여 다시 정렬을 수행하여 3개의 채널 중 가장 낮은(혹은 높은) 랭크를 판단할 수 있다.

정렬부(133)는 두 번째 정렬 과정을 두 번째 사이클로 설정하고, 세 번째 사이클에서는 남은 두 개의 채널에 대해 또다시 정렬을 수행하여 랭크를 설정할 수 있다. 세 번째 정렬을 통하여 남은 두 개 채널에 대한 랭크를 설정하면 전 채널에 대한 랭크 설정이 완료된다.

예컨대, 정렬부(133)는 각 채널(CH1 ∼ CH4)의 출력 전압이 CH3 > CH1 > CH4 > CH2 이고, 출력 전압이 낮은 순서에 따라 내림차순으로 정렬한다고 가정할 때,

(1) 첫 번째 사이클 과정:

1. CH1, CH2, CH3, CH4를 연결되는 AD 변환기(예컨대, 도 1의 참조부호 120a ∼ 120n)에 따라 랭크(RANK)에 할당.

RANK1 = CH1, RANK2 = CH2, RANK3 = CH3, RANK4 = CH4

2. 각 채널의 랭크 순서에 따라 순서대로 비교.

2-1) RANK1과 RANK2비교

RANK1 = CH1 > RANK2 = CH2 RANK1 = CH1, RANK2 = CH2

2-2) RANK2와 RANK3비교

RANK2=CH2 < RANK3=CH3 RANK2= CH3, RANK3=CH2

2-3) RANK3와 RANK4비교

RANK3=CH2 < RANK4=CH4 RANK3= CH4, RANK4=CH2

3. 따라서, 가장 낮은 랭크인 RANK4에는 채널(CH2)가 배치된다. 가장 낮은 랭크인 RANK4는 다음 사이클에서 제외된다.

(2) 두 번째 사이클 과정:

4). 가장 낮은 랭크인 RANK4가 제외되고 RANK1 = CH1, RANK2 = CH3, RANK3 = CH4를 순서대로 비교

4-1) RANK1과 RANK2비교

RANK1 = CH1 < RANK2 = CH3 RANK1 = CH3, RANK2 = CH1

4-2) RANK2와 RANK3비교

RANK2=CH1 > RANK3=CH4 RANK2= CH1, RANK3=CH4

5. 현재 사이클에서 가장 낮은 랭크인 RANK3는 RANK4와 같이 다음 사이클에서 제외된다.

6. 세 번째 사이클 과정:

6-1) 가장 낮은 랭크인 RANK4와 이전 사이클에서 가장 낮은 랭크인 RANK3는 제외되고 RANK1 = CH3, RANK2 = CH1을 비교

6-2) RANK1과 RANK2비교

RANK1 = CH3 > RANK2 = CH1 RANK1 = CH3, RANK2 = CH1

6-3) 이로써 랭크설정은 모두 완료되며, 완료된 결과는 다음과 같다.

RANK1 = CH3, RANK2 = CH1, RANK3 = CH4, RANK4 = CH2

따라서, 정렬부(133)는 채널의 수가 N 개일 때, N-1번의 비교 사이클을 가지고 각 채널의 랭크를 결정하여 메모리(135)에 설정된 랭크 영역에 배치 및 기록할 수 있다.(S305).

다음으로 정렬부(133)는 모든 채널에 대한 출력 전압 비교가 종료되었는가를 판단한다(S307). 판단 결과, 모든 채널에 대한 출력 전압 비교가 종료되지 않은 경우, S305 단계를 진행하고, 출력 전압 비교가 종료된 경우, 가장 높은 출력전압(또는 가장 낮은 출력 전압)의 셀(C1 ∼ Cn 중 어느 하나)을 확정하고, 메모리(135)에 기록해 둔다(S308).

마지막으로, 방전 제어부(134)는 메모리(135)에 랭크된 채널들 중 가장 높은 출력 전압으로 랭크된 채널의 셀에 대해 방전 제어를 수행하며, 이때, 가장 높은 출력 전압으로 랭크된 채널의 셀이 평균값에 따른 출력전압이 될 때까지 방전제어를 수행할 수 있다(S309).

한편, 정렬부(133)에서 채널을 정렬하는 방식이 최고전압 순인 경우, 정렬부(133)는 출력 전압이 높은 채널에서 출력 전압이 낮은 채널의 순서대로 채널 번호를 정렬할 수 있다. 이 경우, 정렬부(133)에서 가장 후 순위로 정렬된 채널의 셀(C1 ∼ Cn 중 어느 하나)이 가장 노화된 셀로 판단할 수 있으며, 배터리 팩의 유지 관리(management) 시, 정렬된 순서를 통해 교체 대상 셀(C1 ∼ Cn 중 적어도 하나)을 신속히 파악할 수도 있다. 마찬가지로, 정렬부(133)의 정렬 순서가 최저전압 순인 경우, 가장 특성이 열화된 셀이 가장 높은 랭크에 표시될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템용 정렬 기법을 이용한 패시브 균등제어 장치에 대한 실험 결과 그래프를 도시한다. 채널1, 채널2. 채널 3 및 채널 4는 배터리 팩을 구성하는 각 셀에 대한 채널 번호를 나타낸다.

도 4에서 채널 1과 채널 2는 전체 셀(채널 1 내지 채널 4)의 평균치보다 높은 전압으로써 전압 균등제어를 위해 도 1 균등 제어부(130)에 에 연결된 스위칭 소자(112a ∼ 112n)에 의해 형성되는 전류패스에 마련되는 저항(111a ∼ 111n))에 의해 방전되어 전압 강하가 발생하였으며, 전압 강하는 채널 1에 대응하는 셀의 전압이 평균값이 될 때까지 연속적으로 실시되었다. 그 결과 방전이 완료되는 시점에서 채널1과 채널2의 배터리 셀 전압이 평균치에 가까워지는 것을 실험 결과 확인할 수 있었다.

도 5는 기존의 배터리 관리 시스템용 패시브 균등 제어에 의한 최고 전압 추종 방식에 따른 실험 그래프를 도시한다. 도 5를 참조하면, 방전 완료 시점에 가까워질수록 셀의 출력 전압은 최저 전압에 가까워지나 도 4에 비해 각 배터리 셀의 전압 차가 큰 것을 볼 수 있다.

도 6은 기존의 배터리 관리 시스템용 패시브 균등 제어에 의한 최저 전압 추종 방식의 실험 그래프를 도시한다. 도 6을 참조하면, 방전 완료 시점에 가까워질수록 최저 전압에 가까워지고 균등제어 효과가 도 4와 도 5의 실험 그래프 보다 우수하나, 셀의 에너지 소비가 과다하여 셀의 방전 지속 시간이 짧아지는 결과가 도출되며, 결론적으로 최저 전압을 나타내는 배터리 셀을 제외하고 다른 셀들의 컨디션이 무시되는 결과를 가져온다는 것을 확인할 수 있다.

C1 ∼ Cn : 셀 110 : 방전 어레이
110a ∼ 110n : 방전부 120 : AD 변환부
130 : 균등 제어부 131 : 전압 측정부
132 : 평균값 산출부 133 : 정렬부
134 : 방전 제어부 135 : 메모리

Claims

적어도 하나 이상의 셀이 어레이 연결되어 구성되는 배터리 팩의 각 셀 전압을 측정하여 디지털 변환하는 AD(Analog to Digital) 변환부;
상기 각 셀의 양극과 음극 사이에 전류패스를 형성하는 방전 어레이; 및
상기 각 셀의 출력전압에 대한 평균값을 산출하고, 상기 방전 어레이를 이용하여 상기 각 셀들 중 상기 평균값을 초과하는 초과 셀에 대한 방전 제어를 수행하여 상기 셀 각각에 대한 셀 밸런스를 맞추는 균등 제어부;를 포함하며,
상기 균등 제어부는, 상기 각 셀의 전압에 대한 평균값을 산출하고, 상기 각 셀에 채널번호를 부여 후, 채널 번호가 부여된 셀을 전압의 크기에 따라 정렬하며,
상기 정렬된 채널 번호를 참조하여 상기 배터리 팩을 구성하는 각 셀이 상기 배터리 팩에서 점유하는 위치 정보를 모니터링 하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템용 균등 제어장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 균등 제어부는,
상기 배터리 팩을 구성하는 셀 각각에 대한 전압이 측정될 때마다, 이전에 측정되어 순위가 결정된 채널 번호의 전압과 현재 측정된 채널 번호의 전압을 비교하여 채널 번호의 순위를 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템용 균등 제어장치.
제1항에 있어서,
상기 셀 밸런스는,
상기 각 셀의 전압이 균등화하는 전압 밸런스인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템용 균등 제어장치.
제1항에 있어서,
상기 방전 어레이는, 복수의 방전부를 포함하며,
상기 방전부는,
상기 셀 각각의 양 단자와 음 단자 사이에 직결되는 방전 저항 및 스위칭 소자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템용 균등 제어장치.
제5항에 있어서,
상기 균등 제어부는,
상기 셀들 중 출력전압이 상기 평균값을 초과하는 초과 셀의 양극과 음극의 전류패스를 형성하여 상기 방전 저항을 통해 소진하여 상기 초과 셀의 전압을 낮추는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템용 균등 제어장치.
제5항에 있어서,
상기 AD 변환부는,
상기 각 셀의 전극과 상기 방전 저항이 연결되는 노드에 연결되어 상기 각 셀의 출력전압을 획득하여 상기 균등 제어부로 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템용 균등 제어장치.