KR101927122B1

KR101927122B1 - 자율 배터리 밸런싱 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101927122B1
Application number: KR1020160148912A
Authority: KR
Inventors: 권오철
Original assignee: 현대오트론 주식회사
Priority date: 2016-11-09
Filing date: 2016-11-09
Publication date: 2018-12-10
Also published as: KR20180051944A

Abstract

본 발명은 자율 배터리 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시 예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치는, 차량용 배터리 모듈의 배터리 셀과 연결된 밸런싱 스위치 및 밸런싱 소자를 통해 배터리 셀을 밸런싱시키는 셀 밸런싱부; 셀 밸런싱 구동을 위한 제1 기준전압을 발생시키고, 셀 밸런싱 중단을 위한 제2 기준전압을 발생시키는 기준전압 발생부; 상기 배터리 셀의 셀 전압을 측정하는 셀 전압 측정부; 및 상기 측정된 셀 전압과 상기 발생된 제1 기준전압을 비교하여 상기 배터리 셀의 밸런싱을 구동시키고, 밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압과 상기 발생된 제2 기준전압을 비교하여 상기 배터리 셀의 밸런싱을 중단시키는 밸런싱 구동부를 포함한다.

Description

자율 배터리 밸런싱 장치 및 방법{APPARATUS FOR AUTONOMOUS BATTERY BALANCING}

본 발명은 전기 에너지를 이용하는 장치에 사용될 수 있는 배터리를 관리하는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리의 자율 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 고전압의 배터리를 사용하는 산업기기, 가정기기 및 자동차 등 다양한 장치가 등장하고 있으며 특히 자동차 기술분야에서는 고전압 배터리 사용이 더욱 활발해지고 있다.

가솔린이나 중유 등의 화석연료를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.

전기자동차(EV; Electric Vehicle)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차를 말한다. 즉, 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시키는 전기자동차는 가솔린 자동차보다 먼저 개발되었으나, 배터리의 무거운 중량 및 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 최근 에너지 및 환경 문제가 심각해지면서 1990년대부터 실용화를 위한 연구가 시작되었다.

한편, 최근 배터리 기술이 비약적으로 발전하면서 전기자동차 및 화석연료와 전기에너지를 적응적으로 사용하는 하이브리드 자동차(HEV)가 상용화되고 있다.

HEV는 가솔린과 전기를 함께 동력원으로 사용하기 때문에 연비 개선 및 배기가스 저감 측면에서 긍정적인 평가를 받고 있다. 이러한 HEV도 가솔린 자동차와의 가격 차이를 어떻게 극복하느냐가 관건으로서, 2차 전지 탑재량을 전기자동차의 1/3수준까지 낮출 수 있어 완전한 전기 자동차로 진화하는 중간 역할을 할 것으로 기대되고 있다.

이러한 전기 에너지를 이용하는 HEV 및 EV 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.

상기와 같이 복수의 배터리 셀을 결합한 배터리 관리 시스템에서는 구조적 차이에 기인한 배터리 셀 간의 전압 편차가 필연적으로 발생하게 된다. 이와 같은 전압 편차는 배터리 전압의 균일성을 저해하게 되고, 결국에는 배터리 열화의 원인으로 작용하게 되어 배터리의 수명을 감소시킨다.

따라서, 배터리 전력을 이용한 시스템 운용 중이나 배터리 셀의 충방전시 각 셀의 전압을 균등하게 유지하는 배터리 셀 밸런싱 동작은 배터리 관리 시스템의 매우 중요한 요소가 된다.

이러한 배터리 셀의 밸런싱 기술은 낮은 셀의 전압을 기준으로 이보다 높은 셀 전압을 방전시킨다. 이를 위해, 배터리 관리 시스템에는 배터리 셀의 밸런싱을 위해 배터리 셀 간의 전압을 측정하는 회로, 각 배터리 셀의 전압을 비교하는 회로, 낮은 셀의 전압을 방전시키는 회로 등이 필요하게 된다.

또한, 배터리 관리 시스템은 특정 구간에서만 각 배터리 셀의 전압을 측정하거나 비교하는 것이 아니라, 항상 배터리 셀을 모니터링하고 있어야 한다. 따라서 배터리 관리 시스템의 모니터링 및 제어와 관련된 부하가 가중될 수 있다.

미국 특허공개공보 US20140070772

본 발명의 실시 예들은 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리의 자율 밸런싱 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

구체적으로, 본 발명의 실시 예들은 배터리 모듈을 구성하고 있는 각 배터리 셀들의 평균 전압을 계산하고, 각 배터리 셀의 전압이 평균 전압에 밸런싱 가중치(예컨대, 1.1배 등)를 곱한 전압 값을 초과한 경우에 래치를 활성화시켜 셀 밸런싱을 용이하게 수행할 수 있는, 자율 밸런싱 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 실시 예들은 셀 밸런싱이 진행중인 배터리 셀의 전압 값이 평균전압과 동일하게 되면 래치를 비활성화시켜 셀 밸런싱을 용이하게 중단할 수 있는, 자율 밸런싱 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예들은 별도의 센싱 IC(Sensing IC) 및 마이컴 제어 없이, 자율적으로 배터리 셀의 셀 밸런싱을 수행할 수 있는, 자율 밸런싱 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 제1 측면에 따르면, 차량용 배터리 모듈의 배터리 셀과 연결된 밸런싱 스위치 및 밸런싱 소자를 통해 배터리 셀을 밸런싱시키는 셀 밸런싱부; 배터리 모듈의 모듈 전압을 측정하고, 상기 측정된 모듈 전압을 이용하여 셀 밸런싱 구동을 위한 제1 기준전압을 발생시키고 셀 밸런싱 중단을 위한 제2 기준전압을 발생시키는 기준전압 발생부; 상기 배터리 셀의 셀 전압을 측정하는 셀 전압 측정부; 및 상기 측정된 셀 전압과 상기 발생된 제1 기준전압을 비교하여 상기 배터리 셀의 밸런싱을 구동시키고, 밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압과 상기 발생된 제2 기준전압을 비교하여 상기 배터리 셀의 밸런싱을 중단시키는 밸런싱 구동부를 포함하는 자율 배터리 밸런싱 장치가 제공될 수 있다.

상기 기준전압 발생부는, 셀 밸런싱 구동을 위한 제1 기준전압을 각 배터리 셀의 평균 전압 값에 밸런싱 가중치를 곱한 전압 값으로 발생시키고, 셀 밸런싱 중단을 위한 제2 기준전압을 각 배터리 셀의 평균 전압 값으로 발생시킬 수 있다.

상기 기준전압 발생부는, 차량용 배터리 모듈의 배터리 셀과 연결된 제1 분배저항을 이용하여 제1 기준전압을 각 배터리 셀의 평균 전압 값에 밸런싱 가중치를 곱한 전압 값으로 발생시키는 제1 기준전압 발생부; 및 차량용 배터리 모듈의 배터리 셀과 연결된 제2 분배저항을 이용하여 제2 기준전압을 각 배터리 셀의 평균 전압 값으로 발생시키는 제2 기준전압 발생부를 포함할 수 있다.

상기 밸런싱 구동부는, 상기 셀 밸런싱부의 밸런싱 스위치와 연결된 래치를 구비하고, 상기 측정된 셀 전압과 상기 발생된 제1 기준전압을 비교하여 상기 측정된 셀 전압이 상기 발생된 제1 기준전압을 초과하는 경우, 상기 구비된 래치를 활성화시켜 셀 밸런싱을 구동시킬 수 있다.

상기 밸런싱 구동부는, 상기 셀 밸런싱부의 밸런싱 스위치와 연결된 래치를 구비하고, 밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압과 상기 발생된 제2 기준전압을 비교하여 밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압이 상기 발생된 제2 기준전압 이하인 경우, 상기 구비된 래치를 비활성화시켜 셀 밸런싱을 중단시킬 수 있다.

상기 밸런싱 구동부는, 상기 측정된 셀 전압과 상기 발생된 제1 기준전압을 비교하는 제1 전압 비교기; 밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압과 상기 발생된 제2 기준전압을 비교하는 제2 전압 비교기; 및 상기 제1 전압 비교기의 출력 신호는 세트(Set) 단자로 입력되고, 상기 제2 전압 비교기의 출력 신호는 리셋(Reset) 단자로 입력되고, 세트 신호가 입력되면 출력이 활성화되어 상기 배터리 셀의 밸런싱을 구동시키고, 리셋 신호가 입력되면 출력이 비활성화되어 상기 배터리 셀의 밸런싱을 중단시키는 래치를 포함할 수 있다.

상기 래치는 상기 측정된 셀 전압이 상기 발생된 제1 기준전압 이하인 경우이거나 밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압이 상기 발생된 제2 기준전압을 초과하는 경우에 래치 출력을 변동하지 않을 수 있다.

상기 셀 밸런싱부는, 상기 밸런싱 스위치가 P형 FET(P-Type Field Effect Transistor)로 이루어지고, 상기 P형 FET의 게이트가 상기 밸런싱 구동부에 구비된 래치와 연결되어 온(on)될 수 있다.

상기 셀 밸런싱부는, 상기 밸런싱 스위치가 N형 FET로 이루어지고, 상기 N형 FET의 게이트가 상기 밸런싱 구동부에 구비된 래치와 연결되어 온(on)될 수 있다.

한편, 본 발명의 제2 측면에 따르면, 배터리 모듈의 모듈 전압을 측정하고, 상기 측정된 모듈 전압을 이용하여 셀 밸런싱 구동을 위한 제1 기준전압을 발생시키고 셀 밸런싱 중단을 위한 제2 기준전압을 발생시키는 단계; 상기 배터리 셀의 셀 전압을 측정하는 단계; 상기 측정된 셀 전압과 상기 발생된 제1 기준전압을 비교하여 상기 배터리 셀의 밸런싱을 구동시키는 단계; 차량용 배터리 모듈의 배터리 셀과 연결된 밸런싱 스위치 및 밸런싱 소자를 통해 배터리 셀을 밸런싱시키는 단계; 및 밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압과 상기 발생된 제2 기준전압을 비교하여 상기 배터리 셀의 밸런싱을 중단시키는 단계를 포함하는 자율 배터리 밸런싱 방법이 제공될 수 있다.

상기 기준전압을 발생시키는 단계는, 셀 밸런싱 구동을 위한 제1 기준전압을 각 배터리 셀의 평균 전압 값에 밸런싱 가중치를 곱한 전압 값으로 발생시키고, 셀 밸런싱 중단을 위한 제2 기준전압을 각 배터리 셀의 평균 전압 값으로 발생시킬 수 있다.

상기 기준전압을 발생시키는 단계는, 차량용 배터리 모듈의 배터리 셀과 연결된 제1 분배저항을 이용하여 제1 기준전압을 각 배터리 셀의 평균 전압 값에 밸런싱 가중치를 곱한 전압 값으로 발생시키는 단계; 및 차량용 배터리 모듈의 배터리 셀과 연결된 제2 분배저항을 이용하여 제2 기준전압을 각 배터리 셀의 평균 전압 값으로 발생시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 배터리 셀의 밸런싱을 구동시키는 단계는, 상기 측정된 셀 전압과 상기 발생된 제1 기준전압을 비교하여 상기 측정된 셀 전압이 상기 발생된 제1 기준전압을 초과하는 경우, 구비된 래치를 활성화시켜 셀 밸런싱을 구동시킬 수 있다.

상기 배터리 셀의 밸런싱을 구동시키는 단계는, 밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압과 상기 발생된 제2 기준전압을 비교하여 밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압이 상기 발생된 제2 기준전압 이하인 경우, 구비된 래치를 비활성화시켜 셀 밸런싱을 중단시킬 수 있다.

상기 배터리 셀의 밸런싱을 구동시키는 단계는, 상기 측정된 셀 전압과 상기 발생된 제1 기준전압을 비교하는 단계; 밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압과 상기 발생된 제2 기준전압을 비교하는 단계; 및 세트 신호가 입력되면 출력이 활성화되어 상기 배터리 셀의 밸런싱을 구동시키고, 리셋 신호가 입력되면 출력이 비활성화되어 상기 배터리 셀의 밸런싱을 중단시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리의 자율 밸런싱 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 실시 예들은 배터리 모듈을 구성하고 있는 각 배터리 셀들의 평균 전압을 계산하고, 각 배터리 셀의 전압이 평균 전압에 밸런싱 가중치(예컨대, 1.1배 등)를 곱한 전압 값을 초과한 경우에 래치를 활성화시켜 셀 밸런싱을 용이하게 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예들은 셀 밸런싱이 진행중인 배터리 셀의 전압 값이 평균전압과 동일하게 되면 래치를 비활성화시켜 셀 밸런싱을 용이하게 중단할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 별도의 센싱 IC(Sensing IC) 및 마이컴 제어 없이, 자율적으로 배터리 셀의 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 P형 FET로 이루어진 밸런싱 스위치를 구비한 자율 배터리 밸런싱 장치의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 N형 FET로 이루어진 밸런싱 스위치를 구비한 자율 배터리 밸런싱 장치의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀의 셀 밸런싱 구간에 대한 설명도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 자율 배터리 밸런싱 방법에 대한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 자율 배터리 밸런싱 방법에 대한 흐름도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는 데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예를 설명하면서, 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려졌고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. 그러나 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시 예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시 예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시 예에서의 각각의 구성 요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 셀 밸런싱부(110), 셀 전압 측정부(120), 밸런싱 구동부(130) 및 기준전압 발생부(140)를 포함한다. 여기서, 셀 밸런싱부(110)과 셀 전압 측정부(120)가 순차 연결로 표현되어 있지만, 실제 회로는 밸런싱부(110)와 셀 전압 측정부(120)가 병렬 구조이다. 실제 회로는 도 2 및 3에서 구체적으로 설명하기로 한다.

이하, 도 1의 본 발명의 실시 예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치(100)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.

우선, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 배터리 모듈(10)과 연결되어 있다. 여기서, 배터리 모듈(10)은 복수의 배터리 셀(11)을 포함한다. 복수의 배터리 셀(11)은 직렬로 연결되어 있다.

한편, 셀 밸런싱부(110)는 차량용 배터리 모듈(10)의 배터리 셀(11)과 연결된 밸런싱 스위치 및 밸런싱 소자를 통해 배터리 셀(11)을 밸런싱시킨다.

기준전압 발생부(140)는 배터리 모듈(10)의 모듈 전압을 측정하고, 그 측정된 모듈 전압을 이용하여 셀 밸런싱 구동을 위한 제1 기준전압을 발생시키고, 셀 밸런싱 중단을 위한 제2 기준전압을 발생시킨다.

기준전압을 발생시키는 과정을 살펴보면, 기준전압 발생부(140)는, 셀 밸런싱 구동을 위한 제1 기준전압을 각 배터리 셀(11)의 평균 전압 값에 밸런싱 가중치를 곱한 전압 값으로 발생시킨다. 또한, 기준전압 발생부(140)는, 셀 밸런싱 중단을 위한 제2 기준전압을 각 배터리 셀(11)의 평균 전압 값으로 발생시킨다.

셀 전압 측정부(120)는 배터리 셀(11)의 셀 전압을 측정한다.

밸런싱 구동부(130)는 셀 전압 측정부(120)에서 측정된 셀 전압과 기준전압 발생부(140)에서 발생된 제1 기준전압을 비교하여 배터리 셀(11)의 밸런싱을 구동시키고, 밸런싱 중인 배터리 셀(11)의 셀 전압과 셀 전압 측정부(120)에서 측정된 제2 기준전압을 비교하여 배터리 셀(11)의 밸런싱을 중단시킨다.

셀 밸런싱 구동 과정을 살펴보면, 밸런싱 구동부(130)는, 셀 밸런싱부(110)의 밸런싱 스위치와 연결된 래치를 구비하고, 셀 전압 측정부(120)에서 측정된 셀 전압과 기준전압 발생부(140)에서 발생된 제1 기준전압을 비교하여 그 측정된 셀 전압이 그 발생된 제1 기준전압을 초과하는 경우, 구비된 래치를 활성화시켜 셀 밸런싱을 구동시킨다.

셀 밸런싱 중단 과정을 살펴보면, 밸런싱 구동부(130)는, 셀 밸런싱부(110)의 밸런싱 스위치와 연결된 래치를 구비하고, 밸런싱 중인 배터리 셀(11)의 셀 전압과 셀 전압 측정부(120)에서 측정된 제2 기준전압을 비교하여 밸런싱 중인 배터리 셀(11)의 셀 전압이 그 측정된 제2 기준전압 이하인 경우, 구비된 래치를 비활성화시켜 셀 밸런싱을 중단시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 P형 FET로 이루어진 밸런싱 스위치를 구비한 자율 배터리 밸런싱 장치의 회로도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(10)은 제1 배터리 셀(CELL#1), 제2 배터리 셀(CELL#2), 제3 배터리 셀(CELL#3) 및 제4 배터리 셀(CELL#4)을 포함한다.

셀 밸런싱부(110)는, 밸런싱 스위치가 P형 FET(P-Type Field Effect Transistor)로 이루어진다. 예를 들면, 밸런싱 스위치는 PMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터일 수 있다. 밸런싱 소자는 밸런싱 저항 R1, R3, R5, R7을 포함한다.

여기서, 기준전압 발생부(140)는 제1 기준전압 발생부 및 제2 기준전압 발생부를 포함한다.

제1 기준전압 발생부는 배터리 모듈(10)의 모듈 전압을 측정하고, 그 측정된 모듈 전압과 차량용 배터리 모듈(10)의 배터리 셀(11)과 연결된 제1 분배저항을 이용하여 제1 기준전압을 각 배터리 셀(11)의 평균 전압 값에 밸런싱 가중치를 곱한 전압 값으로 발생시킨다.

구체적으로 살펴보면, 제1 기준전압 발생부는 분배저항 R13 내지 R16와 OP 앰프로 이루어진 비교기 U10를 포함한다. 제1 기준전압 발생부는 비교기 U10를 통해 제1 기준전압(REF_high 전압)을 발생시킨다. 여기서, 분배저항 R13 내지 R15는 모두 R 저항값을 가지고, 분배저항 R16은 1.1×R 저항값을 가진다. 그러므로 제1 기준전압(REF_high 전압)은 각 배터리 셀(11)의 평균 전압 값×1.1 배수가 곱한 전압 값을 가진다. 여기서, 각 배터리 셀(11)의 평균 전압 값은 배터리 모듈(10)의 모듈 전압을 배터리 셀(11)의 셀 개수로 나눈 값을 의미한다.

또한, 제2 기준전압 발생부는 배터리 모듈(10)의 모듈 전압을 측정하고, 그 측정된 모듈 전압과 차량용 배터리 모듈(10)의 배터리 셀(11)과 연결된 제2 분배저항을 이용하여 제2 기준전압을 각 배터리 셀(11)의 평균 전압 값으로 발생시킨다.

구체적으로 살펴보면, 제2 기준전압 발생부는 분배저항 R9 내지 R12와 OP 앰프로 이루어진 비교기 U9를 포함하고, 비교기 U9를 통해 제2 기준전압(REF 전압)을 발생시킨다. 여기서, 분배저항 R9 내지 R12은 모두 R 저항값을 가진다. 그러므로 제2 기준전압(REF 전압)은 각 배터리 셀(11)의 평균 전압 값을 가진다. 여기서, 각 배터리 셀(11)의 평균 전압 값은 배터리 모듈(10)의 모듈 전압을 배터리 셀(11)의 셀 개수로 나눈 값을 의미한다.

셀 전압 측정부(120)는 각 배터리 셀(11)과 연결된 전압 OP 앰프로 이루어진 비교기 U1, U3, U5, U7을 포함한다. 비교기 U1, U3, U5, U7은 각 배터리 셀(11)의 셀 전압 값을 측정한다.

밸런싱 구동부(130)는, 제1 전압 비교기, 제2 전압 비교기 및 래치를 포함한다.

제1 전압 비교기는 셀 전압 측정부(120)에서 측정된 셀 전압과 기준전압 발생부(140)에서 발생된 제1 기준전압을 비교한다.

제2 전압 비교기는 밸런싱 중인 배터리 셀(11)의 셀 전압과 셀 전압 측정부(120)에서 측정된 제2 기준전압을 비교한다.

래치에 대해서 살펴보면, 제1 전압 비교기의 출력 신호는 세트(Set) 단자로 입력되고, 제2 전압 비교기의 출력 신호는 리셋(Reset) 단자로 입력된다. 래치는 세트 신호가 입력되면 출력이 활성화되어 배터리 셀(11)의 밸런싱을 구동시킨다.

도 2를 참조하면, 제1 전압 비교기 U2, U4, U8, U13는 측정된 각 배터리 셀(11)의 전압과 비교기 U10에서 발생된 제1 기준전압(REF_high)을 비교하여, 배터리 셀(11)의 전압이 클 경우 출력을 하이(High) 상태로 만든다. 그러면, 제1 전압 비교기 U2, U4, U8, U13는 각각 래치 A1, A2, A3, A4를 활성화시킨다. 그러면, 활성화된 래치는 밸런싱 구동부(130)에 구비된 P형 FET를 턴온(Turn-On)시키고, P형 FET가 턴온되어 셀 밸런싱이 진행된다. 즉, P형 FET의 게이트가 밸런싱 구동부(130)에 구비된 래치와 연결되어 턴 온(Turn on)된다.

이후, 래치는 리셋 신호가 입력되면 출력이 비활성화되어 배터리 셀(11)의 밸런싱을 중단시킨다.

도 2를 참조하면, 제2 전압 비교기 U11, U6, U12, U15는 밸런싱을 진행 중인 배터리 셀(11)의 셀 전압과 비교기 U9에서 발생된 제2 기준전압(REF)을 비교하여, 배터리 셀(11)의 셀 전압이 제2 기준전압(REF) 이하가 되는 경우에 래치 A1, A2, A3, A4를 비활성화시킨다. 그러면, 비활성화된 밸런싱 구동부(130)에 구비된 P형 FET를 턴오프(Turn-Off)시키고, P형 FET가 턴오프되어 셀 밸런싱이 중단된다.

한편, 래치 A1, A2, A3, A4는 셀 전압 측정부(120)에서 측정된 셀 전압이 기준전압 발생부(140)에서 발생된 제1 기준전압 이하인 경우이거나 밸런싱 중인 배터리 셀(11)의 셀 전압이 제2 기준전압을 초과하는 경우에 래치 출력을 변동하지 않는다.

도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 N형 FET로 이루어진 밸런싱 스위치를 구비한 자율 배터리 밸런싱 장치의 회로도이다.

도 3에 도시된 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 본 발명의 제1 실시 예인 도 2에 도시된 자율 배터리 밸런싱 장치(100)와 비교하면 셀 밸런싱부(110)를 제외한 나머지 부분은 동일한다.

도 2와 다른 내용을 살펴보면, 셀 밸런싱부(110)는, 도 2의 P형 FET와 달리 밸런싱 스위치가 N형 FET(P-Type Field Effect Transistor)로 이루어진다. 예를 들면, 밸런싱 스위치는 NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터일 수 있다.

여기서, N형 FET의 게이트가 밸런싱 구동부(130)에 구비된 래치와 연결되어 턴 온(Turn on)된다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀의 셀 밸런싱 구간에 대한 설명도이다.

종래의 셀 밸런싱 기술들은 임의로 설정된 전압 값보다 배터리 셀의 전압 값이 높을 경우 셀 밸런싱을 진행한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 배터리 모듈(10)을 구성하는 모든 배터리 셀들의 평균 전압 값의 기설정된 밸런싱 가중치(예컨대, 1.1배) 수준이상이 되었을 때 셀 밸런싱을 진행한다.

이후, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 배터리 셀(11)의 셀 전압 값이 배터리 셀(11)의 셀 평균전압 값 이하가 되었을 때 셀 밸런싱을 중단한다.

이와 같이, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 셀 밸런싱의 시작 지점부터 셀 밸런싱의 종료 시점까지의 셀 밸런싱 구간을 배터리 셀(11)의 평균전압을 기초로 하여 설정할 수 있다.

이를 구현하기 위해, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 배터리 셀마다 연결된 다수의 전압 비교기와 래치를 이용하여 자율 배터리 밸런싱을 과정을 수행한다. 여기서, 래치는 세트 신호가 입력되면 출력이 활성화되고, 리셋 신호가 입력되면 래치가 비활성화되는 래치 소자의 특징을 가진다.

즉, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 셀 밸런싱을 시작하는 제1 기준전압(Ref_high 전압)의 기준과 셀 밸런싱을 중단 또는 해제하는 제2 기준전압(Ref 전압)을 별도로 선정함으로써, 각 배터리 셀(11)에 대한 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.

도 4에 도시된 그래프와 같이, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 셀 밸런싱의 활성화 및 비활성에 대한 히스테리시스(Hysterisys) 특성도 확보할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 자율 배터리 밸런싱 방법에 대한 흐름도이다.

자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 비교기 U9에서 분배저항 R12 양단의 전압을 측정한다(S101).

자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 셀 밸런싱 구동을 위한 제2 기준전압(REF 전압)을 발생시킨다(102).

자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 비교기 U10에서 분배저항 R16 양단의 전압을 측정한다(S103).

자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 셀 밸런싱 중단을 위한 제2 기준전압(REF_high 전압)을 발생시킨다(104).

자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 비교기 U1, U3, U5, U7를 이용하여 각 배터리 셀(11)의 셀 전압을 측정한다(S105).

자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 측정된 배터리 셀(11)의 셀 전압이 발생된 제1 기준전압(REF_high)을 초과하는지를 확인한다(S106).

상기 확인 결과(S106), 측정된 배터리 셀(11)의 셀 전압이 발생된 제1 기준전압(REF_high)을 초과하지 않으면, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 래치의 출력을 변동시키지 않아 셀 밸런싱이 구동되지 않도록 한다(S107).

반면, 상기 확인 결과(S106), 측정된 배터리 셀(11)의 셀 전압이 발생된 제1 기준전압(REF_high)을 초과하면, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 래치의 출력을 활성화시킨다(S108).

자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 FET 소자로 이루어진 밸런싱 스위치를 턴온시킨다(S109).

그러면, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 턴온된 밸런싱 스위치에 의해 전류 경로가 생성되어 배터리 셀(11)의 셀 밸런싱을 진행시킨다(S110).

배터리 셀(11)의 셀 밸런싱이 진행된 후, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 밸런싱이 진행중인 배터리 셀(11)의 셀 전압이 발생된 제2기준전압(REF) 이하인지를 확인한다(S111).

상기 확인 결과(S111), 밸런싱이 진행중인 배터리 셀(11)의 셀 전압이 발생된 제2 기준전압(REF_high)을 초과하면, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 래치의 출력을 변동시키지 않아 셀 밸런싱이 계속 수행되도록 한다(S112).

반면, 상기 확인 결과(S111), 밸런싱이 진행중인 배터리 셀(11)의 셀 전압이 발생된 제2 기준전압(REF) 이하가 되면, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 래치의 출력을 비활성화시킨다(S113).

자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 FET 소자로 이루어진 밸런싱 스위치를 턴오프시킨다(S114).

그러면, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 턴오프된 밸런싱 스위치에 의해 전류 경로가 차단되어 배터리 셀(11)의 셀 밸런싱을 중단시킨다(S115).

도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 자율 배터리 밸런싱 방법에 대한 흐름도이다.

자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 비교기 U15에서 분배저항 R16 양단의 전압을 측정한다(S201).

자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 비교기 U16에서 분배저항 R20 양단의 전압을 측정한다(S203).

자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 비교기 U10, U12, U13, U14를 이용하여 각 배터리 셀(11)의 셀 전압을 측정한다(S205).

자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 측정된 배터리 셀(11)의 셀 전압이 발생된 제1 기준전압(REF_high)을 초과하는지를 확인한다(S206).

상기 확인 결과(S206), 측정된 배터리 셀(11)의 셀 전압이 발생된 제1 기준전압(REF_high)을 초과하지 않으면, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 래치의 출력을 변동시키지 않아 셀 밸런싱이 구동되지 않도록 한다(S207).

반면, 상기 확인 결과(S206), 측정된 배터리 셀(11)의 셀 전압이 발생된 제1 기준전압(REF_high)을 초과하면, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 래치의 출력을 활성화시킨다(S208).

자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 FET 소자로 이루어진 밸런싱 스위치를 턴온시킨다(S209).

그러면, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 턴온된 밸런싱 스위치에 의해 전류 경로가 생성되어 배터리 셀(11)의 셀 밸런싱을 진행시킨다(S210).

배터리 셀(11)의 셀 밸런싱이 진행된 후, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 밸런싱이 진행중인 배터리 셀(11)의 셀 전압이 발생된 제2기준전압(REF) 이하인지를 확인한다(S211).

상기 확인 결과(S211), 밸런싱이 진행중인 배터리 셀(11)의 셀 전압이 발생된 제2 기준전압(REF_high)을 초과하면, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 래치의 출력을 변동시키지 않아 셀 밸런싱이 계속 수행되도록 한다(S212).

반면, 상기 확인 결과(S211), 밸런싱이 진행중인 배터리 셀(11)의 셀 전압이 발생된 제2 기준전압(REF) 이하가 되면, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 래치의 출력을 비활성화시킨다(S213).

자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 FET 소자로 이루어진 밸런싱 스위치를 턴오프시킨다(S214).

그러면, 자율 배터리 밸런싱 장치(100)는 턴오프된 밸런싱 스위치에 의해 전류 경로가 차단되어 배터리 셀(11)의 셀 밸런싱을 중단시킨다(S215).

이상에서 설명한 실시 예들은 그 일 예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 배터리 모듈
11: 배터리 셀
100: 자율 배터리 밸런싱 장치
110: 셀 밸런싱부
120: 셀 전압 측정부
130: 밸런싱 구동부
140: 기준전압 발생부

Claims

차량용 배터리 모듈의 배터리 셀과 연결된 밸런싱 스위치 및 밸런싱 소자를 통해 배터리 셀을 밸런싱시키는 셀 밸런싱부;
배터리 모듈의 모듈 전압을 측정하고, 상기 측정된 모듈 전압을 이용하여 셀 밸런싱 구동을 위한 제1 기준전압을 발생시키고 셀 밸런싱 중단을 위한 제2 기준전압을 발생시키는 기준전압 발생부;
상기 배터리 셀의 셀 전압을 측정하는 셀 전압 측정부; 및
상기 측정된 셀 전압과 상기 발생된 제1 기준전압을 비교하여 상기 배터리 셀의 밸런싱을 구동시키고, 밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압과 상기 발생된 제2 기준전압을 비교하여 상기 배터리 셀의 밸런싱을 중단시키는 밸런싱 구동부를 포함하고,
상기 밸런싱 구동부는, 상기 셀 밸런싱부의 밸런싱 스위치와 연결된 래치를 구비하고, 상기 측정된 셀 전압과 상기 발생된 제1 기준전압을 비교하여 상기 측정된 셀 전압이 상기 발생된 제1 기준전압을 초과하는 경우, 상기 구비된 래치를 활성화시켜 셀 밸런싱을 구동시키는 자율 배터리 밸런싱 장치.
제1항에 있어서,
상기 기준전압 발생부는,
셀 밸런싱 구동을 위한 제1 기준전압을 각 배터리 셀의 평균 전압 값에 밸런싱 가중치를 곱한 전압 값으로 발생시키고, 셀 밸런싱 중단을 위한 제2 기준전압을 각 배터리 셀의 평균 전압 값으로 발생시키는 자율 배터리 밸런싱 장치.
제2항에 있어서,
상기 기준전압 발생부는,
차량용 배터리 모듈의 배터리 셀과 연결된 제1 분배저항을 이용하여 제1 기준전압을 각 배터리 셀의 평균 전압 값에 밸런싱 가중치를 곱한 전압 값으로 발생시키는 제1 기준전압 발생부; 및
차량용 배터리 모듈의 배터리 셀과 연결된 제2 분배저항을 이용하여 제2 기준전압을 각 배터리 셀의 평균 전압 값으로 발생시키는 제2 기준전압 발생부
를 포함하는 자율 배터리 밸런싱 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 밸런싱 구동부는,
상기 셀 밸런싱부의 밸런싱 스위치와 연결된 래치를 구비하고, 밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압과 상기 발생된 제2 기준전압을 비교하여 밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압이 상기 발생된 제2 기준전압 이하인 경우, 상기 구비된 래치를 비활성화시켜 셀 밸런싱을 중단시키는 자율 배터리 밸런싱 장치.
제1항에 있어서,
상기 밸런싱 구동부는,
상기 측정된 셀 전압과 상기 발생된 제1 기준전압을 비교하는 제1 전압 비교기;
밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압과 상기 발생된 제2 기준전압을 비교하는 제2 전압 비교기; 및
상기 제1 전압 비교기의 출력 신호는 세트(Set) 단자로 입력되고, 상기 제2 전압 비교기의 출력 신호는 리셋(Reset) 단자로 입력되고, 세트 신호가 입력되면 출력이 활성화되어 상기 배터리 셀의 밸런싱을 구동시키고, 리셋 신호가 입력되면 출력이 비활성화되어 상기 배터리 셀의 밸런싱을 중단시키는 래치
를 포함하는 자율 배터리 밸런싱 장치.
제6항에 있어서,
상기 래치는
상기 측정된 셀 전압이 상기 발생된 제1 기준전압 이하인 경우이거나 밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압이 상기 발생된 제2 기준전압을 초과하는 경우에 래치 출력을 변동하지 않는 자율 배터리 밸런싱 장치.
제1항에 있어서,
상기 셀 밸런싱부는,
상기 밸런싱 스위치가 P형 FET(P-Type Field Effect Transistor)로 이루어지고, 상기 P형 FET의 게이트가 상기 밸런싱 구동부에 구비된 래치와 연결되어 온(on)되는 것을 특징으로 하는 자율 배터리 밸런싱 장치.
제1항에 있어서,
상기 셀 밸런싱부는,
상기 밸런싱 스위치가 N형 FET로 이루어지고, 상기 N형 FET의 게이트가 상기 밸런싱 구동부에 구비된 래치와 연결되어 온(on)되는 것을 특징으로 하는 자율 배터리 밸런싱 장치.
배터리 모듈의 모듈 전압을 측정하고, 상기 측정된 모듈 전압을 이용하여 셀 밸런싱 구동을 위한 제1 기준전압을 발생시키고 셀 밸런싱 중단을 위한 제2 기준전압을 발생시키는 단계;
배터리 셀의 셀 전압을 측정하는 단계;
상기 측정된 셀 전압과 상기 발생된 제1 기준전압을 비교하여 상기 배터리 셀의 밸런싱을 구동시키는 단계;
차량용 배터리 모듈의 배터리 셀과 연결된 밸런싱 스위치 및 밸런싱 소자를 통해 배터리 셀을 밸런싱시키는 단계; 및
밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압과 상기 발생된 제2 기준전압을 비교하여 상기 배터리 셀의 밸런싱을 중단시키는 단계를 포함하고,
상기 배터리 셀의 밸런싱을 구동시키는 단계는,
상기 측정된 셀 전압과 상기 발생된 제1 기준전압을 비교하여 상기 측정된 셀 전압이 상기 발생된 제1 기준전압을 초과하는 경우, 구비된 래치를 활성화시켜 셀 밸런싱을 구동시키는 자율 배터리 밸런싱 방법.
제10항에 있어서,
상기 기준전압을 발생시키는 단계는,
셀 밸런싱 구동을 위한 제1 기준전압을 각 배터리 셀의 평균 전압 값에 밸런싱 가중치를 곱한 전압 값으로 발생시키고, 셀 밸런싱 중단을 위한 제2 기준전압을 각 배터리 셀의 평균 전압 값으로 발생시키는 자율 배터리 밸런싱 방법.
제11항에 있어서,
상기 기준전압을 발생시키는 단계는,
차량용 배터리 모듈의 배터리 셀과 연결된 제1 분배저항을 이용하여 제1 기준전압을 각 배터리 셀의 평균 전압 값에 밸런싱 가중치를 곱한 전압 값으로 발생시키는 단계; 및
차량용 배터리 모듈의 배터리 셀과 연결된 제2 분배저항을 이용하여 제2 기준전압을 각 배터리 셀의 평균 전압 값으로 발생시키는 단계
를 포함하는 자율 배터리 밸런싱 방법.
삭제
제10항에 있어서,
상기 배터리 셀의 밸런싱을 구동시키는 단계는,
밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압과 상기 발생된 제2 기준전압을 비교하여 밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압이 상기 발생된 제2 기준전압 이하인 경우, 구비된 래치를 비활성화시켜 셀 밸런싱을 중단시키는 자율 배터리 밸런싱 방법.
제10항에 있어서,
상기 배터리 셀의 밸런싱을 구동시키는 단계는,
상기 측정된 셀 전압과 상기 발생된 제1 기준전압을 비교하는 단계;
밸런싱 중인 배터리 셀의 셀 전압과 상기 발생된 제2 기준전압을 비교하는 단계; 및
세트 신호가 입력되면 출력이 활성화되어 상기 배터리 셀의 밸런싱을 구동시키고, 리셋 신호가 입력되면 출력이 비활성화되어 상기 배터리 셀의 밸런싱을 중단시키는 단계
를 포함하는 자율 배터리 밸런싱 방법.