KR20100085791A - 축전지팩의 제어 관리 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차, 전기자동차, 전기자전거, PDA와 같은 각종 같은 사이클 서비스용 축전지의 내부저항을 측정하여 건전상태(SOH)에 의한 교체시점을 판정하고 또한 충·방전중에 셀의 과열이나 셀 전압 불균형, 과전압, 과충전으로 인한 축전지의 변형, 화재 또는 폭발 등 안전사고를 사전에 방지할 수 있는 축전지팩(Stack)의 제어 관리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
현실적으로 직렬 연결 가능하도록 구성된 축전지팩(Stack)을 이용하여 전기변환장치 시스템의 변환 효율을 높일 수 있도록 300V 이상의 직류전압을 출력할 수 있으며 회생충전 및 방전이 가능한 다상 구조의 승압형 컨버터의 바람직한 실시 예 및 그 제어 방법을 제시한다.
또한, 충·방전 전류, 충·방전(사용)량의 이력을 계속적으로 모니터하고 잔존용량에 상관되는 내부 저항 및 셀 온도를 기초로 하여 최대로 방전 가능한 최대 저장용량(Battery Storage Capacity Maximum)을 추정함으로써 SOC(%)를 정확히 산출할 수 있는 방안을 제시한다.
충전상태(SOC), 셀 전압 불균형, 배터리 관리방법, 건전상태(SOH), 전기집적도(Power density), 승압형(Boost) 컨버터, 노화상태, 내부 저항.

Description

축전지팩의 제어 관리 장치 및 그 방법 {The control and Management Equipment of Battery Stack, and Method there of }
또한 최근 석유자원의 고갈과 환경오염에 따른 대체에너지의 수요와 더불어 전기에너지를 축적하여 사용할 수 있는 축전지의 수요는 연료전지 등의 대체 에너지 저장시스템 등 다양한 분야로 확산되고 있다.
최근 하이브리드(HEV) 자동차, 전기자동차, 전기자전거, 골프-카트 같은 전기차용으로는 주행속도 및 최대주행거리 증대를 목적으로 대용량의 리튬 이온, 리튬 폴리머, 니켈 수소 전지 등 전기집적도(power density)가 높은 축전지 계열이 상용화되어 지는 추세이다.
2008년 IEEE 논문지에 발표(저자; Bill Kramer, Sudipta Chakraborty, Benjamin Kroposki National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Blvd., Golden, CO 80401, USA)된 "A Review of Plug-in Vehicles and Vehicle-to-Grid Capability" 논문에서는 PEV(Plug-in Vehicle)이 상용전원이나 V2G 를 사용된 경우에 있어 가스값 변동을 고려할 때에도 소모 전기 비용이 낮아 앞으로 상용화가 급속도로 증가 될 것으로 주장하고 있으며 이를 증빙하는 근거자료로써 현재 NREL(국가 신재생 에너지 시험소)는 상용전원을 사용하는 데 필요한 규준을 마련하고 있다 고 보고하고 있다.
또한, 가솔린 차량에서 있어서 연료 게이지가 운전자에게 중요한 정보를 제공하는 것과 같이, 전기 자동차에서도 축전지를 다시 충전하지 않고 주행할 수 있는 거리를 정확히 예측할 수 있도록 하는 것이 운전자에게는 매우 중요한 정보가 되기 때문에 축전지의 SOC나 현재 저장된 충전 잔존 용량을 정확히 측정할 수 있는 기술이 종래부터 연구되어 왔다.
휴대폰이나 노트북 등 소형 이동용 기기에 사용되는 리튬계열전지는 스마트 배터리 기능을 부여하기 위하여 이미 상용화된 스마트 IC가 나와 있으나, 대용량의 경우에는 기존의 스마트 IC로는 커버 할 수 없는 영역으로 전력변환회로와 상호 시스템화된 BMS 기술을 적용해야만 한다.
이러한 분야의 연구보고서들을 살펴보면, 축전지의 건전상태는 매우 광범위한 의미로써 "SOH" 라고 지칭하여 사용되고 있으며, 축전지의 충전상태(State of Charge)는 SOC를 대표하는 의미로써 축전지팩(Stack)을 만(Full)충전하여 저장 가능한 최대 용량(Battery Storage Capacity Maximum) 대비한 현재 충전된 용량(충전 잔존용량)의 백분율을 "SOC(%)" 로 정의하고 있고, 소수의 문헌에서는 SOC를 잔존용량 이라고도 칭하고 있다.
최근에 출간된 논문이나 보고서에 따르면, 리튬 이온, 리튬 폴리머, 니켈 수소 전지 역시 2차 전지의 내부저항 측정법에 의해 노화진행 정도를 판별할 수 있는 것으로 알려지고 있다.
축전지 제조사에서는 정격 설계용량을 기준으로 용량 저하율이 80%인 시점을 수명종료시점으로 기준으로 하고 있으며, 실제 잔존 방전용량을 실부하 방전시험을 통해 측정할 수 있으나 이와 같은 실 부하 방전시험이 복잡하고 시간이 오래 소요된다는 단점이 있으므로 IEEE 1188 (Institute of Electrical and Electronic Engineers)에서는 밀폐형 납축전지의 노화상태 점검 및 유지보수 기준을 마련하여 내부 저항이 초기 기준치보다 130% 수준으로 증가한 경우 용량이 80% 수준까지 저하되었다고 판단하고 이를 교체토록 권고하고 있다.
2006년 09월13일에 대한민국에 출원되고 2008년 03월05일 등록(등록번호 10-0812760)된 특허 "축전지 내부 임피던스 유효성분 측정연산 장치 및 그 방법 "에서는, 상기에서 설명한 바와 같이 수명종료된 축전지를 선별하고자 하는 척도로 축전지를 운전계통에서 분리하지 않고 축전지의 내부 저항값을 측정하는 방법의 일 실시 예를 제시하고 있으며, 특히 비교적 생성이 용이한 구형파 측정전류를 발생하여 축전지팩이나 단위 셀에 흐르게 하고, 상기 측정신호에 의하여 축전지의 단자전압에서 발생하는 전압신호를 연산 알고리즘을 통해 내부 저항 또는 내부 임피던스 성분을 연산할 수 있는 회로 및 이의 방안을 제시하고 있다.
또한, 가솔린 자동차의 경우에는 연료의 양을 측정하는 데 큰 어려움이 없지만, 전기 자동차의 운전 환경상 가솔린 차량보다 재충전에 소요되는 시간이 매우 길기 때문에 전기 자동차의 운전자에게 현재 얼마만큼의 에너지가 남아 있고 앞으로 어느 정도 더 주행할 수 있는가에 대한 정보는 매우 중요하다. 따라서 축전지의 충전상태 또는 잔존 용량을 정확히 파악하여 주행 가능 거리 등의 정보를 운전자에 게 알려주고자 하는 여러 기술이 종래부터 많이 연구되어 왔다.
축전지의 잔량 (잔존 용량)측정 알고리즘은 그간의 다각적으로 연구결과를 토대로, 그 대표적인 것이 축전지의 팩 전압을 측정하여 직류전압과 SOC(State Of Charge)간의 상관 관계 그래프에 의존하여 잔존 용량을 계산하는 방법이며, 둘째는 축전지에 충전된 총 전기량과 주행 등을 통해 방전된 총 전기량의 가감을 통해 축전지의 잔존 용량을 산출하는 방식을 들 수 있다. 또한 경우에 따라서는 두 가지 방식을 혼합하여 사용하기도 하였다.
2005년 01월31일에 대한민국에 출원되고 2007년 04월06일 등록된 특허(등록번호 10-0704944, 전기 자동차용 배터리 관리 시스템)에서는, 전기 자동차용 배터리 관리 시스템에 관한 것으로서, 각각의 배터리에 연결되어 온도 및 전압을 측정하는 센서 모듈과; 상기 각각의 배터리와 연결되어 외부의 제어 신호에 따라 연결된 배터리를 충·방전시키는 충·방전회로; 및 상기 충·방전 회로를 제어하여 상기 각각의 배터리를 충전하고, 상기 각각의 배터리의 잔존 용량을 체크하는 시점에서 상기 충·방전 회로를 제어하여 각각의 배터리를 일정 시간 동안 방전시켜 허전압을 제거하고, 상기 센서 모듈로부터 출력되는 정보에 의해 배터리 전압이 회복되는 곡선의 기울기를 계산하여 각각의 배터리의 잔존 용량을 계산하는 배터리 관리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
또한 2005년 10월20일에 대한민국에 출원되어 2007년 04월25일에 공개된 배터리의 SOC추정방법 및 이를 이용한 배터리 관리시스템(출원번호 10-2005-0099088)의 특허는, 총방전 누적량에 대응되는 총 배터리 용량을 이용하여 현재 배터리의 SOC를 추정하는 방법을 제시하고 있다.
즉, 배터리 관리 시스템은 전기를 이용하는 자동차의 ECU로 배터리의 SOC를 출력하는 배터리를 관리하는 배터리 관리 시스템으로서, 감지부, SOH 추정부, SOC 추정부, 총 배터리 용량 결정부 및 출력부를 포함하며, 감지부는 배터리의 팩전류 및 팩전압을 측정하고, SOH 추정부는 팩전류 및 팩전압을 이용하여 SOH를 출력하며, SOC 추정부는 팩전류 및 배터리의 총 배터리 용량을 이용하여 SOC를 산출하여 출력한다.
총 배터리 용량 결정부는 팩전류를 이용하여 총방전 누적량을 누계하고, 누산된 총방전 누적량에 따라 총 배터리 용량을 결정하여 SOC 추정부에 전달하는 것을 특징으로 하고 있으며, SOC는 팩전류를 방전기간 동안 적산하여 더욱 정확하게 배터리의 SOC를 추정할 수 있는 방법 및 이를 이용한 배터리 관리시스템을 제공하고 있다.
상기 인용특허에서 제시된 시험 데이터에서는 배터리의 충·방전시의 주위 온도가 낮게 되면 배터리의 총 배터리 용량은 감소하는 것으로 도시되어 있으나 배터리의 충·방전 효율에 대해서 구체적인 기술이 전혀 없어 이 분야의 통상의 종사자는 이에 대하여 알 수 없으므로 상기 SOC(%) 추정 방법이 정확하다고 신뢰하기 어려울 것이다. 또한 축전지팩(Stack)의 실지 사용중에 충·방전 사이클 증가에 따라 용량이 감소하므로 이를 보정하기 위한 방안으로써, 장시간 방전(예로 40,000 ~ 100,000 사이클)시험으로 얻어지는 총방전누적량에 의한 총 배터리 용량(TAC 라고 함)을 테이블화하여 총 배터리 용량(TAC)과 팩전류에 기초하여 SOC를 산출하는 방 법을 사용하고 있다.
그러나 상기와 같은 SOC를 산출하는 방법은, 각 사용온도에 따른 장시간 방전(예로 40,000~100,000 사이클) 시험을 통해서 총방전 누적량 대비 총 배터리 용량(TAC)의 테이블화된 정보를 도출하기가 매우 어렵다. SOH 추정부는 팩전류, 팩전압, 온도 등을 기초하여 축전지의 SOC를 출력하는 것으로 기재되어 있으나, 축전지의 노화상태에 따른 상관 요소를 감안하지 않고서는 정확한 SOH 를 추정할 수 없다.
또한 2006년 06월29일에 대한민국에 출원되어 2007년 01월05일에 공개된 배터리 상태 추정방법 및 장치(등록번호 10-0756837)의 특허는, 배터리의 SOH에 가장 큰 영향을 미치는 패러미터로 작용한다고 알려져 있는 내부 저항을 이용하여 SOH를 추정하는 SOH 추정 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 상기 인용발명의 배터리의 SOH 추정방법은, 온도별 및 SOC별로 다양한 내부저항에 대응되는 SOH 값을 구성한 SOH 추정 테이블을 메모리부에 저장하는 단계; SOH 추정 요구시, 온도를 측정하고 배터리의 SOC를 추정하는 단계; 상기 배터리의 내부저항을 검출하는 단계; 상기 측정된 온도, 상기 추정된 배터리의 SOC, 상기 검출된 배터리의 내부저항에 대응되는 SOH 값을 상기 SOH 추정 테이블로부터 독출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
배터리의 SOH을 기준으로 온도별 및 SOC별 배터리 내부저항을 측정하는 것은 SOH를 5단계로 구분하고, 각 단계에서 온도별 및 SOC별 배터리 내부저항을 측정하는 것을 반복하고 다수의 단계를 가지는 SOH의 각 단계에서 온도별 및 SOC별 배터 리 내부저항의 측정을 완료하여 각 측정결과를 토대로 SOH 추정 테이블을 구성한다. 상기 SOH 추정 테이블은 온도별, SOC별, 배터리 내부저항별 각기 상이한 SOH 값이 맵핑되어 있으므로 상기 검출된 배터리의 내부저항에 대응되는 SOH 값을 상기 SOH 추정 테이블로부터 독출하는 것이다.
상기 인용특허는 축전지팩(Stack)마다 온도별 및 SOC별로 대응되는 SOH 값이 상이하므로 여러 단계의 실험에 의해 온도별, SOC별, 배터리 내부저항별로 대응되어 각기 맵핑되어 있는 SOH 값을 얻어내야 하므로 맵핑 작업 시험량이 많아지는 번거로움이 있다.
또한 2000년 12월13일에 대한민국에 출원되어 2001년 05월07일에 공개된 2차전지 잔량 측정 방법 및 그 장치(등록번호 10-0372879)의 특허는, 개별적인 전지의 실제 열화도에 따른 총잔량 변화량 산출의 정확도를 보정하여, 전지의 사용 상태에
따라 변화하는 사이클 카운트 데이터로 활용함으로써 전지의 특성 변화를 반영할 수 있는 2차 전지 잔량 측정 방법 및 장치를 제공하고 있다.
상기 인용발명은 전지의 사이클 카운트에 기초하여 2차 전지의 잔량을 측정 방법에 관한 것으로, 2차 전지의 충방전 전류치를 측정하는 단계; 전지의 사이클별 전력량 감소치(EPA)의 오차를 측정하는 단계; 상기 충방전 전류치를 이용하여 충전 전압 변화에 따른 충전 전류 변화치(CCA)의 오차를 측정하는 단계; 사이클 카운트별 평균 온도 보정 계수(K)의 산출 단계; 상기 전지 사이클별 전력량 감소치의 오차(EPA), 충전 전압 변화에 따른 충전 전류 변화치(CCA)의 오차 및 사이클 카운트별 평균 온도 보정 계수(K)를 잔량제어퍼지(RCF:REMAINING CONTROL FUZZY)값으로 생성하는 단계;및 상기 충방전 전류치 및 잔량제어퍼지값을 이용하여 2차 전지의 사이클을 카운트하는 단계; 와 같은 매우 복잡한 알고리즘 단계를 포함하고 있다.
이와 같이 전기집적도가 높은 Li-Ion, Li-PB 등의 축전지는 셀전압 불균형, 과충전 또는 과방전이나 사용 온도조건에 매우 약하므로, 이의 안전한 사용을 위해서는 축전지팩(Stack)을 구성하는 단위 셀의 전압, 내부 저항, 셀의 온도 등과 같은 특성 파라미터는 물론 축전지팩(Stack)의 충·방전 전압, 전류, 충·방전상태(과전압 또는 과전류), 출력측 단락유무를 총체적으로 관리하며, 충.방전시 이의 출력을 제어하는 전력변환장치(승압 컨버터)를 축전지팩(Stack)의 출력단에 구비하여 이상징후가 발견될 시에는 충·방전을 즉시 정지케 하여 축전지팩(Stack)을 보호해야 할 필요가 있다.
또한 전기자동차에 있어서 모터 구동장치 등 전기변환장치는 이의 제조 원가 및 변환. 구동에 따른 시스템의 효율 향상 측면에서 현실적으로 300V 이상의 직류전압을 요구하고 있는 추세이나, 현실적으로 요구되는 300V 이상의 직류전압을 출력할 수 있는 축전지팩(Stack)은 많은 단위 셀들이 직렬 연결되어 구성되므로, BMS회로와 단위 셀간의 구성회로가 더욱 복잡하여 지고, 이에 따라 복잡하여 지는 만큼 고장 확률도 높아지기 때문에 가급적 단위 셀의 직렬 연결된 숫자를 적게 설계하는 것이 바람직하다.
또한, 하이브리드(HEV) 자동차, 전기자동차, 전기자전거용 등으로 사용되는 전기차용의 축전지팩(Stack)은 보충 전에 소요되는 대기시간을 단축할 수 있어야 하므로 가능한 한 급속충전이 필요로 하게 된다. 이와 같은 급속 충·방전에 따라 축전지팩(Stack)이 과충전, 과열상태나 셀간 불균형이 될 수 있는 조건에 쉽게 노출되기 때문에 셀 전압 불균형, 과전압, 온도상승 등의 원인으로 폭발할 수 있는 위험이 커질 수 있다. 따라서 이를 사전에 방지할 수 있는 축전지팩(Stack)의 제어 관리(BMS)시스템 및 이의 제어 방법이 필연적으로 요구될 것이다.
또한, 가솔린 차량에서 있어서 연료 게이지가 중요한 역할을 하는 것과 같이, 전기 자동차의 특성상 축전지를 새롭게 충전하지 않은 상태에서 추가 주행할 수 있는 거리를 정확히 예측할 수 있도록 하는 것이 운전자에게는 매우 중요한 정보가 되기 때문에, 축전지의 노화상태에 따른 상관 요소를 감안하여 축전지의 경년 사용에 따른 정확한 SOH를 추정하고 파악된 SOH를 감안하여 현재 남아 있는 용량을 정확히 측정할 수 있도록 하는 SOC(%)산출 방법이 필요할 것이다.
본 발명은, 축전지 셀의 직렬연결 수가 많아지면 BMS의 회로구조가 복잡하여 지고 연결점이 증가하여 연결 구조 또한 복잡하여 지게 되고 이의 신뢰도가 저하될 수 있으므로, 직렬연결 축전지 셀 수를 최적으로 결정하고 축전지 스트링의 출력단에 승압형(Boost) 컨버터를 두어 전기자동차 전기시스템에서 흔히 요구되는 300V급 이상의 높은 직류전압을 공급하면서, 축전지팩(Stack)의 감시제어 계통에서 이상이 감지될 경우에 승압형(Boost)컨버터 회로의 스위칭 소자 게이트 드라이브 신호를 즉시 차단(Blocking)하여 충·방전을 정지케 함으로써 축전지팩(Stack)의 파손이나 폭팔 등의 사고를 미연에 방지할 수 있도록 하는 BMS의 기능이 내장된 축전지팩(Stack)의 제어 관리장치 및 이의 제어 관리방법을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한 축전지팩(Stack) 출력단에 구비되는 승압형(Boost) 컨버터의 회로 구조에 있어서, 전기자동차에서 필요로 하는 수백 KW 이상의 직류전력을 300V 이상으로 변환하고 또한 변환 손실 및 방전시의 백리플을 최소화할 수 있는 승압형 컨버터의 구성 및 그 제어 방법의 바람직한 실시 예를 제시하는 데 그 목적이 있다.
또한 전기차의 회생제동이 가능하며 상용 교류전원을 다이오드 정류회로로써 직류로 정류하는 단순한 구조형태의 플러그인 충전기로 축전지팩(Stack)의 충전이 가능토록 양방향 제어가 가능한 승압형 컨버터의 바람직한 실시 예를 제시한다.
또한 각 단위 셀 전압을 측정하여 다른 셀의 전압보다 높거나 최대 허용전압보다도 높아 불균형 상태에 있는 경우 각 단위 셀의 전압을 균일화 시키도록 하는 셀 균등화 방안의 일실시 예를 제시한다.
또한 축전지팩(Stack)의 건전상태(SOH) 또는 교체시점을 판정하기 위하여 노화상태와 상관 요소가 되는 축전지 내부 저항값을 충·방전상태에서 측정하여야 하는 데, 축전지팩(Stack)의 제어 관리장치 구성요소의 구체적인 실시 예로써 내부 저항을 측정하는 데 필요한 측정전류 발생수단의 바람직한 실시 예를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또 다른 목적으로는 충·방전 전압, 전류 등 충·방전(사용)량의 이력을 지속적으로 측정하고 축전지 단위 셀의 온도, 전압, 내부 저항값을 실시간으로 측정하는 등 잔존 충전용량(SOC)산출에 필요한 및 건전상태와 상관되는 요소성분을 실 시간으로 측정하거나 모니터링하여 이를 기초로 충·방전 사이클에 따른 축전지의 최대 저장 용량( Battery Storage Capacity)을 산출할 수 있는 방법 및 축전지의 노화상태에 따른 상관 요소(내부 저항, 주위 사용온도)를 감안하여 건전상태(SOH)을 정확히 측정할 수 있는 방법을 제시한다.
또한, 본 발명은 축전지의 충·방전시의 내부 저항, 온도, 셀 전압등의 특성 파라미터, 충·방전 사이클횟수, 충·방전 이력이 저장될 수 있는 메모리수단을 축전지팩(Stack)에 설치함으로써 축전지의 성능, 잔여수명 및 보충 전 필요 여부를 파악할 수 있도록 하여 전기자동차 축전지의 충전관리소에서 축전지팩(Stack)을 용이하게 관리할 수 있도록 하는 방안을 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 급속 충·방전중에 흔히 나타날 수 있는 축전지팩(Stack)의 과열이나 셀전압 불균형으로 인한 폭발을 미연에 방지할 수 있고 전기차의 전기장치시스템에서 요구되는 높은 직류전압을 안전하게 얻을 수 있다.
또한 전기자동차, 전기자전거용 사이클 서비스용 축전지의 축전에 필요한 집적도(Density)가 매우 높은 리튬 계열의 단위 셀을 백 개 이상으로 직렬로 연결하여 급속 충전할 수 있게 사용할 수 있는 BMS기능이 내장된 축전지 충·방전 제어 및 관리장치 및 이의 방법을 제공할 수 있다.
충·방전상태에서 축전지팩(Stack)의 노화와 관련된 내부저항을 정확히 측정하여 축전지팩(Stack)의 건전상태(SOH) 또는 교체시점을 판정할 수 있고 또한 축전지의 충·방전에 따른 각종 이력 정보를 축전지팩(Stack)에 내장된 메모리수단에 저장할 수 있기 때문에 별도의 측정 장비나 절차를 사용하지 않고서 축전지팩(Stack)의 효율적인 관리를 할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 축전지팩(Stack)의 출력전압을 변환하여 전기시스템에서 필요한 높은 직류전압으로 공급하는 승압형(Boost) 컨버터와, 각 단위 셀의 BMS 기능을 수행하기 위한 임베디드장치를 포함하여 구성되는 감시제어수단 및 이의 관련회로를 포함한다.
또한 본 명세서에서 사용한 기술용어로써 "축전지"는 물리적, 화학적 및 생물학적 등의 변환을 통해 충전시에 전기에너지를 화학에너지 또는 기타 형식의 에너지로 변환시켜 저장할 수 있으며 방전시에는 저장된 화학 또는 기타 형식의 에너지를 전기에너지로 변환시켜 출력할 수 있는 대상을 가리킨다. 여기서 사용하는 "축전지"는 광의상의 축전지를 가리키며, 2차 전지의 대표적인 것으로 납산(lead-acid)축전기, 니켈-카드뮴전지, 리튬전지, 니켈-수소전지 등을 포함한다.
이하 본 발명을 그 실시 예에 따라 상세하게 설명한다.
아래 상세한 설명에서는 축전지팩(Stack)의 제어 관리 장치 및 이의 제어 관리 방법에 대한 실시 예로 본 발명의 원리를 설명하는 것이지만, 본 기술분야의 기술자들은 여기서 공개한 내용에 따라 본 발명을 이용하여 기타 형태의 제어 관리방법에 따라 축전지팩(Stack)을 충·방전 제어하면서 이를 안전하게 관리시킬 수 있다는 것을 명백하게 이해할 수 있다.
도 1은 BMS 기능이 내장된 축전지팩(Stack)의 충·방전 전기장치 블록도이 다.
전기자동차의 전기시스템이나 비상전원에 있어서 이에 필요한 직류전원을 공급하기 위한 축전지팩(Stack)의 충·방전 제어 관리장치의 기본 구성은, 축전지팩(Stack)의 이상상태 또는 노화상태 및 충·방전상태를 감시하고 각 단위 셀의 특성요소를 연산 분석하는 임베디드장치를 가진 감시제어수단(2); 과,
축전지팩(Stack)의 출력측 단락시에 소손되어 이를 보호하거나 전기시스템 회로로 부터 인위적으로 축전지팩(Stack)을 분리하는 라인휴우즈(4);
DA/AC 인버터장치를 통해 모터와 같은 전기구동시스템에 직류전력을 공급하기 위해 축전지팩(Stack)의 출력전압을 높은 직류전압으로 승압하고 충·방전기능를 수행하기 위해 양방향 제어가 가능한 승압형(Boost) 컨버터(3);로 구성된다.
상기 감시제어수단은, 축전지팩(Stack)의 이상상태 또는 노화상태 및 충·방전상태에 있어 이상이 감지되거나 예상될 경우에 감시제어수단 내에 구성된 임베디드장치의 게이트차단수단을 통해 게이트차단신호(Cut off)를 발생케 하여 상기 승압형 컨버터의 스위칭 소자 및 차단 스위치의 게이트를 즉시 블로킹(차단)시킴으로써 충전 및 방전이 즉시 정지되게 하여 축전지가 이상 상태로부터 보호될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예인 축전지팩(Stack)의 승압 제어 및 BMS 관리를 하는 제어회로 블럭도이다.
축전지팩(Stack)의 각 단위 셀의 +,- 양측단자에 각각 연결되는 셀선택수단(12)는 임베디드장치의 순차적 선택신호에 따라 축전지팩(Stack)의 각 단위 셀(모노블록)의 전압, 온도, 내부 임피던스전압신호를 신호센싱수단(13)으로 연결되 게 한다. 셀선택수단(12)의 내부 구체적 회로는 기계적 접점의 릴레이나 FET 릴레이 등 기타 전자식 릴레이를 포함하여 구성될 수 있다.
신호센싱수단(13)은 차동증폭기 및 이의 주변회로 등으로 구성되어 축전지 단위 셀로부터 얻어지는 셀 전압, 온도신호를 축전지시스템 전압으로부터 절연시키거나 아날로그신호일 경우 이를 적절한 레벨 신호로 증폭시킨다. 특히 내부 임피던스전압신호는 축전지 극주단자에서 측정되는 직류전압성분을 포함하여 얻어 지게 되며 또한 미세한 신호이므로 해상도를 향상시키기 위해 파형여과회로(필터)를 통해 직류전압을 여과한 후에 다단으로 증폭되어 질 수 있다.
인터페이스수단(14)는 출력전류센싱수단(16)으로부터 얻어진 충·방전 전류신호, 및 신호센싱수단(13)으로부터 얻어지는 셀 전압, 온도에 해당되는 전압신호, 내부 임피던스전압신호, 및/또는 축전지팩(Stack)으로부터 센싱되는 측정전류신호를 감지하여 임베디드장치(15)에서 축전지의 각종 데이터를 연산할 수 있도록 이에 적합한 신호로 변환한다. 예로써 임베디드장치(15)내의 A/D컨버터의 허용입력 전압범위가 ±12V 이면 이러한 크기에 적합하도록 증폭하거나 버퍼링하고 또한 연산에 불필요한 고조파 성분의 신호 및 리플성분을 여과시키는 것이 바람직하다.
출력전류센싱수단(16)은 축전지시스템(팩)의 충·방전시에 흐르는 출력전류 또는 측정전류신호를 감지하여 전압신호로 변환하고 또한 버퍼링하거나 증폭한다. 구체적으로 출력전류센싱수단(16)은 홀(Hall)소자를 이용하여 직류전류를 측정할 수 있고 측정된 전류에 대응되는 아날로그 전압신호로 출력할 수 있다.
내부 저항 연산에 필요한 비교적 높은 레벨의 임피던스 전압신호가 축전지 팩(Stack)의 단위 셀 단자에서 유기될 수 있도록, 피측정 축전지팩(Stack)에 수십 A 크기의 측정전류신호를 생성하는 측정전류발생수단(17)이 더 포함되는 것이 바람직하다.
또한 각 단위 셀 전압을 측정하여 다른 셀의 전압보다 높거나 최대 허용전압보다도 높아 불균형 상태에 있는 경우, 각 단위 셀을 균일화 시키도록 제어하는 셀균등제어수단(11)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
임베디드장치(15)는 기본적으로 셀 전압, 온도 데이터 값을 입력받아 저장하거나 셀 전압, 온도의 아날로그신호를 받아 연산하고 또한 전류센싱수단(16)으로부터 얻어지는 측정전류신호와 상기 인터페이스 수단(14)에서 얻어지는 내부 임피던스전압신호를 기초로 하여 내부 저항 또는 내부 임피던스 값을 실시간 주기 설정에 의해 연산하며 이의 연산결과에 측정시각을 포함시켜 내부에 있는 메모리수단 내에 순차적으로 저장한다. 또한 상기 전류센싱수단(16)으로부터 얻어지는 충·방전전류의 크기 및 패턴을 분석하여 충·방전횟수(사이클), 충·방전 이력에 관한 데이터를 데이터베이스(DB)화 하여 상기 메모리수단 내에 날짜정보와 함께 순차적으로 저장한다.
현재 상용화되고 있는 리튬 이온 축전지는 2차 전지 중에서 전기집적도가 매우 높고 비교적 가격도 저렴하지만, 소용량에 한해 BMS IC칩을 연결하여 3~4개를 직렬 연결한 구조 (스마트 배터리)로 사용되고 있을 뿐이다. 다른 2차 축전지팩과 같이 수십개 이상의 단위 셀을 직렬시스템으로 연결하여 사용하기에는 특성상 폭발 의 위험성을 내포하고 있기 때문에, 전기자동차와 같은 대용량 축전지팩으로 직렬 연결(특히 DC 300V 급이상)하여 실용화하는 데는 해결해야 할 기술적 과제를 가지고 있는 것이다.
즉, 리튬계열의 축전지팩에 대해서는 타 2차 전지보다 위험성이 많기 때문에 폭발의 위험도를 줄이기 위해 셀 보호감시제어(Cell Protection)기능 및 충전 잔존용량 측정등 기본관리 기능 외에 추가적으로 셀균등제어(Cell Balancing)기능을 우선적으로 수행토록 설계하는 것이 대용량화의 필수적 해결 방안이 될 수 있다.
수십개 이상의 단위 셀을 직렬 연결 구성한 축전지팩을 장기간 사용함으로써 충.방전 사이클이 증가하게 되면, 각각의 단위 셀이 가지는 특성인자가 서로 동일하지 못하므로 단위 셀의 충전 전압이 불균형상태가 되게 된다. 이를 방지하는 수단으로 셀 균등제어(Cell Balancing)기능이 필수적 요건이 되는 것이다.
타 2차 전지의 경우에도 셀 전압이 불균형상태가 되면 축전지시스템의 노화를 촉진되어 용량감소등 수명이 단축되는 요인이 되나, 특히 리튬계열의 축전지팩에 대해서는 셀 전압이 불균형상태가 되면 급격한 특성변화로 폭발이 발생될 수 있으므로 셀균등제어(Cell Balancing)기능은 매우 중요한 제어 관리동작의 필수사항이 되는 것이다..
따라서, 우선하여 상기 감시제어수단(2)은 피측정 대상의 단위 셀 전압을 측정 연산하여 이 값이 타 단위 셀의 전압정보와 수시로 비교하여 높다거나 셀의 최대 허용전압보다도 높다고 판단되면, 상기 임베디드장치(15)는 셀균등제어수단(11)으로 하여금 상기 불균형 상태에 있는 감시 대상 셀을 균일화 시키도록 제어 명령하게 된다. 이 명령은 각 셀의 내부저항과 같이 축전지 관리상 중요도가 낮다고 판 단되는 특성요소의 측정이나 기타 분석 동작보다 항상 우선적으로 처리된다.
상기 임베디드장치(15)의 제어 명령에 따라 불균형 상태에 있는 대상 셀이 셀선택수단(12)를 통해 상기 셀균등제어수단(11)에 연결되어 지면 셀균등제어수단(11)이 작동되고, 축전지팩의 충전전류중 일부 량(하드웨어의 용량을 고려한다면 50% 이하가 바람직함)은 불균형 상태에 있는 셀을 충전하지 않고 셀균등제어수단(11)을 통해 분산(바이패스)되도록 제어됨으로써 불균형 상태에 있는 셀 전압은 다른 정상 셀에 비해 추가적인 충전이 정지되거나 과충전된 셀 전압은 방전되어 안정되게 된다.
상기의 셀균등제어(Cell Balancing)기능은 충전기간 동안 지속적으로 작동되고 축전지 단위 셀의 타 파라미터 측정 또는 분석 관리보다 우선적으로 행하여 진다.
상기 셀균등제어수단(11)은 회로구성 및 제어를 단순화시키는 목적으로 1개의 능동스위치 소자와 부하저항기로써 회로를 구성하는 것이 바람직하다. 상기 능동스위치 소자가 온(ON)되면 상기 능동스위치 소자와 직렬로 연결된 부하저항기로 축전지팩의 충전전류가 분산되어 충전량이 감소되거나 과충전된 셀 전압은 방전되게 된다.
또한, 셀의 보호감시제어(Cell Protection)기능은 각각의 셀에 대하여 여러 가지 보호(과충전 차단 및 해지, 과전압 차단 및 해지, 과전류 차단 또는 해지, 과 방전 차단 또는 해지, 셀 온도 과열 차단 또는 해지, 단위 셀의 내부 저항과다 경고)기능을 수행하여 단위 셀을 폭발로부터 보호하는 기능이다.
상기 감시제어수단(2)은 전류센싱수단(16)으로부터 축전지팩의 충.방전전류를 감지하여 충.방전사이클의 회수를 파악하고 이의 크기를 연산한다. 또한 셀선택수단(12)를 통해 각 단위 셀의 셀전압, 온도, 임피던스전압신호를 감지받아 이하 축전지팩의 건전상태 또는 충전상태를 추정하고 보호 기능이 수행되도록 관리한다.
상기 감시제어수단(2)은 임베디드장치(15)에 의해 연산되어 얻어지는 셀 전압, 온도 값이나 내부 저항값을 소정의 설정 값과 비교 분석하여 축전지팩(Stack)의 해당 단위 셀(모노블록)에 이상이 발생되거나 예상되었다고 판단되면, 즉시 임베디드장치(15)는 우선적 신호를 출력하고 게이트 차단수단(18)으로 하여금 게이트 차단신호를 만들어 승압형 컨버터(3)로 송출된다. 이와 같이 송출된 상기 게이드 차단신호는 상기 승압형 컨버터(3)의 차단 스위치(304)의 게이트를 즉시 차단(블로킹)하여 충전 또는 방전을 정지시킬 수 있으므로 축전지팩(Stack)은 잘못된 충·방전조건이나 환경으로부터 안전하게 보호될 수 있다.
충.방전전류의 적산량은 축전지팩의 충전 잔존 용량 (SOC)를 추정하는 데 필수적 자료이다. 충전 잔존용량 측정 기능은 축전지팩의 충.방전시 측정된 전류량을 적산을 토대로 하여 충.방전 Cycle회수, 단위 셀의 건전상태, 셀 온도, 셀 전압 등 셀 특성 데이터를 연산 알고리즘에 접목시켜 충전 잔존 용량(SOC)을 연산할 수 있다.
또한 임베디드장치(15)의 출력포트에 연결되어 있는 표시장치(19)는 LCD나 LED형태로 구성될 수 있으며 표시장치(19)에 의하여 상기 축전지팩(Stack)의 동작상태나 이상유무 상태를 감시할 수 있고 필요시에는 상기 임베디드장치(15)의 메모 리수단에 저장되어 있는 축전지팩(Stack)의 상태 및 이력 데이터베이스를 검출하여 축전지팩(Stack)의 성능이나 수명에 관한 특성 및 충·방전에 대한 이력 데이터를 열람할 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예로써 축전지팩의 BMS 회로 및 충·방전회로 블록도이며, 셀선택수단(12)이 각 단위 셀마다 설치되는 측정제어모듈 (21a, 21b ...21n)로 구성된 신호선택수단(21)으로 대치될 수 있다. 상기 각 측정제어모듈 (21a, 21b ...21n)에서 축전지 각 단위 셀의 특성 파라미터를 측정하고 필요시 이를 MCU(37)의 내부 메모리에 저장한다. 측정된 데이터가 순차적으로 아날로그스위치(MUX) 또는 통신회로(38)의 직렬통신선로(39)를 통해 임베디드장치(15)에 연결되도록 구성되며, 상기 임베디드장치(15)는 축전지팩의 충.방전전류크기와 각 측정제어모듈 (21a, 21b ...21n)에서 측정되어 제어신호에 의해 전송된 각 단위 셀의 특성요소 파라미터를 입력받아 분석한다.
도 12 는 본 발명의 일 실시 예로 상기 측정제어모듈 (21a, 21b ...21n)의 세부 구성 블럭도이다. 축전지 단위 셀에서 얻어지는 전압신호는 차동증폭기1(31)을 통해 임피던스 전압측정회로(32) 및 셀전압감지회로(33)를 통해 A/D 변환기(36)로 입력된다. 또한 측정전류발생수단(17)에서 발생된 측정전류신호가 라인(34)에 따라 A/D 변환기(36)에 입력되고 온도센서(30)에서 감지된 온도신호는 차동증폭기회로2(버퍼)(35)를 통해 A/D 변환기(36)로 입력되어 셀 전압, 온도, 내부 저항 등 단위 셀의 특성 파라미터가 MCU(37)의 연산프로그램에 의해 연산된다.
상기 MCU(37)에서 연산된 상기 특성 파라미터는 통신회로(38)를 통해 직렬 통신방식으로 상기 임베디드장치(15)에 전송되게 되어 종합적으로 분석 관리될 수 있다.
또한 상기 통신회로(38)는 수.송신 양방향으로 통신을 할 수 있게 설계되고 상기 임베디드장치(15)의 감시관리에 의해 불균형 상태에 있는 대상 셀이 발견되어 지면, 상기 임베디드장치(15)의 제어 명령은 상기 통신회로(38)을 통해 셀균등제어회로(42)에 전달되어 축전지팩의 충전전류 중 일부(하드웨어의 용량을 고려한다면 수 A 이하가 바람직함)성분은 불균형 상태에 있는 셀을 더 이상 충전하지 않고 상기 셀균등제어수단(42)을 통해 바이패스되도록 제어됨으로써 불균형 상태에 있는 셀 전압은 충전량이 감소되어 전압이 안정되게 되는 것이다.
한편, 상기 측정전류발생수단(17)에서 발생하는 측정전류가 피 측정 축전지팩(Stack)에 흐르게 되면 단위 셀(모노블록)의 내부 임피던스에 의해 임피던스 전압신호가 피 측정 축전지팩(Stack)의 단자에서 축전지의 기전력에 혼합되어 나타나게 된다.
내부 임피던스 또는 내부 저항을 측정하는 기술은 이미 공지된 바와 같이 교류전류 주입방식(AC current injection method)과 순간-부하 방전방식(Momentary Load Test, DC Measurement)등 몇 가지 방법들이 있으며 측정전류신호의 흐름에 의하여 축전지 단위 셀에서 얻어지는 임피던스 전압신호와 측정전류신호의 관계 수식으로부터 내부 임피던스 또는 내부 저항값을 도출한다.
이와 같이 상기 임피던스 전압신호를 얻기 위해서는 측정전류신호를 생성하여 피측정 축전지팩(Stack)에 흐르도록 하여야 하는 데, 이때 충·방전전류에 의한 리플전압이나 또한 외부로부터 유도될 수 있는 잡음 전압의 영향을 받지 않기 위해서는 축전지 단자전압에서 얻어지는 임피던스 전압신호가 훨씬 커야 하므로 수십 암페어(Ampere) 이상의 비교적 큰 측정전류가 필요하게 된다.
도 4는 측정전류발생수단(17)의 일 실시 예이다. 비교적 큰 측정전류를 용이하게 생성할 수 있도록 설계된 바람직한 실시 예로써 축전지팩의 출력단자와 직렬로 연결된 인덕터와 2개의 스위칭소자로 측정전류발생수단(17)이 구성되어 진다.
스위칭 레그는 상단 스위치 소자(901)와 하단 스위칭 소자(902)의 극성 방향에 맞추어 직렬로 구성하여 상단(910), 중단(920) 및 하단(930) 결선 노드가 형성되도록 구성한다. 상단 결선 노드(910)는 출력 커패시터(306)의 양극(+) 단자와 결선되고 하단 결선 노드(930)는 출력 커패시터(306)의 음극(-) 단자와 결선 되며 중단 결선 노드(920)는 인덕터(907)의 한쪽 단자와 결선 된다. 또한 인덕터(907)의 다른 단자는 축전지팩(Stack)의 양극(+)단자와 결선 된다.
상기 측정전류 발생수단(17)은 축전지팩(Stack)의 단자와 연결된 수동소자인 인덕터와 2개의 능동소자인 스위칭 소자로 구성되어, 선형제어방법에 비해 효율이 높고 또한 큰 측정전류신호를 생성할 수 있다. 또한 상기 상단 스위치 소자(901)와 하단 스위칭 소자(902)는 임베디드장치(15)에서 출력된 신호에 의하여 동기 되게 구동시킴으로써 결과적으로 측정전류 주파수는 임베디드장치에서 결정되게 되고 이에 따라 내부 저항값을 연산하는 단계가 간략하여 질 수 있다.
도 5은 상기 측정전류발생수단(15)의 심뮤레이션에 의한 동작 파형의 일 예로, 측정전류 및 축전지시스템(팩) 출력전류의 시뮬레이션 파형을 도시하고 있다. 도 4에 도시된 바람직한 실시 예에 의하여 측정 전 전류 200 Hz(헤르츠), 최대치 50 A(암페어) 크기의 정현파 측정전류가 임베디드장치의 구동신호에 의해 용이하게 생성되고 있음을 알 수 있다.
도 6는 본 발명에서 제시하고 있는 승압형 컨버터(3)의 일 실시 예로, 주회로의 스위칭 레그가 4상으로 구성된 경우이다. 각 상의 개별 스위칭 레그들은 구성 및 동작원리가 동일하므로 이하 내용의 반복 설명을 피하기 위해 기준 스위칭 레그(301)을 중심으로 설명한다.
스위칭 레그(301)는 상단 스위치 소자(302), 하단 스위칭 소자(303) 그리고 차단 스위치(304)를 극성 방향에 맞추어 직렬로 구성하여 상단(310), 중단(320) 및 하단(330) 결선 노드가 형성되도록 구성한다. 상단 결선 노드(310)는 출력 커패시터(306)의 양극(+) 단자와 결선 되고, 하단 결선 노드(330)는 출력 커패시터(306)의 음극(-) 단자 또는 축전지팩(Stack)의 음극(-)단자와 결선 되고, 중단 결선 노드(320)는 인덕터(307)의 한쪽 단자와 결선 된다. 인덕터(307)의 다른 단자는 축전지팩(Stack)의 양극(+)단자와 결선 된다.
상단 스위칭 소자(302)와 하단 스위칭 소자(303)의 영전압 스위칭 구현을 위해 설계자의 판단에 따라 스너버 커패시터(305)가 각 스위칭 소자에 병렬로 구성될 수도 있다.
또한 스위칭 소자의 보호를 위해 설계자의 판단에 따라 차단 스위치(304)와 상단 스위칭 소자(302) 사이의 결선 노드(340)에 다이오드(351)의 양극(+)이 결선 되고, 다이오드(351)의 음극(-)단자는 커패시터(352)와 결선 되고, 커패시터의 또 다른 단자는 출력 커패시터(306)의 음극(-)단자 또는 축전지팩(Stack)의 음극(-)단자와 결선 되고, 커패시터(352)에 저항(353)이 병렬로 결선 되는 것을 특징으로 하는 전류패스회로(350)를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
상단 스위칭 소자(302)와 하단 스위칭 소자(303)는 스위치 제어수단(20)에 의해 동작하며 하단 스위칭 소자(303)가 스위치 온이 되면 상단 스위칭(302)는 스위치 오프가 되는 것과 같이, 상보적으로 온/오프 스위칭 된다. 하단 스위칭 소자(303)가 온 되는 경우, 인덕터(307)에 인가된 축전지시스템(팩)의 전압으로 인해 인덕터 전류는 선형적으로 증가하고 인덕터(307)내의 자기 에너지는 증가된다.
이후 하단 스위칭 소자(303)이 오프되면, 인덕터(307)에 인가된 전압의 극성이 반전되어 인덕터 전류는 선형적으로 감소하고 인덕터 내의 자기 에너지는 출력 캐패시터(306)로 방출되게 된다.
따라서, 하단 스위칭 소자(303)의 스위치 온/오프 시간을 제어하는 펄스 폭 변조(PWM; Pulse Width Modulation)에 의해 인덕터(307)에 자기적으로 저장되는 에너지 양이 제어되고 축전지시스템(팩)의 출력전압을 전기시스템에서 요구하는 높은 직류전압으로 변환하게 되는 것이다.
차단 스위치(304)는, 승압형(Boost) 컨버터(3)의 동작시 또는 축전지팩의 충전시와 같은 평상 동작의 경우, 스위치 온 되어 축전지시스템(팩)의 전력이 부하측으로 공급되거나 또는 충전되는 것을 허용한다.
그러나, 전술한 바와 같이 감시제어수단(2)에서 충·방전전압, 충방전전류, 셀 전압, 온도 값이나 내부 임피던스 또는 내부 저항값을 실시간으로 연산하거나 모니터한 결과를 분석하여 축전지팩(Stack) 또는 해당 단위 셀(모노블록)에 이상이 발생되었다고 판단될 경우, 차단 스위치(304)는 게이트 차단수단(18)에서 송출된 차단신호에 의해 즉시 스위치 오프되고 전력의 공급을 중지시켜 축전지팩(Stack)을 보호하게 된다.
또한 충전중에도 이상이 감지되면 축전지팩(Stack)을 보호하기 위해 차단 스위치(304)를 스위치 오프(off) 시킴으로써 승압형(Boost) 컨버터(3)의 제어동작을 중지시키는 것이 바람직하다.
또한 상기 차단 스위치(304)는 현실적으로 상용화된 IGBT 같은 전력 반도체 소자가 바람직하나, 기계식 접점구조인 릴레이나 스위치로 대치될 수도 있고 이 경우에는 게이트 차단수단(18)에서 송출된 차단신호는 여자코일의 여자전류를 차단시켜 상기 릴레이나 스위치를 오프시켜 축전지팩(Stack)을 보호할 수 있다.
상기 단계에서 이상이 감지되어 차단 스위치(304)를 스위치 오프하거나 승압형(Boost) 컨버터(3)의 동작을 급히 정지시키면 인덕터(307)에 흐르고 있는 인덕터 전류의 환류(Free wheeling)통로가 차단되어 상기 인덕터(307) 양단에는 높은 전압이 유기되고 이로 인해 상기 스위칭 소자(302,303) 또는 차단 스위치(304) 양단에 과전압이 발생하여 이들이 파손될 수 있다.
이와 같은 파손을 방지하기 위하여는 상기 인덕터(307)에 흐르는 전류가 -음 (-)방향으로 흐르는 구간에 상기 차단 스위치(304)를 스위치 오프하거나 승압형 컨버터(3)의 동작을 중지시키면, 상기 인덕터(307)의 전류는 스위치 소자(303)의 다이오드를 통해 우회(바이패스)되어 흐르게 되어 파손을 방지할 수 있다. 그러나, 이러한 제어방법은 게이트 구동신호를 제어하는 단계에서 이루어지므로 제어가 다소 복잡하게 될 수 있다.
따라서 상단 스위치 소자(302)와 차단 스위치(304)의 결선 노드(340)와 출력 커패시터(306의 음극(-)단자 또는 축전지팩(Stack)의 음극(-)단자와 연결점인 결선 노드(330) 사이에 하드웨어 회로인 전류패스회로(350)를 설치하여 상기 인덕터(307)에 흐르고 있는 전류가 상기 전류패스회로(350)를 통해 우회(바이패스)되도록 함이 바람직하다.
도 7 은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시 예인 주회로의 스위칭 레그가 6상으로 구성된 승압형(Boost) 컨버터 회로의 예이다. 각 스위칭 레그의 하드웨어 구조와 동작원리는 도 6의 경우와 일치하므로 이의 동작 과정에 관하여 기재를 하지 않더라도 이 기술분야의 통상의 종사자는 이를 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
스위칭 레그가 단상으로 구성된 통상의 승압형(Boost) 컨버터의 경우, 축전지시스템(팩)의 출력 전류와 인덕터 전류가 동일하다. 반면 4상 또는 6상으로 구성된 도 6 또는 도 7의 승압형 컨버터에서 축전지시스템(팩)의 출력전류(Ibat)는 각 상의 인덕터 전류의 전체 합으로 나타나게 되므로, 출력전류(Ibat)내의 고조파 리플 전류또한 각상의 인덕터 전류 내의 고조파 리플 전류의 합으로 나타나게 된다.
승압형(boost) 컨버터의 스위칭 소자를 제어하는 펄스 폭 변조의 한 주기를 360˚로 정의할 때, 주 회로의 각 레그가 (360˚/상수)의 위상차를 각각 가지는 것을 특징으로 하는 펄스 폭 변조를 통해 제어되는 경우, 인덕터 전류 역시 고조파 리플은 (360˚/상수)의 위상차를 가지게 된다. 이러한 위상차를 가진 고조파 리플 은 출력전류(Ibat)내에서 서로 상쇄되고 결과적으로 축전지시스템(팩)의 출력 전류(Ibat)의 고조파 리플은 크기는 감소하고 고조파 주파수는 (스위칭 주파수 * 상수) 배로 증가하게 되는 것이다.
도 8은 6상으로 구성된 승압형(Boost) 컨버터가 60˚의 위상차 (360˚/6상)를 가진 펄스 폭 변조에 의해 제어되는 경우로써, 전기차에 사용되는 전기시스템에 적용할 수 있는 경우의 각 상 인덕터 전류와 축전지시스템(팩) 출력 전류 파형을 도시하고 있다. 각 상 인덕터 전류들은 서로 60˚의 상대적 위상차를 가지고 있으며 그 개별 리플 전류의 피크치가 200 A(암페어)수준에 달할 수 있다. 이때 전술한 바와 같이 축전지시스템(팩) 출력 전류내에서는 상이한 위상을 가진 인덕터 전류들 간의 상쇄 효과로 인해 리플 전류의 피크치가 60A(암페어) 정도로 감소하게 됨을 알 수 있을 것이다. 뿐만 아니라 축전지팩(Stack)의 리플 전류의 주파수는 인덕터 전류 리플의 6배(즉, 상의 배수)에 해당함을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시 예로써 4상 또는 6상에 대하여 동작 모드 및 전류 파형을 도시하여 설명하고 있으나, 3상으로 적용이 가능하고 스위칭 레그의 상이 더 증가하면 축전지팩(Stack)에서 발생되는 스위칭 리플의 주파수가 상수에 비례하여 높아지고 리플전류 크기가 감소하므로, 설계자의 판단에 따라 유리한 점을 찾을 수 있다면 회로의 상수을 최적인 조건으로 증가시켜 승압형(Boost)컨버터의 주회로를 구성할 수 있다.
또한, 상기와 같이 상수가 증가됨에 따라 1개의 전력 스위칭 소자의 전류용량이 감소할 수 있으므로, 전기자동차용과 같은 대용량의 축전지팩(Stack)에 사용 되는 승압형(Boost) 컨버터 회로의 스위칭 소자로써 속도도 매우 빠르며 병렬 연결이 비교적 용이한 FET소자를 채택할 수 있다. 따라서 상기 다상 구조의 승압형(Boost)컨버터의 경우 산업적 이용 효과가 높아질 수 있다.
또한, 상기와 같이 병렬운전 상수가 많아지면 일부 상수에 고장이 발생하여 고장난 상의 스위칭 레그를 동작회로 모드에서 분리시키고 나머지 건전한 상으로써 동작되게 하드웨어 및 제어시스템을 구성할 수 있으므로, 이와 같은 다상 구조 형태로 구성된 승압형(Boost) 컨버터는 전기시스템의 운전 신뢰도를 향상시키는 데 기여할 수 있다.
한편, 도 6 또는 도 7에 도시된 승압형 컨버터는 인덕터의 크기(인덕턴스)를 줄임에 따라 인덕터 전류의 리플 크기가 증가한다. 도 9는 인덕턴스 감소에 따른 인덕터 전류를 도시하고 있다. 인덕턴스 감소로 인해 스위칭 레그의 하단 스위치가 오프 (상단 스위치는 온) 되는 구간 동안, 인덕터 전류를 영전류를 지나 마침내 그 방향이 반대로 바뀌는 음 극성의 전류가 된다. 상기 음 극성의 인덕터 전류 구간에서, 도 10 의 (b)에 도시된 바와 같이, 하단 스위치와 상단 스위치를 동시에 오프시키면 음 극성의 인덕터 전류는 하단 스위치의 역병렬 다이오드를 통해 흐르게 된다. 이후 도 10의 (c)와 같이 하단 스위치를 턴 온 시킴으로써, 스위치의 턴 온 손실이 없는 영전압 스위칭을 구현할 수 있게 된다.
한편, 전 부하 영역에서 상기와 같은 영전압 스위칭을 구현을 위해서는 최대 부하시 하단 스위치의 오프 구간 동안 인덕터 전류가 그 방향이 반대로 바뀌어 음 극성의 전류가 될수 있도록 승압형 컨버터의 인덕터를 충분히 작은 값으로 선정할 필요가 있다. 그러나, 승압형 컨버터가 일정한 스위칭 주파수를 가지는 펄스폭 변조에 의해 제어되는 경우, 전 부하 영역에서 상기 영전압 스위칭을 구현은 경부하시 과도한 음 극성의 인덕터 전류를 야기하게 되고, 이는 승압형 컨버터의 경부하시 전력 변환 효율을 떨어뜨리는 주요한 원인이 된다.
따라서 일정한 스위칭 주파수를 가지는 펄스폭 변조에 의해 제어시, 승압형 컨버터는 에너지 변환 효율을 고려하여 경부하시에 영전압 스위칭되고, 중 부하시에는 하드 스위칭되도록 설계하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 승압형 컨버터에서 경부하시 과도한 음 극성의 인덕터 전류를 생성 없이 전 부하 영역에서 영전압 스위칭이 구현은 가변 스위칭 주파수를 갖는 펄스폭 변조 제어를 통해 달성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시 예로써, 도 11(a)에 도시된 스위칭 주파수가 낮은 경우와 도 11(b)에 도시된 경부하시 가변 주파수에 따라 해당주파수를 높이는 경우의 인덕터 전류의 리플 파형을 서로 비교하여 보여주고 있다. 인덕터의 평균 전류(부하 전류)는 동일함에도 불구하고 스위칭 주파수를 증가시킴에 따라 인덕터 전류의 리플 크기가 감소하게 되어 음 극성의 인덕터 전류의 크기가 줄어들고 있음을 알 수 있다. 따라서, 펄스 폭 변조의 주파수를 가변함으로써 컨버터의 경부하 운전시의 에너지 변환 효율이 상승하게 되는 것이다.
도 13는 리튬계열의 축전지 단위 셀의 내부 저항과 방전 종지전압까지의 방전전류(Discharge Current)의 상관관계를 도시한다.
가변할 수 있는 부하 저항기로써 부하 저항을 변화하여 방전전류를 증가시키 면서 부하전류와 축전지 셀의 단자 전압을 측정해 보면 도 13와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 도 13 에서 전압계에 나타난 전압은 축전지에 방전전류가 흐를 때 축전지의 두 극 단자 사이의 전위차이고 이것은 축전지의 단자 전압을 표시한다.
방전전류가 증가함에 따라 축전지 단자 전압이 낮아지는 이유는 축전지의 내부 저항에 의한 전압 강하가 일어나기 때문이다. 도 13의 그래프에서 직선의 기울기는 축전지가 가지고 있는 내부 저항과 동일하다. 이렇게 하여 방전전류가 흐르면 축전지 내부 저항에 의한 전압강하가 일어나 축전지 셀의 단자 전압이 내려가는 것이다.
방전전류가 0일 경우에는 내부 저항에 의한 전압 강하가 전혀 없고, 이때의 전압을 축전지의 기전력이라고 한다. 도 13 그래프에서 직선을 연장해서 전압 V축과 만날 때의 단자 전압이 축전지의 기전력이다. 리튬계열의 축전지는 충전 후의 기전력은 충전조건에 관계되는 인자에 따라 변화되므로 안정기간이 지난 다음에 측정하는 것이 바람직하다.
축전지의 기전력을 E, 실지 방전 중의 축전지 단자 전압을 V, 축전지의 내부 저항을 r, 축전지에 흐르는 방전전류를 I 라고 한다면, 식 1와 같은 관계가 성립한다.
Figure 112009004117972-PAT00001
(식 1)
여기서 축전지 단자 전압 V는 부하저항 R에 걸리는 전압이므로 축전지의 방전 전류를 I 는 식 2과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112009004117972-PAT00002
(식 2)
만충전된 피측정 대상의 축전지를 정격부하 크기로 방전 종지전압에 도달될 때까지 방전시켜 방전기간 동안의 방전 전류량을 적산한 값(Ah 단위)은 경년변화된 피측정 대상의 축전지가 가지는 건전상태(SOH)조건에서 감당할 수 있는 최대 방전량(Ah)에 해당된다. 또한 방전 말기 시점에서의 방전 전류의 크기는 최대 방전량(Ah)에 비례하게 된다.
또한 식 2 에서 기전력 E 는 만충전시의 축전지의 단자전압(기전력)에 해당되고 V 는 방전 말기 시점에서의 방전 종지전압에 해당하므로 방전 말기 시점에서의 방전전류의 크기는 축전지 내부 저항성분 r 에 비례하게 됨을 알 수 있다.
따라서 피측정 대상 축전지의 최대 방전량은 축전지 내부 저항값에 비례하게 된다. 만약 축전지가 노화로 인하여 축전지 내부 저항성분 r 이 증가하면 상기 최대 방전량은 비례하여 감소하게 된다.
도 14는 축전지팩(Stack)의 사용기간에 따라 충·방전 사이클(t)의 증가됨에 따른 내부 저항의 추이와 초기 정격 용량(Rated AH, RAH)을 기준점으로 하여 최대로 방전 가능한 최대 저장 용량(BSCM, Battery Storage Capacity Maximum)의 추이를 나타 내고 있다. 축전지팩(Stack)은 다소의 안정화 기간을 지나면 충·방전 사이클(t)이 50% 이내 구간에서는 내부 저항이 거의 직선적으로 상승하고 축전지가 충·방전 사이클(t)의 증가로 인해 노화되면 총 방전가능한 최대 저장 용량(BSCM)이 80% 이하 수준(A 점)에 도달되고, 이후 내부 저항도 급격히 상승하게 되어 축전 지는 내구수명이 종료되게 된다.
충·방전 사이클이 진행된 t1 시점에서 축전지팩(Stack)이 가진 최대로 방전 가능한 최대 저장 용량(Battery Storage Capacity Maximum)인 BSCMt1 (at t= t1)은 식 3과 같이 내부 저항 r 의 1차 함수로 표시할 수 있다.
Figure 112009004117972-PAT00003
(식 3)
여기서, RAH 는 축전지 제조사에서 설계된 정격 용량 (Rated AH)을 표시하며, BSCMt1 은 충·방전사이클(시간)이 t= t1 인 시점에서의 상기 축전지팩(Stack)이 최대로 방전가능한 최대 저장 용량(Battery Storage Capacity Maximum)이고,
Figure 112009004117972-PAT00004
는 t= t1 인 시점에서의 상기 축전지팩(Stack)의 내부 저항값이고,
Figure 112009004117972-PAT00005
는 상기 신품 축전지팩(Stack)의 사용 개시 시점의 초기 기준 내부 저항값이다.
축전지 제조회사에서 제시되는 축전지 단위 셀 또는 축전지팩(Stack)의 정격 용량(Rated AH)값은 축전지 개개별로 다소 차이가 있으므로, 처음 축전지팩(Stack)의 사용을 개시하는 시점에서 만충전을 실시한 후에 방전 종지전압까지 연속된 방전과정을 통해 방전전류 적산방법에 의하여 초기 정격 용량(Rated AH, RAH)을 정확히 산출하여 이의 결과값을 사용하는 것이 바람직하다.
또한
Figure 112009004117972-PAT00006
는, 축전지팩(Stack)이 제조사로부터 출하될 시 표시된 내부 저항 기준값으로 사용될 수 있으나 신품 축전지일 경우라도 각 단위 셀마다 ±15%의 오차를 가질 수 있으므로, 사용 개시 시점에서 축전지팩(Stack)을 구성하는 각 단위 셀의 내부 저항을 측정하여 이의 평균값을 축전지팩(Stack)의 초기 기준 내부 저항값으로 결정하도록 하는 것이 바람직하다. 또한
Figure 112009004117972-PAT00007
역시 t= t1 인 시점에서 각 단위 셀의 내부 저항을 측정하여 이의 평균값을 축전지팩(Stack)의 t1 인 시점에서의 내부 저항값으로 결정한다.
또한, k1 은 축전지 단위 셀을 구성하는 축전지의 극판 재질, 두께 또는 전해질 및 더 나아가서는 제조방법에 따라 달라 지는 상수이며 예로서 밀폐형 납축전지인 경우에는 0.9 내외이다. 리튬 이온이나 리튬 포리머 축전지의 최대 저장 용량의 저하 정도는 충·방전사이클(시간)이 진행됨에 따라 수 % 수준이나 이에 대응되어 내부 저항은 두배 정도 변화되는 것으로 알려져 있는 바, k1 은 0.5 수준이라는 것을 이해할 수 있을 것이다.
kt 는 충·방전시 주위온도에 따른 용량 저감(Derating)요소에 해당되는 상수이며 축전지 제조회사에서는 이에 대한 저감요소를 그래프나 기술자료(Data Sheet)로 공개하고 있다.
식 3 에서 보인 바와 같이, 충·방전 사이클(t)이 증가되는 시점의 축전지팩(Stack)이 가질 수 있는 최대 저장 용량(BSCM, Battery Storage Capacity Maximum)은, 충·방전 사이클(t) 진행됨에 따라 실시간으로 내부 저항을 측정하여 이를 기초로 식 3 으로부터 산출할 수 있다.
한편, 전기자동차와 같은 실부하 조건 사용 환경중에서는 축전지팩(Stack)이 만충전상태로 부터 방전을 개시되어 종지전압까지 완전히 방전하는 패턴인 완전 방전(Full discharge)사이클 구간이 충·방전 상태를 모니터하는 알고리즘의 수행을 통해 쉽게 얻을 수 있다. 상기의 완전 방전 사이클 구간이 종료되는 시점에서 이 방전기간 동안의 방전 전류량을 적산하여 피측정 축전지팩(Stack)의 실부하 방전실험에 의한 2)최대 저장 용량(BSCM)을 산출한다.
즉, 도 14 에서 점선으로 표시된 t(i-1), t(i), t(i+1), t(i+2),t(n) 시점은 상기 완전 방전 사이클 구간이 종료되는 점을 표시한다. 이때 실부하 방전량의 적산으로 산출된 2)최대 저장 용량(BSCM)과 식 3 에 따라 산술적으로 산출된 1)최대 저장 용량과는 충·방전조건의 특성인자에 의해 4)차이(차)를 가지게 된다. 따라서 식 3으로부터 얻어지는 1)최대 저장 용량 결과값에 상기에서 구해진 4)차를 보정함으로써 t(i-1) 시점에서의 3)최대 저장 용량 보정값에 대한 그래프(도 13에 점선 표시)를 얻을 수 있다. 이후 차기의 완전 방전 사이클 패턴을 얻어 지는 t(i+1) 시점 까지의 구간(예로써, t(i)~ t(i+1) )중에는 직전 구간의 보정 단계와 같은 방식에 따라 5)최대 저장 용량값을 보정하여 채택한다.
상기에서 내부 저항 및 최대 저장 용량(BSCM)의 측정값은 측정시의 온도에 따라 변화하므로, 측정 시점에서 축전지팩(Stack) 주위온도를 동시에 측정하여 측정된 값을 표준온도로 환산하여 사용하는 것이 필수적이다.
이러한 보정을 완전 방전 사이클 패턴이 행해지는 구간의 종료 시점마다 반복적으로 시행하게 되면, 실부하 방전시험에 의하지 않고도 축전지팩(Stack)의 년수경과에 따라 충·방전사이클이 증가되는 모든 사용기간 동안에 매우 정확한 최대 저장 용량(BSCM)의 특성곡선을 얻을 수 있다.
이와 같은 최대 저장 용량(BSCM) 산출 방법은, 건전상태(SOC)에 상관된 파라미터요소를 시험적으로 모두 구하지 않고, 임베디드장치(15)에서 연산한 내부 저항값을 축전지 제조회사에서 제시하는 온도저감 특성데이터를 고려하여 표준 온도 기준으로 보정한 값을 산출하고 상기에서 구한 내부 저항값에 대응된 최대 저장 용량(BSCM)을 상관 함수식을 이용하여 구하고, 소정의 구간동안 상관 함수식에서 구해지는 최대 저장 용량(BSCM)을 일차적으로 구해지는 보정방법에 따라 보정하면, 축전지팩(Stack)의 충·방전사이클이 진행되어 지는 모든 구간에서의 보정된 최대 저장 용량(BSCM)값을 용이하게 구할 수 있다.
또한, 일정 충·방전사이클 기간 동안의 충·방전 전류량을 적산하여 얻은 결과값을 분석하여 현재까지의 충전된 량을 알 수 있으므로 현재 충전된 량을 상기 단계에서 얻은 최대 저장 용량(BSCM)으로 나누어 축전지팩(Stack)의 노화가 진행된 상태를 감안하여 현재의 충전상태를 알 수 있는 SOC(%)를 정확히 산출할 수 있다.
축전지팩(Stack)의 충·방전 사이클이 진행됨에 따른 최대 저장 용량(BSCM)을 산출하는 세부적인 과정를 설명하면 다음과 같다.
우선 처음 사용을 개시하는 시점에서 정확한 초기 정격 용량(Rated AH, RAH)을 산출한다(S201). 다음 단계로 사용 개시 시점에서 축전지팩(Stack)을 구성하는 각 단위 셀의 내부 저항을 측정하여 이의 평균값을 축전지팩(Stack)의 초기 기준 내부 저항값
Figure 112009004117972-PAT00008
로 결정한다(S202). 다음 단계로는, 상기 초기 기준 내부 저항값
Figure 112009004117972-PAT00009
을 표준온도로 환산한다(S203). 다음 단계로는, t= t1 인 시점에서 각 단위 셀의 내부 저항을 측정하여 이의 평균값을 축전지팩(Stack)의 t1 인 시점의 내부 저항값
Figure 112009004117972-PAT00010
로 결정하고 이를 표준온도로 환산한다(S204). 다음 단계로 실부하 충·방전사이클이 이루어 지는를 판단하여 완전 실부하 구간을 구한다(S205). 상기 단계 S205 에서 실부하 방전전류의 적산에 의해 구해진 2)최대 저장 용량(BSCM)을 산출하고 이를 표준온도로 환산한다(S206). 다음 단계로 산술적으로 1)최대 저장 용량을 식 3에 의해 산출하고 단계 S206 에서 구한 값과의 차를 구한다(S207). 다음으로는 상기에서 구해진 차를 이용하여 3)최대 저장 용량을 보정한다(S208). 끝으로 상기 단계에서 보정된 3)최대 저장 용량으로부터 노화가 진행된 상태에 따른 SOC(%)를 산출한다(S209).
상기에서 구해진 SOC(%)는 표준온도로 환산된 값이므로, 실지 사용 온도조건에서 SOC(%)가 필요할 경우에는 단계 S206 에서 채택한 환산계수를 사용하여 다시실 사용온도 조건의 값으로 할 수 있다.
본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가 능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
본 발명의 기술적 과제 해결 방법이나 실시 예들은, 전기차와 같은 사이클 서비스용 축전지 시스템뿐만 아니라, 각종 산업시설의 비상전원용 고정형 축전지 설비에 균등 또는 등가적 변형만을 가하여 그대로 적용할 수 있다.
또한 축전지의 노화상태(SOH)와 상관되는 내부 저항과 같은 등가 회로 요소 성분값을 측정하여 파악하고 더불어 충·방전 전류 전압 등 충·방전(사용)량 이력을 지속적으로 모니터하여 충전 잔존 용량(SOC)에 상관되는 내부 저항 및 셀 온도를 기초로 하여 잔존 용량을 정확히 측정(SOC)할 수 있는 방안은, 이미 제시된 적용 분야인 전기자동차, 전기자전거의 남은 주행거리를 정확히 판단해 낼 수 있을 뿐만 아니라, 각종 산업용 축전지 설비의 충전 잔존 용량(SOC)을 파악하는 수단으로 적용할 수 있을 것이다.
도 1은 전기자동차 축전지팩의 충·방전 제어 및 BMS 기능이 내장된 장치 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예인 축전지팩의 BMS 회로 및 충·방전회로 블록도.
도 3은 또 다른 실시 예인, 축전지팩의 BMS 회로 및 충·방전회로 블록도.
도 4는 본 발명의 측정전류발생수단의 일 실시 예.
도 5는 본 발명의 측정전류발생수단에 의한 동작 파형의 일 예.
도 6은 본 발명의 승압형 컨버터의 바람직한 일 실시 예.
도 7은 본 발명의 승압형 컨버터의 바람직한 또 다른 실시 예.
도 8은 승압형 컨버터에 의한 개별 인덕터 전류와 축전지팩(Stack) 출력 전류의 동작 파형의 일 예.
도 9는 승압형 컨버터의 인덕터 감소에 따른 인덕터 전류의 동작 파형.
도 10은 승압형 컨버터의 스위칭 소자의 동작에 따른 인덕터 전류의 파형.
도 11은 승압형 컨버터의 스위칭 가변시 인덕터 전류의 리플 파형.
도 12 는 본 발명의 일 실시 예로 측정제어모듈의 세부 구성 블록도.
도 13 은 축전지 단위 셀의 내부 저항과 방전 종지전압까지의 방전전류와의 상관관계 그래프.
도 14 는 축전지팩의 충·방전 사이클 경과에 따른 내부 저항의 상승 추이와 최대 저장 용량(BSCM)의 감소 추이 그래프.

Claims (17)

  1. 전기자동차의 전기시스템이나 비상전원장치의 직류전원을 공급하기 위한 축전지팩(Stack)을 제어하고 관리하는 장치에 있어서,
    축전지팩(Stack)의 충.방전전류 또는 측정전류신호를 감지하는 출력전류센싱수단;
    전기시스템에서 요구하는 높은 직류전압을 얻기 위하여 축전지팩(Stack)의 출력전압을 상승키 위한 다상 구조로 구성된 승압형 컨버터;
    상기 축전지팩(Stack)의 노화상태 또는 충.방전상태의 이상(비정상)상태를 감시 분석하는 감시제어수단;
    상기 감시제어수단에서 축전지팩(Stack)의 이상이 감지되거나 예견될 경우에 상기 승압형 컨버터의 스위칭 소자 또는 차단 스위치의 전류 흐름을 차단케 하여 충전 또는 방전을 정지시키는 게이트 차단수단; 및
    상기 게이트 차단수단과 연계하여 상기 승압형 컨버터의 스위칭 소자를 제어하기 위한 스위치 제어수단를 포함하는 축전지팩(Stack) 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 축전지팩(Stack)의 각 단위 셀의 출력단자를 감시제어수단으로 순차적으로 연결시키는 셀선택수단을 더 포함하는 축전지팩(Stack) 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 축전지팩(Stack)의 각 단위 셀의 특성을 측정하는 측정제어모듈군(21a~21n)의 출력신호를 상기 감시제어수단으로 순차적으로 연결시키는 신호선택수단(21)을 더 포함하는 축전지팩(Stack) 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 각 단위 셀 전압을 측정하여 다른 셀의 전압보다 높거나 최대 허용전압보다도 높아 불균형 상태에 있는 경우, 각 단위 셀을 균일화 시키도록 제어하는 셀균등제어수단을 더 포함하는 축전지팩(Stack) 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축전지팩(Stack)의 또는 내부 저항 또는 내부 임피던스 측정에 필요한 측정전류신호를 발생시키는 측정전류발생수단을 더 포함하여 구성되는 축전지팩 (Stack) 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 측정전류발생수단에 의해 흐르는 측정전류에 의하여 각 단위 축전지 셀에서 검출되는 내부 임피던스전압을 측정하여 각 단위 축전지 셀의 내부 저항 또는 내부 임피던스 성분을 측정하는 것을 특징으로 하는 축전지팩(Stack) 장치.
  7. 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감시제어수단은,
    상기 전류센싱수단으로 부터 얻어진 충·방전전류와 상기 인터페이스회로의 출력신호로 부터 축전지팩(Stack)의 이상유무에 상관된 각 단위셀의 특성요소를 연산 분석하여 이상이 감지되거나 예견될 경우에 게이트 차단신호를 우선적으로 발생하는 인베디드 장치를 포함하는 축전지팩(Stack) 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 인베디드장치는,
    충·방전횟수(사이클), 충.방전 이력, 내부저항 또는 내부 임피던스값, 및 축전지팩의 충.방전 사이클에 따른 보정된 최대 저장 용량(BSCM)이 저장된 메모리 수단을 가지는 특징을 가진 축전지팩(Stack) 장치.
  9. 축전지팩의 노화나 수명진행 상태를 감시하는 요소인 내부 임피던스 또는 내부 저항을 측정하는 데 있어서 필요한 측정전류발생수단의 구성에 있어서
    측정전류발생수단은,
    축전지시스템(팩)의 인입 단자와 연결된 인덕터;
    2개의 스위칭 소자를 포함하여 구성된 풀 브리지의 스위칭 레그; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 축전지팩(Stack) 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    각 단위셀의 특성요소를 연산하는 인베디드 장치에서 주파수신호를 받아 상기 측정전류발생수단의 출력주파수가 제어됨을 특징으로 하는 축전지팩(Stack) 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 승압형 컨버터는,
    1개 차단 스위치와 2개의 스위칭 소자가 극성 방향에 맞추어 직렬로 연결된 브리지 구조의 스위칭 레그를 3상 이상의 다상 병렬 형태로 결선됨을 특징으로 하는 축전지팩(Stack) 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 승압형 컨버터의 스위칭 레그에 다이오드의 음극(-)단자가 커패시터와 결선되고, 커패시터의 다른 단자는 축전지팩(Stack)의 음극단자와 결선되고, 커패시터에 저항이 병렬로 결선된 전류패스회로를 더 포함하는 브리지 구조로 구성됨을 특징으로 하는 축전지팩(Stack) 장치.
  13. 축전지팩(Stack)의 출력전압을 승압하는 목적으로, 1개 차단 스위치와 2개의 스위칭 소자가 극성 방향에 맞추어 직렬로 연결된 브리지 구조의 스위칭 레그를 다상 병렬 형태로 결선한 승압형 컨버터를 제어함에 있어서,
    각 상의 2개의 스위칭 소자의 해당 스위칭 레그가 (360도/상수)의 상대적인 위상차를 각각 가지도록 펄스폭 변조에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 축전지팩(Stack)의 승압형 컨버터 제어 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 펄스폭 변조는,
    경부하시에 영전압 스위칭되고, 중부하시에는 하드 스위칭되는 일정한 스위칭 주파수를 가지는 펄스폭 변조로 동작되는 것을 특징으로 하는 축전지팩(Stack) 의 승압형 컨버터 제어 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 펄스폭 변조는,
    전 부하 영역에서 영전압 스위칭이 구현되도록 스위칭 주파수를 가변하는 것을 특징으로 하는 펄스폭 변조로 동작되는 것을 특징으로 하는 축전지팩(Stack)의 승압형 컨버터 제어 방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    해당 상의 인덕터에 흐르는 전류가 음 (-)방향으로 흐르는 구간에 승압형 컨버터의 차단 스위치가 스위치 오프되어 상기 승압형 컨버터가 동작을 중지 또는 고장 분리되는 것을 특징으로 하는 축전지팩(Stack)의 승압형 컨버터 제어 방법.
  17. 축전지팩의 건전상태에 따른 충전상태(SOC)를 구하는 방법에 있어서,
    사용 개시 시점에서 각 단위 셀의 내부 저항을 측정하여 이의 평균값을 초기 기준 내부 저항값
    Figure 112009004117972-PAT00011
    로 결정하는 단계(S202),
    상기 초기 기준 내부 저항값
    Figure 112009004117972-PAT00012
    을 표준온도로 환산하는 단계(S203).
    측정을 요하는 시점에서 각 단위 셀의 내부 저항을 측정하여 이의 평균값을 축전지팩(Stack)의 내부 저항값
    Figure 112009004117972-PAT00013
    로 결정하고 이를 표준온도로 환산하는 단계(S204).
    방전 종지 전압까지 실부하 충·방전사이클이 이루어 지는 구간을 판단하는 단계(S205).
    상기 단계 S205 에서 실부하 방전전류의 적산에 의해 구해진 2)최대 저장 용량(BSCM)을 산출하고 이를 표준온도로 환산하는 단계(S206).
    산술적으로 1)최대 저장 용량을 식 3에 의해 산출하고 상기 단계에서 구한 값과의 차를 구하는 단계(S207).
    상기에서 구해진 차를 이용하여 3)최대 저장 용량을 보정하는 단계; 를 포함하는 축전지팩(Stack)(팩)의 SOC(%)를 산출하는 방법.
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