KR20130020946A - 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법 - Google Patents

중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법에 관한 것으로서, 특히 다중 셀로 구성된 대용량 배터리의 셀 밸런싱 방법에 있어서, 배터리 내의 각 셀 전압값을 측정하는 셀 전압 측정 단계와; 각 셀의 전압값을 통해 SOC를 계산하는 SOC 계산 단계; 및 계산된 SOC를 기설정된 기준 용량값과 비교하여 SOC가 기준 용량값을 초과하는 경우 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 각 셀들의 전압값을 이용하여 SOC를 계산하고, 계산된 SOC가 기준값을 넘어서는 경우에만 셀 밸런싱을 수행하도록 함으로써 배터리의 과방전을 방지하고, 셀 밸런싱의 안정성을 높여 충전의 효율성을 높일 수 있다.

Description

중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법{OPERATIONAL METHOD WITH CELL BALANCING FOR A MEDIUM AND LARGE SIZE BATTERY}
본 발명은 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 각 셀들의 전압값을 이용하여 SOC를 계산하고, 계산된 SOC가 기준값을 넘어서는 경우에만 셀 밸런싱을 수행하도록 함으로써 배터리의 과방전을 방지하고, 셀 밸런싱의 안정성을 높여 충전의 효율성을 높이도록 하는 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법에 관한 것이다.
경제 발전에 따라 차량에 대한 수요가 폭발적인 증가세를 보이고 있다. 이와 같이 차량 수요가 늘어남에 따라 차량에서 배출되는 배기가스가 환경오염의 주요 원인이 되고 있다.
따라서 차량의 배출가스를 줄이기 위한 다양한 연구들이 지속적으로 진행되고 있으며, 업계에서는 배출가스를 줄일 수 있는 차량의 개발이 진행되고 있다. 이러한 연구들과 개발의 결과로서 배출가스를 발생하지 않는 전기차량의 상용화가 부분적으로 시도되고 있다.
전기차량(전기이륜차 및 전기 충전에 의해 운행가능 특수 차량 포함)은 전기를 전력공급원으로 하여 운행하는 차량을 의미하며, 차량 자체에 전력공급원으로 충전이 가능한 배터리를 탑재하고, 탑재된 배터리에서 공급되는 전력을 이용하여 운행하는 차량을 말한다.
이러한 전기차량의 구성은 크게 일반 차량과 동일한 구성요소를 갖는 차량의 기본적인 기능부와 함께, 크게 전기에 의해 구동되어 차량을 운행시키기 위한 구동모터와, 그 구동모터에 전기를 공급하는 배터리로 구성된다.
한편, 배터리는 다수개의 배터리 셀로 구성되고, 다수개의 배터리 셀은 안전성과 수명 향상, 그리고 고출력을 얻기 위해 각 배터리 셀의 전압을 균일하게 해주어야 하므로, 배터리 셀들을 충전 또는 방전하면서 각 배터리가 적절한 전압을 가질 수 있도록 하는 배터리 밸런싱 장치를 이용한다.
그러나, 다수개의 배터리 셀(이하, 셀이라 함)들은 내부저항 등의 재질적 특성 및 사용 환경에 따른 인위적 편차 등으로 인해 전압 편차가 발생하게 된다.
셀간 전압 편차는 배터리의 용량 및 출력 특성이 낮은 전압의 셀을 기준으로 하여 결정되므로 실제 가용 용량/출력에 비해 성능이 낮게 나타날 수 있다(배터리의 성능 측정 시 최저 전압 셀을 기준으로 임계값을 설정함).
도 1은 열화 정도에 따른 배터리의 출력 전압값을 나타내는 그래프로서, 예를 들어, 리튬 배터리는 잔존용량(State Of Charge, 이하 'SOC'라 함) 5%의 편차 발생 시 약 60mV의 전압 편차를 보이며, 이에 따라 최저 전압 셀(열화 셀)에 의해 팩의 용량이 5% 낮게 측정될 수 있으며, 출력 전압값도 그만큼 낮게 측정될 수 있다. 뿐만 아니라 전압 편차가 발생한 셀을 방치하여 배터리를 그대로 사용할 경우 편차가 지속적으로 증가하여 배터리 내 모든 셀의 열화 및 과충전 등의 위험한 상황을 초래할 수 있다.
상기와 같이 배터리의 셀들은 여러 요인에 의해 전압 평형 상태를 안정적으로 유지하기가 어렵기 때문에 충전 상태를 평형화시키기 위한 밸런싱 기능을 가진다.
즉, 배터리 내의 셀들의 자기 방전률 차이에 의해 시간이 지남에 따라 배터리 셀들간의 SOC의 차이가 발생하게 되고, 이러한 셀들간의 용량 불균형을 극복하기 위해 배터리 셀들마다 충전(boost) 및 방전(buck)을 해주기 위해 별도의 회로를 구성하고 있다.
도 2는 종래의 배터리의 셀 밸런싱 방법을 나타낸 흐름도이다.
기존의 셀 밸런싱은 도 2에 도시된 바와 같이, 전원 공급시 측정된 최초 셀 전압을 SOC로 환산하여 최저 SOC 셀과 나머지 셀간에 편차를 비교하고, 그 값이 5%를 넘는 셀에 대하여 밸런싱 저항과 셀 전압과 의 관계로 밸런싱 시간을 계산하여 셀간 편차를 줄여나가는 방식이 있다.
예를 들어, 셀간 편차가 6%인 경우 1%의 용량을 밸런싱 저항을 통해 밸런싱 시간 동안 제거시키게 된다. 그러나 이 경우 매 단계마다 오차를 포함하게 되어 실제 밸런싱은 초기 계산보다 적게 수행될 수 있다. 최초 측정된 셀 전압을 SOC로 환산하는데 오차가 발생하며, 밸런싱 시간 계산시 초기 측정 전압으로 계산하므로 밸런싱 중 전압이 변하게 되면 오차가 증가하게 된다. 또한 밸런싱 회로의 저항 성분에 의한 에러가 포함될 수 있어 각 셀마다 밸런싱 회로 저항 특성이 다를 경우 밸런싱 수행 양이 불규칙하게 된다.
또한, 상기의 오차들을 감안하여 밸런싱 수행 시간을 보정하더라도 역시 각 셀의 밸런싱 회로 저항 특성이 다르게 나타나 밸런싱 양을 초과하여 방전시키는 문제가 발생할 수도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 각 셀들의 전압값을 이용하여 SOC를 계산하고, 계산된 SOC가 기준값을 넘어서는 경우에만 셀 밸런싱을 수행하도록 함으로써 배터리의 과방전을 방지하고, 셀 밸런싱의 안정성을 높여 충전의 효율성을 높일 수 있도록 하는 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 셀 밸런싱의 수행시 각 셀의 전압값중 최저 전압값을 갖는 셀을 기준으로 수행하되, 특정 셀의 최저 전압값이 기준 전압값 이하인 경우에 해당 셀의 밸런싱을 제외하도록 함으로써 배터리의 과방전을 방지하고, 셀 밸런싱의 안정성을 높여 충전의 효율성을 높일 수 있도록 하는 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
다중 셀로 구성된 대용량 배터리의 셀 밸런싱 방법에 있어서, 배터리 내의 각 셀 전압값을 측정하는 셀 전압 측정 단계와; 각 셀의 전압값을 통해 SOC를 계산하는 SOC 계산 단계; 및 계산된 SOC를 기설정된 기준 용량값과 비교하여 SOC가 기준 용량값을 초과하는 경우 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 기준 용량값은 사용자 또는 시스템에서 직접 설정한다.
여기에서 또한, 상기 셀 밸런싱 단계는 계산된 SOC를 기설정된 기준 용량값과 비교하는 제 1단계와; 비교 결과 SOC가 기준 용량값을 초과하면 각 셀의 전압값중 최저 전압값을 검출하는 제 2단계와; 검출된 최저 전압값을 기설정된 기준 전압값과 비교하는 제 3단계; 및 비교 결과 최저 전압값이 기준 전압값을 초과하는 경우 최저 전압값을 기준으로 최저 전압값을 초과하는 셀들의 셀 밸런싱을 수행하고, 비교 결과 최저 전압값이 기준 전압값 미만인 경우 기준 전압값을 초과하는 셀들의 셀 밸런싱을 수행하는 제 4단계로 이루어진다.
여기에서 또, 상기 제 4단계는 셀 밸런싱을 완료후 각 셀들의 전압값을 측정하여 각 전압값들간의 편차가 기설정된 허용 범위 이내로 유지되면 셀 밸런싱을 종료하고, 허용 범위를 초과하는 경우 셀 밸런싱을 반복 수행한다.
여기에서 또, 상기 기준 전압값은 사용자 또는 시스템에서 직접 설정한다.
여기에서 또, 상기 허용 범위는 사용자 또는 시스템에서 직접 설정한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법에 따르면, 각 셀들의 전압값을 이용하여 SOC를 계산하고, 계산된 SOC가 기준값을 넘어서는 경우에만 셀 밸런싱을 수행하도록 함으로써 배터리의 과방전을 방지하고, 셀 밸런싱의 안정성을 높여 충전의 효율성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 셀 밸런싱의 수행시 각 셀의 전압값중 최저 전압값을 갖는 셀을 기준으로 수행하되, 특정 셀의 최저 전압값이 기준 전압값 이하인 경우에 해당 셀의 밸런싱을 제외하도록 함으로써 배터리의 최적 성능 및 내구성과 수명 등의 확보를 기대할 수 있다.
도 1은 열화 정도에 따른 배터리 팩의 출력 전압값을 나타내는 그래프이다.
도 2는 종래 전기 차량용 배터리의 셀 밸런싱 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법중 최저 전압값이 기준 전압값보다 높을 때 밸런싱을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법중 최저 전압값이 기준 전압값보다 낮을 때 밸런싱을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 장치(100)는, 배터리(110)와, 전압 센싱부(120)와, 밸런싱 회로(130)와, 메모리부(140) 및 밸런싱 제어부(150)를 구비한다.
먼저, 배터리(110)는 직렬로 연결된 n개의 셀(C1 ~ Cn)을 포함하고, 부하(L)에 연결되어 전원을 공급한다. 여기에서, 배터리(110)는 n개의 셀(C1 ~ Cn)은 병렬로 연결될 수도 있다. 이때, 배터리 셀(C1 ~ Cn)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 반복적인 충방전이 가능한 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.
그리고, 전압 센싱부(120)는 배터리(110)의 각 셀(C1 ~ Cn)의 출력 전압을 주기적으로 측정하여 출력한다.
또한, 밸런싱 회로(130)는 방전회로로서, 각 셀과 연결되어 외부 제어에 따라 일정 시간동안 배터리(100)의 각 셀(C1 ~ Cn)을 방전시킨다.
또, 메모리부(140)는 시스템에 필요한 각종 정보 및 밸런싱 프로그램이 저장되고, 특히 사용자 또는 시스템에서 직접 설정한 기준 용량값, 기준 전압값 및 허용 범위가 저장된다.
한편, 밸런싱 제어부(150)는 초기화 시 메모리부(130)로부터 셀 밸런싱 프로그램을 로딩하고, 전압 센싱부(120)로부터 주기적으로 각 셀(C1~ Cn)의 전압값을 입력받아 메모리부(140)에 저장하고, 각 셀(C1~ Cn)의 전압값을 통해 SOC를 계산하여 계산된 SOC를 기설정된 기준 용량값과 비교하여 SOC가 기준 용량값을 초과하는 경우 셀 밸런싱을 수행한다. 여기에서, 밸런싱 제어부(150)는 셀 밸런싱을 수행시 각 셀(C1~ Cn)의 전압값중 최저 전압값을 검출하고, 검출된 최저 전압값을 기설정된 기준 전압값과 비교하여 비교 결과 최저 전압값이 기준 전압값을 초과하는 경우 최저 전압값을 기준으로 최저 전압값을 초과하는 셀들의 셀 밸런싱을 수행하고, 비교 결과 최저 전압값이 기준 전압값 미만인 경우 기준 전압값을 초과하는 셀들의 셀 밸런싱을 수행한다. 이때, 밸런싱 제어부(150)는 셀 밸런싱을 완료후 각 셀(C1~ Cn)들의 전압값을 측정하여 각 전압값들간의 편차가 기설정된 허용 범위 이내로 유지되면 셀 밸런싱을 종료하고, 허용 범위를 초과하는 경우 셀 밸런싱을 반복 수행한다. 이때, 밸런싱 제어부(150)는 밸런싱을 수행하는 셀의 전압값들의 편차를 계산하고, 이를 통해 메모리부(140)에 기저장된 테이블과 비교하여 각각의 밸런싱 회로(130)의 동작 시간을 산출하고, 이에 따라 밸런싱 회로(130)를 동작시킨다.
이하, 본 발명에 따른 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법의 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이고, 도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법중 최저 전압값이 기준 전압값보다 높을 때 밸런싱을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법중 최저 전압값이 기준 전압값보다 낮을 때 밸런싱을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 6b를 참조하면, 먼저 밸런싱 제어부(150)는 전원이 공급되면 각 구성부를 초기화시킨 다음, 전압 센싱부(120)를 통해 배터리(110)의 각 셀(C1 ~ Cn)의 출력 전압을 측정한다(S100).
그런 다음, 밸런싱 제어부(150)는 각 셀(C1~ Cn)의 전압값을 통해 SOC를 계산한다(S200).
그리고, 밸런싱 제어부(150)는 계산된 SOC를 사용자 또는 시스템에 의해 기설정된 기준 용량값과 비교한다(S310).
비교 결과, SOC가 기준 용량값을 초과하는 경우 밸런싱 제어부(150)는 셀 밸런싱을 수행시 각 셀(C1~ Cn)의 전압값중 최저 전압값을 검출한다(S320).
이어서, 밸런싱 제어부(150)는 검출된 최저 전압값을 기설정된 기준 전압값과 비교한다(S330).
비교 결과, 도 5a에 도시된 바와 같이 최저 전압값이 기준 전압값을 초과하는 경우 밸런싱 제어부(150)는 최저 전압값을 기준으로 최저 전압값을 초과하는 셀들과 연결된 밸런싱 회로(130)만을 동작시켜 셀 밸런싱을 수행한다(S340). 이때, 밸런싱 제어부(150)는 셀 밸런싱을 완료후 각 셀(C1~ Cn)들의 전압값을 측정하여(S350), 도 5b에 도시된 바와 같이 각 전압값들간의 편차가 기설정된 허용 범위 이내로 유지되면 셀 밸런싱을 종료하고(S360), 허용 범위를 초과하는 경우 단계 340(S340)으로 리턴되어 셀 밸런싱을 반복 수행한다.
반대로, 비교 결과 도 6a에 도시된 바와 같이 최저 전압값이 기준 전압값 미만인 경우 밸런싱 제어부(150)는 기준 전압값을 초과하는 셀들과 연결된 밸런싱 회로(130)만을 동작시켜 셀 밸런싱을 수행한다(S370). 이때, 밸런싱 제어부(150)는 셀 밸런싱을 완료후 각 셀(C1~ Cn)들의 전압값을 측정하여(S380), 도 6b에 도시된 바와 같이 각 전압값들간의 편차가 기설정된 허용 범위 이내로 유지되면 셀 밸런싱을 종료하고(S390), 허용 범위를 초과하는 경우 단계 370(S370)으로 리턴되어 셀 밸런싱을 반복 수행한다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 전기 차량뿐만 아니라 배터리를 사용하는 모든 산업 분야에 적용이 가능하다.
110 : 배터리 120 : 전압 센싱부
130 : 밸런싱 회로 140 : 메모리부
150 : 밸런싱 제어부 셀 : C1 ~ Cn

Claims (6)

  1. 다중 셀로 구성된 대용량 배터리의 셀 밸런싱 방법에 있어서,
    배터리 내의 각 셀 전압값을 측정하는 셀 전압 측정 단계와;
    각 셀의 전압값을 통해 SOC를 계산하는 SOC 계산 단계; 및
    계산된 SOC를 기설정된 기준 용량값과 비교하여 SOC가 기준 용량값을 초과하는 경우 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 용량값은,
    사용자 또는 시스템에서 직접 설정하는 것을 특징으로 하는 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 단계는,
    계산된 SOC를 기설정된 기준 용량값과 비교하는 제 1단계와;
    비교 결과 SOC가 기준 용량값을 초과하면 각 셀의 전압값중 최저 전압값을 검출하는 제 2단계와;
    검출된 최저 전압값을 기설정된 기준 전압값과 비교하는 제 3단계; 및
    비교 결과 최저 전압값이 기준 전압값을 초과하는 경우 최저 전압값을 기준으로 최저 전압값을 초과하는 셀들의 셀 밸런싱을 수행하고, 비교 결과 최저 전압값이 기준 전압값 미만인 경우 기준 전압값을 초과하는 셀들의 셀 밸런싱을 수행하는 제 4단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 4단계는,
    셀 밸런싱을 완료후 각 셀들의 전압값을 측정하여 각 전압값들간의 편차가 기설정된 허용 범위 이내로 유지되면 셀 밸런싱을 종료하고, 허용 범위를 초과하는 경우 셀 밸런싱을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기준 전압값은,
    사용자 또는 시스템에서 직접 설정하는 것을 특징으로 하는 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 허용 범위는,
    사용자 또는 시스템에서 직접 설정하는 것을 특징으로 하는 중대형 배터리용 셀 밸런싱 운영 방법.
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