KR20180020931A - 외부 밸런싱이 가능한 배터리 급속 밸런싱 장치, 및 이를 이용한 배터리 급속 밸런싱 방법 - Google Patents

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KR20180020931A
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Abstract

본 발명은 외부 밸런싱이 가능한 배터리 급속 밸런싱 장치, 및 이를 이용한 배터리 급속 밸런싱 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전지 모듈 내의 배터리 관리 시스템과 별도로 외부 밸런싱을 위해 연결할 수 있는 밸런싱 단자를 포함하여 배터리 모듈 내의 모든 배터리의 급속한 밸런싱이 가능한 배터리 급속 밸런싱 장치 및 이를 이용한 배터리 급속 밸런싱 방법에 관한 것이다.

Description

외부 밸런싱이 가능한 배터리 급속 밸런싱 장치, 및 이를 이용한 배터리 급속 밸런싱 방법{APPARATUS FOR BALANCING BATTERY AND BALANCING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 외부 밸런싱이 가능한 배터리 급속 밸런싱 장치, 및 이를 이용한 배터리 급속 밸런싱 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전지 모듈 내의 배터리 관리 시스템과 별도로 외부 밸런싱을 위해 연결할 수 있는 밸런싱 단자를 포함하여 배터리 모듈 내의 모든 배터리의 급속한 밸런싱이 가능한 배터리 급속 밸런싱 장치 및 이를 이용한 배터리 급속 밸런싱 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.
전기자동차(EV : Electric Vehicle)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차를 말한다. 즉, 배터리에 축전된 전기로 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시키는 전기자동차는 가솔린 자동차보다 먼저 개발되었으나, 배터리의 무거운 중량, 배터리 용량의 한계 및 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 상용화되지 못하다가 최근 에너지 및 환경 문제가 심각해지면서 1990년대부터 실용화를 위한 연구가 본격화 되었다.
또한, 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 있으며, 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.
종래의 배터리 팩은 크게 배터리 셀과, 충방전 회로를 포함하는 주변회로를 포함하여 이루어지며, 이 주변회로는 인쇄 회로 기판으로 제작된 후, 상기 배터리셀과 결합된다. 배터리 팩의 외부 단자를 통해 외부 전원이 연결되면, 외부 단자와 충방전 회로를 통해 공급되는 외부 전원에 의해 배터리 셀이 충전되며, 외부 단자를 통해 부하(load)가 연결되면, 배터리 셀의 전원이 충방전 회로와 외부 단자를 통해 부하에 공급되는 동작이 일어난다. 이때, 충방전 회로는 외부 단자와 배터리 셀 사이에서 배터리 셀의 충방전을 제어한다.
일반적으로 배터리 셀은 부하의 소모 용량에 맞도록 다수의 배터리 셀을 직렬 및 병렬로 연결하여 사용한다. 전기차 및 에너지저장장치에 사용되는 배터리는 다수개의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 단위 모듈을 구성하고 이를 다시 직렬 또는 병렬로 연결하여 고전압 고용량의 배터리 시스템으로 구성하게 된다.
이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리의 성능이 자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 각 전지 셀의 전압, 전체 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 전지 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 뿐만 아니라, 각 전지 셀을 센싱하는 셀 센싱 IC의 상태를 모니터링하여 해당 셀의 안정적인 컨트롤이 가능한 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 절실히 요구되는 실정이다.
한편, 배터리 팩을 이루는 각각의 배터리 셀은 제조 공정상의 여러 가지 이유로 인해 용량 편차가 존재한다. 따라서 배터리 팩은 충방전 사이클 중에 각 배터리 셀의 충방전 전압에 편차가 발생한다. 즉, 배터리는 사용 환경과 조건에 따라 모듈 또는 시스템을 구성하고 있는 단전지의 성능의 차이가 발생하고 불균형이 심화하게 된다. 이에 따라 배터리 팩은 충전 중에 특정 배터리 셀이 과충전될 수 있고, 또한 방전 중에 특정 배터리 셀이 과방전될 수 있다.
이와 같은 배터리 팩 중에서 특정 배터리 셀의 과충전이나 과방전은 배터리 팩의 용량을 감소시킬 뿐만 아니라 배터리 팩을 열화(degrade)시키고 수명을 단축시킨다. 모듈 또는 시스템을 구성하고 있는 단전지의 성능이 남아 있음에도 전압 컷오프 조건 등으로 인하여 충분히 성능을 구현하지 못하게 되며, 성능이 가장 낮은 단전지의 성능도 다 구현하지 못하게 되는 문제점이 있다. 즉, 배터리 팩 충전 시 상기 배터리 팩 내에서 하나의 배터리셀이 다른 배터리셀들에 비하여 먼저 상한 전압에 도달할 경우 더 이상 배터리 팩을 충전할 수 없게 되므로 다른 배터리셀들이 충분히 충전되지 않은 상태에서 충전을 종료하여야 한다. 이와 같은 경우 배터리 팩의 충전용량이 정격 충전용량에 미치지 못하게 된다. 한편, 배터리 팩 방전 시에는 상기 배터리 팩 내에서 하나의 배터리셀이 다른 배터리셀들에 비하여 먼저 하한 전압에 도달할 경우 더 이상 배터리 팩을 사용할 수 없게 되므로 그만큼 배터리 팩의 사용시간이 단축된다.
또한, 이와 같은 전압편차는 배터리 전압의 균일성을 저해하게 되고, 결국에는 배터리 열화의 원인으로 작용하게 되어 배터리의 수명을 감소시킨다. 배터리셀의 양단 전압이 일정 수치를 넘을 경우 폭발의 위험이 있고, 일정 수치 이하로 떨어질 경우에는 배터리셀에 영구적인 손상이 가해지게 된다.
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. 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.
따라서 배터리 팩의 충전 또는 방전 시 보다 높은 전기 에너지를 갖는 배터리셀의 전기 에너지를 보다 낮은 전기 에너지를 갖는 배터리셀로 공급해 줌으로써 배터리 팩의 사용시간을 향상시킬 수 있는데, 이와 같은 동작을 배터리셀 밸런싱이라고 부른다.
일반적으로, 배터리 모니터링 유닛은 직렬 연결된 다수의 배터리 셀의 전압 차이를 최소화하기 위한 밸런싱 회로를 갖는다. 즉, 배터리 모니터링 유닛은 각 배터리 셀의 전압을 센싱하고, 각 배터리 셀의 전압 차이가 기준값 이상으로 차이가 날 경우, 전압이 상대적으로 높은 배터리 셀을 강제로 방전시켜, 모든 배터리 셀의 전압이 동일해지도록 하는 셀 밸런싱을 수행한다. 또한 이러한 배터리 셀의 밸런싱 기술은 낮은 셀의 전압을 기준으로 이보다 높은 셀 전압을 방전시킨다.
도 1은 종래 기술에 의한 병렬저항을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4)을 구비하는 배터리 팩(11)과, 직렬연결된 저항(R11-R14) 및, 상기 배터리셀(CELL1-CELL4)의 임의의 단자를 상기 저항(R11-R14)의 대응 단자 각각에 선택적으로 연결하는 스위치(SW11-SW15)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(11) 충전 시 상기 배터리 팩(11) 내의 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 임의의 배터리셀의 충전전압이 다른 배터리셀들의 충전전압에 비하여 먼저 상한전압에 도달하는 경우 스위치(SW11-SW15) 중에서 해당 스위치를 턴온시켜 상기 저항(R11-R14) 중에서 해당 저항을 통해 충전전압이 방전되도록 한다.
예를 들어, 두 번째의 배터리셀(CELL2)의 충전전압이 다른 배터리셀(CELL1, CELL3, CELL4)의 충전압에 비하여 먼저 상한전압에 도달한 경우, 스위치(SW12), (SW13)를 턴온시킨다. 이에 따라, 상기 배터리셀(CELL2)의 충전전압이 저항(R12)을 통해 방전되어 배터리셀 밸런싱이 이루어진다.
그러나, 이와 같은 기존 배터리셀 밸런싱 회로를 이용하는 경우 저항을 통해 전력이 소모되므로 그만큼 효율이 저하되고, 배터리 팩 사용 중에 상한전압을 전압이 낮은 배터리셀로 공급할 수 없어 효율이 저하된다.
도 2는 종래 기술에 의한 커패시터를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4)을 구비하는 배터리 팩(21)과, 직렬연결된 커패시터(C21-C23)와, 커패시터(C21-C23) 중에서 임의의 커패시터의 양측 단자를 배터리셀(CELL1-CELL4) 각각의 양측 단자 중 해당 양측 단자에 선택적으로 연결하는 스위치(SW21-SW24)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 상기 커패시터를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로는 2가지의 연결 상태를 갖는다. 제1 연결 상태에서는 도 2에서와 같이 커패시터(C21)의 일측 단자, 커패시터(C21),(C22) 간의 연결단자, 커패시터(C22),(C23)간의 연결단자, 커패시터(C23)의 타측 단자 각각이 상기 배터리셀(CELL1-CELL4) 각각의 일측 단자(양극단자)에 각기 연결된다. 제2 연결 상태에서는 커패시터(C21)의 일측 단자, 커패시터(C21),(C22) 간의 연결단자, 커패시터(C22),(C23) 간의 연결단자, 커패시터(C23)의 타측 단자 각각이 상기 배터리셀(CELL1-CELL4) 각각의 타측 단자(음극단자)에 각기 연결된다.
그런데, 이와 같은 배터리셀 밸런싱 회로는 커패시터와 배터리셀 간에 하드 스위칭 동작이 발생하여 효율이 낮은 문제점이 있다. 배터리 팩 내의 배터리셀들 간의 용량이 서로 동일한 것이 바람직하지만, 여러 가지 이유로 인하여 배터리셀들 간의 용량이 다르게 된다. 이와 같은 경우 어느 배터리셀의 충전 전압이 다른 배터리셀의 충전전압에 비하여 낮더라도 더 큰 용량을 갖을 수 있다. 이와 같은 경우 전압이 낮은 배터리셀의 전압을 전압이 높은 배터리셀에 전달할 필요가 있는데, 이와 같은 종래의 배터리셀 밸런싱 회로에서는 그와 같은 전압 전달 기능을 수행할 수 없는 결함이 있다.
도 3은 종래 기술에 의한 플라이백 구조를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4)을 구비하는 배터리 팩(31)과, 플라이백 컨버터(32) 및, 상기 플라이백 컨버터(32)의 복수 개의 2차 코일 각각을 상기 배터리셀(CELL1-CELL4) 각각의 양측 단자에 선택적으로 연결하는 스위치(SW31-SW34), 상기 플라이백 컨버터(32)의 1차 코일 양단을 상기 배터리 팩(31)의 양단에 선택적으로 연결하는 스위치(SW35)를 포함한다.
도 3의 배터리셀 밸런싱 회로는 SMPS(Switch Mode Power Supply) 중 하나인 플라이백 구조를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로로서 스위치(SW31-SW34)를 이용하여 배터리 팩(31) 내의 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4) 각각에 전기 에너지 전달이 가능하고, 배터리 팩(31)의 양측 종단 단자의 사이에 전기 에너지 전달이 가능한 구조를 갖는다.
이러한 종래 배터리셀 밸런싱 회로들은 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)에 포함되어 이러한 배터리 모듈 내의 밸런싱 회로를 이용하여 배터리 모듈 또는 시스템을 구성하고 있는 단전지의 전압과 용량 균형을 맞추는 밸런싱 작업이 수행되었다.
그러나, 이와 같이 배터리 모듈 내의 밸런싱 회로를 이용하는 경우 현실적인 여건상 매우 작은 전류와 한정된 시간 내에서만 사용함으로써 그 효과가 미비하여, 단기간에 배터리 불균형을 해소하기에는 충분하지 못한 점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 별도의 외부 밸런싱 장치를 이용하여 밸런싱하기 위해 별도의 연결 단자를 포함하는 외부 밸런싱이 가능한 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 급속 밸런싱할 수 있는 별도의 외부 밸런싱 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 의한 급속 밸런싱할 수 있는 장치를 이용한 급속 밸런싱 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 복수개의 개별 배터리를 포함하는 배터리 모듈에 있어서,
상기 개별 배터리는
양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체; 및
상기 전극조립체의 일측에 형성되어 있는 양극 탭 및 음극 탭과 각각 결합하는 양극 단자 및 음극 단자;를 포함하고,
상기 복수개의 상기 개별 배터리의 양극 단자 및 음극 단자를 상호간 연결시키는 단자 본체; 및
상기 단자 본체에 포함되는 외부 밸런싱 연결부; 를 포함하는 외부 밸런싱이 가능한 배터리 모듈을 제공한다.
도 1에 본 발명에 의한 배터리 모듈의 일 실시예를 나타내었다. 도 1에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 배터리 모듈은 상기 전극조립체의 일측에 형성되어 있는 양극 탭 및 음극 탭과 각각 결합하는 양극 단자 및 음극 단자를 포함하고, 상기 복수개의 상기 개별 배터리의 양극 단자 및 음극 단자를 상호간 연결시키는 단자 본체; 및 상기 단자 본체에 포함되는 외부 밸런싱 연결부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 의한 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈과 연결된 배터리 검사 장치; 및 제어부; 를 구비하는 배터리 급속 밸런싱 장치를 제공한다.
본 발명은 또한,
최대 충전 전압을 설정하는 단계;
배터리 모듈 내의 배터리에 0.5C 전류 이상으로 인가하면서 상기 설정된 최대 충전 전압 이하에서 밸런싱하는 단계;
하한 방전 전압을 설정하는 단계; 및
배터리 장치를 이용하여 용량 검사를 수행하는 단계;를 포함하는 본 발명에 의한 배터리 급속 밸런싱 장치를 이용한 배터리 급속 밸런싱 방법을 제공한다.
본 발명에 의한 배터리 급속 밸런싱 방법에 있어서, 상기 밸런싱하는 단계는 배터리 모듈 내의 모든 배터리가 이미 설정된 상한 전압에 도달할 때까지 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 배터리 급속 밸런싱 방법에 있어서, 상기 밸런싱하는 단계는 상한 전압에 도달한 개별 배터리는 방전시키고, 나머지 개별 배터리들은 충전을 계속하여 모듈 내의 모든 개별 배터리들이 상한 전압에 도달하도록 정렬하는 과정을 반복하게 된다.
본 발명에 의한 배터리 급속 밸런싱 방법에 있어서, 상기 밸런싱하는 단계에서는 상기 외부 밸런싱 연결부에 연결된 외부 밸런싱 스위치, 밸런싱 저항, 밸런싱 제어부를 통하여 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 배터리 급속 밸런싱 방법에 있어서, 상기 용량 검사는 배터리 모듈 내의 배터리 중 제일 먼저 하한 전압에 도달할 때까지 용량을 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 배터리 모듈은 복수개의 배터리를 연결하는 단자 연결부 내에 외부 밸런싱 장치와 연결하기 위한 외부 밸런싱 연결부를 포함하고, 상기 외부 밸런싱 연결부와 연결되는 외부 밸런싱 장치 및 제어부를 포함하여 본 발명에 의한 배터리 모듈을 이용한 밸런싱 장치는 복수개의 전지의 개별 전지에 대한 밸런싱 속도 및 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 종래 기술에 의한 병렬 저항을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 의한 배터리 모듈의 일 실시예를 나타낸다.

Claims (6)

  1. 복수개의 개별 배터리를 포함하는 배터리 모듈에 있어서,
    상기 개별 배터리는
    양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체; 및
    상기 전극조립체의 일측에 형성되어 있는 양극 탭 및 음극 탭과 각각 결합하는 양극 단자 및 음극 단자;를 포함하고,
    상기 복수개의 상기 개별 배터리의 양극 단자 및 음극 단자를 상호간 연결시키는 단자 본체; 및
    상기 단자 본체에 포함되는 외부 밸런싱 연결부; 를 포함하는
    외부 밸런싱이 가능한 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 의한 배터리 모듈; 및
    상기 배터리 모듈과 연결된 배터리 검사 장치; 를 구비하는
    외부 밸런싱 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 배터리 검사 장치는
    상기 배터리 모듈의 외부 밸런싱 연결부와 연결되는 외부 밸런싱 스위치;
    상기 외부 밸런싱 스위치들과 직렬로 연결되는 밸런싱 저항; 및
    상기 밸런싱 저항을 통해 배터리 셀들이 방전되도록 상기 밸런싱 스위치들을 개별적으로 제어하는 밸런싱 제어부; 를 구비하는
    외부 밸런싱 장치.
  4. 최대 충전 전압을 설정하는 단계;
    배터리 모듈 내의 배터리에 0.5C 전류 이상으로 인가하면서 상기 설정된 최대 충전 전압 이하에서 밸런싱하는 단계;
    하한 방전 전압을 설정하는 단계; 및
    배터리 장치를 이용하여 용량 검사를 수행하는 단계;를 포함하는
    제 2 항에 의한 외부 밸런싱 장치를 이용한 배터리 급속 밸런싱 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 밸런싱하는 단계는 배터리 모듈 내의 모든 배터리가 상한 전압에 도달할 때까지 수행되는 것인
    배터리 급속 밸런싱 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 용량 검사는 배터리 모듈 내의 배터리 중 하나가 하한 전압에 도달할 때까지 용량을 측정하는 것인
    배터리 급속 밸런싱 방법.
KR1020170105554A 2016-08-19 2017-08-21 외부 밸런싱이 가능한 배터리 급속 밸런싱 장치, 및 이를 이용한 배터리 급속 밸런싱 방법 KR20180020931A (ko)

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KR1020170105554A KR20180020931A (ko) 2016-08-19 2017-08-21 외부 밸런싱이 가능한 배터리 급속 밸런싱 장치, 및 이를 이용한 배터리 급속 밸런싱 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112654536A (zh) * 2018-09-05 2021-04-13 旻泰克科技股份有限公司 用于获得电池的状态信息的***

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