KR20230034597A

KR20230034597A - 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법

Info

Publication number: KR20230034597A
Application number: KR1020210117536A
Authority: KR
Inventors: 윤길영
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2021-09-03
Filing date: 2021-09-03
Publication date: 2023-03-10

Abstract

본 발명은 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법에 관한 것으로, 차량에 탑재된 배터리팩들 간에 용량(State of Charge, SOC) 균등화를 구현하는 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.

Description

차량의 배터리팩 용량 균등화 방법{Method for equalizing SOC of battery pack in vehicle}

본 발명은 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법에 관한 것으로, 상세하게는 차량에 탑재된 배터리팩들 간에 용량(SOC)을 균등화할 수 있는 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법에 관한 것이다.

전기자동차(Electric Vehicle, EV)는 주 동력원으로 배터리를 사용하고, 배터리의 전력으로 모터를 작동시켜 차량 주행에 필요한 구동력을 얻는다.

일반적으로 전기 버스와 같은 상용 전기차는 승용 전기차보다 중량이 훨씬 크기 때문에 승용 전기차보다 큰 용량의 배터리를 필요로 하며, 그에 따라 승용 전기차보다 많은 수의 배터리를 탑재하고 있다. 상용 전기차는 많은 배터리를 탑재하기 위하여 기존 승용 전기차에 적용되던 직렬 탑재 방식이 아닌 직병렬 혼합 탑재 방식을 적용하고 있다.

하지만, 상용 전기차의 경우 배터리를 직병렬로 탑재하다 보니 전류 불균형, 온도차, 품질 편차 등의 영향성이 증대되어 배터리팩 간 용량 불균형이 증대되고, 배터리팩 간 전압 및 용량 불균형으로 인해 단기적인 주행 거리 감소는 물론 배터리 수명 저하의 문제가 발생하고 있다.

배터리의 제조 방법이나 재료량, 작동온도, 전류량 등에 따라 차량에서 사용 중인 배터리팩들 간에는 용량(State of Charge, SOC)의 균형이 깨질 수밖에 없다. 이에 승용 전기차용 배터리는 저항을 이용하는 수동적 방전(passive discharge), 외부 기기를 이용하는 능동적 방전(active discharge) 등의 밸런싱 회로를 이용하여 균형을 맞추고 있다.

그러나, 상용 전기차의 경우 더 많은 에너지 및 파워의 요구로 인해 더 많은 배터리를 탑재해야 하므로 배터리팩 간의 불균형 문제가 더 심각하게 대두되었고, 기존의 밸런싱 회로만으로 배터리팩들의 용량 불균형 문제를 해결하기 어려운 한계가 있어, 전기 버스와 같은 상용 전기차에서 배터리팩들 간의 용량 균등화를 위한 기술이 요구되고 있다.

KR

10-1795075

B1

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 차량에 탑재된 배터리팩들 간에 용량(State of Charge, SOC) 균등화를 구현하는 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적은 하기의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법은: 차량에 탑재되어 있는 배터리팩들의 SOC(State of Charge) 값과 상기 각 배터리팩을 구성하는 배터리셀들의 SOC 값을 기반으로 상기 배터리팩들의 평균 SOC 값 및 각 배터리팩을 구성하는 배터리셀들의 평균 SOC 값을 결정하는 제1단계; 상기 각 배터리팩의 SOC 값과 배터리팩들의 평균 SOC 값을 기반으로, 차량에 탑재된 전체 배터리팩 중에서 배터리팩들 간에 SOC 균등화를 위한 배터리팩의 방전이 필요한지를 판단하는 제2단계; 상기 각 배터리셀의 SOC 값과 상기 각 배터리팩을 구성하는 배터리셀들의 평균 SOC 값을 기반으로, 각 배터리팩을 구성하는 전체 배터리셀 중에서 배터리셀들 간에 SOC 균등화를 위한 배터리셀의 방전이 필요한지를 판단하는 제3단계; 상기 제2단계에서 배터리팩의 방전이 필요한 것으로 판단하고 상기 제3단계에서 배터리셀의 방전이 필요한 것으로 판단하면, 상기 방전이 필요한 배터리셀에 연결된 전기부하를 작동시킴으로써 배터리셀을 방전시킨 다음, 상기 방전이 필요한 배터리팩에 연결된 전기부하를 작동시킴으로써 배터리팩을 방전시키는 제4단계;를 포함한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제2단계는: 각 배터리팩의 SOC 값과 배터리팩들의 평균 SOC 값 간에 편차가 허용 오차(σ)보다 큰 배터리팩이 하나라도 있으면, 배터리팩들 간에 SOC 균등화를 위한 배터리팩의 방전이 필요한 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제3단계는: 각 배터리셀의 SOC 값과 배터리셀들의 평균 SOC 값 간에 편차가 허용 오차(β)보다 큰 배터리셀이 하나라도 있으면, 배터리셀들 간에 SOC 균등화를 위한 배터리셀의 방전이 필요한 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제4단계는: 배터리셀의 SOC 값에서 배터리셀들의 평균 SOC 값을 차감한 값이 허용 오차(β)보다 큰 배터리셀을 목표 SOC에 도달할 때까지 방전시키는 단계를 포함하며, 상기 목표 SOC는 배터리셀들의 평균 SOC 값에 허용 오차(β)를 합산한 값인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제4단계는: a) 배터리팩들의 평균 SOC_n(팩 평균 SOC_n)에 허용 오차(σ)를 합산한 값보다 높은 SOC를 가지는 고 SOC 배터리팩, 및 상기 팩 평균 SOC_n에서 허용 오차(σ)를 차감한 값보다 낮은 SOC를 가지는 저 SOC 배터리팩의 유무에 따라 배터리팩들 간에 SOC 균등화를 위해 방전이 필요한 배터리팩을 결정하는 단계; b) 상기 a) 단계에서 결정한 방전이 필요한 배터리팩을 목표 SOC 이하가 될 때까지 방전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 a) 단계에서는, 상기 팩 평균 SOC_n 값에 대한 편차가 허용 오차(σ)보다 큰 배터리팩이 상기 고 SOC 배터리팩만 있으면, 상기 고 SOC 배터리팩을 방전이 필요한 배터리팩으로 결정하고, 상기 b) 단계에서는, 상기 고 SOC 배터리팩을 "팩 평균 SOC_n + σ/2"으로 결정된 제1 목표 SOC 이하가 될 때까지 방전시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 a) 단계에서는, 상기 팩 평균 SOC_n 값에 대한 편차가 허용 오차(σ)보다 큰 배터리팩이 상기 저 SOC 배터리팩만 있으면, 상기 상기 팩 평균 SOC_n보다 높은 SOC를 가지는 배터리팩을 방전이 필요한 배터리팩으로 결정하고, 상기 b) 단계에서는, 상기 팩 평균 SOC_n 보다 큰 SOC를 가지는 배터리팩을 "팩 평균 SOC_n + σ/2"으로 결정된 제1 목표 SOC 이하가 될 때까지 방전시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 a) 단계에서는, 상기 팩 평균 SOC_n 값에 대한 편차가 허용 오차(σ)보다 큰 배터리팩으로 상기 고 SOC 배터리팩과 저 SOC 배터리팩이 모두 있으면, 상기 고 SOC 배터리팩만 방전이 필요한 배터리팩으로 결정하고, 상기 b) 단계에서는, 상기 고 SOC 배터리팩을 상기 팩 평균 SOC_n 값으로 결정된 제2 목표 SOC 이하가 될 때까지 방전시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 팩 평균 SOC_n은 배터리셀들 간에 SOC 균등화를 위한 배터리셀의 방전을 실행한 이후에 전체 배터리팩의 SOC를 평균한 값인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배터리팩들의 SOC 값과 상기 각 배터리팩을 구성하는 배터리셀들의 SOC 값은, 정해진 조건의 차량 상태에서 검출한 배터리팩 상태 정보 및 배터리셀 상태 정보로부터 취득하며, 상기 정해진 조건의 차량 상태는 차량 시동이 오프된 상태와 메인 릴레이가 오프된 상태에서 정해진 시간(γ)이 경과한 시점인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2단계에서 배터리팩의 방전이 필요한 것으로 판단하고 상기 제3단계에서 배터리셀의 방전이 불필요한 것으로 판단하면, 상기 배터리셀에 연결된 전기부하를 작동시키지 않고, 상기 방전이 필요한 배터리팩에 연결된 전기부하만 작동시킴으로써 배터리팩을 방전시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제의 해결 수단에 의하면 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 하나의 배터리팩을 구성하는 배터리셀들의 용량 균등화를 위한 셀 밸런싱과 차량 내 전체 배터리팩들의 SOC(용량) 균등화를 위한 팩 밸런싱을 복합적으로 실행함으로써 셀 밸런싱 및 팩 밸런싱을 단독으로 실행하는 경우보다 배터리팩들의 용량 균등화 효과를 증대할 수 있다.

둘째, 전기적 저항 및 화학적 저항이 배제된 안정적인 상태에서 측정한 제어 파라미터를 이용하여 SOC 값을 산출하므로 보다 정확한 SOC 값을 산출할 수 있으며, 그러한 SOC 값을 기반으로 전체 배터리팩 및 배터리셀의 용량 균등화가 필요한지를 정확하게 판단할 수 있다.

셋째, 차량에 기장착된 하드웨어를 최대한 이용하여 배터리팩 및 배터리셀 간 SOC 균등화를 수행할 수 있으므로 비용 절감 및 상품성 향상이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 배터리팩 용량 균등화를 수행하는 시스템 구성을 일례로 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 각 배터리팩 내에 구비되는 셀 밸런스 회로를 일례로 나타낸 도면
도 3 내지 5는 본 발명에 따른 배터리팩 용량 균등화 방법을 나타낸 순서도
도 6은 본 발명에 따른 배터리팩 용량 균등화 방법을 일례로 나타낸 도면

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 본 명세서에서 구성의 명칭을 "제1", "제2" 등으로 구분한 것은 명칭이 동일한 구성들을 구분하기 위한 것일 뿐 그 순서를 한정하는 것은 아니다.

또한 본 명세서에서, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접촉되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에" 또는 "~ 에 인접하는"과 "~ 에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예를 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.

본 발명은 차량에 탑재된 복수 개의 배터리팩들 간에 SOC(State of Charge) 균등화를 위한 제어 방법에 관한 것으로, 도 1에 도시된 바와 같은 시스템 구성을 통해 구현될 수 있다.

여기서, 상기 차량은 승용 전기차보다 많은 수의 배터리팩을 탑재하는 상용 전기차일 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 복수 개의 배터리팩(11 ~ 14)은 직병렬 혼합 방식으로 연결될 수 있다.

또한 여기서, 배터리팩의 용량은 잔존 용량을 나타내는 배터리 충전 상태, 즉 배터리 SOC(State of Charge)를 의미할 수 있다. 또한, 이하의 설명에서 배터리는 팩 단위의 배터리, 즉 배터리팩을 의미하며, 특별히 구분하여 기재하지 않는 한 이하의 설명에서 배터리는 배터리팩을 의미한다.

본 발명에서는 직병렬 혼합 방식으로 연결된 배터리팩(11 ~ 14)들 간에 용량 균등화를 위하여, 상용 전기차에서 냉각수 승온용으로 구비하는 시즈히터(sheath heater)(35 ~ 38)를 이용한다. 상기 시즈히터(35 ~ 38)는 전기자동차에서 냉각수를 가열하는 히터이다.

전기자동차는 배터리로부터 전기를 공급받아 작동하는 모터에 의해 구동되는 차량으로서, 엔진과 같은 고온의 열원이 없기 때문에 냉각수를 단시간에 가열하지 못한다. 따라서, 전기자동차는 냉각수를 단시간에 가열할 수 있는 별도의 냉각수 가열장치를 구비하며, 상기 냉각수 가열장치로서 PCT 소자를 이용한 전기식 히터인 시즈히터가 통상적으로 이용되고 있다.

또한, 통상 전기자동차에는 냉각수를 이용하여 배터리를 냉각하는 수냉식 냉각 시스템이 구비된다. 수냉식 냉각 시스템에서는 냉각수 라인을 따라 순환되는 냉각수가 배터리 내 냉각수 통로를 통과하는 동안 배터리를 냉각한다. 반대로, 전기자동차에서 저온 조건일 때에는 배터리를 승온시킬 필요가 있다. 배터리를 승온시킬 때 냉각수가 이용되며, 배터리 승온을 위해 냉각수 라인을 따라 순환하는 냉각수를 가열한다. 이때, 냉각수 가열장치인 시즈히터가 이용된다. 시즈히터에 의해 가열된 냉각수가 배터리 내 냉각수 통로를 통과하는 동안 배터리 온도를 신속히 올려줄 수 있게 된다.

본 발명은 전기자동차에 기적용되고 있는 시즈히터(35 ~ 38)를 이용하여 배터리팩(11 ~ 14) 간 용량 균등화를 도모한다. 좀더 상세히 말하면, 본 발명은 시즈히터(35 ~ 38)를 이용하여 배터리팩(11 ~ 14) 간 용량 균등화를 도모하는 동시에 기존의 방전저항(도 2의 44, 45 참조)을 이용한 셀 밸런스 제어를 통해 배터리팩(11 ~ 14)의 셀 용량 균등화를 도모함으로써 승용 전기차 대비 많은 수의 배터리팩을 탑재하는 상용 전기차의 배터리팩 간 용량 불균형 문제를 해결할 수 있도록 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 시즈히터(35 ~ 38)는 각 배터리팩(11 ~ 14)마다 병렬로 연결되도록 구비된다. 시즈히터(35 ~ 38)는 배터리팩(11 ~ 14)의 전류를 소모하는 전기부하이며, 제어기(20)에 의해 온/오프 제어가 가능하다. 또한, PCT 소자를 이용한 전기식 히터인 시즈히터(35 ~ 38)는 저항부하로서 별도의 전류센서 없이도 그 전압값만 취득하면 그 전류값을 예측 가능하다.

차량의 배터리팩들이 직병렬 혼합 방식으로 연결되어 있을 때 배터리팩 간 전압 및 용량의 불균형이 발생할 경우, 차량의 단기적인 주행거리 감소는 물론 배터리팩의 수명 저하가 발생할 수 있다. 이에 본 발명에서는 시즈히터(35 ~ 38)를 이용하여 일부 배터리팩을 필요한 만큼 소량 방전시켜 전체 배터리팩(11 ~ 14)들의 용량을 균등화한다.

이는, 배터리 방전이 배터리팩에 저장된 전기에너지를 소모하는 것이므로 손실일 수 있으나, 이러한 손실을 감수하더라도, 배터리팩들의 용량을 균등화하는 것을 우선적으로 고려하고 배터리팩의 수명 저하를 초래할 수 있는 배터리팩 간 용량 불균형의 문제를 해소한다는 의미를 가진다.

본 발명에서 시즈히터(35~38)는 배터리팩(11~14)의 전기에너지를 소모하는 차량 내 전기부하이며, 배터리팩마다 각각 독립적으로 전력을 공급받을 수 있도록 연결되고, 배터리팩 간 용량 균등화를 위한 소정 배터리팩의 방전에 이용된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배터리팩 용량 균등화를 수행하는 시스템은 메인 릴레이(6,7), 전압센서(15~18), 제어기(20), 전기부하(35~38), 부하측 릴레이(31~34) 등을 포함하여 구성된다.

도 1을 참조하면, 상기 시스템은 직병렬 혼합 방식으로 연결된 총 4개의 배터리팩(배터리팩 A~D, 11~14)이 탑재되어 있는 차량의 배터리팩 용량 균등화를 수행하는 시스템이다.

이때, 상기 4개의 배터리팩(배터리팩 A~D, 11~14)은 2개씩(배터리팩 A와 B, 배터리팩 C와 D) 서로 직렬로 연결되고, 2개씩 직렬로 연결된 배터리팩을 하나의 그룹으로 하여 배터리팩의 2개 그룹이 서로 병렬로 연결되어 있다('2 by 2' 구성임). 도 1에 도시된 배터리팩(11~14)의 수나 연결 상태는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 배터리팩의 수나 연결 상태는 다양하게 변경 가능하다.

예를 들면, 하나의 그룹을 구성하는 2개의 배터리팩이 직렬로 연결되고 배터리팩의 3개 그룹이 병렬로 연결되거나('2 by 3' 구성), 또는 하나의 그룹을 구성하는 3개의 배터리팩이 직렬로 연결되고 배터리팩의 2개 그룹이 병렬로 연결될 수 있다('3 by 2' 구성).

본 발명에서 배터리팩(11~14) 간에 용량 균등화를 위해 이용되는 전기부하, 즉 시즈히터(35~38)는 배터리팩(11~14)마다 하나씩 연결되어 있고, 해당 배터리팩의 전력을 독립적으로 공급받을 수 있다. 또한, 각 시즈히터(35~38)는 작동 시 해당 배터리팩(11~14)의 전력을 소비하면서 발열 작동하여 냉각수를 가열하게 된다. 이와 같이 시즈히터가 작동할 때 연결된 배터리팩의 전력을 소비하므로 그 배터리팩은 방전 상태가 되고, 이때 배터리팩의 용량(SOC)이 줄어들게 된다.

또한, 배터리팩(11~14)과 시즈히터(35~38) 사이의 각 전기회로에는 부하측 릴레이(릴레이 1~4, 31~34)가 구비되고, 이때 각 부하측 릴레이(31~34)는 제어기(20)가 출력하는 제어신호에 따라 온(on)/오프(off) 제어될 수 있도록 상기 제어기(20)와 연결되어 구비된다. 이로써, 제어기(20)가 출력하는 제어신호에 따라 부하측 릴레이(31~34)가 온/오프 제어되면서 해당 시즈히터(35~38)가 배터리팩(11~14)의 전력을 선택적으로 공급받을 수 있게 되고, 각 시즈히터(35 ~ 38)의 온/오프 작동이 제어기(20)에 의해 제어될 수 있게 된다.

또한, 각 배터리팩(11~14)마다, 배터리팩 상태를 검출하는 상태 검출기로서, 해당 배터리팩의 전압을 각각 검출하는 전압센서(15~18)가 구비되고, 각 전압센서(15~18)는 전압 검출값을 전기적인 신호로 전달할 수 있도록 제어기(20)에 연결된다. 또한, 직렬로 연결된 배터리팩의 각 전기회로에는 해당 배터리팩들로부터 출력되어 흐르는 전류를 검출하는 전류센서(46,47)가 구비된다. 전류센서(46,47)는 배터리팩(11 ~ 14)의 전류 검출값을 전기적인 신호로 전달할 수 있도록 제어기(20)에 연결된다.

또한, 통상의 배터리 관리 시스템에는 배터리팩 상태 및 배터리셀 상태를 검출하거나 수집하는데 이용되는 검출수단이 더 구비될 수 있고, 예를 들어 도 1에는 도시하지 않았으나 배터리팩의 온도를 검출하는 온도 검출수단 및 배터리셀의 전압을 검출하는 전압 검출수단이 더 구비될 수 있다. 이에 제어기(20)는 상기한 검출수단에 의해 검출되는 배터리팩 상태 정보 및 배터리셀 상태 정보를 취득할 수 있게 된다.

그리고, 본 발명에서 제어기(20)는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)의 제어기일 수 있다. 배터리 관리 시스템의 제어기는 배터리팩 및 배터리셀의 상태 정보(전압, 전류, SOC)를 수집 및 모니터링을 하고, 수집된 상태 정보를 타 제어기에 제공할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템의 제어기는 수집된 상태 정보를 기초로 배터리 충방전 제어 및 배터리 관리를 위한 제어를 수행한다.

상기 배터리 관리 시스템에서 배터리팩(11~14)의 출력측에는 고전압 전력을 단속하기 위한 파워 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly, PRA)(5)가 설치된다. 이때, 파워 릴레이 어셈블리(5)는 배터리팩(11~14)과 미도시된 인버터 등 차량 내 전기부하측 사이를 연결하는 DC 링크 회로(2)에 설치되며, 메인 릴레이(6,7)와 프리차지 릴레이(8), 프리차지 저항(9)을 포함하여 구성된다.

여기서, 메인 릴레이는 배터리팩(11~14)과 차량 내 전기부하측 사이를 연결하는 DC 링크 회로의 (+) 파워 라인(3)과 (-) 파워 라인(4)에 각각 설치되는 2개의 릴레이(6,7)로 구성된다. 즉, 메인 릴레이는 (+) 파워 라인(3)의 메인 릴레이(6)와 (-) 파워 라인(4)의 메인 릴레이(7)로 구성되고, (+) 파워 라인(3)의 메인 릴레이(6)를 우회하는 회로에는 프리차지 릴레이(8)와 프리차지 저항(9)이 설치된다. 상기 2개의 메인 릴레이(6,7)와 프리차지 릴레이(8)는 각각 제어기(20)가 출력하는 제어신호에 따라 온(on)/오프(off) 제어된다.

또한, 각각의 배터리팩(11 ~ 14)은 배터리팩(11 ~ 14)의 셀 용량 균등화를 구현하기 위한 셀 밸런싱 회로를 구비한다. 도 2를 참조하면, 상기 셀 밸런싱 회로는 각각의 배터리팩을 구성하는 배터리셀(48,49)마다 병렬로 연결되는 방전 저항(44,45), 각 방전 저항(44,45)과 배터리셀(48,49) 간에 전기적 연결을 단속하는 스위치(41 ~ 43)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 셀 밸런싱 회로는 제어기(20)가 상기 스위치(41 ~ 43)의 온/오프 작동을 선택적으로 제어함에 의해 전체 배터리셀 중 선택된 배터리셀을 방전시킴으로써 배터리팩의 셀 용량 균등화를 도모할 수 있다.

도 2에 도시된 셀 밸런싱 회로의 구성은 예시적인 것이며, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 셀 밸런싱 회로의 구성은 필요에 따라 변경 가능하며, 셀 밸런싱 회로의 작동은 제어기(20)에 의해 제어된다.

이상으로 본 발명의 배터리팩 용량 균등화를 수행하는 장치에 대해 설명하였고, 이하에서는 본 발명의 배터리팩 용량 균등화를 위한 방법 및 과정에 대해 도 3 내지 도 6을 참조로 설명하기로 한다.

먼저, 제어기(20)는 미리 정해진 조건의 차량 상태에서 배터리팩(11 ~ 14)들의 용량(즉, SOC) 및 각 배터리팩(11 ~ 14)의 배터리셀 용량이 현재 균형 상태인지를 판단한다. 다시 말해, 제어기(20)는 미리 정해진 조건의 차량 상태에서 배터리팩(11 ~ 14)들 및 배터리셀들의 용량 균등화를 위한 제어가 필요한지를 판단한다.

이때, 상기 미리 정해진 조건의 차량 상태는 차량 시동이 오프된 상태와 메인 릴레이(6,7)가 오프된 상태 및 배터리팩(11 ~ 14)의 출력 전류가 제로(0)인 상태에서 정해진 시간(γ)이 경과한 시점이며, 제어기(20)는 상기 시점에서 측정한 제어 파라미터를 기반으로 배터리팩(11 ~ 14)의 용량 균등화가 필요한지를 판단한다.

배터리팩(11 ~ 14) 및 배터리셀의 용량 균등화가 필요한지를 판단하기 위하여 상기 제어 파라미터를 기반으로 배터리팩(11 ~ 14) 및 배터리셀의 SOC를 산출하며, 배터리팩(11 ~ 14) 및 배터리셀의 SOC는 부하에 의해 영향을 받으므로 부하가 없는 상태에서 제어 파라미터를 측정하는 것이 필요하다. 따라서, 부하가 없는 상기 정해진 조건의 차량 상태에서 제어 파라미터를 측정한다.

도 3을 참조하면, 제어기(20)는 차량이 시동 오프 상태인지를 확인하고(S100), 차량이 시동 오프 상태이면 메인 릴레이(6,7)가 오프된 상태인지를 확인하며(S110), 메인 릴레이(6,7)가 오프된 상태이면 배터리팩(11 ~ 14)의 출력 전류가 제로(0)인지를 확인한다(S120). 제어기(20)는 배터리팩(11 ~ 14)의 출력 전류가 제로(0)이면 그로부터 정해진 시간(γ)이 경과하는지를 대기하면서 판단하여(S130) 상기 정해진 시간(γ)이 경과하면 그때 상태 검출기를 통해 상기 제어 파라미터를 측정한다(S140). 이때, 차량이 시동 오프 상태이고 메인 릴레이(6,7)가 오프 상태이면 배터리팩의 전기회로에 전류가 흐르지 않으므로, 배터리팩의 출력 전류를 확인하는 단계는 생략할 수 있다.

상기 제어 파라미터는 각 배터리팩(11 ~ 14)의 전압(이하, "팩 전압"이라고 함)과 배터리팩(11 ~ 14)을 구성하는 각 배터리셀의 전압(이하, "셀 전압"이라고 함) 및 각 배터리팩(11 ~ 14)의 온도(이하, "팩 온도"라고 함)를 포함한다. 이때, 상기 팩 전압은 해당 배터리팩을 구성하는 배터리셀들의 전압을 합산한 값과 동일하다.

상기 제어 파라미터는 측정 조건(상기 정해진 조건의 차량 상태)에 따라 그 측정값이 크게 변동하므로 안정적이고 신뢰할 수 있는 영역에서 측정하는 것이 필요하며, 제어 파라미터 중 주요 파라미터가 배터리의 OCV(Open Circuit Voltage)이므로 배터리팩(11 ~ 14)이 설치된 전기회로에 전류가 흐르지 않는 상태(즉, 전기적인 저항이 배제된 상태)에서 제어 파라미터를 측정하는 것이 필요하다. 또한, 상기 제어 파라미터는 배터리팩(11 ~ 14)의 이전 충방전에 따른 화학적 저항이 배제된 안정적인 상태(안정화를 위한 시간(γ) 확보)에서 측정하는 것이 필요하며, 이러한 조건들을 모두 만족시키기 위하여 상기 정해진 조건의 차량 상태에서 제어 파라미터를 측정한다.

상기 팩 전압은 배터리팩(11 ~ 14)의 SOC를 계산하는데 사용되며, 상기 셀 전압은 배터리셀의 SOC를 계산하는데 사용되고, 상기 팩 온도는 온도에 따른 배터리셀 및 배터리팩(11 ~ 14)의 SOC를 계산하는데 사용된다. 상기 팩 전압 및 셀 전압은 온도의 영향을 받아 변동될 수 있으므로 상기 팩 온도를 이용함으로써 배터리셀 및 배터리팩(11 ~ 14)의 SOC를 보다 정확하게 계산할 수 있다.

각 배터리팩(11 ~ 14)의 SOC를 산출하기 위하여, 제어기(20)는 상기 팩 전압 값 및 팩 온도를 기반으로 해당 배터리팩의 SOC 값을 결정한다. 이때, 제어기(20)는 팩 전압 값 및 팩 온도 값에 따라 배터리팩의 SOC 값을 결정하도록 구성되어 제어기(20)에 저장된 "팩 전압 vs SOC 맵"을 이용하여 각 배터리팩(11 ~ 14)의 SOC 값을 결정할 수 있다.

제어기(20)는 전압센서(15 ~ 18)와 온도센서에 의해 검출된 팩 전압 값 및 팩 온도 값을 기반으로 배터리팩의 SOC를 결정하도록 구성된 맵을 이용하여 각 배터리팩(11 ~ 14)의 SOC 값을 결정하고, 상기 결정한 각 배터리팩(11 ~ 14)의 SOC 값을 기반으로 전체 배터리팩의 평균 SOC 값을 산출한다(도 4의 S150 참조).

또한, 제어기(20)는 각 배터리팩(11 ~ 14)을 구성하는 배터리셀들의 SOC 값을 산출하기 위하여, 상기 셀 전압 및 팩 온도를 기반으로 해당 배터리셀의 SOC 값을 결정한다. 이때, 제어기(20)는 셀 전압 및 팩 온도 값에 따라 각 배터리셀의 SOC 값을 결정하도록 구성되어 제어기(20)에 저장된 "셀 전압 vs SOC 맵"을 이용하여 각 배터리셀의 SOC 값을 결정할 수 있다.

제어기(20)는 검출된 셀 전압 및 팩 온도 값을 기반으로 해당 배터리셀의 SOC 값을 결정하도록 구성된 맵을 이용하여 각 배터리셀의 SOC 값을 결정하고, 상기 결정한 각 배터리셀의 SOC 값을 기반으로 하나의 배터리팩을 구성하는 전체 배터리셀의 SOC 평균값을 산출한다(S160).

이어서, 제어기(20)는 전체 배터리팩의 용량 균등화(즉, 팩 밸런싱)가 필요한지를 판단한다(S170). 이때, 제어기(20)는 각 배터리팩(11 ~ 14)의 SOC 값과 전체 배터리팩의 평균 SOC(이하, "팩 평균 SOC"라고 함) 값의 차이값인 SOC 편차를 산출하고, 각 배터리팩(11 ~ 14)의 SOC 편차가 미리 설정된 허용 오차(σ) 내에 포함되는지를 판단한다.

제어기(20)는 각 배터리팩(11 ~ 14)의 SOC 편차가 모두 허용 오차(σ)보다 작거나 같으면 현재 배터리팩(11 ~ 14)들의 SOC가 모두 균형 상태인 것으로 판단하고, 이후 각 배터리팩(11 ~ 14)의 배터리셀에 대한 용량 균등화(즉, 셀 밸런싱)가 필요한지를 판단한다(S180).

반면, 제어기(20)는 전체 배터리팩 중 어느 하나라도 SOC 편차가 허용 오차(σ) 내에 포함되지 않으면 현재 배터리팩(11 ~ 14)들의 SOC가 불균형 상태인 것으로 판단하여 전체 배터리팩의 팩 밸런싱이 필요한 것으로 판단한다.

다시 말해, 제어기(20)는 전체 배터리팩 중 상기 팩 평균 SOC에 대한 차이값인 SOC 편차가 허용 오차(σ)보다 큰 배터리팩이 하나라도 있으면, 전체 배터리팩의 팩 밸런싱이 필요한 것으로 판단하며, 이후 각 배터리팩(11 ~ 14)의 배터리셀에 대한 용량 균등화(즉, 셀 밸런싱)가 필요한지를 판단한다(S190).

상기 각 배터리팩(11 ~ 14)의 셀 밸런싱이 필요한지를 판단하기 위하여, 제어기(20)는 먼저 배터리팩(11 ~ 14)별로 각 배터리셀의 SOC 값과 전체 배터리셀의 평균 SOC(이하, "셀 평균 SOC"라고 함) 값의 차이값인 SOC 편차를 산출하고, 각 배터리셀의 SOC 편차가 미리 설정된 허용 오차(β) 이내에 포함되는지를 판단한다.

제어기(20)는 각 배터리셀의 SOC 편차가 모두 허용 오차(β)보다 작거나 같으면 현재 배터리셀들의 SOC가 모두 균형 상태인 것으로 판단하고, 이후 다른 배터리팩의 각 배터리셀에 대한 SOC 편차가 허용 오차(β) 이하인지를 비교 판단한다. 이와 같은 과정을 배터리팩(11 ~ 14)별로 실행한 결과, 차량 내 각 배터리팩(11 ~ 14)을 구성하는 배터리셀들의 SOC가 모두 균형 상태인 것으로 판단되면, 제어기(20)는 차량 내 전체 배터리팩의 셀 밸런싱이 불필요하다고 판단한다.

반면, 제어기(20)는 단일 배터리팩(차량 내 전체 배터리팩 중 어느 하나의 배터리팩을 의미함)의 전체 배터리셀 중 어느 하나의 배터리셀이라도 SOC 편차가 허용 오차(β)보다 크면, 해당 배터리팩은 배터리셀들의 SOC가 불균형 상태이며 셀 밸런싱이 필요하다고 판단한다.

제어기(20)는 각 배터리팩(11 ~ 14)마다 셀 밸런싱이 필요한지 여부를 판단하고, 전체 배터리팩(11 ~ 14) 중 셀 밸런싱이 필요한 배터리팩이 하나라도 있으면 배터리셀들 간에 SOC 균등화를 위하여 현재 셀 밸런싱 제어가 필요한 것으로 판단한다.

제어기(20)는 팩 밸런싱과 셀 밸런싱이 모두 필요하다고 판단한 경우 팩 밸런싱 제어와 셀 밸런싱 제어를 모두 실행한다. 또한, 제어기(20)는 팩 밸런싱은 불필요하고 셀 밸런싱은 필요하다고 판단한 경우 셀 밸런싱 제어만 실행하고, 반대로 팩 밸런싱은 필요하고 셀 밸런싱은 불필요하다고 판단한 경우 팩 밸런싱 제어만 실행한다.

제어기(20)는 팩 밸런싱과 셀 밸런싱이 모두 필요하다고 판단한 경우 셀 밸런싱을 먼저 실행한다. 제어기(20)는 셀 밸런싱이 필요한 배터리팩, 즉 배터리셀들 간에 용량 균등화를 위한 방전이 필요한 배터리셀에 대하여 셀 밸런싱을 실행하며, 각 배터리셀의 SOC 값에서 셀 평균 SOC 값을 차감한 값이 허용 오차(β)보다 큰 경우 해당 배터리셀을 방전시킴으로써 셀 밸런싱을 실행한다.

제어기(20)는 셀 밸런싱이 필요한 배터리셀에 병렬 연결된 스위치의 온(ON) 제어를 통해 해당 배터리셀에 병렬 연결된 전기부하인 방전 저항으로 배터리셀의 전류를 방전시킴으로써 셀 밸런싱을 실행하며, 배터리셀의 SOC 값에서 셀 평균 SOC 값을 차감한 값이 허용 오차(β) 이하가 될 때까지, 즉 해당 배터리셀의 SOC 값이 목표 SOC(셀 평균 SOC + β)에 도달하거나 또는 상기 목표 SOC 이하가 될 때까지 해당 배터리셀을 방전시킨다(도 5의 S200 참조).

이렇게 셀 밸런싱을 실행하는 경우 셀 밸런싱을 실행하기 전 대비 해당 배터리팩의 SOC가 변동된다. 이때 변동된 SOC 값은 상태 검출기를 통해 모니터링한 배터리팩 상태 정보와 제어기(20)에 저장되어 있는 맵을 이용하여 산출할 수 있으며, 여기서 상기 셀 밸런싱 실행에 의해 변동된 배터리팩의 SOC를 SOC_n 이라고 하기로 한다.

여기서, 상기 SOC_n은 배터리팩 A, B, C, D의 SOC 값, 즉 SOC_a, SOC_b, SOC_c, SOC_d를 통칭한 것이다. 셀 밸런싱을 실행하지 않은 배터리팩의 경우 SOC 값과 SOC_n 값이 동일하다.

또한, 상기 변동된 배터리팩의 SOC, 즉 SOC_n을 기반으로 변경된 팩 평균 SOC_n을 산출할 수 있다. 여기서, 상기 팩 평균 SOC_n은 셀 밸런싱을 위한 배터리셀의 방전, 즉 배터리셀들 간에 SOC 균등화를 위한 배터리셀의 방전을 실행한 이후에 전체 배터리팩의 SOC_n(변동된 SOC를 포함함)를 평균한 값이다.

이어서, 제어기(20)는 팩 평균 SOC_n를 기준으로 전체 배터리팩의 SOC 편차에 따라 선택적으로 배터리팩을 방전시킴으로써 팩 밸런싱을 실행한다. 이때, 제어기(20)는 전체 배터리팩 중에서 상기 팩 평균 SOC_n에 대한 SOC 편차가 허용 오차(σ)보다 큰 배터리팩을 방전시키거나 또는 상기 팩 평균 SOC_n보다 높은 SOC를 가지는 배터리팩을 방전시킴으로써 팩 밸런싱을 실행한다.

여기서, 상기 팩 평균 SOC_n에 허용 오차(σ)를 합산한 값(팩 평균 SOC_n + σ)보다 높은 SOC를 가지는 배터리팩을 "고(高) SOC 배터리팩"이라고 하고, 상기 팩 평균 SOC_n에서 허용 오차(σ)를 차감한 값(팩 평균 SOC_n - σ)보다 낮은 SOC를 가지는 배터리팩을 "저(低) SOC 배터리팩"이라고 하기로 한다.

구체적으로, 제어기(20)는 팩 평균 SOC_n에 대한 SOC 편차가 허용 오차(σ)보다 큰 배터리팩이 고 SOC 배터리팩만 존재하는 경우(case 1)와, 팩 평균 SOC_n에 대한 SOC 편차가 허용 오차(σ)보다 큰 배터리팩이 저 SOC 배터리팩만 존재하는 경우(case 2), 및 팩 평균 SOC_n에 대한 SOC 편차가 허용 오차(σ)보다 큰 배터리팩으로서 고 SOC 배터리팩과 저 SOC 배터리팩이 모두 존재하는 경우(case 3)로 구분하여 팩 밸런싱을 실행한다.

먼저, 상기 case 1과 관련하여, 제어기(20)는 고 SOC 배터리팩에 병렬로 연결된 전기부하인 시즈히터로 고 SOC 배터리팩의 전류를 방전시킴으로써 팩 밸런싱을 실행한다. 이때, 제어기(20)는 해당 배터리팩에 연결된 시즈히터를 작동시키기 위해 해당 시즈히터에 직렬로 연결된 부하측 릴레이를 온(ON) 시킨다. 제어기(20)는 고 SOC 배터리팩의 SOC_n가 제1 목표 SOC에 도달할 때까지 또는 제1 목표 SOC 이하가 될 때까지 고 SOC 배터리팩을 방전시킨다. 상기 제1 목표 SOC는 팩 밸런싱을 실행하기 이전의 팩 평균 SOC_n 값에 허용 오차(σ)의 1/2 값을 합산한 값(팩 평균 SOC_n + σ/2)으로 결정된다.

도 6a를 참조로 좀더 설명하면, 전체 배터리팩(배터리팩 A, B, C, D) 중에 배터리팩 A만 팩 평균 SOC_n에 대한 SOC 편차가 허용 오차(σ)보다 크며, 이에 배터리팩 A의 SOC_n가 제1 목표 SOC에 도달할 때까지 배터리팩 A를 방전시킴으로써 팩 밸런싱을 실행한다. 상기 배터리팩 A의 SOC_n가 제1 목표 SOC에 도달하면 시즈히터를 이용한 배터리팩 A의 방전을 종료한다. 상기 배터리팩 A의 SOC_n가 제1 목표 SOC에 도달하는 경우, 전체 배터리팩의 평균 SOC 값이 팩 밸런싱을 실행하기 이전의 팩 평균 SOC_n 값보다 작은 값으로 변경된다.

다음, 상기 case 2와 관련하여, 제어기(20)는 전체 배터리팩(배터리팩 A, B, C, D) 중에서 팩 평균 SOC_n보다 높은 SOC를 가지는 배터리팩에 연결된 시즈히터를 이용하여 해당 배터리팩을 방전시킴으로써 팩 밸런싱을 실행한다.

상기 case 2에 해당하는 경우, 팩 평균 SOC_n를 기준으로 저 SOC 배터리팩의 SOC 편차가 가장 크지만, 상기 저 SOC 배터리팩의 SOC_n를 상승시켜 용량 균등화를 도모하기 위해서는 추가 비용이 필요한 액티브 밸런싱 시스템(active balancing system)을 이용해야 한다.

이에, 본 발명에서는 추가 비용이 필요하지 않은 패시브 밸런싱 시스템(passive balancing system)을 이용하기 위하여, 전체 배터리팩 중에서 팩 평균 SOC_n보다 높은 SOC를 가지는 배터리팩에 연결된 시즈히터를 작동시켜 해당 배터리팩을 방전시킴으로써 팩 밸런싱을 실행한다.

이때, 제어기(20)는 팩 평균 SOC_n보다 높은 SOC를 가지는 배터리팩의 SOC_n가 제1 목표 SOC에 도달할 때까지 또는 제1 목표 SOC 이하가 될 때까지 해당 배터리팩을 방전시킨다. 상기 제1 목표 SOC는 팩 밸런싱을 실행하기 이전의 팩 평균 SOC_n 값에 허용 오차(σ)의 1/2 값을 합산한 값(팩 평균 SOC_n + σ/2)으로 결정된다.

도 6b를 참조로 좀더 설명하면, 제어기(20)는 팩 밸런싱을 실행하기 이전의 팩 평균 SOC_n보다 높은 SOC를 가지는 배터리팩 A, B, C를 방전시킴으로써 전체 배터리팩(배터리팩 A, B, C, D)의 용량 균등화를 도모한다. 이때, 제어기(20)는 배터리팩 A, B, C의 SOC_n, 즉 SOC_a, SOC_b, SOC_c가 제1 목표 SOC에 도달할 때까지 배터리팩 A, B, C를 방전시킨다. 배터리팩 A, B, C의 SOC_n가 모두 제1 목표 SOC에 도달하면 시즈히터를 이용한 배터리팩 A, B, C의 방전을 모두 종료한다. 배터리팩 A, B, C의 SOC_n가 제1 목표 SOC에 도달하는 경우, 전체 배터리팩의 평균 SOC 값이 팩 밸런싱을 실행하기 이전의 팩 평균 SOC_n보다 낮은 값으로 변경된다.

계속해서, 상기 case 3과 관련하여, 제어기(20)는 고 SOC 배터리팩에 병렬로 연결된 전기부하인 시즈히터로 고 SOC 배터리팩의 전류를 방전시킴으로써 팩 밸런싱을 실행한다. 이때, 제어기(20)는 고 SOC 배터리팩의 SOC_n가 제2 목표 SOC에 도달할 때까지 또는 제2 목표 SOC 이하가 될 때까지 고 SOC 배터리팩을 방전시킨다. 상기 제2 목표 SOC는 팩 밸런싱을 실행하기 이전의 팩 평균 SOC_n 값으로 결정된다. 여기서, SOC 편차를 좀더 감소하기 위해 상기 제2 목표 SOC를 팩 평균 SOC_n 값보다 작은 값으로 결정하여 고 SOC 배터리팩의 방전량을 증대하는 것도 가능하다.

상기 case 3에 해당하는 경우, 고 SOC 배터리팩 외에 저 SOC 배터리팩이 존재하기는 하지만, 상기 저 SOC 배터리팩의 SOC_n를 상승시켜 용량 균등화를 도모하기 위해서는 추가 비용이 발생하므로, 추가 비용 없이 팩 밸런싱을 실행하기 위하여 고 SOC 배터리팩만 방전시키되 제2 목표 SOC를 상기 case 1,2의 제1 목표 SOC 값(팩 평균 SOC_n + σ/2)보다 작은 값인 팩 평균 SOC_n 값으로 설정한다.

도 6c를 참조로 좀더 설명하면, 전체 배터리팩(배터리팩 A, B, C, D) 중에 배터리팩 A의 SOC_n(즉, SOC_a)만 팩 밸런싱을 실행하기 이전의 팩 평균 SOC_n에 허용 오차(σ)를 합산한 값(팩 평균 SOC_n + σ)보다 크며, 이에 상기 배터리팩 A의 SOC_n가 정해진 제2 목표 SOC에 도달할 때까지 배터리팩 A를 방전시킴으로써 팩 밸런싱을 실행한다. 상기 배터리팩 A의 SOC_n가 제2 목표 SOC에 도달하면 시즈히터를 이용한 배터리팩 A의 방전을 종료한다. 배터리팩 A의 SOC_n가 제2 목표 SOC에 도달하는 경우, 전체 배터리팩의 평균 SOC 값이 팩 밸런싱을 실행하기 이전의 팩 평균 SOC_n 값보다 작은 값으로 변경된다.

이와 같이 팩 밸런싱을 실행하는 과정을 도 5를 참조하여 설명하면, 제어기(20)는 배터리팩의 셀 밸런싱을 선택적으로 실행한 이후 각 배터리팩의 SOC_n을 산출하고(S200), 이어서 고 SOC 배터리팩과 저 SOC 배터리팩의 유무에 따라 팩 밸런싱이 필요한 구체적인 상황을 판단하여 상기 case 1, 2, 3 중 어느 case에 해당하는지를 판단한다(S210, S220).

상기 case 1에 해당하는 경우, 고 SOC 배터리팩에 연결된 시즈히터를 작동시켜 고 SOC 배터리팩을 제1 목표 SOC(팩 평균 SOC + σ/2)까지 방전시키고(S230), 고 SOC 배터리팩의 SOC_n가 제1 목표 SOC에 도달하는지를 판단하여(S240) 제1 목표 SOC에 도달하면 고 SOC 배터리팩의 방전을 종료한다.

상기 case 2에 해당하는 경우, 팩 밸런싱을 실행하기 이전의 팩 평균 SOC_n보다 높은 SOC를 가지는 배터리팩을 시즈히터를 이용하여 제1 목표 SOC(팩 평균 SOC_n + σ/2)까지 방전시키고(S250). 팩 평균 SOC_n보다 높은 SOC를 가지는 배터리팩의 SOC_n가 제1 목표 SOC에 도달하는지를 판단하여(S260) 제1 목표 SOC에 도달하면 해당 배터리팩의 방전을 종료한다.

마지막으로, 상기 case 3에 해당하는 경우, 고 SOC 배터리팩에 연결된 시즈히터를 작동시켜 고 SOC 배터리팩을 제2 목표 SOC(팩 밸런싱 이전의 팩 평균 SOC_n)까지 방전시키고(S270), 고 SOC 배터리팩의 SOC_n가 상기 제2 목표 SOC에 도달하는지를 판단하여(S280) 제2 목표 SOC에 도달하면 고 SOC 배터리팩의 방전을 종료한다.

한편, 상기 S190 단계에서 판단한 결과에 따라 팩 밸런싱만 실행하는 경우, 셀 밸런싱 실행 단계(S200)를 생략하고 바로 팩 밸런싱을 실행한다. 또한, 상기 S180 단계에서 판단한 결과에 따라 셀 밸런싱만 실행하는 경우, 셀 밸런싱 실행 단계(S200) 이후의 팩 밸런싱 실행 과정을 생략한다. 상기 팩 밸런싱만 실행하는 경우, 배터리셀에 연결된 전기부하는 작동시키지 않고, SOC 균등화를 위한 방전이 필요한 배터리팩의 전기부하만 작동시킴으로써 해당 배터리팩을 방전시킨다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 또한 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

2 : DC 링크 회로 3 : (+) 파워 라인
4 : (-) 파워 라인 5 : 파워 릴레이 어셈블리(PRA)
6, 7 : 메인 릴레이 8 : 프리차지 릴레이
9 : 프리차지 저항 11 ~ 14 : 배터리팩
15 ~ 18 : 전압센서 20 : 제어기
31 ~ 34 : 부하측 릴레이 35 ~ 38 : 시즈히터
41 ~ 43 : 스위치 44, 45 : 방전저항
46, 47 : 전류센서 48, 49 : 배터리셀

Claims

차량에 탑재되어 있는 배터리팩들의 SOC(State of Charge) 값과 상기 각 배터리팩을 구성하는 배터리셀들의 SOC 값을 기반으로 상기 배터리팩들의 평균 SOC 값 및 각 배터리팩을 구성하는 배터리셀들의 평균 SOC 값을 결정하는 제1단계;
상기 각 배터리팩의 SOC 값과 배터리팩들의 평균 SOC 값을 기반으로, 차량에 탑재된 전체 배터리팩 중에서 배터리팩들 간에 SOC 균등화를 위한 배터리팩의 방전이 필요한지를 판단하는 제2단계;
상기 각 배터리셀의 SOC 값과 상기 각 배터리팩을 구성하는 배터리셀들의 평균 SOC 값을 기반으로, 각 배터리팩을 구성하는 전체 배터리셀 중에서 배터리셀들 간에 SOC 균등화를 위한 배터리셀의 방전이 필요한지를 판단하는 제3단계;
상기 제2단계에서 배터리팩의 방전이 필요한 것으로 판단하고 상기 제3단계에서 배터리셀의 방전이 필요한 것으로 판단하면, 상기 방전이 필요한 배터리셀에 연결된 전기부하를 작동시킴으로써 배터리셀을 방전시킨 다음, 상기 방전이 필요한 배터리팩에 연결된 전기부하를 작동시킴으로써 배터리팩을 방전시키는 제4단계;
를 포함하는 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제2단계는:
각 배터리팩의 SOC 값과 배터리팩들의 평균 SOC 값 간에 편차가 허용 오차(σ)보다 큰 배터리팩이 하나라도 있으면, 배터리팩들 간에 SOC 균등화를 위한 배터리팩의 방전이 필요한 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제3단계는:
각 배터리셀의 SOC 값과 배터리셀들의 평균 SOC 값 간에 편차가 허용 오차(β)보다 큰 배터리셀이 하나라도 있으면, 배터리셀들 간에 SOC 균등화를 위한 배터리셀의 방전이 필요한 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제4단계는:
배터리셀의 SOC 값에서 배터리셀들의 평균 SOC 값을 차감한 값이 허용 오차(β)보다 큰 배터리셀을 목표 SOC에 도달할 때까지 방전시키는 단계를 포함하며, 상기 목표 SOC는 배터리셀들의 평균 SOC 값에 허용 오차(β)를 합산한 값인 것을 특징으로 하는 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제4단계는:
a) 배터리팩들의 평균 SOC_n(팩 평균 SOC_n)에 허용 오차(σ)를 합산한 값보다 높은 SOC를 가지는 고 SOC 배터리팩, 및 상기 팩 평균 SOC_n에서 허용 오차(σ)를 차감한 값보다 낮은 SOC를 가지는 저 SOC 배터리팩의 유무에 따라 배터리팩들 간에 SOC 균등화를 위해 방전이 필요한 배터리팩을 결정하는 단계;
b) 상기 a) 단계에서 결정한 방전이 필요한 배터리팩을 목표 SOC 이하가 될 때까지 방전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 a) 단계에서는, 상기 팩 평균 SOC_n 값에 대한 편차가 허용 오차(σ)보다 큰 배터리팩이 상기 고 SOC 배터리팩만 있으면, 상기 고 SOC 배터리팩을 방전이 필요한 배터리팩으로 결정하고,
상기 b) 단계에서는, 상기 고 SOC 배터리팩을 "팩 평균 SOC_n + σ/2"으로 결정된 제1 목표 SOC 이하가 될 때까지 방전시키는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 a) 단계에서는, 상기 팩 평균 SOC_n 값에 대한 편차가 허용 오차(σ)보다 큰 배터리팩이 상기 저 SOC 배터리팩만 있으면, 상기 상기 팩 평균 SOC_n보다 높은 SOC를 가지는 배터리팩을 방전이 필요한 배터리팩으로 결정하고,
상기 b) 단계에서는, 상기 팩 평균 SOC_n 보다 큰 SOC를 가지는 배터리팩을 "팩 평균 SOC_n + σ/2"으로 결정된 제1 목표 SOC 이하가 될 때까지 방전시키는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 a) 단계에서는, 상기 팩 평균 SOC_n 값에 대한 편차가 허용 오차(σ)보다 큰 배터리팩으로 상기 고 SOC 배터리팩과 저 SOC 배터리팩이 모두 있으면, 상기 고 SOC 배터리팩만 방전이 필요한 배터리팩으로 결정하고,
상기 b) 단계에서는, 상기 고 SOC 배터리팩을 상기 팩 평균 SOC_n 값으로 결정된 제2 목표 SOC 이하가 될 때까지 방전시키는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 팩 평균 SOC_n은 배터리셀들 간에 SOC 균등화를 위한 배터리셀의 방전을 실행한 이후에 전체 배터리팩의 SOC를 평균한 값인 것을 특징으로 하는 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 배터리팩들의 SOC 값과 상기 각 배터리팩을 구성하는 배터리셀들의 SOC 값은, 정해진 조건의 차량 상태에서 검출한 배터리팩 상태 정보 및 배터리셀 상태 정보로부터 취득하며,
상기 정해진 조건의 차량 상태는 차량 시동이 오프된 상태와 메인 릴레이가 오프된 상태에서 정해진 시간(γ)이 경과한 시점인 것을 특징으로 하는 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제2단계에서 배터리팩의 방전이 필요한 것으로 판단하고 상기 제3단계에서 배터리셀의 방전이 불필요한 것으로 판단하면, 상기 배터리셀에 연결된 전기부하를 작동시키지 않고, 상기 방전이 필요한 배터리팩에 연결된 전기부하만 작동시킴으로써 배터리팩을 방전시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리팩 용량 균등화 방법.