KR20230168369A - 셀 밸런싱 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템 - Google Patents

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KR20230168369A
KR20230168369A KR1020220068742A KR20220068742A KR20230168369A KR 20230168369 A KR20230168369 A KR 20230168369A KR 1020220068742 A KR1020220068742 A KR 1020220068742A KR 20220068742 A KR20220068742 A KR 20220068742A KR 20230168369 A KR20230168369 A KR 20230168369A
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성창현
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

배터리 시스템은, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩, 상기 복수의 배터리 셀 중 일측 및 타측에 위치하는 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀과 상기 제1 배터리 셀과 상기 제1 배터리 셀 사이에 위치하는 적어도 두 개의 제3 배터리 셀 및 제4 배터리 셀 간의 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 회로, 및 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀의 셀 전압들이 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀의 셀 전압들 간의 차이가 소정의 임계치 이상인지 판단하는 메인 제어부를 포함한다.

Description

셀 밸런싱 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템{CELL BALANCING CIRCUIT AND BATTERY SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 개시는 셀 밸런싱 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
배터리 팩 내부에는 다수의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 연결되어 있으며, 배터리 셀 사이의 전압 편차는 배터리 셀의 과방전 또는 과충전을 초래하고, 배터리 셀의 수명 또한 감소시킬 수 있다. 이러한 전압 편차를 개선하기 위해서 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS) 내부에 셀 균등화(cell balancing) 회로를 설계한다.
셀 균등화 회로로, 상대적으로 전압이 높은 배터리 셀의 에너지를 저항의 발열로 소모시켜서 배터리 셀 사이의 균형을 유지하는 패시브 셀 균등화 회로가 사용될 수 있다. 이 경우, 저항의 발열로 인해서 균등화를 위한 전류에 제한이 있으므로, 배터리 셀의 용량이 증가하는 추세에 맞추어 균등화를 위한 전류를 늘리기 어려운 문제점이 있다. 이를 개선하기 위해, 상대적으로 전압이 높은 배터리 셀의 에너지를 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀의 에너지로 전달하는 액티브 셀 균등화 회로가 제안되었다. 그러나 액티브 셀 균등화 회로를 구현하기 위해서 많은 소자가 필요하므로, 셀 균등화 회로의 단가가 높다는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 배터리 셀의 열화를 방지할 수 있는 배터리 시스템을 제공하는 것이다.
배터리 시스템은, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩, 상기 복수의 배터리 셀 중 일측 및 타측에 위치하는 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀과 상기 제1 배터리 셀과 상기 제1 배터리 셀 사이에 위치하는 적어도 두 개의 제3 배터리 셀 및 제4 배터리 셀 간의 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 회로, 및 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀의 셀 전압들이 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀의 셀 전압들 간의 차이가 소정의 임계치 이상인지 판단하는 메인 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제3 스위치의 온 기간 동안 상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터에 에너지가 축적되고, 상기 제3 스위치가 오프된 후 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온 기간 동안 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀에 상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터에 축적된 에너지가 전달될 수 있다.
상기 제1 스위치의 온 기간 동안 상기 제1 인덕터에 에너지가 축적되고, 상기 제2 스위치의 온 기간 동안 상기 제2 인덕터에 에너지가 축적되며, 상기 제1 및 제2 스위치가 오프 된 후, 상기 제1 인덕터에 축적된 에너지는 상기 제1 다이오드를 통해 상기 제3 배터리 셀에 전달되고, 상기 제2 인덕터에 축적된 에너지는 상기 제2 다이오드를 통해 상기 제4 배터리 셀에 전달될 수 있다.
상기 배터리 시스템은, 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀의 셀 전압들이 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀의 셀 전압들 간의 차이가 소정의 임계치 이상인지 판단하는 메인 제어부 및 상기 메인 제어부의 제어에 따라 상기 제1 내지 제3 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 스위치 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 메인 제어부는, 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀의 셀 전압들이 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀의 셀 전압들에 비해 상기 임계치 이상으로 높을 때, 상기 제1 및 제2 배터리 셀의 에너지가 상기 제3 및 제4 배터리 셀에 전달되도록 상기 스위치 제어부를 제어할 수 있다. 상기 제1 및 제2 배터리 셀의 에너지가 상기 제3 및 제4 배터리 셀에 전달되기 위해서, 상기 스위치 제어부는, 상기 제3 스위치를 소정 기간 동안 온 시키고, 상기 소정 기간 후 상기 제3 스위치를 오프 시키며, 상기 소정 기간 후 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 소정 기간 동안 온 시킬 수 있다.
상기 메인 제어부는, 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀의 셀 전압들이 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀의 셀 전압들에 비해 상기 임계치 이상으로 낮을 때, 상기 제3 및 제4 배터리 셀의 에너지가 상기 제1 및 제2 배터리 셀에 전달되도록 상기 스위치 제어부를 제어할 수 있다. 상기 제3 및 제4 배터리 셀의 에너지가 상기 제1 및 제2 배터리 셀에 전달되기 위해서, 상기 스위치 제어부는, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 소정의 기간 동안 온 시킨 후 상기 제1 및 제2 스위치를 오프하며, 상기 제3 스위치를 오프 상태로 제어할 수 있다.
발명의 다른 특징에 따른 배터리 시스템은, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩, 상기 복수의 배터리 셀 중 일측 및 타측에 위치하는 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀과 상기 제1 배터리 셀과 상기 제1 배터리 셀 사이에 위치하는 적어도 두 개의 제3 배터리 셀 및 제4 배터리 셀 간의 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 회로, 및 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀의 셀 전압들이 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀의 셀 전압들 간의 차이가 소정의 임계치 이상인지 판단하는 메인 제어부를 포함할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 회로는, 상기 제1 배터리 셀의 음극과 제1 접점 사이에 연결되어 있는 제1 인덕터 및 상기 제1 배터리 셀의 양극과 상기 제1 접점 사이에 연결되어 있는 제1 스위치, 상기 제2 배터리 셀의 양극과 제2 접점 사이에 연결되어 있는 제2 인덕터 및 상기 제2 배터리 셀의 음극과 상기 제2 접점 사이에 연결되어 있는 제2 스위치, 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀 간의 제3 접점과 상기 제1 접점 사이에 연결되어 있는 제1 다이오드, 상기 제3 접점과 상기 제2 접점 사이에 연결되어 있는 제2 다이오드, 및 상기 제1 접점과 상기 제2 접점 사이에 연결되어 있는 제3 스위치를 포함할 수 있다.
상기 메인 제어부는, 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀의 셀 전압들이 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀의 셀 전압들에 비해 상기 임계치 이상으로 높을 때, 상기 제1 및 제2 배터리 셀의 에너지가 상기 제3 및 제4 배터리 셀에 전달되도록 하는 상기 셀 밸런싱 회로를 제어할 수 있다.
상기 제3 스위치의 온 기간 동안 상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터에 에너지가 축적되고, 상기 제3 스위치가 오프된 후 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온 기간 동안 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀에 상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터에 축적된 에너지가 전달될 수 있다.
상기 메인 제어부는, 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀의 셀 전압들이 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀의 셀 전압들에 비해 상기 임계치 이상으로 낮을 때, 상기 제3 및 제4 배터리 셀의 에너지가 상기 제1 및 제2 배터리 셀에 전달되도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어할 수 있다.
상기 제1 스위치의 온 기간 동안 상기 제1 인덕터에 에너지가 축적되고, 상기 제2 스위치의 온 기간 동안 상기 제2 인덕터에 에너지가 축적되며, 상기 제1 및 제2 스위치가 오프 된 후, 상기 제1 인덕터에 축적된 에너지는 상기 제1 다이오드를 통해 상기 제3 배터리 셀에 전달되고, 상기 제2 인덕터에 축적된 에너지는 상기 제2 다이오드를 통해 상기 제4 배터리 셀에 전달될 수 있다.
배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀 중 중심 배터리 셀의 열화를 방지할 수 있는 배터리 시스템을 제공한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 중 셀 밸런싱 동작 중 셀 밸런싱 회로를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 배터리 팩의 방전 중 셀 밸런싱 동작 중 셀 밸런싱 회로를 도식적으로 나타낸 도면이다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 1에서, 배터리 시스템(1)의 양 출력단(P+, P-) 사이에는 외부 장치(2)가 연결되어 있고, 릴레이(21, 22)가 닫힐 경우 배터리 팩(10)과 외부 장치(2)가 전기적으로 연결될 수 있다. 도 1에서는 배터리 시스템(1)에 외부 장치(2)가 연결된 것으로 도시되어 있으나, 이는 배터리 시스템(1)에 대한 이해를 돕기 위한 예시로 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
외부 장치(2)가 전장 부하인 경우, 배터리 시스템(1)은 전장 부하(2)로 에너지를 공급하는 전원으로 동작하여 방전될 수 있다. 전자 부하는 이동 수단 또는 에너지 저장 시스템(energy storage system, ESS)일 수 있으며, 이동 수단은 예를 들면 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 스마트 모빌리티(smart mobility)일 수 있다. 외부 장치(2)가 충전기인 경우, 배터리 시스템(1)은 충전기(2)를 통해 전력 계통으로부터 에너지를 공급받아 충전될 수 있다.
배터리 시스템(1)은 배터리 팩(10), 두 개의 릴레이(21, 22), 전류 센서(23), 및 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(100)를 포함한다.
배터리 팩(10)은 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(10_1-10_4)를 포함한다. 도 1에서는 배터리 팩(10)이 직렬 연결된 4개의 배터리 셀(10_1-10_4)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 예로 발명이 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 5 개 이상의 배터리 셀이 직렬 연결되거나, 병렬 연결된 둘 이상의 배터리 셀 복수 개가 직렬 연결되어 있을 수 있다.
릴레이(21)는 배터리 팩(10)의 양극과 출력단(P+) 사이에 연결되어 있고, 릴레이(22)는 배터리 팩(10)의 음극과 출력단(P-) 사이에 연결되어 있으며, BMS(100)의 메인 제어부(Main Control Unit, MCU)(130)의 제어에 따라 릴레이(21, 22)의 개방 및 닫힘이 제어될 수 있다. 예를 들어, MCU(130)는 인에이블 레벨의 릴레이 제어 신호(SR1, SR2)를 생성하여 릴레이(21, 22)에 전송하고, 릴레이(21, 22)는 인에이블 레벨의 릴레이 제어 신호(SR1, SR2)에 의해 닫힐 수 있다. 또는, MCU(130)는 디스에이블 레벨의 릴레이 제어 신호(SR1, SR2)를 생성하여 릴레이(21, 22)에 전송하고, 릴레이(21, 22)는 디스에이블 레벨의 릴레이 제어 신호(SR1, SR2)에 의해 개방될 수 있다. 배터리 팩(10)의 충전 또는 방전 중에는 릴레이(21, 22)가 닫혀, 충전 전류 경로 또는 방전 전류 경로를 구성할 수 있다.
전류 센서(23)는 배터리 팩(10)에 흐르는 전류를 감지하고, 감지한 전류를 지시하는 전류 감지 신호(IS)를 MCU(130)에 전송할 수 있다.
BMS(20)는 셀 모니터링 IC(110), 셀 밸런싱 회로(120), 및 MCU(130)를 포함한다. BMS(20)는 복수의 배터리 셀(10_1-10_4)에 연결되어 있고, 복수의 배터리 셀(10_1-10_4) 각각의 셀 전압, 배터리 팩(10)의 배터리 전류 등의 정보에 기초하여 배터리 배터리(10)의 충방전 전류를 제어하고, 복수의 배터리 셀(10_1-10_4)에 대한 셀 밸런싱 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 셀 모니터링 IC(110)는 복수의 배터리 셀(10_1-10_4) 각각의 셀 전압을 측정 주기마다 측정하고, 측정된 복수의 셀 전압을 지시하는 셀 전압 감지 신호(CVS)를 MCU(130)에 전송할 수 있다. MCU(130)는 셀 전압 감지 신호(CVS)에 기초하여 셀 밸런싱이 필요한지 여부를 판단할 수 있다. 복수의 배터리 셀(10_1-10_4)의 셀 전압들 중 가장 낮은 셀 전압이 다른 셀 전압들에 비해 소정의 임계치 이상으로 낮거나, 가장 높은 셀 전압이 다른 셀 전압들에 비해 소정의 임계치 이상으로 높을 수 있다. 이와 같이, 복수의 배터리 셀(10_1-10_4)의 셀 전압들 간의 편차가 소정의 임계치 이상일 때, MCU(130)는 셀 밸런싱이 필요한 것으로 판단할 수 있다.
또한, 중심 배터리 셀과 외곽 배터리 셀 간의 전압 편차가 소정의 임계치 이상일 때도, MCU(130)는 셀 밸런싱이 필요한 것으로 판단할 수 있다. 중심 배터리 셀은 배터리 팩(10)의 복수의 셀(10_1-10_4) 중 중심 배터리 셀(예를 들어, 10_2, 10_3)을 포함하고, 중심 배터리 셀은 복수의 셀의 중앙에 위치할 수 있다. 도 1에서는 배터리 셀(10_2, 10_3)이 중심 배터리 셀에 해당되고, 외곽 배터리 셀은 배터리 팩(10)에서 중심 셀을 제외한 나머지 셀(예를 들어, 10_1, 10_4)을 포함하고, 외곽 배터리 셀은 양극 및 음극 주변에 위치할 수 있다. 도 1에서는 배터리 셀(10_1, 10_4)이 외곽 배터리 셀에 해당한다.
도 1에서는 배터리 팩(10)이 4개의 배터리 셀(10_1-10_4)로 구성되어, 2개의 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)과 2개의 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)만 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되지 않는다. 배터리 팩을 구성하는 전체 배터리 셀들 중 중앙에 위치한 소정 개수의 배터리 셀이 중심 배터리 셀이 되고, 전체 배터리 셀들 중 중심 배터리 셀을 제외한 나머지 셀들이 외곽 배터리 셀이 될 수 있다.
이하, 본 명세서에서 설명되는 셀 밸런싱은 중심 배터리 셀과 외곽 배터리 셀 간의 전압 편차가 소정의 임계치 이상일 때 수행되는, 중심 배터리 셀과 외곽 배터리 셀 간의 전하 균등화 동작을 의미할 수 있다. 일반적인 배터리 팩 내에서 중심 배터리 셀은 외곽 배터리 셀에 비해 상대적으로 높은 온도일 수 있다. 이로 인해 높은 온도의 중심 배터리 셀은 외곽 배터리 셀에 비해 퇴화 정도가 높을 수 있고, 충전 시에 중심 배터리 셀이 외곽 배터리 셀 보다 먼저 충전 상한에 도달하고, 방전 시에 중심 배터리 셀이 외곽 배터리 셀 보다 먼저 방전 하한에 도달할 수 있다. 본 발명은 이를 방지하기 위해서, 중심 배터리 셀과 외관 배터리 셀 간의 전하 균등화 동작을 수행할 수 있다. 이하, “셀 밸런싱 동작”은 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)과 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4) 간의 전하 균등화 동작을 포함한다.
MCU(130)는 셀 밸런싱이 필요하다고 판단될 때, 셀 밸런싱 회로(120)를 제어하여 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)과 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4) 간의 셀 밸런싱 동작이 수행될 수 있도록 할 수 있다. MCU(130)는 제1 셀 밸런싱 조건 및 제2 셀 밸런싱 조건 중 하나가 충족될 때, 셀 밸런싱이 필요한 것으로 결정할 수 있다.
제1 셀 밸런싱 조건은, 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)의 셀 전압들 중 가장 낮은 셀 전압이 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)의 셀 전압들 중 가장 높은, 가장 낮은, 중간, 또는 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)의 셀 전압들의 평균에 비해 임계치 이상 높을 때, 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)의 셀 전압들 중 가장 높은 셀 전압이 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)의 셀 전압들 중 가장 높은, 가장 낮은, 중간, 또는 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)의 셀 전압들의 평균에 비해 임계치 이상 높을 때, 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)의 셀 전압들 중 중간 전압이 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)의 셀 전압들 중 가장 높은, 가장 낮은, 중간, 또는 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)의 셀 전압들의 평균에 비해 임계치 이상 높을 때, 및 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)의 셀 전압들의 평균이 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)의 셀 전압들 중 가장 높은, 가장 낮은, 중간, 또는 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)의 셀 전압들의 평균에 비해 임계치 이상 높을 때 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 셀 밸런싱 조건은, 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)의 셀 전압들 중 가장 낮은 셀 전압이 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)의 셀 전압들 중 가장 높은, 가장 낮은, 중간, 또는 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)의 셀 전압들의 평균에 비해 임계치 이상 낮을 때, 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)의 셀 전압들 중 가장 높은 셀 전압이 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)의 셀 전압들 중 가장 높은, 가장 낮은, 중간, 또는 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)의 셀 전압들의 평균에 비해 임계치 이상 낮을 때, 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)의 셀 전압들 중 중간 전압이 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)의 셀 전압들 중 가장 높은, 가장 낮은, 중간, 또는 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)의 셀 전압들의 평균에 비해 임계치 이상 낮을 때, 및 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)의 셀 전압들의 평균이 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)의 셀 전압들 중 가장 높은, 가장 낮은, 중간, 또는 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)의 셀 전압들의 평균에 비해 임계치 이상 낮을 때 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 셀 밸런싱 조건이 충족될 때, MCU(130)는 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)에서 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)로 에너지가 전달되도록 셀 밸런싱 제어 명령(CBM)을 셀 밸런싱 회로(120)에 전송할 수 있다. 제2 셀 밸런싱 조건이 충족될 때, MCU(130)는 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)에서 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)로 에너지가 전달되도록 셀 밸런싱 제어 명령(CBM)을 셀 밸런싱 회로(120)에 전송할 수 있다.
충전 중인 경우, 또는 충전 후에 제1 셀 밸런싱 조건이 충족될 수 있다. 방전 중인 경우, 또는 방전 후에 제2 셀 밸런싱 조건이 충족될 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로를 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2에서는 셀 밸런싱 회로(120)는 3 개의 스위치(ST, SB, SM), 4개의 다이오드(DT, DB), 두 개의 인덕터(LT, LB), 및 스위칭 제어부(125)를 포함한다. 배터리 셀(10_1)의 음극과 배터리 셀(10_2)의 양극, 배터리 셀(10_2)의 음극과 배터리 셀(10_3)의 양극, 배터리 셀(10_3)의 음극과 배터리 셀(10_4)의 음극은, 접점(N4), 접점(N2), 및 접점(N5)에서 연결되어 있다. 셀 밸런싱 회로(120)는 3 개의 접점(N4-N6), 배터리 셀(10_1)의 양극, 및 배터리 셀(10_4)의 음극에 연결되어 있다.
스위치(ST)는 배터리 셀(10_1)의 양극과 접점(N1) 사이에 연결되어 있고, 스위치(SM)는 접점(N1)과 접점(N3) 사이에 연결되어 있으며, 스위치(SB)는 접점(N3)과 배터리 셀(10_4)의 음극에 연결되어 있다. 인덕터(LT)는 접점(N1)과 접점(N4) 사이에 연결되어 있고, 인덕터(LB)는 접점(N3)과 접점(N6) 사이에 연결되어 있다. 다이오드(DT)는 접점(N2)과 접점(N1) 사이에 연결되어 있고, 다이오드(DB)는 접점(N3)과 접점(N2) 사이에 연결되어 있다.
구체적으로, 3 개의 스위치(ST, SB, SM)은 n 타입 MOSFET으로 구현되고, 3 개의 스위치(ST, SB, SM) 각각의 소스와 드레인 사이에 바디 다이오드가 형성되어 있을 수 있다. 스위치(ST)의 드레인은 배터리 셀(10_1)의 양극에 연결되어 있고, 스위치(ST)의 소스는 접점(N1)에 연결되어 있으며, 게이트에 제어 전압(VG1)이 입력된다. 스위치(SB)의 소스는 배터리 셀(10_4)의 음극에 연결되어 있고, 스위치(SB)의 드레인은 접점(N3)에 연결되어 있으며, 게이트에 제어 전압(VG3)이 입력된다. 스위치(SM)의 드레인은 접점(N1)에 연결되어 있고, 스위치(SM)의 소스는 접점(N3)에 연결되어 있으며, 게이트에 제어 전압(VG2)이 입력된다. 3 개의 스위치(S. 스위치(Q1), 제1 권선(W1), 및 스위치(Q2)는 제1 전력 전달 경로를 구성할 수 있다. 다이오드(DT)의 애노드는 접점(N2)에 연결되어 있고, 다이오드(DT)의 캐소드는 접점(N1)에 연결되어 있다. 다이오드(DB)의 애노드는 접점(N3)에 연결되어 있고, 다이오드(DB)의 캐소드는 접점(N2)에 연결되어 있다.
스위치 제어부(125)는 MCU(130)의 제어 명령(CBM)에 따라 3 개의 스위치(ST, SB, SM)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 3 개의 게이트 전압(VG1, VG2, VG3)을 생성할 수 있다. MCU(130)의 제어에 따라 스위치 제어부(125)가 생성하는 3 개의 게이트 전압(VG1, VG2, VG3) 각각은 온 레벨 또는 오프 레벨을 가질 수 있다. 본 명세에서 온 레벨은 오프 레벨에 대해 상대적으로 하이 레벨일 수 있다.
일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로(120)는 MCU(130)의 제어 명령(CBM)에 따라, 제1 셀 밸런싱 조건이 충족되면 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)에서 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)로 에너지를 전달하고, 제2 셀 밸런싱 조건이 충족되면 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)에서 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)로 에너지를 전달한다. 이에 따라 배터리 팩(10)에 의해 더 많은 에너지가 사용될 수 있고, 중심 배터리 셀이 외부 배터리 셀에 비해 먼저 퇴화되는 현상을 방지하여, 중심 배터리 셀의 심한 퇴화를 방지할 수 있다.
스위칭 제어부(125)는 MCU(130)로부터 셀 밸런싱 제어 명령(CBM)을 수신하고, 셀 밸런싱 제어 명령(CBM)에 기초하여 3 개의 스위치(ST, SB, SM)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. MCU(130)는 제1 셀 밸런싱 조건이 충족되면 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)에서 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)로 에너지를 전달하기 위한 셀 밸런싱 제어 명령(CBM, 이하, 제1 셀 밸런싱 제어 명령)을 생성하고, 제2 셀 밸런싱 조건이 충족되면 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)에서 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)로 에너지를 전달하기 위한 셀 밸런싱 제어 명령(CBM, 이하, 제2 셀 밸런싱 제어 명령)을 생성한다. 셀 밸런싱 제어 명령(CBM)는 정보를 전달하기 위한 적어도 하나의 신호를 포함할 수 있다.
스위칭 제어부(125)는 제1 셀 밸런싱 제어 명령에 따라 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)에서 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)로 에너지가 전달되도록 3 개의 스위치(ST, SB, SM)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 스위치 제어부(125)는 제2 셀 밸런싱 제어 명령에 따라 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)에서 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)로 에너지가 전달되도록 3 개의 스위치(ST, SB, SM)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
스위칭 제어부(125)는 제1 셀 밸런싱 제어 명령에 따라 정해진 주파수 및 듀티를 가지는 3 개의 게이트 전압(VG1-VG3)을 소정의 셀 밸런싱 기간 동안 생성할 수 있다. 셀 밸런싱 기간은 MCU(130)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, MCU(130)는 제1 셀 밸런싱 조건이 더 이상 충족되지 않을 때 셀 밸런싱 종료를 결정하고, 제1 셀 밸런싱 제어 명령을 통해 스위칭 제어부(125)에 이를 알릴 수 있다. 그러면, 스위칭 제어부(125)는 셀 밸런싱 종료를 지시하는 제1 셀 밸런싱 제어 명령에 따라 3 개의 게이트 전압(VG1-VG3)을 오프 레벨로 제어할 수 있다.
스위칭 제어부(125)는 제2 셀 밸런싱 제어 명령에 따라 정해진 주파수 및 듀티를 가지는 2 개의 게이트 전압(VG1, VG2)을 소정의 셀 밸런싱 기간 동안 생성할 수 있다. 셀 밸런싱 기간은 MCU(130)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, MCU(130)는 제2 셀 밸런싱 조건이 더 이상 충족되지 않을 때 셀 밸런싱 종료를 결정하고, 제2 셀 밸런싱 제어 명령을 통해 스위칭 제어부(125)에 이를 알릴 수 있다. 그러면, 스위칭 제어부(125)는 셀 밸런싱 종료를 지시하는 제2 셀 밸런싱 제어 명령에 따라 2 개의 게이트 전압(VG1, VG2)을 오프 레벨로 제어할 수 있다. 제2 셀 밸런싱 조건이 충족되어 수행되는 셀 밸런싱에서 스위치(SM)은 스위칭 동작하지 않고, 오프 상태로 유지된다.
이하, 도 3 내지 도 6를 참조하여 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 동작을 설명한다.
도 3 및 도 4는 일 실시예에 따른 제1 셀 밸런싱 조건이 충족에 따른 셀 밸런싱 동작 중 셀 밸런싱 회로를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 셀 밸런싱 회로(120)의 한 스위칭 주기 동안의 셀 밸런싱 동작을 나타낸 도면일 수 있다.
제1 셀 밸런싱 조건이 충족되어, MCU(130)는 스위칭 제어부(125)로 셀 밸런싱을 지시하는 제1 셀 밸런싱 제어 명령을 전송한다. 스위칭 제어부(125)는 셀 밸런싱 종료를 지시하는 제1 셀 밸런싱 제어 명령이 수신될 때까지, 도 3 및 도 4에 도시된 동작을 반복할 수 있다.
예를 들어, 스위칭 제어부(125)는 제1 듀티의 온 레벨을 가지는 게이트 전압(VG2)을 생성하고, 이어서 제2 듀티의 온 레벨을 가지는 게이트 전압(VG1, VG3)을 생성할 수 있다. 게이트 전압(VG2)이 온 레벨일 때, 게이트 전압(VG1, VG3)은 오프 레벨이고, 게이트 전압(VG1, VG3)이 온 레벨일 때, 게이트 전압(VG2)은 오프 레벨이다.
도 3에는 게이트 전압(VG2)이 온 레벨이고, 게이트 전압(VG1, VG3)이 오프 레벨일 때의 셀 밸런싱 회로가 간략히 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 스위치(ST, SB)는 오프 상태이고, 스위치(SM)은 온 상태이므로, 중심 배터리 셀(10_2, 10_3), 인덕터(LT), 스위치(SM), 및 인덕터(LB)로 형성된 제1 전류 경로(CP1)를 따라 전류(i1)가 흐를 수 있다. 전류(i1)는 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)이 방전하는 방향으로 흐를 수 있다. 전류(i1)가 두 인덕터(LT, LB)에 흐르므로 두 인덕터(LT, LB)에는 에너지가 축적될 수 있다.
도 4에는 게이트 전압(VG1, VG3)이 온 레벨이고, 게이트 전압(VG2)이 오프 레벨일 때의 셀 밸런싱 회로가 간략히 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 스위치(ST, SB)는 온 상태이고, 스위치(SM)은 오프 상태이므로, 인덕터(LT), 스위치(ST), 및 외곽 배터리 셀(10_1)로 형성된 제2 전류 경로(CP2)를 따라 전류(i2)가 흐르고, 인덕터(LB), 외곽 배터리 셀(10_4), 및 스위치(SB)로 형성된 제3 전류 경로(CP3)를 따라 전류(i3)가 흐를 수 있다. 전류(i2)는 인덕터(LT)로부터 외곽 배터리 셀(10_1)로 흐르고, 전류(i3)는 인덕터(LB)로부터 외곽 배터리 셀(10_4)로 흐를 수 있다. 따라서 두 인덕터(LT, LB)에 축적된 에너지가 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)에 공급될 수 있다.
이와 같이, 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)로부터 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)로 에너지가 전달될 수 있다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 제1 셀 밸런싱 조건이 충족에 따른 셀 밸런싱 동작 중 셀 밸런싱 회로를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 셀 밸런싱 회로(120)의 한 스위칭 주기 동안의 셀 밸런싱 동작을 나타낸 도면일 수 있다.
제2 셀 밸런싱 조건이 충족되어, 스위칭 제어부(125)로 셀 밸런싱을 지시하는 제2 셀 밸런싱 제어 명령을 전송한다. 스위칭 제어부(125)는 셀 밸런싱 종료를 지시하는 제2 셀 밸런싱 제어 명령이 수신될 때까지, 도 5 및 도 6에 도시된 동작을 반복할 수 있다.
예를 들어, 스위칭 제어부(125)는 제3 듀티의 온 레벨을 가지는 게이트 전압(VG1, VG3)을 생성할 수 있다. 제2 셀 밸런싱 조건이 충족되어 수행되는 셀 밸런싱 동작에서 게이트 전압(VG2)은 오프 레벨로, 스위치(SM)은 스위칭하지 않고, 오프 상태이다.
도 5에는 게이트 전압(VG1, VG3)이 온 레벨이고 게이트 전압(VG2)가 오프레벨일 때의 셀 밸런싱 회로가 간략히 도시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 스위치(ST, SB)는 온 상태이므로, 외곽 배터리 셀(10_1), 스위치(ST), 및 인덕터(LT)로 형성된 제4 전류 경로(CP4)를 따라 전류(i4)가 흐르고, 외곽 배터리 셀(10_4), 스위치(SB), 및 인덕터(LB)로 형성된 제5 전류 경로(CP5)를 따라 전류(i5)가 흐를 수 있다. 전류(i4)는 외곽 배터리 셀(10_1)로부터 인덕터(LT)로 흐르고, 전류(i5)는 외곽 배터리 셀(10_4)로부터 인덕터(LB)로 흐를 수 있다. 따라서 두 인덕터(LT, LB)는 전류(i4, i5)에 의해 에너지를 축적할 수 있다.
도 6에는 게이트 전압(VG1, VG2, VG3)이 오프 레벨일 때의 셀 밸런싱 회로가 간략히 도시되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 스위치(ST, SB, SM)는 오프 상태이므로, 인덕터(LT), 중심 배터리 셀(10_2), 및 다이오드(DT)로 형성된 제6 전류 경로(CP6)를 따라 전류(i6)가 흐르고, 인덕터(LB), 다이오드(DT), 및 중심 배터리 셀(10_3)로 형성된 제7 전류 경로(CP7)를 따라 전류(i7)가 흐를 수 있다. 전류(i6)는 인덕터(LT)로부터 중심 배터리 셀(10_2)로 흐르고, 전류(i7)는 인덕터(LB)로부터 중심 배터리 셀(10_3)로 흐를 수 있다. 이와 같이, 두 다이오드(DT, DB)에 의해 제6 및 제7 전류 경로(CP6, CP7)가 분리되고, 두 인덕터(LT, LB)에 축적된 에너지가 분리되어 중심 배터리 셀(10_2, 10_3) 각각에 공급될 수 있다. 전류(i6)와 전류(i7)이 동일할 경우 접점(N2)에서 두 전류(i6, i7)가 상쇄될 수 있다. 두 전류(i6, i7) 사이에 차이가 있다면, 그 차이만큼의 전류가 접점(N2)에 흐를 수 있다.
이와 같이, 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)로부터 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)로 에너지가 전달될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 배터리 시스템
10: 배터리 팩
100: 배터리 관리 시스템
110: 셀 모니터링 IC
120: 셀 밸런싱 회로
130: 메인 제어부

Claims (14)

  1. 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 및
    상기 복수의 배터리 셀 중 일측에 위치하는 제1 배터리 셀의 음극과 제1 접점 사이에 연결되어 있는 제1 인덕터 및 상기 제1 배터리 셀의 양극과 상기 제1 접점 사이에 연결되어 있는 제1 스위치;
    상기 복수의 배터리 셀 중 타측에 위치하는 제2 배터리 셀의 양극과 제2 접점 사이에 연결되어 있는 제2 인덕터 및 상기 제2 배터리 셀의 음극과 상기 제2 접점 사이에 연결되어 있는 제2 스위치;
    상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀 사이에 연결되어 있는 제3 배터리 셀 및 제4 배터리 셀 간의 제3 접점과 상기 제1 접점 사이에 연결되어 있는 제1 다이오드;
    상기 제3 접점과 상기 제2 접점 사이에 연결되어 있는 제2 다이오드; 및
    상기 제1 접점과 상기 제2 접점 사이에 연결되어 있는 제3 스위치를 포함하는, 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3 스위치의 온 기간 동안 상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터에 에너지가 축적되고,
    상기 제3 스위치가 오프된 후 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온 기간 동안 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀에 상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터에 축적된 에너지가 전달되는, 배터리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치의 온 기간 동안 상기 제1 인덕터에 에너지가 축적되고, 상기 제2 스위치의 온 기간 동안 상기 제2 인덕터에 에너지가 축적되며,
    상기 제1 및 제2 스위치가 오프 된 후, 상기 제1 인덕터에 축적된 에너지는 상기 제1 다이오드를 통해 상기 제3 배터리 셀에 전달되고, 상기 제2 인덕터에 축적된 에너지는 상기 제2 다이오드를 통해 상기 제4 배터리 셀에 전달되는, 배터리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀의 셀 전압들이 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀의 셀 전압들 간의 차이가 소정의 임계치 이상인지 판단하는 메인 제어부; 및
    상기 메인 제어부의 제어에 따라 상기 제1 내지 제3 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 스위치 제어부를 더 포함하는, 배터리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메인 제어부는,
    상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀의 셀 전압들이 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀의 셀 전압들에 비해 상기 임계치 이상으로 높을 때, 상기 제1 및 제2 배터리 셀의 에너지가 상기 제3 및 제4 배터리 셀에 전달되도록 상기 스위치 제어부를 제어하는, 배터리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 배터리 셀의 에너지가 상기 제3 및 제4 배터리 셀에 전달되기 위해서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 제3 스위치를 소정 기간 동안 온 시키고, 상기 소정 기간 후 상기 제3 스위치를 오프 시키며, 상기 소정 기간 후 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 소정 기간 동안 온 시키는, 배터리 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 메인 제어부는,
    상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀의 셀 전압들이 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀의 셀 전압들에 비해 상기 임계치 이상으로 낮을 때, 상기 제3 및 제4 배터리 셀의 에너지가 상기 제1 및 제2 배터리 셀에 전달되도록 상기 스위치 제어부를 제어하는, 배터리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 및 제4 배터리 셀의 에너지가 상기 제1 및 제2 배터리 셀에 전달되기 위해서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 소정의 기간 동안 온 시킨 후 상기 제1 및 제2 스위치를 오프하며, 상기 제3 스위치를 오프 상태로 제어하는, 배터리 시스템.
  9. 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩;
    상기 복수의 배터리 셀 중 일측 및 타측에 위치하는 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀과 상기 제1 배터리 셀과 상기 제1 배터리 셀 사이에 위치하는 적어도 두 개의 제3 배터리 셀 및 제4 배터리 셀 간의 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 회로; 및
    상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀의 셀 전압들이 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀의 셀 전압들 간의 차이가 소정의 임계치 이상인지 판단하는 메인 제어부를 포함하는, 배터리 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 회로는,
    상기 제1 배터리 셀의 음극과 제1 접점 사이에 연결되어 있는 제1 인덕터 및 상기 제1 배터리 셀의 양극과 상기 제1 접점 사이에 연결되어 있는 제1 스위치;
    상기 제2 배터리 셀의 양극과 제2 접점 사이에 연결되어 있는 제2 인덕터 및 상기 제2 배터리 셀의 음극과 상기 제2 접점 사이에 연결되어 있는 제2 스위치;
    상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀 간의 제3 접점과 상기 제1 접점 사이에 연결되어 있는 제1 다이오드;
    상기 제3 접점과 상기 제2 접점 사이에 연결되어 있는 제2 다이오드; 및
    상기 제1 접점과 상기 제2 접점 사이에 연결되어 있는 제3 스위치를 포함하는, 배터리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 메인 제어부는,
    상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀의 셀 전압들이 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀의 셀 전압들에 비해 상기 임계치 이상으로 높을 때, 상기 제1 및 제2 배터리 셀의 에너지가 상기 제3 및 제4 배터리 셀에 전달되도록 하는 상기 셀 밸런싱 회로를 제어하는, 배터리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제3 스위치의 온 기간 동안 상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터에 에너지가 축적되고,
    상기 제3 스위치가 오프된 후 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온 기간 동안 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀에 상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터에 축적된 에너지가 전달되는, 배터리 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 메인 제어부는,
    상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀의 셀 전압들이 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀의 셀 전압들에 비해 상기 임계치 이상으로 낮을 때, 상기 제3 및 제4 배터리 셀의 에너지가 상기 제1 및 제2 배터리 셀에 전달되도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어하는, 배터리 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 스위치의 온 기간 동안 상기 제1 인덕터에 에너지가 축적되고, 상기 제2 스위치의 온 기간 동안 상기 제2 인덕터에 에너지가 축적되며,
    상기 제1 및 제2 스위치가 오프 된 후, 상기 제1 인덕터에 축적된 에너지는 상기 제1 다이오드를 통해 상기 제3 배터리 셀에 전달되고, 상기 제2 인덕터에 축적된 에너지는 상기 제2 다이오드를 통해 상기 제4 배터리 셀에 전달되는, 배터리 시스템.

KR1020220068742A 2022-06-07 2022-06-07 셀 밸런싱 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템 KR20230168369A (ko)

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