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KR101256079B1 - 배터리 팩의 밸런싱 방법 및 밸런싱 시스템 - Google Patents

배터리 팩의 밸런싱 방법 및 밸런싱 시스템 Download PDF

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KR101256079B1
KR101256079B1 KR1020100136810A KR20100136810A KR101256079B1 KR 101256079 B1 KR101256079 B1 KR 101256079B1 KR 1020100136810 A KR1020100136810 A KR 1020100136810A KR 20100136810 A KR20100136810 A KR 20100136810A KR 101256079 B1 KR101256079 B1 KR 101256079B1
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balancing
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cell
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김재원
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

밸런싱 셀 선택이 가능하며, 충분한 밸런싱 시간을 확보하여 적정 밸런싱 전류로 배터리 팩에 손상을 주지 않고 밸런싱을 할 수 있는 배터리 팩의 밸런싱 방법이 제공된다. 배터리 팩의 밸런싱 방법은 다수의 배터리 셀들의 충방전시 현재 구간이 배터리 셀의 충전 상태에 대한 배터리 셀의 개방 전압의 변화가 소정치 이상인 비평탄 구간인지 소정치 이하인 평탄 구간인지 판단하는 단계, 비평탄 구간에 다수의 배터리 셀들이 속하는 경우 다수의 배터리 셀간의 불균형에 기초하여 밸런싱을 시작하는 단계 및 평탄 구간에 다수의 배터리 셀들이 속하는 경우 다수의 셀들의 밸런싱 누적 시간이 설정된 밸런싱 시간보다 작은 경우 밸런싱을 유지하는 단계를 포함한다.

Description

배터리 팩의 밸런싱 방법 및 밸런싱 시스템{Balancing Method and Balancing System of Battery Pack}
본 발명은 배터리 팩의 밸런싱 방법 및 배터리 셀 밸런싱 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 휴대용 노트북 컴퓨터 및 휴대용 전동공구와 같은 휴대용 전자기기는 충전 가능한 배터리 팩을 갖는다. 배터리 팩을 이루는 각각의 배터리 셀은 제조 공정 상의 여러 가지 이유로 인해 용량 편차가 존재한다. 따라서 배터리 팩은 충방전 사이클 중에 각 배터리 셀의 충방전 전압에 편차가 발생한다. 이에 따라 배터리 팩은 충전 중에 특정 배터리 셀이 과충전될 수 있고, 또한 방전 중에 특정 배터리 셀이 과방전될 수 있다. 이와 같이 배터리 팩 중에서 특정 배터리 셀의 과충전이나 과방전은 배터리 팩의 용량을 감소시킬 뿐만 아니라 배터리 팩을 열화시키고 수명을 단축시킨다.
따라서, 배터리 팩에서 복수의 셀의 전압 각각의 차이가 허용범위 내에 있거나 같아지도록 조절하는 셀 밸런싱이 중요하다. 종래의 밸런싱 방법은 충전 종료 후 셀간 전압차가 발생하면 밸런싱 동작을 실행한다. 그러나, 이 방법을 사용할 경우 소용량 배터리 팩에서는 단시간에 밸런싱이 가능하나, 대용량 배터리 팩에서는 단시간에 밸런싱이 불가능해진다. 예를 들면, 50A 셀로 이루어진 대용량 배터리 팩에서 셀간 전압차가 100mV 발생하였을 경우 밸런싱 전류로 300~500mA를 사용하면 약 10분 이상 밸런싱을 수행해야 밸런싱 효과를 볼 수 있다. 반면 밸런싱 시간을 단축시키기 위하여 밸런싱 전류를 증가시키면 전력 손실(power dissipation)이 일어날 뿐만 아니라 배터리 팩에 열이 발생하고 구성 소자들이 스트레스를 받을 수 있다.
본 발명의 실시예들은 정확한 밸런싱 셀 선택이 가능하며, 충분한 밸런싱 시간을 확보하여 적정 밸런싱 전류로 배터리 팩에 손상을 주지 않고 밸런싱을 할 수 있는 배터리 팩의 밸런싱 방법을 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 정확한 밸런싱 셀 선택이 가능하며, 충분한 밸런싱 시간을 확보하여 적정 밸런싱 전류로 배터리 팩에 손상을 주지 않고 밸런싱을 할 수 있는 배터리 팩의 밸런싱 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 다수의 배터리 셀들의 충방전시 현재 구간이 상기 배터리 셀의 충전 상태에 대한 상기 배터리 셀의 개방 전압의 변화가 소정치 이상인 비평탄 구간인지 소정치 이하인 평탄 구간인지 판단하는 단계, 상기 비평탄 구간에 상기 다수의 배터리 셀들이 속하는 경우 상기 다수의 배터리 셀간의 불균형에 기초하여 밸런싱을 시작하는 단계, 및 상기 평탄 구간에 상기 다수의 배터리 셀들이 속하는 경우 상기 다수의 셀들의 밸런싱 누적 시간이 설정된 밸런싱 시간보다 작은 경우 상기 밸런싱을 유지하는 단계를 포함하는 배터리 팩의 밸런싱 방법이 제공된다.
상기 밸런싱을 시작하는 단계는 상기 비평탄 구간인 경우 상기 다수의 배터리 셀 중에서 최소 전압 또는 최소 용량 셀을 제외한 적어도 하나의 셀을 선택하는 단계, 및 선택된 셀들의 상기 최소 전압 셀과의 전압 차이 또는 상기 최소 용량 셀과의 용량 차이에 기초하여 밸런싱 시간을 계산하여 상기 밸런싱을 시작하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 밸런싱을 유지하는 단계는 상기 밸런싱 시간이 설정되어 있는지를 판단하는 단계, 및 상기 밸런싱 시간이 설정되어 있는 경우, 상기 밸런싱 누적 시간이 상기 설정된 밸런싱 시간보다 작은지 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 비평탄 구간인지 평탄 구간인지 판단하는 단계는 상기 다수의 배터리 셀들의 충방전시 셀들의 전압 변화량을 샘플링하여 전압 변화량이 일정 기준값 이상이면 상기 비평탄 구간으로, 상기 일정 기준값 이하이면 평탄 구간으로 판단하는 단계일 수 있다.
상기 비평탄 구간인지 평탄 구간인지 판단하는 단계는 상기 다수의 배터리 셀들의 충방전 특성 커브를 제1 구간, 상기 제1 구간의 전압 범위보다 높은 전압 범위인 제2 구간, 상기 제2 구간의 전압 범위보다 높은 전압 범위인 제3 구간으로 구분하되 상기 제2 구간은 평탄 구간으로 나머지 제1 및 제3 구간은 비평탄 구간으로 지정하고, 다수의 배터리 셀들의 충방전시 셀들의 전압을 측정하여 현재 구간이 상기 비평탄 구간인지 상기 평탄 구간인지 구분하는 단계일 수 있다.
상기 비평탄 구간인지 평탄 구간인지 판단하는 단계는 상기 다수의 배터리 셀들의 충방전 특성 커브를 제1 구간, 상기 제1 구간의 SOC보다 높은 범위인 제2 구간, 상기 제2 구간의 SOC보다 높은 범위인 제3 구간으로 구분하고, 상기 제2 구간은 평탄 구간으로 나머지 제1 및 제3 구간은 비평탄 구간으로 지정하고, 다수의 배터리 셀들의 충방전시 셀들의 용량을 측정하여 현재 구간이 비평탄 구간인지 평탄 구간인지 구분하는 단계일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩의 상기 각 배터리 셀의 전압을 측정하고 각 배터리 셀의 밸런싱 전류 경로를 제공하는 전압 감지 및 밸런싱 회로, 및 상기 다수의 배터리 셀들의 충방전시 현재 구간이 상기 배터리 셀의 충전 상태에 대한 상기 배터리 셀의 개방 전압의 변화가 소정치 이상인 비평탄 구간인지 소정치 이하인 평탄 구간인지 판단하는 수단, 상기 비평탄 구간인 경우 밸런싱 대상 셀을 선택하는 수단, 선택된 상기 밸런싱 대상 셀에 대한 밸런싱 시간을 계산하는 수단, 상기 평탄 구간인 경우 밸런싱 시간 설정 여부를 판단하는 수단, 상기 평탄 구간인 경우 밸런싱 시간을 비교 판단하는 수단과 셀 밸런싱 동작 수행 수단을 포함하는 제어부를 포함하는 배터리 팩의 밸런싱 시스템이 제공될 수 있다.
상기 비평탄 구간인지 평탄 구간인지 판단하는 수단은 상기 셀들의 전압 변화량을 샘플링하여 전압 변화량이 일정 기준값 이상이면 상기 비평탄 구간으로, 상기 일정 기준값 이하이면 평탄 구간으로 판단하는 수단일 수 있다.
상기 비평탄 구간인지 평탄 구간인지 판단하는 수단은 상기 다수의 배터리 셀들의 충방전 특성 커브를 제1 구간, 상기 제1 구간의 전압 범위보다 높은 전압 범위인 제2 구간, 상기 제2 구간의 전압 범위보다 높은 전압 범위인 제3 구간으로 구분하되 상기 제2 구간은 평탄 구간으로 나머지 제1 및 제3 구간은 비평탄 구간으로 지정한 기준 구간 저장부를 포함하는 수단일 수 있다.
상기 비평탄 구간인지 평탄 구간인지 판단하는 수단은 상기 다수의 배터리 셀들의 충방전 특성 커브를 제1 구간, 상기 제1 구간의 SOC보다 높은 범위인 제2 구간, 상기 제2 구간 SOC보다 높은 범위인 제3 구간으로 구분하고, 상기 제2 구간은 평탄 구간으로 나머지 제1 및 제3 구간은 비평탄 구간으로 지정한 지정 구간 저장부를 포함하는 수단일 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 셀간 전압 차이 또는 용량 차이가 많이 발생하는 충방전 커브의 초기 또는 말기와 같은 비평탄화 구간에서 밸런싱 대상 셀을 선택하고 밸런싱 조건을 결정하여 밸런싱 동작을 개시하기 때문에 밸런싱 셀을 정확하고 용이하게 선택할 수 있다. 또한 평탄화 구간에서도 비평탄화 구간에서 결정된 밸런싱 동작을 지속시키기 때문에 충분한 밸런싱 시간을 확보할 수 있어서 충전 종료 후 밸런싱 동작을 실시하는 종래의 경우에 비해 적정 밸런싱 전류를 사용할 수 있다. 따라서, 배터리 팩에 손상을 주지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 셀의 밸런싱 방법이 적용되어야만 하는 이유를 설명하기 위한 배터리 팩의 방전 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런싱 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런싱 타이밍도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구간 지정을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 구간 지정을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 팩의 밸런싱 방법이 적용될 수 있는 밸런싱 시스템을 나타내는 개략도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 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 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
도 1는 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 셀의 밸런싱 방법이 적용되어야만 하는 이유를 설명하기 위한 배터리 팩의 방전 그래프이다. 도 1에 예시되어 있는 배터리 팩은 56개의 셀로 이루어진 배터리 팩에 대해서 방전을 실시한 후, 방전 1 사이클(cycle) 이후 최대 전압을 나타내는 셀과 최소 전압을 나타내는 셀의 그래프만 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩의 방전 1 사이클(cycle) 이후 최대 전압은 2.606V이고 최소 전압은 1.229V로 전압 차이가 1.377V가 됨을 알 수 있다. 이 배터리 팩은 원래 초기 구성시 셀 간의 전압차가 10mV이내가 되도록 설정된 것임에도 불구하고 방전 1 사이클 이후의 전압 차이는 최초 설정 값보다 훨씬 크게 편차가 발생함을 알 수 있다. 도 1로부터 발명자는 방전 특성상 셀의 방전 초기(A)와 말기(C)를 제외하고 전압의 변화가 거의 없이 평탄한 구간인 방전 중기(B)에서 셀간 전압 차를 측정하여 밸런싱을 하는 것은 무의미함을 발견하였다. 도면에는 도시하지 않았으나 충전의 경우에도 마찬가지이다. 이와 같은 발견에 기초하여 발명자는 셀간 전압 차이 또는 용량 차이가 많이 발생하는 충방전 커브의 초기 또는 말기와 같은 비평탄화 구간에서 밸런싱 대상 셀을 선택하고 밸런싱 조건 등을 결정하여 밸런싱 동작을 개시하고 중기와 같은 평탄화 구간에서는 비평탄화 구간에서 결정된 밸런싱 동작을 지속하는 새로운 방식의 밸런싱 방법을 착안하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런싱 방법의 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 밸런싱 방법은 밸런싱 조건 판단 단계(S1)로부터 시작한다.
밸런싱 조건 판단 단계(S1)는 먼저 충전 중인지 판단하는 단계(S11), 대기 중인지 판단하는 단계(S12) 및 방전 전류가 기준 전류보다 작은지 판단하는 단계(S13)를 차례대로 수행한 후 현재 구간 파악 단계(S14)를 실시한다. 여기서 기준 전류는 배터리 팩의 용량이나 특성에 따라 변경될 수 있으며, 배터리 팩이 외부 로드와 연결되지 않고 개방전압(Open Circuit Voltage, OCV) 상태에 있는지 여부를 결정할 수 있는 전류이면 된다. 배터리 팩이 충방전 중이 아니고, 대기 중도 아니며, 기준 전류보다 큰 전류로 방전될 경우 셀의 밸런싱은 수행되지 않는다. 이는 로드가 연결되어 배터리 팩이 방전되는 경우에는 밸런싱이 수행되지 않도록 하기 위함이다. 각 판단 단계의 순서는 상기 순서로 한정되는 것은 아니며 다양한 순서로 이루어질 수 있다.
현재 구간 파악(S14)은 셀 밸런싱 구간인지 판단하는 단계이다. 구체적으로, 비평탄 구간인지 평탄 구간인지를 판단하는 단계이다. 비평탄 구간은 배터리 셀의 충전상태(State of Charge, SOC)에 대한 상기 배터리 셀의 개방 전압(OCV)의 변화가 기준값 이상인 구간으로 평탄 구간은 기준값 이하인 구간으로 정의할 수 있다. 소정치는 배터리 팩의 용량이나 특성에 따라 변경될 수 있다.
판단의 구체적인 방법은 셀의 전압 변화량을 일정 시간 동안 샘플링하여 전압 변화량이 기준값 이상인 구간은 비평탄화 구간으로 기준값 이하인 구간은 평탄화 구간으로 설정하는 방식으로 진행할 수 있다. 예를 들면 도 3의 밸런싱 타이밍도에 도시되어 있는 바와 같이 일정 샘플링 주기(1S)로 각 셀의 전압을 수회 샘플링하여 구간 판단을 실시한다. 샘플링 주기(1S)내에서의 전압 변화량이 기준값 이상이면 비평탄 구간으로 판단하고 전압 변화량이 기준값 이하이면 평탄 구간으로 판단한다. 예를 들면 기준값은 30mV로 설정할 수 있으나 이는 샘플링 구간의 시간 간격, 배터리 팩의 용량이나 특성에 따라 변경될 수 있다.
도 3에 예시되어 있는 바와 같이, 샘플링 주기(1S)는 샘플링 구간과 비샘플링 구간으로 구분될 수 있다. 샘플링 구간은 오프셋 샘플링 스테이지, 전압 샘플링 스테이지를 포함할 수 있다. 오프셋 샘플링 스테이지에서는 전압 감지 회로 등의 영점이 조정된다. 전압 샘플링 스테이지에서는 전압과 함께 배터리 팩의 온도도 함께 샘플링될 수 있다. 비샘플링 구간에서 이하에서 언급하는 밸런싱을 수행할 수도 있다. 그러나, 이는 일례에 불과하며 비샘플링 구간 없이 샘플링 구간 전체가 전압 샘플링 스테이지로 채워질 수도 있다. 이 경우에는 밸런싱을 위한 타이밍은 별도로 설계될 수 있다. 또한 샘플링의 부하를 줄이기 위해서 샘플링 주기(1S)의 시작점과 종단점 양단에서만 전압을 측정하고 전압 변화량을 구할 수도 있다. 그리고, 도면에서는 샘플링을 5회 반복 수행하는 것으로 예시하고 있으나 샘플링 반복 횟수는 이에 한정되는 것은 아니다. 시간이나 주기는 전압 감지 및 밸런싱 회로와 제어부의 특성에 따라 다양하게 조절될 수 있다.
이와는 달리 현재 구간 파악은 배터리 팩의 충방전 특성을 파악한 후, 셀의 OCV의 범위를 기준으로 판단할 수도 있다. 예를 들면, 배터리 팩의 충방전 특성 커브(OCV vs SOC(State of Charge))를 제1 구간, 상기 제1 구간의 전압 범위보다 높은 전압 범위인 제2 구간, 상기 제2 구간의 전압 범위보다 높은 전압 범위인 제3 구간으로 구분하고, 상기 제2 구간은 평탄 구간으로 나머지 제1 및 제3 구간은 비평탄 구간으로 지정한다. 예를 들면 도 4 및 도 5에 예시되어 있는 바와 같이 OCV가 2.5~3.1V와 3.5~3.7V인 구간은 비평탄 구간으로 3.1~3.5V인 구간은 평탄 구간으로 지정한다. 따라서 샘플링 주기별로 OCV를 측정하여 지정 범위와 비교하여 현재 구간을 파악할 수 있다. 언급된 구체적인 수치는 배터리 팩의 용량이나 충방전 특성에 따라 변경될 수 있다.
현재 구간 파악의 또 다른 방법으로는 배터리 팩의 충방전 특성을 파악한 후, 셀의 SOC의 범위를 기준으로 판단할 수도 있다. 예를 들면, 베터리 팩의 기지의 충방전 특성 커브(OCV vs SOC)를 제1 구간, 상기 제1 구간의 SOC보다 높은 범위인 제2 구간, 상기 제2 구간의 SOC보다 높은 범위인 제3 구간으로 구분하고, 상기 제2 구간은 평탄 구간으로 나머지 제1 및 제3 구간은 비평탄 구간으로 지정한다. 예를 들면 도 4 및 도 5에 예시되어 있는 바와 같이 SOC가 0~10%인 구간과 90~100%인 구간은 비평탄 구간으로 10~90%인 구간은 평탄 구간으로 지정한다. 따라서, 샘플링 주기별로 SOC를 측정하여 지정 범위와 비교하여 현재 구간을 파악할 수 있다. SOC의 측정은 화학적인 방법, 전압 측정 방법, 전류 적산 방법 또는 압력측정법 등과 같은 다양한 방법으로 진행될 수 있다. 언급된 구체적인 수치는 배터리 팩의 용량이나 충방전 특성에 따라 변경될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 밸런싱 조건 판단(S1) 결과 비평탄 구간인 경우와 평탄 구간인 경우 각각의 알고리즘(algorithm)이 달라진다. 비평탄 구간인 경우 셀간 불균형에 기초하여 밸런싱을 시작한다. 밸런싱 시작은 밸런싱 대상 셀 선택 단계(S2)로부터 시작된다. 밸런싱 대상 셀 선택 단계(S2)는 다수의 배터리 셀 중에서 최소 전압 셀을 제외한 적어도 하나의 셀을 선택하는 단계이다. 최소 전압 셀을 기준으로 전압이 높은 모든 셀들을 선택할 수도 있고, 최소 전압 셀 대비 기준 전압차 이상의 전압 차이를 나타내는 셀들을 선택할 수도 있다. 예를 들면, 셀의 전압 차이가 대략 10~20mV, 일례로 대략 15mV보다 큰지 작은지 판단하여 이루어질 수도 있다.
밸런싱 대상 셀 선택 단계(S2)는 다수의 배터리 셀 중에서 최소 용량 셀을 제외한 적어도 하나의 셀을 선택하는 방식으로 진행될 수도 있다. 최소 용량 셀을 기준으로 용량이 높은 모든 셀들을 선택할 수도 있고, 최소 전압 용량 셀 대비 기준 용량차 이상의 용량 차이를 나타내는 셀들을 선택할 수도 있다. 예를 들면, 셀의 용량 차이가 대략 15~45mAh, 일례로 대략 30mAh보다 큰지 작은지 판단하여 이루어질 수도 있다. 언급된 구체적인 수치는 배터리 팩의 용량이나 충방전 특성에 따라 변경될 수 있다.
이어서, 밸런싱 시간을 계산(S3)한다. 선택된 셀들의 최소 전압 셀과의 전압 차이 또는 최소 용량 셀과의 용량 차이에 기초하여 최소 전압 셀 또는 최소 용량 셀과 같은 전압 또는 용량이 될 수 있도록 밸런싱 시간을 계산한다. 예를 들면 하기 수학식을 이용하여 필요 밸런싱 시간이 계산될 수 있다.
밸런싱 시간=용량 차이/밸런싱 전류
계속해서 밸런싱 동작 단계(S4)에서는 선택된 배터리 셀 또는 배터리 셀들에 계산된 밸런싱 시간 동안 소정 밸런싱 전류가 흐르도록 한다. 즉, 선택된 배터리 셀 또는 배터리 셀들을 계산된 밸런싱 시간 동안 방전하여 선택된 배터리 셀 또는 배터리 셀들의 잔존 전압 또는 용량이 최소 전압 또는 용량과 동일해지도록 한다.
도 3에 예시되어 있는 바와 같이, 이러한 밸런싱 동작 단계(S4)는 연속적으로 수행되는 것이 아니라, 일정 밸런싱 주기(1B)로 반복적으로 진행될 수 있다. 밸런싱 주기(1B)는 밸런싱 조건 판단을 위한 샘플링 주기(1S)보다 짧은 주기로 진행될 수 있다.
도 3에 예시되어 있는 바와 같이, 각 밸런싱 주기(1B)별로 오프셋 샘플링 스테이지, 온도 및 전압 샘플링 스테이지로 이루어진 노 밸런싱(No Balancing) 구간과, 배터리 셀을 실제로 방전하는 밸런싱(Balancing) 구간을 포함할 수 있다.
오프셋 샘플링 스테이지에서는 전압 감지 회로 등의 영점이 조정된다. 온도 및 전압 샘플링 스테이지에서는 배터리 팩의 온도와 각 배터리 셀의 전압을 샘플링하여 밸런싱 동작 단계(S4) 중 로드, 예컨대 휴대용 전동공구가 작동되는지 여부를 판단한다.
로드가 연결되어 배터리 팩이 방전되는 경우에는 배터리 밸런싱 동작 단계(S4)를 정지하여 안정적인 배터리 팩의 출력을 도모하여야 한다. 물론, 이러한 배터리 팩의 방전이 완료되면 밸런싱 동작 단계(S4)가 다시 수행된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런싱 방법에서는 밸런싱 조건 판단시 배터리 셀을 밸런싱하기로 결정하였다면 밸런싱 상태를 다음 샘플링 주기(1S)가 올 때까지 유지한다. 비록 각 밸런싱 주기(1B) 별로 노밸런싱 구간과 밸런싱 구간이 계속 반복되기는 하지만 이는 미리 계산된 밸런싱 조건하에서 반복하여 수행될 뿐이다. 물론, 밸런싱 동작 단계(S4)가 반복되다가, 다음 샘플링 주기(1S)가 오면 다시 밸런싱 조건 판단 단계(S1)가 시작된다. 샘플링 주기(1S)와 밸런싱 주기(1B)는 배터리 팩의 용량이나 충방전 특성, 전압 감지 및 밸런싱 회로(20) 또는 제어부(30)의 특성에 따라 다양하게 조절될 수 있다.
한편, 밸런싱 조건 판단(S1) 결과 평탄 구간인 경우에는 비평탄 구간에서 설정된 밸런싱 동작을 유지할 수 있도록 알고리즘이 설정된다. 도 3에 예시되어 있는 바와 같이, 먼저 밸런싱 시간 설정 판단 단계(S5)를 수행한다. 밸런싱 시간은 이전 비평탄화 단계에서 밸런싱 시간 계산 단계(S3)가 수행된 경우에만 존재한다. 즉, 이전 주기에서 밸런싱 시간 계산 단계(S3)가 수행된 경우 밸런싱 시간(방전 시간)이 메모리에 저장되며, 제어부는 상기 메모리에 저장된 밸런싱 시간을 읽어 내어 밸런싱 시간이 설정되어 있는지를 확인할 수 있다. 물론, 최초로 본 발명에 따른 배터리 셀의 방법이 수행될 경우 밸런싱 시간 설정 판단 단계(S5)에서 상기 밸런싱 시간은 존재하지 않기 때문에, 본 발명에 따른 배터리 셀의 밸런싱은 바로 종료된다.
이어서, 밸런싱 시간 비교 판단 단계(S6)는 배터리 셀의 밸런싱 누적 시간이 미리 설정된 밸런싱 시간 보다 작은지 판단하여 이루어진다. 누적 시간이 밸런싱 시간 계산 단계(S3)에서 계산된 밸런싱 시간보다 작으면 밸런싱 동작 단계(S4)가 수행된다. 누적 시간이 미리 설정된 밸런싱 시간과 같거나 크면, 밸런싱은 바로 종료된다.
밸런싱 시간 설정 판단 단계(S5) 및 밸런싱 시간 비교 판단 단계(S6)에서 각각 "아니오"로 판단된 경우, 본 발명에 따른 배터리 셀의 밸런싱은 다음 주기의 밸런싱 조건 판단 단계(S1) 전까지 종료 상태를 유지한다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 팩의 밸런싱 방법이 적용될 수 있는 밸런싱 시스템(600)을 나타내는 개략도이다. 밸런싱 시스템(600)은 다수의 셀로 이루어진 배터리(610), 전압 감지 및 밸런싱 회로(620) 및 제어부(630)를 포함한다. 도 6에서는 설명의 편의를 위해 배터리(610)의 다수 셀 중 세 개의 셀 만을 예시하였다.
셀밸런싱부(621)는 방전 저항(DR1~DR3)과 셀 밸런싱 스위치(DSW1~DSW3)를 포함한다. 각각의 방전 저항(DR1~DR3)과 셀 밸런싱 스위치(DSW1~DSW3)는 각 셀(CELL1~3)의 일단과 타단 사이에 직렬 연결되어 있다. 여기서, 셀 밸런싱 스위치(DSW1~DSW3)는 제어부(630)로부터 출력된 방전 제어신호(DC)에 따라 온/오프된다.
라인 저항(LR1~LR4)는 셀(CELL1~3)의 일단과 방전 저항(DR1~DR3) 사이에 위치한 전선의 내부 저항을 나타낸 것이고, 라인 저항(LR5, LR6)은 제1 출력단(H)과 제1 릴레이부(623) 사이 및 제2 출력단(L)과 제1 릴레이부(623) 사이에 위치한 전선의 내부 저항을 각각 나타낸 것이다.
셀 선택부(622)는 복수의 셀 선택 스위치(SH1~SH4, SL1~SL4)를 포함한다. 복수의 셀 선택 스위치(SH1~SH4, SL1~SL4)는 제어부(630)로부터 출력된 선택 제어신호(CS)에 따라 온/오프된다. 예를 들어 첫번째 셀(CELL1) 선택이 필요한 경우 연결 제어신호(SC)는 셀 선택 스위치(SH1, SL2)를 턴 온시킨다. 그러면, 제1 출력단(H)과 제2 출력단(L)은 셀(CELL1)의 양단에 각각 연결된다.
제1 릴레이부(623)는 제어부(630)로부터 출력된 계측 제어신호(MC)에 따라 해당 셀(CELL1~CELL3)에 저장된 전압을 캐패시터(C1)로 전달한다. 제2 릴레이부(624)는 제어부(630)로부터 출력된 연결 제어신호(CC)에 따라 캐패시터(C1)에 저장된 전압을 차동증폭부(625)로 전달한다.
캐패시터(C1)는 제1 출력단(H) 및 제2 출력단(L) 사이에 연결되어 있다. 차동증폭부(625)는 캐패시터(C1)로부터 전달된 전압을 하나 이상의 저항체의 저항비에 대응하는 게인(gain)에 따라 증폭하여 출력전압을 생성하고, 생성된 출력전압을 A/D 컨버터(626)로 전달한다.
A/D 컨버터(626)는 차동증폭부(625)로부터 전달된 출력전압을 제어부(630)가 인식할 수 있도록 변환하여 제어부(630)로 전달한다.
제어부(630)는 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 밸런싱 방법을 수행하기 위해서 A/D 컨버터(626)로부터 전달받은 결과에 따라 밸런싱 조건을 판단(S1)하는 수단, 밸런싱 대상 셀을 선택(S2)하는 수단, 밸런싱 시간을 계산(S3)하는 수단, 셀 밸런싱 동작(S4) 수행 수단, 밸런싱 시간 설정 여부를 판단(S5)하는 수단 및 밸런싱 시간을 비교 판단(S6)하는 수단을 포함할 수 있다. 밸런싱 조건을 판단(S1)하는 수단은 배터리 팩이 충방전 중인지, 대기 중인지 기준 전류보다 큰 전류로 방전되는지를 판단(S11, S12, S13)하는 수단과 함께, 현재 구간이 어느 구간인지 판단(S14)하는 수단을 함께 구비한다. 현재 구간이 어느 구간인지 판단(S14)하는 수단은 다수의 배터리 셀들의 충방전시 셀들의 전압 변화량을 샘플링하여 현재 구간이 전압 변화량이 일정 기준값 이상인 비평탄 구간인지 구분하는 수단일 수 있다. 또, 현재 구간이 어느 구간인지 판단(S14)하는 수단은 다수의 배터리 셀들의 충방전 특성 커브를 제1 구간, 상기 제1 구간의 전압 범위보다 높은 전압 범위인 제2 구간, 상기 제2 구간의 전압 범위보다 높은 전압 범위인 제3 구간으로 구분하되 상기 제2 구간은 평탄 구간으로 나머지 제1 및 제3 구간은 비평탄 구간으로 지정한 기준 구간 저장부와, 측정된 셀들의 전압과 기준 구간을 비교하여 현재 구간이 비평탄 구간인지 평탄 구간인지 구분하는 수단일 수 있다. 또 현재 구간이 어느 구간인지 판단(S14)하는 수단은 다수의 배터리 셀들의 충방전 특성 커브를 제1 구간, 상기 제1 구간의 SOC보다 높은 범위인 제2 구간, 상기 제2 구간의 SOC보다 높은 범위인 제3 구간으로 구분하고, 상기 제2 구간은 평탄 구간으로 나머지 제1 및 제3 구간은 비평탄 구간으로 지정한 지정 구간 저장부와, 측정된 셀들의 용량과 기준 구간을 비교하여 현재 구간이 비평탄 구간인지 평탄 구간인지 구분하는 수단일 수 있다. 셀 밸런싱 동작 수행 수단은 셀 밸런싱 스위치(DSW1~DSW3)의 턴-온을 제어하는 방전 제어신호(DC)를 생성하는 수단일 수 있다. 예를 들어 두번째 셀(CELL2)이 셀 밸런싱이 필요한 경우 방전 제어신호(DC)는 셀 밸런싱 스위치(DSW2)를 턴-온시킨다. 그러면, 셀(CELL2)은 방전 저항(DR2)과 셀 밸런싱 스위치(DSW2)에 의해 형성된 밸런싱 전류 경로를 따라 흐르는 전류에 의해 방전된다. 또한, 셀 밸런싱을 유지하고자 할 경우에는 셀 밸런싱 스위치(DSW2)의 턴 온 상태를 유지시켜 밸런싱 전류 경로를 유지시킬 수 있는 방전 제어신호(DC)를 생성한다.
이상 설명한 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예들에서는 밸런싱 대상 셀을 방전시켜 밸런싱을 수행하는 방법에 대해서 설명하였으나, 동일한 알고리즘이 밸런싱 대상 셀을 충전시키는 경우에도 그대로 적용될 수 있다. 충전 방식으로 밸런싱하는 경우에는 최대 전압 또는 최대 용량 셀을 기준으로 밸런싱 대상 셀을 선택하고 전압 차이 또는 용량 차이에 근거하여 밸런싱 시간, 즉 충전시간을 설정할 수 있다. 선택된 셀에는 외부 전원으로부터 충전전류를 입력하거나 충전 상태가 높은 다른 배터리 셀로부터 충전전류를 입력받을 수 있다. 외부 전원은 DC to DC 컨버터일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
평탄화 구간에서는 셀간 전압의 차가 그다지 크지 않기 때문에 평탄화 구간에서 셀간 전압의 차를 측정하여 이 값이 기준값, 예컨대 10mV보다 클 경우 밸런싱을 하도록 하면 정확한 밸런싱 셀을 선택하기가 어려울 뿐만 아니라 밸런싱 효율이 낮다. 즉, 비평탄화 구간에 비해 상대적으로 긴 구간인 평탄화 구간에서 셀간 전압 차를 지속적으로 추적(tracking)해야 하는 부담이 클 뿐만 아니라 밸런싱 효율 또한 낮다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따르면, 셀간 전압 차이 또는 용량 차이가 많이 발생하는 충방전 커브의 초기 또는 말기와 같은 비평탄화 구간에서 밸런싱 대상 셀을 선택하고 밸런싱 조건을 결정하여 밸런싱 동작을 개시하기 때문에 밸런싱 셀을 정확하고 용이하게 선택할 수 있다. 또한 평탄화 구간에서도 비평탄화 구간에서 결정된 밸런싱 동작을 지속시키기 때문에 충분한 밸런싱 시간을 확보할 수 있어서 충전 종료 후 밸런싱 동작을 실시하는 종래의 경우에 비해 적정 밸런싱 전류를 사용할 수 있다. 따라서, 배터리 팩에 손상을 주지 않을 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
S1: 밸런싱 조건 판단 단계 S2: 밸런싱 대상 셀 선택 단계
S3: 밸런싱 시간 계산 단계 S4: 밸런싱 동작 단계
S5: 밸런싱 시간 설정 판단 단계 S6: 밸런싱 시간 비교 판단 단계

Claims (10)

  1. 다수의 배터리 셀들의 충방전시 현재 구간이 상기 배터리 셀의 충전 상태에 대한 상기 배터리 셀의 개방 전압의 변화가 소정치 이상인 비평탄 구간인지 소정치 이하인 평탄 구간인지 판단하는 단계;
    상기 비평탄 구간에 상기 다수의 배터리 셀들이 속하는 경우 상기 다수의 배터리 셀간의 불균형에 기초하여 밸런싱을 시작하는 단계; 및
    상기 평탄 구간에 상기 다수의 배터리 셀들이 속하는 경우 상기 다수의 셀들의 밸런싱 누적 시간이 설정된 밸런싱 시간보다 작은 경우 상기 밸런싱을 유지하는 단계를 포함하되,
    상기 비평탄 구간인지 평탄 구간인지 판단하는 단계는,
    상기 다수의 배터리 셀들의 충방전시 셀들의 전압 변화량을 샘플링하여 전압 변화량이 일정 기준값 이상이면 비평탄 구간으로, 상기 일정 기준값 이하이면 평탄 구간으로 판단하고,
    상기 밸런싱을 시작하는 단계는,
    상기 비평탄 구간인 경우 상기 다수의 배터리 셀 중에서 최소 전압 또는 최소 용량 셀을 제외한 적어도 하나의 셀을 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 셀들의 상기 최소 전압 셀과의 전압 차이 또는 상기 최소 용량 셀과의 용량 차이에 기초하여 밸런싱 시간을 계산하여 상기 밸런싱을 시작하는 단계를 포함하는 배터리 팩의 밸런싱 방법.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서, 상기 밸런싱을 유지하는 단계는
    상기 밸런싱 시간이 설정되어 있는지를 판단하는 단계; 및
    상기 밸런싱 시간이 설정되어 있는 경우, 상기 밸런싱 누적 시간이 상기 설정된 밸런싱 시간보다 작은지 판단하는 단계를 더 포함하는 배터리 팩의 밸런싱 방법.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서, 상기 비평탄 구간인지 평탄 구간인지 판단하는 단계는
    상기 다수의 배터리 셀들의 충방전 특성 커브를 제1 구간, 상기 제1 구간의 전압 범위보다 높은 전압 범위인 제2 구간, 상기 제2 구간의 전압 범위보다 높은 전압 범위인 제3 구간으로 구분하되 상기 제2 구간은 평탄 구간으로 나머지 제1 및 제3 구간은 비평탄 구간으로 지정하고, 다수의 배터리 셀들의 충방전시 셀들의 전압을 측정하여 현재 구간이 상기 비평탄 구간인지 상기 평탄 구간인지 구분하는 단계인 배터리 팩의 밸런싱 방법.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 비평탄 구간인지 평탄 구간인지 판단하는 단계는 상기 다수의 배터리 셀들의 충방전 특성 커브를 제1 구간, 상기 제1 구간의 SOC보다 높은 범위인 제2 구간, 상기 제2 구간의 SOC보다 높은 범위인 제3 구간으로 구분하고, 상기 제2 구간은 평탄 구간으로 나머지 제1 및 제3 구간은 비평탄 구간으로 지정하고, 다수의 배터리 셀들의 충방전시 셀들의 용량을 측정하여 현재 구간이 비평탄 구간인지 평탄 구간인지 구분하는 단계인 배터리 팩의 밸런싱 방법.
  7. 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩의 상기 각 배터리 셀의 전압을 측정하고 각 배터리 셀의 밸런싱 전류 경로를 제공하는 전압 감지 및 밸런싱 회로; 및
    상기 다수의 배터리 셀들의 충방전시 현재 구간이 상기 배터리 셀의 충전 상태에 대한 상기 배터리 셀의 개방 전압의 변화가 소정치 이상인 비평탄 구간인지 소정치 이하인 평탄 구간인지 판단하는 수단, 상기 비평탄 구간인 경우 상기 다수의 배터리 셀 중에서 최소 전압 또는 최소 용량 셀을 제외한 적어도 하나의 셀을 선택하는 수단, 상기 선택된 셀들의 상기 최소 전압 셀과의 전압 차이 또는 상기 최소 용량 셀과의 용량 차이에 기초하여 밸런싱 시간을 계산하는 수단, 상기 평탄 구간인 경우 밸런싱 시간 설정 여부를 판단하는 수단, 상기 평탄 구간인 경우 밸런싱 시간을 비교 판단하는 수단과 셀 밸런싱 동작 수행 수단을 포함하는 제어부를 포함하되,
    상기 비평탄 구간인지 평탄 구간인지 판단하는 수단은,
    상기 다수의 배터리 셀들의 충방전시 셀들의 전압 변화량을 샘플링하여 전압 변화량이 일정 기준값 이상이면 비평탄 구간으로, 상기 일정 기준값 이하이면 평탄 구간으로 판단하는 배터리 팩의 밸런싱 시스템.
  8. 삭제
  9. 제7 항에 있어서, 상기 비평탄 구간인지 평탄 구간인지 판단하는 수단은 상기 다수의 배터리 셀들의 충방전 특성 커브를 제1 구간, 상기 제1 구간의 전압 범위보다 높은 전압 범위인 제2 구간, 상기 제2 구간의 전압 범위보다 높은 전압 범위인 제3 구간으로 구분하되 상기 제2 구간은 평탄 구간으로 나머지 제1 및 제3 구간은 비평탄 구간으로 지정한 기준 구간 저장부를 포함하는 수단인 배터리 팩의 밸런싱 시스템.
  10. 제7 항에 있어서, 상기 비평탄 구간인지 평탄 구간인지 판단하는 수단은 상기 다수의 배터리 셀들의 충방전 특성 커브를 제1 구간, 상기 제1 구간의 SOC보다 높은 범위인 제2 구간, 상기 제2 구간의 SOC보다 높은 범위인 제3 구간으로 구분하고, 상기 제2 구간은 평탄 구간으로 나머지 제1 및 제3 구간은 비평탄 구간으로 지정한 지정 구간 저장부를 포함하는 수단인 배터리 팩의 밸런싱 시스템.
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