KR102453917B1

KR102453917B1 - Battery balancing apparatus and method using constant current

Info

Publication number: KR102453917B1
Application number: KR1020220020745A
Authority: KR
Inventors: 최원호
Original assignee: 주식회사 크레스트
Priority date: 2022-02-17
Filing date: 2022-02-17
Publication date: 2022-10-12
Anticipated expiration: 2042-02-17

Abstract

본 발명은 다수의 배터리 셀을 직, 병렬로 결합하여 제작되는 배터리 팩 혹은 배터리 모듈 내에서 셀 간 보유 충전량(SOC, State Of Charge)의 편차가 발생하였을 때 정전류를 이용하여 배터리 밸런싱을 실행하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치는, 배터리 모듈을 구성하는 복수의 배터리 셀의 충전량을 감지하고, 정전류를 이용하여 배터리 셀의 충전량을 제어하는 배터리 밸런싱 장치로서, 상기 복수의 배터리 셀 간의 SOC 편차가 기준 편차를 이탈하면, SOC 값이 작은 배터리 셀에 대해 정전류로 충전 지속시간 동안 충전되도록 제어하는 하나의 충전 제어부; 상기 복수의 배터리 셀 간의 SOC 편차가 기준 편차를 이탈하면, SOC 값이 큰 배터리 셀에 대해 정전류로 방전 지속시간 동안 방전되도록 제어하는 하나의 방전 제어부; 상기 하나의 충전 제어부와 상기 하나의 방전 제어부의 제어에 따른 전류 크기를 갖는 정전류로 변환하는 충전용 DC/DC 컨버터와 방전용 DC/DC 컨버터; 및 상기 복수의 배터리 셀 중 목표 배터리 셀로 상기 정전류를 소정 지속시간 동안 충방전 하기 위해 상기 하나의 충전 제어부 또는 상기 하나의 방전 제어부의 제어에 따라 상기 목표 배터리 셀에 대해 충전 또는 방전이 실행되도록 전류 경로를 변경시키는 스위칭부;를 포함하고, 상기 충전 지속시간은 충전되는 정전류의 크기에 기반하여 산출되며, 상기 방전 지속시간은 방전되는 정전류의 크기에 기반하여 산출되고, 상기 하나의 충전 제어부와 상기 하나의 방전 제어부는 별개로 구성되며, 상기 하나의 방전 제어부는, 전체 배터리 셀에 대해 상기 스위칭부의 동작을 제어하여 방전이 필요한 상기 목표 배터리 셀에 대해서만 방전용 DC/DC 컨버터로 연결시키며, 상기 방전용 DC/DC 컨버터가 제1 정전류로 방전을 실행하도록 제어하고, 상기 하나의 충전 제어부는, 전체 배터리 셀에 대해 상기 스위칭부의 동작을 제어하여 충전이 필요한 상기 목표 배터리 셀에 대해서만 충전용 DC/DC 컨버터로 연결시키며, 상기 충전용 DC/DC 컨버터가 상기 제1 정전류를 제2 정전류로 변환하여 충전을 실행하도록 제어하고, 상기 방전용 DC/DC 컨버터의 출력단은 상기 충전용 DC/DC 컨버터의 입력단에 연결되며, 상기 방전용 DC/DC 컨버터에서 출력되는 제1 정전류가 상기 충전용 DC/DC 컨버터로 입력되어 제2 정전류로 변환된다.The present invention provides an apparatus for balancing batteries using a constant current when a deviation in the state of charge (SOC) between cells occurs in a battery pack or battery module manufactured by combining a plurality of battery cells in series or parallel. and methods. A battery balancing device according to an embodiment of the present invention is a battery balancing device that detects the amount of charge of a plurality of battery cells constituting a battery module and controls the amount of charge of the battery cells using a constant current, between the plurality of battery cells. When the SOC deviation deviates from the reference deviation, a charging control unit for controlling the battery cell having a small SOC value to be charged with a constant current for a charging duration; a single discharge control unit configured to control a battery cell having a large SOC value to be discharged at a constant current for a discharge duration when the SOC deviation between the plurality of battery cells deviates from a reference deviation; a DC/DC converter for charging and a DC/DC converter for discharging for converting into a constant current having a current magnitude according to the control of the one charging control unit and the one discharging control unit; and a current path such that charging or discharging is performed on the target battery cell according to the control of the one charging control unit or the one discharging control unit in order to charge/discharge the constant current to the target battery cell among the plurality of battery cells for a predetermined duration. a switching unit for changing The discharge control unit is configured separately, and the single discharge control unit controls the operation of the switching unit for all battery cells to connect only the target battery cells requiring discharge to the DC/DC converter for discharging, Controls the DC/DC converter to discharge with a first constant current, and the one charge control unit controls the operation of the switching unit for all battery cells to charge only the target battery cells requiring charging. is connected to, and the DC/DC converter for charging converts the first constant current into a second constant current to perform charging, and the output terminal of the DC/DC converter for discharging is connected to the input terminal of the DC/DC converter for charging. connected, and a first constant current output from the DC/DC converter for discharging is input to the DC/DC converter for charging and is converted into a second constant current.

Description

Battery balancing device and method using constant current {BATTERY BALANCING APPARATUS AND METHOD USING CONSTANT CURRENT}

본 발명은 다수의 배터리 셀을 직, 병렬로 결합하여 제작되는 배터리 팩 혹은 배터리 모듈 내에서 셀 간 보유 충전량(SOC, State Of Charge)의 편차가 발생하였을 때 정전류를 이용하여 배터리 밸런싱을 실행하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 목표 배터리 셀의 에너지를 다른 배터리 셀로 이동시킬 때 소정 크기의 전류로 에너지를 전달하도록 하여 에너지 이동량을 정확히 알 수 있고, 동시에 밸런싱 도중에도 셀 전압 측정 오차율을 변동없이 유지할 수 있으며, 배터리 팩 혹은 모듈이 충방전하는 도중에도 밸런싱을 실행할 수 있는 정전류를 이용한 배터리 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention provides an apparatus for balancing batteries using a constant current when a deviation in the state of charge (SOC) between cells occurs in a battery pack or battery module manufactured by combining a plurality of battery cells in series or parallel. and a method, in particular, when the energy of a target battery cell is transferred to another battery cell, the energy is transferred as a current of a predetermined size so that the energy transfer amount can be accurately known, and at the same time, the cell voltage measurement error rate is maintained without fluctuation even during balancing. It relates to a battery balancing apparatus and method using a constant current that can perform balancing even while a battery pack or module is charging and discharging.

복수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 배터리에 대하여 배터리 셀 간의 충전량 차이가 발생한 경우 이를 균등하게 하기 위한 회로를 밸런싱 회로라 하며 크게 패시브 방식과 액티브 방식으로 구분된다. A circuit for equalizing a difference in the amount of charge between battery cells in a battery in which a plurality of battery cells are connected in series is called a balancing circuit, and is largely divided into a passive method and an active method.

여기서, 충전량 차이가 발생한 셀을 저항을 통하여 방전시켜 균등화를 달성하는 방식을 패시브 밸런싱이라고 하며, 충전량 차이가 발생한 셀의 에너지를 다른 셀로 혹은 그 반대방향으로 서로 이동시키는 형태로 균등화를 달성화는 방식을 액티브 밸런싱이라고 한다. Here, a method of achieving equalization by discharging cells with a difference in charge amount through a resistor is called passive balancing, and a method of achieving equalization by moving the energy of cells with a difference in charge amount to another cell or in the opposite direction. is called active balancing.

본래 밸런싱 동작의 목표는 배터리 셀 간의 SOC를 편차없이 유지하는 것인데, 종래 기술의 경우, 그 구현의 편의성을 이유로 배터리 셀 간 전압 편차를 기준으로 균등화 하는 방식을 많이 사용하였다. The original goal of the balancing operation is to maintain the SOC between battery cells without deviation. In the case of the prior art, a method of equalizing the voltage deviation between battery cells based on the voltage deviation between the battery cells is widely used for the convenience of implementation.

도 1은 종래의 액티브 밸런싱 회로를 도시하는 도면이며, 도 2는 배터리 셀의 등가회로 모델을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a conventional active balancing circuit, and FIG. 2 is a diagram illustrating an equivalent circuit model of a battery cell.

도 1을 참조하면, 종래의 액티브 밸런싱 회로는 배터리 셀(10) 간 에너지 이동량을 측정하거나 예측할 수 없어 통상적으로 회로의 동작 후 나타나는 배터리 셀(10)의 전압변화 응답을 피드백(Feedback) 받아 이동량을 확인하는 폐쇄 루프(Closed Loop) 형태의 밸런싱 제어 방식을 사용한다. Referring to FIG. 1 , the conventional active balancing circuit cannot measure or predict the amount of energy transfer between battery cells 10 , so the voltage change response of the battery cell 10 that appears after the circuit is normally operated is fed back to measure the amount of movement. A closed loop type balancing control method is used.

그러나 배터리 셀(10)의 전압 응답은 대단히 느리며 이동 전력이 클수록 응답의 정밀도와 필요시간 간의 비례성이 높아진다. 따라서 종래의 밸런싱 회로를 사용하면 밸런싱 정밀도와 밸런싱 속도 및 밸런싱 전력(이동 전력)은 서로 반비례 관계를 가진다는 단점이 존재한다.However, the voltage response of the battery cell 10 is very slow, and the greater the moving power, the higher the proportionality between the precision of the response and the required time. Therefore, when the conventional balancing circuit is used, there is a disadvantage that the balancing precision, the balancing speed, and the balancing power (moving power) have an inverse relationship with each other.

구체적으로, 도 1에서 충전량이 작은 배터리 셀(10b)에 다른 배터리 셀들의 충전 전력은 절연형 DC/DC 컨버터(30b)를 통하여 제공된다. 통상적으로 밸런스를 수행하고 동시에 배터리 셀(10)의 전압을 측정하는 지점은 동일하며, 도면에서 A, B, C, D, E의 지점을 의미한다. Specifically, in FIG. 1 , charging power of other battery cells to the battery cell 10b having a small amount of charge is provided through the insulated DC/DC converter 30b. In general, the points at which the balance is performed and the voltage of the battery cell 10 are measured at the same time are the same, and refer to points A, B, C, D, and E in the drawing.

밸런싱 동작이 수행되면 도 1에 표시된 전류 경로(CP)에 걸친 모든 전선 임피던스들(R_b, R_c)에 절연형 DC/DC 컨버터(30b)가 출력하는 밸런싱 전류에 의한 전압이 형성되고, 이 전압이 배터리 셀 전압과 결합되어 배터리 셀(10b)의 전압을 측정하는 지점의 전압(V_C-B)은 이로 인하여 오차가 커지는 현상이 발생한다. When the balancing operation is performed, a voltage by the balancing current output from the insulated DC/DC converter 30b is formed in all the wire impedances R _b , R _c across the current path CP shown in FIG. 1 , and this The voltage V _CB at the point at which the voltage is combined with the battery cell voltage to measure the voltage of the battery cell 10b has a large error due to this.

따라서, 종래의 밸런싱 회로를 활용할 경우 밸런싱 완료시점을 판단하기 더욱 어려워진다.Therefore, when using the conventional balancing circuit, it becomes more difficult to determine the balancing completion time.

또한, 도 1과 같은 종래의 액티브 밸런싱 회로는 절연형 DC/DC 컨버터들(30)을 활용하는데 회로 단순화를 위하여 2차측 피드백(Feedback) 회로 없이 개방 루프 제어(Open Loop Control) 방식으로 DC/DC 컨버터들(30)을 구동시키는 것이 보통이므로, 출력 전류를 제어할 수 없게 되어 에너지의 이동량을 직접적으로 확인할 수 없다. In addition, the conventional active balancing circuit as shown in FIG. 1 utilizes the isolated DC/DC converters 30. For circuit simplification, DC/DC in an Open Loop Control method without a secondary-side feedback circuit. Since it is normal to drive the converters 30 , the output current cannot be controlled, so that the amount of energy transfer cannot be directly checked.

따라서, 밸런스 정도를 확인하기 위해서는 직접적으로 충전량과 관련이 있는 물리량인 도 2에서의 V_OC를 통하여 에너지의 이동량을 추산하여야 한다. Therefore, in order to confirm the degree of balance, it is necessary to estimate the amount of energy transfer through V _OC in FIG. 2 , which is a physical quantity directly related to the amount of charge.

그러나 측정이 가능한 전압은 Vt로 표시된 전지전압이므로, V_OC를 측정하기 위해서는 셀 내부 임피던스들에 영향을 받지 않도록 셀의 전류를 0인 상태로 하여 R_S, R_P의 영향을 제거하고, C_P를 완전히 방전시킨 후 V_OC를 측정해야 한다. However, since the measurable voltage is the battery voltage expressed in Vt, in order to measure V _OC , the current of the cell is set to 0 so as not to be affected by the cell internal impedances, the influence of R _S , R _P is removed, and C _P After fully discharging, V _OC should be measured.

여기서, C_P는 배터리 셀의 종류에 따라 방전시간이 수십분에서 수백분정도 필요하게 되어 에너지 이동량을 확인하여 피드백(Feedback) 하기까지 매우 오랜 시간이 걸린다.Here, _CP requires a discharge time of several tens to hundreds of minutes depending on the type of battery cell, so it takes a very long time to check the amount of energy transfer and provide feedback.

즉, 에너지 이동량을 알기 어려운 종래의 액티브 밸런싱 회로를 활용하면 밸런싱 대상 셀의 충전 혹은 방전의 종료 시점 즉, 밸런싱 동작의 종료 시점을 결정하거나 그 다음 밸런싱 대상 셀을 선별하는데에 매우 복잡한 과정과 시간이 소요된다. That is, if the conventional active balancing circuit in which it is difficult to know the amount of energy transfer is used, a very complicated process and time is required to determine the end time of the charging or discharging of the balancing target cell, that is, the end time of the balancing operation or selecting the next balancing target cell. It takes

상기 원인에 의한 복잡도 증가와 속도 저하는 비용의 상승과 성능 저하를 의미하며, 이 점이 산업계 현장에서 액티브 밸런싱 기술을 적용하지 못하는 주요한 이유가 되고 있다. An increase in complexity and a decrease in speed due to the above causes mean an increase in cost and a decrease in performance, which is the main reason why the active balancing technology cannot be applied in the industrial field.

따라서, 배터리 셀 전압을 기준으로 하지 않고, 배터리 셀의 SOC를 추정하여 이를 근거로 밸런싱을 수행하는 방법에 대한 연구 개발의 필요성이 있다. Therefore, there is a need for research and development on a method of estimating the SOC of a battery cell and performing balancing based on the battery cell voltage as a reference.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 복수의 배터리 셀의 SOC 값을 추정하고, 복수의 배터리 셀 간 발생하는 SOC 편차에 대해 정전류를 이용하여 정밀하게 밸런싱을 실행할 수 있는 배터리 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것이다. The present invention was created in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to estimate the SOC values of a plurality of battery cells, and to accurately balance the SOC deviations occurring between the plurality of battery cells by using a constant current. It is to provide a battery balancing apparatus and method.

또한, 본 발명의 목적은 충전 제어부와 방전 제어부를 통해 정전류가 충방전되는 지속시간을 산출하여, 목표 배터리 셀에 적용함으로써, 배터리 셀의 SOC 값을 신속하고 용이하게 제어할 수 있는 배터리 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것이다. In addition, an object of the present invention is a battery balancing device capable of quickly and easily controlling the SOC value of a battery cell by calculating the duration for which the constant current is charged and discharged through the charging control unit and the discharging control unit and applying it to a target battery cell, and to provide a way

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치는, 배터리 모듈을 구성하는 복수의 배터리 셀의 충전량을 감지하고, 정전류를 이용하여 배터리 셀의 충전량을 제어하는 배터리 밸런싱 장치로서, 상기 복수의 배터리 셀 간의 SOC 편차가 기준 편차를 이탈하면, SOC 값이 작은 배터리 셀에 대해 정전류로 충전 지속시간 동안 충전되도록 제어하는 하나의 충전 제어부; 상기 복수의 배터리 셀 간의 SOC 편차가 기준 편차를 이탈하면, SOC 값이 큰 배터리 셀에 대해 정전류로 방전 지속시간 동안 방전되도록 제어하는 하나의 방전 제어부; 상기 하나의 충전 제어부와 상기 하나의 방전 제어부의 제어에 따른 전류 크기를 갖는 정전류로 변환하는 충전용 DC/DC 컨버터와 방전용 DC/DC 컨버터; 및 상기 복수의 배터리 셀 중 목표 배터리 셀로 상기 정전류를 소정 지속시간 동안 충방전 하기 위해 상기 하나의 충전 제어부 또는 상기 하나의 방전 제어부의 제어에 따라 상기 목표 배터리 셀에 대해 충전 또는 방전이 실행되도록 전류 경로를 변경시키는 스위칭부;를 포함하고, 상기 충전 지속시간은 충전되는 정전류의 크기에 기반하여 산출되며, 상기 방전 지속시간은 방전되는 정전류의 크기에 기반하여 산출되고, 상기 하나의 충전 제어부와 상기 하나의 방전 제어부는 별개로 구성되며, 상기 하나의 방전 제어부는, 전체 배터리 셀에 대해 상기 스위칭부의 동작을 제어하여 방전이 필요한 상기 목표 배터리 셀에 대해서만 방전용 DC/DC 컨버터로 연결시키며, 상기 방전용 DC/DC 컨버터가 제1 정전류로 방전을 실행하도록 제어하고, 상기 하나의 충전 제어부는, 전체 배터리 셀에 대해 상기 스위칭부의 동작을 제어하여 충전이 필요한 상기 목표 배터리 셀에 대해서만 충전용 DC/DC 컨버터로 연결시키며, 상기 충전용 DC/DC 컨버터가 상기 제1 정전류를 제2 정전류로 변환하여 충전을 실행하도록 제어하고, 상기 방전용 DC/DC 컨버터의 출력단은 상기 충전용 DC/DC 컨버터의 입력단에 연결되며, 상기 방전용 DC/DC 컨버터에서 출력되는 제1 정전류가 상기 충전용 DC/DC 컨버터로 입력되어 제2 정전류로 변환된다.
일 실시예에서, 상기 충전 제어부는, 상기 복수의 배터리 셀 중 SOC 값이 가장 작은 배터리 셀부터 순차적으로 정전류가 충전되도록 제어할 수 있으며, 상기 방전 제어부는, 상기 복수의 배터리 셀 중 SOC 값이 가장 큰 배터리 셀부터 순차적으로 정전류가 방전되도록 상기 스위칭부의 동작을 제어할 수 있다. A battery balancing device according to an embodiment of the present invention is a battery balancing device that detects the amount of charge of a plurality of battery cells constituting a battery module and controls the amount of charge of the battery cells using a constant current, between the plurality of battery cells. When the SOC deviation deviates from the reference deviation, a charging control unit for controlling the battery cell having a small SOC value to be charged with a constant current for a charging duration; a single discharge control unit configured to control a battery cell having a large SOC value to be discharged at a constant current for a discharge duration when the SOC deviation between the plurality of battery cells deviates from a reference deviation; a DC/DC converter for charging and a DC/DC converter for discharging for converting into a constant current having a current magnitude according to the control of the one charging control unit and the one discharging control unit; and a current path such that charging or discharging is performed on the target battery cell according to the control of the one charging control unit or the one discharging control unit in order to charge/discharge the constant current to the target battery cell among the plurality of battery cells for a predetermined duration. a switching unit for changing The discharge control unit is configured separately, and the single discharge control unit controls the operation of the switching unit for all battery cells to connect only the target battery cells requiring discharge to the DC/DC converter for discharging, Controls the DC/DC converter to discharge with a first constant current, and the one charge control unit controls the operation of the switching unit for all battery cells to charge only the target battery cells requiring charging. is connected to, and the DC/DC converter for charging converts the first constant current into a second constant current to perform charging, and the output terminal of the DC/DC converter for discharging is connected to the input terminal of the DC/DC converter for charging. connected, and a first constant current output from the DC/DC converter for discharging is input to the DC/DC converter for charging and is converted into a second constant current.
In an embodiment, the charging control unit may control the constant current to be sequentially charged from a battery cell having the smallest SOC value among the plurality of battery cells, and the discharging control unit may include a battery cell having the lowest SOC value among the plurality of battery cells. The operation of the switching unit may be controlled so that a constant current is sequentially discharged from a large battery cell.

삭제delete

일 실시예에서, 상기 충전 제어부 또는 방전 제어부는, 상기 배터리 셀의 양단에 연결되는 전선의 전선 임피던스에 기반하여 상기 정전류 인가에 따른 전압 강하를 산출하고, 상기 전압 강하를 상기 배터리 셀의 SOC 값 산출에 반영할 수 있다.In an embodiment, the charge control unit or the discharge control unit calculates a voltage drop according to the constant current application based on a wire impedance of a wire connected to both ends of the battery cell, and calculates the voltage drop as an SOC value of the battery cell can be reflected in

일 실시예에서, 상기 충전 제어부와 방전 제어부는, 상기 복수의 배터리 셀의 평균 SOC 값을 기반으로, 평균 SOC 값보다 큰 SOC 값을 갖는 배터리 셀에 대해서는 정전류에 의한 방전이 되도록 하고, 평균 SOC 값보다 작은 SOC 값을 갖는 배터리 셀에 대해서는 정전류에 의한 충전이 되도록 제어할 수 있다. In an embodiment, the charging control unit and the discharging control unit, based on the average SOC value of the plurality of battery cells, discharge the battery cells having an SOC value greater than the average SOC value by a constant current, and the average SOC value A battery cell having a smaller SOC value may be controlled to be charged by a constant current.

일 실시예에서, 상기 충전 제어부와 방전 제어부는, 상기 복수의 배터리 셀의 기준 SOC 값과, 상기 기준 SOC 값에 대한 상한선과 하한선을 미리 설정하여 저장하며, 상기 상한선 또는 하한선을 이탈하는 배터리 셀의 SOC 값이 감지되면, 상기 복수의 배터리 셀의 평균 SOC 값을 산출하고, 각각의 배터리 셀의 SOC 값이 상기 평균 SOC 값이 될 때까지 각각의 배터리 셀을 정전류로 충방전 시킬 수 있다. In an embodiment, the charging control unit and the discharging control unit set and store the reference SOC values of the plurality of battery cells, and upper and lower limits for the reference SOC values, and store the battery cells that deviate from the upper or lower limits. When the SOC value is sensed, an average SOC value of the plurality of battery cells may be calculated, and each battery cell may be charged/discharged with a constant current until the SOC value of each battery cell becomes the average SOC value.

일 실시예에서, 상기 충전 제어부와 방전 제어부는, 상기 복수의 배터리 셀 중 가장 큰 SOC 값을 갖는 배터리 셀로부터 하나 이상의 다른 배터리 셀로 에너지를 이동시키거나, 또는 상대적으로 큰 SOC 값을 갖는 복수의 배터리 셀로부터 상대적으로 작은 SOC 값을 갖는 하나 이상의 다른 배터리 셀로 에너지를 이동시키도록 하나 이상의 목표 배터리 셀을 정전류로 충방전 시킬 수 있다. In an embodiment, the charge control unit and the discharge control unit transfer energy from a battery cell having the largest SOC value among the plurality of battery cells to one or more other battery cells, or a plurality of batteries having a relatively large SOC value. One or more target battery cells may be charged/discharged with a constant current to transfer energy from the cell to one or more other battery cells having a relatively small SOC value.

일 실시예에서, 상기 충전 제어부와 방전 제어부는, 상기 복수의 배터리 셀의 평균 SOC 값을 기반으로, SOC 값들의 편차가 가장 크게 발생하는 배터리 셀들에 대해 우선적으로 정전류로 충방전 시킬 수 있다.In an embodiment, the charging control unit and the discharging control unit may preferentially charge/discharge the battery cells in which the deviation of the SOC values occurs with the greatest constant current, based on the average SOC values of the plurality of battery cells.

일 실시예에서, 상기 방전용 DC/DC 컨버터에서 출력되는 제1 정전류의 크기와, 상기 충전용 DC/DC 컨버터에서 출력되는 제2 정전류의 크기는 상이하게 구성될 수 있다. In an embodiment, the magnitude of the first constant current output from the DC/DC converter for discharging may be different from the magnitude of the second constant current output from the DC/DC converter for charging.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 방법은, 복수의 배터리 셀의 SOC 값을 감지하는 단계, 상기 복수의 배터리 셀 간의 SOC 편차가 기준 편차를 이탈하면, 각각의 배터리 셀에 대해 정전류로 충방전을 실행하도록 충전 제어부와 방전 제어부에서 제어하는 단계, 상기 충전 제어부와 방전 제어부의 제어에 따라 스위칭부가 동작하여 목표 배터리 셀로 소정 지속시간 동안 정전류로 충방전 되는 단계, 및 상기 목표 배터리 셀의 SOC 값이 목표 SOC 값에 도달하면, 충전 제어부와 방전 제어부에서 각각의 배터리 셀에 대한 충방전을 차단하도록 제어하는 단계를 포함하고, 상기 충전 지속시간은 충전되는 정전류의 크기에 기반하여 산출되며, 상기 방전 지속시간은 방전되는 정전류의 크기에 기반하여 산출된다.A battery balancing method according to an embodiment of the present invention includes detecting SOC values of a plurality of battery cells, and when an SOC deviation between the plurality of battery cells deviates from a reference deviation, charging and discharging each battery cell with a constant current controlling the charging control unit and the discharging control unit to perform and controlling, by the charging control unit and the discharging control unit, to cut off charging and discharging of each battery cell when the target SOC value is reached, wherein the charging duration is calculated based on the magnitude of the charged constant current, and the discharging duration The time is calculated based on the magnitude of the discharged constant current.

본 발명에 따른 배터리 밸런싱 장치 및 방법은, 정전류로 에너지를 이동시키므로, 특별한 계측 없이도 에너지 이동량을 정밀하게 추산할 수 있어서 OCV(Open Circuit Voltage) 계측을 이용한 SOC 피드백 없이 개방 루프(Open Loop) 밸런싱 제어가 가능한 효과가 있다. Battery balancing apparatus and method according to the present invention, since energy is transferred with a constant current, it is possible to accurately estimate the amount of energy transfer without special measurement, so Open Loop balancing control without SOC feedback using OCV (Open Circuit Voltage) measurement has a possible effect.

또한, 본 발명에 따른 배터리 밸런싱 장치 및 방법은, 밸런싱 전류가 정전류이므로, 전선 임피던스에 의하여 발생된 전선 전압 역시 고정되어 밸런싱 동작 도중에도 셀 전압 측정의 정밀도를 유지시킬 수 있으며, OCV 계측을 이용한 피드백을 위한 시간이 필요치 않아 제어 속도도 높일 수 있는 효과가 있다. In addition, in the battery balancing apparatus and method according to the present invention, since the balancing current is a constant current, the wire voltage generated by the wire impedance is also fixed, so that the accuracy of cell voltage measurement can be maintained during the balancing operation, and feedback using OCV measurement There is no time required for this, which has the effect of increasing the control speed.

또한, 본 발명에 따른 배터리 밸런싱 장치 및 방법은, 밸런싱 전류 크기를 높여 밸런싱 전력을 크게 하여도 전선 임피던스에 의한 전압을 미리 알고 있으므로 정밀도에 영향을 미치지 않고, 신속하고 정확하게 밸런싱이 가능한 효과가 있다.In addition, the battery balancing apparatus and method according to the present invention does not affect the precision because the voltage due to the wire impedance is known in advance even when the balancing power is increased by increasing the balancing current size, and balancing can be performed quickly and accurately.

도 1은 종래의 액티브 밸런싱 회로를 도시하는 도면이다.
도 2는 배터리 셀의 등가회로 모델을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치를 도시하는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 배터리 밸런싱 장치에 따른 정전류 충전을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 배터리 밸런싱 장치에 따른 정전류 방전을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 방법을 도시한 순서도이다. 1 is a diagram showing a conventional active balancing circuit.
2 is a diagram illustrating an equivalent circuit model of a battery cell.
3 is a diagram illustrating a battery balancing device according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 are diagrams illustrating constant current charging according to the battery balancing device of the present invention.
6 is a diagram illustrating a constant current discharge according to the battery balancing device of the present invention.
7 is a flowchart illustrating a battery balancing method according to an embodiment of the present invention.

이하에서는, 본 발명의 일 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components are given the same reference numerals as much as possible even though they are indicated on different drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치를 도시하는 도면이다. 3 is a diagram illustrating a battery balancing device according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 배터리 밸런싱 장치(100)는 충전 제어부(110), 방전 제어부(120), DC/DC 컨버터(132, 134) 및 스위칭부(140)를 포함한다. Referring to FIG. 3 , the battery balancing apparatus 100 includes a charging control unit 110 , a discharging control unit 120 , DC/DC converters 132 and 134 , and a switching unit 140 .

본 발명의 배터리 밸런싱 장치(100)는 배터리 모듈을 구성하는 복수의 배터리 셀(10)의 충전량을 감지하고, 정전류를 이용하여 배터리 셀(10)의 충전량을 제어한다. The battery balancing apparatus 100 of the present invention senses the amount of charge of a plurality of battery cells 10 constituting the battery module, and controls the amount of charge of the battery cell 10 by using a constant current.

충전 제어부(110)는 복수의 배터리 셀(10) 간의 SOC(State Of Charge) 편차가 기준 편차를 이탈하면, SOC 값이 작은 배터리 셀에 대해 정전류로 충전 지속시간 동안 충전되도록 제어한다. 충전 제어부(110)는 충전이 개시되면, 복수의 배터리 셀(10) 중 SOC 값이 가장 작은 배터리 셀부터 순차적으로 정전류가 충전되도록 제어할 수 있다. 또한, 충전 제어부(110)는 각각의 배터리 셀의 SOC 값에 따라 정전류 크기에 기반한 충전 지속시간을 개별적으로 산출하여, 각각의 배터리 셀에 적용시킬 수 있다. When the state of charge (SOC) deviation between the plurality of battery cells 10 deviates from the reference deviation, the charging control unit 110 controls the battery cells having a small SOC value to be charged with a constant current for the charging duration. When charging is started, the charging control unit 110 may control to sequentially charge a constant current from a battery cell having the smallest SOC value among the plurality of battery cells 10 . Also, the charging control unit 110 may individually calculate the charging duration based on the constant current size according to the SOC value of each battery cell, and apply it to each battery cell.

방전 제어부(120)는 복수의 배터리 셀(10) 간의 SOC 편차가 기준 편차를 이탈하면, SOC 값이 큰 배터리 셀에 대해 정전류로 방전 지속시간 동안 방전되도록 제어한다. 방전 제어부(120)는 복수의 배터리 셀(10) 중 SOC 값이 가장 큰 배터리 셀부터 순차적으로 정전류가 방전되도록 스위칭부(140)의 동작을 제어할 수 있다. 또한, 방전 제어부(120)는 각각의 배터리 셀의 SOC 값에 따라 정전류 크기에 기반한 방전 지속시간을 개별적으로 산출하여, 각각의 배터리 셀에 적용시킬 수 있다. When the SOC deviation between the plurality of battery cells 10 deviates from the reference deviation, the discharge controller 120 controls the battery cells having a large SOC value to be discharged with a constant current for the discharge duration. The discharge control unit 120 may control the operation of the switching unit 140 so that the constant current is sequentially discharged from the battery cell having the largest SOC value among the plurality of battery cells 10 . In addition, the discharge control unit 120 may individually calculate the discharge duration based on the constant current size according to the SOC value of each battery cell, and apply it to each battery cell.

복수의 배터리 셀(10) 간의 SOC 편차를 방치하면, 배터리의 수명과 안정성을 악화시키므로, 배터리 셀(10) 간의 SOC 편차를 완화시키기 위한 액티브 밸런싱이 필요하다. If the SOC deviation between the plurality of battery cells 10 is left unattended, the lifespan and stability of the battery are deteriorated, so active balancing is required to alleviate the SOC deviation between the battery cells 10 .

본 발명은 복수의 배터리 셀(10)에서 가장 큰 SOC 값과 가장 작은 SOC 값을 비교한 SOC 편차가 기준 편차를 이탈하였는지 여부를 판단하여, 배터리 셀(10)의 충방전을 실행할 수 있다. 이를 위해, 각각의 배터리 셀(10)에 대한 SOC, 전압 값 등이 상시 감지될 수 있다.According to the present invention, it is determined whether the SOC deviation obtained by comparing the largest SOC value and the smallest SOC value in the plurality of battery cells 10 deviates from the reference deviation, and thus charging and discharging of the battery cells 10 may be performed. To this end, the SOC, voltage value, and the like for each battery cell 10 may be always sensed.

DC/DC 컨버터(132, 134)는 충전 제어부(110)와 방전 제어부(120)의 제어에 따른 전류 크기를 갖는 정전류를 발생시킨다. DC/DC 컨버터(132, 134)는 2개 이상 구비될 수 있으며, DC/DC 컨버터(132, 134)가 각각 충전 제어부(110)와 방전 제어부(120)에 연결될 수 있다. The DC/DC converters 132 and 134 generate a constant current having a current magnitude according to the control of the charge control unit 110 and the discharge control unit 120 . Two or more DC/DC converters 132 and 134 may be provided, and the DC/DC converters 132 and 134 may be connected to the charging control unit 110 and the discharging control unit 120, respectively.

스위칭부(140)는 복수의 배터리 셀(10) 중 목표 배터리 셀로 정전류가 소정 지속시간 동안 충방전 되도록 전류 경로를 변경시킨다. The switching unit 140 changes the current path so that a constant current is charged and discharged to a target battery cell among the plurality of battery cells 10 for a predetermined duration.

본 발명은 충전 제어부(110)와 방전 제어부(120)를 구비하고, 스위칭부(140)를 제어함으로써 특정 배터리 셀에서 다른 배터리 셀로 에너지를 이동시킬 수 있다. 종래 기술에서, 배터리 셀 마다 위치한 각각의 DC/DC 컨버터(30)가 양방향일 경우 특정 배터리 셀에서 다른 배터리 셀로의 에너지 교환이 가능하긴 하나, 구조가 매우 복잡하다는 단점을 가지며, 동시에 배터리 팩 내부의 다수 배터리 셀에서 특정 배터리 셀 하나로 에너지를 보내는 방식은 더욱 어렵다. The present invention includes a charging control unit 110 and a discharging control unit 120 , and by controlling the switching unit 140 , energy can be transferred from a specific battery cell to another battery cell. In the prior art, when each DC/DC converter 30 located in each battery cell is bidirectional, energy exchange from one battery cell to another is possible, but it has a disadvantage in that the structure is very complicated, and at the same time, It is more difficult to send energy from multiple battery cells to one specific battery cell.

그러나, 본 발명은 스위칭부(140)를 통해 충방전되는 전류 경로만 변경함으로써, 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀(10) 간 에너지를 이동시키는 것이 가능하다.However, in the present invention, it is possible to transfer energy between the plurality of battery cells 10 connected in series by changing only the current path charged and discharged through the switching unit 140 .

본 발명의 일 실시예에서, 충전 제어부(110)와 방전 제어부(120)는, 복수의 배터리 셀(10) 중 가장 큰 SOC 값을 갖는 배터리 셀로부터 하나 이상의 다른 배터리 셀로 에너지를 이동시키거나, 또는 상대적으로 큰 SOC 값을 갖는 복수의 배터리 셀(10)로부터 상대적으로 작은 SOC 값을 갖는 하나 이상의 다른 배터리 셀로 에너지를 이동시키도록 하나 이상의 목표 배터리 셀을 정전류로 충방전 시킬 수 있다. In an embodiment of the present invention, the charging control unit 110 and the discharging control unit 120 transfer energy from a battery cell having the largest SOC value among the plurality of battery cells 10 to one or more other battery cells, or One or more target battery cells may be charged/discharged with a constant current to transfer energy from the plurality of battery cells 10 having a relatively large SOC value to one or more other battery cells having a relatively small SOC value.

즉, 본 발명의 배터리 밸런싱 장치(100)는 아래와 같은 방식의 밸런싱이 가능하다.That is, the battery balancing apparatus 100 of the present invention is capable of balancing in the following manner.

큰 SOC 값을 갖는 하나의 배터리 셀에서 다른 다수의 배터리 셀들로 에너지를 이동시킬 수 있다. Energy may be transferred from one battery cell having a large SOC value to a plurality of other battery cells.

큰 SOC 값을 갖는 하나의 배터리 셀에서 작은 SOC 값을 갖는 하나의 배터리 셀로 에너지를 이동시킬 수 있다. Energy may be transferred from one battery cell having a large SOC value to one battery cell having a small SOC value.

큰 SOC 값을 갖는 다수의 배터리 셀에서 작은 SOC 값을 갖는 하나의 배터리 셀로 에너지를 이동시킬 수 있다. Energy may be transferred from a plurality of battery cells having a large SOC value to one battery cell having a small SOC value.

큰 SOC 값을 갖는 다수의 배터리 셀에서 작은 SOC 값을 갖는 다수의 배터리 셀로 에너지를 이동시킬 수 있다. Energy may be transferred from a plurality of battery cells having a large SOC value to a plurality of battery cells having a small SOC value.

복수의 배터리 셀의 SOC 값들은 각각 상이한 값을 가질 수 있으며, SOC 값의 대소는 배터리 셀들의 SOC 값들 간의 상대적인 크기를 의미한다. 또한, 상대적으로 가장 큰 SOC 값부터 순차적으로 큰 SOC 값을 갖는 다수의 배터리 셀 집단이 구성될 수 있으며, 상대적으로 가장 작은 SOC 값부터 순차적으로 작은 SOC 값을 갖는 다수의 배터리 셀 집단이 구성될 수 있다. The SOC values of the plurality of battery cells may each have different values, and the magnitude of the SOC value means a relative size between the SOC values of the battery cells. In addition, a plurality of battery cell groups having sequentially large SOC values from a relatively largest SOC value may be configured, and a plurality of battery cell groups having sequentially small SOC values from a relatively smallest SOC value may be configured. have.

본 발명의 일 실시예에서, 충전 제어부(110)와 방전 제어부(120)는, 복수의 배터리 셀(10)의 평균 SOC 값을 기반으로, 평균 SOC 값보다 큰 SOC 값을 갖는 배터리 셀에 대해서는 정전류에 의한 방전이 되도록 하고, 평균 SOC 값보다 작은 SOC 값을 갖는 배터리 셀에 대해서는 정전류에 의한 충전이 되도록 제어할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the charging control unit 110 and the discharging control unit 120, based on the average SOC value of the plurality of battery cells 10, a constant current for a battery cell having an SOC value greater than the average SOC value It can be controlled to discharge by , and charge by a constant current for battery cells having an SOC value smaller than the average SOC value.

복수의 배터리 셀(10)에서 가장 큰 SOC 값과 가장 작은 SOC 값을 비교한 SOC 편차가 기준 편차를 이탈한 시점에서, 배터리 밸런싱이 개시될 수 있으며, 이 시점에서, 충전 제어부(110)와 방전 제어부(120)는 복수의 배터리 셀(10)의 평균 SOC 값을 산출하고, 각각의 배터리 셀의 SOC 값이 평균 SOC 값에 도달하도록 정전류에 의한 충방전을 제어할 수 있다. When the SOC deviation obtained by comparing the largest SOC value and the smallest SOC value in the plurality of battery cells 10 deviates from the reference deviation, battery balancing may be started, and at this point, the charging control unit 110 and the discharge The controller 120 may calculate an average SOC value of the plurality of battery cells 10 and control charging and discharging by a constant current so that the SOC value of each battery cell reaches the average SOC value.

본 발명의 일 실시예에서, 충전 제어부(110)와 방전 제어부(120)는, 복수의 배터리 셀(10)의 평균 SOC 값을 기반으로, SOC 값들의 편차가 가장 크게 발생하는 배터리 셀들에 대해 우선적으로 정전류로 충방전 시킬 수 있다. In an embodiment of the present invention, the charging control unit 110 and the discharging control unit 120 give preference to the battery cells in which the deviation of the SOC values occurs the largest, based on the average SOC value of the plurality of battery cells 10 . It can be charged and discharged with a constant current.

예를 들어, 배터리 밸런싱의 개시 시점에서, 큰 SOC 값을 갖는 배터리 셀들을 순차적으로 제1 배터리 셀, 제2 배터리 셀, ..., 제N-1 배터리 셀, 제N 배터리 셀이라 하면, 제1 배터리 셀의 SOC 값이 가장 높고, 제N 배터리 셀의 SOC 값이 가장 낮으므로, 편차가 가장 크게 발생하는 제1 배터리 셀과 제N 배터리 셀에 대해 우선적으로 각각 정전류로 방전 및 충전 시킬 수 있다. 여기서, 정전류로 충방전 시키므로, 제1 배터리 셀과 제N 배터리 셀 각각에 대한 충방전의 지속시간이 산출될 수 있다. For example, at the start time of battery balancing, if battery cells having a large SOC value are sequentially referred to as a first battery cell, a second battery cell, ..., an N-1th battery cell, and an Nth battery cell, Since the first battery cell has the highest SOC value and the N-th battery cell has the lowest SOC value, the first battery cell and the N-th battery cell having the largest deviation may be preferentially discharged and charged with a constant current, respectively. . Here, since the charging/discharging is performed with a constant current, the duration of charging/discharging for each of the first battery cell and the N-th battery cell may be calculated.

만약, 제N 배터리에 대한 충전이 계산된 지속시간 동안 진행되어, 목표 SOC 값인 평균 SOC 값에 도달하면, 충전 제어부(110)는 제N 배터리에 대한 충전을 차단하도록 제어한다. 제N 배터리에 대한 충전이 차단된 시점에서, 방전되고 있던 제1 배터리 셀의 SOC 값은 제2 배터리 셀의 SOC 값보다 크거나 작을 수 있다. 제1 배터리 셀의 SOC 값이 제2 배터리 셀의 SOC 값보다 더 크다면, 제1 배터리 셀과 제N-1 배터리 셀에 대해 우선적으로 각각 방전 및 충전이 진행되며, 제2 배터리 셀의 SOC 값이 제1 배터리 셀의 SOC 값보다 더 크다면, 제2 배터리 셀과 제N-1 배터리 셀에 대해 우선적으로 각각 방전 및 충전이 진행될 수 있다. If the charging of the N-th battery proceeds for the calculated duration and reaches an average SOC value that is a target SOC value, the charging control unit 110 controls to cut off charging of the N-th battery. When charging of the N-th battery is stopped, the SOC value of the first battery cell that is being discharged may be greater than or smaller than the SOC value of the second battery cell. If the SOC value of the first battery cell is greater than the SOC value of the second battery cell, discharging and charging are preferentially performed with respect to the first battery cell and the N-1 th battery cell, respectively, and the SOC value of the second battery cell If it is greater than the SOC value of the first battery cell, discharging and charging may be preferentially performed with respect to the second battery cell and the N-1 th battery cell, respectively.

즉, 본 발명은 복수의 배터리 셀에 대해 계산된 지속시간 동안 충방전을 진행하면서, 충방전 되고 있는 배터리 셀들의 SOC 값을 재산정하여, SOC 값들의 편차가 가장 크게 발생하는 배터리 셀들에 대해 우선적으로 정전류로 충방전 시킬 수 있다. 이에 따라, 배터리 셀들 간의 SOC 편차를 신속하게 줄이면서, 배터리의 안정성을 확보할 수 있다. That is, the present invention recalculates the SOC values of the battery cells being charged and discharged while charging and discharging for the calculated duration of the plurality of battery cells, and preferentially applies to the battery cells in which the deviation of the SOC values occurs the greatest. It can be charged and discharged with a constant current. Accordingly, it is possible to quickly reduce the SOC deviation between the battery cells and secure the stability of the battery.

본 발명의 일 실시예에서, 충전 제어부(110)와 방전 제어부(120)는, 복수의 배터리 셀(10)의 기준 SOC 값과, 상기 기준 SOC 값에 대한 상한선과 하한선을 미리 설정하여 저장하며, 상기 상한선 또는 하한선을 이탈하는 배터리 셀의 SOC 값이 감지되면, 복수의 배터리 셀(10)의 평균 SOC 값을 산출하고, 각각의 배터리 셀의 SOC 값이 상기 평균 SOC 값이 될 때까지 각각의 배터리 셀을 정전류로 충방전 시킬 수 있다. In an embodiment of the present invention, the charging control unit 110 and the discharging control unit 120 set and store the reference SOC values of the plurality of battery cells 10 and upper and lower limits for the reference SOC values in advance, When the SOC value of the battery cells deviating from the upper limit or the lower limit is detected, the average SOC value of the plurality of battery cells 10 is calculated, and the SOC value of each battery cell becomes the average SOC value for each battery. The cell can be charged and discharged with a constant current.

예를 들어, 기준 SOC 값을 70%로 설정하고, 상한선을 90%, 하한선을 50%로 설정한 상태에서, 특정 배터리 셀의 SOC 값이 90%를 초과하거나, 50% 미만이 되면, 배터리 셀들의 충방전을 개시할 수 있으며, 개시된 시점에서, 복수의 배터리 셀(10)의 평균 SOC 값을 산정하여, 각각의 배터리 셀을 정전류로 충방전 시킬 수 있다. 상기 기재된 기준 SOC 값, 상한선, 하한선은 예시를 위한 것으로, 배터리의 종류, 안정성 등을 고려하여, 다양한 값으로 미리 설정될 수 있으며, 추후 보정할 수도 있다. For example, when the reference SOC value is set to 70%, the upper limit is set to 90%, and the lower limit is set to 50%, when the SOC value of a specific battery cell exceeds 90% or becomes less than 50%, the battery cell charging/discharging of the battery cells may be started, and at the starting time point, the average SOC value of the plurality of battery cells 10 may be calculated, and each battery cell may be charged/discharged with a constant current. The reference SOC value, upper limit, and lower limit described above are for illustration, and may be preset to various values in consideration of the type and stability of the battery, and may be corrected later.

도 4 및 도 5는 본 발명의 배터리 밸런싱 장치에 따른 정전류 충전을 도시하는 도면이며, 도 6은 본 발명의 배터리 밸런싱 장치에 따른 정전류 방전을 도시하는 도면이다. 4 and 5 are diagrams showing constant current charging according to the battery balancing device of the present invention, and FIG. 6 is a diagram showing constant current discharging according to the battery balancing device of the present invention.

도 4에서, SOC 값이 가장 작은 목표 배터리 셀(10b)이 스위칭부(140)에 의해 직/간접적으로 DC/DC 컨버터(132)와 연결되어, DC/DC 컨버터(132)를 통해 크기가 변환된 정전류가 전류 경로(CP)를 따라 목표 배터리 셀(10b)에 인가되어 충전된다. In FIG. 4 , the target battery cell 10b having the smallest SOC value is directly/indirectly connected to the DC/DC converter 132 by the switching unit 140 , and the size is converted through the DC/DC converter 132 . The applied constant current is applied to the target battery cell 10b along the current path CP to be charged.

도 5에서, SOC 값이 작은 2개의 목표 배터리 셀들(10a, 10b)이 스위칭부(140)에 의해 직/간접적으로 DC/DC 컨버터(132)와 연결되어, DC/DC 컨버터(132)를 통해 크기가 변환된 정전류가 전류 경로(CP)를 따라 목표 배터리 셀들(10a, 10b)에 인가되어 충전된다.In FIG. 5 , two target battery cells 10a and 10b having a small SOC value are directly/indirectly connected to the DC/DC converter 132 by the switching unit 140 and are connected to the DC/DC converter 132 through the DC/DC converter 132 . The constant current whose magnitude is changed is applied to the target battery cells 10a and 10b along the current path CP to be charged.

도 6에서, SOC 값이 가장 큰 목표 배터리 셀(10c)이 스위칭부(140)에 의해 직/간접적으로 DC/DC 컨버터(134)와 연결되어, DC/DC 컨버터(134)에 의해 소정 크기의 정전류가 전류 경로(CP)를 따라 목표 배터리 셀(10c)로부터 방전되도록 제어된다. In FIG. 6 , the target battery cell 10c having the largest SOC value is directly/indirectly connected to the DC/DC converter 134 by the switching unit 140 , and is The constant current is controlled to be discharged from the target battery cell 10c along the current path CP.

도 4 내지 6에서, 스위칭부(140)는 반도체 스위치 블록이 될 수 있으며, P 연결선을 B, C, D, E 전선 중 하나에 연결할 수 있으며, N 연결선을 A, B, C, D 전선 중 하나에 연결할 수 있다. 본 발명은 배터리의 액티브 밸런싱을 위해 스위칭부(140)를 제어하여, A 내지 E의 전선들 중 어느 전선을 P 연결선 또는 N 연결선에 연결하거나 끊을지 조정할 수 있다. 4 to 6 , the switching unit 140 may be a semiconductor switch block, and the P connection line may be connected to one of B, C, D, and E wires, and the N connection line may be connected to one of the A, B, C, and D wires. can be connected to one. In the present invention, by controlling the switching unit 140 for active balancing of the battery, it is possible to adjust which of the wires A to E is connected to or disconnected from the P connection line or the N connection line.

본 발명은 정전류로 배터리 셀 밸런싱을 구현하여, 에너지 전달량이 시간과 선형 비례하므로, 충방전 지속 시간을 미리 산출하고, 밸런싱 목표에 도달하는 밸런싱 동작 종료 시점을 명확히 할 수 있어서 밸런싱 제어를 단순화 할 수 있다. The present invention implements battery cell balancing with constant current, and since the amount of energy delivered is linearly proportional to time, it is possible to calculate the charge/discharge duration in advance and clarify the end point of the balancing operation to reach the balancing target, thereby simplifying the balancing control. have.

또한, 본 발명은 충전 제어부(110)와 방전 제어부(120)가 전류 제어 기준 신호를 인가하여, 밸런싱 전류의 크기를 제어하도록 구성함으로써, 상황에 따라 배터리 셀의 손상과 성능 악화를 초래하지 않는 범위 내에서 밸런싱 속도를 급격하게 증가시키는 것도 가능하다. 이때, 본 발명은 밸런싱 전류의 크기를 이미 알고 있으므로 셀 전압 검출 및 밸런싱을 위해 전선에 형성되는 전압을 계산할 수 있어서 밸런싱 중에도 셀 전압 검출 정밀도를 유지할 수 있다.In addition, according to the present invention, the charging control unit 110 and the discharging control unit 120 apply the current control reference signal to control the size of the balancing current, so that the battery cell is not damaged and the performance is not deteriorated depending on the situation. It is also possible to sharply increase the balancing rate within the At this time, since the present invention already knows the size of the balancing current, it is possible to calculate the voltage formed on the electric wire for cell voltage detection and balancing, so that the cell voltage detection accuracy can be maintained during balancing.

통상적으로 밸런스를 수행하고 동시에 셀의 전압을 측정하는 지점은 동일하다. Usually, the point at which the balancing is performed and the voltage of the cell is measured at the same time is the same.

밸런싱 도중 셀 전압 검출 정밀도를 유지하기 위한 식은 아래와 같다. The formula for maintaining cell voltage detection accuracy during balancing is as follows.

만약 도 4와 같이 C-B로 소정 크기의 정전류 I_B가 스위칭부(140)에 의해 형성된 전류 경로(CP)를 따라 목표 배터리 셀(10b)로 인가되면, 배터리 셀(10b)의 전압 V_cell(10b)은 측정전압 V_C-B로부터 아래와 같이 계산된다. If a constant current I _B of a predetermined size is applied to the target battery cell 10b along the current path CP formed by the switching unit 140 as shown in FIG. 4 , the voltage V _{cell 10b of the battery cell 10b )} is calculated as follows from the measured voltage V _CB .

이때, 밸런싱 정전류 I_B로 인하여 목표 배터리 셀(10b)의 일측에 인접한 배터리 셀(10a)과 타측에 인접한 배터리 셀(10c)의 전압 계측도 영향을 받으므로 아래의 수식으로 각각 보상해 준다. At this time, since the voltage measurement of the battery cell 10a adjacent to one side of the target battery cell 10b and the battery cell 10c adjacent to the other side of the target battery cell 10b are also affected due to the balancing constant current I _B , each is compensated by the following equation.

상기 수학식 1 내지 3에서 기호 R은 전선 임피던스 값을 의미한다. In Equations 1 to 3, the symbol R denotes a wire impedance value.

충전 제어부(110) 또는 방전 제어부(120)는, 배터리 셀(10)의 양단에 연결되는 전선의 전선 임피던스(20)에 기반하여 정전류 인가에 따른 전압 강하를 산출하고, 상기 전압 강하를 배터리 셀(10)의 SOC 값 산출에 반영할 수 있다.The charging control unit 110 or the discharging control unit 120 calculates a voltage drop according to the application of a constant current based on the wire impedance 20 of the wire connected to both ends of the battery cell 10, and calculates the voltage drop for the battery cell ( 10) can be reflected in the calculation of the SOC value.

또한, 본 발명은 방전용 DC/DC 컨버터(134)에서 출력되는 제1 정전류의 크기와, 충전용 DC/DC 컨버터(132)에서 출력되는 제2 정전류의 크기를 상이하게 구성할 수 있다.In addition, according to the present invention, the magnitude of the first constant current output from the DC/DC converter 134 for discharging and the magnitude of the second constant current output from the DC/DC converter 132 for charging may be configured differently.

정전류의 크기에 따라 각각의 배터리 셀이 충방전되는 지속시간 값이 다르게 산출될 수 있다. 이로 인해, 배터리 셀들 간의 SOC 편차를 신속하게 줄이고, 충방전이 실행되는 배터리 셀들을 다양하게 조합하여 충방전 시간을 단축시킬 수 있다.Depending on the magnitude of the constant current, a value for the duration for which each battery cell is charged/discharged may be calculated differently. Accordingly, it is possible to quickly reduce the SOC deviation between the battery cells, and to shorten the charging/discharging time by various combinations of battery cells to be charged/discharged.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 방법을 도시한 순서도이다. 7 is a flowchart illustrating a battery balancing method according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 본 발명의 배터리 밸런싱 장치(100)는 복수의 배터리 셀(10)의 SOC 값을 지속적으로 확인한다(S110). Referring to FIG. 7 , the battery balancing apparatus 100 of the present invention continuously checks the SOC values of the plurality of battery cells 10 ( S110 ).

이어서, 배터리 밸런싱 장치(100)는 복수의 배터리 셀(10) 간의 SOC 편차가 기준 편차를 이탈하였는지 감지하며, 기준 편차를 이탈하지 않았으면, 계속 배터리 셀(10)의 SOC 값을 확인하고, 기준 편차를 이탈하였으면, 각각의 배터리 셀(10)에 대해 정전류로 충방전을 실행하도록 충전 제어부(110)와 방전 제어부(120)에서 제어한다(S120). Subsequently, the battery balancing apparatus 100 detects whether the SOC deviation between the plurality of battery cells 10 deviates from the reference deviation, and if the SOC deviation does not deviate from the reference deviation, continues to check the SOC value of the battery cells 10, and If the deviation is deviated, the charging control unit 110 and the discharging control unit 120 control each battery cell 10 to charge/discharge with a constant current ( S120 ).

다음으로, 충전 제어부(110)와 방전 제어부(120)는 각각 충방전이 필요한 목표 배터리 셀을 선택하여 지정하며(S130), 해당 배터리 셀의 SOC 값이 목표 SOC 값에 도달하도록 하는 정전류의 크기와 충방전의 지속시간을 산출한다(S140). Next, the charging control unit 110 and the discharging control unit 120 select and designate target battery cells that require charging and discharging, respectively (S130), and the magnitude of the constant current that causes the SOC value of the corresponding battery cell to reach the target SOC value; The duration of charging and discharging is calculated (S140).

계속하여, 충전 제어부(110)와 방전 제어부(120)의 제어에 따라 스위칭부(140)가 동작하여 목표 배터리 셀이 소정 지속시간 동안 정전류로 충방전 된다(S150). Subsequently, the switching unit 140 operates under the control of the charging control unit 110 and the discharging control unit 120 to charge/discharge the target battery cell with a constant current for a predetermined duration ( S150 ).

이어서, 앞선 산출된 지속시간 동안 정전류로 충방전이 실행되며, 지속시간을 경과하여, 목표 배터리 셀의 SOC 값이 목표 SOC 값에 도달하면(S160), 충전 제어부(110)와 방전 제어부(120)가 각각의 배터리 셀에 대한 충방전을 차단하도록 스위칭부(140)를 제어한다(S170). Subsequently, charging and discharging are performed with a constant current for the previously calculated duration, and when the SOC value of the target battery cell reaches the target SOC value after the duration has elapsed (S160), the charging control unit 110 and the discharging control unit 120 controls the switching unit 140 to block charging and discharging of each battery cell (S170).

도 7의 S160 단계에서, 밸런싱 종료 조건은 지속시간을 기준으로 판단하며, 밸런싱 개시 시점의 배터리 셀 간 SOC 편차에 따른 목표 에너지 이동량이 밸런싱 동작의 지속시간과 선형 비례하므로, 지속시간을 미리 산출하여 그에 따라 밸런싱 동작을 실행하는 개방 루프(Open Loop) 제어가 가능하다.In step S160 of FIG. 7 , the balancing termination condition is determined based on the duration, and the target energy transfer amount according to the SOC deviation between battery cells at the time of starting balancing is linearly proportional to the duration of the balancing operation. Accordingly, an open loop control for executing a balancing operation is possible.

도 7의 각 단계에서, 전술한 충전 제어부(110)와 방전 제어부(120)의 충방전 제어 방식에 관한 다양한 실시예들이 적용될 수 있다.In each step of FIG. 7 , various embodiments related to the charging/discharging control method of the above-described charging control unit 110 and discharging control unit 120 may be applied.

본 발명에 따른 배터리 밸런싱 장치 및 방법은 아래의 이점을 갖는다. The battery balancing apparatus and method according to the present invention have the following advantages.

종래 밸런싱 회로는 배터리 셀(10) 별로 하나의 DC/DC 컨버터(30)를 가지며, 이를 구동하기 위한 PWM 제어기 등의 부가회로가 요구되어 복잡도가 증가하고 비용이 상승하나, 본 발명은 에너지 방향 별로 충전 제어부(110)와 방전 제어부(120)의 제어에 따라 DC/DC 컨버터(132, 134)의 출력을 스위칭부(140)를 통하여 목표 배터리 셀에 연결하는 방식이므로, 단순하며 비용 절감 효과가 있다.The conventional balancing circuit has one DC/DC converter 30 for each battery cell 10, and an additional circuit such as a PWM controller is required for driving it, increasing complexity and increasing cost. Since the output of the DC/DC converters 132 and 134 is connected to the target battery cell through the switching unit 140 under the control of the charging control unit 110 and the discharging control unit 120, it is simple and has a cost-saving effect. .

또한, 종래 밸런싱 회로는 밸런싱 동작에 의하여 이동된 에너지량을 도중에 알 수 없어 밸런싱 동작을 멈추고 에너지량을 확인하는 과정이 필요하여 목표 밸런싱에 도달하는 시간이 상대적으로 길다. 특히, 배터리 모듈 혹은 배터리 팩이 충방전을 수행하는 동안에는 이동된 에너지량을 추산하기 대단히 어렵다. 이로 인하여 배터리 팩이 충방전을 하지 않는 상황에서 밸런싱 동작을 수행해야 하므로 더욱 밸런싱 시간이 오래 걸린다. 그러나 본 발명은 정전류로 이동 에너지량을 정확히 추산할 수 있으므로 밸런싱 도중에 에너지량을 확인할 필요가 없어 상대적으로 빠른 시간에 밸런싱 동작을 완료할 수 있다. In addition, the conventional balancing circuit requires a process of stopping the balancing operation and checking the amount of energy because the amount of energy moved by the balancing operation cannot be known on the way, so that the time to reach the target balancing is relatively long. In particular, it is very difficult to estimate the amount of energy transferred while the battery module or battery pack is charging and discharging. For this reason, since the balancing operation must be performed in a situation in which the battery pack is not charging and discharging, the balancing time is longer. However, since the present invention can accurately estimate the amount of moving energy using a constant current, there is no need to check the amount of energy during balancing, so that the balancing operation can be completed relatively quickly.

또한, 종래 밸런싱 회로는 밸런싱 속도를 높일 목적으로 배터리 셀 간 이동 전류를 크게 할수록 전선 임피던스와 셀 내부 임피던스로 인한 영향을 크게 받아 오차 증가로 인한 성능 저하와 속도의 한계를 가지게 되나, 본 발명은 이동 전류가 정전류이므로 전선 임피던스에 의한 영향을 제거할 수 있고, 셀 내부 임피던스 또한 SOC 추정 알고리즘에 밸런싱 전류를 부가하여 연산함으로서 배터리 모듈 혹은 배터리 팩을 사용하는 도중에도 밸런싱 동작을 수행할 수 있으며 동시에 SOC 추정값을 확인할 수 있다.In addition, in the conventional balancing circuit, as the moving current between battery cells increases for the purpose of increasing the balancing speed, it is greatly affected by the wire impedance and the cell internal impedance, and thus has a decrease in performance and a limitation in speed due to an increase in error, but the present invention does not Since the current is a constant current, the influence of the wire impedance can be eliminated, and the balancing operation can be performed while the battery module or battery pack is being used by calculating the internal impedance of the cell by adding the balancing current to the SOC estimation algorithm. can confirm.

도 3 내지 도 6에서, 배터리 셀의 개수는 4개로 도시되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 4개 이상 또는 4개 이하의 복수의 배터리 셀이 배치될 수 있으며, 이에 따라 설치되는 전선 등의 개수도 변경될 수 있음은 물론이다. 3 to 6 , the number of battery cells is shown as four, but this is for convenience of explanation, and a plurality of battery cells of four or more or four or less may be disposed, and accordingly, the installed wires, etc. Of course, the number may also be changed.

이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로 컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서 (parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The embodiments described above may be implemented by a hardware component, a software component, and/or a combination of a hardware component and a software component. For example, the apparatus, methods and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable gate (FPGA). array), a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions, may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For convenience of understanding, although one processing device is sometimes described as being used, one of ordinary skill in the art will recognize that the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that may include For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.Although the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments so far, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and without departing from the gist of the present invention as claimed in the following claims, the technical field to which the present invention pertains It will be said that the technical idea of the present invention extends to a range where various modifications or modifications can be made by anyone having ordinary knowledge in the present invention.

10: 배터리 셀 30, 132, 134: DC/DC 컨버터
100: 배터리 밸런싱 장치 110: 충전 제어부
120: 방전 제어부 140: 스위칭부10: battery cell 30, 132, 134: DC/DC converter
100: battery balancing device 110: charging control unit
120: discharge control unit 140: switching unit

Claims

A battery balancing device for detecting the amount of charge of a plurality of battery cells constituting a battery module and controlling the amount of charge of the battery cells by using a constant current,
a charging control unit configured to control a battery cell having a small SOC value to be charged with a constant current for a charging duration when the SOC deviation between the plurality of battery cells deviates from a reference deviation;
a single discharge control unit configured to control a battery cell having a large SOC value to be discharged at a constant current for a discharge duration when the SOC deviation between the plurality of battery cells deviates from a reference deviation;
a DC/DC converter for charging and a DC/DC converter for discharging for converting into a constant current having a current magnitude according to the control of the one charging control unit and the one discharging control unit; and
In order to charge/discharge the constant current to a target battery cell among the plurality of battery cells for a predetermined duration, a current path is configured such that charging or discharging is performed on the target battery cell according to the control of the one charging control unit or the one discharging control unit. Including; a switching unit to change
The charging duration is calculated based on the magnitude of the constant current being charged, and the discharging duration is calculated based on the magnitude of the constant current being discharged,
The one charge control unit and the one discharge control unit are configured separately,
The one discharging control unit controls the operation of the switching unit for all battery cells to connect only the target battery cells requiring discharging to a discharging DC/DC converter, and the discharging DC/DC converter to a first constant current control to run the discharge,
The one charging control unit controls the operation of the switching unit for all battery cells to connect only the target battery cells requiring charging to a charging DC/DC converter, and the charging DC/DC converter operates the first constant current to convert to a second constant current to control charging,
An output terminal of the DC/DC converter for discharging is connected to an input terminal of the DC/DC converter for charging, and a first constant current output from the DC/DC converter for discharging is input to the DC/DC converter for charging and a second constant current Battery balancing device, characterized in that converted to.

The method of claim 1,
The charging control unit,
controlling the operation of the switching unit so that a constant current is sequentially charged from a battery cell having the smallest SOC value among the plurality of battery cells,
The discharge control unit,
and controlling the operation of the switching unit so that the constant current is sequentially discharged from a battery cell having the largest SOC value among the plurality of battery cells.

delete

The method of claim 1,
The charging control unit or the discharging control unit,
A battery balancing device, characterized in that the voltage drop according to the constant current application is calculated based on the wire impedance of the wires connected to both ends of the battery cell, and the voltage drop is reflected in the calculation of the SOC value of the battery cell.

The method of claim 1,
The charging control unit and the discharging control unit,
Based on the average SOC value of the plurality of battery cells, a battery cell having an SOC value greater than the average SOC value is discharged by a constant current, and a battery cell having an SOC value smaller than the average SOC value is discharged by a constant current. Battery balancing device, characterized in that the control to be charged.

The method of claim 1,
The charging control unit and the discharging control unit,
The reference SOC values of the plurality of battery cells and upper and lower limits for the reference SOC values are preset and stored, and when the SOC values of the battery cells deviating from the upper or lower limits are detected, the average of the plurality of battery cells A battery balancing device comprising: calculating an SOC value and charging and discharging each battery cell with a constant current until the SOC value of each battery cell becomes the average SOC value.

The method of claim 1,
The charging control unit and the discharging control unit,
one or more other batteries having a relatively small SOC value from a plurality of battery cells having a relatively large SOC value, or transferring energy from a battery cell having the largest SOC value among the plurality of battery cells to one or more other battery cells A battery balancing device, characterized in that charging and discharging one or more target battery cells with a constant current to transfer energy to the cells.

The method of claim 1,
The charging control unit and the discharging control unit,
The battery balancing device, characterized in that, based on the average SOC value of the plurality of battery cells, the battery cells having the largest deviation of the SOC values are preferentially charged and discharged with a constant current.

The method of claim 1,
The battery balancing device, characterized in that the magnitude of the first constant current output from the DC/DC converter for discharging and the magnitude of the second constant current output from the DC/DC converter for charging are different.

delete