KR101619268B1

KR101619268B1 - 배터리셀의 밸런싱 방법

Info

Publication number: KR101619268B1
Application number: KR1020150039161A
Authority: KR
Inventors: 강봉구; 이경민; 정유채; 성창현
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2016-05-10
Also published as: US9831689B2; US20160276847A1

Abstract

본 발명은 LC 직렬공진 회로를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로에서 충전 전하가 균일하지 않은 다수 개의 배터리셀에 대해 보다 효율적으로 밸런싱 동작을 수행할 수 있도록 밸런싱을 수행하는 방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 충전 전하가 균일하지 않은 모든 배터리셀을 대상으로 밸런싱 전하값을 구한 후 이를 이용하여, 전체 배터리셀 중에서 가장 많은 전하량이 충전되어 있는 스트롱 배터리셀과 상기 스트롱 배터리셀에 대응되는 위크 배터리셀을 선택하여 일련의 밸런싱 동작을 수행하는 단계를 포함한다.

Description

배터리셀의 밸런싱 방법{BALANCING METHOD OF BATTERY CELL}

본 발명은 배터리셀 모듈의 밸런싱 기술에 관한 것으로, 특히 LC 직렬공진 회로를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로에서 충전 전하가 균일하지 않은 다수 개의 배터리셀들에 대해 보다 효율적으로 밸런싱 동작을 수행할 수 있도록 한 배터리셀의 밸런싱 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 배터리셀의 양단 전압이 일정 수치를 넘을 경우 폭발의 위험이 있고, 일정 수치 이하로 떨어질 경우에는 배터리셀에 영구적인 손상이 가해지게 된다. 하이브리드 전기자동차나 노트북 컴퓨터 등은 비교적 대용량의 전원공급이 요구되므로 배터리셀을 이용하여 전원을 공급하고자 하는 경우, 여러 개의 배터리셀을 직렬로 연결한 배터리셀 모듈(배터리 팩)을 사용한다. 그런데, 이와 같은 배터리셀 모듈을 사용하는 경우 각 배터리셀의 성능 편차에 의하여 전압의 불균형이 발생될 수 있다.

배터리셀 모듈 충전 시 배터리셀 모듈 내에서 하나의 배터리셀이 다른 배터리셀들에 비하여 먼저 상한 전압에 도달할 경우 더 이상 배터리셀 모듈을 충전할 수 없게 되므로 다른 배터리셀들이 충분히 충전되지 않은 상태에서 충전을 종료하여야 한다. 이와 같은 경우 배터리셀 모듈의 충전용량이 정격 충전용량에 미치지 못하게 된다.

한편, 배터리셀 모듈 방전 시에는 배터리셀 모듈 내에서 하나의 배터리셀이 다른 배터리셀들에 비하여 먼저 하한 전압에 도달할 경우 더 이상 배터리셀 모듈을 사용할 수 없게 되므로 그만큼 배터리셀 모듈의 사용시간이 단축된다.

이와 같이 배터리셀 모듈의 충전 또는 방전 시 보다 높은 전기 에너지를 갖는 배터리셀의 전기 에너지를 보다 낮은 전기 에너지를 갖는 배터리셀로 공급해 줌으로써 배터리셀 모듈의 사용시간을 향상시킬 수 있는데, 이와 같은 동작을 배터리셀 밸런싱이라고 부른다.

도 1은 종래 기술에 의한 병렬저항을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4)을 구비하는 배터리 모듈(11); 직렬연결된 저항(R11-R14) 및 상기 배터리 모듈(11)의 배터리셀(CELL1-CELL4)과 상기 저항(R11-R14)을 선택적으로 연결하는 스위치(SW11-SW15)를 포함한다.

도 1을 참조하면, 배터리 모듈(11) 충전 시 상기 배터리 모듈(11) 내의 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 임의의 배터리셀의 충전전압이 다른 배터리셀들의 충전전압에 비하여 먼저 상한전압에 도달하는 경우 스위치(SW11-SW15) 중에서 해당 스위치를 턴온시켜 상기 저항(R11-R14) 중에서 해당 저항을 통해 충전전압이 방전되도록 한다.

도 2는 종래 기술에 의한 커패시터를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4)을 구비하는 배터리 모듈(21); 직렬연결된 커패시터(C21-C23); 및 상기 커패시터(C21-C23)를 상기 배터리셀(CELL1-CELL4)에 선택적으로 연결하는 스위치(SW21-SW24)를 포함한다.

도 2를 참조하면, 상기 커패시터를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로는 2가지의 연결 상태를 갖는다. 제1 연결 상태에서는 도 2에서와 같이 커패시터(C21)의 일측 단자, 커패시터(C21),(C22) 간의 연결단자, 커패시터(C22),(C23) 간의 연결단자, 커패시터(C23)의 타측 단자 각각이 상기 배터리셀(CELL1-CELL4) 각각의 일측 단자(양극단자)에 각기 연결된다. 제2 연결 상태에서는 커패시터(C21)의 일측 단자, 커패시터(C21),(C22) 간의 연결단자, 커패시터(C22),(C23) 간의 연결단자, 커패시터(C23)의 타측 단자 각각이 상기 배터리셀(CELL1- CELL4) 각각의 타측 단자(음극단자)에 각기 연결된다.

도 3은 종래 기술에 의한 플라이백 구조를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4)을 구비하는 배터리 모듈(31); 플라이백 컨버터(32); 및 상기 플라이백 컨버터(32)의 복수 개의 2차 코일 각각을 상기 배터리셀(CELL1-CELL4)에 선택적으로 연결하는 스위치(SW31-SW35)를 포함한다.

도 3의 배터리셀 밸런싱 회로는 SMPS(Switch Mode Power Supply) 중 하나인 플라이백 구조를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로로서 스위치(SW31-SW34)를 이용하여 배터리 모듈(31) 내의 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4) 각각에 전기 에너지 전달이 가능하고, 배터리 모듈(31)의 양측 종단 단자의 사이에 전기 에너지 전달이 가능한 구조를 갖는다.
이 밖에 종래기술에 따른 배터리셀의 밸런싱 기술로서, 대한민국 특허공개 2012-0096396(출원일자 : 2011.12.19.)이 있으며, 이의 구성 및 동작 원리는 상기 도 3과 유사하다.

그런데, 이와 같은 종래 배터리셀의 밸런싱 회로에 적용되는 밸런싱 기술에서는 가장 많은 전하량이 충전된 배터리셀로부터 전하를 회수한 후 가장 적은 전하량이 충전된 배터리셀에 공급하는 동작을 반복적으로 수행하게 되어 있다.

따라서, 종래 기술에 의한 배터리셀의 밸런싱 회로에서는 충전 전하가 균일하지 않은 다수의 배터리셀들이 존재하는 경우 이들 모두에 대해 밸런싱을 완료하는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 밸런싱 시간이 많이 소요되어 밸런싱의 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 LC 직렬공진 회로를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로에서 충전 전하가 균일하지 않은 모든 배터리셀들을 대상으로 밸런싱 전하값을 구한 후 이를 이용하여 일련의 밸런싱 동작을 수행하여 밸런싱 효율이 향상되도록 하는데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 배터리셀의 밸런싱 방법은, (a) 전체 배터리셀의 충전 전하량에 대한 표준편차를 드레쉬홀드와 각기 비교하여 그 비교 결과에 따라 다음 단계로 진행하거나 대기모드로 진행하는 단계; (b) 상기 전체 배터리셀의 충전 전하량과 밸런싱 회로의 전하전달효율을 근거로 하여, 상기 전체 배터리셀을 대상으로 밸런싱을 수행하는데 기준이 되는 밸런싱 전하량을 구하는 단계; (c) 상기 전체 배터리셀의 전하량 중에서, 가장 큰 전하량이 충전된 스트롱 배터리셀의 전하량과 상기 밸런싱 전하량의 차이 및 상기 밸런싱 전하량과 가장 작은 전하량이 충전된 위크 배터리셀의 전하량의 차이의 비교결과에 따라 전하를 공급할 상기 스트롱 배터리셀의 밸런싱 타임과 전하를 공급받을 상기 위크 배터리셀의 밸런싱 타임을 각기 계산하여 그에 따른 밸런싱을 수행하는 단계; 및 (d) 상기 스트롱 배터리셀의 전하량과 위크 배터리셀의 전하량을 구한 후 상기 전체 배터리셀을 전하량을 기준으로 정렬하고, 상기 정렬된 전체 배터리셀의 전하량 중에서 스트롱 배터리셀의 전하량과 위크 배터리셀의 전하량에 대한 일치 여부에 따라 상기 (c) 단계로 복귀하거나 (a) 단계로 복귀하는 단계를 포함한다.

본 발명은 LC 직렬공진 회로를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로에서 밸런싱 동작을 수행할 때, 충전 전하가 균일하지 않은 모든 배터리셀들을 대상으로 밸런싱 전하값을 구한 후 이를 이용하여 일련의 밸런싱 동작을 수행함으로써, 밸런싱 수행시간이 줄어들고 밸런싱 효율이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 병렬저항을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 의한 커패시터를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 3은 종래 기술에 의한 플라이백 구조를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 4는 본 발명에 의한 배터리셀의 밸런싱 방법의 신호 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 밸런싱 방법이 적용되는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로의 일실시 예시도이다.
도 6은 본 발명의 밸런싱 방법이 적용되는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로의 다른실시 예시도이다.
도 7은 배터리셀 모듈에 구비된 배터리셀들을 충전 전하량의 크기 순서로 정렬한 예를 나타낸 도면이다.
도 8a는 임의의 스트롱 배터리셀의 충전 전하량보다 임의의 위크 배터리셀의 충전 전하량이 밸런싱 전하량에 가까운 예를 나타낸 도면이다.
도 8b는 위크 배터리셀의 충전 전하량보다 스트롱 배터리셀의 충전 전하량이 밸런싱 전하량에 더 가까운 예를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 의한 배터리셀의 밸런싱 방법의 신호 흐름도로서 이에 도시한 바와 같이, 밸런싱진행 판단단계(ST1-ST3), 밸런싱전하량 계산단계(ST4-ST7), 밸런싱 수행단계(ST8-ST12) 및 밸런싱종료 판단단계(ST13-ST15)를 포함한다.

도 5는 본 발명의 밸런싱 방법이 적용되는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로의 일실시예로서 이에 도시한 바와 같이, 배터리셀 모듈부(510) 및 직렬공진회로부(520)를 포함한다. 배터리셀 모듈부(510)는 배터리셀 모듈(511), 제1스위치부(512) 및 제2스위치부(513)를 구비하고, 직렬공진회로부(520)는 직렬공진회로(521) 및 제3스위치부(522)를 구비한다.

배터리셀 모듈(511)의 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 임의의 배터리셀에 충전된 전하는 스위치부(512),(513),(522)를 통해 직렬공진회로(521)의 커패시터(Cs)에 일시적으로 충전된 후 상기 스위치부들을 통해 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 임의의 배터리셀에 공급되어 충전된다.

예를 들어, 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 배터리셀(CELL3)의 전하량값이 가장 크고 배터리셀(CELL1)의 전하량값이 가장 작은 경우, 상기 배터리셀(CELL3)에 충전되어 있는 밸런싱 전하량 이상의 전하량을 직렬공진회로(521)의 커패시터(Cs)에 일시적으로 충전하였다가 배터리셀(CELL1)에 공급하여 충전하게 되는데, 이를 설명하면 다음과 같다. 여기서, 상기 밸런싱 전하량이란 배터리셀(CELL1-CELL4)의 평균 전하량을 의미한다.

먼저, 제1 스위치부(512)의 스위치(SW1-SW5) 중에서 스위치(SW3)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 이때, 제2 스위치부(513)의 스위치(SW6-SW10) 중에서 스위치(SW9)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 그리고 제3 스위치부(522)의 스위치(SW11-SW14) 중에서 스위치(SW11) 및 스위치(SW12)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 따라서, 배터리셀 모듈(511)의 배터리셀(CELL3)의 일측 단자가 상기 스위치(SW3) 및 스위치(SW11)를 통해 직렬공진회로(521)의 일측 단자인 제3 공통노드(N3)에 연결되고, 상기 직렬공진회로(521)의 타측 단자인 제4 공통노드(N4)가 상기 스위치(SW12)를 통해 제2 공통노드(N2)에 연결된다.

이에 따라, 배터리셀(CELL3)에 충전된 전하가 상기 스위치(SW3) 및 스위치(SW11)를 통해 회수되어 직렬공진회로(521)의 커패시터(Cs)에 충전된다.

이후, 제1 스위치부(512)의 스위치(SW1-SW5) 중에서 스위치(SW2)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 이때, 제2 스위치부(513)의 스위치(SW6-SW10) 중에서 스위치(SW6)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 그리고, 제3 스위치부(522)의 스위치(SW11-SW14) 중에서 스위치(SW13) 및 스위치(SW14)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 따라서, 직렬공진회로(521)의 일측 단자인 제3 공통노드(N3)가 상기 스위치(SW14) 및 스위치(SW16)를 통해 상기 배터리셀 모듈(111)의 배터리셀(CELL1)의 일측 단자에 연결되고, 상기 직렬공진회로(521)의 타측 단자인 제4 공통노드(N4)가 상기 스위치(SW13)를 통해 제1 공통노드(N1)에 연결된다.

이에 따라, 상기 직렬공진회로(521)의 커패시터(Cs)에 일시적으로 충전된 전하가 스위치(SW14) 및 스위치(SW6)를 통해 상기 배터리셀 모듈(511)의 배터리셀(CELL1)에 공급되어 충전된다.

도 6은 본 발명의 밸런싱 방법이 적용되는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로의 다른실시예로서 이에 도시한 바와 같이, 도 5와 비교할 때 제1 스위치부(612)와 제2 스위치부(513)의 양방향으로 전류를 인가할 수 있도록 구성하여 스위치 경로의 개수를 절반으로 줄인 것이 다른 점이다.

예를 들어, 배터리셀(CELL3)의 평균 전하량을 초과하는 충전 전하의 회수 경로는, 배터리셀(CELL3)의 일측단자, 스위치(SW2), 제1 공통노드(N1), 스위치(SW6), 직렬공진회로(621), 스위치(SW7), 제2 공통노드(N2), 스위치(SW5) 및 상기 배터리셀(CELL3)의 타측단자로 형성된다.

다른 예로써, 상기 커패시터(Cs)에 회수되어 저장된 전하를 상기 배터리셀(CELL4)에 공급하기 위한 경로는, 상기 배터리셀(CELL4)의 타측단자, 스위치(SW3), 제1 공통노드(N1), 스위치(SW8), 직렬공진회로(321), 스위치(SW9), 제2 공통노드(N2), 스위치(SW5) 및 상기 배터리셀(CELL4)의 일측단자로 형성된다.

이하, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 배터리셀의 밸런싱 방법에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 실시예에서는 직렬접속된 12개의 배터리셀을 구비한 배터리셀 모듈에 본 발명에 따른 밸런싱 방법이 적용되는 것을 예로 하여 설명한다.

우선, k번째 배터리셀의 충전전하량 Q_k는 k번째 배터리셀의 충전량(또는 충전상태)을 나타내는 SOC(Stage Of Charge)에 내림차순으로 정렬된 배터리셀의 용량(capacity) 중에서 k번째 용량 C를 곱하여 구하게 되며, 이와 같은 방법으로 전체 배터리셀의 충전 전하량을 구한다(ST1).

도 7은 배터리셀 모듈에 구비된 배터리셀 예를 들어, 12개의 배터리셀(B₁-B₁₂)을 충전 전하량의 크기 순서로 정렬한 예를 나타낸 것이다. 여기서, 배터리셀(B₁)의 충전 전하량(Q₁)이 가장 크고, 배터리셀(B₁₂)의 충전 전하량(Q₁₂)이 가장 작은 것을 알 수 있다. 상기 배터리셀의 개수는 12개로 한정되는 것이 아니라 m(자연수) 개가 될 수 있다.

이어서, 상기 배터리셀(B₁-B₁₂)의 충전 전하량(Q₁-Q₁₂)의 표준편차 σ(Q_k)를 계산하여 미리 정해 놓은 드레쉬홀드(threshold) σ_th와 비교한다(ST2). 상기 비교 결과 각각의 표준 편차 σ(Q_k)가 드레쉬홀드 σ_th 이하인 것으로 판명되면 상기 배터리셀 모듈에 대한 밸런싱이 이루어진 것으로 간주하여 대기모드(idle mode)에 머물러 있게 되지만, σ_th 이상인 것으로 판명되면 다음 단계로 진행한다(ST3).

배터리셀(B₁-B₁₂)의 충전 전하량(Q₁-Q₁₂)의 불균형이 일어난 경우 예를 들어, 도 7과 같이 불균형이 일어난 경우, 평균 전하량 이상의 전하량이 충전되어 있는 스트롱(strong) 배터리셀(이하, "스트롱 배터리셀" 이라 칭함)(B₁-B6)들의 전하를 평균 전하량 이하의 전하량이 충전되어 있는 위크(weak) 배터리셀(이하, "위크 배터리셀" 이라 칭함)(B₇-B₁₂)들에 η _e 의 전하전달효율로 전달하게 되는데, 이를 아래의 <수학식 1>로 표현할 수 있다. 여기서, 전하전달효율은 밸런싱 회로의 전하전달효율을 의미한다.

상기 <수학식 1>을 이용하여 전체 배터리셀(B₁-B₁₂)을 대상으로 밸런싱을 수행하는데 기준이 되는 평균전하량인 밸런싱 전하량 Q_b를 구하게 되는데, 이때 모든 배터리셀(B₁-B₁₂)의 충전 전하량 Q_k와 전하전달효율을 알면 아래의 <수학식 2>와 같이 밸런싱 전하량 Q_b를 구할 수 있다(ST4-ST7).

즉, n=1부터 증가시켜 가면서 모든 배터리셀(B₁-B₁₂)에 대한 밸런싱 전하량 Q_b를 계산하고, 그 때마다 계산된 Q_b가 Q_n 보다 작고 Q_n ₊₁보다 큰지 확인하여 그 조건을 만족할 때, 더 이상의 Q_b 계산동작을 종료하고 현재 구해진 Q_b가 구하고자 하는 밸런싱 전하인 것으로 판단한다. 예를 들어, 배터리셀(B₁-B₁₂)의 충전 전하량(Q₁-Q₁₂)이 도 7과 같은 조건에서 상기와 같이 n=1부터 증가시켜 가면서 모든 배터리셀(B₁-B₁₂)에 대한 밸런싱 전하량 Q_b를 계산해 보면 n이 증가될 때마다 상기 Q_b가 Q₁에서 Q₁₂ 방향으로 이동되며, Q₆과 Q₇의 사이에 위치할 때 더 이상의 Q_b 계산동작을 종료하고 현재 구해진 Q_b가 구하고자 하는 밸런싱 전하인 것으로 판단한다.

이후, 스트롱 배터리셀을 선택하여 스트롱 밸런싱 모드를 수행하거나 위크 배터리셀을 선택하여 위크 밸런싱 모드를 수행한다.

예를 들어, 도 8a와 같이 스트롱 배터리셀(예:B₁)의 충전 전하량(Q₁)보다 위크 배터리셀(예:B₁₂)의 충전 전하량(Q₁₂)이 밸런싱 전하량 Q_b에 가까운 경우, 위크 밸런싱 모드를 선택하여 위크 배터리셀(B₁₂)의 충전전하량(Q₁₂)이 밸런싱 전하량 Q_b에 도달될 까지만 밸런싱 동작을 수행한다.

다른 예로써, 도 8b와 같이 상기 스트롱 배터리셀(B₁)의 충전 전하량(Q₁)이 상기 위크 배터리셀(B₁₂)의 충전 전하량(Q₁₂)보다 밸런싱 전하량 Q_b에 가까운 경우, 스트롱 밸런싱 모드를 선택하여 스트롱 배터리셀(B₁)의 충전전하량(Q₁)이 밸런싱 전하량 Q_b에 도달될 까지만 밸런싱 동작을 수행한다.

배터리셀(B₁-B₁₂)의 충전 전하량이 도 7에서와 같은 내림차 순서로 정렬되었다면, 배터리셀(B₁)에 가장 큰 충전 전하량(Q₁)이 충전되어 있는 것을 의미하고, 배터리셀(B₁₂)에 가장 작은 충전 전하량(Q₁₂)이 충전되어 있는 것을 의미한다.

따라서, Q₁-Q_b가 Q_b-Q₁₂보다 큰 조건에서 Q₁-Q_b에 전하전달효율을 곱한 η _e (Q₁-Q_b)가 Q_b-Q₁₂보다 크면 도 8a와 같이 배터리셀(B₁)의 충전 전하량(Q₁)보다 배터리셀(B₁₂)의 충전 전하량(Q₁₂)이 밸런싱 전하량 Q_b에 더 가까운 경우에 해당되고, 상기 η _e (Q₁-Q_b)가 Q_b-Q₁₂보다 작으면 도 8b와 같이 위크 배터리셀(B₁₂)의 충전 전하량(Q₁₂)보다 스트롱 배터리셀(B₁)의 충전 전하량(Q₁)이 밸런싱 전하량 Q_b에 더 가까운 경우이다(ST8,ST9).

상기 η _e (Q₁-Q_b)와 Q_b-Q₁₂ 간의 비교 결과에 따라 그에 따른 밸런싱 동작을 수행할 제1밸런싱 시간 t_B1은 다음의 <수학식 3>으로 계산되고, 제2밸런싱 시간 t_B2는 다음의 <수학식 4>로 계산된다(ST10,ST11).

즉, 밸런싱 시간은 총 전달될 전하량에 전달하거나 전달받는 평균 전류값을 나누어 계산하게 되는데, 상기 η _e (Q₁-Q_b)와 Q_b-Q₁₂ 간의 비교 결과 배터리셀(B₁)의 충전 전하량(Q₁)보다 배터리셀(B₁₂)의 충전 전하량(Q₁₂)이 밸런싱 전하량 Q_b에 더 가까운 경우 상기 제1밸런싱 타임 t_B1은 다음의 <수학식 3>을 이용하여 계산한다.

그리고, 상기 η _e (Q₁-Q_b)와 Q_b-Q₁₂ 간의 비교 결과 배터리셀(B₁)의 충전 전하량(Q₁)이 배터리셀(B₁₂)의 충전 전하량(Q₁₂)보다 밸런싱 전하량 Q_b에 더 가까운 경우에는 상기 제2밸런싱 타임 t_B2는 다음의 <수학식 4>를 이용하여 계산한다.

상기 <수학식 3>에서 i_S _, _avg는 스트롱 배터리셀의 평균 밸런싱 전류이며, 이 전류(i_S _, _avg)가 η _e 의 전하전달효율로 위크 배터리셀에 전달된다. 따라서, 상기 위크 배터리셀에서 전달받는 전류값은 η _e i_S,avg가 된다.

이후, 상기 밸런싱 시간 t_B1,t_B2를 근거로 하여 스트롱 배터리셀(예:B₁)과 이에 상응되는 위크 배터리셀(예: B₁₂)을 선택하여 밸런싱 동작을 수행한다(ST12).

이때, 상기 도 5 및 도 6의 설명에서와 같이 스위치들을 선택적으로 동작시켜 배터리셀(B₁)에 충전된 전하를 상기 밸런싱 시간 t_B1 또는 t_B2 동안 직렬공진회로의 커패시터에 회수(충전)하였다가 상기 t_B1또는 t_B2동안 상기 배터리셀(B₁₂)에 배분(공급)하게 된다.

이어서, 상기 밸런싱 동작이 수행된 스트롱 배터리셀(B₁)과 위크 배터리셀(B₁₂)의 변화된 전하량(

,

)을 다음의 <수학식 5>를 이용하여 계산한다(ST13).

여기서, Q₁은 스트롱 배터리셀의 이전 전하량,

는 스트롱 배터리셀의 현재 전하량, is_. _avg는 밸런싱 전류, t_B는 밸런싱 타임, Q₁₂는 위크 배터리셀의 이전 전하량,

는 위크 배터리셀의 현재 전하량, η _e 는 전하전달효율을 의미한다.

이후, 상기와 같이 업데이트된 배터리셀들을 전하량을 기준으로 정렬한 후 스트롱 배터리셀의 스트롱 전하량(Q_s)과 위크 배터리셀의 위크전하량(Q_w)을 비교하여 서로 같지 않은 것으로 판명되면 상기와 같은 밸런싱과정(ST8-ST14)으로 진행한다(ST14,ST15).

예를 들어, 맨 처음 밸런싱 동작을 수행하기 이전에 충전 전하량값 순서로 정렬한 결과가 도 7과 같고, 상기 밸런싱과정(ST8-ST14)에서 상기 스트롱 배터리셀(B₁)과 위크 배터리셀(B₁₂)을 선택하여 밸런싱을 수행하면 위크 배터리셀(B₁₂)의 전하량이 밸런싱 전하량 Q_b에 도달되고 스트롱 배터리셀(B₁)의 전하량값이 스트롱 배터리셀(B₂)의 전하량값보다 밸런싱 전하량 Q_b로부터 멀리 위치하게 된다.

따라서, 두 번째 밸런싱 동작을 수행할 때에는 스트롱 배터리셀(B₂)의 전하량이 스트롱 전하량 Q_s으로 설정되고 위크 배터리셀(B₁₁)의 전하량이 위크 전하량 Q_w로 설정된 후 상기 밸런싱과정(ST8-ST14)을 수행하게 되며, 이와 같은 밸런싱과정은 스트롱 배터리셀의 스트롱 전하량 Q_s과 위크 배터리셀의 위크 전하량 Q_w가 서로 같아질 때 까지 반복 수행된다.

상기 제15단계(ST15)에서는 상기 Q_s과 Q_w가 같은 것으로 판명되면, 배터리셀들의 표준 편차 σ(Q_k)을 계산하여 상기 드레쉬홀드(threshold) σ_th와 비교한 후 그 비교결과 상기 표준 편차 σ(Q_k)가 드레쉬홀드 σ_th 이하인 것으로 판명되면 대기모드(idle mode)로 진행하고, 상기 표준 편차 σ(Q_k)가 드레쉬홀드 σ_th 이상인 것으로 판명되면 제4단계(ST4)로 진행하여 상기 과정을 수행하게 된다.

결국, 밸런싱 전하량 Q_b를 구한 후 이를 이용하여 N개의 배터리 셀의 불균형에 대한 N번의 밸런싱 동작을 수행함으로써, 모든 배터리셀들의 충전 전하량이 최단시간 내에 정확하게 균형 상태에 도달하게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

510,610 : 배터리셀 모듈부 520,610 : 직렬공진회로부
511,611 : 배터리셀 모듈 512,612 : 제1스위치부
513,613 : 제2스위치부 521,621 : 직렬공진회로
522,622 : 제3스위치부

Claims

(a) 전체 배터리셀의 충전 전하량에 대한 표준편차를 드레쉬홀드와 각기 비교하여 그 비교 결과에 따라 다음 단계로 진행하거나 대기모드로 진행하는 단계;
(b) 상기 전체 배터리셀의 충전 전하량과 밸런싱 회로의 전하전달효율을 근거로 하여, 상기 전체 배터리셀을 대상으로 밸런싱을 수행하는데 기준이 되는 밸런싱 전하량을 구하는 단계;
(c) 상기 전체 배터리셀의 전하량 중에서, 가장 큰 전하량이 충전된 스트롱 배터리셀의 전하량과 상기 밸런싱 전하량의 차이 및 상기 밸런싱 전하량과 가장 작은 전하량이 충전된 위크 배터리셀의 전하량의 차이의 비교결과에 따라 전하를 공급할 상기 스트롱 배터리셀의 밸런싱 타임과 전하를 공급받을 상기 위크 배터리셀의 밸런싱 타임을 각기 계산하여 그에 따른 밸런싱을 수행하는 단계; 및
(d) 상기 스트롱 배터리셀의 전하량과 위크 배터리셀의 전하량을 구한 후 상기 전체 배터리셀을 전하량을 기준으로 정렬하고, 상기 정렬된 전체 배터리셀의 전하량 중에서 스트롱 배터리셀의 전하량과 위크 배터리셀의 전하량에 대한 일치 여부에 따라 상기 (c) 단계로 복귀하거나 (a) 단계로 복귀하는 단계를 포함하되,
상기 (a) 단계는
상기 전체 배터리셀에 각기 저장된 충전 전하량을 계산하고, 상기 계산 결과를 근거로 최고충전 전하량부터 최저충전 전하량까지 정렬하는 제1 단계;
상기 전체 배터리셀의 충전 전하량의 표준 편차를 계산하여 미리 정해진 드레쉬홀드와 비교하는 제2 단계; 및
상기 제2단계의 비교 결과 상기 표준 편차가 상기 드레쉬홀드 이하로 판명되면 대기모드로 진행하고, 상기 표준 편차가 상기 드레쉬홀드 이상으로 판명되면 다음 단계로 진행하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리셀의 밸런싱 방법.
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제1 항에 있어서, 상기 제1 단계는
상기 전체 배터리셀에 각기 저장된 충전 전하량을 계산할 때 k번째 배터리셀의 충전 전하량은 k번째 배터리셀의 충전량에 k번째 배터리셀의 용량을 곱하여 구하는 것을 특징으로 하는 배터리셀의 밸런싱 방법.
제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는
아래의 <수학식>을 이용하여 밸런싱 전하량 Q_b를 구하는 제4 단계 및 제5 단계;
상기 제5단계에서 상기 Q_b가 계산될 때마다 상기 Q_b가 n번째 배터리셀의 전하량 Q_n 보다 작고 Q_n ₊₁보다 큰지 확인하여 그 조건을 만족할 때 상기 제5단계에서 Q_b 계산동작이 종료되도록 하는 제6단계; 및
상기 제6단계에서 상기 조건을 만족하지 않을 때 마다 상기 제5단계에서의 <수학식>의 n값을 1씩 증가시키는 제7단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리셀의 밸런싱 방법.

여기서,
Q_k : 전체 배터리셀의 충전전하량
m : 배터리셀의 개수
n : 자연수
η _e : 전하전달효율
제1항에 있어서, 상기 (c) 단계는
상기 스트롱 배터리셀의 전하량과 상기 밸런싱 전하량의 차이가 상기 밸런싱 전하량과 상기 위크 배터리셀의 전하량의 차이보다 큰지 비교하는 제8단계;
상기 제8단계에서 상기 스트롱 배터리셀의 전하량과 상기 밸런싱 전하량의 차이가 상기 밸런싱 전하량과 상기 위크 배터리셀의 전하량의 차이보다 큰 것으로 판명될 때 상기 스트롱 배터리셀의 전하량과 상기 밸런싱 전하량의 차이에 상기 전하전달효율을 곱한 값이 상기 밸런싱 전하량과 상기 위크 배터리셀의 전하량의 차이보다 큰지 비교하는 제9단계;
상기 제9단계의 비교 결과에 따라 제1 밸런싱 타임을 구하는 제10 단계 및 제2 밸런싱 타임을 구하는 제11단계; 및
상기 제1 밸런싱 타임 및 상기 제2 밸런싱 타임을 근거로 하여 스트롱 배터리셀과 위크 배터리셀을 순차적으로 선택하여 밸런싱 동작을 수행하는 제12단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리셀의 밸런싱 방법.
제5항에 있어서, 상기 제1 밸런싱 타임(t_B1) 및 상기 제2 밸런싱 타임(t_B2)은 아래의 <수학식>을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 배터리셀의 밸런싱 방법.

여기서,
η _e : 전하전달효율
Q_b : 밸런싱 전하량
Q₁ : 스트롱 배터리셀의 전하량
Q_m : 위크 배터리셀의 전하량
i_S _, _avg: 스트롱 배터리셀의 평균 밸런싱 전류
제5항에 있어서, 상기 배터리셀의 밸런싱 방법은 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로에 적용된 것을 특징으로 하는 배터리셀의 밸런싱 방법.
제7항에 있어서, 상기 제12단계의 밸런싱 동작은
상기 스트롱 배터리셀의 일부 전하를 회수하여 상기 배터리셀 밸런싱 회로의 커패시터에 저장하는 단계; 및
상기 커패시터에 저장된 전하를 상기 위크 배터리셀에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리셀의 밸런싱 방법
제1항에 있어서, 상기 (d)단계는
상기 스트롱 배터리셀의 전하량과 위크 배터리셀의 전하량을 구하는 제13단계;
상기 전체 배터리셀을 전하량을 기준으로 내림차 순으로 정렬하는 제14단계; 및
상기 스트롱 배터리셀의 전하량과 위크 배터리셀의 전하량이 일치하는지 확인하여 일치하지 않으면 상기 (c) 단계로 복귀하고, 일치하면 상기 (a) 단계로 복귀하는 제15단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리셀의 밸런싱 방법.
제9항에 있어서, 상기 제13단계는 아래의 <수학식>을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 배터리셀의 밸런싱 방법.

여기서,
Q₁ : 스트롱 배터리셀의 이전 전하량

: 스트롱 배터리셀의 현재 전하량
i_S _, _avg: 스트롱 배터리셀의 평균 밸런싱 전류
t_B: 밸런싱 타임
Q_m : 위크 배터리셀의 이전 전하량

: 위크 배터리셀의 현재 전하량
η _e : 전하전달효율
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