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KR20170070525A - 자율 배터리 밸런싱 장치 및 그 방법 - Google Patents

자율 배터리 밸런싱 장치 및 그 방법 Download PDF

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KR20170070525A
KR20170070525A KR1020150178161A KR20150178161A KR20170070525A KR 20170070525 A KR20170070525 A KR 20170070525A KR 1020150178161 A KR1020150178161 A KR 1020150178161A KR 20150178161 A KR20150178161 A KR 20150178161A KR 20170070525 A KR20170070525 A KR 20170070525A
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battery
battery cell
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rectifier
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권오철
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현대오트론 주식회사
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Abstract

본 발명은 자율 배터리 밸런싱 장치에 대한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치는 방전 저항과 방전 스위치를 포함하고, 배터리 셀과 병렬로 연결되어 상기 방전 스위치가 온(on)되는 경우 상기 배터리 셀의 전압이 방전되도록 구성되는 밸런싱 회로; 상기 배터리 셀의 전압을 분배하는 분배기; 및 상기 분배기에서 출력된 전압을 입력받고, 상기 분배기에서 출력된 전압이 기준 전압(reference voltage) 이상인 경우 상기 밸런싱 회로로 방전 요구 전류를 흘려주는 정류기를 포함하고, 상기 밸런싱 회로는 상기 정류기로부터 상기 방전 요구 전류를 입력받은 경우, 상기 방전 스위치를 온(on)시켜 상기 배터리 셀의 전압이 상기 방전 저항을 통해 방전되도록 구성된다.

Description

자율 배터리 밸런싱 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR AUTONOMOUS BATTERY BALANCING}
본 발명은 전기 에너지를 이용하는 장치에 사용될 수 있는 배터리를 관리하는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리의 자율 밸런싱 기술에 대한 것이다.
최근 고전압의 배터리를 사용하는 산업기기, 가정기기 및 자동차 등 다양한 장치가 등장하고 있으며 특히 자동차 기술분야에서는 고전압 배터리 사용이 더욱 활발해지고 있다.
가솔린이나 중유 등의 화석연료를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
전기자동차(EV; Electric Vehicle)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차를 말한다. 즉, 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시키는 전기자동차는 가솔린 자동차보다 먼저 개발되었으나, 배터리의 무거운 중량 및 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 최근 에너지 및 환경 문제가 심각해지면서 1990년대부터 실용화를 위한 연구가 시작되었다.
한편, 최근 배터리 기술이 비약적으로 발전하면서 전기자동차 및 화석연료와 전기에너지를 적응적으로 사용하는 하이브리드 자동차(HEV)가 상용화되고 있다.
HEV는 가솔린과 전기를 함께 동력원으로 사용하기 때문에 연비 개선 및 배기가스 저감 측면에서 긍정적인 평가를 받고 있다. 이러한 HEV도 가솔린 자동차와의 가격 차이를 어떻게 극복하느냐가 관건으로서, 2차 전지 탑재량을 전기자동차의 1/3수준까지 낮출 수 있어 완전한 전기 자동차로 진화하는 중간 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
이러한 전기 에너지를 이용하는 HEV 및 EV 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.
상기와 같이 복수의 배터리 셀을 결합한 배터리 관리 시스템에서는 구조적 차이에 기인한 배터리 셀 간의 전압 편차가 필연적으로 발생하게 된다. 이와 같은 전압편차는 배터리 전압의 균일성을 저해하게 되고, 결국에는 배터리 열화의 원인으로 작용하게 되어 배터리의 수명을 감소시킨다.
따라서, 배터리 전력을 이용한 시스템 운용 중이나 배터리 셀의 충방전시 각 셀의 전압을 균등하게 유지하는 배터리 셀 밸런싱 동작은 배터리 관리 시스템의 매우 중요한 요소가 된다.
이러한 배터리 셀의 밸런싱 기술은 낮은 셀의 전압을 기준으로 이보다 높은 셀 전압을 방전시킨다. 이를 위해, 배터리 관리 시스템에는 배터리 셀의 밸런싱을 위해 배터리 셀 간의 전압을 측정하는 회로, 각 배터리 셀의 전압을 비교하는 회로, 낮은 셀의 전압을 방전시키는 회로 등이 필요하게 된다.
또한, 배터리 관리 시스템은 특정 구간에서만 각 배터리 셀의 전압을 측정하거나 비교하는 것이 아니라, 항상 배터리 셀을 모니터링하고 있어야 한다. 따라서 배터리 관리 시스템의 모니터링 및 제어와 관련된 부하가 가중될 수 있다.
미국 특허공개공보 제2014-0070772호
본 발명은 배터리 셀과 연결된 정류기를 이용하여 자율적으로 셀 밸런싱할 수 있는, 자율 배터리 밸런싱 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치는 방전 저항과 방전 스위치를 포함하고, 배터리 셀과 병렬로 연결되어 상기 방전 스위치가 온(on)되는 경우 상기 배터리 셀의 전압이 방전되도록 구성되는 밸런싱 회로; 상기 배터리 셀의 전압을 분배하는 분배기; 및 상기 분배기에서 출력된 전압을 입력받고, 상기 분배기에서 출력된 전압이 기준 전압(reference voltage) 이상인 경우 상기 밸런싱 회로로 방전 요구 전류를 흘려주는 정류기를 포함하고, 상기 밸런싱 회로는 상기 정류기로부터 상기 방전 요구 전류를 입력받은 경우, 상기 방전 스위치를 온(on)시켜 상기 배터리 셀의 전압이 상기 방전 저항을 통해 방전되도록 구성된다.
상기 밸런싱 회로는 상기 방전 저항과 상기 방전 스위치가 직렬로 연결될 수 있다.
상기 방전 스위치는 NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor)로 구성되고, 상기 NMOS의 게이트 단이 상기 정류기와 연결되어 상기 방전 요구 전류가 입력되는 경우 온(on)될 수 있다.
상기 분배기는 과충전 기준 전압이 입력되는 경우, 상기 기준 전압(reference voltage)을 출력하도록 설정될 수 있다.
상기 정류기는 제너 다이오드(Zener diode)로 구성되고, 상기 기준 전압(reference voltage) 이상의 전압이 입력 되는 경우 음극에서 양극으로 전류가 흐를 수 있다.
본 발명은 배터리 셀에 정류기를 연결하여 별도의 제어 없이도 자율적으로 배터리 셀 간의 전압이 밸런싱되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 자율적으로 배터리 셀 간 전압 밸런싱이 이루어짐으로써, 배터리 관리 시스템에서 배터리 제어의 복잡도를 낮추는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치의 밸런싱 회로의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치의 분배기의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치의 정류기의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치가 복수의 배터리 셀 각각에 적용된 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치의 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치는 밸런싱 회로(20), 정류기(30) 및 분배기(40)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치는 배터리 셀(11)의 전압을 별도의 제어 없이 자율적으로 밸런싱 한다. 이때, 도 1에 도시된 배터리 셀(11)의 개수는 예시적인 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치는 적어도 둘 이상의 복수의 배터리 셀을 밸런싱한다. 따라서, 밸런싱 회로(20), 정류기(30) 및 분배기(40)는 각각의 배터리 셀에 도 1에서 배터리 셀(11)연결된 형태와 동일하게 연결된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치의 밸런싱 회로의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 밸런싱 회로(20)는 방전 저항(R3)과 방전 스위치(TR)를 포함한다. 밸런싱 회로(20)는 배터리 셀(11)과 병렬로 연결되어 방전 스위치(TR)가 온(on)되는 경우 배터리 셀(11)의 전압이 방전되도록 구성된다. 즉, 밸런싱 회로(20)는 정류기(30)로부터 방전 요구 전류를 입력받은 경우, 방전 스위치(TR)를 온(on)시켜 배터리 셀(11)의 전압이 방전 저항(R3)을 통해 방전되도록 구성된다. 이때, 밸런싱 회로(20)는 방전 저항(R3)과 방전 스위치(TR)가 직렬로 연결되도록 구성될 수 있다. 또한, 방전 스위치(TR)은 NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor)를 의미할 수 있다. 이때, 상기 NMOS는 게이트 단이 정류기(30)와 연결되어 정류기(30)로부터 상기 방전 요구 전류가 입력되는 경우 온(on)되도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 방전 요구 전류는 배터리 셀(11)이 과충전 상태가 되어 방전이 필요하다는 것을 밸런싱 회로(20)에 알려주는 신호를 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치의 분배기의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 분배기(40)는 배터리 셀(11)의 전압을 분배한다. 분배기(40)는 분배된 전압을 정류기(30)로 출력한다. 즉, 정류기(30)는 분배기(40)의 출력을 입력받는다. 분배기(40)는 분배저항(R1,R2)으로 구성될 수 있다. 이때, 분배저항(R1,R2)의 값은 과충전 기준 전압이 입력되는 경우, 기준 전압(reference voltage)을 출력하도록 설정될 수 있다. 즉, 상기 기준 전압(reference voltage)을 Vf라 하고, 상기 과충전 기준 전압을 VC라고 할 때, Vf = VC × R2/(R1+R2) 의 관계를 갖도록 설정될 수 있다. 이때, 상기 과충전 기준 전압은 배터리 셀(11)이 과충전으로 판단되는 전압을 의미한다. 예를 들어, 상기 과충전 기준 전압은 4.6 V를 의미할 수 있다. 한편, 상기 기준 전압(reference voltage)은 정류기(30)에서 역방향(음극에서 양극)으로 전류가 흐르도록 하는 최소 전압을 말한다. 예를 들어, 상기 기준 전압(reference voltage)은 3 V를 의미할 수 있다. 다만, 상기 과충전 기준 전압과 상기 기준 전압(reference voltage)은 예시적인 것으로, 배터리 셀의 종류 등에 따라 바뀔 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치의 정류기의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 정류기(30)는 제너 다이오드(Zener diode)를 의미할 수 있다. 정류기(30)는 분배기(40)에서 출력된 전압을 입력받고, 분배기(40)에서 출력된 전압이 상기 기준 전압(reference voltage) 이상인 경우 밸런싱 회로(20)로 방전 요구 전류를 흘려준다. 구체적으로, 정류기(30)는 배터리 셀(11)의 전압이 상기 과충전 기준 전압 이상의 값을 가지면 분배기(40)를 통해 상기 기준 전압(reference voltage) 이상의 값을 입력 받는다. 이 경우, 정류기(30)는 역방향(음극에서 양극)으로 전류가 흐를 수 있도록 경로가 형성된다. 상기 경로를 따라 상기 방전 요구 전류가 흐르게 되고, 경로 저항(R4)를 타고 흘러 전압 강하를 일으킨다. 이때, 방전 스위치(TR)가 NMOS인 경우, 게이트 단의 전압이 소스 단의 전압보다 커지게 되므로, 방전 스위치(TR)은 온(on) 된다. 따라서, 배터리 셀(11)의 전류가 방전 저항(R3)를 통해 흐르게 되어 배터리 셀(11)의 전압이 방전된다. 따라서, 복수의 배터리 셀간 자율적으로 전압 밸런싱이 이루어지게 된다.
그러나, 정류기(30)는 분배기(40)에서 출력된 전압이 상기 기준 전압(reference voltage) 미만인 경우 밸런싱 회로(20)로 전류를 흘려주지 않는다. 따라서, 밸런싱 회로(20)의 방전 스위치(TR)는 오프(OFF) 상태를 유지한다. 즉, 이 경우는 밸런싱이 필요없는 정상상태를 의미한다.
한편, 정류기(30)와 분배기(40)는 함께 션트 레귤레이터(shunt regulator)를 구성할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치가 복수의 배터리 셀 각각에 적용된 구성도이다.
도 5를 참조하면, 복수의 배터리 셀(11a,11b,11c) 중 상기 과충전 기준 전압 이상의 전압을 갖는 배터리 셀이 있는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치에 의해 자율적으로 전압이 방전되어 복수의 배터리 셀(11a,11b,11c)간의 전압 밸런싱이 이루어지게 된다. 예를 들어, 제1 배터리 셀(11a)의 전압이 3.5 V, 제2 배터리 셀(11b)의 전압이 4.7 V, 제3 배터리 셀(11c)의 전압이 3.9 V, 상기 과충전 기준 전압이 4.6 V인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 배터리 밸런싱 장치에 의해 제2 배터리 셀(11b)의 전압이 자율적으로 방전되어, 복수의 배터리 셀(11a,11b,11c)간의 전압 밸런싱이 이루어지게 된다. 따라서, 별도의 제어 없이도 복수의 배터리 셀(11a,11b,11c)의 전압이 밸런싱이 맞춰져 배터리 셀의 화재, 폭발 등에 의한 안전 사고 위험을 감소시킬 수 있게 된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
11 : 배터리 셀 20 : 밸런싱 회로
30 : 정류기 40 : 분배기

Claims (5)

  1. 방전 저항과 방전 스위치를 포함하고, 배터리 셀과 병렬로 연결되어 상기 방전 스위치가 온(on)되는 경우 상기 배터리 셀의 전압이 방전되도록 구성되는 밸런싱 회로;
    상기 배터리 셀의 전압을 분배하는 분배기; 및
    상기 분배기에서 출력된 전압을 입력받고, 상기 분배기에서 출력된 전압이 기준 전압(reference voltage) 이상인 경우 상기 밸런싱 회로로 방전 요구 전류를 흘려주는 정류기를 포함하고,
    상기 밸런싱 회로는 상기 정류기로부터 상기 방전 요구 전류를 입력받은 경우, 상기 방전 스위치를 온(on)시켜 상기 배터리 셀의 전압이 상기 방전 저항을 통해 방전되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자율 배터리 밸런싱 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 밸런싱 회로는 상기 방전 저항과 상기 방전 스위치가 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 자율 배터리 밸런싱 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 방전 스위치는 NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor)로 구성되고, 상기 NMOS의 게이트 단이 상기 정류기와 연결되어 상기 방전 요구 전류가 입력되는 경우 온(on)되는 것을 특징으로 하는 자율 배터리 밸런싱 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 분배기는 과충전 기준 전압이 입력되는 경우, 상기 기준 전압(reference voltage)을 출력하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 자율 배터리 밸런싱 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 정류기는 제너 다이오드(Zener diode)로 구성되고, 상기 기준 전압(reference voltage) 이상의 전압이 입력 되는 경우 음극에서 양극으로 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 자율 배터리 밸런싱 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20200032124A (ko) * 2017-07-19 2020-03-25 르노 에스.아.에스. 배터리 셀에서 자체 방전 결함을 검출하는 방법
WO2023063685A1 (ko) * 2021-10-15 2023-04-20 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법

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KR20200032124A (ko) * 2017-07-19 2020-03-25 르노 에스.아.에스. 배터리 셀에서 자체 방전 결함을 검출하는 방법
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