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KR20230036468A - 배터리 밸런싱 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 시스템 - Google Patents

배터리 밸런싱 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 시스템 Download PDF

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KR20230036468A
KR20230036468A KR1020210119360A KR20210119360A KR20230036468A KR 20230036468 A KR20230036468 A KR 20230036468A KR 1020210119360 A KR1020210119360 A KR 1020210119360A KR 20210119360 A KR20210119360 A KR 20210119360A KR 20230036468 A KR20230036468 A KR 20230036468A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cell
balancing
battery
auxiliary
auxiliary battery
Prior art date
Application number
KR1020210119360A
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English (en)
Inventor
송창용
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은, 배터리 밸런싱 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 메인 배터리, 상기 메인 배터리의 에너지로 충전되는 보조 배터리, 상기 복수의 배터리 셀과 상기 보조 배터리를 연결하는 적어도 하나의 메인 스위치를 포함하는 셀 밸런싱 회로, 그리고 소정의 기준에 따라 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 밸런싱(Cell Balancing) 대상인 밸런싱 셀을 결정하고, 상기 메인 스위치를 제어하여 상기 밸런싱 셀과 상기 보조 배터리를 연결하며, 상기 밸런싱 셀의 셀 전압이 소정의 제1 기준값에 도달할 때까지 상기 밸런싱 셀을 방전시켜 상기 메인 배터리에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 복수의 보조 배터리 셀 중 상기 밸런싱 셀의 셀 전압보다 낮은 셀 전압에 대응하는 충전 셀을 결정하고, 상기 충전 셀에 대응하는 보조 스위치를 턴 온 하여 상기 충전 셀을 상기 밸런싱 셀에 연결한다.

Description

배터리 밸런싱 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 시스템{BATTERY BALANCING METHOD AND BATTERY SYSTEM PROVIDING THE SAME}
본 발명은, 배터리 밸런싱 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
배터리 팩 내부에는 다수의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 연결되어 있으며, 배터리 셀 사이의 전압 편차는 배터리 셀의 과방전 또는 과충전을 초래하고, 배터리 셀의 수명 또한 감소시킬 수 있다. 이러한 전압 편차를 개선하기 위해서 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS) 내부에 셀 밸런싱(cell balancing) 회로를 설계한다.
밸런싱 회로로, 상대적으로 전압이 높은 배터리 셀의 에너지를 저항의 발열로 소모시켜서 배터리 셀 사이의 균형을 유지하는 패시브 셀 밸런싱 회로가 사용될 수 있다. 이 경우, 저항의 발열로 인해서 밸런싱을 위한 전류에 제한이 있으므로, 배터리 셀의 용량이 증가하는 추세에 맞추어 밸런싱을 위한 전류를 늘리기 어려운 문제점이 있다.
이를 개선하기 위해, 상대적으로 전압이 높은 배터리 셀의 에너지를 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀의 에너지로 전달하는 액티브 셀 밸런싱 회로가 제안되었다. 그러나, 상대적으로 전압이 높은 배터리 셀에서 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀로 전달되는 에너지 양이 일정하지 않고, 배터리 셀 간의 전압차가 상이하므로, 방전할 배터리 셀 및 충전할 배터리 셀을 선택하여 전체 배터리 셀의 전압 밸런싱을 맞추는 과정이 복잡하다는 문제점이 있다.
본 발명은, 메인 배터리의 밸런싱 에너지로 보조 배터리를 충전하고, 보조 배터리를 소정의 전장부품의 전원으로 사용하는 배터리 밸런싱 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 메인 배터리, 보조 스위치의 스위칭 동작으로 병렬 연결되는 복수의 보조 배터리 셀을 포함하는 보조 배터리, 상기 복수의 배터리 셀과 상기 보조 배터리를 연결하는 적어도 하나의 메인 스위치를 포함하는 셀 밸런싱 회로, 그리고 소정의 기준에 따라 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 밸런싱(Cell Balancing) 대상인 밸런싱 셀을 결정하고, 상기 밸런싱 셀과 상기 보조 배터리를 연결하는 메인 스위치를 턴 온하며, 상기 밸런싱 셀의 셀 전압이 소정의 제1 기준값에 도달할 때까지 상기 밸런싱 셀을 방전시켜 상기 메인 배터리에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 복수의 보조 배터리 셀 중 상기 밸런싱 셀의 셀 전압보다 낮은 셀 전압에 대응하는 충전 셀을 결정하고, 상기 충전 셀에 대응하는 보조 스위치를 턴 온 하여 상기 충전 셀을 상기 밸런싱 셀에 연결한다.
상기 제어부는, 상기 메인 배터리에 대한 셀 밸런싱이 종료되면, 상기 복수의 보조 배터리 셀이 병렬 연결되도록 상기 복수의 보조 배터리 셀 각각에 대응하는 복수의 보조 스위치를 턴 온 하여, 상기 보조 배터리에 대한 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 보조 배터리의 전압이 소정의 제2 기준값 이상이면, 상기 보조 배터리의 에너지가 소정의 전장부품에 전달되도록 상기 보조 배터리의 방전을 제어할 수 있다.
상기 제1 기준값은, 상기 제2 기준값 이상으로 설정될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 밸런싱 셀의 양극과 상기 보조 배터리의 양극이 연결되고, 상기 밸런싱 셀의 음극과 상기 보조 배터리의 음극이 연결되도록 상기 메인 스위치를 턴 온 할 수 있다.
상기 전장부품은, RTC(Real Time Clock)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 밸런싱 방법은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 메인 배터리의 밸런싱 에너지로 복수의 보조 배터리 셀을 포함하는 보조 배터리를 충전하는 셀 밸런싱 방법으로서, 소정의 기준에 따라 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 밸런싱(Cell Balancing) 대상인 밸런싱 셀을 결정하는 단계, 상기 밸런싱 셀과 상기 보조 배터리를 연결하는 적어도 하나의 메인 스위치를 제어하여, 상기 밸런싱 셀과 상기 보조 배터리를 연결하는 단계, 그리고 상기 밸런싱 셀의 셀 전압이 소정의 제1 기준값에 도달할 때까지 상기 밸런싱 셀을 방전시켜, 상기 메인 배터리에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 밸런싱 셀과 상기 보조 배터리를 연결하는 단계는, 상기 복수의 보조 배터리 셀 중 상기 밸런싱 셀의 셀 전압보다 낮은 셀 전압에 대응하는 충전 셀을 적어도 하나 이상 결정하고, 상기 충전 셀에 대응하는 보조 스위치를 턴 온 하여 상기 충전 셀을 상기 밸런싱 셀에 연결하는 메인 스위치를 턴 온 한다.
상기 밸런싱 셀과 상기 보조 배터리를 연결하는 단계는, 상기 밸런싱 셀의 양극과 상기 보조 배터리의 양극이 연결되고, 상기 밸런싱 셀의 음극과 상기 보조 배터리의 음극이 연결되도록 상기 메인 스위치를 턴 온 할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 방법은, 상기 메인 배터리에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 단계 이후에, 상기 복수의 보조 배터리 셀이 병렬 연결되도록 상기 복수의 보조 배터리 셀 각각에 대응하는 복수의 보조 스위치를 턴 온 하여, 상기 보조 배터리에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 방법은, 상기 보조 배터리에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 단계 이후에, 상기 보조 배터리의 전압이 소정의 제2 기준값 이상이면, 상기 보조 배터리의 에너지가 소정의 전장부품에 전달되도록 상기 보조 배터리의 방전을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 기준값은, 상기 제2 기준값 이상일 수 있다.
본 발명은, 메인 배터리에 대한 셀 밸런싱 과정에서 발생하는 전력(밸런싱 에너지)을 보조 배터리에 저장함으로써, 보조 배터리를 전장부품의 전원으로 사용할 수 있다.
본 발명은, 셀 밸런싱 대상인 배터리 셀(이하, 밸런싱 셀)의 셀 전압이 기준값에 도달할 때까지 밸런싱 셀을 방전시키는 간단한 방법으로, 메인 배터리에 대한 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 메인 배터리, 셀 밸런싱 회로, 및 보조 배터리의 연결 관계를 설명하기 위한 상세 회로도이다.
도 3은 도 1의 보조 배터리를 전장부품의 전원으로 사용하는 방법에 대한 일 예시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 도 4의 밸런싱 셀과 보조 배터리를 연결하는 단계(S130)을 상세하게 설명하는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 설명하는 도면이고, 도 2는 도 1의 메인 배터리, 셀 밸런싱 회로, 및 보조 배터리의 연결 관계를 설명하기 위한 상세 회로도이며, 도 3은 도 1의 보조 배터리를 전장부품의 전원으로 사용하는 방법에 대한 일 예시도이다.
도 1을 참고하면, 배터리 시스템(1)은, 메인 배터리(10), 보조 배터리(20), 그리고 BMS(Battery Management System)(30)을 포함한다.
도 1에서, 메인 배터리(10)는 배터리 시스템(1)의 두 출력단(OUT1, OUT2) 사이에 연결되어 있으며, 배터리 시스템(1)의 양극과 제1 출력단(OUT1) 사이에 제1 메인 릴레이(M_SW1)가 연결되어 있고, 배터리 시스템(1)의 음극과 제2 출력단(OUT2) 사이에 제2 메인 릴레이(M_SW2)가 연결되어 있다. 도 1에 도시된 구성들 및 구성들 간의 연결 관계는 일 예로 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 메인 릴레이(M_SW1) 및 제2 메인 릴레이(M_SW2)가 온 되면, 배터리 시스템(1)과 외부장치가 전기적으로 연결되어 충전 또는 방전이 수행되고, 제1 메인 릴레이(M_SW1) 및 제2 메인 릴레이(M_SW2) 중 적어도 하나가 오프 되면, 배터리 시스템(1)과 외부장치가 전기적으로 분리된다. 이때, 외부장치는 메인 배터리(10)에 전력을 공급하여 충전하는 충전 모드에서는 충전기이고, 메인 배터리(10)가 외부장치로 전력을 방전하는 방전 모드에서는 부하일 수 있다.
메인 배터리(10)는, 도 1 및 도 2를 참고하면, 전기적으로 직렬 및/또는 병렬 연결되어 있는 복수의 배터리 셀(Cell11-Cell1N)을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리 셀(Cell1i)은 충전 가능한 2차 전지일 수 있다. 도 2에는, 제1 내지 제4 배터리 셀(Cell11-Cell14)이 직렬 연결된 메인 배터리(10)가 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 메인 배터리(10)는 직렬 및/또는 병렬 연결되어 있는 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다.
복수의 배터리 셀(Cell11-Cell1N) 각각은 배선을 통해 BMS(30)에 전기적으로 연결되어 있다. BMS(30)는 복수의 배터리 셀(Cell11-Cell1N)에 대한 정보를 포함한 배터리 셀에 관한 다양한 정보를 취합 및 분석하여 배터리 셀의 충전 및 방전, 셀 밸런싱 등을 제어할 수 있다.
보조 배터리(20)는, 도 1 및 도 2를 참고하면, 보조 스위치(Qbi)의 스위칭 동작으로 병렬 연결되는 복수의 보조 배터리 셀(Cell21-Cell2M)을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 보조 배터리 셀(Cell2i)은 충전 가능한 2차 전지일 수 있다. 도 2에는, 제1 내지 제3 보조 배터리 셀(Cell21-Cell23)이 병렬 연결된 보조 배터리(20)가 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 보조 배터리(20)는 병렬 연결되어 있는 복수의 보조 배터리 셀(Cell21-Cell2M)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 메인 배터리(10)에 대한 셀 밸런싱 과정에서, 보조 배터리(20)는, 메인 배터리(10)의 밸런싱 에너지로 충전될 수 있다. 밸런싱 에너지는, 밸런싱 셀의 셀 전압이 소정의 제1 기준값에 도달할 때까지 밸런싱 셀이 출력하는 에너지일 수 있다. 밸런싱 셀은, 메인 배터리(10)에 포함된 복수의 배터리 셀(Cell11-Cell1N) 중 셀 밸런싱(Cell Balancing) 대상으로 결정된 배터리 셀일 수 있다.
일 실시예에 따라, 보조 배터리(20)가 소정의 제2 기준값 이상으로 충전되면, 보조 배터리(20)는, 소정의 전장부품에 구동전력을 공급하는 전원으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 배터리 시스템(1)은, 두 출력단(OUT1, OUT2)을 통해 외부장치(모터 등)에 전력을 공급하는 고전압 메인 배터리(10)와 배터리 시스템(1)에 포함된 각종 전장부품에 전력을 공급하는 저전압 납축전지를 포함할 수 있다. 본 발명은, 납축전지를 보조하는 보조 전원으로 보조 배터리(20)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 전장부품은, 제어부(33, MCU)가 슬립 모드에 있을 때에도 온 되어야 하는 실시간 시계(RTC, Real Time Clock)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3을 참고하면, 노멀 상태에서는, 납축전지가 실시간 시계(RTC)에 구동전력을 공급할 수 있다. 이후, 보조 배터리(20)가 소정의 기준값 이상으로 충전되면, 보조 배터리(20)가 실시간 시계(RTC)에 구동전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 멀티 플렉서(MUX)의 입력단에 납축전지의 12V 전압을 5V로 변경하는 제1 레벨 시프트 IC 및 보조 배터리(20)의 3.3V 전압을 5V로 변경하는 제2 레벨 시프트 IC를 연결하고, 출력단에 실시간 시계(RTC)를 연결할 수 있다. 선택 라인(Select Line)의 입력에 따라, 납축전지 또는 보조 배터리(20)가 실시간 시계(RTC)에 구동전력을 공급할 수 있다.
BMS(30)는 셀 밸런싱 회로(31), 그리고 제어부(33)를 포함한다.
셀 밸런싱 회로(31)는, 메인 배터리(10)의 밸런싱 셀과 보조 배터리(20)를 연결하는 적어도 하나의 메인 스위치(Qai)를 포함할 수 있다. 도 2를 참고하면, 예를 들어, 메인 스위치(Qai)는, 제1 내지 제8 선택 스위치(Qa1-Qa8), 제1 내지 제3 양극 스위치(Qa9-Qa11), 그리고 제1 내지 제3 음극 스위치(Qa12-Qa14)를 포함할 수 있다.
도 2를 참고하면, 제1 내지 제8 선택 스위치(Qa1-Qa8)는 4개의 배터리 셀(Cell11-Celll4) 중 셀 밸런싱 대상으로 결정된 밸런싱 셀의 음극 및 양극이 보조 배터리(20)와 연결될 수 있도록 선택할 수 있다. 제1 내지 제3 양극 스위치(Qa9-Qa11)는, 밸런싱 셀의 양극과 보조 배터리(20)의 양극을 연결할 수 있다. 제1 내지 제3 음극 스위치(Qa12-Qa14)는, 밸런싱 셀의 음극과 보조 배터리(20)의 음극을 연결할 수 있다. 도 2에 도시된 메인 스위치(Q1i)의 개수 및 복수의 메인 스위치(Qa1-Qa)의 연결 관계는 일 예로 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 제1 배터리 셀(Cell11)이 밸런싱 셀로 결정된 경우, 제어부(33)는 제1 선택 스위치(Qa1) 및 제1 양극 스위치(Qa9)를 온 하여, 제1 배터리 셀(Cell11)의 양극과 보조 배터리(20)의 양극을 연결할 수 있다. 또한, 제어부(33)는 제3 선택 스위치(Qa3) 및 제1 음극 스위치(Qa12)를 턴 온 하여, 제1 배터리 셀(Cell11)의 음극과 보조 배터리(20)의 음극을 연결할 수 있다. 이때, 제어부(33)는 제2, 4-8 선택 스위치(Qa2, Qa4-Qa8), 제2, 3 양극 스위치(Qa10, Qa11), 그리고 제2, 3 음극 스위치(Qa13, Qa14)는 오프 하여, 제2 내지 4 배터리 셀(Cell12-Celll4)이 보조 배터리(20)와 연결되지 않도록 제어할 수 있다.
다른 예를 들어, 제2 배터리 셀(Cell12)이 밸런싱 셀로 결정된 경우, 제어부(33)는 제2 선택 스위치(Qa2) 및 제1 양극 스위치(Qa9)를 온 하여, 제2 배터리 셀(Cell12)의 양극과 보조 배터리(20)의 양극을 연결할 수 있다. 또한, 제어부(33)는 제4 선택 스위치(Qa4) 및 제1 음극 스위치(Qa12)를 온 하여, 제2 배터리 셀(Cell12)의 음극과 보조 배터리(20)의 음극을 연결할 수 있다. 이때, 제어부(33)는 제1,3, 5-8 선택 스위치(Qa1, Qa3, Qa5-Qa8), 제2, 3 양극 스위치(Qa10, Qa11), 그리고 제2, 3 음극 스위치(Qa13, Qa14)는 오프 하여, 제1, 3, 4 배터리 셀(Cell11, Cell13, Cell4)이 보조 배터리(20)와 연결되지 않도록 제어할 수 있다.
제어부(33)는, 복수의 메인 스위치(Qa1 - QaN) 및 복수의 보조 스위치(Qb1 - QbM)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 복수의 메인 스위칭 신호(SC[1]-SC[n]) 및 복수의 보조 스위칭 신호(SSC[1]-SSC[m])를 생성할 수 있다. 이하, 메인 스위칭 신호(SC[i])는 복수의 메인 스위칭 신호(SC[1]-SC[n]) 중 하나를 지칭할 수 있으며, 보조 스위칭 신호(SSC[i])는 복수의 보조 스위칭 신호(SSC[1]-SSC[m]) 중 하나를 지칭할 수 있다.
예를 들어, 메인 스위칭 신호(SC[i])는 대응하는 메인 스위치(Qai)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 온 레벨의 제1, 3, 9, 12 메인 스위칭 신호(SC[1], SC[3], SC[9], SC[12]) 각각이 대응하는 제1, 3 선택 스위치(Qa1, Qa3), 제1 양극 스위치(Qa9), 및 제1 음극 스위치(Qa12)에 공급되면, 제1, 3 선택 스위치(Qa1, Qa3), 제1 양극 스위치(Qa9), 및 제1 음극 스위치(Qa12)가 턴 온 되어 제1 배터리 셀(Cell11)이 방전 방전되고, 밸런싱 에너지가 보조 배터리(20)에 전달될 수 있다.
다른 예를 들어, 보조 스위칭 신호(SSC[i])는 대응하는 보조 스위치(Qbi)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 온 레벨의 제1 보조 스위칭 신호(SSC[1])가 대응하는 제1 보조 스위치(Qb1)에 공급되면, 제1 보조 스위치(Qb1)가 턴 온 되고, 제1 보조 배터리 셀(Cell21)이 보조 배터리(30)에 병렬 연결될 수 있다.
제어부(33)는, 프로세서를 포함하는 회로일 수 있으며, 프로세서는 예를 들면 마이크로 제어 장치(micro controller unit, MCU)일 수 있다. 또한 제어부(33)는, 프로세서의 제어에 따라 메인 스위치(Qai) 및 보조 스위치(Qbi)의 동작을 제어하는 구동 드라이버를 더 포함할 수 있다.
도 1에서 도시되지 않았으나, 어떤 실시예에서는, BMS(30)는 복수의 배터리 셀(Cell11-CelllN) 각각의 셀 전압, 셀 전류, 및 셀 온도 중 적어도 하나를 측정하는 셀 모니터링 회로(미도시)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부(33)는, 셀 모니터링 회로에서 측정한 복수의 배터리 셀(Cell11-Cell1N) 각각의 셀 전압에 기초하여 메인 배터리(10)에 대한 셀 밸런싱이 필요한지 여부, 그리고 셀 밸런싱(Cell Balancing)이 필요한 배터리 셀인 밸런싱 셀을 결정할 수 있다.
일 실시예에 따라, 제어부(33)는, 소정의 기준에 따라 밸런싱 셀을 결정하고, 밸런싱 셀에서 출력되는 에너지인 밸런싱 에너지가 보조 배터리(20)에 전달되도록 적어도 하나의 메인 스위치(Qai)를 제어하여, 메인 배터리(10)에 대한 셀 밸런싱을 수행할 수 있다. 보다 자세한 내용은 이하 도 4 및 도 5에서 설명한다.
도 4는 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 방법을 설명하는 흐름도이고, 도 5는 도 4의 밸런싱 셀과 보조 배터리를 연결하는 단계(S130)을 상세하게 설명하는 흐름도이다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참고하여, 배터리 밸런싱 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 시스템을 상세하게 설명한다.
도 4를 참고하면, 우선, 제어부(33)는, 메인 배터리(10)에 대한 셀 밸런싱을 수행한다(S100).
일 실시예에 따른, 셀 밸런싱 방법은, 메인 배터리(10)의 밸런싱 에너지로 보조 배터리(20)를 충전할 수 있다. 이때, 밸런싱 에너지는, 밸런싱 셀의 셀 전압이 소정의 제1 기준값에 도달할 때까지, 밸런싱 셀의 방전으로 생성되는 에너지일 수 있다. 메인 배터리(10)는 복수의 배터리 셀(Cell11-Cell1N)을 포함하고, 보조 배터리(20)는 복수의 보조 배터리 셀(Cell21-Cel2M)을 포함할 수 있다.
S100 단계에서, 제어부(33)는, 복수의 배터리 셀(Cell11-Cell1N) 중 소정의 기준에 따라 셀 밸런싱(Cell Balancing) 대상인 밸런싱 셀(Cell1i)을 결정한다(S110).
제어부(33)는, 복수의 배터리 셀(Cell11-Cell1N) 중 소정의 제1 기준값을 초과하는 셀 전압에 대응하는 배터리 셀(Cell1i)을 밸런싱 셀로 결정할 수 있다. 일 실시예에 따라, 제1 기준값은, 복수의 배터리 셀(Cell11-Cell1N)의 셀 전압 중 가장 낮은 셀 전압에 대응할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이하, 셀 밸런싱 방법은, 배터리 셀(Cell1i) 전압간의 편차를 기준으로 수행되는 것으로 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 셀(Cell1i) 용량(SOC, State of Charge)간의 편차 등을 기준으로 수행되는 것을 포함할 수 있다.
도 2를 참고하면, 예를 들어, 제1 배터리 셀(Cell11)의 셀 전압이 3.6V이고, 제2 내지 제4 배터리 셀(Cell12-Cell14) 각각의 셀 전압이 3.4V인 경우, 제어부(33)는, 제1 배터리 셀(Cell11)을 밸런싱 셀로 결정할 수 있다. 이때, 제1 기준값은, 3.4V일 수 있다.
S100 단계에서, 제어부(33)는, 밸런싱 셀과 보조 배터리(20)를 연결하는 적어도 하나의 메인 스위치(Qai)의 스위칭 동작을 제어하여, 밸런싱 셀과 보조 배터리(20)를 연결한다(S130).
S130 단계에서, 도 5를 참고하면, 제어부(33)는, 복수의 보조 배터리 셀(Cell21-Cel2M) 중 밸런싱 셀의 셀 전압보다 낮은 셀 전압에 대응하는 보조 배터리 셀(Cel2i)인 충전 셀을 적어도 하나 이상 결정한다(S131).
예를 들어, 도 2를 참고하면, 밸런싱 셀인 제1 배터리 셀(Cell11)의 셀 전압이 3.6V이고, 제1 내지 제3 보조 배터리 셀(Cell21-Cel23) 각각의 셀 전압이 2.1V, 2.1V, 3.6V라고 가정하자. 그러면, 제어부(33)는, 제1 및 제2 보조 배터리 셀(Cell21, Cel22)를 충전 셀로 결정할 수 있다.
S130 단계에서, 제어부(33)는, 충전 셀이 보조 배터리(20)에 병렬 연결되도록 충전 셀에 대응하는 보조 스위치(Qbi)를 온 한다(S133).
예를 들어, 도 2를 참고하면, 제어부(33)는, 충전 셀인 제1 및 제2 보조 배터리 셀(Cell21, Cel22)이 보조 배터리(20)에 병렬 연결되도록 제1 및 제2 보조 배터리 셀(Cell21, Cel22)에 각각 대응하는 제1 및 제2 보조 스위치(Qb1, Qb2)를 턴 온 할 수 있다. 그러면, 보조 배터리(20)는 병렬 연결된 제1 및 제2 보조 배터리 셀(Cell21, Cel22)을 포함할 수 있다.
S130 단계에서, 제어부(33)는, 밸런싱 셀과 보조 배터리(20)를 연결하는 적어도 하나의 메인 스위치(Qai)를 온 한다(S135).
도 2를 참고하면, 예를 들어, 제어부(33)는, 적어도 하나의 메인 스위치(Qai)를 온 하여, 밸런싱 셀인 제1 배터리 셀(Cell11)과 보조 배터리(20)를 병렬 연결할 수 있다. 즉, 제어부(33)는, 밸런싱 셀의 양극과 보조 배터리(20)의 양극이 연결되고, 밸런싱 셀의 음극과 보조 배터리(20)의 음극이 연결되도록 적어도 하나의 메인 스위치(Qai)를 온 할 수 있다.
구체적으로, 제어부(33)는 제1 선택 스위치(Qa1) 및 제1 양극 스위치(Qa9)를 턴 온 하여, 제1 배터리 셀(Cell11)의 양극과 보조 배터리(20)의 양극을 연결할 수 있다. 또한, 제어부(33)는 제3 선택 스위치(Qa3) 및 제1 음극 스위치(Qa12)를 턴 온 하여, 제1 배터리 셀(Cell11)의 음극과 보조 배터리(20)의 음극을 연결할 수 있다. 이때, 제어부(33)는 제2, 4-8 선택 스위치(Qa2, Qa4-Qa8), 제2, 3 양극 스위치(Qa10, Qa11), 그리고 제2, 3 음극 스위치(Qa13, Qa14)는 오프 하여, 제2 내지 제4 배터리 셀(Cell12-Celll4)이 보조 배터리(20)와 연결되지 않도록 제어할 수 있다.
S100 단계에서, 제어부(33)는, 밸런싱 셀의 셀 전압이 소정의 제1 기준값에 도달할 때까지 밸런싱 셀에서 출력되는 에너지인 밸런싱 에너지로 보조 배터리(20)를 충전하여, 메인 배터리(10)에 대한 셀 밸런싱을 수행한다(S150).
예를 들어, 제1 배터리 셀(Cell11)의 셀 전압(3.6V)이 제1 기준값(3.4V)에 도달할 때까지, 제어부(33)는, 제1 배터리 셀(Cell11)에서 출력되는 에너지로 보조 배터리(20)를 충전할 수 있다.
즉, 제어부(33)는, 제1 배터리 셀(Cell11)의 셀 전압(3.6V)이 제2 내지 제4 배터리 셀(Cell12-Cell14) 각각의 셀 전압(3.4V)과 같아 질 때까지, 제1 배터리 셀(Cell11)을 방전시켜 메인 배터리(10)에 대한 셀 밸런싱을 수행할 수 있다. 그리고, 제어부(33)는, 제1 배터리 셀(Cell11)에서 출력되는 에너지를 보조 배터리(20)에 저장할 수 있다.
다음으로, 제어부(33)는, 보조 배터리(20)에 대한 셀 밸런싱을 수행한다(S200).
앞서 설명한 바와 같이, 메인 배터리(10)에 대한 셀 밸런싱이 수행될 때마다, 밸런싱 셀의 셀 전압에 기초하여 충전 셀이 결정되므로, 충전되는 보조 배터리 셀(Cel2i)은 달라질 수 있다.
일 실시예에 따라, 제어부(33)는, 복수의 보조 배터리 셀(Cell21-Cel2M) 각각에 대응하는 복수의 보조 스위치(Qb1-QbM)를 온 하여, 보조 배터리(20)에 대한 셀 밸런싱을 수행할 수 있다. 보조 배터리(20)에 대한 셀 밸런싱이 수행되면, 복수의 보조 배터리 셀(Cell21-Cel2N) 각각의 셀 전압이 소정의 오차 범위 내에서 동일할 수 있다.
예를 들어, 도 2를 참고하면, 메인 배터리(10)에 대한 셀 밸런싱 단계(S100)에서, 제1 내지 제3 보조 배터리 셀(Cell21-Cel23) 중 제1 및 제2 보조 배터리 셀(Cell21, Cel22)이 충전될 수 있다. 메인 배터리(10)에 대한 셀 밸런싱이 종료되면, 제어부(33)는, 제1 내지 제3 보조 배터리 셀(Cell21-Cel23) 각각에 대응하는 제1 내지 제3 보조 스위치(Qb1-Qb3)를 온 하여, 제1 내지 제3 보조 배터리 셀(Cell21-Cel23)을 병렬 연결할 수 있다. 제1 내지 제3 보조 배터리 셀(Cell21-Cel23)이 병렬 연결되면, 전압이 높은 보조 배터리 셀(Cell2i)에서 전압이 낮은 보조 배터리 셀(Cell2i)로 에너지가 전달되어 복수의 보조 배터리 셀(Cell21-Cel2M) 간의 전압 균형이 맞춰지는 셀 밸런싱이 수행될 수 있다. 이때, 전압이 높은 보조 배터리 셀(Cell2i)은 충전된 제1 및 제2 보조 배터리 셀(Cell21, Cel22)이고, 전압이 낮은 보조 배터리 셀(Cell2i)은 충전되지 않은 제3 보조 배터리 셀(Cel23)일 수 있다.
다음으로, 제어부(33)는, 보조 배터리(20)의 전압이 소정의 제2 기준값 이상이면, 보조 배터리(20)의 에너지가 소정의 전장부품에 전달되도록 보조 배터리(20)의 방전을 제어한다(S300).
메인 배터리(10)에 대한 셀 밸런싱 과정에서, 보조 배터리(20)에 에너지가 저장될 수 있도록, 제1 기준값이 제2 기준값 보다 높게 설정될 수 있다. 예를 들어, 제2 기준값은 3.3V일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 도 3을 참고하면, 보조 배터리(20)의 전압이 3.3V 이상이면, 보조 배터리(20)는, 소정의 전장부품에 구동전력을 공급하는 전원으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 전장부품은, 제어부(33, MCU)가 슬립 모드에 있을 때에도 온 되어야 하는 실시간 시계(RTC, Real Time Clock)를 포함할 수 있다.
노멀 상태에서는, 납축전지가 실시간 시계(RTC)에 구동전력을 공급할 수 있다. 이후, 보조 배터리(20)가 제2 기준값 이상으로 충전되면, 보조 배터리(20)가 실시간 시계(RTC)에 구동전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 멀티 플렉서(MUX)의 입력단에 납축전지의 12V 전압을 5V로 변경하는 제1 레벨 시프트 IC 및 보조 배터리(20)의 3.3V 전압을 5V로 변경하는 제2 레벨 시프트 IC를 연결하고, 출력단에 실시간 시계(RTC)를 연결할 수 있다. 선택 라인(Select Line)의 입력에 따라, 납축전지 또는 보조 배터리(20)가 실시간 시계(RTC)에 구동전력을 공급할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

Claims (11)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 메인 배터리,
    보조 스위치의 스위칭 동작으로 병렬 연결되는 복수의 보조 배터리 셀을 포함하는 보조 배터리,
    상기 복수의 배터리 셀과 상기 보조 배터리를 연결하는 적어도 하나의 메인 스위치를 포함하는 셀 밸런싱 회로, 그리고
    소정의 기준에 따라 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 밸런싱(Cell Balancing) 대상인 밸런싱 셀을 결정하고, 상기 밸런싱 셀과 상기 보조 배터리를 연결하는 메인 스위치를 턴 온하며, 상기 밸런싱 셀의 셀 전압이 소정의 제1 기준값에 도달할 때까지 상기 밸런싱 셀을 방전시켜 상기 메인 배터리에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 보조 배터리 셀 중 상기 밸런싱 셀의 셀 전압보다 낮은 셀 전압에 대응하는 충전 셀을 결정하고, 상기 충전 셀에 대응하는 보조 스위치를 턴 온 하여 상기 충전 셀을 상기 밸런싱 셀에 연결하는, 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메인 배터리에 대한 셀 밸런싱이 종료되면,
    상기 복수의 보조 배터리 셀이 병렬 연결되도록 상기 복수의 보조 배터리 셀 각각에 대응하는 복수의 보조 스위치를 턴 온 하여, 상기 보조 배터리에 대한 셀 밸런싱을 수행하는, 배터리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 보조 배터리의 전압이 소정의 제2 기준값 이상이면,
    상기 보조 배터리의 에너지가 소정의 전장부품에 전달되도록 상기 보조 배터리의 방전을 제어하는, 배터리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 기준값은,
    상기 제2 기준값 이상으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 배터리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 밸런싱 셀의 양극과 상기 보조 배터리의 양극이 연결되고, 상기 밸런싱 셀의 음극과 상기 보조 배터리의 음극이 연결되도록 상기 메인 스위치를 턴 온 하는, 배터리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전장부품은,
    RTC(Real Time Clock)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 시스템.
  7. 복수의 배터리 셀을 포함하는 메인 배터리의 밸런싱 에너지로 복수의 보조 배터리 셀을 포함하는 보조 배터리를 충전하는 셀 밸런싱 방법으로서,
    소정의 기준에 따라 상기 복수의 배터리 셀 중 셀 밸런싱(Cell Balancing) 대상인 밸런싱 셀을 결정하는 단계,
    상기 밸런싱 셀과 상기 보조 배터리를 연결하는 적어도 하나의 메인 스위치를 제어하여, 상기 밸런싱 셀과 상기 보조 배터리를 연결하는 단계, 그리고
    상기 밸런싱 셀의 셀 전압이 소정의 제1 기준값에 도달할 때까지 상기 밸런싱 셀을 방전시켜, 상기 메인 배터리에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 밸런싱 셀과 상기 보조 배터리를 연결하는 단계는,
    상기 복수의 보조 배터리 셀 중 상기 밸런싱 셀의 셀 전압보다 낮은 셀 전압에 대응하는 충전 셀을 적어도 하나 이상 결정하고, 상기 충전 셀에 대응하는 보조 스위치를 턴 온 하여 상기 충전 셀을 상기 밸런싱 셀에 연결하는, 셀 밸런싱 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 밸런싱 셀과 상기 보조 배터리를 연결하는 단계는,
    상기 밸런싱 셀의 양극과 상기 보조 배터리의 양극이 연결되고, 상기 밸런싱 셀의 음극과 상기 보조 배터리의 음극이 연결되도록 상기 메인 스위치를 턴 온 하는, 셀 밸런싱 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 메인 배터리에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 단계 이후에,
    상기 복수의 보조 배터리 셀이 병렬 연결되도록 상기 복수의 보조 배터리 셀 각각에 대응하는 복수의 보조 스위치를 턴 온 하여, 상기 보조 배터리에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 단계를 더 포함하는, 셀 밸런싱 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 보조 배터리에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 단계 이후에,
    상기 보조 배터리의 전압이 소정의 제2 기준값 이상이면, 상기 보조 배터리의 에너지가 소정의 전장부품에 전달되도록 상기 보조 배터리의 방전을 제어하는 단계를 더 포함하는, 셀 밸런싱 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 기준값은,
    상기 제2 기준값 이상인 것을 특징으로 하는, 셀 밸런싱 방법.
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