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WO2018021664A1 - 배터리 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 밸런싱 장치 및 방법 Download PDF

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Publication number
WO2018021664A1
WO2018021664A1 PCT/KR2017/004859 KR2017004859W WO2018021664A1 WO 2018021664 A1 WO2018021664 A1 WO 2018021664A1 KR 2017004859 W KR2017004859 W KR 2017004859W WO 2018021664 A1 WO2018021664 A1 WO 2018021664A1
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WO
WIPO (PCT)
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battery
battery cell
balancing
voltage value
unit
Prior art date
Application number
PCT/KR2017/004859
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English (en)
French (fr)
Inventor
이근욱
이상훈
박준철
최연식
Original Assignee
주식회사 엘지화학
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
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Priority to US16/070,457 priority patent/US20190023146A1/en
Priority to ES17834609T priority patent/ES2933802T3/es
Priority to CN201780008517.7A priority patent/CN108604812A/zh
Priority to EP17834609.4A priority patent/EP3396809B1/en
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Definitions

  • the present invention relates to a battery balancing apparatus and method, and more particularly, a control unit controls an operation of a balancing unit that performs balancing of battery cells in response to a voltage value of a battery cell included in a battery, and the self-discharge unit is a balancing unit.
  • the present invention relates to a battery balancing apparatus and method for discharging a battery cell according to whether a voltage value of the battery cell exceeds a preset first reference voltage value when not in operation.
  • the secondary battery battery is attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency in that not only the primary advantage of dramatically reducing the use of fossil energy but also no by-products caused by the use of energy is generated.
  • secondary battery batteries used in electric vehicles, hybrid vehicles, energy storage systems, and uninterruptible power supplies are configured by connecting a plurality of battery cells to charge or discharge high power and large capacity.
  • Such battery cells of the secondary battery battery should ideally have the same characteristics, but have variations in capacity, impedance, and internal resistance, and the above-described deviation increases as charge and discharge of the secondary battery battery are performed. Due to such deviations between the battery cells, certain battery cells are overcharged or overdischarged, thereby shortening the life of the battery cells and further reducing the life of the secondary battery batteries.
  • a balancing technique for maintaining a uniform voltage between the battery cells is applied to the secondary battery battery. More specifically, the method of uniformly balancing the voltage of each battery cell included in the secondary battery battery, the active balancing (Balancing) to increase the voltage by supplying a charging current to the battery cell with a relatively low voltage, the voltage is relative For example, passive balancing such as discharging a high battery cell to drop a voltage.
  • a secondary battery battery in order to implement a passive balancing technique, includes a resistor that consumes power of a battery cell, a switching element that controls energization between the battery cell and a resistor, and controls the switching element on or off according to the voltage of the varistor cell.
  • a balancing circuit including a control unit is provided.
  • the switching element that controls the energization between the battery cell and the resistor is not normally controlled to be turned on or off, so that the switching element is not turned on when discharge of the battery cell is required.
  • the battery cells are overcharged, thereby shortening the life of the battery cells, and shortening the life of the secondary battery batteries due to voltage imbalance between the battery cells.
  • the present inventors control the operation of the balancing unit to perform the balancing of the battery cell in response to the voltage value of the battery cell included in the battery, the self-discharge unit when the battery does not operate the balancing unit. It has been invented a battery balancing apparatus and method for discharging a battery cell depending on whether the voltage value of the cell exceeds a first reference voltage value.
  • the control unit controls the operation of the balancing unit to perform the balancing of the battery cells in response to the voltage value of the battery cells included in the battery, and the voltage value of the battery cell when the self-discharge unit is not in operation
  • the battery cell may be discharged to prevent overcharging of the battery cell. It is to provide a battery balancing device and method.
  • Battery balancing apparatus is connected to a battery cell included in the battery balancing the balancing unit for performing the balancing of the battery cells; A control unit controlling an operation of the balancing unit in response to the voltage value of the battery cell; And a self-discharge unit configured to discharge the battery cell according to whether the voltage value of the battery cell exceeds a preset first reference voltage value when the balancing unit is not operated.
  • the balancing unit comprises: a balancing resistor consuming power of the battery cell; And a switching device that energizes or blocks a current flowing from the battery cell to the balancing resistor.
  • the control unit when the voltage value of the battery cell is equal to or greater than a preset second reference voltage value, the control unit turns on the switching element to energize the balancing resistor to discharge the battery cell. You can.
  • the self-discharge unit is connected in parallel with the switching element such that the voltage of the battery cell is applied as a reverse voltage, and the switching element is inoperative so that the voltage value of the battery cell exceeds the first reference voltage value.
  • the battery cell may be discharged by energizing a current flowing from the battery cell to the balancing resistor.
  • the self-discharge unit may be any one of a zener diode and a transient voltage suppression (TVS) diode.
  • TVS transient voltage suppression
  • the first reference voltage value may be a breakdown voltage value of the Zener diode.
  • a battery balancing method includes the steps of: performing a balancing of the battery cells connected to the battery cells included in the battery; A control unit controlling an operation of the balancing unit in response to the voltage value of the battery cell; And discharging the battery cell according to whether a voltage value of the battery cell exceeds a preset first reference voltage value when the self-discharge unit does not operate the balancing unit.
  • the providing step includes providing a balancing resistor that consumes power of the battery cell; And a switching element for energizing or blocking a current flowing from the battery cell to the balancing resistor.
  • the controlling may include the control unit turning on the switching element when the voltage value of the battery cell is greater than or equal to a preset second reference voltage value, thereby energizing the balancing resistor to allow the battery cell to operate. Discharging the; may include.
  • the discharging may include: when the switching element is inoperative and the voltage value of the battery cell exceeds the first reference voltage value, the discharging step is connected in parallel with the switching element such that the voltage of the battery cell is reversed. And discharging the battery cell by energizing a current flowing from the battery cell to the balancing resistor.
  • the self-discharge unit may be any one of a Zener diode and a TVS diode.
  • the first reference voltage value may be a breakdown voltage value of the zener diode.
  • the control unit controls the operation of the balancing unit to perform the balancing of the battery cells in response to the voltage value of the battery cells included in the battery, the self-discharge unit voltage of the battery cell when the balancing unit is inoperative
  • the control unit controls the operation of the balancing unit to perform the balancing of the battery cells in response to the voltage value of the battery cells included in the battery, the self-discharge unit voltage of the battery cell when the balancing unit is inoperative
  • FIG. 1 is a view schematically showing an electric vehicle to which a battery balancing device according to an embodiment of the present invention may be applied.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a battery balancing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a specific configuration of a battery balancing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a battery balancing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view schematically showing an electric vehicle to which a battery balancing device according to an embodiment of the present invention may be applied.
  • the battery balancing device according to an embodiment of the present invention is applied to an electric vehicle
  • the battery balancing device according to an embodiment of the present invention is a mobile device, an energy storage system or an uninterruptible power supply in addition to the electric vehicle. Any technical field may be applied as long as the secondary battery battery, such as a device, may be applied.
  • the electric vehicle 1 may include a battery 10, a battery management system (BMS) 20, an electronic control unit (ECU) 30, an inverter 40, and a motor 50.
  • BMS battery management system
  • ECU electronice control unit
  • inverter 40 inverter 40
  • motor 50 a motor 50.
  • the battery 10 is an electric energy source for driving the electric vehicle 1 by providing a driving force to the motor 50.
  • the battery 10 may be charged or discharged by the inverter 40 according to the driving of the motor 50 or the internal combustion engine (not shown).
  • the type of the battery 10 is not particularly limited, and the battery 10 may be, for example, a lithium ion battery, a lithium polymer battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a nickel zinc battery, or the like.
  • the BMS 20 estimates the state of the battery 10 and manages the battery 10 using the estimated state information.
  • the battery 10 state information such as state of charging (SOC), state of health (SOH), maximum input / output power allowance, and output voltage of the battery 10 is estimated and managed.
  • the charging or discharging of the battery 10 is controlled using the state information, and the replacement time of the battery 10 may be estimated.
  • the BMS 20 may include a battery balancing device (100 of FIG. 2) described below.
  • the battery balancing device 100 controls the operation of the balancing unit that performs the balancing of the battery cells in response to the voltage values of the battery cells included in the battery 100, and the voltage value of the battery cells when the balancing unit is not operating Overcharging of the battery cells may be prevented by discharging the battery cells depending on whether the set first reference voltage value is exceeded.
  • the ECU 30 is an electronic control device for controlling the state of the electric vehicle 1.
  • the torque degree is determined based on information such as an accelerator, a brake, a speed, and the like, and the output of the motor 50 is controlled to match the torque information.
  • the ECU 30 transmits a control signal to the inverter 40 so that the battery 10 can be charged or discharged based on state information such as SOC and SOH of the battery 10 received by the BMS 20. .
  • the inverter 40 causes the battery 10 to be charged or discharged based on the control signal of the ECU 30.
  • the motor 50 drives the electric vehicle 1 based on the control information (for example, torque information) transmitted from the ECU 30 using the electric energy of the battery 10.
  • control information for example, torque information
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a battery balancing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a specific configuration of a battery balancing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the battery balancing device 100 may include a balancing unit 110, a controller 120, and a self discharge unit 130.
  • the battery balancing device 100 shown in FIGS. 1 and 2 is according to one embodiment, and its components are not limited to the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, and may be added, changed, or deleted as necessary. Can be.
  • the battery balancing device 100 may include a state of charging (SOC) of the battery cell 11 based on voltage, current, and temperature of the battery 10 including the battery cell 11 and the battery cell 11, respectively. Calculate the state of health (SOH) and the maximum input / output power allowance, and use the calculated state information (SOC, SOH and maximum input / output power allowance) of the battery cell 11 to charge or discharge the battery cell 11. It may be included in a battery management system (BMS) 20 to control the.
  • SOC state of charging
  • BMS battery management system
  • the balancing unit 110 may serve to balance a voltage charged in the battery cell 11 included in the battery 10. More specifically, the balancing unit 110 may perform passive balancing for discharging the battery cell 11 when the voltage value of the battery cell 11 is greater than or equal to a preset second reference voltage value. To this end, the balancing unit 110 may include a switching element 111 and a balancing resistor 112.
  • the switching element 111 may be any one of a metal oxide silicon field effect transistor (MOS FET) device, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) device, and a bipolar junction transistor (BJT) device.
  • MOS FET metal oxide silicon field effect transistor
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • BJT bipolar junction transistor
  • the balancing unit 110 may further include a gate resistor 113 for adjusting the gate voltage of the MOS FET device in addition to the balancing resistor 112 when the switching device 111 is a MOS FET device.
  • the switching unit 111 will be described with respect to the balancing unit 110 which is a MOS FET device.
  • the switching element 111 may include a drain terminal D, a gate terminal G, and a source terminal S, and the drain terminal D and the gate terminal G may each include a balancing resistor 112 and a gate resistor. And may be connected to the 113.
  • the switching element 111 When a gate voltage equal to or greater than a threshold voltage is applied to the gate terminal G, the switching element 111 is energized with a balancing resistor connected to the drain terminal D by energizing the drain terminal D and the source terminal S. 112 may flow.
  • the current flowing in the balancing resistor 112 is a current output from the battery cell 11 to perform balancing of the battery cells 11 by applying a voltage equal to or greater than the first reference voltage value preset in the battery cell 11. Can be.
  • the switching element 111 is energized so that the current output from the battery cell 11 flows to the balancing resistor 112, thereby discharging the battery cell 11, whereby a voltage equal to or greater than the first reference voltage value is set.
  • the voltage value of the charged battery cell 11 may be reduced.
  • the resistance value of the gate resistor 113 may be changed to adjust the gate voltage applied to the gate terminal G in response to the threshold voltage of the switching element 111.
  • the controller 120 may control the operation of the balancing unit 110 in response to the voltage value of the battery cell 11.
  • the controller 120 applies the gate voltage equal to or greater than the threshold voltage of the switching element 111 to the gate terminal G to switch the device.
  • the operating state of the 111 can be controlled to On.
  • the preset second reference voltage value may be a voltage value that is a reference for determining whether to balance the battery cells 11.
  • the controller 120 may discharge the battery cell 11 by allowing a current to flow in the balancing resistor 112 connected to the drain terminal D of the switching element 111.
  • the controller 120 controls the operation state of the switching element 111 to be off to discharge the battery cell 11. You may not.
  • the controller 120 may be any one of a micro controller unit (MCU) and an application specific integrated circuit (ASIC).
  • MCU micro controller unit
  • ASIC application specific integrated circuit
  • the controller 120 when a malfunction occurs due to a communication failure between the controller 120 and the switching element 111 or an error occurs in the controller 120 itself, even if the voltage value of the battery cell 11 is greater than or equal to the preset second reference voltage value.
  • the element 111 may not be changed from off to on.
  • the switching element 111 when the switching element 111 is deteriorated, the switching element 111 may not be changed from off to on even if the voltage value of the battery cell 11 is greater than or equal to a preset second reference voltage value.
  • the battery cell 11 is charged with a voltage equal to or greater than the preset second reference voltage value to cause an imbalance between the battery cells 11.
  • the self-discharge unit 130 is connected to the switching element 111 in parallel so that the voltage of the battery cell 11 is applied as a reverse voltage, and the voltage of the battery cell 11 is reversed.
  • the battery cell 11 may be discharged depending on whether the value exceeds a preset first reference voltage value.
  • the self-discharge unit 130 does not discharge when the switching element 111 is not turned on and the battery cell 11 is not discharged even though the battery cell 11 is charged with a voltage equal to or greater than the preset second reference voltage value. ) May discharge the battery cell 11 when the voltage value of the battery cell 11 exceeds the preset first reference voltage value.
  • the self-discharge unit 130 may not discharge the battery cell 11 when the voltage value of the battery cell 11 is less than or equal to a preset first reference voltage value.
  • the preset first reference voltage value may be a voltage value higher than the preset second reference voltage value.
  • the self-discharge unit 130 may be any one of a zener diode and a transient voltage suppression (TVS) diode.
  • the preset first reference voltage value may be a breakdown voltage value of the zener diode.
  • the self-discharge unit 130 is a Zener diode, a process of discharging the battery cell 11 will be described in detail.
  • the switching element 111 is not turned on and the battery cell 11 is not discharged even though the voltage higher than or equal to the preset second reference voltage value is charged in the battery cell 11, the voltage of the battery cell 11 is preset.
  • the second reference voltage value may be charged up to a preset first reference voltage value.
  • the voltage of the first reference voltage value exceeding the breakdown voltage value is applied to both ends of the self-discharge unit 130 which is the zener diode, and thus the zener diode is energized so that a current flows in the balancing resistor 112.
  • the battery cell 11 may be discharged.
  • the voltage of the battery cell 11 may be reduced by the discharge of the battery cell 11, and a voltage less than or equal to a predetermined first reference voltage value may be charged in the battery cell 11.
  • the discharge of the battery cell 11 may be stopped.
  • the balancing device 100 is self-discharge unit 130 even if the switching element 111 for performing the balancing of the battery cells 11 and the control unit 120 for controlling the switching element 11 malfunctions.
  • the overcharge of the battery cell 11 may be prevented by discharging the battery cell 11.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a battery balancing method according to an embodiment of the present invention.
  • the BMS measures the voltage applied to the battery cell (S601), and the controller controls the operating state of the switching element in response to the measured voltage of the battery cell, thereby balancing the battery cells. .
  • the controller changes the operating state of the switching element to ON by applying a gate voltage equal to or greater than the threshold voltage of the switching element to the gate terminal ( S403). As a result, a current flows through the balancing resistor to discharge the battery cell. On the contrary, when the voltage of the battery cell is less than the preset second reference voltage value (S402), the controller returns to the start without changing the operating state of the switching element.
  • the balancing method according to the present invention even if the switching element for balancing the battery cells and the control unit for controlling the switching device malfunction, if the voltage value of the battery cell exceeds the preset first reference voltage value through the self-discharge unit, By discharging the cells, overcharging of the battery cells can be prevented.

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Abstract

본 발명은 배터리 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 제어부가 배터리에 포함된 배터리 셀의 전압값에 대응하여 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부의 작동을 제어하고, 자가 방전부가 밸런싱부의 미작동 시 배터리 셀의 전압값이 기 설정된 제1 기준 전압값을 초과하는지 여부에 따라 배터리 셀을 방전시키는 배터리 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

배터리 밸런싱 장치 및 방법
본 출원은 2016년 07월 29일자 한국 특허 출원 제10-2016-0097478호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 배터리 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 제어부가 배터리에 포함된 배터리 셀의 전압값에 대응하여 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부의 작동을 제어하고, 자가 방전부가 밸런싱부의 미작동 시 배터리 셀의 전압값이 기 설정된 제1 기준 전압값을 초과하는지 여부에 따라 배터리 셀을 방전시키는 배터리 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 화석 에너지의 고갈과 화석 에너지의 사용으로 인한 환경오염으로 이차 전지 배터리를 이용하여 구동할 수 있는 전기 제품에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 따라, 모바일 기기, 전기 차량(Electric Vehicle; EV), 하이브리드 차량(Hybrid Vehicle; HV), 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS) 및 무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply; UPS) 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지 배터리의 수요가 급격히 증가하고 있다.
이러한 이차 전지 배터리는 화석 에너지의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
특히 전기 차량, 하이브리드 차량, 에너지 저장 시스템 및 무정전 전원 공급 장치에 사용되는 이차 전지 배터리는 고출력 및 대용량의 전력을 충전 또는 방전하기 위하여 배터리 셀을 여러 개 연결하여 구성된다. 이와 같은, 이차 전지 배터리의 배터리 셀들은 이상적으로 동일한 특성을 가져야 하나, 용량, 임피던스 및 내부저항의 편차를 가지며 이차 전지 배터리의 충방전이 수행됨에 따라 상술된 편차는 증가하게 된다. 이러한, 배터리 셀 간에 편차로 인하여 특정 배터리 셀은 과충전 또는 과방전되어 배터리 셀의 수명이 단축되고, 나아가 이차 전지 배터리의 수명까지 단축되는 문제점을 가진다.
이에 따라, 배터리 셀의 안정성과 수명 향상을 위하여 배터리 셀들 간에 전압을 균일하게 유지하는 밸런싱 기술이 이차 전지 배터리에 적용된다. 보다 구체적으로, 이차 전지 배터리에 포함된 각 배터리 셀의 전압을 균일하게 밸런싱하는 방법에는, 전압이 상대적으로 낮은 배터리 셀에 충전전류를 공급하여 전압을 상승시키는 액티브 밸런싱(Active Balancing), 전압이 상대적으로 높은 배터리 셀을 방전시켜 전압을 강하시키는 패시브 밸런싱(Passive Balancing) 등이 있다.
특히, 패시브 밸런싱 기술을 구현하기 위하여 이차 전지 배터리에는 배터리 셀의 전력을 소비하는 저항, 배터리 셀과 저항 사이의 통전을 제어하는 스위칭 소자, 배리터 셀의 전압에 따라 스위칭 소자의 온 또는 오프를 제어하는 제어부를 포함하는 밸런싱 회로가 구비된다.
하지만, 종래의 밸런싱 회로는 제어부가 오작동하는 경우, 배터리 셀과 저항 사이의 통전을 제어하는 스위칭 소자가 정상적으로 온 또는 오프로 제어되지 않아 배터리 셀의 방전이 요구되는 시점에 스위칭 소자가 온으로 변경되지 않음으로써, 배터리 셀이 과충전되어 배터리 셀의 수명이 단축되고, 배터리 셀 간의 전압 불균형으로 인해 이차 전지 배터리의 수명까지 단축되는 현상이 발생되는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자는 상기의 문제점을 해결하기 위해, 제어부가 배터리에 포함된 배터리 셀의 전압값에 대응하여 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부의 작동을 제어하고, 자가 방전부가 밸런싱부의 미작동 시 배터리 셀의 전압값이 기 설정된 제1 기준 전압값을 초과하는지 여부에 따라 배터리 셀을 방전시키는 배터리 밸런싱 장치 및 방법을 발명하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은, 제어부가 배터리에 포함된 배터리 셀의 전압값에 대응하여 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부의 작동을 제어하고, 자가 방전부가 밸런싱부의 미작동 시 배터리 셀의 전압값이 기 설정된 제1 기준 전압값을 초과하는지 여부에 따라 상기 배터리 셀을 방전시킴으로써, 제어부의 고장이 발생하더라도 배터리 셀에 제1 기준 전압값 이상의 전압이 충전되면 배터리 셀을 방전시켜 배터리 셀의 과충전을 방지할 수 있는 배터리 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 배터리 밸런싱 장치는 배터리에 포함된 배터리 셀과 연결되어 상기 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부; 상기 배터리 셀의 전압값에 대응하여 상기 밸런싱부의 작동을 제어하는 제어부; 및 상기 밸런싱부의 미작동 시 상기 배터리 셀의 전압값이 기 설정된 제1 기준 전압값을 초과하는지 여부에 따라 상기 배터리 셀을 방전시키는 자가 방전부;를 포함하여 구성된다.
일 실시예에서, 상기 밸런싱부는 상기 배터리 셀의 전력을 소비하는 밸런싱 저항; 및 상기 배터리 셀에서 상기 밸런싱 저항으로 흐르는 전류를 통전 또는 차단시키는 스위칭 소자;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 배터리 셀의 전압값이 기 설정된 제2 기준 전압값 이상인 경우, 상기 스위칭 소자를 온(On)으로 변경함으로써, 상기 밸런싱 저항에 전류를 통전시켜 상기 배터리 셀을 방전시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자가 방전부는 상기 스위칭 소자와 병렬 연결되어 상기 배터리 셀의 전압이 역전압으로 인가되고, 상기 스위칭 소자가 미작동하여 상기 배터리 셀의 전압값이 상기 제1 기준 전압값을 초과하는 경우, 상기 배터리 셀에서 상기 밸런싱 저항으로 흐르는 전류를 통전시켜 상기 배터리 셀을 방전시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자가 방전부는 제너 다이오드 및 TVS(Transient Voltage Suppression) 다이오드 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자가 방전부가 제너 다이오드인 경우, 상기 제1 기준 전압값은 상기 제너 다이오드의 항복 전압값일 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 밸런싱 방법은 배터리에 포함된 배터리 셀과 연결되어 상기 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 구비하는 단계; 제어부가 상기 배터리 셀의 전압값에 대응하여 상기 밸런싱부의 작동을 제어하는 단계; 및 자가 방전부가 상기 밸런싱부의 미작동 시 상기 배터리 셀의 전압값이 기 설정된 제1 기준 전압값을 초과하는지 여부에 따라 상기 배터리 셀을 방전시키는 단계;를 포함하여 구성된다.
일 실시예에서, 상기 구비하는 단계는 상기 배터리 셀의 전력을 소비하는 밸런싱 저항을 구비하는 단계; 및 상기 배터리 셀에서 상기 밸런싱 저항으로 흐르는 전류를 통전 또는 차단시키는 스위칭 소자를 구비하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어하는 단계는 상기 제어부가 상기 배터리 셀의 전압값이 기 설정된 제2 기준 전압값 이상인 경우, 상기 스위칭 소자를 온으로 변경함으로써, 상기 밸런싱 저항에 전류를 통전시켜 상기 배터리 셀을 방전시키는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방전시키는 단계는 상기 스위칭 소자가 미작동하여 상기 배터리 셀의 전압값이 상기 제1 기준 전압값을 초과하는 경우, 상기 스위칭 소자와 병렬 연결되어 상기 배터리 셀의 전압이 역전압으로 인가되는 상기 자가 방전부가 상기 배터리 셀에서 상기 밸런싱 저항으로 흐르는 전류를 통전시켜 상기 배터리 셀을 방전시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 배터리 밸런싱 방법에서 상기 자가 방전부는 제너 다이오드 및 TVS 다이오드 중 어느 하나일 수 있다.
상기 배터리 밸런싱 방법에서 상기 자가 방전부가 제너 다이오드인 경우, 상기 제1 기준 전압값은 상기 제너 다이오드의 항복 전압값일 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 밸런싱 장치 및 방법은 제어부가 배터리에 포함된 배터리 셀의 전압값에 대응하여 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부의 작동을 제어하고, 자가 방전부가 밸런싱부의 미작동 시 배터리 셀의 전압값이 기 설정된 제1 기준 전압값을 초과하는지 여부에 따라 상기 배터리 셀을 방전시킴으로써, 제어부의 고장이 발생하더라도 배터리 셀에 제1 기준 전압값 이상의 전압이 충전되면 배터리 셀을 방전시켜 배터리 셀의 과충전을 방지하는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치가 적용될 수 있는 전기 차량을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 작동을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치가 적용될 수 있는 전기 차량을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에서 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치가 전기 차량에 적용된 예를 도시하고 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치는 전기 차량 이외에도 모바일 기기, 에너지 저장 시스템 또는 무정전 전원 공급 장치 등 이차 전지 배터리가 적용될 수 있는 분야라면 어떠한 기술 분야라도 적용될 수 있다.
전기 차량(1)은 배터리(10), BMS(Battery Management System, 20), ECU(Electronic Control Unit, 30), 인버터(40) 및 모터(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리(10)는 모터(50)에 구동력을 제공하여 전기 차량(1)를 구동시키는 전기 에너지원이다. 배터리(10)는 모터(50) 또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 인버터(40)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다.
여기서, 배터리(10)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.
BMS(20)는 배터리(10)의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)를 관리한다. 예컨대, 배터리(10)의 잔존 용량(State Of Charging; SOC), 잔존 수명(State Of Health; SOH), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리(10) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리(10)의 교체 시기 추정도 가능하다.
또한, BMS(20)는 후술되는 배터리 밸런싱 장치(도 2의 100)를 포함할 수 있다. 이러한 배터리 밸런싱 장치(100)는 의해 배터리(100)에 포함된 배터리 셀의 전압값에 대응하여 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부의 작동을 제어하고, 밸런싱부의 미작동 시 배터리 셀의 전압값이 기 설정된 제1 기준 전압값을 초과하는지 여부에 따라 배터리 셀을 방전시킴으로써 배터리 셀의 과충전을 방지할 수 있다.
ECU(30)는 전기 차량(1)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 액셀러레이터(Accelerator), 브레이크(Break), 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터(50)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다.
또한, ECU(30)는 BMS(20)에 의해 전달받은 배터리(10)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(40)에 제어 신호를 보낸다.
인버터(40)는 ECU(30)의 제어 신호에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전되도록 한다.
모터(50)는 배터리(10)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(30)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 전기 차량(1)를 구동한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치의 구성을 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 배터리 밸런싱 장치(100)는 밸런싱부(110), 제어부(120) 및 자가 방전부(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 배터리 밸런싱 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
배터리 밸런싱 장치(100)는 배터리 셀(11)을 포함하는 배터리(10) 및 배터리 셀(11) 각각 전압, 전류 및 온도에 근거하여 배터리 셀(11)의 잔존 용량(State Of Charging; SOC), 잔존 수명(State Of Health; SOH) 및 최대 입출력 전력 허용량을 산출하고, 산출된 배터리 셀(11)의 상태 정보(SOC, SOH 및 최대 입출력 전력 허용량)를 이용하여 배터리 셀(11)의 충전 또는 방전을 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS, 20)에 포함될 수 있다.
밸런싱부(110)는 배터리(10)에 포함된 배터리 셀(11)에 충전된 전압을 밸런싱하는 역할을 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 밸런싱부(110)는 배터리 셀(11)의 전압값이 기 설정된 제2 기준 전압값 이상인 경우, 배터리 셀(11)을 방전시키는 패시브(Passive) 밸런싱을 수행할 수 있다. 이를 위해, 밸런싱부(110)는 스위칭 소자(111) 및 밸런싱 저항(112)을 포함할 수 있다.
여기서, 스위칭 소자(111)는 MOS FET(Metal Oxide Silicon Field Effect transistor) 소자, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자 및 BJT(Bipolar Junction Transistor) 소자 중 어느 하나일 수 있다.
밸런싱부(110)는 스위칭 소자(111)가 MOS FET 소자인 경우, 밸런싱 저항(112) 외에 MOS FET 소자의 게이트 전압을 조절하기 위한 게이트 저항(113)을 더 포함할 수 있다.
이하에서, 스위칭 소자(111)가 MOS FET 소자인 밸런싱부(110)에 대해 설명하도록 한다.
스위칭 소자(111)는 드레인 단자(D), 게이트 단자(G) 및 소스 단자(S)를 포함할 수 있으며, 드레인 단자(D) 및 게이트 단자(G) 는 각각 밸런싱 저항(112) 및 게이트 저항(113)과 연결될 수 있다.
스위칭 소자(111)는 게이트 단자(G)에 문턱 전압(Threshold Voltage) 이상의 게이트 전압이 인가되는 경우, 드레인 단자(D) 및 소스 단자(S)가 통전되어 드레인 단자(D)와 연결된 밸런싱 저항(112)에 전류가 흐를 수 있다.
이때, 밸런싱 저항(112)에 흐르는 전류는 배터리 셀(11)에 기 설정된 제1 기준 전압값 이상의 전압이 인가되어 배터리 셀(11)의 밸런싱을 수행하기 위해 배터리 셀(11)로부터 출력되는 전류일 수 있다.
즉, 스위칭 소자(111)가 통전되어 배터리 셀(11)로부터 출력되는 전류가 밸런싱 저항(112)에 흐름으로써 배터리 셀(11)이 방전되고, 이로 인해, 기 설정된 제1 기준 전압값 이상의 전압이 충전된 배터리 셀(11)의 전압값이 감소될 수 있다.
한편, 스위칭 소자(111)의 문턱 전압에 대응하여 게이트 단자(G)에 인가되는 게이트 전압을 조절하기 위해 게이트 저항(113)의 저항값은 변경될 수 있다.
제어부(120)는 배터리 셀(11)의 전압값에 대응하여 밸런싱부(110)의 작동을 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(120)는 배터리 셀(11)의 전압값이 기 설정된 제2 기준 전압값 이상인 경우, 스위칭 소자(111)의 문턱 전압 이상의 게이트 전압을 게이트 단자(G)에 인가시켜 스위칭 소자(111)의 작동 상태를 온(On)으로 제어할 수 있다. 여기서, 기 설정된 제2 기준 전압값은 배터리 셀(11)의 밸런싱을 수행할 것인지 판단하기 위한 기준이 되는 전압값일 수 있다.
이를 통해, 제어부(120)는 스위칭 소자(111)의 드레인 단자(D)와 연결된 밸런싱 저항(112)에 전류가 흐르게 함으로써, 배터리 셀(11)을 방전시킬 수 있다.
반대로, 제어부(120)는 배터리 셀(11)의 전압값이 기 설정된 제2 기준 전압값 미만인 경우, 스위칭 소자(111)의 작동 상태를 오프(Off)로 제어하여 배터리 셀(11)을 방전시키지 않을 수 있다.
이때, 제어부(120)는 MCU(Micro Controller Unit) 및 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 중 어느 하나일 수 있다.
한편, 제어부(120)와 스위칭 소자(111) 간의 통신 장애가 발생하거나 제어부(120) 자체에 오류가 발생하여 오작동하는 경우, 배터리 셀(11)의 전압값이 기 설정된 제2 기준 전압값 이상이더라도 스위칭 소자(111)는 오프에서 온으로 변경되지 않을 수 있다.
또한, 스위칭 소자(111)가 열화되면, 배터리 셀(11)의 전압값이 기 설정된 제2 기준 전압값 이상이더라도 스위칭 소자(111)는 오프에서 온으로 변경되지 않을 수 있다.
이에 따라, 배터리 셀(11)에 기 설정된 제2 기준 전압값 이상의 전압이 충전되어 배터리 셀(11) 간의 불균형이 발생하게 된다.
이러한, 밸런싱부(110)의 미작동 시, 자가 방전부(130)는 스위칭 소자(111)에 병렬로 연결되어 배터리 셀(11)의 전압이 역전압으로 인가되고, 배터리 셀(11)의 전압값이 기 설정된 제1 기준 전압값을 초과하는지 여부에 따라 배터리 셀(11)을 방전시키는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 배터리 셀(11)에 기 설정된 제2 기준 전압값 이상의 전압이 충전됨에 불구하고 스위칭 소자(111)가 온으로 미작동하여 배터리 셀(11)이 방전되지 않으면, 자가 방전부(130)는 배터리 셀(11)의 전압값이 기 설정된 제1 기준 전압값을 초과하는 경우 배터리 셀(11)을 방전시킬 수 있다.
반대로, 자가 방전부(130)는 배터리 셀(11)의 전압값이 기 설정된 제1 기준 전압값 이하인 경우 배터리 셀(11)을 방전시키지 않을 수 있다.
여기서, 기 설정된 제1 기준 전압값은 기 설정된 제2 기준 전압값 보다 높은 전압값일 수 있다.
한편, 자가 방전부(130)는 제너 다이오드 및 TVS(Transient Voltage Suppression) 다이오드 중 어느 하나일 수 있으며, 제너 다이오드인 경우, 기 설정된 제1 기준 전압값은 제너 다이오드의 항복 전압값일 수 있다.
자가 방전부(130)가 제너 다이오드인 경우 배터리 셀(11)을 방전시키는 과정에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
배터리 셀(11)에 기 설정된 제2 기준 전압값 이상의 전압이 충전됨에 불구하고 스위칭 소자(111)가 온으로 미작동하여 배터리 셀(11)이 방전되지 않으면 배터리 셀(11)의 전압은 기 설정된 제2 기준 전압값을 초과하여 기 설정된 제1 기준 전압값까지 충전될 수 있다.
이에 따라, 제너 다이오드인 자가 방전부(130)의 양단에는 항복 전압값을 초과하는 제1 기준 전압값의 전압이 인가되고, 이로 인해 제너 다이오드가 통전되어 밸런싱 저항(112)에 전류가 흐름으로써, 배터리 셀(11)을 방전시킬 수 있다.
이후, 배터리 셀(11)의 방전으로 배터리 셀(11)의 전압이 감소되어 기 설정된 제1 기준 전압값 이하의 전압이 배터리 셀(11)에 충전될 수 있다.
따라서, 제너 다이오드인 자가 방전부(130)의 양단에는 항복 전압값 이하의 전압이 제너 다이오드 오프됨으로써, 배터리 셀(11)의 방전이 중지될 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 밸런싱 장치(100)는 배터리 셀(11)의 밸런싱을 수행하는 스위칭 소자(111)와 스위칭 소자(11)를 제어하는 제어부(120)가 오작동하더라도 자가 방전부(130)를 통해 배터리 셀(11)의 전압값이 기 설정된 제1 기준 전압값을 초과하면 배터리 셀(11)을 방전시킴으로써 배터리 셀(11)의 과충전을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하면, BMS는 배터리 셀에 인가된 전압을 측정하게 되고(S601), 제어부는 측정된 배터리 셀의 전압에 대응하여 스위칭 소자의 작동 상태를 제어함으로써, 배터리 셀의 밸런싱을 수행하게 된다.
보다 구체적으로, 제어부는 배터리 셀의 전압이 기 설정된 제2 기준 전압값 이상인 경우(S402), 스위칭 소자의 문턱 전압 이상의 게이트 전압을 게이트 단자에 인가시켜 스위칭 소자의 작동 상태를 온으로 변경하게 된다(S403). 이에 따라, 밸런싱 저항에 전류가 흘러 배터리 셀이 방전된다. 반대로, 제어부는 배터리 셀의 전압이 기 설정된 제2 기준 전압값 미만인 경우(S402), 스위칭 소자의 작동 상태를 변경하지 않고 시작으로 돌아가게 된다.
상술된 S401 내지 S403 단계에서 제어부 또는 스위칭 소자가 오작동하는 경우 배터리 셀이 밸런싱 즉, 방전되지 않아 배터리 셀의 전압이 기 설정된 제2 기준 전압값 이상으로 증가하여 기 설정된 제1 기준 전압값을 초과하는 경우(S404), 스위칭 소자와 병렬 연결된 자가 방전부의 작동 상태가 온으로 변경된다(S405). 이에 따라, 밸런싱 저항에 전류가 흘러 배터리 셀이 방전되고(S406), 배터리 셀의 전압은 기 설정된 제1 기준 전압값 이하로 감소하게 된다.
이를 통해, 본 발명에 따른 밸런싱 방법은 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 스위칭 소자와 스위칭 소자를 제어하는 제어부가 오작동하더라도 자가 방전부를 통해 배터리 셀의 전압값이 기 설정된 제1 기준 전압값을 초과하면 배터리 셀을 방전시킴으로써 배터리 셀의 과충전을 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 배터리에 포함된 배터리 셀과 연결되어 상기 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부;
    상기 배터리 셀의 전압값에 대응하여 상기 밸런싱부의 작동을 제어하는 제어부; 및
    상기 밸런싱부의 미작동 시 상기 배터리 셀의 전압값이 기 설정된 제1 기준 전압값을 초과하는지 여부에 따라 상기 배터리 셀을 방전시키는 자가 방전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱부는,
    상기 배터리 셀의 전력을 소비하는 밸런싱 저항; 및
    상기 배터리 셀에서 상기 밸런싱 저항으로 흐르는 전류를 통전 또는 차단시키는 스위칭 소자;를 포함하는 특징으로 하는,
    배터리 밸런싱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리 셀의 전압값이 기 설정된 제2 기준 전압값 이상인 경우, 상기 스위칭 소자를 온(On)으로 변경함으로써, 상기 밸런싱 저항에 전류를 통전시켜 상기 배터리 셀을 방전시키는 것을 특징으로 하는,
    배터리 밸런싱 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 자가 방전부는,
    상기 스위칭 소자와 병렬 연결되어 상기 배터리 셀의 전압이 역전압으로 인가되고, 상기 스위칭 소자가 미작동하여 상기 배터리 셀의 전압값이 상기 제1 기준 전압값을 초과하는 경우, 상기 배터리 셀에서 상기 밸런싱 저항으로 흐르는 전류를 통전시켜 상기 배터리 셀을 방전시키는 것을 특징으로 하는,
    배터리 밸런싱 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자가 방전부는,
    제너 다이오드 및 TVS(Transient Voltage Suppression) 다이오드 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
    배터리 밸런싱 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 자가 방전부가 제너 다이오드인 경우, 상기 제1 기준 전압값은 상기 제너 다이오드의 항복 전압값인 것을 특징으로 하는,
    배터리 밸런싱 장치.
  7. 배터리에 포함된 배터리 셀과 연결되어 상기 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 구비하는 단계;
    제어부가 상기 배터리 셀의 전압값에 대응하여 상기 밸런싱부의 작동을 제어하는 단계; 및
    자가 방전부가 상기 밸런싱부의 미작동 시 상기 배터리 셀의 전압값이 기 설정된 제1 기준 전압값을 초과하는지 여부에 따라 상기 배터리 셀을 방전시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 밸런싱 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 구비하는 단계는,
    상기 배터리 셀의 전력을 소비하는 밸런싱 저항을 구비하는 단계; 및
    상기 배터리 셀에서 상기 밸런싱 저항으로 흐르는 전류를 통전 또는 차단시키는 스위칭 소자를 구비하는 단계;를 포함하는 특징으로 하는,
    배터리 밸런싱 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 제어부가 상기 배터리 셀의 전압값이 기 설정된 제2 기준 전압값 이상인 경우, 상기 스위칭 소자를 온으로 변경함으로써, 상기 밸런싱 저항에 전류를 통전시켜 상기 배터리 셀을 방전시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 밸런싱 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 방전시키는 단계는,
    상기 스위칭 소자가 미작동하여 상기 배터리 셀의 전압값이 상기 제1 기준 전압값을 초과하는 경우, 상기 스위칭 소자와 병렬 연결되어 상기 배터리 셀의 전압이 역전압으로 인가되는 상기 자가 방전부가 상기 배터리 셀에서 상기 밸런싱 저항으로 흐르는 전류를 통전시켜 상기 배터리 셀을 방전시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 밸런싱 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 자가 방전부는,
    제너 다이오드 및 TVS 다이오드 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
    배터리 밸런싱 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 자가 방전부가 제너 다이오드인 경우, 상기 제1 기준 전압값은 상기 제너 다이오드의 항복 전압값인 것을 특징으로 하는,
    배터리 밸런싱 방법.
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