배터리 셀 전압 균등 제어장치 및 제어방법{Apparatus for equalizing battery cell voltage and method for the same}

본 발명은 배터리 셀 전압 균등 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 컨버터를 이용하여 배터리 셀 전압을 균등하게 제어하는 배터리 셀 전압 균등 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 배터리에는 사용용도에 적합하도록 전압 및 전류가 발생하는데, 이러한 현상은 단위 배터리 셀들이 모듈형태로 결합할 때 발생한다. 이를 위해, 단일 배터리 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 하나의 배터리 모듈을 형성해야만 한다.

일 예로, 현장의 보호계전기, 모터 드라이브 계통에 적용되고 있는 제어전원 및 전산실 전원에 안정적이고 단절이 되지 않는 전원을 공급하기 위해 사용되고 있는 무정전전원공급장치(UPS)용 배터리의 용량은, 수십 킬로와트(KW) 정도이다.

상기와 같이, 다수 개의 단위 배터리 셀을 연결하여 하나의 배터리 모듈로 사용하는 경우, 해당 각 셀이 갖는 화학적 차이, 물성적 차이, 노후화의 차이 등으로 인해 해당 배터리 셀간의 전압차가 발생한다. 이때, 이것을 방치하고 그대로 배터리 셀을 사용하는 경우에는, 시간이 경과함에 따라 전압이 낮은 배터리 셀은 전압이 더욱 낮아지게 된다. 결국, 단위 배터리 셀 하나로 인해 배터리 모듈 전체를 교체해야 하므로, 경제적인 손실을 초래한다.

이를 해결하기 위해, 종래에는 충전 및 방전 중일 때 배터리 셀들 중 최소 전압을 구해 평균전압과의 차이가 소정의 값 이하인 경우에 회복 충전을 수행하였다. 이러한 경우에는 충전회로를 제어하여 낮은 전압의 배터리 셀을 보충하는 회복충전을 수행하여 셀 밸런싱 동작을 수행하기 때문에, 배터리 관리 시스템 자체에서 셀 밸런싱동작을 수행할 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 한국공개특허 10-2008-0080864에는 직렬 연결된 배터리 셀 중에서 충전된 배터리 셀이 발견되면 전류를 리액터(reactor)에 일시적으로 저장하였다가 부족 충전된 배터리 셀에 공급하고, 과충전된 배터리 셀이 있을 경우에는 저항에 의해 방전되어 밸런싱 동작을 수행한다. 종래에는 과충전된 배터리 셀의 충전값을 보상하기 위해 방전용 저항을 사용하므로 추가적인 손실이 발생하였으며, 충전 레벨의 차이를 감지하여 리액터에 전류를 일시적으로 충전시킨 후 부족 충전된 배터리 셀에 전류를 집중시키는 방식을 사용함으로써 급속한 전류방출에 의해 릴레이를 소손시킬 수 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 셀에 병렬로 컨버터 및 트렌스포머를 설치하여 전압이 높은 배터리 셀의 에너지를 전압이 낮은 배터리 셀로 이동시켜 전체 배터리 셀의 전압을 균등하게 하는 배터리 셀 전압 균등 제어장치 및 제어방법을 제공한다.

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 직렬로 연결된 적어도 둘 이상의 배터리 셀; 상기 배터리 셀 각각에 병렬로 연결되어 사전에 설정된 비율로 배터리 셀의 전압을 승압하는 직류/직류 컨버터; 상기 컨버터 각각에 병렬로 연결되어 상기 컨버터의 승압된 전압을 사전에 설정된 비율로 승압하는 변압기; 및 상기 배터리 셀 중 가장 높은 충전전압을 갖는 제1 배터리 셀에 연결된 컨버터를 턴 온하여, 상기 제1 배터리 셀의 에너지가 다른 배터리 셀로 이동할 수 있도록 하는 제어부를 포함하고, 상기 컨버터에 연결된 상기 변압기 각각의 일 단은 서로 절연되어 있고, 상기 변압기의 타 단은 서로 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 균등 제어장치를 제공한다.

본 발명에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치에서 상기 컨버터는 입력 단자에 소정의 전압이 인가되면 내부 스위칭 소자의 온/오프 동작의 반복으로 전압을 승압하는 플라이벡 컨버터(Fly Back Converter)인 것을 특징으로 한다.

또한, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 충전전압 평활화 모드에서 직렬로 연결된 적어도 둘 이상의 배터리 셀 중 평균 충전전압보다 높은 충전전압을 갖는 제1 배터리 셀을 선택하는 단계; 상기 제1 배터리 셀에 연결된 제1 컨버터를 턴 온하는 단계; 및 상기 제1 컨버터에 연결된 변압기를 통하여 상기 제1 배터리 셀에 충전된 에너지가 다른 배터리 셀로 이동하도록 하여 배터리 셀의 충전전압을 평활화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 균등 제어방법을 제공한다.

본 발명에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어방법에서 상기 컨버터에 연결된 상기 변압기 각각의 일 단은 서로 절연되어 있고, 상기 변압기의 타 단은 서로 병렬로 연결되어 있고, 상기 제1 컨버터에 연결된 변압기의 일단을 통해 인가된 고전압은 서로 병렬로 연결된 상기 변압기를 타 단을 통해 공유되고, 상기 변압기를 통해 공유된 고전압은 상기 제1 컨버터에 연결된 변압기를 제외한 다른 변압기의 일 단을 통해 상기 제1 배터리 셀을 제외한 다른 배터리 셀에 인가되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 복수로 연결된 배터리 셀의 충전량을 일정하게 제어할 수 있어 배터리 SOC를 균일하게 유지할 수 있고, 이에 따라 배터리 셀 각 수명을 균일하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2은 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치의 제1 배터리 셀에서 출력된 전압이 변압기의 타단으로 전이되는 것을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치의 변압기에서 병렬로 연결된 복수의 변압기 타단에 전압이 공유되는 것을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치의 변압기를 통해서 제1 배터리 셀의 에너지가 다른 배터리 셀로 전이되는 것을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어방법의 일 실시예를 나타내는 순서도이다.

본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

한편, 본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.

"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1항목, 제2항목 또는 제3항목 각각 뿐만 아니라 제1항목, 제2항목 및 제3항목들 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 고안이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

이하에서는 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치 및 제어방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

<배터리 셀 전압 균등 제어장치>

도 1은 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치의 일 실시예를 나타내는 도면이다.

도 1에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(100)는 배터리 셀(110a 내지 110n), 컨버터(120a 내지 120n), 변압기(130a 내지 130n), 및 제어부(140)를 포함한다.

배터리 셀(110a 내지 110n)은 직렬로 연결되며, 적어도 둘 이상의 배터리 셀을 포함한다. 직렬로 연결된 배터리 셀(110a 내지 110n)은 전체 전압을 형성한다. 이때, 배터리 셀(110a 내지 110n)은 충전과 방전이 반복됨에 따라서 각 셀이 갖는 화학적 차이, 물성적 차이, 노후화의 차이 등으로 인해 해당 배터리 셀간의 전압차가 발생할 수 있다.

컨버터(120a 내지 120n)는 상기 배터리 셀(110a 내지 110n) 각각에 병렬로 연결되어 사전에 설정된 비율로 배터리 셀(110a 내지 110n)의 전압을 승압하는 직류/직류 컨버터이다.

컨버터(120a 내지 120n)의 일 단은 배터리 셀(110a 내지 110n)에 각각 병렬로 연결되어 있고, 컨버터(120a 내지 120n)의 타 단은 변압기(130a 내지 130n)의 일단에 각각 연결된다.

일 실시예에 있어서 상기 컨버터(120a 내지 120n)는 입력 단자에 소정의 전압이 인가되면 내부 스위칭 소자의 온/오프 동작의 반복으로 전압을 승압하는 플라이벡 컨버터(Fly Back Converter) 타입일 수 있다.

변압기(130a 내지 130n)는 상기 컨버터 각각에 병렬로 연결되어 상기 컨버터의 승압된 전압을 사전에 설정된 비율로 승압한다.

변압기(130a 내지 130n)의 일단(X)은 상기 컨버터에 연결되어 있는데, 변압기(130a 내지 130n)의 일단(X) 상호 간은 서로 절연되어 있다. 변압기(130a 내지 130n)의 타단(Y)은 서로 병렬로 연결되어 있다.

제어부(140)는 상기 배터리 셀 중 가장 높은 충전전압(110a 내지 110n)을 갖는 제1 배터리 셀에 연결된 컨버터를 턴 온하여, 상기 제1 배터리 셀의 에너지가 다른 배터리 셀로 이동할 수 있도록 한다. 이를 보다 상세하게 설명하기 위해 이하 도 2 내지 도 4를 참조한다.

도 2은 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치의 제1 배터리 셀에서 출력된 전압이 변압기의 타단으로 전이되는 것을 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치의 변압기에서 병렬로 연결된 복수의 변압기 타단에 전압이 공유되는 것을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치의 변압기를 통해서 제1 배터리 셀의 에너지가 다른 배터리 셀로 전이되는 것을 나타내는 도면이다.

우선, 도 2에서 알 수 있듯이, 배터리 셀(110a)이 가장 높은 충전전압(V1)을 갖는 경우 제어부(140)는 컨버터(120a)를 턴 온하여 전압을 증폭하고, 변압기(130a)을 통해 변압기(130a) 타단으로 V2 전압이 형성되도록 한다.

다음, 도 3에서 알 수 있듯이, 변압기(130a) 타단에 형성된 V2 전압이 다른 변압기(130b 내지 130n)으로 공유되도록 한다. 변압기의 타단은 서로 병렬로 연결되어 있으므로 전압이 동일하게 인가된다.

다음, 도 4에서 알 수 있듯이, 변압기의 타단(130b 내지 130n)에 공유된 전압 V2가 변압기의 일단(130b 내지 130n)을 통해 배터리 셀(110b 내지 110n)로 인가된다.

이에 따라,제1 배터리 셀(110a)에 충전된 에너지가 다른 배터리 셀(110b 내지 110n)로 인가되어, 다른 배터리 셀(110b 내지 110n)의 전압이 상승한다. 이러한 방법으로 배터리 셀(110a 내지 110n) 상호 간의 충전전압 차이가 줄어들어 충전전압 균등화가 이루어진다.

<배터리 셀 전압 균등 제어방법>

도 5는 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어방법의 일 실시예를 나타내는 순서도이다.

도 5에서 알 수 있듯이, 우선 충전전압 평활화 모드에서 직렬로 연결된 적어도 둘 이상의 배터리 셀 중 평균 충전전압보다 높은 충전전압을 갖는 제1 배터리 셀을 선택하는 단계(S1100)를 실행한다. 일 실시예에 있어서 제1 배터리 셀은 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있고, 가장 높은 충전전압을 갖는 배터리 셀 하나일 수 있다.

다음, 상기 제1 배터리 셀에 연결된 제1 컨버터를 턴 온하는 단계(S1200)를 실행한다.

제1 컨버터가 120a 컨버터라 가정하면(도 2에서 알 수 있듯이), 제어부(140)는 컨버터(120a)를 턴 온하여 전압을 증폭하고, 변압기(130a)을 통해 변압기(130a) 타단으로 V2 전압이 형성되도록 한다. 이때(도 3에서 알 수 있듯이), 변압기(130a) 타단에 형성된 V2 전압이 다른 변압기(130b 내지 130n)으로 공유된다. 변압기의 타단은 서로 병렬로 연결되어 있으므로 전압이 동일하게 인가된다.

다음, 상기 제1 컨버터에 연결된 변압기를 통하여 상기 제1 배터리 셀에 충전된 에너지가 다른 배터리 셀로 이동하도록 하여 배터리 셀의 충전전압을 평활화하는 단계(S1300)를 실행한다.

즉, 상기 컨버터에 연결된 상기 변압기 각각의 일 단은 서로 절연되어 있고, 상기 변압기의 타 단은 서로 병렬로 연결되어 있고, 상기 제1 컨버터에 연결된 변압기의 일단을 통해 인가된 고전압은 서로 병렬로 연결된 상기 변압기를 타 단을 통해 공유되고, 상기 변압기를 통해 공유된 고전압은 상기 제1 컨버터에 연결된 변압기를 제외한 다른 변압기의 일 단을 통해 상기 제1 배터리 셀을 제외한 다른 배터리 셀에 인가된다.

이를 구체적으로 보면(도 4에서 알 수 있듯이), 변압기의 타단(130b 내지 130n)에 공유된 전압 V2가 변압기의 일단(130b 내지 130n)을 통해 배터리 셀(110b 내지 110n)로 인가된다. 배터리 셀(110b 내지 110n)에 연결된 컨버터는 턴 온되지 않았기 때문에, 배터리 셀(110b 내지 110n) 측의 전압은 V2 전압에 비하여 크기가 작으므로 충전이 이루어 질 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어방법은 저항을 사용하기 않기 때문에 에너지 손실이 없고 셀 균등 제어시간이 짧은 장점이 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

100 - 배터리 셀 전압 균등 제어장치
110a - 내지 110n 배터리 셀
120a 내지 120n - 컨버터
130a 내지 130n - 변압기
140 - 제어부