JP6522890B2 - バッテリラックおよびその駆動方法 - Google Patents

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Description

本発明は、バッテリ管理システムおよびその駆動方法に関するものであって、より詳細には、バッテリの電力を効率的に管理するバッテリ管理システムおよびその駆動方法に関するものである。
環境破壊、資源枯渇などが問題化するにつれ、電力を貯蔵し、貯蔵された電力を効率的に活用可能なシステムに対する関心が高まっている。
電力貯蔵システムは、新再生エネルギーの発電電力をバッテリに貯蔵したり、商用系統と連係して商用系統の電力をバッテリに貯蔵することができる。電力貯蔵システムは、バッテリに貯蔵された電力を商用系統または負荷に供給することができる。
電力貯蔵システムには、電力を貯蔵するために充電および放電が可能な二次電池(secondary battery)が使用できる。しかし、二次電池が有する容量の限界のため、複数の二次電池を直並列に連結したバッテリパックの形態で使用可能である。
バッテリパックをなすそれぞれのバッテリセルは、製造工程上の様々な理由によって容量偏差が存在する。したがって、バッテリパックは、充放電サイクル中に、各バッテリセルの充放電電圧に偏差が発生する。これにより、バッテリパックは、充電中に特定のバッテリセルが過充電され得、放電中に特定のバッテリセルが過放電され得る。このように、バッテリパック中において、特定のバッテリセルの過充電や過放電は、バッテリパックの容量を減少させるだけでなく、バッテリパックを劣化させ、寿命を短縮させる。
そのため、各バッテリセルのセル電圧の均一性を守るセルバランシング(cell balancing)動作が行われる。しかし、セル電圧が最も低いバッテリセルの電圧を基準としてセルバランシング動作が行われ、相対的に高い電圧を有するバッテリセルのエネルギーが損失することがある。
以下、セルバランシング動作によるエネルギーの損失を防止するバッテリ管理システムを提案する。
本発明は、上述した必要性を満たすためになされたものであって、バッテリパックに貯蔵された電力を効率的に使用するバッテリ管理システムおよびその駆動方法を提供する。
また、本発明が解決しようとする課題は、セルバランシング動作が行われる時間を減少させるバッテリ管理システムおよびその駆動方法を提供することである。
本発明で解決しようとする技術的課題は、以上に言及した技術的課題に制限されず、言及していない他の技術的課題は、下記の記載から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解できる。
上記の目的を達成するために、本発明の一実施形態にかかるバッテリラックは、複数のバッテリパックと、複数のスレーブBMS(それぞれのスレーブBMSは、バッテリパックのうちの対応する1つに連結され、動作電源によって駆動され、複数の動作電源変更信号のうちの対応する1つを受信するのに応じて、対応する1つのバッテリパックを動作電源として使用する)と、複数のスレーブBMSに連結され、複数の動作電源変更信号を複数のスレーブBMSに伝達するマスターBMSとを含む。
スレーブBMSは、バッテリパックの充電パラメータに関する情報を測定し、測定された情報をマスターBMSに伝達することができる。
マスターBMSは、バッテリパックの充電状態または電圧の比較結果に応じて、選択的に動作電源変更信号を伝達することができる。
マスターBMSは、比較結果によって決定される比較的高い充電状態または比較的高い電圧を有するバッテリパックに連結されるスレーブBMSに、動作電源変更信号のうちの対応する1つを伝達することができる。
比較的高い充電状態または比較的高い電圧を有するバッテリパックは、複数のバッテリパックのうちの他のバッテリパックの充電状態または電圧より、しきい充電状態またはしきい電圧以上のより高い充電状態または電圧を有することができる。
それぞれのスレーブBMSは、動作電源変更信号のうちの対応する1つを受信するのに応じて、動作電源のソースを外部電源または対応する1つのバッテリパックに選択的に変更することができる。
それぞれのスレーブBMSは、動作電源のソースとして、外部電源または対応する1つのバッテリパックを選択するスイッチ部を含むことができる。
スイッチ部は、第1リレーおよび第2リレーを含み、第1リレーまたは第2リレーをそれぞれ用いて、外部電源または対応する1つのバッテリパックを選択することができる。
それぞれのスレーブBMSは、対応する1つのバッテリパックおよび第2リレーの間に連結される変圧部を含み、変圧部は、スレーブBMSの動作電源に対応するように、対応する1つのバッテリパックから受信される電圧を変換することができる。
対応する1つのバッテリパックは、複数のバッテリセルを含み、それぞれのスレーブBMSは、マスターBMSから複数のセルバランシング信号のうちの1つを受信し、セルバランシング信号に応じて、複数のバッテリセルにセルバランシング動作を行うことができる。
本発明の一実施形態にかかるバッテリラックの駆動方法は、マスターBMSから選択的に複数の動作電源変更信号を伝送する段階と、動作電源によって駆動され、マスターBMSに連結される複数のスレーブBMSのうちの対応する1つからそれぞれの動作電源変更信号を受信する段階と、動作電源変更信号を受信した対応する1つのスレーブBMSによって、動作電源ソースとして、複数のバッテリパックのうちの対応する1つを使用する段階とを含む。
複数のスレーブBMSによって、バッテリパックの充電パラメータに関するバッテリパック情報を測定する段階と、測定されたバッテリパック情報をマスターBMSに伝送する段階とをさらに含むことができる。
選択的に複数の動作電源変更信号を伝送する段階は、バッテリパックの充電状態または電圧を比較した結果に応じて行われてよい。
選択的に複数の動作電源変更信号を伝送する段階は、比較結果によって決定される比較的高い充電状態または比較的高い電圧を有するバッテリパックに連結されるスレーブBMSに、動作電源変更信号を伝送する段階を含むことができる。
比較的高い充電状態または比較的高い電圧を有するバッテリパックは、複数のバッテリパックのうちの他のバッテリパックの充電状態または電圧より、しきい充電状態またはしきい電圧以上のより高い充電状態または電圧を有することができる。
動作電源ソースとして、複数のバッテリパックのうちの対応する1つを使用する段階は、伝送された動作変更信号を受信したスレーブBMSのうちの対応する1つに応答して、動作電源のソースを外部電源または対応する1つのバッテリパックに選択的に変更する段階を含むことができる。
動作電源のソースを外部電源または対応する1つのバッテリパックに選択的に変更する段階は、動作電源のソースとして、外部電源または対応する1つのバッテリパックを選択するスイッチ部が動作する段階を含むことができる。
スイッチ部が動作する段階は、外部電源または対応する1つのバッテリパックを選択する第1リレーまたは第2リレーを駆動する段階を含むことができる。
外部電源または対応する1つのバッテリパックから受信される電圧を、スレーブBMSの動作電圧に変換する段階をさらに含むことができる。
マスターBMSがセルバランシング信号を選択的に伝送する段階と、複数のバッテリパックのうちのセルバランシングバッテリパックに連結されるセルバランシングスレーブBMSから、伝送されたセルバランシング信号のうちの対応する1つを受信する段階と、セルバランシングバッテリパックから受信されるセルバランシング信号に応答して、前記セルバランシングバッテリパック内の複数のバッテリセルで選択的にセルバランシング動作を行う段階とをさらに含むことができる。
本発明にかかるバッテリ管理システムの効果について説明すると、次の通りである。
本発明の実施形態の少なくとも1つによれば、バッテリパックに貯蔵された電力を効率的に使用できる利点がある。
また、本発明の実施形態の少なくとも1つによれば、セルバランシング動作が行われる時間を減少させることができる利点がある。
本発明から得られる効果は、以上に言及した効果に制限されず、言及していない他の効果は、下記の記載から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解できる。
本発明の一実施形態にかかる電力貯蔵システムを示す図である。 本発明の一実施形態にかかる電力貯蔵装置の内部構成を示す図である。 本発明の一実施形態にかかるバッテリ管理システムを示す図である。 本発明の一実施形態にかかる駆動電源が印加されるスレーブBMSを示す図である。 本発明の一実施形態にかかるバッテリ管理システムの駆動方法を示すフローチャートである。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は、様々な異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。
本発明の実施形態を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付す。
明細書全体において、ある部分が他の部分に「連結」されているとする時、これは、「直接的に連結」されている場合だけでなく、その中間に別の素子を挟んで「電気的に連結」されている場合も含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。
以下、本発明の実施形態にかかる電力貯蔵システムおよびその駆動方法について詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態にかかる電力貯蔵システムを示す図である。
本発明の実施形態にかかる電力貯蔵システム100は、発電システム200と商用系統300との間に連結される。
発電システム200は、太陽光、風力、波力、潮力、地熱などの新再生エネルギーを利用して電気エネルギーを生産するシステムを含むことができる。一方、発電システム200は、前記新再生エネルギーだけでなく、商用系統を含むことができる。
商用系統300は、火力、水力、原子力発電などにより電力を生産する発電所、生産された電力を送電線路や配電線路を介して送るために電圧や電流の性質を変える変電所および送電所などを含むことができる。
一方、図1では、電力貯蔵システム100が商用系統300に連結されているものとして示しているが、商用系統300の代わりに負荷に切り替えられてもよい。負荷は、電力を消費する各種電気機器をいい、家庭の家電機器や工場の生産設備などを意味する。
図1に示しているように、本発明の実施形態にかかる電力貯蔵システム100は、第1電力変換部120と、第2電力変換部140と、電力貯蔵装置160とを含む。
第1電力変換部120は、発電システム200に連結され、発電システム200で生産される第1電力を第2電力に変換してノードN1に伝達する。発電システム200で生産される第1電力は、直流電力または交流電力であってよく、ノードN1の電力は、直流電力である。つまり、第1電力変換部120は、直流の第1電力を直流電力に変換するDC−DCコンバータであってよく、交流の第1電力を直流電力に変換するAC−DCコンバータであってよい。
第2電力変換部140は、ノードN1と商用系統300との間に連結される。第2電力変換部140は、ノードN1の直流電力を交流電力に変換して商用系統300に伝達する。つまり、第2電力変換部は、直流電力を交流電力に変換するDC−ACコンバータであってよい。
電力貯蔵装置160は、ノードN1の直流電力を貯蔵する装置である。電力貯蔵装置160は、貯蔵した電力を、停電時、再びノードN1に直流電力を供給することができる。停電時、電力貯蔵装置160からノードN1に供給される直流電力は、第2電力変換部140によって変換されて商用系統300または負荷(図示せず)に伝達される。したがって、停電時にも、常に安全な電力が商用系統300または負荷に供給可能である。
一方、電力貯蔵装置160は、停電時にのみ、ノードN1に直流電力を供給することができるが、貯蔵した電力を常にノードN1に供給することもできる。この場合は、発電システム200から供給される電力が、電力貯蔵装置160を介して常に商用系統300または負荷に伝達可能である。
図2を参照して、本発明の第1実施形態にかかる電力貯蔵装置160についてより詳細に説明する。
図2は、本発明の第1実施形態にかかる電力貯蔵装置160の内部構成を示す図である。
図2に示しているように、本発明の第1実施形態にかかる電力貯蔵装置160は、複数のバッテリラック160A、160Bと、AC−DC変換部164と、複数のメインスイッチS1A、S1B、S2A、S2Bと、複数の充電スイッチS3A、S3Bと、ダイオードD1A、D1Bとを含む。図2において、電圧および電流の流れは実線で示し、バッテリ管理システムの測定信号およびスイッチング制御信号の流れは点線で示した。
第1バッテリラック160Aは、複数のバッテリパック161Aと、複数のスレーブバッテリ管理システム162A(以下、「スレーブBMS」という)と、マスターバッテリ管理システム163A(以下、「マスターBMS」という)とを含む。
複数のバッテリパック161Aは、互いに直列に連結され、バッテリラック160Aの正電位出力端(+)および負電位出力端(−)に連結される。正電位出力端(+)および負電位出力端(−)それぞれには電力線が連結される。つまり、直列に連結された複数のバッテリパック161Aは、正電位出力端(+)および負電位出力端(−)を介して電力線に電力を出力する。
そして、バッテリパック161Aは、直列または並列に連結された複数のセルを含む。ここで、セルは、充電および放電可能な二次電池であって、ニッケル−カドミウム電池(nickel−cadmium battery)、鉛蓄電池、ニッケル−水素電池(nickel metal hydride battery)、リチウム−イオン電池(lithium ion battery)、リチウムポリマー電池(lithium polymer battery)などであってよい。
複数のスレーブBMS162Aはそれぞれ、バッテリパック161Aの充電および放電を管理し、マスターBMS163Aは、バッテリラック160A全体の充電および放電を管理する。図2では、各バッテリパック161AごとにスレーブBMS162Aが備えられているものとして示しているが、スレーブBMS162Aは、複数のバッテリパック161Aの充電および放電を管理するように備えられてもよい。
スレーブBMS162Aは、複数のバッテリパック161Aの状態を測定することができる。スレーブBMS162Aは、バッテリパック161Aに含まれる各セルの電圧、電流または温度などを測定することができる。そして、スレーブBMS162Aは、測定したバッテリパックの状態に関する情報(以下、バッテリ状態関連情報と説明する。)をマスターBMS163Aに伝達することができる。
マスターBMS163Aは、各スレーブBMS162Aから伝達されるバッテリ状態関連情報により、各セルまたは各バッテリパックの充電状態(SOC、state of charge)および性能状態(SOH、state of health)を推定することができる。マスターBMS163Aは、これによってバッテリラック160A全体の充電および放電を制御することができる。
また、マスターBMS163Aは、バッテリ状態関連情報を用いて、バッテリパックに含まれているセルのセルバランシング動作が行われるように制御することができる。
具体的には、マスターBMS163Aは、それぞれのスレーブBMSにセルバランシング信号を出力することができる。すると、スレーブBMSは、バランシング抵抗(つまり、抵抗)を介して充電状態が相対的に高いセルの電力を放出する受動型セルバランシング方法(passive cell balancing method)を用いてセルバランシングを行うことができる。あるいは、スレーブBMSは、充電状態が相対的に高いセルの電力を、充電状態が相対的に低いセルに供給する能動型セルバランシング方法(active cell balancing method)を用いてセルバランシングを行うことができる。
一方、マスターBMS163Aは、各スレーブBMS162Aから伝達されるバッテリ状態関連情報により、各バッテリパック161Aまたはバッテリラック160A全体の電圧、電流の異常発生の有無を検出することができる。マスターBMS163Aは、各バッテリパック161Aまたはバッテリラック160Aの異常発生が検出されると、メインスイッチS1A、S2Aにスイッチング制御信号を伝達してメインスイッチS1A、S2Aが遮断されるようにし、これによってバッテリが保護される。
そして、マスターBMS163Aは、充電スイッチS3Aのターンオン/ターンオフを制御するスイッチング制御信号を生成して充電スイッチS3Aに伝達する。本発明の実施形態にかかるマスターBMS163Aは、バッテリラック160Aを充電させようとする場合、充電スイッチS3Aをターンオンさせ、充電動作が完了した場合には、充電スイッチS3Aをターンオフさせる。
一方、マスターBMS163Aに異常がある場合には、複数のスレーブBMS162Aのうちのいずれか1つがマスターBMS163Aの役割を代わりに行うことができる。マスターBMS163Aの役割を行うスレーブBMS162Aが、バッテリラック160Aの電圧、電流の異常発生を検出してメインスイッチS1A、S2Aを制御することができる。
そして、第2バッテリラック160Bも、第1バッテリラック160Aと同様に、複数のバッテリパック161Bと、複数のスレーブBMS162Bと、マスターBMS163Bとを含む。第2バッテリラック160Bの内部構成および各構成の機能は、第1バッテリラック160Aと同一であるので、具体的な説明は省略する。
AC−DC変換部164は、商用系統から交流(AC)電圧を受信し、受信した交流電圧を直流電圧VSSに変換してマスターBMS163AおよびマスターBMS163Bに伝達する。AC−DC変換部164から出力される直流電圧VSSは、マスターBMS163AおよびマスターBMS163Bを動作させるのに必要な動作電源として使用される。また、直流電圧VSSは、各スレーブBMS162A、162Bに伝達され、各スレーブBMS162A、162Bを動作させるのに必要な動作電源として使用できる。
一方、スレーブBMS162Aの動作電源に関連し、前述のセルバランシング動作が行われる前、またはセルバランシング動作の実施に伴って、スレーブBMS162Aの動作電源として、直流電圧VSSの使用が中止され、スレーブBMS162Aが管理するバッテリパック161Aに貯蔵された電力が使用できる。
具体的には、マスターBMS163Aは、各バッテリパック161Aに貯蔵された電力を各スレーブBMSの動作電源として使用するように、動作電源変更信号を出力する。この時、マスターBMS163Aによって管理される複数のバッテリパックの電圧が均一となるように、相対的に高い電圧を有するバッテリパックの電力がスレーブBMSの動作電源として使用できる。この時、バッテリパックの電圧は、バッテリパックに含まれているそれぞれのバッテリセルの電圧の和と仮定する。
マスターBMS163Aは、バッテリ状態関連情報を用いて、複数のバッテリパックの電圧または充電状態を比較することができる。そして、マスターBMS163Aは、比較結果を用いて動作電源変更信号を生成することができる。
そして、マスターBMS163Aは、複数のバッテリパック161Aの電圧または充電状態が均一となるように、動作電源変更信号を電圧または充電状態が相対的に高い第1スレーブBMS162Aに出力することができる。
すると、第1スレーブBMS162Aは、動作電源変更信号に応じて、マスターBMS163Aから受信される直流電圧VSSの動作電源の使用を中止し、第1バッテリパック161Aに貯蔵された電力を動作電源として使用することができる。以下、前記で説明したスレーブBMSの動作電源変更過程をバッテリパックのバランシングとして説明する。
一方、メインスイッチS1Aの一端は、第1バッテリラック160Aの正電位出力端(+)に連結される。充電スイッチS3Aの一端はメインスイッチS1Aの他端に連結され、他端はノードN1に連結されてよい。そして、ダイオードD1Aのアノードは充電スイッチS3Aの一端に連結され、カソードは充電スイッチS3Aの他端に連結されてよい。メインスイッチS2Aは、第1バッテリラック160Aの負電位出力端(−)とノードN1との間に連結されてよい。
ここで、メインスイッチS1A、S2Aは、充電/放電時には、ターンオン状態を維持して充電経路および放電経路を形成することができる。そして、メインスイッチS1A、S2Aは、第1バッテリラック160Aに異常が発生する時、正電位出力端(+)および負電位出力端(−)から出力される電圧および電流を遮断するためにターンオフされ得る。
第1バッテリラック160Aは、複数のバッテリパック161Aが直列に連結され、1kV、300A程度の高電圧高電流が出力できるため、メインスイッチS1A、S2Aは、このような高電圧高電流を遮断できる半導体素子で実現可能である。一方、メインスイッチS1A、S2Aはそれぞれ、充電経路および放電経路をすべて形成しなければならないため、ドレインとドレインとが連結されたバックツーバックスイッチを通じて実現することができる。
充電スイッチS3Aは、第1バッテリラック160Aの充電動作時、ターンオンされて充電経路を形成し、充電が完了した場合にはターンオフされ得る。そして、ダイオードD1Aは、第1バッテリラック160Aの放電動作時、放電経路を形成することができる。
一方、メインスイッチS1Bの一端は、第2バッテリラック160Bの正電位出力端(+)に連結できる。充電スイッチS3Bの一端はメインスイッチS1Bの他端に連結され、他端はノードN1に連結されてよい。そして、ダイオードD1Bのアノードは充電スイッチS3Bの一端に連結され、カソードは充電スイッチS3Bの他端に連結されてよい。メインスイッチS2Bは、第2バッテリラック160Bの負電位出力端(−)とノードN1との間に連結されてよい。
ここで、メインスイッチS1B、S2Bは、充電/放電時には、ターンオン状態を維持して充電経路および放電経路を形成することができる。そして、メインスイッチS1B、S2Bは、第2バッテリラック160Bに異常が発生する時、正電位出力端(+)および負電位出力端(−)から出力される電圧および電流を遮断するためにターンオフされ得る。
第2バッテリラック160Bからも高電圧高電流が出力できるため、メインスイッチS1B、S2Bは、このような高電圧高電流を遮断できる半導体素子で実現可能である。一方、メインスイッチS1B、S2Bもそれぞれ、充電経路および放電経路をすべて形成しなければならないため、ドレインとドレインとが連結されたバックツーバックスイッチを通じて実現することができる。
充電スイッチS3Bは、第2バッテリラック160Bの充電動作時、ターンオンされて充電経路を形成し、充電が完了した場合にはターンオフされ得る。そして、ダイオードD1Bは、第2バッテリラック160Bの放電動作時、放電経路を形成することができる。
次に、図3を参照して、動作電源変更を通じてバッテリパックのバランシングを行うスレーブBMSおよびマスターBMSの構造について詳細に説明する。
図3は、本発明の一実施形態にかかるバッテリ管理システムを示す図である。図示のように、正電位出力端(+)とバッテリパック161とが電力線で連結され、メインスイッチS1の動作によって、電力線に流れるバッテリパック161を充電する電流Icharge、またはバッテリパック161に充電された電力を外部に放電させる電流Idischargeが遮断され得る。
マスターBMS163は、マスタースイッチ部1630と、マスター通信部1632と、マスター制御部1634と、マスター電源部1636と、マスターセンシング部1638とを含むことができる。
まず、マスター電源部1636は、AC−DC変換部164から交流電圧が変換された直流電圧VSSを受信し、マスターBMS163の動作電源として使用するように動作することができる。
マスター電源部1636は、直流電圧VSSを第1変圧部165に出力することができる。すると、第1変圧部165は、直流電圧VSSをスレーブBMS162の動作電源に対応する電圧に変圧してそれぞれのスレーブBMS162に供給することができる。それぞれのスレーブBMS162は、第1変圧部165から供給される電圧を動作電源として使用することができる。
一方、マスター通信部1632は、スレーブBMS162からバッテリ状態関連情報を受信し、マスター制御部1634に出力することができる。
また、マスター通信部1632は、マスター制御部1634から生成されたスレーブBMS162を制御する信号をスレーブBMS162側の通信部1626に伝達することができる。
マスターセンシング部1638は、電力線に流れる電流を測定することができる。一例として、マスターセンシング部1638は、電力線に形成された抵抗を利用して電力線に流れる電流を直接的に測定することができる。
他の例として、マスターセンシング部1638は、ホールセンサ(hall sensor)を用いて、電力線に流れる電流を測定することができる。そして、マスターセンシング部1638は、測定した結果をマスター制御部1634に出力することができる。マスターセンシング部1638が電力線に流れる電流を測定する手段は、前記例に限定されない。
次に、マスター制御部1634は、マスター通信部1632から出力されたバッテリ状態関連情報を用いて、各セル1610の充電状態および性能状態を推定することができる。例えば、マスター制御部1634は、開放回路電圧と充電状態との関係を示すデータテーブルを備え、検出された各セル1610の開放回路電圧と充電状態との関係を示すデータから各セル1610の充電状態を算出することができる。
しかし、バッテリセル1610の充電状態を算出する方法は、開放回路電圧から算出する方法に限定されるものではない。例えば、電流積算方式など、充電状態を算出する多様な適切な方法が使用できる。
あるいは、マスター制御部1634は、スレーブBMS162によって算出された各セル1610の充電状態および性能状態を、マスター通信部を介して受信することもできる。
マスター制御部1634は、バッテリ状態関連情報を用いて、バッテリパック161の電圧またはバッテリパック161の充電状態が相対的に高いスレーブBMS162の動作電源変更信号を生成し、これを当該スレーブBMS162に出力することができる。
つまり、マスター制御部1634は、バッテリパックのバランシング動作を行うための動作電源変更信号を生成してスレーブBMS162に出力することができる。
例えば、マスター制御部1634は、各セル1610の電圧値を用いて、各セル1610が含まれるバッテリパック161の電圧または充電状態を計算することができる。そして、マスター制御部1634は、それぞれのバッテリパック161の電圧または充電状態を比較することができる。
マスター制御部1634は、バッテリパック161の電圧または充電状態が相対的に高いスレーブBMS162の動作電源として、バッテリパック161に充電された電力を使用するように、動作電源変更信号を生成して当該スレーブBMS162に出力することができる。
例えば、第1スレーブBMS162は、第1バッテリパック161を管理し、第2スレーブBMS162cは、第2バッテリパック161cを管理し、第3スレーブBMS162dは、第3バッテリパック161dを管理し、マスターBMS163は、第1スレーブBMS162、第2スレーブBMS162c、第3スレーブBMS162dを管理することができる。
マスター制御部1634は、バッテリ状態関連情報を用いて、第1バッテリパック161が、第2バッテリパック161cおよび第3バッテリパック161dより大きい電圧を有するか、高い充電状態であるかを判断することができる。
そして、マスター制御部1634は、第1バッテリパック161、第2バッテリパック161c、および第3バッテリパック161dの電圧または充電状態が均一となるように、動作電源変更信号を第1スレーブBMS162に出力することができる。
具体的には、マスター制御部1634は、それぞれのバッテリパック161、161c、161dの間の電圧差または充電状態の差を算出することができる。そして、算出された電圧差がしきい電圧値以上の場合、または算出された充電状態の差がしきい充電状態以上の場合、マスター制御部1634は、相対的に高い電圧を有するか相対的に高い充電状態のバッテリパック161を管理するスレーブBMS162に、動作電源変更信号を出力することができる。
一例として、第1バッテリパック161と第2バッテリパック161cとの充電状態の差が5%以上の場合、マスター制御部1634は、第1バッテリパック161および第2バッテリパック161cのうちの相対的に高い充電状態のバッテリパック161を管理するスレーブBMS162に、動作電源変更信号を出力することができる。
他の例として、第1バッテリパック161と第3バッテリパック161dとの電圧の差が2V以上の場合、マスター制御部1634は、第1バッテリパック161および第3バッテリパック161dのうちの相対的に高い電圧を有するバッテリパック161を管理するスレーブBMS162に、動作電源変更信号を出力することができる。
あるいは、マスター制御部1634は、バッテリパック161、161c、161dの間の電圧偏差または充電状態の偏差を算出することができる。そして、算出された電圧偏差が所定値以上の場合、または算出された充電状態の偏差が所定値以上の場合、マスター制御部1634は、相対的に高い電圧を有するか相対的に高い充電状態のバッテリパック161を管理するスレーブBMS162に、動作電源変更信号を出力することができる。
すると、動作電源変更信号を受信したスレーブBMS162は、バッテリパック161に充電された電力をスレーブBMS162の動作電源として使用することができる。スレーブBMS162の動作電源の使用によってバッテリパック161の電圧またはバッテリパック161に充電された電力は減少できる。したがって、バッテリパックのバランシング動作によって、全体バッテリパック161の間の電圧または充電状態が均一となり得る。
すると、全体バッテリパックに含まれる全体バッテリセルの電圧の偏差または全体バッテリセルの充電状態の偏差が減少できる。具体的には、動作電源変更信号を受信したスレーブBMS162が管理するバッテリパック161に充電された電力が、スレーブBMS162の動作電源として使用されるため、当該バッテリパック161に含まれているバッテリセル1610に充電された電力が減少できる。
したがって、当該バッテリパック161に含まれる相対的に高い電圧を有するバッテリセル1610の電圧または充電状態が減少し、全体バッテリセル1610の電圧または充電状態の偏差が減少できる。
そして、所定基準以下に全体バッテリセル1610の電圧または充電状態の偏差が減少すると、マスター制御部1634は、動作電源変更中止信号を出力し、セルバランシング信号を生成することができる。
マスター制御部1634は、各セル1610に対するセルバランシング動作が行われるように、スレーブBMS162にセルバランシング信号を出力することができる。すると、セルバランシング信号を受信したスレーブBMS162は、バッテリパック161に含まれているバッテリセル1610の電圧に対するバランシング動作を行うことができる。
また、マスター制御部1634は、バランシングを行った後、バランシング終了条件を判断し、スレーブBMS162にセルバランシング終了信号を出力することができる。マスター制御部1634は、バランシングされたセル電圧が特定の電圧値に到達したか、またはバランシングされたセル電圧と最小セル電圧との差が特定の電圧値以下であるかを判断することができる。さらに、マスター制御部1634は、セルの温度が所定範囲を超えているかを判断することができる。
例えば、マスター制御部1634は、満充電時のバランシングの場合、セル電圧が3.8V以下であるか、またはバランシングされたセル電圧と最小セル電圧との差が5mV以下の場合にセルバランシングを終了することができる。マスター制御部1634は、過放電時のバランシングの場合、最小セル電圧が2.2V以下であるか、またはバランシングされたセル電圧と最小セル電圧との差が5mV以下の場合にセルバランシングを終了することができる。また、マスター制御部1634は、セルの温度が0℃以下または50℃以上の場合にセルバランシングを終了することができる。
マスター制御部1634は、スレーブBMS162から伝達されたバッテリ状態関連情報およびマスターセンシング部1638の電流測定結果に応じて、メインスイッチS1を制御する信号を生成してマスタースイッチ部1630に出力することができる。
それぞれのスレーブBMS162は、センシング部1620と、電源部1622と、制御部1624と、通信部1626と、スイッチ部1628と、第2変圧部1629とを含むことができる。この時、第2変圧部1629は、スレーブBMS162の外部に設けられてよい。
まず、センシング部1620は、バッテリパック161、およびバッテリパック161に含まれる各セル1610の状態を測定することができる。例えば、センシング部1620は、バッテリパック161の全体電圧や中間電圧(つまり、全体セル1610の総電圧または各セル1610の電圧)、バッテリパック161または各セル1610の温度、およびバッテリパック161または各セル1610に流れる電流などを測定することができる。
この時、センシング部1620で測定する電圧値は、各セル1610の開放回路電圧(Open circuit voltage)、あるいは充放電の途中に測定される実測電圧をすべて含むことができる。
センシング部1620は、バッテリパック161の全体電圧や中間電圧を測定するために、各セル1610の間のノードと電気的に連結できる。つまり、センシング部1620とセル1610との間に、バッテリパック161の中間電圧を測定するための1つ以上の配線が形成できる。そして、測定された各セル1610の電圧値、電流値および温度値は制御部1624に出力できる。
次に、通信部1626は、制御部1624の制御によって、バッテリ状態関連情報をマスターBMS163に伝達することができる。バッテリ状態関連情報は、センシング部1620によって測定されたいずれか1つの値を含むことができる。
また、通信部1626は、マスターBMS163から出力される動作電源変更信号およびセルバランシング信号を受信し、制御部1624に伝達することができる。
電源部1622は、スレーブBMS162の動作に必要な電力を受信し、スレーブBMS162の各構成に供給することができる。
スイッチ部1628は、第1変圧部165から供給される電源、またはバッテリパック161から供給される電源を電源部1622に印加することができる。スイッチ部1628は、制御部1624の制御によって、選択的に第1変圧部165から供給される電源、またはバッテリパック161から供給される電源を電源部1622に印加することができる。
第2変圧部1629は、バッテリパック161の電圧を変圧してスイッチ部1628を介して電源部1622に供給することができる。例えば、第2変圧部1629の一端にはバッテリパック161が連結され、他端にはスイッチ部1628が電気的に連結されてよい。スイッチ部1628がバッテリパック161の貯蔵される電力をスレーブBMS162の動作電源として使用するための動作を行うと、第2変圧部1629は、電源部1622と電気的に連結され、バッテリパック161の電圧を変圧してスレーブBMS162の動作電源として供給することができる。
制御部1624は、センシング部1620から出力される各セル1610の電圧値、電流値および温度値から、バッテリパック161、またはこれに含まれるそれぞれのセル1610の充電状態または性能状態を推定することができる。
また、制御部1624は、通信部1626から伝達された動作電源変更信号に応じて、スイッチ部1628の動作を制御する信号を生成してスイッチ部1628に出力することができる。
例えば、動作電源変更信号が受信されると、制御部1624は、スイッチ部1628と第2変圧部1629とが連結されるように、スイッチ部1628を動作させる信号をスイッチ部1628に出力することができる。すると、バッテリパック161の電圧が第2変圧部1629によって変圧されて電源部1622に供給できる。
また、セルバランシング信号が受信されると、制御部1624は、セルバランシング動作を行うことができる。例えば、制御部1624は、バッテリセル1610のうちのバランシングが必要なセルに対して、バランシングスイッチをターンオンまたはターンオフさせてバランシング抵抗を介して放電させることにより、セルバランシングを行うことができる。
以下、図4を参照して、スイッチ部1628の駆動により動作電源が変更されるスレーブBMS162について説明する。
図4は、本発明の一実施形態にかかる動作電源が印加されるスレーブBMS162を示す図である。図示のように、スイッチ部1628は、2A2Bリレーを含み、制御部1624の信号に応じて2A2Bリレーを駆動することができる。一例として、それぞれのリレーは、制御部1624から印加される電流により駆動できる。
まず、制御部1624は、2B側リレーを駆動させ、第1変圧部165から変圧された電力を電源部1622に供給することができる。
動作電源変更信号がマスターBMSから受信されると、制御部1624は、スイッチ部1628に、2B側リレーの駆動を中止し、2A側リレーを駆動する信号を出力することができる。すると、スイッチ部1628の2A側リレーが駆動され、2B側リレーは駆動中止される。
スイッチ部1628は、2A側リレーおよび2B側リレーがすべて駆動するか、2A側リレーおよび2B側リレーがすべて駆動中止する場合、電源部1622に印加される電圧のカップリングを防止するためのキャパシタをさらに含むことができる。
2A側リレーが動作すると、バッテリパック161に充電された電力が、第2変圧部1629を介して電源部1622に印加できる。第2変圧部1629は、スレーブBMS162の駆動電圧に適した電圧値でバッテリパック161の電圧を変圧することができる。
動作電源変更中止信号がマスターBMSから受信されると、制御部1624は、スイッチ部1628に、2A側リレーの駆動を中止し、2B側リレーを駆動する信号を出力することができる。すると、スイッチ部1628の2B側リレーが駆動され、2A側リレーは駆動中止される。2B側リレーが動作すると、電源部1622を介して第1変圧部165から変圧された電力が電源部1622に供給できる。
以下、図5を参照して、スレーブBMS162の動作電源変更方法について説明する。
図5は、本発明の一実施形態にかかるバッテリ管理システムの駆動方法を示すフローチャートである。図示のように、スレーブBMS162は、バッテリパック161の状態に関する値を測定(S100)する。例えば、スレーブBMS162のセンシング部1620は、それぞれのバッテリセル1610およびバッテリパック161の電圧、電流または温度を測定することができる。
そして、スレーブBMS162は、バッテリパック161の状態関連情報をマスターBMS163に伝達(S110)する。例えば、スレーブBMS162の通信部1626は、制御部1624の制御によって、バッテリ状態関連情報をCAN通信形式の信号などに変換してマスターBMS163に出力することができる。
スレーブBMS162がバッテリ状態関連情報を測定する段階(S100)、およびスレーブBMS162が測定されたバッテリ状態関連情報をマスターBMSに伝達する段階(S110)は、スレーブBMS162が動作中の時、周期的に行われてよい。
次に、マスターBMS163のマスター制御部1634は、スレーブBMS162から出力されたバッテリ状態関連情報を用いて、バッテリパック161の電圧または充電状態を計算(S120)する。
マスターBMS163は、それぞれのバッテリパック161の電圧または充電状態を比較(S130)する。そして、充電状態または電圧が相対的に高いバッテリパック161のスレーブBMS162の動作電源を変更する信号を生成(S140)する。
そして、マスターBMS163は、スレーブBMS162に動作電源変更信号を伝達(S150)する。
動作電源変更信号を受信したスレーブBMSは、バッテリパックから動作電源が供給されるように、スイッチ部の動作を制御(S160)する。すると、スレーブBMS162は、バッテリパック161に貯蔵された電力を動作電源として変更して使用することができる。
これまで参照した図面および記載された発明の詳細な説明は、単に本発明の例示的なものであって、これは、単に本発明を説明するための目的で使用されたものであり、意味の限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために使用されたものではない。そのため、本技術分野における通常の知識を有する者であれば、これから容易に選択して代替可能である。また、当業者は、本明細書で説明された構成要素の一部を性能の劣化なく省略したり性能を改善するために構成要素を追加することができる。それだけでなく、当業者は、工程環境や装備により本明細書で説明した方法段階の順序を変更することもできる。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態ではなく、特許請求の範囲およびその均等物によって決定されなければならない。
100:電力貯蔵システム
120:第1電力変換部
140:第2電力変換部
160:電力貯蔵装置
161:バッテリパック
162:スレーブBMS
163:マスターBMS
200:発電システム
300:商用系統

Claims (18)

  1. 複数のバッテリパックと、
    複数のスレーブBMSであって、それぞれのスレーブBMSは、前記バッテリパックのうちの対応する1つに連結され、動作電源によって駆動され、動作電源変更信号の受信に応じて、前記動作電源のソースを外部電源から対応する1つのバッテリパックに変更し、動作電源変更中止信号の受信に応じて、前記動作電源のソースを前記対応する1つのバッテリパックから前記外部電源に変更する前記複数のスレーブBMSと、
    前記複数のスレーブBMSに連結され、前記動作電源変更信号または前記動作電源変更中止信号を前記複数のスレーブBMSのそれぞれに伝達するマスターBMSとを含むことを特徴とする、バッテリラック。
  2. 前記スレーブBMSは、前記バッテリパックの充電パラメータに関する情報を測定し、測定された情報を前記マスターBMSに伝達することを特徴とする、請求項1に記載のバッテリラック。
  3. 前記マスターBMSは、前記複数のバッテリパックの充電状態または電圧比較し、比較結果に応じて、選択的に前記動作電源変更信号または前記動作電源変更中止信号を伝達することを特徴とする、請求項1に記載のバッテリラック。
  4. 前記マスターBMSは、前記比較結果によって決定される、他のバッテリパックよりも高い充電状態または高い電圧を有するバッテリパックに連結されるスレーブBMSに、前記動作電源変更信号を伝達することを特徴とする、請求項3に記載のバッテリラック。
  5. 前記高い充電状態または高い電圧を有するバッテリパックは、前記複数のバッテリパックのうちの他のバッテリパックの充電状態または電圧より、充電状態が5%以上または電が2V以上のより高い充電状態または電圧を有することを特徴とする、請求項4に記載のバッテリラック。
  6. 前記それぞれのスレーブBMSは、前記動作電源のソースとして、前記外部電源または前記対応する1つのバッテリパックを選択するスイッチ部を含むことを特徴とする、請求項に記載のバッテリラック。
  7. 前記スイッチ部は、前記動作電源のソースとして前記外部電源を選択する第1リレーおよび前記動作電源のソースとして前記対応する1つのバッテリパックを選択する第2リレーを含み、前記第1リレーまたは前記第2リレーをそれぞれ用いて、前記外部電源または前記対応する1つのバッテリパックを選択することを特徴とする、請求項に記載のバッテリラック。
  8. 前記それぞれのスレーブBMSは、前記対応する1つのバッテリパックおよび前記第2リレーの間に連結される変圧部を含み、
    前記変圧部は、前記スレーブBMSの動作電源に対応するように、前記対応する1つのバッテリパックから受信される電圧を変換することを特徴とする、請求項に記載のバッテリラック。
  9. 前記対応する1つのバッテリパックは、複数のバッテリセルを含み、
    前記それぞれのスレーブBMSは、前記マスターBMSから複数のセルバランシング信号のうちの1つを受信し、前記セルバランシング信号に応じて、前記複数のバッテリセルにセルバランシング動作を行うことを特徴とする、請求項1に記載のバッテリラック。
  10. マスターBMSから選択的に動作電源変更信号または動作電源変更中止信号を伝送する段階と、
    動作電源によって駆動され、マスターBMSに連結される複数のスレーブBMSのうちの対応する1つからそれぞれの動作電源変更信号または動作電源変更中止信号を受信する段階と、
    前記動作電源変更信号を受信した対応する1つのスレーブBMSによって、前記動作電源ソースとして、外部電源から複数のバッテリパックのうちの対応する1つに変更し、または、前記動作電源変更中止信号を受信した対応する1つのスレーブBMSによって、前記動作電源のソースとして、前記複数のバッテリパックのうちの対応する1つから前記外部電源に変更する段階とを含むことを特徴とする、バッテリラックの駆動方法。
  11. 前記複数のスレーブBMSによって、前記バッテリパックの充電パラメータに関するバッテリパック情報を測定する段階と、
    測定されたバッテリパック情報を前記マスターBMSに伝送する段階とをさらに含むことを特徴とする、請求項10に記載のバッテリラックの駆動方法。
  12. 前記選択的に動作電源変更信号または動作電源変更中止信号を伝送する段階は、前記複数のバッテリパックの充電状態または電圧を比較した結果に応じて行われることを特徴とする、請求項10に記載のバッテリラックの駆動方法。
  13. 前記選択的に動作電源変更信号または動作電源変更中止信号を伝送する段階は、前記比較結果によって決定される、他のバッテリパックよりも高い充電状態または高い電圧を有するバッテリパックに連結される前記スレーブBMSに、前記動作電源変更信号を伝送する段階を含むことを特徴とする、請求項12に記載のバッテリラックの駆動方法。
  14. 前記高い充電状態または高い電圧を有するバッテリパックは、前記複数のバッテリパックのうちの他のバッテリパックの充電状態または電圧より、充電状態が5%以上または電が2V以上のより高い充電状態または電圧を有することを特徴とする、請求項13に記載のバッテリラックの駆動方法。
  15. 前記動作電源のソースを前記外部電源または前記対応する1つのバッテリパックに選択的に変更する段階は、前記動作電源のソースとして、前記外部電源または前記対応する1つのバッテリパックを選択するスイッチ部が動作する段階を含むことを特徴とする、請求項10に記載のバッテリラックの駆動方法。
  16. 前記スイッチ部が動作する段階は、前記動作電源のソースとして前記外部電源を選択する第1リレーまたは前記動作電源のソースとして前記対応する1つのバッテリパックを選択する第2リレーを駆動する段階を含むことを特徴とする、請求項15に記載のバッテリラックの駆動方法。
  17. 前記外部電源または前記対応する1つのバッテリパックから受信される電圧を、前記スレーブBMSの動作電圧に変換する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項16に記載のバッテリラックの駆動方法。
  18. 前記マスターBMSがセルバランシング信号を選択的に伝送する段階と、
    前記複数のバッテリパックのうちのセルバランシングバッテリパックに連結されるセルバランシングスレーブBMSから、前記伝送されたセルバランシング信号のうちの対応する1つを受信する段階と、
    前記セルバランシングバッテリパックから受信される前記セルバランシング信号に応答して、前記セルバランシングバッテリパック内の複数のバッテリセルで選択的にセルバランシング動作を行う段階とをさらに含むことを特徴とする、請求項10に記載のバッテリラックの駆動方法。
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