KR20200042802A - 배터리 모듈 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 모듈 밸런싱 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 팩에 구비된 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하는 과정에서 효과적으로 배터리 모듈간 전하를 균등화할 수 있는 배터리 모듈 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치는, 각각 적어도 하나 이상의 이차 전지가 구비되며 서로 전기적으로 직렬 연결된 셀 어셈블리를 포함하는 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하는 장치로서, 각 배터리 모듈에 구비되어 각 셀 어셈블리의 전압, 온도 및 전류 중 적어도 하나 이상을 모니터링 하도록 구성된 모니터링부; 각 배터리 모듈에 구비되고, 각 셀 어셈블리의 양단과 전기적으로 연결되어 폐회로를 형성하며, 경로 상에 충방전 전류가 흐르도록 구성된 인덕터와, 경로를 개폐하도록 구성된 제1 방전 모스펫을 포함하는 자가 순환 경로; 각 배터리 모듈에 구비되며, 복수의 연결 단자를 구비하도록 구성된 커넥터; 각 배터리 모듈에 구비되고, 상기 인덕터의 양단과 상기 복수의 연결 단자 사이를 전기적으로 연결하며, 상기 복수의 연결 단자를 통해 인접한 배터리 모듈 사이를 전기적으로 연결하고, 경로 상에 경로를 개폐하도록 구성된 제2 방전 모스펫을 포함하는 연결 경로; 및 상기 모니터링부로부터 각 셀 어셈블리의 상태를 수신하고, 수신한 각 셀 어셈블리의 상태를 기초로 상기 제1 방전 모스펫과 상기 제2 방전 모스펫의 개폐 동작을 제어하여 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하도록 구성된 프로세서를 포함한다.

Description

배터리 모듈 밸런싱 장치 및 방법{Apparatus and method for balancing of battery module}
본 발명은 배터리 모듈 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 팩에 구비된 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하는 과정에서 효과적으로 배터리 모듈간 전하를 균등화할 수 있는 배터리 모듈 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다.
근래에 들어서, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 및 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높다는 등의 장점으로 인해 많은 각광을 받고 있다.
배터리는 다양한 분야에서 이용되는데, 전기 구동 차량 또는 스마트 그리드 시스템과 같이 최근에 배터리가 많이 활용되는 분야는 큰 용량을 필요로 하는 경우가 많다. 배터리 팩의 용량을 증가하기 위해서는 이차 전지, 즉 배터리 셀 자체의 용량을 증가시키는 방법이 있을 수 있겠지만, 이 경우 용량 증대 효과가 크지 않고, 이차 전지의 크기 확장에 물리적 제한이 있으며 관리가 불편하다는 단점을 갖는다. 따라서, 통상적으로는 다수의 배터리 모듈이 직렬 및 병렬로 연결된 배터리 팩이 널리 이용된다.
상기 배터리 팩을 구성하는 다수의 배터리 모듈은 사용 시간이 경과됨에 따른 본질적인 특성 또는 제조 환경의 차이, 시스템 적용의 다원성 등에 기인하여 전지들 간의 용량(capacity) 성능의 차이가 발생하게 되고 이는 충방전에 의한 해당 모듈 단자 전압의 차이 또는 SOC(State Of Charge)차이를 발생시키게 된다.
이러한 차이는 상대적인 전기적 특성의 차이를 가지는 다수의 배터리 모듈이 하나의 배터리 팩으로서 구동하는 경우, 성능이 저하된 특정 배터리 모듈에 의하여 배터리 팩 전체의 충전 또는 방전 능력이 제한되고, 배터리 팩이 노화되며, 과전압 등의 문제점이 발생할 수 있다.
배터리 모듈 간 단자 전압을 균등하게 조절하는 것을 모듈 밸런싱 또는 모듈 간 전하 균등화라고도 한다. 그런데, 종래 이러한 모듈 간 전하 균등화 기술에 있어서, 다수의 배터리 모듈 중 모듈 밸런싱이 필요한 특정 배터리 모듈간 밸런싱을 개별적으로 수행하기 어려운 문제점이 있었다. 특히, 특정 배터리 모듈을 개별적으로 선택하는 전하 균등화 회로를 구현하기 위해 회로의 구조가 복잡해지고, 배선 다발의 개수나 부피가 증가하는 등의 문제점이 있었다. 따라서, 이러한 문제들로 인해, 모듈 균등화 장치의 제조가 쉽지 않고, 제조 시간이 오래 걸리며, 불량률도 높아질 수 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 배터리 팩에 구비된 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하는 과정에서 효과적으로 배터리 모듈간 전하를 균등화할 수 있는 개선된 배터리 모듈 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치는, 각각 적어도 하나 이상의 이차 전지가 구비되며 서로 전기적으로 직렬 연결된 셀 어셈블리를 포함하는 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하는 장치로서, 각 배터리 모듈에 구비되어 각 셀 어셈블리의 전압, 온도 및 전류 중 적어도 하나 이상을 모니터링 하도록 구성된 모니터링부; 각 배터리 모듈에 구비되고, 각 셀 어셈블리의 양단과 전기적으로 연결되어 폐회로를 형성하며, 경로 상에 충방전 전류가 흐르도록 구성된 인덕터와, 경로를 개폐하도록 구성된 제1 방전 모스펫을 포함하는 자가 순환 경로; 각 배터리 모듈에 구비되며, 복수의 연결 단자를 구비하도록 구성된 커넥터; 각 배터리 모듈에 구비되고, 상기 인덕터의 양단과 상기 복수의 연결 단자 사이를 전기적으로 연결하며, 상기 복수의 연결 단자를 통해 인접한 배터리 모듈 사이를 전기적으로 연결하고, 경로 상에 경로를 개폐하도록 구성된 제2 방전 모스펫을 포함하는 연결 경로; 및 상기 모니터링부로부터 각 셀 어셈블리의 상태를 수신하고, 수신한 각 셀 어셈블리의 상태를 기초로 상기 제1 방전 모스펫과 상기 제2 방전 모스펫의 개폐 동작을 제어하여 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하도록 구성된 프로세서를 포함한다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 제1 방전 모스펫 또는 상기 제2 방전 모스펫을 반복적으로 턴온 및 턴오프 시켜 상기 자가 순환 경로 및 상기 연결 경로를 통해 인접한 셀 어셈블리 간 전하를 균등화 시키도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 제1 방전 모스펫을 반복적으로 턴온 및 턴오프 시켜 상기 자가 순환 경로를 흐르는 상기 셀 어셈블리의 방전 전류를 통해 상기 인덕터에 대하여 유도 기전력을 발생시키고, 발생된 상기 유도 기전력을 상기 연결 경로를 통해 인접한 배터리 모듈로 전달하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 제2 방전 모스펫을 반복적으로 턴온 및 턴오프 시켜 상기 연결 경로를 흐르는 상기 셀 어셈블리의 방전 전류를 통해 상기 인덕터의 유도 기전력을 발생시키고, 발생된 상기 유도 기전력을 상기 자가 순환 경로를 통해 인접한 배터리 모듈로 전달하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 연결 경로는, 제1 내부 연결 경로 및 제2 내부 연결 경로를 포함하고, 상기 복수의 연결 단자는, 제1 연결 단자 및 제2 연결 단자를 포함하며,
상기 제1 내부 연결 경로는, 각 셀 어셈블리의 양극 단자와 상기 인덕터의 일단 사이의 노드와 상기 제1 연결 단자 사이를 전기적으로 직접 연결하도록 구성되고, 상기 제2 내부 연결 경로는, 상기 인덕터의 타단과 상기 제1 방전 모스펫 사이의 노드와 상기 제2 연결 단자 사이를 전기적으로 직접 연결하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제2 방전 모스펫은, 상기 제2 내부 연결 경로 상에 구비되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 연결 경로는, 각 배터리 모듈의 상기 제1 연결 단자 및 상기 제2 연결 단자와 인접한 배터리 모듈의 상기 제2 연결 단자 및 상기 제1 연결 단자 사이를 각각 전기적으로 직접 연결 하도록 구성된 외부 연결 경로를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 BMS는, 본 발명에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치를 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치를 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 방법은, 각각 적어도 하나 이상의 이차 전지가 구비되며 서로 전기적으로 직렬 연결된 셀 어셈블리를 포함하는 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하는 방법으로서, 각 셀 어셈블리의 전압, 온도 및 전류 중 적어도 하나 이상을 모니터링 하는 단계; 및 상기 모니터링 단계에 의해 모니터링된 각 셀 어셈블리의 상태를 수신하고, 수신한 각 셀 어셈블리의 상태를 기초로, 각 셀 어셈블리의 양단과 전기적으로 연결되어 폐회로를 형성하며 경로 상에 충방전 전류가 흐르도록 구성된 인덕터를 구비하는 자가 순환 경로를 개폐하도록 구성된 제1 방전 모스펫과, 상기 인덕터의 양단과 복수의 연결 단자 사이를 전기적으로 연결하며 상기 복수의 연결 단자를 통해 인접한 배터리 모듈 사이를 전기적으로 연결하도록 구성된 연결 경로를 개폐하도록 구성된 제2 방전 모스펫의 개폐 동작을 제어하여 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 배터리 모듈 간 전하 균등화를 위해 충방전이 필요한 배터리 모듈을 개별적으로 선택하는 구성에 있어서, 커넥터를 단순화하고, 배선 다발(Wire harness)의 부피를 줄일 수 있어 배터리 팩의 제조가 쉽고 크기를 용이하게 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 배터리 모듈을 개별적으로 선택하는 구성에 있어서, 배터리 모듈에 연결되는 배선의 구조가 간단해지고, 배터리 모듈 간 전하 균등화 속도가 빨라지는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈 균등화 장치의 경우, 외부 전원 연결 없이도 배터리 모듈간 에너지를 용이하게 전달함으로써, 전하 균등화 회로를 단순화 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 인덕터의 유도 기전력을 이용하여 스위치 및 저항의 개수를 줄이고, 저항에 의하여 소모되는 전력 손실을 줄일 수 있어 효과적으로 배터리 모듈간 밸런싱을 수행할 수 있는 장점이 있다.
이외에도 본 발명은 다른 다양한 효과를 가질 수 있으며, 이러한 본 발명의 다른 효과들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치가 배터리 모듈을 밸런싱하는 경로를 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치가 배터리 모듈을 밸런싱하는 경로를 나타내는 도면이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판정되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '프로세서'와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서, 이차 전지는, 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 파우치형 리튬 폴리머 셀 하나가 이차 전지로 간주될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치는, 배터리 팩에 구비된 복수의 배터리 모듈(100, 200)을 밸런싱하는 장치일 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치는, 각각 적어도 하나 이상의 이차 전지가 구비되며 서로 전기적으로 직렬 연결된 셀 어셈블리(10, 20)를 포함하는 복수의 배터리 모듈(100, 200)간 전하를 균등화하는 장치일 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치는, 모니터링부(110, 210), 자가 순환 경로(L1), 커넥터(120, 220), 연결 경로(L2, L3) 및 프로세서(130, 230)를 포함한다.
상기 모니터링부(110, 210)는, 각 배터리 모듈(100, 200)에 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 모니터링부(110, 210)는, 각 배터리 모듈(100, 200)에 구비되어 셀 어셈블리(10, 20)와 전기적으로 각각 연결될 수 있다. 또한, 모니터링부(110, 210)는, 셀 어셈블리(10, 20)의 양단과 전기적으로 각각 연결될 수 있다. 또한, 모니터링부(110, 210)는, 충방전 경로에 구비된 전류 센서의 양단과 전기적으로 각각 연결될 수 있다.
또한, 모니터링부(110, 210)는, 각 셀 어셈블리(10, 20)의 전압, 온도 및 전류 중 적어도 하나 이상을 모니터링 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 모니터링부(110, 210)는, 각 셀 어셈블리(10, 20)에 구비된 이차 전지의 전압, 온도 및 전류 중 적어도 하나 이상을 측정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 모니터링부(110, 210)는, 이차 전지의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 모니터링부(110, 210)는, 셀 어셈블리(10, 20)의 양단과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 모니터링부(110, 210)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 프로세서(130, 230)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 모니터링부(110, 210)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 프로세서(130, 230)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 모니터링부(110, 210)는, 프로세서(130, 230)의 통제 하에, 시간 간격을 두고 셀 어셈블리(10, 20)의 양단 전압을 측정하고 측정된 전압의 크기를 나타내는 신호를 프로세서(130, 230)로 출력할 수 있다. 이때, 프로세서(130, 230)는, 모니터링부(110, 210)로부터 출력되는 신호로부터 셀 어셈블리(10, 20)의 전압을 결정할 수 있다. 예를 들어, 모니터링부(110, 210)는, 당업계에서 일반적으로 사용되는 전압 측정 회로를 이용하여 구현될 수 있다.
또한, 모니터링부(110, 210)는, 셀 어셈블리(10, 20)를 흐르는 전류를 측정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 모니터링부(110, 210)는, 셀 어셈블리(10, 20)의 충방전 경로 상에 구비된 전류 센서의 양단과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 모니터링부(110, 210)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 프로세서(130, 230)와 전기적으로 결합할 수 있다. 또한, 모니터링부(110, 210)는, 프로세서(130, 230)의 통제하에, 시간 간격을 두고 셀 어셈블리(10, 20)의 충전 전류 또는 방전 전류의 크기를 반복 측정하고 측정된 전류의 크기를 나타내는 신호를 프로세서(130, 230)로 출력할 수 있다. 이때, 프로세서(130, 230)는 모니터링부(110, 210)로부터 출력되는 신호로부터 전류의 크기를 결정할 수 있다. 예를 들어, 전류 센서는, 당업계에서 일반적으로 사용되는 홀 센서 또는 센스 저항을 이용하여 구현될 수 있다.
또한, 모니터링부(110, 210)는, 셀 어셈블리(10, 20)의 온도를 측정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 모니터링부(110, 210)는, 셀 어셈블리(10, 20)와 연결되어 셀 어셈블리(10, 20)에 구비된 이차 전지의 온도를 측정할 수 있다. 또한, 모니터링부(110, 210)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 프로세서(130, 230)와 전기적으로 결합할 수 있다. 또한, 모니터링부(110, 210)는, 시간 간격을 두고 셀 어셈블리(10, 20)의 온도를 반복 측정하고 측정된 온도의 크기를 나타내는 신호를 프로세서(130, 230)로 출력할 수 있다. 이때, 프로세서(130, 230)는 모니터링부(110, 210)로부터 출력되는 신호로부터 이차 전지의 온도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 모니터링부(110, 210)는, 당업계에서 일반적으로 사용되는 열전대(thermocouple)를 이용하여 구현될 수 있다.
상기 자가 순환 경로(L1)는, 각 배터리 모듈(100, 200)에 구비될 수 있다. 또한, 자가 순환 경로(L1)는, 각 셀 어셈블리(10, 20)의 양단과 전기적으로 연결되어 폐회로를 각각 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 자가 순환 경로(L1)는, 각 배터리 모듈(100, 200)에 구비되어 셀 어셈블리(10, 20)의 양단과 전기적으로 각각 연결될 수 있다. 또한, 자가 순환 경로(L1)는, 셀 어셈블리(10, 20)의 양극 단자로부터 셀 어셈블리(10, 20)의 음극 단자까지 이어지는 전기적 폐회로를 형성할 수 있다.
또한, 자가 순환 경로(L1)는, 자가 순환 경로(L1) 상에 인덕터(151, 251)와 제1 방전 모스펫(152, 252)을 포함할 수 있다.
상기 인덕터(151, 251)는, 경로 상에 충방전 전류가 흐르도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 인덕터(151, 251)는, 자가 순환 경로(L1) 상에 구비될 수 있다. 예를 들어, 인덕터(151, 251)는, 셀 어셈블리(10, 20)의 양극 단자와 직접 연결되는 자가 순환 경로(L1) 상에 구비될 수 있다. 또한, 인덕터(151, 251)는, 자가 순환 경로(L1)를 흐르는 충방전 전류가 흐르도록 구성될 수 있다. 이를테면, 인덕터(151, 251)(Inductor)는, 패러데이(Faraday) 법칙에 따라 인덕턴스 L[H] 성분을 갖는 코일(coil)로 구현될 수 있다.
상기 제1 방전 모스펫(152, 252)은, 경로를 개폐하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 제1 방전 모스펫(152, 252)은, 자가 순환 경로(L1) 상에 구비되어 자가 순환 경로(L1)를 개폐하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 방전 모스펫(152, 252)은, 인덕터(151, 251)와 셀 어셈블리(10, 20)의 음극 단자 사이에 직접 구비될 수 있다. 또한, 제1 방전 모스펫(152, 252)은, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 프로세서(130, 230)와 전기적으로 연결되어, 프로세서(130, 230)의 제어에 의해 턴오프 또는 턴온 될 수 있다.
상기 커넥터(120, 220)는, 각 배터리 모듈(100, 200)에 각각 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 커넥터(120, 220)는, 각 배터리 모듈(100, 200)의 일측에 구비될 수 있다. 또한, 커넥터(120, 220)는, 복수의 연결 단자를 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 커넥터(120, 220)는, 2개의 연결 단자를 구비할 수 있다. 또한, 커넥터(120, 220)는, 연결 단자를 통해 각 배터리 모듈(100, 200) 사이를 직접 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 연결 경로(L2, L3)는, 각 배터리 모듈(100, 200)에 구비될 수 있다. 또한, 연결 경로(L2, L3)는, 인덕터(151, 251)의 양단과 복수의 연결 단자(121, 122, 221, 222) 사이를 전기적으로 각각 연결할 수 있다. 또한, 연결 경로(L2, L3)는, 복수의 연결 단자(121, 122, 221, 222)를 통해 인접한 배터리 모듈(100, 200) 사이를 전기적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 연결 경로(L2, L3)는, 각 배터리 모듈(100, 200)에 구비되어 인덕터(151, 251)의 양단과 연결 단자(121, 122, 221, 222) 사이를 직접 전기적으로 연결할 수 있다. 또한, 연결 경로(L2, L3)는, 각 배터리 모듈(100, 200)에 구비된 연결 단자(121, 122, 221, 222) 사이를 전기적으로 연결하여 인접한 배터리 모듈(100, 200) 사이를 전기적으로 연결할 수 있다.
또한, 연결 경로(L2, L3)는, 제2 방전 모스펫(161, 261)을 포함할 수 있다. 또한, 제2 방전 모스펫(161, 261)은, 경로 상에 경로를 개폐하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 제2 방전 모스펫(161, 261)은, 연결 경로(L2, L3) 상에 구비되어 연결 경로(L2, L3)를 개폐하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 방전 모스펫(161, 261)은, 인덕터(151, 251)와 연결 단자(121, 122, 221, 222) 사이에 구비될 수 있다. 또한, 제2 방전 모스펫(161, 261)은, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 프로세서(130, 230)와 전기적으로 연결되어, 프로세서(130, 230)의 제어에 의해 턴오프 또는 턴온 될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 방전 모스펫(152, 252) 및 제2 방전 모스펫(161, 261)은, 게이트 단자, 드레인 단자 및 소스 단자를 구비한 FET(Field Effect Transistor)소자로서, 게이트 단자와 소스 단자 사이에 인가된 전압에 따른 채널 형성 여부에 의해 온 되거나 오프 될 수 있다. 일 예로, 상기 FET소자는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)일 수 있다.
또한, 제1 방전 모스펫(152, 252) 및 제2 방전 모스펫(161, 261)에는, 각각 FET 본체와 기생다이오드가 구비될 수 있다. 여기서, 기생다이오드는, FET 본체와 병렬로 연결된 다이오드로서, 일방향으로 전류를 도통시키는 정류작용을 한다.
예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 방전 모스펫(152, 252)은, 드레인 단자가 인덕터(151, 251)의 일단과 직접 연결되고, 소스 단자가 셀 어셈블리(10, 20)의 음극 단자와 직접 연결될 수 있다. 또한, 제1 방전 모스펫(152, 252)은, 기생다이오드가 소스 단자로부터 드레인 단자의 방향으로 전류를 도통시킬 수 있다. 즉, 제1 방전 모스펫(152, 252)의 기생다이오드는, 셀 어셈블리(10, 20)의 음극 단자로부터 인덕터(151, 251)의 방향을 정방향으로 할 수 있다.
예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 방전 모스펫(161, 261)은, 드레인 단자가 연결 단자(121, 221)와 직접 연결되고, 소스 단자가 인덕터(151, 251)의 일단과 직접 연결될 수 있다. 또한, 제2 방전 모스펫(161, 261)은, 기생다이오드가 소스 단자로부터 드레인 단자의 방향으로 전류를 도통시킬 수 있다. 즉, 제2 방전 모스펫(161, 261)의 기생다이오드는, 인덕터(151, 251)로부터 연결 단자(121, 221)의 방향을 정방향으로 할 수 있다.
또한, 프로세서(130, 230)는, 제1 방전 모스펫(152, 252) 및 제2 방전 모스펫(161, 261)의 턴온 및 턴오프 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 프로세서(130, 230)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제1 방전 모스펫(152, 252) 및 제2 방전 모스펫(161, 261)의 게이트 단자와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 프로세서(130, 230)는, 제1 방전 모스펫(152, 252) 및 제2 방전 모스펫(161, 261)의 게이트 단자에 인가된 전압을 제어하여 제1 방전 모스펫(152, 252) 및 제2 방전 모스펫(161, 261)의 턴온 및 턴오프 동작을 제어할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연결 경로(L2, L3)는, 제1 내부 연결 경로(L2) 및 제2 내부 연결 경로(L2)를 포함할 수 있다. 또한, 복수의 연결 단자(121, 122, 221, 222)는, 제1 연결 단자(122, 222) 및 제2 연결 단자(121, 221)를 포함할 수 있다.
상기 제1 내부 연결 경로(L2)는, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 각 셀 어셈블리(10, 20)의 양극 단자와 인덕터(151, 251)의 일단 사이의 노드와 제1 연결 단자(122, 222) 사이를 전기적으로 직접 연결하도록 구성될 수 있다.
상기 제2 내부 연결 경로(L2)는, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 인덕터(151, 251)의 타단과 제1 방전 모스펫(152, 252) 사이의 노드와 제2 연결 단자(121, 221) 사이를 전기적으로 직접 연결하도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 방전 모스펫(161, 261)은, 제2 내부 연결 경로(L2) 상에 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 제2 방전 모스펫(161, 261)은, 인덕터(151, 251)의 타단과 제1 방전 모스펫(152, 252) 사이의 노드와 제2 연결 단자(121, 221) 사이를 직접 연결하는 제2 내부 연결 경로(L2) 상에 구비될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연결 경로(L2, L3)는, 외부 연결 경로(L3)를 더 포함할 수 있다.
상기 외부 연결 경로(L3)는, 각 배터리 모듈(100, 200)의 제1 연결 단자(122, 222) 및 제2 연결 단자(121, 221)와 인접한 배터리 모듈(100, 200)의 제2 연결 단자(121, 221) 및 제1 연결 단자(122, 222) 사이를 각각 전기적으로 직접 연결 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 외부 연결 경로(L3)는, 제2 배터리 모듈(200)의 제2 연결 단자(221)와 제1 배터리 모듈(100)의 제1 연결 단자(122) 사이를 전기적으로 직접 연결할 수 있다. 또한, 바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 외부 연결 경로(L3)는, 데이지 체인(Daisy Chain) 방식으로 각 배터리 모듈(100, 200) 사이를 연결할 수 있다.
상기 프로세서(130, 230)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 모니터링부(110, 210)와 전기적으로 연결되어, 모니터링부(110, 210)로부터 셀 어셈블리(10, 20)의 상태를 수신할 수 있다. 예를 들어, 셀 어셈블리(10, 20)의 상태는, 이차 전지의 SOC 또는 SOH 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(130, 230)는, 모니터링부(110, 210)로부터 이차 전지의 전압, 온도 및 전류 중 적어도 하나 이상을 수신할 수 있다. 또한, 프로세서(130, 230)는, 이차 전지의 전압, 전류 및 온도 중 적어도 하나 이상을 기초로 이차 전지의 SOC를 추정할 수 있다.
또한, 프로세서(130, 230)는, 모니터링부(110, 210)로부터 셀 어셈블리(10, 20)의 상태 정보를 수신할 수 있다. 여기서, 셀 어셈블리(10, 20)의 상태 정보는, 이차 전지의 전압값, 이차 전지의 전류값 및 이차 전지의 온도값을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 셀 어셈블리(10, 20)의 상태 정보는, 셀 어셈블리(10, 20)의 양단 전압값, 셀 어셈블리(10, 20)를 흐르는 전류값 및 셀 어셈블리(10, 20)의 온도값을 포함할 수 있다.
또한, 프로세서(130, 230)는, 모니터링부(110, 210)로부터 수신한 셀 어셈블리(10, 20)에 대한 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값 중 적어도 하나 이상을 이용하여, 이차 전지의 충전 상태(SOC: State Of Charge)를 계산하여 이차 전지의 잔존량을 추정할 수 있다. 또한, 프로세서(130, 230)는, 추정된 이차 전지의 잔존량을 이용하여 추정 SOC를 산출할 수 있다. 여기서, 추정 SOC는, 0% 내지 100% 범위에서 이차 전지의 잔존량과 대응되는 수치로 산출될 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 프로세서(130, 230)는, 이차 전지의 충전 전류 및 방전 전류를 적산하여 이차 전지의 충전 상태를 추정할 수 있다. 여기서, 이차 전지의 충전 또는 방전이 시작될 때 충전 상태의 초기값은 충전 또는 방전이 시작되기 전에 측정한 이차 전지의 개방 전압(OCV: Open Circuit Voltage)을 이용하여 결정할 수 있다. 이를 위해, 프로세서(130, 230)는, 개방 전압 별로 충전 상태를 정의한 개방 전압-충전 상태 룩업 테이블을 포함하고, 룩업 테이블로부터 이차 전지의 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 맵핑할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 프로세서(130, 230)는, 확장 칼만 필터를 이용하여 이차 전지의 충전 상태를 산출할 수 있다. 확장 칼만 필터는 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 이용하여 이차 전지의 충전 상태를 적응적으로 추정하는 수학적 알고리즘을 말한다. 여기서, 확장 칼만 필터를 이용한 충전 상태의 추정은, 일 예로서 그레고리 엘 플레트(Gregory L. Plett)의 논문 "Extended Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery packs Parts 1, 2 and 3" (Journal of Power Source 134, 2004, p. 252-261)을 참조할 수 있다. 이차 전지의 충전 상태는 전술한 전류 적산법 또는 확장 칼만 필터 이외에도 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 선택적으로 활용하여 충전 상태를 추정할 수 있는 다른 공지의 방법에 의해서도 결정할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(130, 230)는, 모니터링부(110, 210)로부터 이차 전지의 전압, 전류 및 온도 중 적어도 하나 이상을 수신하고, 이차 전지의 전압, 전류 및 온도 중 적어도 하나 이상을 기초로 이차 전지의 SOH(State Of Health)를 추정할 수 있다. 여기서, 이차 전지의 SOH는 퇴화율을 의미한다. 이차 전지의 퇴화율은 전술한 이차 전지의 전압, 전류 및 온도를 이용하는 방법 이외에도 이차 전지의 SOC 및 이차 전지의 내부 저항을 선택적으로 활용하여 퇴화율을 추정할 수 있는 다른 공지의 방법에 의해서도 결정할 수 있다.
또한, 프로세서(130, 230)는, 수신한 각 셀 어셈블리(10, 20)의 상태를 기초로 제1 방전 모스펫(152, 252)과 제2 방전 모스펫(161, 261)의 개폐 동작을 제어하여 복수의 배터리 모듈(100, 200)을 밸런싱 할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(130, 230)는, 제1 방전 모스펫(152, 252) 또는 제2 방전 모스펫(161, 261)을 반복적으로 턴온 및 턴오프 시켜 자가 순환 경로(L1) 및 연결 경로(L2, L3)를 통해 인접한 셀 어셈블리(10, 20) 간 전하를 균등화 시킬 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치는, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 통신부(140, 240)를 더 포함할 수 있다.
상기 통신부(140, 240)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 프로세서(130, 230)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 프로세서(130, 230)는, 통신부(140, 240)를 통해 인접한 배터리 모듈(100, 200)의 충전 상태를 수신할 수 있다. 또한, 프로세서(130, 230)는, 수신한 배터리 모듈(100, 200)의 충전 상태를 기초로 복수의 배터리 모듈(100, 200)을 밸런싱 할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치는, 메모리 디바이스를 더 포함할 수 있다.
상기 메모리 디바이스는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 프로세서(130, 230)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 메모리 디바이스는, 제1 방전 모스펫(152, 252) 및 제2 방전 모스펫(161, 261)을 제어하기 위해 필요한 정보를 미리 저장할 수 있다.
한편, 프로세서(130, 230)는, 상술한 바와 같은 동작을 수행하기 위해, 당업계에 알려진 프로세서(130, 230), ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀 및/또는 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
한편, 메모리 디바이스는, 정보를 기록하고 소거할 수 있는 저장 매체라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 메모리 디바이스는, RAM, ROM, 레지스터, 하드디스크, 광기록 매체 또는 자기기록 매체일 수 있다. 메모리 디바이스는, 또한 프로세서(130, 230)에 의해 각각 접근이 가능하도록 예컨대 데이터 버스 등을 통해 프로세서(130, 230)와 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 메모리 디바이스는, 또한 프로세서(130, 230)가 각각 수행하는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터를 저장 및/또는 갱신 및/또는 소거 및/또는 전송할 수 있다.
도 2 및 도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치가 배터리 모듈을 밸런싱하는 경로를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(230)는, 제1 방전 모스펫(252)을 반복적으로 턴온 및 턴오프 시켜 자가 순환 경로(L1)를 흐르는 셀 어셈블리의 방전 전류를 통해 인덕터(251)에 대하여 유도 기전력을 발생시키고, 발생된 유도 기전력을 연결 경로(L2, L3)를 통해 인접한 배터리 모듈로 전달하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 프로세서(230)는, 제2 배터리 모듈(200)에 구비된 자가 순환 경로(L1)에 방전 전류가 흐르도록 할 수 있다. 보다 구체적으로, 프로세서(230)는, 제2 배터리 모듈(200)에 구비된 제2 셀 어셈블리(20)를 방전 시키고, 제1 배터리 모듈(100)에 구비된 제1 셀 어셈블리(10)를 충전시키고자 하는 경우, 제2 배터리 모듈(200)에 구비된 자가 순환 경로(L1)에 방전 전류가 흐르도록 할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(230)는, 제2 배터리 모듈(200)에 구비된 제1 방전 모스펫(252)을 턴온 시켜, 방전 전류가 제2 셀 어셈블리(20), 인덕터(251) 및 제1 방전 모스펫(252)을 순차적으로 흐르도록 할 수 있다.
또한, 도 3의 구성에 도시된 바와 같이, 프로세서(230)는, 제2 배터리 모듈(200)에 구비된 제1 방전 모스펫(252)을 턴오프 시켜 인덕터(251)에 대하여 유도 기전력을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 인덕터(251)에는, 제1 방전 모스펫(252)이 턴온 상태에서 턴오프 상태로 변경되는 경우, 하기 수학식 1의 패러데이 법칙에 의하여 유도 기전력이 발생될 수 있다. 즉, 인덕터(251)에는, 도 2의 전류의 방향을 유지 시키기 위한 유도 기전력이 발생될 수 있다.
<수학식 1>
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여기서, v(t)는, 유도 기전력이고, L은, 인덕턴스이고, t는, 시간이고, i(t)는, 인덕터를 흐르는 전류이다.
또한, 도 3의 구성에 도시된 바와 같이, 프로세서(230)는, 인덕터(251)에 유도 기전력이 발생되는 경우, 인덕터(251), 제2 방전 모스펫(261), 제2 배터리 모듈(200)의 커넥터(220), 제1 배터리 모듈(100)의 커넥터(120) 및 제1 셀 어셈블리(10)를 순차적으로 연결하는 연결 경로(L2, L3)와 자가 순환 경로(L1)를 통해 제1 셀 어셈블리(10)를 충전 시킬 수 있다.
이와 같은 구성을 통해, 프로세서(230)는, 제1 방전 모스펫(252)을 반복적으로 턴온 및 턴오프 시켜 제2 셀 어셈블리(20)를 방전 시키고, 제1 셀 어셈블리(10)를 충전 시킬 수 있다.
이와 같은 구성을 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치는, 인덕터의 유도 기전력을 이용하여 스위치 및 저항의 개수를 줄이고, 저항에 의하여 소모되는 전력 손실을 줄일 수 있어 효과적으로 배터리 모듈간 밸런싱을 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 4 및 도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치가 배터리 모듈을 밸런싱하는 경로를 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(230)는, 제2 방전 모스펫(261)을 반복적으로 턴온 및 턴오프 시켜 연결 경로(L2, L3)를 흐르는 셀 어셈블리의 방전 전류를 통해 인덕터(251)의 유도 기전력을 발생시키고, 발생된 유도 기전력을 자가 순환 경로(L1)를 통해 인접한 배터리 모듈로 전달하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 4의 구성에 도시된 바와 같이, 프로세서(230)는, 제1 배터리 모듈(100) 및 제2 배터리 모듈(200)에 구비된 자가 순환 경로(L1)와 연결 경로(L2, L3)에 방전 전류가 흐르도록 할 수 있다. 보다 구체적으로, 프로세서(230)는, 제1 배터리 모듈(100)에 구비된 제1 셀 어셈블리(10)를 방전 시키고, 제2 배터리 모듈(200)에 구비된 제2 셀 어셈블리(20)를 충전시키고자 하는 경우, 제1 배터리 모듈(100)에 구비된 자가 순환 경로(L1) 및 연결 경로(L2, L3)에 방전 전류가 흐르도록 할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(130, 230)는, 제1 배터리 모듈(100)에 구비된 제1 방전 모스펫(152)을 턴오프시키고, 제2 배터리 모듈(200)에 구비된 제2 방전 모스펫(261)을 턴온시켜, 방전 전류가 제1 셀 어셈블리(10), 제1 배터리 모듈(100)의 커넥터(120), 제2 배터리 모듈(200)의 커넥터(220), 제2 방전 모스펫(261) 및 인덕터(251)를 순차적으로 흐르도록 할 수 있다.
또한, 도 5의 구성에 도시된 바와 같이, 프로세서(230)는, 제2 배터리 모듈(200)에 구비된 제2 방전 모스펫(261)을 턴오프 시켜 인덕터(251)에 대하여 유도 기전력을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 인덕터(251)에는, 제2 방전 모스펫(261)이 턴온 상태에서 턴오프 상태로 변경되는 경우, 상기 수학식 1의 패러데이 법칙에 의하여 유도 기전력이 발생될 수 있다. 즉, 인덕터(251)에는, 도 4의 전류의 방향을 유지 시키기 위한 유도 기전력이 발생될 수 있다.
또한, 도 5의 구성에 도시된 바와 같이, 프로세서(230)는, 인덕터(251)에 유도 기전력이 발생되는 경우, 인덕터(251), 제2 셀 어셈블리(20) 및 제1 방전 모스펫(252)을 순차적으로 연결하는 자가 순환 경로(L1)를 통해 제2 셀 어셈블리(20)를 충전 시킬 수 있다.
이와 같은 구성을 통해, 프로세서(230)는, 제2 방전 모스펫(261)을 반복적으로 턴온 및 턴오프 시켜 제1 셀 어셈블리(10)를 방전 시키고, 제2 셀 어셈블리(20)를 충전 시킬 수 있다.
이와 같은 구성을 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치는, 밸런싱 회로의 선로를 간단하게 구성하고, 간단한 스위치 조작을 통해 복수의 배터리 모듈간 밸런싱을 효율적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치는, BMS에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 BMS는, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 본 발명에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 BMS에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치의 프로세서 및 메모리 디바이스는, BMS(Battery Management System)의 구성요소로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치는, 배터리 팩에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치를 포함할 수 있다. 여기서, 배터리 팩은, 하나 이상의 이차 전지, 상기 배터리 모듈 밸런싱 장치, 전장품(BMS나 릴레이, 퓨즈 등 구비) 및 케이스 등을 포함할 수 있다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 밸런싱 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다. 도 6에서, 각 단계의 수행 주체는, 앞서 설명한 본 발명에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치의 각 구성요소라 할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈 밸런싱 방법은, 모니터링 단계(S100) 및 밸런싱 단계(S110)를 포함한다.
먼저, 모니터링 단계(S100)에서는, 각 셀 어셈블리의 전압, 온도 및 전류 중 적어도 하나 이상을 모니터링할 수 있다. 이어서, 밸런싱 단계(S110)에서는, 상기 모니터링 단계에 의해 모니터링된 각 셀 어셈블리의 상태를 수신하고, 수신한 각 셀 어셈블리의 상태를 기초로, 각 셀 어셈블리의 양단과 전기적으로 연결되어 폐회로를 형성하며 경로 상에 충방전 전류가 흐르도록 구성된 인덕터를 구비하는 자가 순환 경로를 개폐하도록 구성된 제1 방전 모스펫과, 상기 인덕터의 양단과 복수의 연결 단자 사이를 전기적으로 연결하며 상기 복수의 연결 단자를 통해 인접한 배터리 모듈 사이를 전기적으로 연결하도록 구성된 연결 경로를 개폐하도록 구성된 제2 방전 모스펫의 개폐 동작을 제어하여 복수의 배터리 모듈을 밸런싱 할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런싱 단계(S110)에서는, 상기 제1 방전 모스펫 또는 상기 제2 방전 모스펫을 반복적으로 턴온 및 턴오프 시켜 상기 자가 순환 경로 및 상기 연결 경로를 통해 인접한 셀 어셈블리 간 전하를 균등화 시킬 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런싱 단계(S110)에서는, 상기 제1 방전 모스펫을 반복적으로 턴온 및 턴오프 시켜 상기 자가 순환 경로를 흐르는 상기 셀 어셈블리의 방전 전류를 통해 상기 인덕터에 대하여 유도 기전력을 발생시키고, 발생된 상기 유도 기전력을 상기 연결 경로를 통해 인접한 배터리 모듈로 전달할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런싱 단계(S110)에서는, 상기 제2 방전 모스펫을 반복적으로 턴온 및 턴오프 시켜 상기 연결 경로를 흐르는 상기 셀 어셈블리의 방전 전류를 통해 상기 인덕터의 유도 기전력을 발생시키고, 발생된 상기 유도 기전력을 상기 자가 순환 경로를 통해 인접한 배터리 모듈로 전달할 수 있다.
또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 프로세서는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리 장치에 저장되고 프로세서에 의해 실행될 수 있다.
또한, 프로세서의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록 매체는, ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 제1 셀 어셈블리
20: 제2 셀 어셈블리
100: 제1 배터리 모듈
110: 모니터링부
120: 커넥터
121: 제2 연결 단자
122: 제1 연결 단자
130: 프로세서
140: 통신부
151: 인덕터
152: 제1 방전 모스펫
161: 제2 방전 모스펫
200: 제2 배터리 모듈
210: 모니터링부
220: 커넥터
221: 제2 연결 단자
222: 제1 연결 단자
230: 프로세서
240: 통신부
251: 인덕터
252: 제1 방전 모스펫
261: 제2 방전 모스펫
L1: 자가 순환 경로
L2: 내부 연결 경로
L3: 외부 연결 경로

Claims (10)

  1. 각각 적어도 하나 이상의 이차 전지가 구비되며 서로 전기적으로 직렬 연결된 셀 어셈블리를 포함하는 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하는 장치에 있어서,
    각 배터리 모듈에 구비되어 각 셀 어셈블리의 전압, 온도 및 전류 중 적어도 하나 이상을 모니터링 하도록 구성된 모니터링부;
    각 배터리 모듈에 구비되고, 각 셀 어셈블리의 양단과 전기적으로 연결되어 폐회로를 형성하며, 경로 상에 충방전 전류가 흐르도록 구성된 인덕터와, 경로를 개폐하도록 구성된 제1 방전 모스펫을 포함하는 자가 순환 경로;
    각 배터리 모듈에 구비되며, 복수의 연결 단자를 구비하도록 구성된 커넥터;
    각 배터리 모듈에 구비되고, 상기 인덕터의 양단과 상기 복수의 연결 단자 사이를 전기적으로 연결하며, 상기 복수의 연결 단자를 통해 인접한 배터리 모듈 사이를 전기적으로 연결하고, 경로 상에 경로를 개폐하도록 구성된 제2 방전 모스펫을 포함하는 연결 경로; 및
    상기 모니터링부로부터 각 셀 어셈블리의 상태를 수신하고, 수신한 각 셀 어셈블리의 상태를 기초로 상기 제1 방전 모스펫과 상기 제2 방전 모스펫의 개폐 동작을 제어하여 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하도록 구성된 프로세서
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 제1 방전 모스펫 또는 상기 제2 방전 모스펫을 반복적으로 턴온 및 턴오프 시켜 상기 자가 순환 경로 및 상기 연결 경로를 통해 인접한 셀 어셈블리 간 전하를 균등화 시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 밸런싱 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 제1 방전 모스펫을 반복적으로 턴온 및 턴오프 시켜 상기 자가 순환 경로를 흐르는 상기 셀 어셈블리의 방전 전류를 통해 상기 인덕터에 대하여 유도 기전력을 발생시키고, 발생된 상기 유도 기전력을 상기 연결 경로를 통해 인접한 배터리 모듈로 전달하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 밸런싱 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 제2 방전 모스펫을 반복적으로 턴온 및 턴오프 시켜 상기 연결 경로를 흐르는 상기 셀 어셈블리의 방전 전류를 통해 상기 인덕터의 유도 기전력을 발생시키고, 발생된 상기 유도 기전력을 상기 자가 순환 경로를 통해 인접한 배터리 모듈로 전달하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 밸런싱 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연결 경로는, 제1 내부 연결 경로 및 제2 내부 연결 경로를 포함하고, 상기 복수의 연결 단자는, 제1 연결 단자 및 제2 연결 단자를 포함하며,
    상기 제1 내부 연결 경로는, 각 셀 어셈블리의 양극 단자와 상기 인덕터의 일단 사이의 노드와 상기 제1 연결 단자 사이를 전기적으로 직접 연결하도록 구성되고,
    상기 제2 내부 연결 경로는, 상기 인덕터의 타단과 상기 제1 방전 모스펫 사이의 노드와 상기 제2 연결 단자 사이를 전기적으로 직접 연결하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 밸런싱 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 방전 모스펫은, 상기 제2 내부 연결 경로 상에 구비되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 밸런싱 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 연결 경로는, 각 배터리 모듈의 상기 제1 연결 단자 및 상기 제2 연결 단자와 인접한 배터리 모듈의 상기 제2 연결 단자 및 상기 제1 연결 단자 사이를 각각 전기적으로 직접 연결 하도록 구성된 외부 연결 경로
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 밸런싱 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치를 포함하는 BMS.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈 밸런싱 장치를 포함하는 배터리 팩.
  10. 각각 적어도 하나 이상의 이차 전지가 구비되며 서로 전기적으로 직렬 연결된 셀 어셈블리를 포함하는 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하는 방법에 있어서,
    각 셀 어셈블리의 전압, 온도 및 전류 중 적어도 하나 이상을 모니터링 하는 단계; 및
    상기 모니터링 단계에 의해 모니터링된 각 셀 어셈블리의 상태를 수신하고, 수신한 각 셀 어셈블리의 상태를 기초로, 각 셀 어셈블리의 양단과 전기적으로 연결되어 폐회로를 형성하며 경로 상에 충방전 전류가 흐르도록 구성된 인덕터를 구비하는 자가 순환 경로를 개폐하도록 구성된 제1 방전 모스펫과, 상기 인덕터의 양단과 복수의 연결 단자 사이를 전기적으로 연결하며 상기 복수의 연결 단자를 통해 인접한 배터리 모듈 사이를 전기적으로 연결하도록 구성된 연결 경로를 개폐하도록 구성된 제2 방전 모스펫의 개폐 동작을 제어하여 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 밸런싱 방법.
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