KR20220145663A - 배터리 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 제어장치에 관한 것으로, 복수의 배터리 모듈로 이루어진 배터리랙, 상기 배터리랙에 저장된 전력을 방전시키는 방전부, 상기 배터리랙의 방전 도중 상기 배터리랙의 상태를 센싱하는 통합 센서부, 상기 통합 센서부의 데이터를 기설정된 임계값과 비교하여 상기 배터리랙의 이상상태를 판단하는 판단부 및 상기 판단부의 판단결과 이상발생시 배터리랙의 방전을 중단하도록 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.

Description

배터리 제어장치{Battery control device}
본 발명은 배터리 제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리랙 및 각각의 배터리 모듈을 안전하게 방전하기 위한 제어장치에 관한 것이다.
배터리는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 기구이며, 그 중 리튬이온 배터리는 현재 상용화되어 있는 이차전지 중에서 가장 성능이 우수하다는 장점이 있다. 리튬이온 배터리는 다른 이차 전지들 대비 상대적으로 무게가 가볍고 에너지 밀도가 높기 때문에, 휴대용 제품에서부터 대형 에너지 저장 시스템에 이르기까지 다양한 분야에 널리 이용되고 있다. 리튬이온 배터리는 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 전기자동차, 퍼스널 모빌리티(전동 킥보드, 전기자전거 등) 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System) 등의 다양한 어플리케이션에 광범위하게 적용되고 있다.
그러나, 리튬이온 배터리는 과충전, 과방전, 과전압, 과전류 등과 같이 화학적으로 불안정한 상태에 이르게 되면 폭발하거나 부풀어 오를 수 있는 위험 요소도 내포하고 있으며, 이에 따라 배터리의 효율적 에너지 사용과 안정성 문제가 더욱 부각되고 있다.
최근 배터리가 화학적 불안정 상태에 있는지를 확인하기 위해 배터리의 전압 및 전류를 모니터링하는 기술이 개발되었으나, 배터리의 전력을 방전할 때 배터리의 주변의 상황을 모니터링하며 배터리의 이상상태에 따라 방전을 중단하도록 제어하는 구성을 포함하고 있지 않아 배터리 방전에 따른 상황을 실시간으로 파악하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 복수의 배터리 모듈로 이루어진 배터리랙 및 배터리 모듈을 안정적으로 방전하도록 하는 배터리 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 방전하는 배터리랙 및 배터리 모듈의 상태를 모니터링하며, 이상상태일 경우 배터리의 방전을 중단하도록 제어하는 배터리 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 배터리 전력을 제어하는 장치에 있어서, 복수의 배터리 모듈로 이루어진 배터리랙, 상기 배터리랙에 저장된 전력을 방전시키는 방전부, 상기 배터리랙의 방전 도중 상기 배터리랙의 상태를 센싱하는 통합 센서부, 상기 통합 센서부의 데이터를 기설정된 임계값과 비교하여 상기 배터리랙의 이상상태를 판단하는 판단부 및 상기 판단부의 판단결과 이상발생시 배터리랙의 방전을 중단하도록 제어하는 제어부를 포함하는 배터리 제어장치를 제공한다.
상기 통합 센서부는 상기 배터리랙 내부의 온도를 측정하는 온도센서, 상기 배터리랙 내부의 습도를 측정하는 습도센서, 상기 배터리랙의 전압을 측정하는 전압센서 및 상기 배터리랙의 전류를 측정하는 전류센서를 포함한다.
상기 통합 센서부의 센싱된 데이터를 이용하여 상기 배터리팩의 SOC(state of charge)를 추정하는 추정부를 더 포함하고, 상기 판단부는 상기 추정된 SOC가 기설정된 임계값을 초과할 경우 이상상태로 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 랙 내부의 온도를 조절하기 위한 팬(Fan)을 더 포함한다.
상기 통합 센서부는 상기 팬의 동작여부를 감지하는 팬 감지센서를 더 포함하고, 상기 판단부는 상기 팬의 동작이 중단된 경우를 이상상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 특징으로 한다.
상기 배터리팩에서 방전시킨 출력전력을 상기 팬 감지센서로 공급하는 공급부;를 더 포함한다.
상기 통합 센서부의 데이터를 저장하는 저장부, 상기 통합 센서부의 데이터를 모니터링하는 디스플레이부를 더 포함하고, 상기 디스플레이부는 이상상태일 경우 알림을 제공하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명의 배터리 제어장치에 따르면, 방전되고 있는 복수의 배터리 모듈 및 배터리랙의 상태를 실시간으로 확인하며, 배터리 랙이 이상상태일 경우 방전을 중단하도록 제어함으로써, 방전 과정을 안정적으로 동작시킬 수 있으며 배터리 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 배터리 랙의 상태를 센싱하여 센싱 데이터를를 저장하고 실시간으로 모니터링함으로써, 배터리의 상태에 대해 관리자가 용이하게 파악하고 관리할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 제어장치를 설명하기 위한 구성도
도 2a 및 2b는 도 1의 배터리랙을 설명하기 위한 예시도
도 3은 도 1의 통합 센서부를 설명하기 위한 구성도
도 4a 및 도 4b는 도 1의 디스플레이부에서 출력된 화면 예시도
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이와 같은 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본원이 이러한 실시 예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 제어장치(100)를 설명하기 위한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 제어장치(100)는 복수의 배터리 모듈로 이루어진 배터리랙(110), 배터리랙에 저장된 전력을 방전시키는 방전부(120), 배터리랙(110)의 상태를 센싱하는 통합 센서부(130), 배터리랙(110)의 SOC(state of charge)를 추정하는 추정부(140), 배터리랙(110)에 대해 이상상태를 판단하는 판단부(150), 배터리랙(110)의 방전을 중단하도록 제어하는 제어부(160), 배터리랙(110) 내부의 온도를 조절하기 위한 팬(Fan)(170), 방전시킨 출력전력을 팬 감지센서로 공급하는 공급부(180), 상기 통합 센서부(130)의 데이터를 저장하는 저장부(190) 및 모니터링하는 디스플레이부(200)를 포함한다.
배터리 랙(Battery Rack)(110)은 직·병렬로 연결된 다수의 배터리 셀(115)을 포함한다. 다수의 배터리셀(115)을 직·병렬로 연결하여 배터리 모듈(113)을 형성하고, 이 모듈들(n개의 모듈)(113)을 병렬로 연결하여 배터리 랙(110)을 형성한다.
상기 배터리 랙(110)은 전력 저장 장치 이외에도 이차 전지를 이용하는 자동차, ESS(Energy Storage System, 에너지저장시스템) 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비될 수 있음은 물론이다. 그리고 배터리 셀(110)은 리튬이온 배터리일 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙(110)은 복수 개의 배터리 모듈(113a, 113b, 113c, … )이 병렬로 연결되어 다단 형태로 구비되어 있으며, 각 배터리 모듈(113)은 직·병렬로 연결된 복수 개의 배터리 셀(115)들로 이루어진다. 상기 배터리 랙(110)은 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
방전부(120)는 전력스위치를 턴온시켜 배터리팩(110)에 저장된 전력을 방전시키는 역할이다. 물론, 방전부(120)는 배터리 모듈(113) 각각에 저장된 전력을 방전시킬 수도 있다.
통합 센서부(130)는 배터리랙(110)의 상태를 센싱하는 역할이며, 배터리 모듈(113) 각각의 상태도 센싱할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 통합 센서부(130)는 배터리랙(110) 내부의 온도를 측정하는 온도센서(131), 습도를 측정하는 습도센서(133), 배터리랙(110)의 전압을 측정하는 전압센서(135), 전류를 측정하는 전류센서(137), 팬(170)의 동작여부를 감지하는 팬 감지센서(139)를 포함한다.
상기 온도센서(131) 및 습도센서(133)는 배터리 랙(110) 내부에 위치하여 배터리 랙(110) 내부의 온도 및 습도를 측정할 수 있으나, 배터리 모듈(113) 각각에 구비되어 하나의 배터리 모듈(113)에 대한 온도 및 습도를 측정할 수 도 있다. 또한, 상기 전압센서(135) 및 전류센서(137)는 배터리 랙(110)에 대한 전압 및 전류를 측정할 수 있고, 각각의 배터리 모듈(113) 또는 배터리 셀(115)에 대한 전압 및 전류를 측정할 수 도 있다.
상기 팬 감지센서(139)는 전압출력 AC 전류 센서를 이용하여 팬(170)의 동작여부를 감지한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 팬 감지센서(139)는 Wison 사의 WCS2801 모델을 사용할 수 있다.
추정부(140)는 통합 센서부(120)에서 통합 센서부의 센싱된 데이터를 이용하여 상기 배터리랙(110)의 SOC(state of charge)를 추정한다. 즉, 추정부(140)는 측정된 전압데이터, 전류데이터와 배터리랙 주변을 측정한 온도데이터를 이용하여 상기 배터리랙(110)의 SOC(state of charge)를 추정할 수 있다.
판단부(150)는 통합 센서부(120)에서 측정된 데이터를 기설정된 임계값과 비교하며, 기설정된 임계값을 초과하는 경우 이상상태를 판단한다. 즉, 판단부(150)는 통합 센서부(120)에서 측정된 온도데이터, 습도데이터, 전압데이터, 전류데이터 중 적어도 하나 이상이 기 설정된 임계값보다 클 경우 이상상태로 판단한다.
또, 판단부(150)는 추정부(130)에서 추정된 SOC가 기설정된 임계 SOC값을 초과하는 경우에도 이상상태로 판단하며, 배터리랙(110)의 온도를 조절하는 팬(170)이 동작하지 않을 경우에도 이상상태로 판단한다.
제어부(160)는 이상상태일 경우, 배터리랙(110)의 방전을 중단하도록 제어하는 역할이다. 제어부(160)는 배터리 모듈(113) 각각의 상태를 측정하여 이상상태를 판단한 경우, 해당 배터리 모듈(113)만 방전을 중단시킬 수 도 있다. 이는 이상상태가 발생한 배터리 셀로 인하여 열 폭주 및 열 전파 위험을 배터리 모듈(10) 단위에서 효과적으로 방지하기 위함이다.
팬(170)은 배터리 랙(110) 내부의 온도를 조절하기 위해 배터리랙(110) 마다 하나가 설치되거나, 배터리 모듈(113) 각각마다 별도로 설치될 수 있다.
공급부(180)는 배터리팩(110) 또는 배터리 모듈(113)에서 방전시킨 출력전력을 팬 감지센서(139)로 공급한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공급부(180)는 방전이 중단되어 전류가 흐르지 않을 경우, 팬 감지센서(139)로
Figure pat00001
을 공급한다. 예를들어, 공급부(180)는 5V일 경우 2.5V가 팬 감지센서(139)로 공급된다.
공급부(180)는 팬 감지센서(139)에 정방향으로 전류가 흐를 경우
Figure pat00002
이상의 출력전압이 공급되고, 역방향으로 흐를 경우
Figure pat00003
미만의 출력전압이 공급된다. 또 AC 전류의 경우,
Figure pat00004
를 중심으로 스윙되는 전압을 출력전압으로 출력하며, 스윙전압의 RMS 전압을 출력전류로 환산하여 공급하게 된다.
공급부(180)에서 팬 감지센서(139)로 출력전력을 공급하는 것은 배터리 랙(110) 내부의 온도를 상승하지 않도록 지속적으로 팬이 동작하는 지를 감시하기 위함이다.
저장부(190)는 온도데이터, 습도데이터, 전압데이터, 전류데이터, SOC를 저장한다.
디스플레이부(200)는 모니터링하도록 온도데이터, 습도데이터, 전압데이터, 전류데이터, SOC를 제공한다. 디스플레이부(200)은 이상상태일 경우 경고 또는 알림을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이부(200)는 다양한 크기의 터치패드를 이용할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 디스플레이부(200)에서 출력된 화면 예시도이다.
도 4a를 참조하면, 디스플레이부(200)는 방전되고 있는 배터리 랙(110)의 상태를 통합센서부(13)에서 측정하여 평균온도, 평균습도, 방전전압, 방전전류, 셀전압, SOC으로 방전 진행 상황을 실시간으로 나타낼 수 있다. 그리고 디스플레이부(200)는 사용자에 의해 기설정된 임계값 즉, 방전정지 조건 설정의 내부온도, 내부습도, 셀전압, SOC을 설정하도록 디스플레이할 수 있다.
디스플레이부(200)는 reset 버튼을 통해 사용자가 설정한 임계값을 초기화하도록 할 수 있다. 또한, 이상상황 시에 alarm이 발광하면서 경고음을 제공할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 디스플레이부(200)는 배터리 모듈(113)별로(#1 내지 #12) 온도 및 습도 데이터, 팬(FAN)의 동작상태를 디스플레이한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 배터리 제어장치(100)는 방전되는 배터리 랙의 상태를 실시간으로 센싱하고, 센싱 데이터를 비교하여 이상상태를 판단하며, 이상상태일 경우 방전을 중단하도록 제어함으로써, 방전 과정을 안정적으로 동작시킬 수 있다. 또한, 센싱 데이터를 실시간으로 모니터링할 수 있으므로, 관리자가 시각적으로 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 배터리 제어장치
110: 배터리랙
113: 배터리 모듈
115: 배터리 셀
120: 방전부
130: 통합센서부
131: 온도센서
133: 습도센서
135: 전압센서
137: 전류센서
139: 팬 감지센서
140: 추정부
150: 판단부
160: 제어부
170: 팬
180: 공급부
190: 저장부
200: 디스플레이부

Claims (7)

  1. 배터리 전력을 제어하는 장치에 있어서,
    복수의 배터리 모듈로 이루어진 배터리랙;
    상기 배터리랙에 저장된 전력을 방전시키는 방전부;
    상기 배터리랙의 방전 도중 상기 배터리랙의 상태를 센싱하는 통합 센서부;
    상기 통합 센서부의 데이터를 기설정된 임계값과 비교하여 상기 배터리랙의 이상상태를 판단하는 판단부; 및
    상기 판단부의 판단결과 이상발생시 상기 배터리랙의 방전을 중단하도록 제어하는 제어부를 포함하는 배터리 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 통합 센서부는,
    상기 배터리랙 내부의 온도를 측정하는 온도센서;
    상기 배터리랙 내부의 습도를 측정하는 습도센서;
    상기 배터리랙의 전압을 측정하는 전압센서; 및
    상기 배터리랙의 전류를 측정하는 전류센서를 포함하는 배터리 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 통합 센서부의 센싱된 데이터를 이용하여 상기 배터리팩의 SOC(state of charge)를 추정하는 추정부를 더 포함하고,
    상기 판단부는 상기 추정된 SOC가 기설정된 임계값을 초과할 경우 이상상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 랙 내부의 온도를 조절하기 위한 팬(Fan)을 더 포함하는 배터리 제어장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 통합 센서부는,
    상기 팬의 동작여부를 감지하는 팬 감지센서를 더 포함하고,
    상기 판단부는 상기 팬의 동작이 중단된 경우를 이상상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 배터리 제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배터리팩에서 방전시킨 출력전력을 상기 팬 감지센서로 공급하는 공급부;를 더 포함하는 배터리 제어장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 통합 센서부의 데이터를 저장하는 저장부;
    상기 통합 센서부의 데이터를 모니터링하는 디스플레이부를 더 포함하고, 상기 디스플레이부는 이상상태일 경우 알림을 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리 제어장치.
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