WO2023054863A1 - 배터리 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Embodiments disclosed herein relate to a battery control system and method.
  • the secondary battery is a battery that can be charged and discharged, and means to include all of the conventional Ni/Cd batteries, Ni/MH batteries, and recent lithium ion batteries.
  • lithium ion batteries have the advantage of much higher energy density than conventional Ni/Cd batteries and Ni/MH batteries.
  • lithium ion batteries can be manufactured in a small size and light weight, so they are used as a power source for mobile devices. .
  • the lithium ion battery has been attracting attention as a next-generation energy storage medium as its use range has been expanded as a power source for electric vehicles.
  • a secondary battery is generally used as a battery pack including a battery module in which a plurality of battery cells are connected in series and/or parallel. In addition, the state and operation of the battery pack are managed and controlled by the battery management system.
  • a plurality of battery modules (or battery cells) included in the battery pack are configured either in series or in parallel.
  • the battery capacity is large, so it can be used for a long time, but the output is low.
  • the power is greater, but the duration is less than that of the parallel configuration.
  • a battery control system disclosed in this document includes a first battery module group, a second battery module group, a first switch configured to connect or open one end of the second battery module group to a first contactor, the first battery module group A second switch configured to connect one end of the second battery module group to one end or a second contactor, and a battery management system connected to the first switch and the second switch, wherein the battery management system, Detecting an event for battery structure transformation, and controlling the first switch and the second switch so that the first battery module group and the second battery module group are connected in series or parallel based on the detected event, , Based on whether the first battery module group and the second battery module group are connected in series or parallel, a threshold value for battery diagnosis may be adjusted.
  • An operation method of a battery control system disclosed in this document includes an operation of detecting an event for battery structure transformation, and based on the detected event, a first battery module group and the second battery module group are connected in series or parallel. Controlling a first switch and a second switch, and adjusting a threshold for battery diagnosis based on whether the first battery module group and the second battery module group are connected in series or parallel.
  • the first switch is set such that one end of the second battery module group is connected to or opened to the first contactor, and the second switch connects one end of the first battery module group to one end or the second battery module group. It can be configured to connect to 2 contactors.
  • the battery control system according to an embodiment disclosed in this document can maximize the advantages of parallel and series structures of battery packs by freely using them according to circumstances.
  • the battery control system can stably perform battery diagnosis even when a parallel or series structure of a battery pack is changed.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration of a general battery pack including a battery management device according to various embodiments.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of a battery control system according to various embodiments.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a serial structure of a battery control system according to various embodiments.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a parallel structure of a battery control system according to various embodiments.
  • FIG. 5 illustrates a flowchart of an operation of controlling a battery structure and a threshold value according to various embodiments.
  • FIG. 6 illustrates a flowchart of an operation of controlling a battery structure and a threshold value according to various embodiments.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating a computing system executing a battery management method according to various embodiments.
  • first, second, first, or second used in various embodiments may modify various elements regardless of order and/or importance, and the elements Not limited.
  • a first component may be called a second component without departing from the scope of rights of the embodiments disclosed in this document, and similarly, the second component may also be renamed to the first component.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration of a general battery pack including a battery management device according to various embodiments.
  • FIG. 1 schematically shows a battery control system 1 including a battery pack 10 according to an embodiment disclosed in this document and a host controller 20 included in a host system.
  • the battery pack 10 may include a plurality of battery modules 12 , a sensor 14 , a switching unit 16 , and a battery management system 100 .
  • the battery pack 10 may include a plurality of battery modules 12 , sensors 14 , switching units 16 , and battery management systems 100 .
  • the plurality of battery modules 12 may include at least one battery cell capable of charging and discharging. At this time, the plurality of battery modules 12 may be connected in series or parallel.
  • the sensor 14 may detect current flowing through the battery pack 10 . At this time, the detection signal may be transmitted to the battery management system 100 .
  • the switching unit 16 is serially connected to the (+) terminal side or the (-) terminal side of the battery module 12 to control the flow of charging/discharging current of the battery module 12 .
  • at least one relay or magnetic contactor may be used as the switching unit 16 according to specifications of the battery pack 10 .
  • the battery management system 100 may monitor the voltage, current, temperature, etc. of the battery pack 10 and control and manage to prevent overcharge and overdischarge, and may include, for example, RBMS.
  • the battery management system 100 is an interface for receiving measured values of various parameters described above, and may include a plurality of terminals and a circuit connected to the terminals to process the input values.
  • the battery management system 100 may control ON/OFF of the switching unit 16, for example, a relay or a contactor, and is connected to the battery module 12 to monitor each state of the battery module 12. can be monitored
  • the upper controller 20 may transmit a control signal for controlling the battery module 12 to the battery management system 100 . Accordingly, the operation of the battery management system 100 may be controlled based on the control signal applied from the upper controller 20 .
  • the battery module 12 may be a component included in an energy storage system (ESS).
  • the upper controller 20 may be a battery bank controller (BBMS) including a plurality of battery packs 10 or an ESS controller that controls the entire ESS including a plurality of banks.
  • BBMS battery bank controller
  • the battery pack 10 is not limited to this purpose.
  • FIGS. 2 to 4 are block diagrams illustrating the configuration of a battery control system according to various embodiments.
  • the battery control system 1 (or battery pack 10) is connected to a plurality of battery modules (battery modules 1 to 6) and some of the plurality of battery modules to change the battery structure.
  • the battery control system 1 may further include a current sensor 250 between the first contactor 230 and the plurality of battery modules to measure current.
  • a plurality of battery modules may be classified into two or more groups.
  • the plurality of battery modules may be classified into a first battery module group 201 including battery modules 1 to 3 and a second battery module group 202 including battery modules 4 to 6, but each battery module
  • the number of battery modules included in the group and the number of battery module groups are not limited to the example shown in FIG. 2 .
  • the following description assumes an embodiment in which each battery module includes the same number of battery cells having the same performance, but the performance and number of cells are not necessarily the same.
  • the first contactor 230 and the second contactor 240 may be a positive contactor and a negative contactor, respectively.
  • a device eg, a vehicle or a construction machine
  • the first contactor 230 and the second contactor 240 are also turned on. /can be turned off.
  • the first contactor 230 is connected to the first battery module group 201 (eg, battery module 1)
  • the second contactor 240 is connected to the second battery module group 202 (eg, battery module 6). can be connected
  • a first terminal of the first switch 210 may be connected to the first contactor 230 and a second terminal may be connected to the second battery module group 202 (eg, battery module 4) (eg, path A). ).
  • the second terminal of the first switch 210 may be in an open state with the second battery module group 202 under the control of the battery management system 100 .
  • the first terminal of the second switch 220 is connected to the first battery module group 201 (eg, battery module 3), and the second terminal is connected to the second battery module group 202 under the control of the battery management system 100. ) (eg, battery module 4) (eg, path B1) or may be connected to the second contactor 240 (eg, path B2).
  • the battery management system 100 may perform overall operations of the battery control system 1 by being connected to each component of the battery control system 1 . 2 to 4 show a structure in which the battery management system 100 is connected only to the switches 210 and 220, but the battery management system 100 is a measuring device (eg, a current sensor 250) for battery diagnosis and performance measurement. )) or may be further connected to a plurality of battery modules.
  • a measuring device eg, a current sensor 250
  • the battery management system 100 may control the first switch 210 and the second switch 220 so that the first battery module group 201 and the second battery module group 202 are connected in series or parallel.
  • the first switch 210 becomes open with the second battery module group 202 and may be controlled to be connected to the second battery module group 202 .
  • the battery management system 100 has the first switch 210 connected to the second battery module group 202 and the second switch 220 may be controlled to be connected to the second contactor 240 .
  • the battery management system 100 may determine a battery structure in series or parallel based on event detection for battery structure conversion. For example, the battery management system 100 may determine a battery structure in parallel to increase a battery duration when the battery capacity is less than a designated threshold capacity. For another example, the battery management system 100 may determine the battery structure based on the position of the battery control system 1 (or the position of the vehicle). For example, when the vehicle is located in an urban area, the battery management system 100 may determine a battery structure in parallel to maintain battery performance. Conversely, the battery management system 100 may determine a battery structure in series when the battery capacity is greater than or equal to a critical capacity or the location of the vehicle is not in an urban area (eg, a highway).
  • an urban area eg, a highway
  • the battery management system 100 may adjust a threshold value for battery diagnosis based on a battery structure. For example, assuming that the voltage of each battery module is n (where n is an integer), when the battery structure is in series as shown in FIG. 3, the maximum total voltage Vtotal of the battery pack is the first battery module group 201 Since 6n is the sum of the maximum total voltage V1 of and the maximum total voltage V2 of the second battery module group 202, the battery management system 100 determines the threshold value for diagnosing the overvoltage as 6n or more. As shown in FIG. 4 , when the battery structure is parallel, the maximum total voltage Vtotal of the battery pack is the maximum total voltage V1 of the first battery module group 201 (or the maximum total voltage V2 of the second battery module group 202).
  • the battery management system 100 determines that the battery condition is faulty and battery operation (or vehicle operation) can be stopped or a notification can be output.
  • the battery management system 100 may change the threshold value for battery cell diagnosis according to the structure of the battery. Also, the battery management system 100 may change the threshold by applying the same principle to a pack under or over current.
  • FIG. 5 illustrates a flowchart of an operation of controlling a battery structure and a threshold value according to various embodiments. Operations shown in the following operational flowcharts may be implemented by the battery control system 1 or its components (eg, the battery management system 100).
  • the battery control system 1 may detect an event for battery structure conversion. According to an embodiment, the battery control system 1 may determine whether the structure of the battery pack 10 is series or parallel.
  • the battery control system 1 switches the first switch 210 and the second battery module group 201 and the second battery module group 202 to be connected in series or parallel based on the detected event.
  • the switch 220 can be controlled.
  • the battery control system 1 may adjust a threshold value for battery diagnosis based on a series or parallel structure of batteries.
  • FIG. 6 illustrates a flowchart of an operation of controlling a battery structure and a threshold value according to various embodiments.
  • the battery control system 1 may check at least one of a battery capacity or a location of the battery control system 1.
  • the battery control system 1 may determine whether the battery module groups (first and second groups) should be connected in series or in parallel based on the checked value.
  • the battery control system 1 controls the first switch 210 so that one end of the second battery module group 202 and the first contactor 340 are in an open state in operation 630. And, in operation 640, the second switch 220 may be controlled so that one end of the first battery module group 201 is connected to one end of the second battery module group 202. Also, in operation 650, the battery control system 1 may determine a threshold value for battery diagnosis as a first threshold value.
  • the battery control system 1 controls the first switch 210 so that one end of the second battery module group 202 is connected to the first contactor 340 in operation 660,
  • the second switch 220 may be controlled so that one end of the first battery module group 201 is connected to the second contactor 340 .
  • the battery control system 1 may determine a threshold value for battery diagnosis as a second threshold value.
  • the second threshold may be determined according to the ratio of the first battery module group 201 and the second battery module group 202 .
  • the battery control system 1 determines that the second threshold value is half of the first threshold value ( or half + a, where a is the margin value).
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating a computing system executing a battery management method according to various embodiments.
  • a computing system 30 may include an MCU 32, a memory 34, an input/output I/F 36 and a communication I/F 38. there is.
  • the MCU 32 executes various programs stored in the memory 34 (eg, a characteristic value calculation program, a class classification and life estimation program, etc.), and through these programs, the battery cell voltage, current, etc. It may be a processor that processes various data and performs functions of the battery management device shown in FIG. 2 described above.
  • the memory 34 may store various programs related to calculating characteristic values of battery cells, classifying them, and estimating lifespan. In addition, the memory 34 may store various data such as voltage, current, and characteristic value data of each battery cell.
  • Memory 34 may be volatile memory or non-volatile memory.
  • RAM volatile memory
  • DRAM dynamic random access memory
  • SRAM static random access memory
  • non-volatile memory ROM, PROM, EAROM, EPROM, EEPROM, flash memory, etc.
  • Examples of the memories 34 listed above are merely examples and are not limited to these examples.
  • the input/output I/F 36 is an interface that connects an input device (not shown) such as a keyboard, mouse, or touch panel and an output device such as a display (not shown) and the MCU 32 to transmit and receive data. can provide.
  • an input device such as a keyboard, mouse, or touch panel
  • an output device such as a display (not shown) and the MCU 32 to transmit and receive data. can provide.
  • the communication I/F 340 is a component capable of transmitting and receiving various data to and from the server, and may be various devices capable of supporting wired or wireless communication. For example, it is possible to transmit/receive programs or various data for calculation of characteristic values of battery cells, class classification, and life estimation from a separately provided external server through the communication I/F 38.
  • the computer program according to an embodiment disclosed in this document is recorded in the memory 34 and processed by the MCU 32, for example, as a module that performs each function shown in FIG. 1 or 2. may be implemented.

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Abstract

본 문서에 개시된 배터리 제어 시스템은 제1 배터리 모듈 그룹, 제2 배터리 모듈 그룹, 상기 제2 배터리 모듈 그룹의 일단을 제1 컨텍터에 연결 또는 개방하도록 설정된 제1 스위치, 상기 제1 배터리 모듈 그룹의 일단을 상기 제2 배터리 모듈 그룹의 일단 또는 제2 컨텍터에 연결하도록 설정된 제2 스위치, 및 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치와 연결되는 배터리 관리 시스템을 포함하고, 상기 배터리 관리 시스템은, 배터리 구조 변환을 위한 이벤트를 검출하고, 상기 검출된 이벤트에 기반하여, 상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹이 직렬 또는 병렬로 연결되도록 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어하고, 상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹이 직렬 또는 병렬로 연결되는지에 기반하여, 배터리 진단을 위한 임계값을 조절하도록 설정될 수 있다.

Description

배터리 제어 시스템 및 방법
관련출원과의 상호인용
본 발명은 2021.09.29.에 출원된 한국 특허 출원 제10-2021-0129267호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용을 본 명세서의 일부로 포함한다.
기술분야
본 문서에 개시된 실시예들은 배터리 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 이차 전지에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 여기서 이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등과 최근의 리튬 이온 전지를 모두 포함하는 의미이다. 이차 전지 중 리튬 이온 전지는 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다, 또한, 리튬 이온 전지는 소형, 경량으로 제작할 수 있어서, 이동 기기의 전원으로 사용된다. 또한, 리튬 이온 전지는 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다. 이차 전지는 일반적으로 복수 개의 배터리 셀들이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩으로 이용된다. 그리고 배터리 팩은 배터리 관리 시스템에 의하여 상태 및 동작이 관리 및 제어된다.
배터리 팩에 포함되는 복수의 배터리 모듈(또는 배터리 셀)은 직렬 또는 병렬 중 하나로 구성된다. 병렬 구성의 경우 배터리 용량이 크기 때문에 오래 사용 가능한 반면 출력이 낮다는 단점이 있으며, 직렬 구성의 경우 파워가 더 크지만 지속 시간이 병렬 구성에 비하여 적다는 단점이 있다.
본 문서에 개시된 실시예들의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 문서에 개시된 배터리 제어 시스템은, 제1 배터리 모듈 그룹, 제2 배터리 모듈 그룹, 상기 제2 배터리 모듈 그룹의 일단을 제1 컨텍터에 연결 또는 개방하도록 설정된 제1 스위치, 상기 제1 배터리 모듈 그룹의 일단을 상기 제2 배터리 모듈 그룹의 일단 또는 제2 컨텍터에 연결하도록 설정된 제2 스위치, 및 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치와 연결되는 배터리 관리 시스템을 포함하고, 상기 배터리 관리 시스템은, 배터리 구조 변환을 위한 이벤트를 검출하고, 상기 검출된 이벤트에 기반하여, 상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹이 직렬 또는 병렬로 연결되도록 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어하고, 상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹이 직렬 또는 병렬로 연결되는지에 기반하여, 배터리 진단을 위한 임계값을 조절하도록 설정될 수 있다.
본 문서에 개시된 배터리 제어 시스템의 동작 방법은, 배터리 구조 변환을 위한 이벤트를 검출하는 동작, 상기 검출된 이벤트에 기반하여, 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹이 직렬 또는 병렬로 연결되도록 제1 스위치 및 제2 스위치를 제어하는 동작, 상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹이 직렬 또는 병렬로 연결되는지에 기반하여 배터리 진단을 위한 임계값을 조절하는 동작을 포함하며, 상기 제1 스위치는 상기 제2 배터리 모듈 그룹의 일단이 제1 컨텍터에 연결되거나 또는 개방되도록 설정되고, 상기 제2 스위치는 상기 제1 배터리 모듈 그룹의 일단을 상기 제2 배터리 모듈 그룹의 일단 또는 제2 컨텍터에 연결하도록 설정될 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 제어 시스템은 배터리 팩의 병렬 및 직렬 구조를 상황에 따라 자유롭게 사용함으로써 이들의 장점을 극대화할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 제어 시스템은 배터리 팩의 병렬 및 직렬 구조 변경 시에도 배터리 진단을 안정적으로 수행할 수 있다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 일반적인 배터리 팩의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 다양한 실시예들에 따른 배터리 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 다양한 실시예들에 따른 배터리 제어 시스템의 직렬 구조를 나타내는 블록도이다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른 배터리 제어 시스템의 병렬 구조를 나타내는 블록도이다.
도 5는 다양한 실시예들에 따른 배터리 구조 및 임계값을 제어하는 동작 흐름도를 도시한다.
도 6은 다양한 실시예들에 따른 배터리 구조 및 임계값을 제어하는 동작 흐름도를 도시한다.
도 7은 다양한 실시예들에 따른 배터리 관리 방법을 실행하는 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 문서에 개시된 다양한 실시 예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 문서에서 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 문서에 개시되어 있는 다양한 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 문서에 개시된 다양한 실시 예들은 여러 가지 형태로 실시될 수 있으며 본 문서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
다양한 실시 예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 문서에 개시된 실시예의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 문서에 개시된 실시예들의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서에 개시된 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 일반적인 배터리 팩의 구성을 나타내는 블록도이다.
구체적으로, 도 1은 본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 배터리 팩(10)과 상위 시스템에 포함되어 있는 상위 제어기(20)를 포함하는 배터리 제어 시스템(1)을 개략적으로 보여준다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(10)은 복수의 배터리 모듈(12), 센서(14), 스위칭부(16) 및 배터리 관리 시스템(100)을 포함할 수 있다. 이 때, 배터리 팩(10)에는 배터리 모듈(12), 센서(14), 스위칭부(16) 및 배터리 관리 시스템(100)이 복수 개 구비될 수 있다.
복수의 배터리 모듈(12)은 충방전 가능한 적어도 하나의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 이 때, 복수의 배터리 모듈(12)은 직렬 또는 병렬로 연결되어 있을 수 있다.
센서(14)는 배터리 팩(10)에 흐르는 전류를 검출할 수 있다. 이 때, 검출 신호는 배터리 관리 시스템(100)으로 전달될 수 있다.
스위칭부(16)는 배터리 모듈(12)의 (+) 단자 측 또는 (-) 단자 측에 직렬로 연결되어 배터리 모듈(12)의 충방전 전류 흐름을 제어할 수 있다. 예를 들면, 스위칭부(16)는 배터리 팩(10)의 사양에 따라서 적어도 하나의 릴레이, 마그네틱 접촉기 등이 이용될 수 있다.
배터리 관리 시스템(100)은 배터리 팩(10)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하여, 과충전 및 과방전 등을 방지하도록 제어 관리할 수 있으며, 예를 들면, RBMS를 포함할 수 있다.
배터리 관리 시스템(100)은 상술한 각종 파라미터를 측정한 값을 입력받는 인터페이스로서, 복수의 단자와, 이들 단자와 연결되어 입력받은 값들의 처리를 수행하는 회로 등을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(100)은, 스위칭부(16) 예를 들어, 릴레이 또는 접촉기 등의 ON/OFF를 제어할 수도 있으며, 배터리 모듈(12)에 연결되어 배터리 모듈(12) 각각의 상태를 감시할 수 있다.
상위 제어기(20)는 배터리 모듈(12)을 제어하기 위한 제어 신호를 배터리 관리 시스템(100)에 전송할 수 있다. 이에 따라, 배터리 관리 시스템(100)은 상위 제어기(20)로부터 인가되는 제어 신호에 기초하여 동작이 제어될 수 있다. 또한, 배터리 모듈(12)은 ESS(Energy Storage System)에 포함된 구성일 수 있다. 이러한 경우, 상위 제어기(20)는 복수의 배터리 팩(10)을 포함하는 배터리 뱅크의 제어기(BBMS) 또는 복수의 뱅크를 포함하는 ESS 전체를 제어하는 ESS 제어기일 수 있을 것이다. 다만, 배터리 팩(10)은 이러한 용도에 한정되는 것은 아니다.
도 2 내지 도 4는 다양한 실시예들에 따른 배터리 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 배터리 제어 시스템(1)(또는 배터리 팩(10))은 복수의 배터리 모듈(배터리 모듈 1 내지 6), 복수의 배터리 모듈 중 일부와 연결되어 배터리 구조를 변환하도록 설정되는 제1 스위치(210) 및 제2 스위치(220), 복수의 배터리 모듈과 연결되는 제1 컨텍터(230) 및 제2 컨텍터(240), 그리고 각 구성들과 연결되는 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)(100)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라서, 배터리 제어 시스템(1)은 전류를 측정할 수 있도록 제1 컨텍터(230)와 복수의 배터리 모듈 사이에 전류 센서(250)를 더 포함할 수 있다.
복수의 배터리 모듈은 둘 이상의 그룹으로 분류될 수 있다. 예를 들어 복수의 배터리 모듈은 배터리 모듈 1 내지 3을 포함하는 제1 배터리 모듈 그룹(201)과 배터리 모듈 4 내지 6을 포함하는 제2 배터리 모듈 그룹(202)으로 분류될 수 있으나, 각 배터리 모듈 그룹에 포함되는 배터리 모듈 수와 배터리 모듈 그룹의 수는 도 2에 도시된 예로 제한되지 않는다. 또한, 이하의 설명은 각 배터리 모듈이 동일한 성능의 배터리 셀을 동일한 개수로 포함하는 실시예를 전제하지만, 셀의 성능 및 개수는 반드시 동일할 필요는 없다.
제1 컨텍터(230) 및 제2 컨텍터(240)는 각각 양극 컨텍터(positive contactor)와 음극 컨텍터(negative contactor)일 수 있다. 예를 들어, 배터리 제어 시스템(1)이 포함된 장치(예: 차량 또는 건설기계 등)의 시동이 온/오프될 셩우, 제1 컨텍터(230) 및 제2 컨텍터(240)도 함께 온/오프될 수 있다. 제1 컨텍터(230)는 제1 배터리 모듈 그룹(201)(예: 배터리 모듈 1)에 연결되고, 제2 컨텍터(240)는 제2 배터리 모듈 그룹(202(예: 배터리 모듈 6)에 연결될 수 있다.
제1 스위치(210)의 제1 단은 제1 컨텍터(230)에 연결되고, 제2 단은 제2 배터리 모듈 그룹(202)(예: 배터리 모듈 4)에 연결될 수 있다(예: 경로 A). 또는, 제1 스위치(210)의 제2 단은 배터리 관리 시스템(100)의 제어에 의하여 제2 배터리 모듈 그룹(202)과 개방(open) 상태가 될 수 있다.
제2 스위치(220)의 제1 단은 제1 배터리 모듈 그룹(201)(예: 배터리 모듈 3)과 연결되고 제2 단은 배터리 관리 시스템(100)의 제어에 의하여 제2 배터리 모듈 그룹(202)(예: 배터리 모듈 4)(예: 경로 B1) 또는 제2 컨텍터(240)에 연결될 수 있다(예: 경로 B2).
배터리 관리 시스템(100)은 배터리 제어 시스템(1)의 각 구성들과 연결되어 배터리 제어 시스템(1)의 전반적인 동작을 수행할 수 있다. 도 2 내지 4는 배터리 관리 시스템(100)이 스위치(210, 220)에 한하여 연결되는 구조를 도시하지만, 배터리 관리 시스템(100)은 배터리 진단 및 성능 측정을 위하여 측정 장치(예: 전류 센서(250))나 복수의 배터리 모듈에 더 연결될 수 있다.
배터리 관리 시스템(100)은 제1 배터리 모듈 그룹(201)과 제2 배터리 모듈 그룹(202)이 직렬 또는 병렬로 연결되도록 제1 스위치(210) 및 제2 스위치(220)를 제어할 수 있다. 예를 들어 배터리 구조가 직렬인 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 배터리 관리 시스템(100)은 제1 스위치(210)가 제2 배터리 모듈 그룹(202)과 개방 상태가 되고 제2 스위치(220)가 제2 배터리 모듈 그룹(202)에 연결되도록 제어할 수 있다. 다른 예를 들어, 배터리 구조가 병렬인 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 배터리 관리 시스템(100)은 제1 스위치(210)가 제2 배터리 모듈 그룹(202)에 연결되고 제2 스위치(220)가 제2 컨텍터(240)에 연결되도록 제어할 수 있다.
실시예에서, 배터리 관리 시스템(100)은 배터리 구조 변환을 위한 이벤트 검출에 기반하여 배터리 구조를 직렬 또는 병렬로 결정할 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 시스템(100)은 배터리 용량이 지정된 임계 용량 미만인 경우 배터리 지속 시간을 증가시키기 위하여 배터리 구조를 병렬로 결정할 수 있다. 다른 예를 들어, 배터리 관리 시스템(100)은 배터리 제어 시스템(1)의 위치(또는 차량의 위치)에 기반하여 배터리 구조를 결정할 수 있다. 예컨대 차량이 도심 지역인 경우 배터리 성능 유지를 위하여 배터리 관리 시스템(100)은 배터리 구조를 병렬로 결정할 수 있다. 반대로, 배터리 관리 시스템(100)은 배터리 용량이 임계 용량 이상이거나 차량의 위치가 도심 지역이 아닌 경우(예: 고속도로) 배터리 구조를 직렬로 결정할 수 있다.
실시예에서, 배터리 관리 시스템(100)은 배터리 구조에 기반하여 배터리 진단을 위한 임계값을 조절할 수 있다. 예를 들어 각 배터리 모듈의 전압이 n(여기서 n은 정수)이라고 가정할 때, 도 3에 도시된 바와 같이 배터리 구조가 직렬인 경우 배터리 팩의 최대 총 전압 Vtotal은 제1 배터리 모듈 그룹(201)의 최대 총 전압 V1과 제2 배터리 모듈 그룹(202)의 최대 총 전압 V2의 합인 6n이므로, 배터리 관리 시스템(100)은 과전압을 진단하기 위한 임계값을 6n 또는 그 이상의 값으로 결정할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 배터리 구조가 병렬인 경우 배터리 팩의 최대 총 전압 Vtotal은 제1 배터리 모듈 그룹(201)의 최대 총 전압 V1(또는, 제2 배터리 모듈 그룹(202)의 최대 총 전압 V2)인 3n이므로, 배터리 관리 시스템(100)은 과전압을 진단하기 위한 임계값을 3n 또는 그 이상의 값으로 결정할 수 있다. 배터리 구조와 무관하게 전류가 일정하다면 배터리 전압의 감소에 따라서 배터리 전력(파워)은 감소하므로(P=VI, 여기서 P는 전력, V는 전압, I는 전류), 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(100)은 과전압 검출을 위한 임계값과 동일한 원리로 과전력 측정을 위한 임계값을 배터리 구조에 따라서 변경할 수 있다. 배터리 팩(10)에서의 팩 오버(pack over)(예: 과전압 또는 과전력)가 감지되면, 배터리 관리 시스템(100)은 배터리 상태가 폴트(fault)인 것으로 결정하고 배터리 동작(또는 차량 동작)을 중지하거나 알림을 출력할 수 있다. 배터리 팩 단위의 배터리 진단과 동일한 원리로, 배터리 관리 시스템(100)은 배터리 구조에 따라서 배터리 셀 진단을 위한 임계값을 변경할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(100)은 팩 언더(pack under) 또는 과전류(over current)에도 동일한 원리를 적용하여 임계값을 변경할 수 있다.
도 5는 다양한 실시예들에 따른 배터리 구조 및 임계값을 제어하는 동작 흐름도를 도시한다. 이하의 동작 흐름도에 도시되는 동작들은 배터리 제어 시스템(1) 또는 그의 구성요소(예: 배터리 관리 시스템(100))에 의하여 구현될 수 있다.
도 5를 참조하면, 동작 510에서, 배터리 제어 시스템(1)은 배터리 구조 변환을 위한 이벤트를 검출할 수 있다. 실시예에 따르면, 배터리 제어 시스템(1)은 배터리 팩(10)의 구조가 직렬인지 또는 병렬인지를 결정할 수 있다.
동작 520에서, 배터리 제어 시스템(1)은 검출된 이벤트에 기반하여 제1 배터리 모듈 그룹(201) 및 제2 배터리 모듈 그룹(202)이 직렬 또는 병렬로 연결되도록 제1 스위치(210) 및 제2 스위치(220)를 제어할 수 있다.
동작 530에서, 배터리 제어 시스템(1)은 배터리의 직렬 또는 병렬 구조에 기반하여 배터리 진단을 위한 임계값을 조절할 수 있다.
도 6은 다양한 실시예들에 따른 배터리 구조 및 임계값을 제어하는 동작 흐름도를 도시한다.
도 6을 참조하면, 동작 610에서, 배터리 제어 시스템(1)은 배터리 용량 또는 배터리 제어 시스템(1)의 위치 중 적어도 하나를 확인할 수 있다.
동작 620에서, 배터리 제어 시스템(1)은 확인된 값에 기반하여 배터리 모듈 그룹(제1, 제2 그룹)이 직렬로 연결되어야 하는지 또는 병렬로 연결되어야 하는지를 결정할 수 있다.
배터리 구조가 직렬로 연결되어야 한다면, 배터리 제어 시스템(1)은 동작 630에서 제2 배터리 모듈 그룹(202)의 일단과 제1 컨텍터(340)가 개방 상태가 되도록 제1 스위치(210)를 제어하고, 동작 640에서 제1 배터리 모듈 그룹(201)의 일단이 제2 배터리 모듈 그룹(202)의 일단과 연결되도록 제2 스위치(220)를 제어할 수 있다. 또한, 동작 650에서 배터리 제어 시스템(1)은 배터리 진단을 위한 임계값을 제1 임계값으로 결정할 수 있다.
배터리 구조가 병렬로 연결되어야 한다면, 배터리 제어 시스템(1)은 동작 660에서 제2 배터리 모듈 그룹(202)의 일단이 제1 컨텍터(340)에 연결되도록 제1 스위치(210)를 제어하고, 동작 670에서 제1 배터리 모듈 그룹(201)의 일단이 제2 컨텍터(340)에 연결되도록 제2 스위치(220)를 제어할 수 있다. 또한, 동작 680에서 배터리 제어 시스템(1)은 배터리 진단을 위한 임계값을 제2 임계값으로 결정할 수 있다. 여기서 제2 임계값은 제1 배터리 모듈 그룹(201)과 제2 배터리 모듈 그룹(202)의 비율에 따라서 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 배터리 모듈 그룹(201) 및 제2 배터리 모듈 그룹(202)에 포함된 배터리 모듈의 수가 동일한 경우, 배터리 제어 시스템(1)은 제2 임계값이 제1 임계값의 절반(또는 절반 + a, 여기서 a는 마진 값)이 되도록 결정할 수 있다.
도 7은 다양한 실시예들에 따른 배터리 관리 방법을 실행하는 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 7을 참조하면, 본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 컴퓨팅 시스템(30)은 MCU(32), 메모리(34), 입출력 I/F(36) 및 통신 I/F(38)를 포함할 수 있다.
MCU(32)는 메모리(34)에 저장되어 있는 각종 프로그램(예를 들면, 특성값 산출 프로그램, 클래스 분류 및 수명 추정 프로그램 등)을 실행시키고, 이러한 프로그램들을 통해 배터리 셀의 전압, 전류 등을 포함한 각종 데이터를 처리하며, 전술한 도 2에 나타낸 배터리 관리 장치의 기능들을 수행하도록 하는 프로세서일 수 있다.
메모리(34)는 배터리 셀의 특성값 산출, 클래스 분류 및 수명 추정에 관한 각종 프로그램을 저장할 수 있다. 또한, 메모리(34)는 배터리 셀 각각의 전압, 전류, 특성값 데이터 등 각종 데이터를 저장할 수 있다.
이러한 메모리(34)는 필요에 따라서 복수 개 마련될 수도 있을 것이다. 메모리(34)는 휘발성 메모리일 수도 있으며 비휘발성 메모리일 수 있다. 휘발성 메모리로서의 메모리(34)는 RAM, DRAM, SRAM 등이 사용될 수 있다. 비휘발성 메모리로서의 메모리(34)는 ROM, PROM, EAROM, EPROM, EEPROM, 플래시 메모리 등이 사용될 수 있다. 상기 열거한 메모리(34)들의 예를 단지 예시일 뿐이며 이들 예로 한정되는 것은 아니다.
입출력 I/F(36)는, 키보드, 마우스, 터치 패널 등의 입력 장치(미도시)와 디스플레이(미도시) 등의 출력 장치와 MCU(32) 사이를 연결하여 데이터를 송수신할 수 있도록 하는 인터페이스를 제공할 수 있다.
통신 I/F(340)는 서버와 각종 데이터를 송수신할 수 있는 구성으로서, 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있는 각종 장치일 수 있다. 예를 들면, 통신 I/F(38)를 통해 별도로 마련된 외부 서버로부터 배터리 셀의 특성값 산출, 클래스 분류 및 수명 추정을 위한 프로그램이나 각종 데이터 등을 송수신할 수 있다.
이와 같이, 본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 컴퓨터 프로그램은 메모리(34)에 기록되고, MCU(32)에 의해 처리됨으로써, 예를 들면 도 1 또는 도 2에서 도시한 각 기능들을 수행하는 모듈로서 구현될 수도 있다.
이상에서, 본 문서에 개시된 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 문서에 개시된 실시예들이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 문서에 개시된 실시예들의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 문서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 문서에 개시된 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 문서에 개시된 실시예들의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 문서에 개시된 실시 예들은 본 문서에 개시된 실시예들의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 문서에 개시된 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 문서에 개시되 기술사상의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 문서의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 배터리 제어 시스템에 있어서,
    제1 배터리 모듈 그룹;
    제2 배터리 모듈 그룹;
    상기 제2 배터리 모듈 그룹의 일단을 제1 컨텍터(contactor)에 연결 또는 개방(open)하도록 설정된 제1 스위치;
    상기 제1 배터리 모듈 그룹의 일단을 상기 제2 배터리 모듈 그룹의 일단 또는 제2 컨텍터에 연결하도록 설정된 제2 스위치; 및
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치와 연결되는 배터리 관리 시스템;을 포함하고,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    배터리 구조 변환을 위한 이벤트를 검출하고,
    상기 검출된 이벤트에 기반하여, 상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹이 직렬 또는 병렬로 연결되도록 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어하고,
    상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹이 직렬 또는 병렬로 연결되는지에 기반하여, 배터리 진단을 위한 임계값을 조절하도록 설정된, 배터리 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹이 직렬로 연결된 경우, 상기 배터리 진단을 위한 임계값을 제1 임계값으로 결정하고,
    상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹이 병렬로 연결된 경우, 상기 배터리 진단을 위한 임계값을 상기 제1 임계값의 절반인 제2 임계값으로 결정하도록 설정된, 배터리 제어 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 배터리 진단을 위한 임계값은,
    과전압을 또는 과전력을 결정하기 위한 값을 포함하는, 배터리 제어 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹을 직렬로 연결하기 위하여,
    상기 제2 배터리 모듈 그룹의 일단과 상기 제1 컨텍터가 개방 상태가 되도록 상기 제1 스위치를 제어하고,
    상기 제1 배터리 모듈 그룹의 일단이 상기 제2 배터리 모듈 그룹의 일단과 연결되도록 상기 제2 스위치를 제어하도록 설정된, 배터리 제어 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹을 병렬로 연결하기 위하여,
    상기 제2 배터리 모듈 그룹의 일단이 상기 제1 컨텍터와 연결되도록 상기 제1 스위치를 제어하고,
    상기 제1 배터리 모듈 그룹의 일단이 상기 제2 컨텍터에 연결되도록 상기 제2 스위치를 제어하도록 설정된, 배터리 제어 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 배터리 제어 시스템의 배터리 용량 또는 위치 중 적어도 하나에 기반하여, 상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹이 직렬 또는 병렬임을 결정하도록 설정된, 배터리 제어 시스템.
  7. 배터리 제어 시스템의 동작 방법에 있어서,
    배터리 구조 변환을 위한 이벤트를 검출하는 동작;
    상기 검출된 이벤트에 기반하여, 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹이 직렬 또는 병렬로 연결되도록 제1 스위치 및 제2 스위치를 제어하는 동작; 및
    상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹이 직렬 또는 병렬로 연결되는지에 기반하여, 배터리 진단을 위한 임계값을 조절하는 동작; 을 포함하며,
    상기 제1 스위치는, 상기 제2 배터리 모듈 그룹의 일단이 제1 컨텍터에 연결되거나 또는 개방되도록 설정되고,
    상기 제2 스위치는, 상기 제1 배터리 모듈 그룹의 일단을 상기 제2 배터리 모듈 그룹의 일단 또는 제2 컨텍터에 연결하도록 설정되는, 배터리 제어 시스템의 동작 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 배터리 진단을 위한 임계값을 조절하는 동작은,
    상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹이 직렬로 연결된 경우, 상기 배터리 진단을 위한 임계값을 제1 임계값으로 결정하는 동작; 및
    상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹이 병렬로 연결된 경우, 상기 배터리 진단을 위한 임계값을 상기 제1 임계값의 절반인 제2 임계값으로 결정하는 동작; 을 더 포함하는, 배터리 제어 시스템의 동작 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 배터리 진단을 위한 임계값은,
    과전압을 또는 과전력을 결정하기 위한 값을 포함하는, 배터리 제어 시스템의 동작 방법.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어하는 동작은,
    상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹을 직렬로 연결하기 위하여, 상기 제2 배터리 모듈 그룹의 일단과 상기 제1 컨텍터가 개방 상태가 되도록 상기 제1 스위치를 제어하고, 상기 제1 배터리 모듈 그룹의 일단이 상기 제2 배터리 모듈 그룹의 일단과 연결되도록 상기 제2 스위치를 제어하는 동작; 을 포함하는, 배터리 제어 시스템의 동작 방법.
  11. 청구항 7에 있어서, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어하는 동작은,
    상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹을 병렬로 연결하기 위하여, 상기 제2 배터리 모듈 그룹의 일단이 상기 제1 컨텍터와 연결되도록 상기 제1 스위치를 제어하고, 상기 제1 배터리 모듈 그룹의 일단이 상기 제2 컨텍터에 연결되도록 상기 제2 스위치를 제어하는 동작; 을 포함하는, 배터리 제어 시스템의 동작 방법.
  12. 청구항 7에 있어서, 상기 배터리 구조 변환을 위한 이벤트를 검출하는 동작은,
    상기 배터리 제어 시스템의 배터리 용량 또는 위치 중 적어도 하나에 기반하여, 상기 제1 배터리 모듈 그룹 및 상기 제2 배터리 모듈 그룹이 직렬 또는 병렬임을 결정하는 동작을 포함하는, 배터리 제어 시스템의 동작 방법.
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