JP7047210B2 - バッテリー管理装置、バッテリー管理方法及び該バッテリー管理装置を含むエネルギー貯蔵システム - Google Patents

バッテリー管理装置、バッテリー管理方法及び該バッテリー管理装置を含むエネルギー貯蔵システム Download PDF

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Description

本発明は、複数のバッテリーパックのためのバッテリー管理装置、バッテリー管理方法及び該バッテリー管理装置を含むエネルギー貯蔵システムに関する。
本出願は、2018年5月3日出願の韓国特許出願第10-2018-0051134号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
最近、ノートブックPC、ビデオカメラ、携帯電話などのような携帯用電子製品の需要が急増し、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化するにつれ、反復的な充放電の可能な高性能バッテリーについての研究が活発に進行しつつある。
現在、商用化したバッテリーとしては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウムバッテリーなどがあり、このうち、リチウムバッテリーは、ニッケル系のバッテリーに比べてメモリ効果がほとんど起こらず、充放電が自由で、自己放電率が非常に低くてエネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。
バッテリー管理装置は、単一のバッテリーパックを含むこともあるが、充放電容量を拡張するための目的でバッテリーパックがさらに加えられることもある。バッテリー管理装置に複数のバッテリーパックが含まれる場合、複数のバッテリーパックは相互並列接続可能に設けられ得る。ところが、バッテリー管理装置に含まれた複数のバッテリーパックを並列接続するとき、複数のバッテリーパック同士の電圧差によって突入電流が流れることがある。突入電流は、バッテリーパックの寿命を低下させるだけでなく、バッテリーパック及び周辺回路に深刻な物理的損傷をもたらし得る。
一方、バッテリー管理装置は、遮断器(circuit breaker)を含み得る。遮断器は、バッテリー管理装置内で特定の状況(例えば、停電、長期未使用、過電流)が発生した場合に各バッテリーパックを保護するために各バッテリーパックを電気負荷から電気的に分離する部品である。ところが、遮断器のレバーが一旦OFF位置にトリップされた後には、作業者が手作業でレバーをON位置に押さなければならないという不具合がある。
また、各バッテリーパックに電流が流れるとき、各バッテリーパックに接続しているスイッチを突然ターンオフすると、スイッチの接点にアークが発生してスイッチが溶着してしまう恐れがある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、複数のバッテリーパックを並列接続するに際し、突入電流による物理的損傷から複数のバッテリーパック及び周辺回路を保護できるバッテリー管理装置、バッテリー管理方法及び該バッテリー管理装置を含むエネルギー貯蔵システムを提供することを目的とする。
また、本発明は、特定の状況(例えば、停電、長期未使用、過電流)が発生した場合、遮断器を用いることなく、各バッテリーパックを電気負荷から電気的に安全に分離可能なバッテリー管理装置、バッテリー管理方法及び該バッテリー管理装置を含むエネルギー貯蔵システムを提供することを他の目的とする。
本発明の他の目的及び長所は、下記する説明によって理解でき、本発明の実施例によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
上記の課題を達成するため、本発明の一面によるバッテリー管理装置は、第1端子および第2端子を介して電力変換システムに接続可能である。前記バッテリー管理装置は、第1バッテリーパックと、第2バッテリーパックと、前記第1端子と前記第2端子との間で前記第1バッテリーパックと直列接続する第1スイッチと、前記第1端子と前記第2端子との間で前記第2バッテリーパックと直列接続する第2スイッチと、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチに動作可能に結合した制御部と、を含む。前記制御部は、前記第1バッテリーパックと前記第2バッテリーパックとの並列接続のためのバランシング段階を実行するように構成される。前記制御部は、前記バランシング段階のうちいずれか一つの実行中に、前記電力変換システムからの第1通知信号に応じて、シャットダウン準備モードで前記第1バッテリーパックのパック電流及び前記第2バッテリーパックのパック電流が予め決められた電流範囲内にあるか否かを判定するように構成される。前記制御部は、前記第1バッテリーパックのパック電流及び前記第2バッテリーパックのパック電流が前記電流範囲内にあると判定された場合、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチをターンオフするように構成される。
前記制御部は、前記第1通知信号が受信された時点から予め決められた準備期間が経過した時点で前記シャットダウン準備モードを実行するように構成される。
前記準備期間は、前記電力変換システムのトラッキング期間以上であり得る。前記トラッキング期間は、前記電力変換システムが前記第1端子と前記第2端子との間に供給中である電力を0Wまで減少させるのに要する最小時間であり得る。
前記制御部は、前記第1通知信号が受信された時点から前記準備期間が経過する前に、前記電力変換システムからの第2通知信号が受信される場合、前記バランシング段階のうち前記第1通知信号が受信された時点で実行中であったいずれか一つのバランシング段階を再開するように構成され得る。
前記制御部は、前記シャットダウン準備モードが実行された時点における前記第1バッテリーパックのパック電流及び前記第2バッテリーパックのパック電流の少なくとも一つが前記電流範囲から外れると判定された場合、前記第1バッテリーパックのパック電流及び前記第2バッテリーパックのパック電流の各々を無期限監視するための電流診断モードを実行するように構成され得る。
前記制御部は、前記電流診断モードの実行中に、前記第1バッテリーパックのパック電流及び前記第2バッテリーパックのパック電流が前記電流範囲内になる場合、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチをターンオフするように構成され得る。
前記制御部は、前記第1通知信号が受信された時点で前記第1スイッチ及び前記第2スイッチがターンオンされていたら、前記電流診断モードの実行中に前記電力変換システムからの第2通知信号が受信される場合、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチをターンオン状態に維持するように構成され得る。
前記第1通知信号は、前記電力変換システムに電気的に接続した電気系統からの電力供給が遮断されたことを示し得る。
前記第2通知信号は、前記電気系統からの電力供給が再開したことを示し得る。
本発明の他面によるエネルギー貯蔵システムは、前記バッテリー管理装置と、前記第1端子及び前記第2端子を介いて前記バッテリー管理装置に接続する前記電力変換システムと、を含む。
本発明のさらに他面によるバッテリー管理方法は、前記バッテリー管理装置を保護するためのものである。前記バッテリー管理法方法は、前記第1バッテリーパックと前記第2バッテリーパックとの並列接続のためのバランシング段階のうちいずれか一つの実行中に、前記電力変換システムからの第1通知信号に応じて、前記シャットダウン準備モードを実行する段階と、前記シャットダウン準備モードで前記第1バッテリーパックのパック電流及び前記第2バッテリーパックのパック電流が予め決められた電流範囲内にあるか否かを判定する段階と、前記第1バッテリーパックのパック電流及び前記第2バッテリーパックのパック電流が前記電流範囲内にあると判定された場合、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチをターンオフする段階と、を含む。
本発明の実施例の少なくとも一つによれば、複数のバッテリーパックを並列接続するに際し、突入電流による物理的損傷から複数のバッテリーパック及び周辺回路を保護することができる。
また、本発明の実施例の少なくとも一つによれば、特定の状況(例えば、停電電、長期未使用、過電流)が発生した場合、遮断器を用いることなく、各バッテリーパックを電気負荷から電気的に安全に分離することができる。
本発明の効果は、以上の言及した効果に制限されず、言及されていない他の効果は、請求範囲の記載から当業者に明確に理解されるだろう。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
本発明の一実施例によるエネルギー貯蔵システムの構成を例示的に示した図である。 図1の第1バッテリーパックと第2バッテリーパックとを並列接続するために実行できる動作を説明するために参照される図である。 図1の第1バッテリーパックと第2バッテリーパックとを並列接続するために実行できる動作を説明するために参照される図である。 図1の第1バッテリーパックと第2バッテリーパックとを並列接続するために実行できる動作を説明するために参照される図である。 本発明の他の実施例によって第1バッテリーパックと第2バッテリーパックとを並列接続するための方法を示すフローチャートである。 本発明の他の実施例によって第1バッテリーパックと第2バッテリーパックとを並列接続するための方法を示すフローチャートである。 本発明のさらに他の実施例によってバッテリー管理装置を保護するための方法を示すフローチャートである。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。
したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
また、本発明に関連する公知の機能または構成についての具体的な説明が、本発明の要旨をぼやかすと判断される場合、その説明を省略する。
第1、第2などのように序数を含む用語は、多様な構成要素のうちいずれか一つを残りと区別する目的として使用され、このような用語によって構成要素が限定されることではない。
なお、明細書の全体にかけて、ある部分が、ある構成要素を「含む」とするとき、これは特に反する記載がない限り、他の構成要素を除くことではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。また、明細書に記載の「制御ユニット」のような用語は、少なくとも一つの機能や動作を処理する単位を示し、これはハードウェアやソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアとの結合せにより具現され得る。
さらに、明細書の全体に亘って、ある部分が他の部分と「連結(接続)」されているとするとき、これは、「直接的に連結(接続)」されている場合のみならず、その中間に他の素子を介して「間接的に連結(接続)」されている場合も含む。
図1は、本発明の一実施例によるエネルギー貯蔵システム10の構成を例示的に示した図である。
図1を参照すれば、エネルギー貯蔵システム10は、バッテリー管理装置20及び電力変換システム30を含む。バッテリー管理装置20は、第1端子P+及び第2端子P-を介して電力変換システム30に電気的に接続可能である。バッテリー管理装置20は、第1バッテリーパック110、第2バッテリーパック120、第1スイッチSW1、第2スイッチSW2及び制御部200を含む。
第1バッテリーパック110は、少なくとも一つのバッテリーセルを含む。第2バッテリーパック120は、少なくとも一つのバッテリーセルを含む。第1バッテリーパック110及び第2バッテリーパック120に含まれた各バッテリーセルは、例えば、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミニウム電池、ニッケル水素電池またはニッケル亜鉛電池のように再充電可能なバッテリーであり得る。第1バッテリーパック110及び第2バッテリーパック120は、相互同一な定格電圧、定格電流及び設計容量を有するように製造されたものであり得る。但し、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120とは、各々の充放電回数などによってSOH(State Of Health)などが相異なり得る。
第1スイッチSW1は、第1端子P+と第2端子P-との間で第1バッテリーパック110と直列接続する。例えば、図1に示したように、第1スイッチSW1の一端は、第1バッテリーパック110の正極端子に接続し、第1スイッチSW1の他端は、第1端子P+に接続し、第1バッテリーパック110の負極端子は、第2端子P-に接続する。第1スイッチSW1がターンオンされると、第1バッテリーパック110は、第1スイッチSW1を介して第1端子P+と第2端子P-との間に電気的に接続する。第1スイッチSW1がターンオフされると、第1バッテリーパック110は、第1端子P+及び第2端子P-の少なくとも一つから電気的に分離される。
第2スイッチSW2は、第1端子P+と第2端子P-との間で第2バッテリーパック120と直列接続する。例えば、図1に示したように、第2スイッチSW2の一端は、第2バッテリーパック120の正極端子に接続し、第2スイッチSW2の他端は、第1端子P+に接続し、第2バッテリーパック120の負極端子は、第2端子P-に接続する。第2スイッチSW2がターンオンされると、第2バッテリーパック120は、第2スイッチSW2を介して第1端子P+と第2端子P-との間に電気的に接続する。第2スイッチSW2がターンオフされると、第2バッテリーパック120は、第1端子P+及び第2端子P-の少なくとも一つから電気的に分離される。
第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2の各々は、例えば、リレーや電界効果トランジスター(FET:Field Effect Transistor)などのような公知のスイチング素子のいずれか一つまたは二つ以上の組み合わせによって具現され得る。
制御部200は、第1バッテリーパック110及び第2バッテリーパック120の状態を個別的にモニターするように構成される。制御部200は、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2を個別的に制御するように構成される。制御部200は、第1スレーブコントローラ310、第2スレーブコントローラ320及びマスターコントローラ400を含み得る。
第1スレーブコントローラ310は、第1バッテリーパック110の動作状態を周期的にモニターするように構成されたものであって、電圧センサー、電流センサー及びプロセッサを含む。第1スレーブコントローラ310の電圧センサーは、第1バッテリーパック110の電圧を測定するように構成される。第1スレーブコントローラ310の電流センサーは、第1バッテリーパック110を介して流れるパック電流を測定するように構成される。第1スレーブコントローラ310は、第1バッテリーパック110の電圧及び電流の少なくとも一つに基づき、第1バッテリーパック110の充電状態(SOC:State Of Charge)を算出するように構成される。第1スレーブコントローラ310は、第1バッテリーパック110の電圧及びSOCの少なくとも一つを示す第1データを周期的にマスターコントローラ400に伝送するように構成される。第1データの伝送のために第1スレーブコントルーラ310とマスターコントローラ400とは、通信インターフェースによって相互接続する。
第2スレーブコントローラ320は、第2バッテリーパック120の動作状態を周期的にモニターするように構成されたものであって、電圧センサー、電流センサー及びプロセッサを含む。第2スレーブコントローラ320の電圧センサーは、第2バッテリーパック120の電圧を測定するように構成される。第2スレーブコントローラ320の電流センサーは、第2バッテリーパック120を介して流れるパック電流を測定するように構成される。第2スレーブコントローラ320は、第2バッテリーパック120の電圧及び電流の少なくとも一つに基づき、第2バッテリーパック120のSOCを算出するように構成される。第2スレーブコントローラ320は、第2バッテリーパック120の電圧及びSOCの少なくとも一つを示す第2データを周期的にマスターコントローラ400に伝送するように構成される。第2データの伝送のために、第2スレーブコントローラ320とマスターコントローラ400とは通信インターフェースによって相互接続する。
第1スレーブコントローラ310及び第2スレーブコントローラ320がSOCを算出するに際しては、公知の多様なアルゴリズムが活用可能である。例えば、電流積算法(ampere counting)、等価回路モデル(equivalent circuit model)またはカルマンフィルターなどを用いて、各バッテリーパックの電圧及びパック電流に基づいてSOCを算出することができる。
マスターコントローラ400は、第1スレーブコントローラ310、第2スレーブコントローラ320、第1スイッチSW1、第2スイッチSW2及び電力変換システム30に動作可能に結合する。マスターコントローラ400は、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120との電圧差及びSOC差を算出するように構成される。また、マスターコントローラ400は、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120との並列接続のために、メモリーデバイスに予め保存されたソフトウェアを実行し、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2を個別的にターンオンまたはターンオフできる。また、マスターコントローラ400は、第1バッテリーパック110及び第2バッテリーパック120の少なくとも一つを充電するために、第1端子P+と第2端子P-との間に第1静電力及び第2静電力のいずれか一つを供給するか、または供給を中断することを、電力変換システム30に命令し得る。
第1スレーブコントローラ310、第2スレーブコントローラ320及びマスターコントローラ400の各々は、ハードウェア的に、ASICs(application specific integrated circuits)、DSPs(digital signal processors)、DSPDs(digital signal processing devices)、PLDs(programmable logic devices)、FPGAs(field programmable gate arrays)、マイクロプロセッサー(microprocessors)、及びその他の機能遂行のための電気的ユニットのうち少なくとも一つを含むように具現され得る。
第1スレーブコントローラ310、第2スレーブコントローラ320及びマスターコントローラ400の少なくとも一つのプロセッサには、メモリーデバイスが内蔵され得、メモリーデバイスとしては、例えば、RAM、ROM、レジスター、ハードディスク、光記録媒体または磁気記録媒体を用い得る。メモリーデバイスは、第1スレーブコントローラ310、第2スレーブコントローラ320及びマスターコントローラ400の少なくとも一つによって実行される各種制御ロジックを含むプログラム、及び/または前記制御ロジックが実行されるときに発生するデータを、保存、更新及び/または消去できる。
電力変換システム30は、通信インターフェースによって制御部200に動作可能に結合する。通信インターフェースは、LAN、CANN、近距離有線または無線通信網などの公知の通信インターフェースを用いて具現できる。電力変換システム30は、系統及び電気負荷の少なくとも一つに電気的に接続し得る。電力変換システム30は、系統またはバッテリー管理装置20から供給される電力を変換した後、電気負荷に供給し得る。電力変換システム30は、制御部200からの命令に応じて、系統からの入力電力を用いて前記命令に対応する大きさの静電力を生成し、生成した静電力を第1端子P+と第2端子P-との間に選択的に供給するように構成される。電力変換システム30は、系統の状況(例えば、停電、復電)をモニターしながら、第1通知信号及び第2通知信号を制御部200に選択的に伝送できる。
図2~図4は、図1の第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120を並列接続するために実行可能な動作を説明するために参照される図である。
以下の説明において、制御部200が行う能動的な動作、例えば、SOC算出及び比較、SOH算出、電圧データの獲得及び比較、電流データの獲得及び比較、各種命令の送信または受信、スイッチ制御などは、別に言及しない限り、マスターコントローラ400によって行われることを予め明らかにしておく。
制御部200が電圧または電流を用いて演算を行うとき、当該電圧または電流データは、第1スレーブコントローラ310及び第2スレーブコントローラ320がマスターコントローラ400側に周期的に伝送したデータである。制御部200が行う制御ロジックは、マスターコントローラ400に備えられたメモリーデバイスにプログラムとして保存され、プロセッサによって実行され得る。
先ず、図2は、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2が全てターンオフされている時点における様子を示す。図2を参照すれば、第1スイッチSW1がターンオフされるとき、第1バッテリーパック110は第1端子P+及び第2端子P-の少なくとも一つから電気的に分離し、第2スイッチSW2がターンオフされるとき、第2バッテリーパック120も、第1端子P+及び第2端子P-の少なくとも一つから電気的に分離される。制御部200は、第1スレーブコントローラ310及び第2スレーブコントローラ320を用いて第1バッテリーパック110の電圧と第2バッテリーパック120の電圧を各々測定し、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120との電圧差を算出する。その後、制御部200は、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120との電圧差を第1臨界電圧と比較する。第1臨界電圧は、例えば、2.5Vのように予め決められたものであり得る。
または、制御部200は、第1バッテリーパック110のSOH及び第2バッテリーパック120のSOHに基づき、第1臨界電圧を算出することもできる。即ち、第1臨界電圧は、予め決められるものではなく、第1バッテリーパック110のSOH及び第2バッテリーパック120のSOHによって変化するものであり得る。第1バッテリーパック110のSOH及び第2バッテリーパック120のSOHの少なくとも一つによって第1臨界電圧をルックアップできるルックアップテーブルがマスターコントローラ400のメモリーデバイスに保存され、マスターコントローラ400によって参照され得る。
SOHは、第1及び第2バッテリーパック110、120が放電下限電圧から充電上限電圧まで充電される間の電流量を積算して算出した、MOL(Middle Of Life)状態の満充電容量と、BOL(Beginning Of Life)状態の満充電容量との相対的な比較値であり得る。制御部200は、第1及び第2スレーブコントローラ310、320によって測定した第1及び第2バッテリーパック110、120の電圧が、放電下限電圧から充電上限電圧まで変化する間、第1及び第2スレーブコントローラ310、320によって測定した第1及び第2バッテリーパック110、120の電流データを用いてMOL状態の満充電容量を算出できる。制御部200は、前記BOL状態の満充電容量を、メモリーデバイスに予め保存されたデータを参照して決定し得る。制御部200は、算出されたSOHデータをマスターコントローラ400のメモリーデバイスに保存し得る。
図3は、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2が全てターンオンされている時点における様子を示す。制御部200は、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2が全てターンオフされている時点における第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120との電圧差が第1臨界電圧未満であれば、第1スイッチSW1と第2スイッチSW2とを共にターンオンする。その理由は、第1臨界電圧未満である第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120との電圧差は、バッテリー管理装置20に物理的な損傷を与えるほどの突入電流を発生させないためである。
図4は、第1スイッチSW1がターンオンされており、第2スイッチSW2がターンオフされている時点における様子を示す。制御部200は、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2が全てターンオフされている時点における第2バッテリーパック120の電圧が、第1バッテリーパック110の電圧よりも第1臨界電圧以上に高ければ、第2バッテリーパック120に直列接続する第2スイッチSW2をターンオフした状態で、第1バッテリーパック110に直列接続する第1スイッチSW1はターンオンする。これによって、第1バッテリーパック110は、ターンオンされた第1スイッチSW1を介して第1端子P+及び第2端子P-に電気的に接続し、電力変換システム30によって供給される静電力で充電可能になる。制御部200は、第1スイッチSW1がターンオンされており、第2スイッチSW2がターンオフされている時点における第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120とのSOC差が臨界SOC以上である場合、第1命令を電力変換システム30に伝送する。これに対し、制御部200は、第1スイッチSW1がターンオンされており、第2スイッチSW2がターンオフされている時点における第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120とのSOC差が臨界SOC未満である場合、第2命令を電力変換システム30に伝送する。第1命令は、第1端子P+と第2端子P-との間に第1静電力を供給することを電力変換システム30に要請するための信号である。即ち、電力変換システム30は、第1命令に応じて、第1端子P+と第2端子P-との間に第1静電力を供給できる。第2命令は、第1端子P+と第2端子P-との間に第1静電力よりも小さい第2静電力を供給することを電力変換システム30に要請するための信号である。即ち、電力変換システム30は、第2命令に応じて、第1端子P+と第2端子P-との間に第2静電力を供給できる。例えば、第1バッテリーパック110のSOCが、第2バッテリーパック120のSOCよりも臨界SOC以上に小さければ、第1バッテリーパック110は第1静電力で充電されてから、第1バッテリーパック110のSOCと臨界SOCとの和が第2バッテリーパック120のSOCと同一になる時点から第1バッテリーパック110は第2静電力で充電される。臨界SOCは、予め決められたものであり得る。または、制御部200は、第1バッテリーパック110のSOH及び第2バッテリーパック120のSOHに基づき、臨界SOCを算出することもできる。即ち、臨界SOCは、予め決められるよりは、第1バッテリーパック110のSOH及び第2バッテリーパック120のSOHに依って変化するものであり得る。第1及び第2バッテリーパック110、120のSOHから臨界SOCを決定するために、第1及び第2バッテリーパック110、120のSOHによって臨界SOCをルックアップできるルックアップテーブルがマスターコントローラ400のメモリーデバイスに保存され、マスターコントローラ400によって参照され得る。制御部200は、第1バッテリーパック110が第2静電力で充電中にあるとき、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120との電圧差を周期的に算出できる。もし、第1バッテリーパック110が第2静電力で充電中にあるとき、第1バッテリーパック110の電圧が第2バッテリーパック120の電圧よりも小さければ、制御部200は、第1スイッチSW1をターンオンし続け、第2スイッチSW2はターンオフし続け得る。
もし、第1バッテリーパック110が第2静電力で充電中にあるとき、第1バッテリーパック110の電圧が第2バッテリーパック120の電圧以上であり、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120との電圧差が第2臨界電圧よりも小さくなれば、制御部200は、図3に示したように第2スイッチSW2をターンオンし得る。または、第1バッテリーパック110が第2静電力で充電中にあるとき、第1バッテリーパック110の電圧が第2バッテリーパック120の電圧以上であり、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120との電圧差が第2臨界電圧と同一になれば、制御部200は、図3に示したように、第2スイッチSW2をターンオンし得る。第2臨界電圧は、各バッテリーパックの内部抵抗及び充電電流による電圧降下(voltage drop)に対応する。第2臨界電圧は、第1臨界電圧と同一、または高いか低く予め決められたものであり得る。または、制御部200は、第2静電力で充電中にあるいずれか一つのバッテリーパック110(120)のSOHに基づいて、第2臨界電圧を決定することもできる。第2静電力で充電中にあるいずれか一つのバッテリーパックのSOHが低いほど、制御部200によって決められる第2臨界電圧は高くなり得る。例えば、第2静電力で充電中にあるいずれか一つのバッテリーパックのSOHが98%であれば、第2臨界電圧は3.0Vに決められ、SOHが96%であれば、第2臨界電圧は3.3Vに決められ得る。第2静電力で充電中にあるいずれか一つのバッテリーパックのSOHに応じて第2臨界電圧をルックアップできるルックアップテーブルがマスターコントローラ400のメモリーデバイスに保存され、マスターコントローラ400によって参照され得る。
もし、第1バッテリーパック110が第2静電力で充電中にあるとき、第1バッテリーパック110の電圧が第2バッテリーパック120の電圧よりも第2臨界電圧以上に高くなれば、制御部200は、電力変換システム30に第3命令を伝送するか、または第2命令の伝送を中断し得る。即ち、第3命令は、第1バッテリーパック110及び第2バッテリーパック120のいずれか一つが第2静電力で充電中にあるとき、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120との電圧差が第2臨界電圧と同一であるか、または大きくなる場合、制御部200から出力され得る。電力変換システム30は、第2静電力の供給中に制御部200から第3命令が伝送されるか、第2命令の伝送が中断される場合、第2静電力の供給を中断するように構成され得る。
制御部200は、電力変換システム30が第2静電力の供給を中断した時点から予め決められた安定化期間が経過した時点で、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120との電圧差が第1臨界電圧未満であるか否かを判定できる。安定化期間とは、各バッテリーパックが第2静電力で充電されるうちに発生する分極(Polarization)を除去するための期間である。もし、安定化期間が経過した時点における第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120との電圧差が第1臨界電圧未満であれば、制御部200は、第2スイッチSW2もターンオンする。これによって、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120とが、第1端子P+と第2端子P-との間で相互並列接続する。一方、安定化期間が経過した時点における第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120との電圧差が第1臨界電圧以上であれば、制御部200は、第1スイッチSW1までターンオフする。これによって、第1バッテリーパック110及び第2バッテリーパック120は全て、第1端子P+及び第2端子P-の少なくとも一つから電気的に分離される。
図5及び図6は、本発明の他の実施例によって第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120とを並列接続するための方法を示すフローチャートである。図5及び図6の各段階を「バランシング段階」と称し得る。後述するバランシング段階は、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120とが相互並列接続するときに突入電流が流れないようにするために、第1バッテリーパック110及び第2バッテリーパック120のいずれか一つを充電しながら、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2を順次にターンオンするためのことである。図5に示した方法は、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2がいずれもターンオフされているときに開始される。説明の便宜のために、図5に示した方法が開始される時点で、第1バッテリーパック110の電圧が第2バッテリーパック120の電圧よりも低いと仮定する。
図1~図6を参照すれば、段階S500において、制御部200は、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120との電圧差が第1臨界電圧未満であるか否かを判定する。一例で、第1バッテリーパック110の電圧が200Vであり、第2バッテリーパック120の電圧が202Vであり、第1臨界電圧が2.5Vである場合、段階S500の値は「はい」となる。他の例で、第1バッテリーパック110の電圧が200Vであり、第2バッテリーパック120の電圧が205Vであり、第1臨界電圧が2.5Vである場合、段階S500の値は「いいえ」になる。段階S500の値が「はい」であれば、段階S510へ進む。段階S500の値が「いいえ」であれば、段階S520へ進む。
段階S510において、制御部200は、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2を全てターンオンする。これは、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120とを相互電気的に並列接続するためである。
段階S520において、制御部200は、第1スイッチSW1をターンオンする。即ち、第2バッテリーパック120の電圧が第1バッテリーパック110の電圧よりも第1臨界電圧以上に高ければ、第1スイッチSW1がターンオンされる。この際、第2スイッチSW2は、ターンオフされた状態に維持される。これによって、第1バッテリーパック110は、第1端子P+と第2端子P-との間に供給される電力で充電可能な状態になる。
段階S530において、制御部200は、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120とのSOC差が臨界SOC未満であるか否かを判定する。一例で、第1バッテリーパック110のSOCが66%であり、第2バッテリーパック120のSOCが75%であり、臨界SOCが8%である場合、SOC差は9%となるので、段階S530の値は「いいえ」になる。他の例で、第1バッテリーパック110のSOCが70%であり、第2バッテリーパック120のSOCが75%であり、臨界SOCが8%である場合、SOC差は5%となるので、段階S530の値は「はい」となる。段階S530の値が「いいえ」であれば、段階S540へ進む。段階530の値が「はい」であれば、段階S550へ進む。
段階S540において、制御部200は、電力変換システム30に第1命令を伝送する。電力変換システム30は、第1命令に応じて、第1端子P+と第2端子P-との間に第1静電力を供給する。これによって、第1バッテリーパック110は第1静電力で充電できる。第1静電力は、予め決められた最大電力の第1割合に対応し得る。第1割合は、0より大きく、1より小さい値であり得る。例えば、最大電力が1000Wであり、第1割合が0.5である場合、第1静電力は500Wとなる。500Wの第1静電力が供給されるある時点における第1バッテリーパック110の電圧が300Vである場合、5/3Aの充電電流が第1バッテリーパック110へ流れ込むことで第1バッテリーパック110が充電される。
段階S550において、制御部200は、電力変換システム30に第2命令を伝送する。電力変換システム30は、第2命令に応じて、第1端子P+と第2端子P-との間に第2静電力を供給する。これによって、第1バッテリーパック110は第2静電力で充電される。第2静電力は、予め決められた最大電力の第2割合に対応し得る。第2割合は、0より大きく、1より小さい値であり得る。また、第2割合は、第1割合より小さい値であり得る。例えば、最大電力が1000Wであり、第2割合が第1割合よりも小さい0.1である場合、第2静電力は100Wとなる。100Wの第2静電力が供給されるある時点における第1バッテリーパック110の電圧が300Vである場合、1/3Aの充電電流が第1バッテリーパック110へ流れ込むことで、第1バッテリーパック110が充電される。したがって、当業者であれば、第2静電力が供給される場合、第1静電力が供給される場合よりも第1バッテリーパック110が相対的に遅く充電され、充電電流による電圧降下は減少することを容易に理解できるはずである。
段階S560において、制御部200は、第1バッテリーパック110の電圧が第2バッテリーパック120の電圧よりも低いか否かを判定する。段階S560の値が「はい」であれば、段階S550へ進む。段階S560の値が「いいえ」であれば、段階S570へ進む。
段階S570において、制御部200は、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120との電圧差が第2臨界電圧よりも大きいか否かを判定する。段階S570の値が「いいえ」であれば、段階S580へ進む。段階S570の値が「はい」であれば、段階S600へ進む。
段階S580において、制御部200は、第2スイッチSW2をターンオンする。第1スイッチSW1は、段階S520から既にターンオンされているので、段階S580によって第2スイッチSW2までターンオンされる時点から第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120とは、第1端子P+と第2端子P-との間で相互並列接続する。
段階S600において、制御部200は、電力変換システム30に第3命令を伝送する。電力変換システムは、第3命令に応じて、第2静電力の供給を中断する。段階S570の値が「はい」というのは、第2静電力が供給された期間に比べて第1バッテリーパック110の電圧が過度に速く高くなったことを意味する。これは、第1バッテリーパック110の電圧が実際に急激に高くなったか、または第1バッテリーパック110の電圧が誤って測定された可能性が高い状況である。したがって、制御部200は、第1バッテリーパック110の充電を一時的に中断させるために第3命令を伝送し得る。
段階S610において、制御部200は、第3命令が伝送された時点から安定化期間が経過したか否かを判定する。安定化期間の間、第1バッテリーパック110の電圧は、第1バッテリーパック110のSOCに対応する開放電圧に向けて次第に低くなる。段階S610の値が「はい」であれば、段階S620へ進む。
段階S620において、制御部200は、第1バッテリーパック110と第2バッテリーパック120との電圧差が第1臨界電圧未満であるか否かを判定する。段階S620の値が「はい」であれば、段階S580へ進む。段階S620の値が「いいえ」であれば、段階S630へ進む。
段階S630において、制御部200は、第1スイッチSW1をターンオフする。これによって、第1バッテリーパック110も、第1端子P+及び第2端子P-の少なくとも一つから電気的に分離される。段階S630が実行された時点後、段階S500が自動に再実行され得る。
図7は、本発明のさらに他の実施例によってバッテリー管理装置20を保護するための方法を示すフローチャートである。図7の方法は、図5及び図6のバランシング段階のうちいずれか一つの実行中に開始され得る。
図1~図7を参照すれば、段階S700において、制御部200は、電力変換システム30から第1通知信号が受信されたか否かを判定する。即ち、制御部200は、第1通知信号の受信有無を周期的にモニターし得る。第1通知信号は、停電などによって電力変換システム30に電気的に接続した電気系統からの電力供給が遮断されたことを示し得る。参照までに、電力変換システム30は、制御部200に第1通知信号を伝送した後、第1端子と第2端子との間に供給中である電力を0W(watt)に減少させる動作を開始し得る。段階S700の値が「はい」であれば、段階S710へ進む。
段階S710において、制御部200は、第1通知信号に応じて、バランシング段階を中断する。例えば、図5及び図6の段階S500~S630うち第1通知信号が受信された時点で実行中であるいずれか一つ(例えば、S530、S560、S580またはS610)を中断する。制御部200は、自分のメモリーデバイス内に、前記中断されたいずれか一つのバランシング段階を識別できるデータを保存し得る。
段階S720において、制御部200は、第1通知信号が受信された時点から予め決められた準備期間が経過したか否かを判定する。準備期間は、前記電力変換システム30のトラッキング期間以上である。例えば、準備期間は、トラッキング期間の二倍であり得る。トラッキング期間は、電力変換システム30が第1端子P+と第2端子P-との間に供給中である電力を0Wにまで減少させるのに要する最小時間を示す。段階S720の値が「はい」であれば、段階S730へ進む。段階S720の値が「いいえ」であれば、段階S760へ進む。
段階S730において、制御部200は、シャットダウン準備モードを実行し、シャットダウン準備モードで第1及び第2スレーブコントローラ310、320を用いて第1バッテリーパック110のパック電流及び第2バッテリーパック120のパック電流を各々測定する。即ち、シャットダウン準備モードは、第1バッテリーパック110のパック電流及び第2バッテリーパック120のパック電流を測定し、各パック電流が予め決められた電流範囲内にあるかを確認するためのモードであって、第1通知信号が受信された時点から予め決められた準備期間が経過した時点で実行され得る。
段階S740において、制御部200は、第1バッテリーパック110のパック電流及び第2バッテリーパック120のパック電流が予め決められた電流範囲内にあるか否かを判定する。電流範囲は、例えば、-1.5~+1.5Aであり得る。第1バッテリーパック110のパック電流が電流範囲内にあるということは、電力制御システムが正常に動作すること(即ち、供給電力が待機期間内に0Wに減少すること)によって、第1スイッチSW1をターンオフしても第1スイッチSW1が損傷しない状態であることを意味する。また、第2バッテリーパック120のパック電流が電流範囲内にあるということは、電力制御システムが正常に動作することによって、第2スイッチSW2をターンオフしても第2スイッチSW2が損傷しない状態であることを意味する。段階S740の値が「いいえ」であることは、第1バッテリーパック110のパック電流及び第2バッテリーパック120のパック電流の少なくとも一つが電流範囲から外れたことを意味する。段階S740の値が「はい」であれば、段階S750へ進む。段階S740の値が「いいえ」であれば、制御部200が電流診断モードを実行することで、段階S730へ戻る。即ち、電流診断モードは、第1バッテリーパック110のパック電流及び第2バッテリーパック120のパック電流が電流範囲内になるまで、第1バッテリーパック110のパック電流及び第2バッテリーパック120のパック電流を無期限監視するためのモードである。
段階S750において、制御部200は、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2をターンオフする。もし、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2のいずれか一つが既にターンオフされていると、制御部200は、他の一つのみをターンオフし得る。
段階S760において、制御部200は、電力変換システム30から第2通知信号が受信されたか否かを判定する。第2通知信号は、例えば、段階S710またはS720の実行中に受信され得る。第2通知信号は、復電などによって電気系統からの電力供給が再開したことを示し得る。段階S760の値が「はい」であれば、段階S770へ進む。段階S760の値が「いいえ」であれば、段階S720へ戻る。
一方、第1通知信号が受信された時点で第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2が既にターンオンされていると、制御部200は、電流診断モードの実行中に、電力変換システム30からの第2通知信号が受信される場合、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2をターンオン状態に維持し得る。
段階S770において、制御部200は、段階S710で中断されたいずれか一つのバランシング段階を再開する。第2通知信号は、復電などによって電気系統からの電力供給が再開したことを示し得る。例えば、段階S700において第1通知信号によってバランシング段階S530が中断された場合、制御部200は、メモリーデバイスに保存されたデータに基づいて段階S530が中断された状態であることを確認した後、段階S770においてバランシング段階S530を再開し得る。
以上で説明した本発明の実施例は、必ずしも装置及び方法を通じて具現されることではなく、本発明の実施例の構成に対応する機能を実現するプログラムまたはそのプログラムが記録された記録媒体を通じて具現され得、このような具現は、本発明が属する技術分野における専門家であれば、前述した実施例の記載から容易に具現できるはずである。
以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
また、上述の本発明は、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想から脱しない範囲内で多様な置換、変形及び変更が可能であるため、上述の実施例及び添付された図面によって限定されず、多様な変形が行われるように各実施例の全部または一部を選択的に組み合わせて構成可能である。
10 エネルギー貯蔵システム
20 バッテリー管理装置
30 電力変換システム
110 第1バッテリーパック
120 第2バッテリーパック
SW1 第1スイッチ
SW2 第2スイッチ
200 制御部
310 第1スレーブコントローラ
320 第2スレーブコントローラ
400 マスターコントローラ

Claims (9)

  1. 第1端子および第2端子を介して電力変換システムに接続するバッテリー管理装置であって、
    第1バッテリーパックと、
    第2バッテリーパックと、
    前記第1端子と前記第2端子との間で前記第1バッテリーパックと直列接続する第1スイッチと、
    前記第1端子と前記第2端子との間で前記第2バッテリーパックと直列接続する第2スイッチと、
    前記第1スイッチ及び前記第2スイッチに動作可能に結合した制御部と、を含み、
    前記制御部は、
    前記第1バッテリーパックと前記第2バッテリーパックとの並列接続のためのバランシング段階のうちいずれか一つの実行中に、前記電力変換システムからの第1通知信号が受信された時点から予め決められた準備期間が経過した時点でシャットダウン準備モードを実行し、前記シャットダウン準備モードで前記第1バッテリーパックのパック電流及び前記第2バッテリーパックのパック電流が予め決められた電流範囲内にあるか否かを判定し、
    前記第1バッテリーパックのパック電流及び前記第2バッテリーパックのパック電流が前記電流範囲内にあると判定された場合、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチをターンオフするように構成され、
    前記準備期間は、前記電力変換システムのトラッキング期間以上であり、
    前記トラッキング期間は、前記電力変換システムが前記第1端子と前記第2端子との間に供給中である電力を0Wまで減少させるのに要する最小時間である、バッテリー管理装置。
  2. 前記制御部は、
    前記第1通知信号が受信された時点から前記準備期間が経過する前に、前記電力変換システムからの第2通知信号が受信される場合、前記バランシング段階のうち前記第1通知信号が受信された時点で実行中であったいずれか一つのバランシング段階を再開するように構成される、請求項に記載のバッテリー管理装置。
  3. 前記制御部は、
    前記シャットダウン準備モードが実行された時点における前記第1バッテリーパックのパック電流及び前記第2バッテリーパックのパック電流の少なくとも一つが前記電流範囲から外れると判定された場合、前記第1バッテリーパックのパック電流及び前記第2バッテリーパックのパック電流の各々を無期限監視するための電流診断モードを実行するように構成される、請求項1又は2に記載のバッテリー管理装置。
  4. 前記制御部は、
    前記電流診断モードの実行中に、前記第1バッテリーパックのパック電流及び前記第2バッテリーパックのパック電流が前記電流範囲内になる場合、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチをターンオフするように構成される、請求項に記載のバッテリー管理装置。
  5. 前記制御部は、
    前記第1通知信号が受信された時点で前記第1スイッチ及び前記第2スイッチがターンオンされていたら、前記電流診断モードの実行中に前記電力変換システムからの第2通知信号が受信される場合、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチをターンオン状態に維持するように構成される、請求項3又は4に記載のバッテリー管理装置。
  6. 前記第1通知信号は、
    前記電力変換システムに電気的に接続した電気系統からの電力供給が遮断されたことを示す、請求項1~のいずれか一項に記載のバッテリー管理装置。
  7. 前記第2通知信号は、
    前記電力変換システムに電気的に接続した電気系統からの電力供給が再開したことを示す、請求項2又は5に記載のバッテリー管理装置。
  8. 請求項1から請求項のいずれか一項に記載のバッテリー管理装置と、
    前記第1端子及び前記第2端子を介いて前記バッテリー管理装置に接続する前記電力変換システムと、を含む、エネルギー貯蔵システム。
  9. 請求項1に記載の前記バッテリー管理装置を保護するためのバッテリー管理方法であって、
    前記第1バッテリーパックと前記第2バッテリーパックとの並列接続のためのバランシング段階のうちいずれか一つの実行中に、前記電力変換システムからの第1通知信号が受信された時点から前記準備期間が経過した時点で前記シャットダウン準備モードを実行する段階と、
    前記シャットダウン準備モードで前記第1バッテリーパックのパック電流及び前記第2バッテリーパックのパック電流が予め決められた電流範囲内にあるか否かを判定する段階と、
    前記第1バッテリーパックのパック電流及び前記第2バッテリーパックのパック電流が前記電流範囲内にあると判定された場合、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチをターンオフする段階と、を含み、
    前記準備期間は、前記電力変換システムのトラッキング期間以上であり、
    前記トラッキング期間は、前記電力変換システムが前記第1端子と前記第2端子との間に供給中である電力を0Wまで減少させるのに要する最小時間である、バッテリー管理方法。
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