KR101127898B1

KR101127898B1 - 셀 기반의 배터리 시스템 에뮬레이터

Info

Publication number: KR101127898B1
Application number: KR1020110137571A
Authority: KR
Inventors: 이태경; 정창모
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2012-03-21

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 배터리 시스템 에뮬레이터는, 요구되는 배터리 팩 전압을 만족하는 n개수의 셀을 멀티셀 기반으로 배터리를 모델링하여 셀 출력 전압값을 계산하는 멀티셀 배터리 모델 수행부와, 상기 계산된 셀 출력 전압값을 실제 BMS(Battery Management System)로 입력되는 물리적 셀 전압값으로 변환시켜주는 멀티셀 하드웨어 인터페이스부와, 상기 멀티셀 하드웨어 인터페이스부의 셀 출력 전압과 인터페이스되는 BMS 및 상기 멀티셀 배터리 모델 수행부의 계산된 셀 전압으로부터 요구되는 배터리 팩 전압을 실제 배터리의 물리적 전압값으로 모사해주는 배터리 팩 전압 모사장치를 포함함으로써, 실 부하 환경에서 셀기반으로 상호 동시에 실시간으로 배터리와 BMS를 개방형 구조로 에뮬레이션을 할 수 있는 배터리 시스템 에뮬레이터 기능 제공과 이에 따른 시스템차원에서의 배터리의 다양한 운용환경 요구조건을 반영하여 개발기간 단축 및 시험 비용 절감효과를 창출할 수 있다.

Description

셀 기반의 배터리 시스템 에뮬레이터{Cell based Battery System Emulator}

본 발명의 일실시예들은 배터리와 배터리 BMS으로 구성되는 배터리 시스템에 대하여 개방형 구조를 가지면서 셀 기반으로 배터리와 BMS를 통합 에뮬레이션할 수 있는 배터리 시스템의 에뮬레이터에 관한 것이다.

배터리는 모바일 환경에서 에너지를 저장하고 소요동력을 공급하는 에너지원으로 사용되고 있으나 배터리 자체의 전기화학적 비선형성 및 불안정 특성으로 인해 배터리 과충방전이나 가혹한 운용환경에서 셀 손상으로 인하여 폭발의 위험성을 내재하고 있다.

또한 온도 및 부하조건에 따라 방전율이 변하는 비선형적인 특성으로 인해 BMS를 통한 최적 충방전량, 부하특성 모니터링 및 배터리 열관리를 통해 배터리의 안정성을 확보를 위한 여러 가지 방법을 시도되고 있다.

이러한 배터리의 특성과 다양한 시스템의 상이한 요구조건으로 인하여 배터리가 포함된 시스템의 시험평가 및 특성분석에서는 선택적으로 배터리를 직접 사용하지 않고 실제 대상 배터리 특성을 반영한 배터리 팩 모델링 기반으로 모사하여 다양한 부하 조건에 따라 실제 배터리 팩 출력 전압을 모사해주는 배터리 에뮬레이터가 사용되고 있다.

기존의 이러한 배터리 에뮬레이터는 실제 물리적인 BMS(Battery Management System) 특성을 모사해주는 에뮬레이터 기능을 포함하지 않고, 단지 배터리 모델링 기반의 실제 배터리 팩 전압만을 모사하는 한계점을 갖고 있다.

따라서 배터리 에뮬레이터와 실시간으로 연동하여 실제 BMS 알고리즘과 관련된 BMS 인터페이스 제어 신호의 특성과 성능을 제대로 분석 및 검증을 할 수가 없다는 치명적인 문제점을 안고 있다.

더구나 기존의 BMS 에뮬레이터는 실제 대상 배터리의 전용 BMS 하드웨어를 요구하므로 다양한 요구사양과 환경조건에서 프로타입 ECU(Electronic Control Unit) 기반의 독립적인 BMS 알고리즘 개발에 큰 걸림돌로 작용하고 있다.

그러므로 범용 프로타입 ECU를 사용하여 BMS 알고리즘을 독립적으로 개발할 수 있는 개방형 구조의 BMS 에뮬레이터가 절실히 요구된다.

본 발명의 일 목적은 BMS 알고리즘 탑재부와 BMS 하드웨어 인터페이스 장치로 분리하고, 분리된 장치간의 인터페이스는 통신으로 연결하여 통신 인터페이스만 고려되는 범용 프로토타입 ECU를 사용하여 BMS 알고리즘을 독립적으로 개발 및 검증할 수 있는 개방형 구조의 BMS 에뮬레이터를 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 배터리 시스템 에뮬레이터는, 요구되는 배터리 팩 전압을 만족하는 n개수의 셀을 멀티셀 기반으로 배터리를 모델링하여 셀 출력 전압값을 계산하는 멀티셀 배터리 모델 수행부와, 상기 계산된 셀 출력 전압값을 실제 BMS(Battery Management System)로 입력되는 물리적 셀 전압값으로 변환시켜주는 멀티셀 하드웨어 인터페이스부와, 상기 멀티셀 하드웨어 인터페이스부의 셀 출력 전압과 인터페이스되는 BMS 및 상기 멀티셀 배터리 모델 수행부의 계산된 셀 전압으로부터 요구되는 배터리 팩 전압을 실제 배터리의 물리적 전압값으로 모사해주는 배터리 팩 전압 모사장치를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 멀티셀 배터리 모델 수행부의 셀 모델 외부 입력전류 변수는 배터리 팩 전압 모사장치의 실제 부하전류와 멀티셀 하드웨어 인터페이스부의 앰프단 출력단의 셀 밸런싱 전류로 이루어질 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 BMS는, 범용 ECU(Electronic Control Unit)를 사용하여 BMS 알고리즘을 독립적으로 구현이 가능하게 형성되는 BMS 알고리즘 탑재부 및 BMS 하드웨어 인터페이스부를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 BMS 하드웨어 인터페이스부와 상기 BMS 알고리즘 탑재부는, BMS 알고리즘을 독립적으로 구현하도록 절연 통신부 인터페이스에 의해 서로 연결되도록 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 배터리 팩 전압 모사장치는, 3상 교류 입력 전원의 절연 변압기, 양방향성의 AC-DC/DC-AC 전력변환기, 요구되는 직류 출력전압으로 조정해주는 DC-DC 전력변환기, 출력전압을 필터링 해주는 필터 및 상기 전력변환기를 제어해주는 통합제어기를 포함하여, 배터리 충방전 특성을 구현할 수 있도록 형성될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 배터리 시스템 에뮬레이터는, 실 부하 환경에서 셀기반으로 상호 동시에 실시간으로 배터리와 BMS를 개방형 구조로 에뮬레이션을 할 수 있는 배터리 시스템 에뮬레이터 기능 제공과 이에 따른 시스템차원에서의 배터리의 다양한 운용환경 요구조건을 반영하여 개발기간 단축 및 시험 비용 절감효과를 창출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 멀티셀 기반의 배터리 시스템 에뮬레이터 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된배터리 팩 전압모사 장치의 개념도.

이하, 본 발명에 관련된 배터리 시스템 에뮬레이터에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일?유사한 구성에 대해서는 동일?유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명은 BMS 알고리즘을 독립적으로 개발 및 검증 할 수 있는 개방형 구조의 BMS 에뮬레이터 구현과 BMS와 배터리가 상호 셀 기반으로 연동성을 가지면서 동시에에뮬레이션 할 수 있는 셀 기반의 배터리 시스템 에뮬레이터를 구현하고자 한다.

BMS 에뮬레이터는 BMS 알고리즘 탑재부와 BMS 하드웨어 인터페이스 장치로 분리되고, 분리된 장치간의 인터페이스는 통신으로 연결하여 통신 인터페이스만 고려되는 범용 프로토타입 ECU를 사용할 수 있도록 하여 BMS 알고리즘을 독립적으로 개발 및 검증을 할 수 있는 개방형 구조의 하드웨어 토폴로지를 특징으로 한다.

또한 배터리 실 부하를 포함하는 BMS 및 배터리 에뮬레이션 기능 구현을 위해 BMS 에뮬레이터 기능과 배터리 에뮬레이터 기능을 통합한 배터리 시스템 에뮬레이터는 BMS 알고리즘 탑재부, BMS 인터페이스부, 멀티셀 인터페이스부, 배터리 모델 수행부와 직류 전압모사 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 도시된 바와 같이, 배터리 시스템 에뮬레이터(100)는 요구되는 배터리 팩 전압을 만족하는 n개수의 셀을 멀티셀 기반으로 배터리를 모델링하여 셀 출력 전압값을 계산하는 멀티셀 배터리 모델 수행부(500)과, 상기 계산된 셀 출력 전압값을 실제 BMS(Battery Management System)로 입력되는 물리적 셀 전압값으로 변환시켜주는 멀티셀 하드웨어 인터페이스부(400)과, 상기 멀티셀 하드웨어 인터페이스부의 셀 출력 전압과 인터페이스되는 BMS(300) 및 상기 멀티셀 배터리 모델 수행부의 계산된 셀 전압으로부터 요구되는 배터리 팩 전압을 실제 배터리의 물리적 전압값으로 모사해주는 배터리 팩 전압 모사장치(200)를 포함한다.

여기서, BMS(300)는 범용 ECU를 사용하여 BMS 알고리즘을 독립적으로 구현하는 BMS 알고리즘 탑재부(310)와; BMS 하드웨어 인터페이스부(320)로 구분된다.

BMS 하드웨어 인터페이스부와 BMS 알고리즘 탑재부는 절연 통신부(321) 인터페이스로 분리하여; 독립적으로 BMS 알고리즘 기능을 쉽게 구현하는 개방형 구조를 가진다.

배터리 모델 수행부(500)는 배터리 모델을 셀 기반으로 모사할 수 있도록 형성된다.

그리고, 멀티셀 인터페이스부(400)는 배터리 모델 수행부의 셀 전압 출력값(502)을 실제적인 물리적인 값으로 BMS 하드웨어 인터페이스부에 입력시켜주도록 형성된다.

배터리 팩 전압 모사장치(200)는 셀기반의 배터리 모델 수행부로부터 멀티셀 전압 정보를 받아 배터리 팩 전압을 계산하고, 상기 계산된 배터리 팩 전압 기준값(101)으로 실제적인 출력 전압(206)을 발생시키도록 형성된다.

즉, 배터리 팩 전압 모사장치는, 3상 교류 입력 전원의 절연 변압기, 양방향성의 AC-DC/DC-AC 전력변환기, 요구되는 직류 출력전압으로 조정해주는 DC-DC 전력변환기, 출력전압을 필터링 해주는 필터 및 상기 전력변환기를 제어해주는 통합제어기를 포함하여, 배터리 충방전 특성을 구현할 수 있도록 형성된다.

상기 배터리 팩 전압 모사 장치는 교류 3상 상용 전원(201)을 입력받아 배터리 팩 출력전압(206)을 기준전압(101)으로 제어하고, 배터리 팩 전압 모사 장치의 배터리 출력전류(102)는 배터리 출력 전류센서(777)로 감지되고, 연결 부하에 대하여 충방전의 양방향성 특징을 가진다.

배터리 모델 수행부는 요구되는 배터리 팩전압을 만족시키도록 n개의 셀 모델(501)로 구성되며 셀 모델의 입력 변수는 일 예로, 배터리 팩(200)의 출력전류(102)와 각각의 해당 셀의 셀 밸런싱 전류(503)와 배터리 온도를 들 수 있다.

배터리 모델 수행부는 상기 셀 모델의 입력 변수를 이용하여 각각의 설정된 셀 모델링으로 부터 각각의 셀 전압을 출력(502)한다.

상기 배터리 모델 수행부(500)의 출력 셀 전압값(502)은 멀티셀 인터페이스부(400)로 입력되고 멀티셀 인터페이스부(400)의 앰프(401)는 실제 배터리 셀과 BMS간에 인터페이스가 가능하도록 실제 물리적인 셀 전압(402)으로 출력하는 것을 특징으로 한다.

상기 BMS 하드웨어 인터페이스부(320)에서 물리적 셀 출력전압(402)은 셀 인터페이스(323)로 입력되어 입출력 신호처리부(322)에서 A/D 변환되고, A/D 변환된 셀 전압값은 절연 통신부(321)를 거쳐 BMS 알고리즘 탑재부(310)로 전송된다.

상기 셀 밸런싱 회로(324)는 BMS 알고리즘 탑재부(310)로부터 해당 셀의 셀 밸런싱 명령이 절연 통신부(321)를 거쳐 입출력 신호처리부(322)의 해당 셀의 DI/O 포트로 전송되면 해당 셀의 셀 밸런싱 회로가 활성화되고, 멀티셀 하드웨어 인터페이스부(400)의 앰프(401)출력에 셀 밸런싱 전류(503)가 흐른다.

상기 셀 밸런싱 전류(503)는 BMS 알고리즘 탑재부(310)의 제어명령에 의해 활성화 또는 비활성화가 된고, 배터리 모델 수행부(500)의 셀 모델(501) 입력 변수로 사용된다.

본 발명은 BMS와 배터리를 통합한 에뮬레이터 기능을 제공하므로써 배터리 부하가 연결된 상태에서 전체 배터리 시스템 특성을 실시간으로 모사할 수 있는 것을 특징으로 한다.

여기서 언급되지 않은 상기 셀 단위 각각에 대하여 언급된 상기와 같은 방법으로 수행될 수 있음은 물론이다.

또한 통상적인 온도센싱, 열관리, 고장진단 관련 배터리 BMS의 인터페이스는 모든 배터리에 공통적으로 이미 널리 사용되고 있는 기술사상이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기와 같이 설명된 배터리 시스템 에뮬레이터는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims

요구되는 배터리 팩 전압을 만족하는 n개수의 셀을 멀티셀 기반으로 배터리를 모델링하여 셀 출력 전압값을 계산하는 멀티셀 배터리 모델 수행부;
상기 계산된 셀 출력 전압값을 실제 BMS(Battery Management System)로 입력되는 물리적 셀 전압값으로 변환시켜주는 멀티셀 하드웨어 인터페이스부;
상기 멀티셀 하드웨어 인터페이스부의 셀 출력 전압과 인터페이스되는 BMS; 및
상기 멀티셀 배터리 모델 수행부의 계산된 셀 전압으로부터 요구되는 배터리 팩 전압을 실제 배터리의 물리적 전압값으로 모사해주는 배터리 팩 전압 모사장치를 포함하는 배터리 시스템 에뮬레이터.
제1항에 있어서,
상기 멀티셀 배터리 모델 수행부의 셀 모델 외부 입력전류 변수는 배터리 팩 전압 모사장치의 실제 부하전류와 멀티셀 하드웨어 인터페이스부의 앰프단 출력단의 셀 밸런싱 전류인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 에뮬레이터.
제1항에 있어서,
상기 BMS는,
범용 ECU(Electronic Control Unit)를 사용하여 BMS 알고리즘을 독립적으로 구현이 가능하게 형성되는 BMS 알고리즘 탑재부; 및
BMS 하드웨어 인터페이스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 에뮬레이터.
제3항에 있어서,
상기 BMS 하드웨어 인터페이스부와 상기 BMS 알고리즘 탑재부는,
BMS 알고리즘을 독립적으로 구현하도록 절연 통신부 인터페이스에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 에뮬레이터.
제1항에 있어서,
상기 배터리 팩 전압 모사장치는,
3상 교류 입력 전원의 절연 변압기, 양방향성의 AC-DC/DC-AC 전력변환기, 요구되는 직류 출력전압으로 조정해주는 DC-DC 전력변환기, 출력전압을 필터링 해주는 필터 및 상기 전력변환기를 제어해주는 통합제어기를 포함하여, 배터리 충방전 특성을 구현할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템 에뮬레이터.