KR101700805B1 - 배터리 시스템 및 이를 포함하는 전력 저장장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 외부 전원으로부터의 전원 공급이 끊어지거나, 외부 전원으로부터의 전원 공급이 원활하게 이루어지지 않더라도, 배터리 관리 장치로의 전원 공급이 안정적으로 이루어질 수 있도록 하는 배터리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템은, 외부 전원으로부터 전력을 공급받아 동작하는 마스터 BMS; 및 하나 이상의 배터리 셀을 구비하고, 상기 마스터 BMS로 공급되는 외부 전원의 공급 전력이 임계 전력값 이하인 경우 상기 마스터 BMS로 전력을 공급하는 배터리 어셈블리;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 시스템 및 이를 포함하는 전력 저장장치{Battery system and electric storage system including the same}
본 발명은 배터리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리 시스템을 관리하는 배터리 관리 장치로 전원 공급이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 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, 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 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
한편, 이러한 이차 전지는 단일의 배터리 셀로 사용되는 경우도 있지만, 고전압 및/또는 대용량의 전력 저장장치에 사용되기 위해 복수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 상태로 사용되는 경우가 많다. 또한, 복수의 배터리 셀 및 배터리 셀의 충방전 동작을 전반적으로 제어하는 배터리 관리 장치가 포함된 배터리 팩 내지 배터리 시스템의 형태로 사용되는 것이 일반적이다.
그리고, 이러한 배터리 시스템에 사용되는 배터리 팩 관리 장치는, 온도 센서, 전류 센서, 전압 센서 등을 이용하여 배터리의 상태를 모니터링하고, 이러한 모니터링 결과를 이용하여 잔존용량(State Of Charge: SOC) 또는 잔존수명(State Of Health: SOH)를 추정하거나 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하거나 고전압, 과전류, 저온, 고온 등으로부터 배터리를 보호하는 기능을 수행한다.
한편, 상술한 바와 같이, 근래에는 고출력 및/또는 대용량 전력 저장 장치에 대한 필요성이 높아지면서, 복수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 구성된 배터리 어셈블리를 계층적으로 제어하는 구조의 배터리 시스템이 널리 이용되고 있다. 즉, 이러한 배터리 시스템은, 복수의 배터리 어셈블리를 각각 제어하는 슬레이브 BMS와, 이러한 슬레이브 BMS를 통합 제어하는 마스터 BMS를 포함한다.
종래기술에 의하면, 이러한 구조를 갖는 배터리 시스템에서 상기 마스터 BMS는 외부 전원으로부터 전원을 공급받아 구동되는 것이 일반적이다. 즉, 상기 마스터 BMS는 내부의 배터리 셀 내지 배터리 어셈블리로부터 전원을 공급받아 구동되기 보다는 별도로 구비된 외부 전원으로부터 전원을 공급받는다.
그런데, 예기치 못한 상황이 발생하여, 외부 전원으로부터 마스터 BMS로 공급되는 전원 공급이 중단되거나, 외부 전원으로부터 마스터 BMS로 공급되는 전원이 소정 크기 이하로 떨어지는 등 전원 공급이 원활하게 이루어지지 않는 경우가 발생할 수 있다. 이로 인해, 배터리 시스템을 통합 관리하는 마스터 BMS의 동작이 중단되거나, 마스터 BMS가 제대로 동작하지 못하게 될 우려가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 외부 전원이 배터리 관리 장치로 전원을 공급할 수 없거나, 외부 전원이 배터리 관리 장치로 원활하게 전원을 공급하지 못하더라도, 배터리 관리 장치로 전원 공급이 안정적으로 이루어질 수 있도록 하는 배터리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
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 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 시스템은, 외부 전원으로부터 전력을 공급받아 동작하는 마스터 BMS; 및 하나 이상의 배터리 셀을 구비하고, 상기 마스터 BMS로 공급되는 외부 전원의 공급 전력이 임계 전력값 이하인 경우 상기 마스터 BMS로 전력을 공급하는 배터리 어셈블리;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 어셈블리는, 상기 마스터 BMS로 공급되는 외부 전원의 공급 전압이 임계 전압값 이하인 경우 상기 마스터 BMS로 전력을 공급할 수 있다.
상기 배터리 시스템은, 상기 마스터 BMS와 상기 외부 전원 사이에 형성된 노드인 공통 노드; 상기 공통 노드와 상기 마스터 BMS를 연결하는 공통 선로; 상기 외부 전원과 상기 공통 노드를 연결하는 주전력 공급 선로; 및 상기 배터리 어셈블리와 상기 공통 노드를 연결하는 보조전력 공급 선로;를 더 포함하고, 상기 주전력 공급 선로 상에는, 상기 외부 전원으로부터 상기 공통 노드 방향으로 전류를 흐르게 하는 주전력 다이오드가 구비되고, 상기 보조전력 공급 선로 상에는, 상기 배터리 어셈블리로부터 상기 공통 노드 방향으로 전류를 흐르게 하는 보조전력 다이오드가 구비될 수 있다.
상기 배터리 어셈블리와 상기 보조전력 공급 선로는 절연 변압기를 매개로 전기적으로 커플링될 수 있다.
상기 절연 변압기는, 상기 배터리 어셈블리의 전압을 스케일링하여 스케일링된 전압을 상기 보조전력 공급 선로로 인가할 수 있다.
상기 배터리 어셈블리는, n개 구비되되, 상기 n은 2 이상의 자연수이고,
상기 n개의 배터리 어셈블리들 중 양단 전압값이 최대인 배터리 어셈블리가 상기 마스터 BMS로 전력을 공급할 수 있다.
상기 배터리 시스템은, 상기 마스터 BMS와 상기 외부 전원 사이에 형성된 노드인 공통 노드; 상기 공통 노드와 상기 마스터 BMS를 연결하는 공통 선로; 상기 외부 전원과 상기 공통 노드를 연결하는 주전력 공급 선로; 및 상기 각각의 배터리 어셈블리와 상기 공통 노드를 각각 연결하는 n개의 보조전력 공급 선로;를 더 포함하고, 상기 주전력 공급 선로 상에는, 상기 외부 전원으로부터 상기 공통 노드 방향으로 전류를 흐르게 하는 주전력 다이오드가 구비되고, 상기 각각의 보조전력 공급 선로 상에는, 상기 각각의 배터리 어셈블리로부터 상기 공통 노드 방향으로 전류를 흐르게 하는 보조전력 다이오드가 구비될 수 있다.
상기 각각의 배터리 어셈블리와 상기 각각의 보조전력 공급 선로는 절연 변압기를 매개로 전기적으로 커플링될 수 있다.
상기 절연 변압기는, 상기 배터리 어셈블리의 전압을 스케일링하여 스케일링된 전압을 상기 보조전력 공급 선로로 인가할 수 있다.
상기 배터리 시스템은, 상기 마스터 BMS로부터 제어 신호를 전송받는 슬레이브 BMS를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 전력 저장장치는, 상술한 배터리 시스템을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 자동차는, 상술한 배터리 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 외부 전원으로부터 마스터 BMS로 전원 공급이 중단되거나, 전원 공급이 원활하게 이루어지지 않더라도, 마스터 BMS는 배터리 어셈블리로부터 전원을 공급받아 동작 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 마스터 BMS는, 외부 전원으로부터의 전원 공급이 원활하게 이루어지지 않을 경우, 배터리 어셈블리로부터 전원을 공급받되, 다수의 배터리 어셈블리 중 높은 전압 상태를 유지하고 있는 배터리 어셈블리로부터 전원을 공급받을 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 의하면, 마스터 BMS로의 전원 공급과 동시에 배터리 어셈블리 간의 전압 밸런싱이 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 전원 공급은, 별도의 관리 장치를 통한 제어 동작에 의해 수행되는 것이 아니라, 주전력 공급 선로 및 보조전력 공급 선로에 각각 설치된 주전력 다이오드 및 보조전력 다이오드에 의해 자동적으로 이루어지므로, 보조전력 공급 및 밸런싱을 위한 별도의 제어 동작 및 제어 구성이 필요하지 않다.
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 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 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 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템은, 배터리 어셈블리(300), 슬레이브 BMS(200) 및 마스터 BMS(100)를 포함한다.
상기 배터리 어셈블리(300)는, 하나 이상의 배터리 셀(B)을 구비한다. 즉, 상기 배터리 어셈블리(300)는, 단일의 배터리 셀(B) 또는 배터리 셀(B)의 집합체를 의미하며, 상기 배터리 셀(B)의 집합체는, 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결된 복수의 배터리 셀(B)로 구성될 수 있다.
또한, 상기 배터리 어셈블리(300)는, 후술할 마스터 BMS(100)로 전력을 공급할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 배터리 어셈블리(300)는, 마스터 BMS(100)로 공급되는 외부 전원(400)의 공급 전력이 임계 전력값 이하인 경우, 마스터 BMS(100)로 전력을 공급할 수 있다. 여기서, 상기 임계 전력값은 미리 설정될 수도 있고, 유동적으로 변경될 수도 있다. 또한, 상기 임계 전력값은, 마스터 BMS(100)가 최소한의 유지 동작을 할 수 있을 정도의 전력값으로 설정될 수 있다. 이를 통해, 마스터 BMS(100)는, 외부 전원(400)이 전원을 정상적으로 공급하지 못하는 경우에도, 최소한의 유지 동작을 수행하거나, 정상적인 종료 절차를 수행할 수 있다.
상기 슬레이브 BMS(200)는, 상기 배터리 어셈블리(300) 내지 상기 배터리 어셈블리(300)에 구비된 배터리 셀(B)을 관리할 수 있다. 즉, 상기 슬레이브 BMS(200)는, 자신이 담당하는 배터리 어셈블리(300)와 전기적으로 연결되어 자신이 담당하는 배터리 어셈블리(300)의 상태를 모니터링하고 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 슬레이브 BMS(200)의 제어 기능은 전기적 특성값 측정, 충방전 제어, 평활화 제어 등을 포함하며, 알려진 기술상식을 바탕으로 적용 가능한 다양한 제어 기능이 더 포함될 수 있다.
또한, 상기 슬레이브 BMS(200)는, 마스터 BMS(100)의 제어에 따라 자신이 담당하는 배터리 어셈블리(300)를 제어할 수 있으며, 이때, 슬레이브 BMS(200)는 마스터 BMS(100)로부터 제어 신호를 전송받을 수 있다. 또한, 슬레이브 BMS(200)는 자신이 담당하는 배터리 어셈블리(300)에 대한 모니터링 결과 등을 마스터 BMS(100)로 전송할 수 있다. 그리고, 상기 모니터링 결과 등은, 마스터 BMS(100)가 제어 동작을 수행하는데 사용될 수 있다.
상기 마스터 BMS(100)는, 상기 하나 이상의 슬레이브 BMS(200)를 통합 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 마스터 BMS(100)는, 각각의 슬레이브 BMS(200)와 통신 연결되어 슬레이브 BMS(200)로 제어 신호를 전송할 수 있으며, 슬레이브 BMS(200)로부터 다양한 정보를 전송받을 수 있다. 이를 위해, 마스터 BMS(100)와 각각의 슬레이브 BMS(200) 사이에는 통신망(C)이 형성될 수 있다.
상기 마스터 BMS(100)는, 외부 전원(400)으로부터 전력을 공급받아 동작할 수 있다. 또한, 상기 마스터 BMS(100)는, 배터리 어셈블리(300)로부터 전력을 공급받을 수도 있다. 이때, 상기 마스터 BMS(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 주전력 공급 선로(700)를 통해 외부 전원(400)으로부터 전력을 공급받을 수 있고, 보조전력 공급 선로(800)를 통해 배터리 어셈블리(300)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 마스터 BMS(100)는, 외부 전원(400)으로부터 공급되는 공급 전력이 임계 전력값 이하인 경우, 배터리 어셈블리(300)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 다시 말해, 상기 마스터 BMS(100)는, 외부 전원(400)을 주된 전력 공급원으로 사용하되, 외부 전원(400)으로부터의 전원 공급이 중단되거나 외부 전원(400)으로부터 전원 공급이 원활하게 이루어지지 않을 경우, 보조 전력 공급원인 배터리 어셈블리(300)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
일 예로, 상기 마스터 BMS(100)가 외부 전원(400)으로부터 전원을 공급받을지 배터리 어셈블리(300)부터 전력을 공급받을지는 전압을 기준으로 결정될 수 있다. 즉, 마스터 BMS(100)로 공급되는 외부 전원(400)의 공급 전압이 임계 전압값 이하인 경우, 마스터 BMS(100)는 배터리 어셈블리(300)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 바꾸어 말해, 배터리 어셈블리(300)는, 마스터 BMS(100)로 공급되는 외부 전원(400)의 공급 전압이 임계 전압값 이하인 경우 마스터 BMS(100)로 전력을 공급할 수 있다. 한편, 여기서, 임계 전압값은 미리 설정될 수도 있고, 유동적으로 변경될 수도 있다. 또한, 상기 임계 전압값은, 마스터 BMS(100)가 최소한의 유지 동작을 할 수 있을 정도의 전압값으로 설정될 수 있다.
도 2는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 시스템은, 마스터 BMS(100), 슬레이브 BMS(200) 및 배터리 어셈블리(300)를 포함한다.
또한, 도 2에 도시된 배터리 시스템은, 마스터 BMS(100)와 외부 전원(400) 사이에 형성된 공통 노드(500), 상기 공통 노드(500)와 상기 마스터 BMS(100)를 연결하는 공통 선로(600), 상기 외부 전원(400)과 상기 공통 노드(500)를 연결하는 주전력 공급 선로(700) 및 상기 배터리 어셈블리(300)와 상기 공통 노드(500)를 연결하는 보조전력 공급 선로(800)를 더 포함한다. 여기서, 상기 공통 노드(500)는, 주전력 공급 선로(700)와 보조전력 공급 선로(800)를 서로 연결하고, 공통 노드(500)로부터 분기된 공통 선로(600)를 통해 마스터 BMS(100)로 전력이 공급될 수 있도록 한다.
또한, 도 2에 도시된 배터리 시스템은, 각각의 선로에 대응되는 접지 선로(Lg) 및 접지 선로(Lg)와 연결된 접지(G)를 포함한다. 즉, 도 2에 도시된 배터리 시스템은, 공통 선로(600)에 대응되는 공통 접지 선로(600g), 주전력 공급 선로(700)에 대응되는 주전력 접지 선로(700g), 보조전력 공급 선로(800)에 대응되는 보조전력 접지 선로(800g)를 포함하며, 이러한 접지 선로(Lg)와 연결된 접지(G)를 포함한다.
그리고, 상기 주전력 공급 선로(700) 상에는, 주전력 다이오드(710)가 구비되고, 상기 보조전력 공급 선로(800) 상에는, 보조전력 다이오드(810)가 구비된다. 여기서, 주전력 다이오드(710) 및 보조전력 다이오드(810)는 각각 다이오드 소자로서, 전류를 일방향으로 흐르게 하는 기능을 가진다.
보다 구체적으로, 상기 주전력 다이오드(710)는, 외부 전원(400)으로부터 공통 노드(500) 방향으로 전류가 흐를 수 있도록 도 2에 도시된 형태로 배치될 수 있다. 또한, 상기 보조전력 다이오드(810)는, 배터리 어셈블리(300)로부터 공통 노드(500) 방향으로 전류가 흐를 수 있도록 도 2에 도시된 형태로 배치될 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 마스터 BMS(100)는, 주전력 공급 선로(700)를 통해 외부 전원(400)으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 이때, 전력은, 외부 전원(400)으로부터 공급되어 주전력 공급 선로(700), 공통 노드(500) 및 공통 선로(600)를 순차적으로 지나 마스터 BMS(100)로 공급될 수 있다.
또한, 상기 마스터 BMS(100)는, 보조전력 공급 선로(800)를 통해 배터리 어셈블리(300)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 이때, 전력은, 배터리 어셈블리(300)로부터 공급되어 보조전력 공급 선로(800), 공통 노드(500) 및 공통 선로(600)를 순차적으로 지나 마스터 BMS(100)로 공급될 수 있다.
본 발명의 다른 실시에에 따른 배터리 시스템에 따르면, 마스터 BMS(100)로 공급되는 외부 전원(400)의 공급 전압이 임계 전압값 이하인 경우, 배터리 어셈블리(300)로부터 전력이 공급된다. 여기서, 임계 전압값은, 배터리 어셈블리(300)의 양단 전압(Va)을 따르게 된다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 시스템의 경우, 주전력 공급 선로(700) 상에 주전력 다이오드(710)가 구비되고, 보조전력 공급 선로(800) 상에 보조전력 다이오드(810)가 구비되므로, 외부 전원(400)의 전압(보다 구체적으로는, 외부 전원(400)과 접지(G) 사이의 전위차)과 배터리 어셈블리(300)의 전압(보다 구체적으로는, 배터리 어셈블리(300)의 양단 전압(Va) 내지 배터리 어셈블리(300)의 고전위단과 접지(G) 사이의 전위차) 중 높은 전압을 갖는 전원이 마스터 BMS(100)로 전력을 공급하게 된다.
예를 들어, 외부 전원(400)이 공급하는 전압이 12V이고, 배터리 어셈블리(300)의 양단 전압이 6V라고 가정해 볼 수 있다. 이러한 상황에서는, 외부 전원(400)의 전압이 12V로 배터리 어셈블리(300)의 양단 전압보다 높기 때문에, 외부 전원(400)으로부터 전력이 공급된다. 즉, 12V의 전압을 갖는 외부 전원(400)으로부터 마스터 BMS(100)로 전력이 공급된다.
그런데, 예상치 못한 상황이 발생하여, 외부 전원(400)의 전압이 6V 아래로 떨어지게 되면(예를 들어, 4V), 외부 전원(400)의 전압 보다 배터리 어셈블리(300)의 양단 전압이 더 높기 때문에, 배터리 어셈블리(300)로부터 전력이 공급된다. 즉, 6V의 전압을 갖는 배터리 어셈블리(300)로부터 마스터 BMS(100)로 전력이 공급된다. 본 예시에서, 배터리 어셈블리(300)의 양단 전압인 6V가 임계 전압값이 된다.
상술한 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 시스템은, 배터리 어셈블리(300)의 양단 전압이 임계 전압값에 해당한다. 그런데, 임계 전압값에 맞추어 배터리 어셈블리(300)의 양단 전압을 조절하는 것은 곤란하다. 즉, 배터리 어셈블리(300)의 양단 전압과 임계 전압값이 달라질 수 있도록 구성될 필요가 있다.
이를 위해, 배터리 어셈블리(300)와 보조전력 공급 선로(800)는 변압기를 매개로 전기적으로 커플링될 수 있다.
도 3은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 시스템은, 도 2에 도시된 실시예와 마찬가지로, 마스터 BMS(100), 슬레이브 BMS(200) 및 배터리 어셈블리(300)를 포함한다. 또한, 마찬가지로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 시스템은, 마스터 BMS(100)와 외부 전원(400) 사이에 형성된 공통 노드(500), 상기 공통 노드(500)와 상기 마스터 BMS(100)를 연결하는 공통 선로(600), 상기 외부 전원(400)과 상기 공통 노드(500)를 연결하는 주전력 공급 선로(700) 및 상기 배터리 어셈블리(300)와 상기 공통 노드(500)를 연결하는 보조전력 공급 선로(800)를 더 포함한다. 또한, 도 3에 도시된 배터리 시스템은, 각각의 선로에 대응되는 접지 선로(Lg) 및 접지 선로(Lg)와 연결된 접지(G)를 포함한다.
그리고, 도 2에 도시된 실시예와 마찬가지로, 상기 주전력 공급 선로(700) 상에는, 상기 외부 전원(400)으로부터 상기 공통 노드(500) 방향으로 전류를 흐르게 하는 주전력 다이오드(710)가 구비되고, 상기 보조전력 공급 선로(800) 상에는, 상기 배터리 어셈블리(300)로부터 상기 공통 노드(500) 방향으로 전류를 흐르게 하는 보조전력 다이오드(810)가 구비된다.
상술한 바와 같이, 상기 마스터 BMS(100)는, 주전력 공급 선로(700)를 통해 외부 전원(400)으로부터 전력을 공급받을 수 있으며, 이때, 전력은, 외부 전원(400)으로부터 공급되어 주전력 공급 선로(700), 공통 노드(500) 및 공통 선로(600)를 순차적으로 지나 마스터 BMS(100)로 공급될 수 있다.
또한, 상기 마스터 BMS(100)는, 보조전력 공급 선로(800)를 통해 배터리 어셈블리(300)로부터 전력을 공급받을 수 있으며, 이때, 전력은, 배터리 어셈블리(300)로부터 공급되어 보조전력 공급 선로(800), 공통 노드(500) 및 공통 선로(600)를 순차적으로 지나 마스터 BMS(100)로 공급될 수 있다.
도 3에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 시스템과 도 2에 도시된 실시예의 차이점은, 배터리 어셈블리(300)와 보조전력 공급 선로(800) 사이에 절연 변압기(900)가 구비되는지 여부이다. 즉, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 시스템은, 배터리 어셈블리(300)와 보조전력 공급 선로(800) 사이에 절연 변압기(900)가 구비되어, 배터리 어셈블리(300)와 보조전력 공급 선로(800)가 절연 변압기(900)를 매개로 전기적으로 커플링되어 있다.
이때, 상기 절연 변압기(900)의 권선수는, 배터리 어셈블리(300)의 양단 전압이 원하는 임계 전압값으로 스케일링될 수 있도록 설정될 수 있다. 즉, 스케일링된 전압(Vs)은, 배터리 어셈블리(300)의 양단 전압과 절연 변압기(900)의 권선수에 따라 결정될 수 있다. 달리 표현하면, 배터리 어셈블리(300)의 양단 전압은 절연 변압기(900)에 의해 변압되어 변압된 전압(Vs)이 보조전력 공급 선로(800)에 인가될 수 있다. 즉, 이때, 보조전력 공급 선로(800)와 보조전력 접지 선로(800g) 사이의 전위차는 Vs가 된다.
예를 들어, 배터리 어셈블리(300)의 양단 전압이 24V인 경우로서, 원하는 임계 전압값이 6V이면, 절연 변압기(900)의 권선수는 4:1로 설정될 수 있다. 이와 같이 절연 변압기(900)를 사용함으로써, 배터리 어셈블리(300)의 양단 전압을 적절하게 스케일링하여 임계 전압값을 조절할 수 있다. 뿐만 아니라, 배터리 어셈블리(300)와 마스터 BMS(100) 사이의 절연 상태를 유지할 수 있으므로, 마스터 BMS(100)가 배터리 어셈블리(300)의 고전압으로부터 영향을 받아 오동작하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에서는 배터리 어셈블리(300)가 1개만 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 배터리 어셈블리(300)는 2개 이상이 구비될 수 있다.
도 4는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 시스템은, 도 3과 비교할 때, 배터리 어셈블리(300)가 2개 이상이 구비되어 있다. 즉, 도 4에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 시스템은 총 n개의 배터리 어셈블리(300-1 ~ 300-n)를 구비하고 있다. 여기서, n은 2이상의 자연수이며, 도 4에서는, n개의 배터리 어셈블리(300) 중 일부만이 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 시스템은, 도 2 및 도 3에 도시된 실시예와 마찬가지로, 마스터 BMS(100), 슬레이브 BMS(200) 및 배터리 어셈블리(300)를 포함한다. 다만, 도 4에 도시된 배터리 시스템은, n개의 배터리 어셈블리(300-1 ~ 300-n)와 상기 n개의 배터리 어셈블리(300-1 ~ 300-n)를 관리하는 n개의 슬레이브 BMS(200-1 ~ 200-n)를 포함하고 있다는 점에서 차이가 있다.
또한, 도 4에 도시된 배터리 시스템은, 마스터 BMS(100)와 외부 전원(400) 사이에 형성된 공통 노드(500), 상기 공통 노드(500)와 상기 마스터 BMS(100)를 연결하는 공통 선로(600), 상기 외부 전원(400)과 상기 공통 노드(500)를 연결하는 주전력 공급 선로(700) 및 상기 배터리 어셈블리(300)와 상기 공통 노드(500)를 연결하는 보조전력 공급 선로(800)를 더 포함한다. 여기서, 상기 보조전력 공급 선로(800)는 각각의 배터리 어셈블리(300)와 공통 노드(500)를 연결하는 구성이고, 도 4에 도시된 배터리 시스템은, n개의 배터리 어셈블리(300-1 ~ 300-n)를 포함하고 있으므로, 보조전력 공급 선로(800-1 ~ 800-n)는 n개 구비된다.
또한, 도 4에 도시된 배터리 시스템은, 각각의 선로에 대응되는 접지 선로(Lg) 및 접지 선로(Lg)와 연결된 접지(G)를 포함한다. 즉, 도 4에 도시된 배터리 시스템은, 공통 선로(600)에 대응되는 공통 접지 선로(600g), 주전력 공급 선로(700)에 대응되는 주전력 접지 선로(700g), 보조전력 공급 선로(800-1 ~ 800-n)에 대응되는 보조전력 접지 선로(800g-1 ~ 800g-n)를 포함하며, 이러한 접지 선로(Lg)와 연결된 접지(G)를 포함한다.
그리고, 도 2 및 도 3에 도시된 실시예와 마찬가지로, 상기 주전력 공급 선로(700) 상에는, 외부 전원(400)으로부터 공통 노드(500) 방향으로 전류를 흐르게 하는 주전력 다이오드(710)가 구비되고, 상기 보조전력 공급 선로(800-1 ~ 800-n) 상에는, 배터리 어셈블리(300)로부터 공통 노드(500) 방향으로 전류를 흐르게 하는 보조전력 다이오드(810-1 ~ 810-n)가 구비된다. 이때, 상기 보조전력 다이오드(810-1 ~ 810-n)는, 상기 각각의 보조전력 공급 선로(800-1 ~ 800-n) 상에 구비되므로, 총 n개 구비된다.
그리고, 도 4에 도시된 실시예에서, 각각의 배터리 어셈블리(300)와 각각의 보조전력 공급 선로(800-1 ~ 800-n)는 절연 변압기(900-1 ~ 900-n)를 매개로 전기적으로 커플링된다. 즉, 절연 변압기(900)가 n개 구비되어 각각의 배터리 어셈블리(300-1 ~ 300-n)의 양단 전압을 스케일링하고, 각각의 배터리 어셈블리(300-1 ~ 300-n)와 각각의 보조전력 공급 선로(800-1 ~ 800-n)를 전기적으로 절연시킨다.
도 4에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예 따른 배터리 시스템의 동작을 개괄적으로 살펴보면 다음과 같다.
상기 배터리 시스템에서, 외부 전원(400)의 공급 전압이 임계 전압값 이하로 떨어지면, 배터리 어셈블리(300)로부터 전력이 공급된다. 이때, n개의 배터리 어셈블리(300-1 ~ 300-n) 중 양단 전압값이 최대(보다 정확하게는, n개의 배터리 어셈블리(300-1 ~ 300-n)의 양단 전압이 스케일링된 전압값이 최대)인 배터리 어셈블리가 마스터 BMS(100)로 전력을 공급한다. 즉, 상기 임계 전압값은, 배터리 어셈블리의 양단 전압(Va1, ..., Vai, ..., Van)이 스케일링된 전압값들(Vs1, ..., Vsi, ..., Vsn) 중에서 최대인 값을 따르게 된다.
이때, n개의 배터리 어셈블리(300-1 ~ 300-n)는, 부하로의 전력 공급, 자연 방전 또는 외부 충전 장치에 의한 충전 등으로 인해 배터리 어셈블리의 양단 전압이 수시로 변경될 수 있다. 따라서, 상기 배터리 어셈블리(300)의 양단 전압(보다 정확하게는, n개의 배터리 어셈블리(300-1 ~ 300-n)의 양단 전압이 스케일링된 전압)이 최대인 배터리 어셈블리는 고정된 것이 아니라 수시로 변경될 수 있다. 이와 같이, 배터리 어셈블리의 양단 전압이 수시로 변경되는 경우, 상기 임계 전압값은, 변경되는 배터리 어셈블리의 양단 전압값을 따르게 된다. 즉, 보다 정확하게는, 상기 임계 전압값은, 변경되는 배터리 어셈블리의 양단 전압이 스케일링된 전압값들(Vs1, ..., Vsi, ..., Vsn) 중 최대인 값을 따르게 된다.
예를 들어, 도 4의 배터리 어셈블리(300)들에 각각 연결된 절연 변압기(900)의 권선수는 4:1로 모두 동일하고(즉, 스케일링 비율이 동일), 상기 배터리 어셈블리(300-1 ~ 300-n)들의 전압은 대략 24V 를 유지한다고 가정해 볼 수 있다. 이 경우, 배터리 어셈블리의 양단 전압이 스케일링된 전압값은 대략 6V 를 유지하게 된다.
또한, 정상적인 상황에서, 외부 전원(400)의 공급 전압이 12V라고 가정할 수 있다. 이와 같이, 정상적인 상황에서는, 마스터 BMS(100)는 외부 전원(400)으로부터 전력을 공급받게 된다. 즉, 임계 전압값이 외부 전원(400)의 공급 전압 보다 낮으므로, 외부 전원(400)이 마스터 BMS(100)로 전력을 공급하게 된다. 이는 상술한 바와 같이, 주전력 공급 선로(700) 상에, 외부 전원(400)으로부터 공통 노드(500) 방향으로 전류를 흐르게 하는 주전력 다이오드(710)가 구비되고, 보조전력 공급 선로(800-1 ~ 800-n) 상에, 배터리 어셈블리(300-1 ~ 300-n)로부터 공통 노드(500) 방향으로 전류를 흐르게 하는 보조전력 다이오드(810-1 ~ 810-n)가 구비되어 있기 때문이다.
그런데, 예상치 못한 상황이 발생하여, 외부 전원(400)의 전압이 6V 아래로 떨어지게 되면(예를 들어, 4V), 외부 전원(400)의 전압 보다 배터리 어셈블리의 양단 전압이 스케일링된 전압이 더 높아지게 된다. 따라서, 배터리 어셈블리(300)로부터 마스터 BMS(100)로 전력이 공급되게 된다. 이때, 전력의 공급은, n개의 배터리 어셈블리(300-1 ~ 300-n)들 중에서, 양단 전압(보다 정확하게는, 배터리 어셈블리의 양단 전압이 스케일링된 전압)이 가장 높은 배터리 어셈블리에 의해 이루어진다. 예를 들어, 스케일링된 전압 중에서 제1 배터리 어셈블리(300-1)의 전압(Va1)이 스케일링된 전압(Vs1)이 최대인 경우에는 제1 배터리 어셈블리(300-1)로부터 마스터 BMS(100)로 전력이 공급된다. 이와 같은 전력 공급에 의해(또는 다른 원인에 의해), 제1 배터리 어셈블리(300-1)의 전압(Va1)이 강하하여, 더 이상 제1 배터리 어셈블리(300-1)의 전압(Va1)이 최대 전압이 아니게 될 수 있다. 그러면, 자동적으로, 가장 높은 전압을 갖는 배터리 어셈블리로부터 전력이 공급된다. 예를 들어, 제i 배터리 어셈블리(300-i)의 양단 전압(Vai)이 스케일링된 전압(Vsi)이 최대이면, 제i 배터리 어셈블리(300-i)로부터 마스터 BMS(100)로 전력이 공급되게 된다.
이러한 과정을 통해, 외부 전원(400)의 공급 전압이 임계 전압값 이하로 떨어지게 되더라도, 마스터 BMS(100)는, 배터리 어셈블리(300)로부터 전원을 공급 받아 동작을 유지하거나, 그 밖의 정상적인 종료 절차를 수행할 수 있다.
뿐만 아니라, 별도의 전압 측정 장치 및 연산 장치 없이도, 배터리 어셈블리(300) 간의 자동적인 전압 비교가 이루어지면서, 배터리 어셈블리들(300-1 ~ 300-n) 사이의 전압 밸런싱이 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상술한 배터리 시스템은, 다양한 전력 저장장치에 포함될 수 있다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상술한 배터리 시스템은 전기 자동차에 포함될 수 있다. 즉, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자동차는 상술한 배터리 시스템을 포함할 수 있다. 여기서, 전기 자동차는, 전기 에너지를 동력원으로 하는 운송 수단으로서, 전기 자동차 및 하이브리드 자동차를 포함한다.
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.
100: 마스터 BMS
200, 200-1 ~ 200-n: 슬레이브 BMS
300, 300-1 ~ 300-n: 배터리 어셈블리
B: 배터리 셀
400: 외부 전원
C: 통신망
500: 공통 노드
600: 공통 선로
700: 주전력 공급 선로
710: 주전력 다이오드
800, 800-1 ~ 800-n: 보조전력 공급 선로
810, 810-1 ~ 810-n: 보조전력 다이오드
900, 900-1 ~ 900-n: 절연 변압기
Lg: 접지 선로
G: 접지

Claims (12)

  1. 마스터 BMS;
    각각 하나 이상의 배터리 셀을 구비하는 복수의 배터리 어셈블리;
    상기 마스터 BMS와 외부 전원 사이에 형성된 노드인 공통 노드;
    상기 공통 노드와 상기 마스터 BMS를 연결하는 공통 선로;
    상기 외부 전원과 상기 공통 노드를 연결하는 주전력 공급 선로;
    상기 각각의 배터리 어셈블리를 상기 공통 노드에 연결하는 복수의 보조전력 공급 선로; 및
    상기 각각의 배터리 어셈블리가 상기 각각의 보조전력 공급 선로에 전기적으로 커플링되도록 매개하는 복수의 절연 변압기;를 포함하고,
    상기 복수의 배터리 어셈블리 중 어느 하나는, 상기 마스터 BMS로 공급되는 외부 전원의 공급 전압이 임계 전압값 이하인 경우, 상기 마스터 BMS로 전력을 공급하며,
    상기 임계 전압값은, 상기 복수의 배터리 어셈블리 중 어느 하나의 양단 전압이 상기 절연 변압기의 권선수에 따라 스케일링된 전압값인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 주전력 공급 선로 상에는, 상기 외부 전원으로부터 상기 공통 노드 방향으로 전류를 흐르게 하는 주전력 다이오드가 구비되고,
    상기 각각의 보조전력 공급 선로 상에는, 상기 복수의 배터리 어셈블리 중 어느 하나로부터 상기 공통 노드 방향으로 전류를 흐르게 하는 보조전력 다이오드가 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 절연 변압기는, 상기 복수의 배터리 어셈블리 중 어느 하나의 전압을 스케일링하여 스케일링된 전압을 상기 복수의 보조전력 공급 선로 중 어느 하나로 인가하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스터 BMS로 공급되는 상기 외부 전원의 공급 전압이 상기 임계 전압값 이하인 경우, 상기 복수의 배터리 어셈블리들 중 양단 전압값이 최대인 어느 한 배터리 어셈블리가 상기 마스터 BMS로 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.

  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 시스템은, 상기 마스터 BMS로부터 제어 신호를 전송받는 슬레이브 BMS를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  11. 제 1 항, 제 3 항, 제 5 항, 제 6 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 배터리 시스템을 포함하는 전력 저장장치.
  12. 제 1 항, 제 3 항, 제 5 항, 제 6 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 배터리 시스템을 포함하는 전기 자동차.
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