KR101893957B1 - 배터리 팩, 배터리 팩을 포함하는 장치, 및 배터리 팩의 관리 방법 - Google Patents

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Abstract

적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 및 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부를 포함하는 배터리 팩이 제공된다. 상기 배터리 관리부는 샘플링 주기(sampling period)마다 상기 배터리의 적어도 하나의 파라미터를 측정하여, 측정 데이터를 생성하는 측정부, 상기 적어도 하나의 파라미터에 대하여 정의되는 복수의 구간들에 대응하는 복수의 카운터들을 포함하고, 상기 측정 데이터가 포함되는 구간에 대응하는 카운터의 카운터 값을 증가시키도록 구성되는 제어부, 및 로깅 주기(logging period)마다 상기 복수의 구간들에 각각 대응하는 상기 복수의 카운터들의 카운터 값들을 미리 설정된 어드레스에 저장하는 저장부를 포함한다.

Description

배터리 팩, 배터리 팩을 포함하는 장치, 및 배터리 팩의 관리 방법{Battery pack, apparatus including battery pack, and method of managing battery pack}
본 발명은 배터리 팩, 배터리 팩을 포함하는 장치, 및 배터리 팩에 이력을 저장하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 메모리를 포함하는 배터리 팩, 상기 배터리 팩을 포함하는 장치, 및 상기 배터리 팩의 메모리에 이력을 저장하는 방법을 포함하는 상기 배터리 팩의 관리 방법에 관한 것이다.
배터리를 포함하는 장치들의 종류와 개수가 점점 증가하고 있다. 상용 전원을 사용하던 전동 드릴이나 청소기와 같은 가전 제품들도 배터리를 이용하여 휴대성을 확보하고 있다. 또한, 고유가로 인하여 배터리를 사용하는 전기 자동차도 점점 보급되고 있으며, 전력난으로 인하여 배터리를 이용한 에너지 저장 시스템이 산업 시설뿐만 아니라 일반 가정에도 설치되고 있다.
휴대폰이나 노트북과 같은 휴대용 전자기기에 비해 가전 제품, 전기 자동차, 에너지 저장 시스템의 수명은 대략 10년 이상으로 매우 길다. 그에 따라, 배터리의 수명도 길어져야 하며, 배터리는 적절히 관리되어야 한다. 배터리의 적절한 관리를 위해 배터리의 각종 파라미터들의 이력이 배터리 팩 내에 저장되어야 하지만, 배터리의 수명 동안의 이력을 저장할 수 있는 저장 용량이 확보되기 어렵고, 설령 큰 용량의 저장 장치가 있다고 하더라도 이로 인하여 제품의 단가가 크게 증가할 경우 시장성이 확보되지 않는다. 또한, 배터리 팩의 보증과 관련하여, 배터리의 이력은 배터리 팩 내에 저장되어야 한다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 배터리의 수명 동안의 이력을 저장할 수 있는 방법을 포함하는 배터리 팩의 관리 방법, 및 이를 채용한 배터리 팩, 및 상기 배터리 팩을 포함하는 장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 및 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부를 포함한다. 상기 배터리 관리부는 샘플링 주기(sampling period)마다 상기 배터리의 적어도 하나의 파라미터를 측정하여, 측정 데이터를 생성하는 측정부, 상기 적어도 하나의 파라미터에 대하여 정의되는 복수의 구간들에 대응하는 복수의 카운터들을 포함하고, 상기 측정 데이터가 포함되는 구간에 대응하는 카운터의 카운터 값을 증가시키도록 구성되는 제어부, 및 로깅 주기(logging period)마다 상기 복수의 구간들에 각각 대응하는 상기 복수의 카운터들의 카운터 값들을 미리 설정된 어드레스에 저장하는 저장부를 포함한다.
상기 배터리는 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함할 수 있따. 상기 배터리 관리부는 상기 샘플링 주기마다 상기 적어도 하나의 배터리 모듈의 상기 적어도 하나의 파라미터를 측정하여, 상기 측정 데이터를 생성하는 적어도 하나의 슬레이브 관리 유닛, 및 상기 적어도 하나의 슬레이브 관리부와 통신 가능하게 연결되고 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 마스터 관리 유닛를 포함할 수 있다. 상기 마스터 관리 유닛은 상기 복수의 카운터들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 슬레이브 관리 유닛으로부터 수신되는 상기 측정 데이터가 포함되는 구간에 대응하는 카운터의 카운터 값을 증가시키도록 구성되는 마이크로 컨트롤러, 및 상기 로깅 주기(logging period)마다 상기 복수의 구간들에 각각 대응하는 상기 복수의 카운터들의 카운터 값들을 미리 설정된 어드레스에 저장하는 비휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 적어도 하나의 배터리 셀 각각의 적어도 하나의 셀 전압, 상기 배터리의 적어도 하나의 온도, 상기 배터리의 충방전 전류 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 배터리는 복수의 배터리 셀들을 포함하는 복수의 배터리 모듈들을 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 배터리에 포함되는 상기 복수의 배터리 셀들 각각의 복수의 셀 전압들, 및 상기 배터리의 상기 복수의 배터리 모듈들 각각의 복수의 온도들을 포함할 수 있다.
상기 샘플링 주기는 0.1초 내지 1초의 범위 내에서 설정될 수 있다. 상기 로깅 주기는 0.1시간 내지 24시간의 범위 내에서 설정될 수 있다.
상기 카운터 값들 각각은 상기 저장부의 4byte의 공간에 저장될 수 있다.
상기 저장부는 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래시 메모리, FeRAM(ferroelectric RAM), MRAM(Magnetoresistive random-access memory), PRAM(Phase-change Memory)로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 비휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 측정 데이터를 기초로 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는 상기 카운터 값들을 모두 더한 총 카운터 값을 상기 샘플링 주기와 곱함으로써 상기 배터리의 총 사용 시간을 산출하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는 상기 카운터 값들을 기초로 상기 배터리의 잔존 수명을 예측하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는 미리 설정된 기본 수명 값으로부터 상기 적어도 하나의 파라미터 중 어느 하나의 파라미터에 대한 카운터 값들과 상기 어느 하나의 파라미터에 대해 정의되는 복수의 구간들에 대응하는 복수의 가중치들의 곱을 모두 감산함(subtract)으로써, 상기 배터리의 잔존 수명의 예측 값을 산출하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는 상기 저장부에 저장된 상기 카운터 값들을 기초로 상기 배터리 내의 불량 배터리 셀을 판별하도록 구성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 장치는 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 및 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부를 포함하는 배터리 팩을 포함한다. 상기 배터리 관리부는 샘플링 주기(sampling period)마다 상기 배터리의 적어도 하나의 파라미터를 측정하여, 측정 데이터를 생성하는 측정부, 상기 적어도 하나의 파라미터에 대하여 정의되는 복수의 구간들에 대응하는 복수의 카운터들을 포함하고, 상기 측정 데이터가 포함되는 구간에 대응하는 카운터의 카운터 값을 증가시키도록 구성되는 제어부, 및 로깅 주기(logging period)마다 상기 복수의 구간들에 각각 대응하는 상기 복수의 카운터들의 카운터 값들을 미리 설정된 어드레스에 저장하는 저장부를 포함한다.
상기 장치는 발전 시스템, 부하 및 계통 중 적어도 하나와 상기 배터리 팩 사이에 연결되고 상기 적어도 하나와 상기 배터리 팩 사이에 전기 에너지를 변환하는 전력 변환 장치를 포함하는 에너지 저장 장치일 수 있다.
상기 장치는 상기 배터리 팩, 및 상기 배터리 팩에 저장된 전기 에너지에 의해 구동되는 모터를 포함하는 전기 자동차일 수 있다.
상기 장치는 상기 배터리 팩, 및 상기 배터리 팩에 의해 구동되는 부하를 포함하는 전기 제품일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 및 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부를 포함하는 배터리 팩의 관리 방법에 따르면, 샘플링 주기마다 상기 배터리의 적어도 하나의 파라미터를 측정하여 측정 데이터가 생성된다. 상기 적어도 하나의 파라미터에 대하여 정의되는 복수의 구간들에 대응하는 복수의 카운터들을 포함하는 마이크로 컨트롤러에 의해, 상기 샘플링 주기마다 상기 복수의 카운터들 중에서 상기 측정 데이터가 포함되는 구간에 대응하는 카운터의 카운터 값이 증가된다. 상기 마이크로 컨트롤러에 의해, 로깅 주기(logging period)마다 상기 복수의 구간들에 각각 대응하는 상기 복수의 카운터들의 카운터 값들이 비휘발성 메모리 장치의 미리 설정된 어드레스들에 저장된다.
상기 배터리 관리부가 턴 온되면, 상기 비휘발성 메모리 장치의 상기 미리 설정된 어드레스들에 저장된 상기 카운터 값들이 상기 마이크로 컨트롤러의 상기 복수의 카운터들에 로딩될 수 있다.
상기 측정 데이터가 미리 설정된 정상 범위를 벗어나면, 경고가 발생되거나 상기 배터리의 충전 및 방전이 중단될 수 있다.
상기 카운터 값들을 기초로 상기 배터리의 총 사용 시간 또는 상기 배터리의 잔존 수명의 예측 값이 산출될 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 배터리 팩에 따르면 10년 이상 배터리의 다양한 특성에 관한 이력 정보가 저장될 수 있다. 장기간의 이력이 저장됨에도 이력을 저장하는 메모리의 공간은 최소화될 수 있다. 따라서, 큰 비용의 추가 없이 배터리 팩의 이력이 저장될 수 있다. 배터리 팩의 이력이 저장됨에 따라, 배터리 팩은 더욱 효과적으로 관리될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 2는 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 4a는 일 실시예에 따른 배터리 팩의 마이크로 컨트롤러의 카운터들 및 이들의 카운터 값들을 예시적으로 도시한다.
도 4b는 일 실시예에 따라 메모리 장치에 저장되는 도 4a의 카운터 값들을 예시적으로 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 장치의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 전기 자동차의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 전기 제품의 개략적인 블록도를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 아래에 제시되는 실시예들은 여러 다른 형태로 변형될 수 있고, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
첨부된 도면들을 설명하면서 유사한 구성요소에 대해 유사한 참조 부호를 사용한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 오로지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것이며, 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백히 다른 경우를 제외하고는 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 나열된 특징들의 존재를 특정하는 것이지, 하나 이상의 다른 특징들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서, 용어 "및/또는"은 열거된 특징들 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합들을 포함하기 위해 사용된다. 본 명세서에서, "제1", "제2" 등의 용어가 다양한 특징들을 설명하기 위하여 하나의 특징을 다른 특징과 구별하기 위한 의도로만 사용되며, 이러한 특징들은 이들 용어에 의해 한정되지 않는다. 아래의 설명에서 하나의 요소가 다른 요소 "상에" 위치한다고 기재되는 경우, 이는 하나의 요소가 다른 요소의 바로 위에 위치하는 경우뿐만 아니라, 하나의 요소와 다른 요소 사이에 또 다른 요소가 개재되는 경우를 모두 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(100)은 배터리(110) 및 배터리 관리부(120)를 포함한다. 배터리 관리부(120)는 측정부(130), 제어부(140) 및 저장부(150)를 포함한다.
배터리(110)는 전력을 저장하는 부분으로서, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함한다. 배터리(110)는 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결되는 복수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 배터리(110)에 포함되는 배터리 셀들의 개수는 요구되는 출력 전압에 따라서 결정될 수 있다. 배터리(110)는 단자들(101)에 연결되고, 방전 시에 단자들(101)을 통해 외부로 전기 에너지를 출력하고, 충전 시에 단자들(101)을 통해 입력되는 전기 에너지를 저장한다.
상기 배터리 셀은 충전가능한 이차 전지를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 배터리 셀은 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등을 포함할 수 있다.
배터리(110)는 복수의 배터리 모듈들로 구성될 수 있으며, 상기 배터리 모듈들은 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결되는 복수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다.
배터리 관리부(120)는 배터리(110)의 상태를 모니터링하고 배터리(110)의 충전 및 방전 동작을 포함하는 전반적인 동작을 제어한다. 배터리 관리부(120)는 배터리 관리 시스템(Battery Management System)으로 지칭될 수 있다.
배터리 관리부(120)는 배터리(110)의 적어도 하나의 파라미터, 예컨대, 셀 전압, 온도, 충전 및 방전 전류 등을 측정하고, 측정된 데이터들을 기초로 배터리(110)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다. 배터리 관리부(120)는 측정된 데이터들로부터 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, SOC) 등을 산출하거나, 배터리(110)에 이상이 발생하였는지를 판단할 수 있다. 예컨대, 과충전, 과방전, 과전류, 과전압, 과열, 배터리 셀 임밸런싱, 배터리 셀의 열화 등과 같은 이상이 발생하였는지를 판단할 수 있다. 이상이 발생한 경우, 배터리 관리부(120)는 내부의 알고리즘에 따라 정해진 동작을 수행할 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부(120)는 충전 스위치 및/또는 방전 스위치를 제어하거나, 퓨즈를 절단시킬 수 있다. 배터리 관리부(120)는 측정된 데이터들 및 미리 정해진 알고리즘에 따라서 배터리(110)의 배터리 셀들의 셀 밸런싱 동작을 제어할 수 있다.
측정부(130)는 샘플링 주기(sampling period)마다 배터리(110)의 적어도 하나의 파라미터를 측정하여, 측정 데이터를 생성한다. 상기 샘플링 주기는 배터리(110)의 상기 적어도 하나의 파라미터를 측정하는 시간 간격으로서, 요구에 따라 미리 설정될 수 있다. 배터리(110)의 상기 적어도 하나의 파라미터의 값이 변동이 클 경우, 상기 샘플링 주기는 짧게 설정될 수 있다. 반면에, 배터리(110)의 상기 적어도 하나의 파라미터의 값이 변동이 작거나 상대적으로 중요성이 낮은 경우에는, 상기 샘플링 주기는 길게 설정될 수 있다. 상기 샘플링 주기는 예컨대, 0.1초 내지 1초의 범위 내에서 설정될 수 있다. 예컨대, 상기 샘플링 주기는 0.25초로 설정될 수 있다.
상기 적어도 하나의 파라미터는 배터리(110) 내에 포함되는 배터리 셀들 각각의 셀 전압일 수 있다. 측정부(130)는 상기 셀 전압을 측정하기 위한 셀 전압 측정부를 포함할 수 있다. 상기 셀 전압 측정부는 단자들 및 상기 배터리 셀들 사이의 노드에 배선들을 통해 연결될 수 있다.
상기 적어도 하나의 파라미터는 배터리(110)의 온도일 수 있다. 측정부(130)는 상기 온도를 측정하기 위한 온도 측정부를 포함할 수 있다. 상기 온도 측정부는 온도 센서를 포함할 수 있다. 배터리(110) 내에 복수의 온도 센서들이 설치될 수 있다. 배터리(110)가 복수의 배터리 셀들 또는 복수의 배터리 모듈을 포함하는 경우, 배터리 셀들 또는 배터리 모듈들 각각에 온도 센서가 설치될 수 있다. 상기 배터리 모듈들 각각에 복수의 온도 센서가 설치될 수도 있다.
상기 적어도 하나의 파라미터는 배터리(110)의 충방전 전류일 수 있다. 측정부(130)는 상기 충방전 전류를 측정하기 위한 전류 측정부를 포함할 수 있다. 상기 전류 측정부는 전류 센서를 포함할 수 있다. 상기 전류 센서는 배터리(110)와 단자들(101) 사이에 설치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 파라미터는 셀 전압, 온도, 및 충방전 전류 중에서 선택되는 둘 이상의 파라미터를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 적어도 하나의 파라미터는 셀 전압과 온도를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 적어도 하나의 파라미터는 셀 전압, 온도 및 충방전 전류를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 파라미터는 상술된 예로 한정되지 않으며, 이력이 저장될 필요가 있는 다른 종류의 파라미터를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 적어도 하나의 파라미터는 단자 전압, 충전 및 방전의 횟수, 충전 시간, 방전 시간, 무방전 시간, 동작 시간 등을 포함할 수 있다.
측정부(130)는 상기 적어도 하나의 파라미터의 측정에 의해 생성되는 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(Analog-Digital Converter)를 포함할 수 있다. 측정부(130)는 상기 샘플링 주기 마다 상기 적어도 하나의 파라미터를 측정하고, 측정된 아날로그 값에 대응하는 디지털 값을 측정 데이터로서 생성한다.
제어부(140)는 복수의 카운터들을 포함한다. 상기 적어도 하나의 파라미터에 대하여 복수의 구간들이 정의된다. 예컨대, 상기 적어도 하나의 파라미터가 온도인 경우, 측정 가능한 온도의 범위를 복수의 구간들로 구분함으로써, 상기 복수의 구간들이 정의될 수 있다. 예컨대, 온도의 경우, 상기 복수의 구간들은 -20℃ 이하의 제1 구간, -20℃ 내지 0℃ 사이의 제2 구간, 0℃ 내지 20℃ 사이의 제3 구간, 20℃ 내지 30℃ 사이의 제4 구간, 30℃ 내지 5℃ 사이의 제5 구간, 50℃ 이상의 제6 구간을 포함할 수 있다. 예컨대, 셀 전압의 경우에도, 상기 복수의 구간들은 1.5V, 3V, 3.5V, 3.8V, 4.0V, 4.1V를 기준으로 총 7개의 구간을 포함할 수 있다. 이러한 구간들은 필요에 따라 다양하게 설계될 수 있다.
상기 복수의 카운터들은 상기 복수의 구간들에 대응한다. 상기 적어도 하나의 파라미터가 총 100개의 파라미터를 포함하고, 각각의 파라미터에 대하여 10개의 구간들이 정의되는 경우, 상기 카운터의 개수는 총 1000개이다.
제어부(140)는 측정부(130)에서 생성한 상기 측정 데이터를 수신할 수 있다. 제어부(140)는 상기 측정 데이터가 어느 구간에 포함되는 지를 판단하고, 상기 측정 데이터가 포함되는 구간에 대응하는 카운터의 카운터 값을 증가시키도록 구성된다. 예컨대, 상기 적어도 하나의 파라미터가 온도일 경우, 측정 데이터가 15℃일 경우, 제어부(140)는 위의 예에서, 상기 제3 구간에 대응하는 카운터의 값을 증가시킬 수 있다. 다음 샘플링 주기에 측정된 측정 데이터가 21℃일 경우, 제어부(140)는 위의 예에서, 상기 제4 구간에 대응하는 카운터의 값을 증가시킬 수 있다. 예컨대, 100번의 샘플링 주기에 걸쳐, 100개의 측정 데이터들이 모두 상기 제3 구간에 포함될 경우, 상기 제3 구간에 대응하는 카운터의 값은 100만큼 증가될 수 있다.
제어부(140)는 마이크로 컨트롤러로 구성될 수 있다. 상기 복수의 카운터들은 상기 마이크로 컨트롤러 내에 소프트웨어로서 구현될 수 있으며, 상기 복수의 카운터들의 카운터 값들은 상기 마이크로 컨트롤러 내의 임시 저장소에 저장될 수 있다. 상기 임시 저장소는 상기 마이크로 컨트롤러 내의 레지스터, SRAM(static random access memory) 또는 DRAM(dynamic random access memory)일 수 있다.
저장부(150)는 로깅 주기(logging period)마다 상기 복수의 구간들에 각각 대응하는 상기 복수의 카운터들의 카운터 값들을 미리 설정된 어드레스에 저장한다. 저장부(150)는 제어부(140)에 연결되며, EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래시 메모리, FeRAM(ferroelectric RAM), MRAM(Magnetoresistive random-access memory), PRAM(Phase-change Memory)로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 비휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다. 저장부(150)는 제어부(140)에 연결되는 EEPROM일 수 있다.
제어부(140)는 배터리 관리부(120)가 턴 오프될 경우, 상기 카운터들의 카운터 값들이 모두 삭제될 수 있다. 따라서, 제어부(140)는 로깅 주기마다 제어부(140)에 저장된 카운터 값들을 저장부(150)의 미리 설정된 어드레스에 저장될 수 있다. 배터리 관리부(120)가 턴 온되면, 제어부(140)는 저장부(150)에 저장된 카운터 값들을 독출하고, 독출된 카운터 값들에 대하여 측정 데이터에 대응하는 카운터 값을 다시 증가시킬 수 있다.
상기 로깅 주기는 0.1시간 내지 24시간의 범위 내에서 설정될 수 있다. 비휘발성 메모리 장치는 수명이 있다. 예컨대, EEPROM의 경우, 100만번의 재기록(rewrite)이 가능한 것으로 알려져 있다. 제어부(140)가 샘플링 주기마다 EEPROM에 카운터 값들을 저장할 경우, 샘플링 주기가 1초라고 하더라도, EEPROM은 열흘 정도밖에 사용할 수 없다. 제어부(140)는 내부의 임시 저장소에 로딩된 카운터 값들에 상기 적어도 하나의 파라미터의 이력을 저장하고, 상기 로깅 주기마다 저장부(150)에 상기 카운터 값들을 저장할 수 있다. 상기 로깅 주기는 저장부(150)의 수명 및 배터리 팩(100)의 용도에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 로깅 주기가 2시간으로 설정될 경우, EEPROM은 약 228년 간 사용될 수 있다.
상기 카운터 값들 각각은 저장부(150)의 4byte의 공간에 저장될 수 있다. 4byte의 공간에는 0 내지 4,294,967,295 범위 내의 카운터 값이 저장될 수 있다. 샘플링 주기가 0.25초로 설정될 경우, 10년간 카운터 값이 증가하더라도, 카운터 값은 1,261,440,000이다. 따라서, 4byte의 공간에는 약 34년 동안의 카운터 값이 저장될 수 있다. 샘플링 주기가 0.1초로 설정되더라도, 4byte의 공간에는 약 13.6년 동안의 카운터 값이 저장될 수 있다.
또한, 상술한 예와 같이, 총 100개의 파라미터에 대하여 이력을 저장할 경우, 각각의 파라미터에 대하여 10개의 구간들이 정의되더라도, 저장부(150)는 4kbyte보다 작은 공간만이 요구된다.
제어부(140)는 상기 측정 데이터를 기초로 배터리(110)의 충전 및 방전을 제어하도록 구성될 수 있다. 상기 측정 데이터가 충방전 전압에 대한 것일 경우, 제어부(140)는 미리 설정된 충전 상한치 및 방전 하한치를 기초로 상기 충방전 전압에 관한 상기 측정 데이터가 상기 충전 상한치보다 클 경우 충전을 중단하고, 상기 방전 하한치보다 작을 경우 방전을 중단할 수 있다. 상기 충전 상한치 및 상기 방전 하한치에 관한 정보는 상기 저장부(150)에 저장될 수 있다.
제어부(140)는 제어부(140)의 임시 저장소에 저장된 카운터 값들 또는 저장부(150)에 저장된 카운터 값들을 기초로 배터리 팩(100)의 총 사용 시간을 산출할 수 있다. 제어부(140)는 상기 적어도 하나의 파라미터 중 어느 하나의 파라미터에 대한 상기 카운터 값들을 모두 더하여 총 카운터 값을 산출하고, 상기 총 카운터 값을 상기 샘플링 주기와 곱하여, 배터리 팩(100)의 총 사용 시간을 산출할 수 있다. 예컨대, 제1 배터리 셀의 셀 전압에 대한 카운터 값들을 모두 합한 총 카운터 값이 126,144,000이고, 샘플링 주기가 0.25초로 설정된 경우, 배터리 팩(100)의 총 사용 시간은 315,634,000초이며, 이는 365일이다. 이와 같은 방식으로 제어부(140)는 상기 카운터 값들을 기초로 배터리 팩(100)의 총 사용 시간을 산출할 수 있다.
제어부(140)는 상기 카운터 값들을 기초로 배터리 팩(100)의 잔존 수명을 예측하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 제어부(140)는 미리 설정된 기본 수명 값으로부터 상기 적어도 하나의 파라미터 중 어느 하나의 파라미터에 대한 카운터 값들과 상기 어느 하나의 파라미터에 대해 정의되는 복수의 구간들에 대응하는 복수의 가중치들의 곱을 모두 감산함(subtract)으로써, 배터리(110)의 잔존 수명의 예측 값을 산출하도록 구성될 수 있다. 배터리(110)는 사용 환경에 따라 설계 수명보다 수명이 짧아지거나 길어질 수 있다.
예컨대, 배터리 팩(100)이 높은 온도의 환경에서 사용되는 경우, 상온의 환경에서 사용되는 경우보다 수명이 짧아진다. 예컨대, 50℃의 환경에서는 배터리(110)의 수명은 절반 이하로, 심지어 1/10로 감소된다. 저장부(150)에 저장된 카운터 값들은 배터리 팩(100)이 어떤 환경에서 사용되었는 지를 나타낸다. 따라서, 카운터 값들을 기초로 배터리(110)의 잔존 수명은 예측될 수 있다. 예컨대, 배터리 팩(100)의 셀 전압이 높은 전압에서 사용되는 경우 배터리(110)의 수명은 짧아질 수 있다. 다른 예로서, 배터리 팩(100)의 충방전 횟수가 많을 경우, 배터리(110)의 수명은 짧아질 수 있다.
기본 수명 값은 미리 설정될 수 있다. 상기 기본 수명 값은 최적의 환경에서 배터리 팩(100)이 사용되는 경우에 기대되는 수명이다. 예컨대, 상기 기본 수명 값은 15년으로 설정될 수 있으며, 이 기본 수명 값은 저장부(150)에 저장될 수 있다. 상술한 바와 같이, 배터리 팩(100)의 총 사용 시간은 상기 카운터 값들을 기초로 산출될 수 있다. 총 사용 시간이 5년일 경우, 잔존 수명은 10년으로 예측될 수 있다.
저장부(150)에는 사용 환경에 관한 이력 정보가 저장되므로, 상기 이력 정보를 기초로 더욱 정확하게 잔손 수명이 예측될 수 있다. 예컨대, 배터리 팩(100)이 20℃ 내지 30℃의 환경에서 3년간 사용되고, 30℃ 내지 50℃의 환경에서 1년간 사용되고, 50℃ 이상의 환경에서 1년간 사용될 수 있다. 20℃ 내지 30℃의 환경에서 사용된 기간에 대한 가중치는 1이고, 30℃ 내지 50℃의 환경에서 사용된 기간에 대한 가중치는 2이고, 50℃ 이상의 환경에서 사용된 기간에 대한 가중치는 5일 경우, 잔존 수명은 기본 수명 값에서 20℃ 내지 30℃의 환경에서 사용된 기간과 이에 대한 가중치의 곱을 감산하고, 30℃ 내지 50℃의 환경에서 사용된 기간과 이에 대한 가중치의 곱을 감산하고, 50℃ 이상의 환경에서 사용된 기간과 이에 대한 가중치의 곱을 감산함으로써 산출될 수 있다. 본 예에서, 잔존 수명은 5년으로 산출된다. 20℃ 내지 30℃의 환경에서 사용된 기간에 대한 가중치가 1이라는 것은 20℃ 내지 30℃의 환경에서 배터리(110)가 기본 수명 값만큼 사용될 수 있을 것으로 기대된다는 것을 의미한다. 30℃ 내지 50℃의 환경에서 사용된 기간에 대한 가중치가 2라는 것은 0℃ 내지 50℃의 환경에서 배터리(110)가 기본 수명 값의 절반만큼 사용될 수 있을 것으로 기대된다는 것을 의미한다. 50℃ 이상의 환경에서 사용된 기간에 대한 가중치는 5라는 것은 50℃ 이상의 환경에서 배터리(110)가 기본 수명 값의 1/5만큼 사용될 수 있을 것으로 기대된다는 것을 의미한다.
제어부(140)는 저장부(150)에 저장된 상기 카운터 값들을 기초로 배터리(110) 내의 불량 배터리 셀을 판별하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 저장부(150)에 셀 전압에 대한 이력 정보가 저장될 경우, 어느 배터리 셀의 셀 전압이 소정의 값보다 낮게 내려간 이력이 있다면, 상기 배터리 셀은 불량으로 처리될 수 있다. 제어부(140)는 불량 발생 여부만을 표시할 수 있으며, 이 경우 어느 배터리 셀에 어떤 불량이 발생한 것인지 알 수 없다. 그러나, 저장부(150)에 셀 전압에 대한 이력 정보가 저장되어 있으므로, 불량이 발생한 배터리 셀이 정확히 특정되고 새로운 배터리 셀로 교체될 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 2를 참조하면, 배터리 팩(200)은 배터리(210), 측정부(230), 마이크로 컨트롤러(240) 및 메모리 장치(250)를 포함한다.
배터리(210)는 복수의 배터리 셀들(211)을 포함한다. 예시적으로 배터리 셀들(211)이 직렬로 연결되는 것으로 도시되어 있지만, 배터리 셀들(211)은 요구에 따라서 직렬로 연결되거나, 병렬로 연결되거나, 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결될 수 있다. 또한, 배터리 셀들(211)의 개수는 요구되는 출력 전압에 따라서 결정될 수 있다. 양 끝에 위치하는 배터리 셀들(211)은 단자들(201)에 연결된다.
측정부(230)는 샘플링 주기(sampling period)마다 배터리(210)의 적어도 하나의 파라미터를 측정하여, 측정 데이터를 생성한다. 측정부(230)는 아날로그 프로트 엔드(analog front end, AFE)로 지칭될 수 있다. 상기 샘플링 주기는 예컨대, 0.1초 내지 1초의 범위 내에서 설정될 수 있다. 예컨대, 상기 샘플링 주기는 0.25초로 설정될 수 있다. 상기 적어도 하나의 파라미터는 배터리 셀들(211)의 셀 전압, 배터리(210)의 온도, 및 배터리(210)의 충방전 전류 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
측정부(230)는 상기 셀 전압을 측정하기 위한 셀 전압 측정부(231)를 포함한다. 셀 전압 측정부(231)는 단자들(201) 및 배터리 셀들(211) 사이의 노드로부터 연장되는 배선들에 연결될 수 있다. 셀 전압 측정부(231)는 셀 전압을 측정하고, 아날로그-디지털 컨버터를 이용하여 측정된 셀 전압을 셀 전압 데이터로 변환할 수 있다. 상기 셀 전압 데이터는 측정 데이터로서 마이크로 컨트롤러(240)에 제공될 수 있다.
측정부(230)는 배터리(210)의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(232) 및 온도 측정부(233)를 포함한다. 온도 센서(232)는 배터리(210)에 인접하게 설치될 수 있다. 측정부(230)는 복수의 온도 센서(232)를 포함할 수 있다. 온도 센서(232)는 온도에 따라 저항이 변하는 서미스터를 포함할 수 있다. 온도 측정부(233)는 온도 센서(232)에 연결되어, 온도 센서(232)에 의해 측정된 온도에 대응하는 아날로그 값을 온도 데이터로 변환할 수 있다. 상기 온도 데이터는 측정 데이터로서 마이크로 컨트롤러(240)에 제공될 수 있다.
측정부(230)는 상기 충방전 전류를 측정하기 위한 전류 센서(234) 및 전류 측정부(235)를 포함한다. 전류 센서(234)는 배터리(210)와 단자들(101) 사이의 대전류 경로에 설치되는 션트 또는 홀 센서일 수 있다. 전류 측정부(235)는 전류 센서(234)에 연결되어, 전류 센서(234)에 의해 측정된 전류에 대응하는 아날로그 값을 전류 데이터로 변환할 수 있다. 상기 전류 데이터는 측정 데이터로서 마이크로 컨트롤러(240)에 제공될 수 있다.
도 2에서 측정부(230)가 셀 전압 측정부(231), 온도 측정부(233) 및 전류 측정부(235)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 필요에 따라서 이들 중 적어도 하나는 생략될 수도 있다. 뿐만 아니라, 측정부(230)는 다른 종류의 파라미터를 측정하기 위해 다른 종류의 측정부를 더 포함할 수도 있다.
마이크로 컨트롤러(240)는 복수의 카운터들(241)을 포함한다. 카운터들(241)은 펌웨어와 같은 소프트웨어에 의해 마이크로 컨트롤러(240) 내에 정의될 수 있다. 카운터들(241) 각각의 카운터 값은 마이크로 컨트롤러(240)의 레지스터와 같은 임시 저장소에 임시로 저장될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 적어도 하나의 파라미터에 대하여 복수의 구간들이 정의되며, 복수의 카운터들(241)은 상기 복수의 구간들에 대응한다.
마이크로 컨트롤러(240)는 측정부(230)로부터 상기 측정 데이터를 수신하고, 상기 측정 데이터가 어느 구간에 포함되는 지를 판단하고, 상기 측정 데이터가 포함되는 구간에 대응하는 카운터(241)의 카운터 값을 증가시키도록 구성된다.
마이크로 컨트롤러(240)는 배터리(210)의 상태를 모니터링하고 배터리(210)의 충전 및 방전 동작을 포함하는 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 마이크로 컨트롤러(240)는 상기 측정 데이터를 기초로 배터리(210)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다. 마이크로 컨트롤러(240)는 측정된 데이터들로부터 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, SOC) 등을 산출하거나, 배터리(210)에 이상이 발생하였는지를 판단할 수 있다. 배터리(210)에 이상이 발생한 경우, 마이크로 컨트롤러(240)는 충전 스위치(261) 및/또는 방전 스위치(262)를 제어하거나, 퓨즈(263)를 절단시킬 수 있다. 상기 측정 데이터가 단자들(201) 사이의 단자 전압에 관한 단자 전압 데이터일 경우, 마이크로 컨트롤러(240)는 메모리 장치(250)에 저장된 충전 상한치 및 방전 하한치를 기초로 상기 단자 전압 데이터가 상기 충전 상한치보다 클 경우 충전을 중단하기 위해 충전 스위치(261)를 개방하고, 상기 단자 전압 데이터가 상기 방전 하한치보다 작을 경우 방전을 중단하기 위해 방전 스위치(262)를 개방할 수 있다. 상기 측정 데이터가 전류 데이터일 경우, 마이크로 컨트롤러(240)는 메모리 장치(250)에 저장된 과전류 기준치를 기초로 상기 전류 데이터가 상기 과전류 기준치보다 클 경우 배터리 팩(200)를 보호하기 위해 퓨즈(263)를 절단할 수 있다.
마이크로 컨트롤러(240)는 로깅 주기(logging period)마다 카운터들(241)의 상기 카운터 값들을 메모리 장치(250)의 미리 설정된 어드레스에 저장한다. 메모리 장치(250)는 예컨대, EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래시 메모리, FeRAM(ferroelectric RAM), MRAM(Magnetoresistive random-access memory), 및 PRAM(Phase-change Memory) 등과 같은 비휘발성 메모리 장치일 수 있다.
상기 로깅 주기는 0.1시간 내지 24시간의 범위 내에서 설정될 수 있다. 상기 로깅 주기는 예컨대, 2시간으로 설정될 수 있다. 상기 카운터 값들 각각은 메모리 장치(250)의 4byte의 공간에 저장될 수 있다.
마이크로 컨트롤러(240)는 카운터들(241)의 카운터 값들 또는 메모리 장치(250)에 저장된 카운터 값들을 기초로 배터리 팩(200)의 총 사용 시간을 산출할 수 있다. 또한, 마이크로 컨트롤러(240)는 상기 카운터 값들을 기초로 배터리 팩(200)의 잔존 수명을 예측하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 마이크로 컨트롤러(240)는 미리 설정된 기본 수명 값으로부터 상기 적어도 하나의 파라미터 중 어느 하나의 파라미터에 대한 카운터 값들과 상기 어느 하나의 파라미터에 대해 정의되는 복수의 구간들에 대응하는 복수의 가중치들의 곱을 모두 감산함(subtract)으로써, 배터리(210)의 잔존 수명의 예측 값을 산출하도록 구성될 수 있다. 마이크로 컨트롤러(240)는 메모리 장치(250)에 저장된 상기 카운터 값들을 기초로 배터리(210) 내의 불량 배터리 셀을 판별하도록 구성될 수 있다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 3을 참조하면, 배터리 팩(300)은 배터리(310), 슬레이브 BMS들(320), 및 마스터 BMS(330)를 포함한다. 배터리 팩(300)은 배터리 랙으로 지칭될 수 있으며, 슬레이브 BMS(320)는 트레이 BMS 또는 슬레이브 관리 유닛으로 지칭되고, 마스터 BMS(330)는 랙 BMS 또는 마스터 관리 유닛으로 지칭될 수 있다. 배터리 팩(300)은 슬레이브 BMS들(320)과 마스터 BMS(330) 간의 데이터 통신을 위한 버스 라인(340)를 더 포함할 수 있다.
배터리(310)는 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결될 수 있는 복수의 배터리 모듈들(310a-310n)을 포함한다. 배터리 모듈들(310a-310n) 각각은 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결될 수 있는 복수의 메모리 셀들(311)을 포함한다. 배터리(310)는 마스터 BMS(330)에 의해 충전 및 방전 동작이 제어될 수 있다. 배터리 모듈들(310a-310n)은 대응하는 슬레이브 BMS들(320a-320n)에 의해 각각 모니터링되고 제어될 수 있다.
슬레이브 BMS들(320a-320n) 각각은 대응하는 배터리 모듈들(310a-310n)의 충전 및 방전 동작을 제어할 수 있다. 또한, 슬레이브 BMS들(320a-320n)은 샘플링 주기마다 배터리 모듈들(310a-310n)의 적어도 하나의 파라미터를 측정하여, 측정 데이터를 생성하고, 상기 측정 데이터를 마스터 BMS(330)로 전송할 수 있다. 상기 샘플링 주기는 예컨대, 0.1초 내지 1초의 범위 내에서 설정될 수 있다. 예컨대, 상기 샘플링 주기는 0.25초로 설정될 수 있다. 상기 적어도 하나의 파라미터는 배터리 셀들(311)의 셀 전압, 배터리 모듈(310a-310n)의 온도, 및 배터리(310)의 충방전 전류 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들면, 슬레이브 BMS들(320a-320n)은 대응하는 배터리 모듈들(310a-310n)에 포함되는 배터리 셀들(311)의 셀 전압, 및 대응하는 배터리 모듈들(310a-310n)의 온도를 측정하고, 셀 전압 데이터 및 온도 데이터를 측정 데이터로서 마스터 BMS(330)로 전송할 수 있다.
버스 라인(340)은 마스터 BMS(330)와 슬레이브 BMS들(320a-320n) 사이에 데이터나 명령을 전송하는 경로이다. 마스터 BMS(330)와 슬레이브 BMS들(320a-320n) 사이의 통신 프로토콜로는 CAN 통신이 사용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 버스 라인을 사용하여 데이터나 명령을 전송하는 통신 프로토콜이라면 모두 적용될 수 있다.
마스터 BMS(330)는 버스 라인(340)을 통하여 슬레이브 BMS들(320a-320n)과 통신 가능하게 연결되고, 배터리(310)의 충전 및 방전 동작을 제어할 수 있다. 마스터 BMS(330)는 마이크로 컨트롤러(331) 및 마이크로 컨트롤러(331)에 연결되는 메모리 장치(333)를 포함할 수 있다.
마이크로 컨트롤러(331)는 펌웨어와 같은 소프트웨어에 의해 내부에 정의되는 복수의 카운터들(332)을 포함한다. 카운터들(332)의 카운터 값들은 마이크로 컨트롤러(331)의 레지스터에 임시로 저장될 수 있다. 상기 적어도 하나의 파라미터에 대하여 복수의 구간들이 정의될 수 있으며, 복수의 카운터들(332)은 상기 복수의 구간들에 대응한다.
마이크로 컨트롤러(331)는 슬레이브 BMS들(320a-320n)로부터 상기 측정 데이터를 수신하고, 상기 측정 데이터가 어느 구간에 포함되는 지를 판단하고, 상기 측정 데이터가 포함되는 구간에 대응하는 카운터(332)의 카운터 값을 증가시키도록 구성된다. 마이크로 컨트롤러(331)는 수신된 측정 데이터들로부터 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, SOC) 등을 산출하거나, 배터리(310)에 이상이 발생하였는지를 판단할 수 있다.
마이크로 컨트롤러(331)는 로깅 주기(logging period)마다 카운터들(332)의 상기 카운터 값들을 메모리 장치(333)의 미리 설정된 어드레스에 저장한다. 메모리 장치(333)는 예컨대, EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래시 메모리, FeRAM(ferroelectric RAM), MRAM(Magnetoresistive random-access memory), 및 PRAM(Phase-change Memory) 등과 같은 비휘발성 메모리 장치일 수 있다.
상기 로깅 주기는 0.1시간 내지 24시간의 범위 내에서 설정될 수 있다. 상기 로깅 주기는 예컨대, 2시간으로 설정될 수 있다. 상기 카운터 값들 각각은 메모리 장치(333)의 4byte의 공간에 저장될 수 있다.
마이크로 컨트롤러(331)는 상기 카운터 값들을 기초로 배터리 팩(300)의 총 사용 시간을 산출하도록 구성될 수 있다. 또한, 마이크로 컨트롤러(331)는 상기 카운터 값들을 기초로 배터리 팩(300)의 잔존 수명을 예측하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 마이크로 컨트롤러(331)는 미리 설정된 기본 수명 값으로부터 상기 적어도 하나의 파라미터 중 어느 하나의 파라미터에 대한 카운터 값들과 상기 어느 하나의 파라미터에 대해 정의되는 복수의 구간들에 대응하는 복수의 가중치들의 곱을 모두 감산함(subtract)으로써, 배터리(310)의 잔존 수명의 예측 값을 산출하도록 구성될 수 있다. 마이크로 컨트롤러(331)는 메모리 장치(333)에 저장된 상기 카운터 값들을 기초로 배터리(310) 내의 불량 배터리 셀을 판별하도록 구성될 수 있다.
도 4a는 일 실시예에 따른 배터리 팩의 마이크로 컨트롤러의 카운터들 및 이들의 카운터 값들을 예시적으로 도시한다.
도 2와 함께 도 4a를 참조하면, 마이크로 컨트롤러(240)는 소프트웨어로 형성되는 카운터들(241)을 포함한다. 카운터들(241)은 카운터 값들(242)을 갖는다. 카운터 값들(242)는 실제로 마이크로 컨트롤러(240) 내에 저장되는 16진수(hexadecimal)로 표시된 것이다. 각각의 카운터 값들(242)이 저장되는데 오직 4byte의 공간만이 필요하다. 카운터 값들(243)은 카운터 값들(242)을 십진수(decimal)로 표시한 것이다. 십진수로 표현되는 카운터 값들(243)은 마이크로 컨트롤러(240) 내에 저장되지 않는다. 카운터들(241)는 적어도 하나의 파라미터에 대해 정의되는 복수의 구간들에 대응되며, 카운터들(241)에 대한 설명은 설명(244)에 예시적으로 표시하였다.
도 4a의 실시예에서는 복수의 배터리 셀들의 셀 전압과 복수의 온도에 관한 이력을 저장하기 위한 방법이 제시된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 예시적으로, 제1 내지 제7 카운터는 제1 배터리 셀의 셀 전압에 관한 것이고, 제8 카운터 내지 제14 카운터는 제2 배터리 셀에 관한 것이다. 제257 카운터 내지 제262 카운터는 제1 온도에 관한 것이고, 제263 내지 제268 카운터는 제2 온도에 관한 것이다. 마이크로 컨트롤러(240)가 제1 내지 제256 배터리 셀의 셀 전압, 및 제1 내지 제32 온도의 이력을 저장할 경우, 마이크로 컨트롤러(240)는 1984개의 카운터를 포함할 수 있으며, 1984개의 카운터의 카운터 값들은 오직 8kbyte의 공간에도 충분히 저장될 수 있다. 총 288 종류의 파라미터에 대한 10년 이상 동안의 이력이 오직 8kbyte의 공간에 저장될 수 있다.
마이크로 컨트롤러(240)는 측정부(230)에 의해 측정된 제1 배터리 셀의 셀 전압이 0V 내지 1.5V 사이의 범위 내에 포함되는 경우 제1 카운터의 카운터 값을 증가시키게 된다. 마이크로 컨트롤러(240)는 측정부(230)에 의해 측정된 제1 배터리 셀의 셀 전압이 1.5V 내지 3.0V 사이의 범위 내에 포함되는 경우 제2 카운터의 카운터 값을 증가시키게 된다. 마이크로 컨트롤러(240)는 측정부(230)에 의해 측정된 제1 배터리 셀의 셀 전압이 3.0V 내지 3.5V 사이의 범위 내에 포함되는 경우 제3 카운터의 카운터 값을 증가시키게 된다. 마이크로 컨트롤러(240)는 측정부(230)에 의해 측정된 제1 배터리 셀의 셀 전압이 3.5V 내지 3.8V 사이의 범위 내에 포함되는 경우 제4 카운터의 카운터 값을 증가시키게 된다. 마이크로 컨트롤러(240)는 측정부(230)에 의해 측정된 제1 배터리 셀의 셀 전압이 3.8V 내지 4.0V 사이의 범위 내에 포함되는 경우 제5 카운터의 카운터 값을 증가시키게 된다. 마이크로 컨트롤러(240)는 측정부(230)에 의해 측정된 제1 배터리 셀의 셀 전압이 4.0V 내지 4.1V 사이의 범위 내에 포함되는 경우 제6 카운터의 카운터 값을 증가시키게 된다. 마이크로 컨트롤러(240)는 측정부(230)에 의해 측정된 제1 배터리 셀의 셀 전압이 4.1V 이상인 경우 제7 카운터의 카운터 값을 증가시키게 된다.
제8 카운터 내지 제14 카운터에 대해서도 제1 카운터 내지 제7 카운터와 유사하게, 마이크로 컨트롤러(240)는 측정부(230)에 의해 측정된 제2 배터리 셀의 셀 전압이 어느 구간에 포함되는 지에 따라 해당 카운터의 카운터 값을 증가시키게 된다.
마이크로 컨트롤러(240)는 측정부(230)에 의해 측정된 제1 온도가 -20℃ 미만인 경우 제257 카운터의 카운터 값을 증가시키게 된다. 마이크로 컨트롤러(240)는 측정부(230)에 의해 측정된 제1 온도가 -20℃ 내지 0℃ 사이의 범위 내에 포함되는 경우 제258 카운터의 카운터 값을 증가시키게 된다. 마이크로 컨트롤러(240)는 측정부(230)에 의해 측정된 제1 온도가 0℃ 내지 20℃ 사이의 범위 내에 포함되는 경우 제259 카운터의 카운터 값을 증가시키게 된다. 마이크로 컨트롤러(240)는 측정부(230)에 의해 측정된 제1 온도가 20℃ 내지 30℃ 사이의 범위 내에 포함되는 경우 제260 카운터의 카운터 값을 증가시키게 된다. 마이크로 컨트롤러(240)는 측정부(230)에 의해 측정된 제1 온도가 30℃ 내지 50℃ 사이의 범위 내에 포함되는 경우 제261 카운터의 카운터 값을 증가시키게 된다. 마이크로 컨트롤러(240)는 측정부(230)에 의해 측정된 제1 온도가 50℃ 이상인 경우 제262 카운터의 카운터 값을 증가시키게 된다.
제263 카운터 내지 제268 카운터에 대해서도 제257 카운터 내지 제261 카운터와 유사하게, 마이크로 컨트롤러(240)는 측정부(230)에 의해 측정된 제2 온도가 어느 구간에 포함되는 지에 따라 해당 카운터의 카운터 값을 증가시키게 된다.
도 4a의 카운터 값들(242)은 예시적으로 제시된 것이다. 본 예에서, 샘플링 주기는 0.25초로 설정되었다.
제3 카운터의 카운터 값은 십진수로 105024746이며, 이는 배터리 팩(200)의 제1 배터리 셀의 셀 전압이 3.0V 내지 3.5V 사이의 범위에 있던 기간이 약 303.9일이었음을 나타낸다. 제4 카운터의 카운터 값은 십진수로 255012588이며, 이는 배터리 팩(200)의 제1 배터리 셀의 셀 전압이 3.0V 내지 3.5V 사이의 범위에 있던 기간이 약 737.9일이었음을 나타낸다. 제5 카운터의 카운터 값은 십진수로 122510183이며, 이는 배터리 팩(200)의 제1 배터리 셀의 셀 전압이 3.0V 내지 3.5V 사이의 범위에 있던 기간이 약 354.5일이었음을 나타낸다. 제6 카운터의 카운터 값은 십진수로 9632945이며, 이는 배터리 팩(200)의 제1 배터리 셀의 셀 전압이 3.0V 내지 3.5V 사이의 범위에 있던 기간이 약 27.9일이었음을 나타낸다. 제7 카운터의 카운터 값은 십진수로 3842이며, 이는 배터리 팩(200)의 제1 배터리 셀의 셀 전압이 3.0V 내지 3.5V 사이의 범위에 있던 기간이 약 16분이었음을 나타낸다.
이러한 방식으로, 도 4a에 도시되는 표를 이용하여 제2 배터리 셀의 셀 전압의 이력, 제1 온도의 이력, 및 제2 온도의 이력은 파악될 수 있다.
마이크로 컨트롤러(240)는 카운터 값들(242)을 기초로 배터리 팩(200)의 총 사용 시간을 산출할 수 있다. 도 4a의 표에서, 제1 배터리 셀의 셀 전압과 제2 배터리 셀의 셀 전압에 대한 이력들은 동일 기간 동안 저장되었으므로, 제1 내지 제7 카운터 값들의 총 합은 제8 내지 제14 카운터 값들의 총 합과 동일해야 한다. 또한, 상기 총 합은 제257 내지 제262 카운터 값들의 합과도 동일해야 한다. 이 총 합을 기초로 총 사용 기간이 산출될 수 있다. 상기 총 합과 샘플링 주기를 곱한 값은 총 사용 기간에 대응한다. 본 예에서, 제263 내지 제268 카운터 값들의 총 합은 492184304이다. 배터리 팩(200)의 총 사용 기간은 123046076초이다. 즉, 총 사용 기간은 약 3.9년으로 산출된다.
마이크로 컨트롤러(240)는 카운터 값들(242)을 기초로 배터리 팩(200)의 잔존 수명을 예측하도록 구성될 수 있다. 마이크로 컨트롤러(240)는 배터리 팩(200)의 기본 수명으로부터 총 사용 기간을 감산함으로써 잔존 수명을 예측할 수 있다. 기본 수명이 15년인 경우, 본 예에서, 잔존 수명은 약 11.1년으로 예측될 수 있다.
배터리 팩(200)의 사용 환경은 배터리 팩(200)의 수명에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 특히 온도는 배터리 팩(200)의 수명에 큰 영향을 줄 수 있다. 예컨대, 상온에서 약 20년간 사용할 수 있는 배터리가 50℃ 이상의 온도에서는 약 2년간 사용될 수 있고, 30℃ 내지 50℃의 온도에서는 약 5년간 사용될 수 있다. 즉, 수명의 관점에서, 50℃ 이상의 온도에서 사용된 기간은 상온에서 사용된 기간의 10배만큼 가중되어 계산되어야 하고, 30℃ 내지 50℃의 온도에서 사용된 기간은 상온에서 사용된 기간의 4배만큼 가중되어 계산되어야 더욱 정확한 잔존 수명이 예측될 수 있다. 이러한 관점에서, 각 구간별로 가중치가 부여될 수 있다. 즉, -20℃ 미만의 온도 구간에 대해서는 제1 가중치(w1)이 부여되고, -20℃ 내지 0℃의 온도 구간에 대해서는 제2 가중치(w2)가 부여되고, 0℃ 내지 20℃의 온도 구간에 대해서는 제3 가중치(w3)가 부여되고, 20℃ 내지 30℃의 온도 구간에 대해서는 제4 가중치(w4)가 부여되고, 30℃ 내지 50℃의 온도 구간에 대해서는 제5 가중치(w5)가 부여되고, 50℃ 이상의 온도 구간에 대해서는 제6 가중치(w6)가 부여될 수 있다.
배터리 팩(200)의 사용 환경을 고려한 나이(age)는 각 온도 구간에서 사용된 시간과 각 온도 구간에 대응하는 가중치의 곱을 모두 가산함으로써 계산될 수 있다. 또한, 배터리 팩(200)의 잔존 수명은 기본 수명에서 상기 사용 환경을 고려한 나이를 감산함으로써 산출될 수 있다.
배터리 팩의 수명에 셀 전압, 충방전 전류, 충방전 횟수 등도 영향을 줄 수 있으며, 이들의 이력을 기초로 배터리 팩(200)의 잔존 수명이 예측될 수도 있다. 또한, 셀 전압, 충방전 전류 등의 이력에 대하여 가중치를 적용하여 잔존 수명이 더욱 정확하게 예측될 수 있다.
마이크로 컨트롤러(331)는 메모리 장치(333)에 저장된 상기 카운터 값들을 기초로 배터리(310) 내의 불량 배터리 셀을 판별하도록 구성될 수 있다. 상기 카운터 값들을 기초로, 제2 배터리 셀의 셀 전압이 총 153초 동안 1.5 V 내지 3.0V 사이의 구간에 포함되었음을 파악할 수 있다. 특정 배터리 셀이 3.0V 이하의 셀 전압이 발생한 경우, 불량 배터리 셀로 판별될 수 있다. 일부 예에 따르면, 마이크로 컨트롤러(331)는 셀 전압들을 기초로 불량이 발생하였음을 판별하면서도, 어느 배터리 셀에 불량이 발생하였는 지를 나타내지 못할 수 있다. 본 예에 따르면, 운용자는 카운터 값들을 기초로 어느 배터리 셀에 불량이 발생하였는 지를 판단할 수 있다.
도 4b는 일 실시예에 따라 메모리 장치에 저장되는 도 4a의 카운터 값들을 예시적으로 도시한다.
도 2와 함께 도 4b를 참조하면, 메모리 장치(250)는 데이터가 저장되는 메모리 셀들을 포함한다. 메모리 셀들에 데이터를 기입하거나 독출하기 위해서는 상기 메모리 셀들의 어드레스를 통해 액세스해야 한다. 메모리 장치(250)는 미리 설정된 어드레스에 도 4a의 카운터 값들을 저장할 수 있다.
상술한 바와 같이, 메모리 장치(250)는 재기입 횟수에 제한이 있기 때문에, 10년 이상의 장기간 동안 사용될 수 있기 위해서 액세스 횟수가 조절되어야 한다. 일 실시예에 따르면, 0.1시간 내지 24시간 내로 설정되는 로깅 주기마다 마이크로 컨트롤러(240)는 카운터 값들을 메모리 장치(250)의 미리 설정된 어드레스에 저장할 수 있다. 마이크로 컨트롤러(240)는 메모리 장치(250)의 어떤 어드레스에 어떤 카운터 값이 저장되었는 지에 관한 정보를 갖고 있다.
마이크로 컨트롤러(240)가 턴 오프되면, 저장하고 있는 카운터 값들이 모두 사라질 수 있다. 마이크로 컨트롤러(240)는 턴 온되면, 메모리 장치(250)에 저장된 카운터 값들을 로딩할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 장치의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 5를 참조하면, 에너지 저장 장치(500)는 발전 시스템(501) 및 계통(grid)(502)과 연계하여 부하(503)에 전력을 공급한다. 에너지 저장 장치(500)는 에너지 저장 시스템으로 지칭될 수 있다.
발전 시스템(501)은 에너지원으로부터 전력을 생산하는 시스템이다. 발전 시스템(501)은 생산한 전력을 에너지 저장 장치(500)에 공급할 수 있다. 발전 시스템(501)은 예컨대 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 및 조력 발전 시스템 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 오로지 예시적이며, 발전 시스템(501)은 상기 언급한 종류로 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 태양열이나 지열과 같은 신 재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 모든 발전 시스템들이 발전 시스템(501)에 포함될 수 있다. 특히, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양 전지는 가정이나 공장에 용이하게 설치될 수 있으므로 가정이나 공장의 에너지 저장 장치(500)과 함께 사용될 수 있다. 발전 시스템(501)은 전력을 생산할 수 있는 다수의 발전 모듈들을 병렬로 배열함으로써 대용량 에너지 시스템을 구성할 수 있다.
계통(502)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 포함할 수 있다. 계통(502)이 정상 상태인 경우, 계통(502)은 에너지 저장 장치(500), 즉, 부하(503) 및 배터리 팩(510) 중 적어도 하나에 전력을 공급하거나, 에너지 저장 장치(500), 특히, 배터리 팩(510)으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 계통(502)이 비정상 상태인 경우, 계통(502)과 에너지 저장 장치(500) 간의 전력 공급은 중단된다.
부하(503)는 발전 시스템(501)에서 생산된 전력, 배터리 팩(510)에 저장된 전력, 또는 계통(502)으로부터 공급된 전력을 소비할 수 있다. 가정이나 공장의 전기 장치들이 부하(503)의 일 예일 수 있다.
에너지 저장 장치(500)은 발전 시스템(501)에서 생산한 전력을 배터리 팩(510)에 저장하거나, 계통(502)으로 공급할 수 있다. 에너지 저장 장치(500)은 배터리 팩(510)에 저장된 전력을 계통(502)으로 공급하거나, 계통(502)으로부터 공급된 전력을 배터리 팩(510)에 저장할 수도 있다. 또한, 에너지 저장 장치(500)은 발전 시스템(501)에서 생산된 전력이나 배터리 팩(510)에 저장되어 있는 전력을 부하(503)에 공급할 수 있다. 또한, 에너지 저장 장치(500)은 계통(502)이 비정상 상태일 경우, 예컨대, 정전이 발생한 경우에 UPS(Uninterruptible Power Supply) 기능을 수행하여 발전 시스템(501)에서 생산된 전력이나 배터리 팩(510)에 저장되어 있는 전력을 부하(503)에 공급할 수 있다.
에너지 저장 장치(500)은 전력을 변환하는 전력 변환 시스템(Power Conversion System, 이하 'PCS'라 함)(520), 배터리 팩(510), 제1 스위치(530), 및 제2 스위치(540)를 포함할 수 있다. 전력 변환 시스템(520)은 전력 변환 장치로 지칭될 수 있다.
PCS(520)는 발전 시스템(501), 계통(502), 및 배터리 팩(510)으로부터 제공되는 전력을 적절한 형태의 전력으로 변환하여 필요한 곳에 공급할 수 있다. PCS(520)는 배터리 팩(510), 및 발전 시스템(501), 부하(503) 및 계통(502) 중 적어도 하나와 배터리 팩(510) 사이에 연결되고 발전 시스템(501), 부하(502) 및 계통(502) 중 상기 적어도 하나와 배터리 팩(510) 사이에 전기 에너지를 변환한다. PCS(520)는 전력 변환부(521), DC 링크부(522), 인버터(523), 컨버터(524), 통합 제어기(525)를 포함할 수 있다.
전력 변환부(521)는 발전 시스템(501)과 DC 링크부(522) 사이에 연결되는 전력 변환 장치일 수 있다. 전력 변환부(521)는 발전 시스템(501)에서 생산한 전력을 직류 링크 전압으로 변환하여 DC 링크부(522)로 전달할 수 있다.
전력 변환부(521)는 발전 시스템(501)의 종류에 따라서 컨버터 회로, 정류 회로 등과 같은 전력 변환 회로를 포함할 수 있다. 발전 시스템(501)이 직류 전력을 생산하는 경우, 전력 변환부(521)는 발전 시스템(501)이 생산한 직류 전력을 다른 직류 전력으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터 회로를 포함할 수 있다. 발전 시스템(501)이 교류 전력을 생산하는 경우, 전력 변환부(521)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 정류 회로를 포함할 수 있다.
발전 시스템(501)이 태양광 발전 시스템인 경우, 전력 변환부(521)는 일사량, 온도 등의 변화에 따라서 발전 시스템(501)에서 생산하는 전력을 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는 MPPT 컨버터를 포함할 수 있다. 또한, 발전 시스템(501)에서 생산되는 전력이 없을 때에는 전력 변환부(521)의 동작이 중지됨으로써, 컨버터나 정류 회로와 같은 전력 변환 장치에서 소비되는 전력이 최소화 또는 감소될 수 있다.
발전 시스템(501) 또는 계통(502)에서의 순시 전압 강하, 또는 부하(503)에서의 피크 부하 발생 등과 같은 문제로 인하여, 직류 링크 전압의 크기가 불안정해지는 경우가 있다. 그러나, 직류 링크 전압은 컨버터(524) 및 인버터(523)의 정상 동작을 위하여 안정화될 필요가 있다. DC 링크부(522)는 전력 변환부(521)와 인버터(523) 사이에 연결되어 직류 링크 전압을 일정하게 또는 실질적으로 일정하게 유지시킬 수 있다. DC 링크부(522)의 일 예는 대용량 커패시터를 포함할 수 있다.
인버터(523)는 DC 링크부(522)와 제1 스위치(530) 사이에 연결되는 전력 변환 장치일 수 있다. 인버터(523)는 발전 시스템(501) 및 배터리 팩(510) 중 적어도 하나로부터 출력되는 직류 링크 전압을 계통(502)의 교류 전압으로 변환하여 출력하는 인버터를 포함할 수 있다. 또한, 인버터(523)는 충전 모드에서 계통(502)의 전력을 배터리 팩(510)에 저장하기 위하여, 계통(502)으로부터의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 직류 링크 전압을 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다. 인버터(523)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 인버터일 수 있다.
인버터(523)는 계통(502)으로 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 또한, 인버터(523)는 무효 전력의 발생을 억제 또는 제한하기 위하여 인버터(523)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(502)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로를 포함할 수 있다. 또한, 인버터(523)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도 현상(transient phenomena) 보호 또는 감소 등과 같은 기능을 수행할 수 있다.
컨버터(524)는 DC 링크부(522)와 배터리 팩(510) 사이에 연결되는 전력 변환 장치일 수 있다. 컨버터(524)는 방전 모드에서 배터리 팩(510)에 저장된 전력을 적절한 전압 레벨의 직류 링크 전압으로 DC-DC 변환하여 인버터(523)로 출력하는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다. 또한, 컨버터(524)는 충전 모드에서 전력 변환부(521)에서 출력되는 전력이나 인버터(523)에서 출력되는 전력의 전압을 적절한 전압 레벨, 즉 배터리 팩(510)에서 요구하는 충전 전압 레벨로 DC-DC 변환하여 배터리 팩(510)으로 출력하는 DC-DC 컨버터를 포함한다. 컨버터(524)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 컨버터일 수 있다. 배터리 팩(510)의 충전 또는 방전이 수행되지 않는 경우에는 컨버터(524)의 동작이 중단됨으로써, 전력 소비가 최소화 또는 감소될 수도 있다.
통합 제어기(525)는 발전 시스템(501), 계통(502), 배터리 팩(510), 및 부하(503)의 상태를 모니터링 할 수 있다. 예컨대, 통합 제어기(525)는 계통(502)에 정전이 발생하였는지 여부, 발전 시스템(501)에서 전력이 생산되는지 여부, 발전 시스템(501)에서 전력이 생산되는 경우 생산되는 전력량, 배터리 팩(510)의 충전 상태, 부하(503)의 소비 전력량, 시간 등을 모니터링 할 수 있다.
통합 제어기(525)는 모니터링 결과 및 미리 정해진 알고리즘에 따라서, 전력 변환부(521), 인버터(523), 컨버터(524), 배터리 팩(510), 제1 스위치(530), 제2 스위치(540)의 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 계통(502)에 정전이 발생할 경우, 통합 제어기(525)는 배터리 팩(510)에 저장된 전력 또는 발전 시스템(501)에서 생산된 전력이 부하(503)에 공급되도록 제어할 수 있다. 또한, 통합 제어기(525)는 부하(503)에 충분한 전력이 공급될 수 없을 경우에, 부하(503)의 전기 장치들에 대하여 우선 순위를 정하고, 우선 순위가 높은 전기 장치들에 전력을 공급하도록 부하(503)를 제어할 수도 있다. 또한, 통합 제어기(525)는 배터리 팩(510)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다.
제1 스위치(530) 및 제2 스위치(540)는 인버터(523)와 계통(502) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어기(525)의 제어에 따라서 on/off 동작을 수행하여 발전 시스템(501)과 계통(502) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 발전 시스템(501), 계통(502), 및 배터리 팩(510)의 상태에 따라서 제1 스위치(530)와 제2 스위치(540)의 on/off가 결정될 수 있다.
구체적으로, 발전 시스템(501) 및 배터리 팩(510) 중 적어도 하나로부터의 전력을 부하(503)에 공급하거나, 계통(502)으로부터의 전력을 배터리 팩(510)에 공급하는 경우, 제1 스위치(530)는 on 상태가 된다. 발전 시스템(501) 및 배터리 팩(510) 중 적어도 하나로부터의 전력을 계통(502)에 공급하거나 계통(502)으로부터의 전력을 부하(503)와 배터리 팩(510) 중 적어도 하나에 공급하는 경우에는, 제2 스위치(540)는 on 상태가 된다.
계통(502)에서 정전이 발생한 경우에는, 제2 스위치(540)를 off 상태로 하고 제1 스위치(530)를 on 상태로 한다. 즉, 발전 시스템(501)과 배터리 팩(510) 중 적어도 하나로부터의 전력을 부하(503)에 공급하는 동시에, 부하(503)에 공급되는 전력이 계통(502) 쪽으로 흐르는 것을 방지한다. 이와 같이, 에너지 저장 장치(500)을 단독 운전 시스템(stand alone system)으로 동작시킴으로써, 계통(502)의 전력선 등에서 작업하는 인부가 발전 시스템(501) 또는 배터리 팩(510)으로부터의 전력에 의하여 감전되는 사고를 방지할 수 있게 한다.
제1 스위치(530) 및 제2 스위치(540)는 큰 전류에 견딜 수 있거나 큰 전류를 처리할 수 있는 릴레이(relay)와 같은 스위칭 장치를 포함할 수 있다.
배터리 팩(510)은 발전 시스템(501)과 계통(502) 중 적어도 하나로부터 전력을 공급받아 저장하고, 저장하고 있는 전력을 부하(503)와 계통(502) 중 적어도 하나에 공급할 수 있다. 배터리 팩(510)은 전력을 저장하는 부분과 이를 제어 및 보호하는 부분을 포함할 수 있다. 배터리 팩(510)의 충전 및 방전은 통합 제어기에 의해 제어될 수 있다. 배터리 팩(510)은 도 1 내지 도 3을 참조로 앞에서 설명된 배터리 팩(100, 200, 300)에 대응할 수 있다.
배터리 팩(510)은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 및 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부를 포함하는 배터리 팩을 포함한다. 상기 배터리 관리부는 샘플링 주기(sampling period)마다 상기 배터리의 적어도 하나의 파라미터를 측정하여, 측정 데이터를 생성하는 측정부, 상기 적어도 하나의 파라미터에 대하여 정의되는 복수의 구간들에 대응하는 복수의 카운터들을 포함하고, 상기 측정 데이터가 포함되는 구간에 대응하는 카운터의 카운터 값을 증가시키도록 구성되는 제어부, 및 로깅 주기(logging period)마다 상기 복수의 구간들에 각각 대응하는 상기 복수의 카운터들의 카운터 값들을 미리 설정된 어드레스에 저장하는 저장부를 포함한다.
배터리 팩(510)의 상기 제어부는 상기 저장부에 저장된 카운터 값들을 통합 제어기(525)에 제공할 수 있다. 배터리 팩(510)의 상기 제어부는 상기 측정 데이터를 기초로 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, SOC) 등을 산출하거나, 배터리(110)에 이상이 발생하였는지를 판단할 수 있으며, 이에 관한 정보를 통합 제어기(525)에게 제공할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 상기 카운터 값들을 기초로 다양한 정보를 산출할 수 있다. 상기 다양한 정보에는 배터리 팩(510)의 총 사용 시간, 배터리 팩(510)의 잔존 수명 예측 값 등이 포함될 수 있다. 상기 제어부는 상기 다양한 정보를 통합 제어기(525)에게 제공할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 전기 자동차의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 6을 참조하면, 전기 자동차(600)는 ECU(Electronic Control Unit)(621), 인버터 컨트롤러(622), 인버터(623), 모터(624) 및 배터리 팩(610)을 포함할 수 있다. 배터리 팩(610)은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리(611), 및 배터리(611)의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부(612)를 포함한다. 배터리 팩(610)은 도 1 내지 도 3을 참조로 앞에서 설명된 배터리 팩(100, 200, 300)에 대응할 수 있다.
배터리(611)는 전기 자동차(600)의 구동 시 모터(624)에 전압을 공급하여 모터(624)의 출력 파워를 지원하고, 제동 시 발전기로 동작하는 모터(624)의 회생 제동 에너지를 회수하여 저장할 수 있다. 배터리(611)은 전력 충전소의 전력 변환 시스템 또는 에너지 저장 시스템과 같은 DC 충전부(625)으로부터 공급되는 DC 전력을 충전할 수 있다. 배터리(611)은 상용 전원과 같은 AC 충전부(627)로부터 공급되는 AC 전력을 충전할 수도 있다. 이를 위해, 전기 자동차(500는 전력 변환부(626)를 포함할 수 있으며, 배터리(611)은 전력 변환부(626)에 연결되고, 전력 변환부(626)는 AC 충전부(627)로부터 공급되는 AC 전력을 DC 전력으로 변환할 수 있다.
배터리 관리부(612)는 배터리(611)의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 검출하고, 배터리(611)의 충전 상태(SOC, State of Charge)를 진단 및 관리할 수 있다. 배터리 관리부(612)는 전기 자동차(600)의 통신 라인, 예컨대, CAN 통신 라인을 통해 ECU(621)에 배터리(611)의 전압, 전류, 온도, SOC, 진단 정보 등과 같은 정보를 제공할 수 있다.
배터리 관리부(612)는 샘플링 주기(sampling period)마다 상기 배터리의 적어도 하나의 파라미터를 측정하여, 측정 데이터를 생성하는 측정부, 상기 적어도 하나의 파라미터에 대하여 정의되는 복수의 구간들에 대응하는 복수의 카운터들을 포함하고, 상기 측정 데이터가 포함되는 구간에 대응하는 카운터의 카운터 값을 증가시키도록 구성되는 제어부, 및 로깅 주기(logging period)마다 상기 복수의 구간들에 각각 대응하는 상기 복수의 카운터들의 카운터 값들을 미리 설정된 어드레스에 저장하는 저장부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 저장부에 저장된 카운터 값들을 ECU(621) 제공할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 상기 카운터 값들을 기초로 다양한 정보를 산출할 수 있다. 상기 다양한 정보에는 배터리 팩(610)의 총 사용 시간, 배터리(611)의 잔존 수명 예측 값 등이 포함될 수 있다. 상기 제어부는 상기 다양한 정보를 ECU(621)에 제공할 수 있다.
ECU(621)는 전기 자동차(600)의 차량 상태와 주행 모드 등을 전반적으로 제어하며, 배터리 관리부(612)로부터 제공되는 배터리(611)의 정보를 참조하여, 안정된 차량 운행이 가능하도록 한다. ECU(621)는 인버터 컨트롤러(622)를 통해 인버터(623)를 제어할 수 있다. 인버터(623)는 배터리(611)으로부터 제공된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 모터(624)를 구동하기 위한 AC 전력을 공급할 수 있다. 또한, 인버터(623)는 제동 시 모터(624)로부터 제공되는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 배터리(611)에 제공할 수도 있다.
도 6에는 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 전기 자동차를 도시하였지만, 이는 예시적이며, 하이브리드 자동차나 전기 자전거, 전기 오토바이와 같은 전기를 이용한 다양한 운송 수단에 적용될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 전기 제품의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 7을 참조하면, 전기 제품(700)는 배터리 팩(710) 및 배터리 팩(710)에 의해 구동되는 부하(720)을 포함할 수 있다. 배터리 팩(710)은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리(711), 및 배터리(711)의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부(712)를 포함한다. 배터리 팩(710)은 도 1 내지 도 3을 참조로 앞에서 설명된 배터리 팩(100, 200, 300)에 대응할 수 있다.
배터리(711)는 전기 제품(700)의 전기 부하(720)에 전기 에너지를 공급하고 외부의 전원을 이용하여 충전될 수 있다. 전기 제품(700)은 배터리 팩(710)을 포함하는 모든 장치 및 시스템을 포함한다. 전기 제품(700)은 배터리 팩(710)을 포함하는 노트북, 휴대폰, 스마트폰 등과 같은 휴대용 전자 장치를 포함할 수 있다. 전기 제품(700)은 배터리 팩(710)을 포함하는 전동 드릴, 전동 칫솔, 휴대용 청소기, 휴대용 랜턴, 휴대용 멀티미디어 장치, 휴대용 스피커 등과 같은 휴대 가능 전기 장치를 포함할 수 있다.
부하(720)는 전기 제품(700)의 종류에 따라 전기 제품(700)의 기눙을 수행하도록 구동되는 전기 부하이다.
배터리 관리부(612)는 샘플링 주기(sampling period)마다 상기 배터리의 적어도 하나의 파라미터를 측정하여, 측정 데이터를 생성하는 측정부, 상기 적어도 하나의 파라미터에 대하여 정의되는 복수의 구간들에 대응하는 복수의 카운터들을 포함하고, 상기 측정 데이터가 포함되는 구간에 대응하는 카운터의 카운터 값을 증가시키도록 구성되는 제어부, 및 로깅 주기(logging period)마다 상기 복수의 구간들에 각각 대응하는 상기 복수의 카운터들의 카운터 값들을 미리 설정된 어드레스에 저장하는 저장부를 포함한다.
부하(720)는 외부로부터 입력을 수신하고 정보를 출력하는 입출력부를 더 포함할 수 있다. 상기 입출력부는 배터리 관리부(612)에 의해 제어되거나 배터리 관리부(612)와 통신 가능하게 연결될 수 있다. 상기 입출력부는 전기 제품(700)의 본연의 기능을 수행하는 데에 필요한 장치일 수 있다.
상기 제어부는 상기 저장부에 저장된 카운터 값들을 상기 입출력부를 이용하여 외부에 제공하거나 표시할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 상기 카운터 값들을 기초로 다양한 정보를 산출할 수 있다. 상기 다양한 정보에는 배터리 팩(610)의 총 사용 시간, 배터리(611)의 잔존 수명 예측 값 등이 포함될 수 있다. 상기 제어부는 상기 다양한 정보를 상기 입출력부를 이용하여 외부에 제공하거나 표시할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 배터리 팩 110: 배터리
120: 배터리 관리부 130: 측정부
140: 제어부 150: 저장부
200: 배터리 팩 210: 배터리
211: 배터리 셀들 230: 측정부
231: 셀 전압 측정부 232: 온도 센서
233: 온도 측정부 234: 전류 센서
235: 전류 측정부 240: 마이크로 컨트롤러
241: 카운터들 242: 카운터 값들
250: 메모리 장치 300: 배터리 팩
310: 배터리 320: 슬레이브 BMS
330: 마스터 BMS 331: 마이크로 컨트롤러
332: 카운터들 333: 메모리 장치
340: 버스 라인 500: 에너지 저장 장치
600: 전기 자동차 700: 전기 제품

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 및
    상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부를 포함하고,
    상기 배터리 관리부는,
    샘플링 주기(sampling period)마다 상기 배터리의 적어도 하나의 파라미터를 측정하여, 측정 데이터를 생성하는 측정부;
    상기 적어도 하나의 파라미터에 대하여 정의되는 복수의 구간들에 대응하는 복수의 카운터들을 포함하고, 상기 측정 데이터가 포함되는 구간에 대응하는 카운터의 카운터 값을 증가시키도록 구성되는 제어부; 및
    로깅 주기(logging period)마다 상기 복수의 구간들에 각각 대응하는 상기 복수의 카운터들의 카운터 값들을 미리 설정된 어드레스에 저장하는 저장부를 포함하며,
    상기 제어부는 미리 설정된 기본 수명 값으로부터 상기 적어도 하나의 파라미터 중 어느 하나의 파라미터에 대한 카운터 값들과 상기 어느 하나의 파라미터에 대해 정의되는 복수의 구간들에 대응하는 복수의 가중치들의 곱을 모두 감산함(subtract)으로써, 상기 배터리의 잔존 수명의 예측 값을 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 및
    상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부를 포함하고,
    상기 배터리 관리부는,
    샘플링 주기(sampling period)마다 상기 배터리의 적어도 하나의 파라미터를 측정하여, 측정 데이터를 생성하는 측정부;
    상기 적어도 하나의 파라미터에 대하여 정의되는 복수의 구간들에 대응하는 복수의 카운터들을 포함하고, 상기 측정 데이터가 포함되는 구간에 대응하는 카운터의 카운터 값을 증가시키도록 구성되는 제어부; 및
    로깅 주기(logging period)마다 상기 복수의 구간들에 각각 대응하는 상기 복수의 카운터들의 카운터 값들을 미리 설정된 어드레스에 저장하는 저장부를 포함하고,
    상기 배터리는 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함하고,
    상기 배터리 관리부는,
    상기 샘플링 주기마다 상기 적어도 하나의 배터리 모듈의 상기 적어도 하나의 파라미터를 측정하여, 상기 측정 데이터를 생성하는 적어도 하나의 슬레이브 관리 유닛; 및
    상기 적어도 하나의 슬레이브 관리부와 통신 가능하게 연결되고 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 마스터 관리 유닛를 포함하고,
    상기 마스터 관리 유닛은,
    상기 복수의 카운터들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 슬레이브 관리 유닛으로부터 수신되는 상기 측정 데이터가 포함되는 구간에 대응하는 카운터의 카운터 값을 증가시키도록 구성되는 마이크로 컨트롤러; 및
    상기 로깅 주기(logging period)마다 상기 복수의 구간들에 각각 대응하는 상기 복수의 카운터들의 카운터 값들을 미리 설정된 어드레스에 저장하는 비휘발성 메모리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 적어도 하나의 배터리 셀 각각의 적어도 하나의 셀 전압, 상기 배터리의 적어도 하나의 온도, 상기 배터리의 충방전 전류 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리는 복수의 배터리 셀들을 포함하는 복수의 배터리 모듈들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 배터리에 포함되는 상기 복수의 배터리 셀들 각각의 복수의 셀 전압들, 및 상기 배터리의 상기 복수의 배터리 모듈들 각각의 복수의 온도들을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 샘플링 주기는 0.1초 내지 1초의 범위 내에서 설정되고, 상기 로깅 주기는 0.1시간 내지 24시간의 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 카운터 값들 각각은 상기 저장부의 4byte의 공간에 저장되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 저장부는 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래시 메모리, FeRAM(ferroelectric RAM), MRAM(Magnetoresistive random-access memory), PRAM(Phase-change Memory)로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 비휘발성 메모리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 측정 데이터를 기초로 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 적어도 하나의 파라미터 중 어느 하나의 파라미터에 대한 카운터 값들을 모두 더한 총 카운터 값을 상기 샘플링 주기와 곱함으로써 상기 배터리의 총 사용 시간을 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 카운터 값들을 기초로 상기 배터리의 잔존 수명을 예측하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 삭제
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 저장부에 저장된 상기 카운터 값들을 기초로 상기 배터리 내의 불량 배터리 셀을 판별하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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