KR102188634B1 - 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템 - Google Patents

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KR102188634B1
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battery cells
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황선호
윤진형
윤춘이
박희원
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주식회사 에코전력
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Abstract

본 발명의 실시예는 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 배터리 셀이 기준 온도, 기준 충방전율 및 기준 용량 내에 있는 상태에서 셀간 전압 편차가 기준 범위 내에 있을 경우, 셀 밸런싱을 수행함으로써, 배터리 셀의 열화 현상을 최소화하여 화재 등을 방지할 수 있는 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 다수의 배터리 셀; 배터리 셀에 대한 온도, 전압 및 전류를 센싱하고, 셀 밸런싱을 수행하는 감시부; 및 감시부로부터 온도, 전압 및 전류의 정보를 수신하여 배터리 셀의 온도, 배터리 셀의 시간당 충방전율, 배터리 셀의 용량 및 배터리 셀간 전압 편차를 계산하는 제어부를 포함하는 배터리 팩; 배터리 팩의 제어부에 아이솔레이터를 통해 통신 가능하게 연결된 마스터 제어부; 및 마스터 제어부에 인터넷망을 통해 연결된 관리 서버 및 모바일 단말기를 포함하고, 배터리 팩의 제어부는 배터리 셀의 온도가 기준 온도 범위 내이고, 배터리 셀의 시간당 충방전율이 기준 시간당 충방전율 내이며, 배터리 셀의 용량이 기준 용량 범위 내이고, 배터리 셀간 전압 편차가 기준 전압 편차 범위 내일 경우, 감시부에 셀 밸런싱 제어 신호를 출력하여 감시부가 다수의 배터리 셀을 셀 밸런싱하도록 하는, 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템을 제공한다.

Description

이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템{Smart Battery Monitoring System for E-mobility}
본 발명의 실시예는 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템에 관한 것이다.
배터리 모니터링 시스템(BMS)은 배터리를 최적으로 관리하여 에너지 효율을 높이고 수명을 연장해주는 역할을 한다. 또한, BMS는 배터리의 온도, 전압 및 전류를 실시간으로 모니터링하여 과도한 충전 또는 방전을 미연에 방지하고 배터리의 안전성과 신뢰성을 높여준다
BMS의 핵심 역할은 에너지 효율을 높이고 배터리의 수명을 연장시키는 것에 있다. 일반적인 에너지 저장 장치는 수십에서 수백개의 배터리 셀, 배터리 팩 또는 배터리 모듈로 구성되어 있다. 그런데 이러한 배터리 셀 간 밸런싱이 맞지 않는다면 에너지 저장 장치가 갖고 있는 최대 에너지를 채워 넣을 수도, 사용할 수도 없게 된다.
BMS는 셀 밸런싱 기능을 통해 배터리의 최대 에너지를 최적화하여 사용할 수 있도록 관리한다. 또한, 에너지 저장 시스템은 충방전 시 생기는 발열로 배터리 온도가 증가하는데, 이로 인한 내부 저항의 증가는 배터리의 수명을 감소시킨다. BMS는 배터리의 냉각 장치를 제어하여 배터리 열을 관리하는 역할을 하는데 이로서 에너지 저장 장치가 최적의 수명을 유지할 수 있게 된다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 배터리 셀이 기준 온도, 기준 충방전율 및 기준 용량 내에 있는 상태에서 셀간 전압 편차가 기준 범위 내에 있을 경우, 셀 밸런싱을 수행함으로써, 배터리 셀의 열화 현상을 최소화하고 화재를 예방할 수 있는 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다른 해결하고자 하는 과제는 셀 밸런싱 시간을 단축하는 동시에 모든 배터리 셀의 셀 밸런싱 완료 시간이 동일해지도록 함으로써, 배터리 셀의 열화 현상을 최소화하고 화재를 예방할 수 있는 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템은 다수의 배터리 셀; 다수의 배터리 셀에 대한 온도, 전압 및 전류를 센싱하고, 다수의 배터리 셀에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 감시부; 및 감시부로부터 온도, 전압 및 전류의 정보를 수신하여 배터리 셀의 온도, 배터리 셀의 시간당 충방전율, 배터리 셀의 용량 및 배터리 셀간 전압 편차를 계산하는 제어부를 포함하는 적어도 하나의 배터리 팩; 배터리 팩의 제어부에 아이솔레이터를 통해 통신 가능하게 연결된 마스터 제어부; 및 마스터 제어부에 인터넷망을 통해 연결된 관리 서버 및 모바일 단말기를 포함하고, 배터리 팩의 제어부는 배터리 셀의 온도가 기준 온도 범위 내이고, 배터리 셀의 시간당 충방전율이 기준 시간당 충방전율 내이며, 배터리 셀의 용량이 기준 용량 범위 내이고, 배터리 셀간 전압 편차가 기준 전압 편차 범위 내일 경우, 감시부에 셀 밸런싱 제어 신호를 출력하여 감시부가 다수의 배터리 셀을 셀 밸런싱하도록 한다.
제어부의 메모리에는 기준 온도 범위, 기준 시간당 충방전율, 기준 용량 범위 및 기준 전압 편차가 저장될 수 있다.
마스터 제어부는 아이솔레이터를 통해 제어부로부터 배터리 셀의 온도, 배터리 셀의 시간당 충방전율, 배터리 셀의 용량, 배터리 셀간 전압 편차 및 셀 밸런싱의 정보를 수신하여, 인터넷망을 통해 연결된 관리 서버 및 모바일 단말기에 전송할 수 있다.
배터리 팩은 복수개이고, 복수개의 배터리 팩은 복수개의 아이솔레이터를 통하여 캐스케이드 형태로 연결될 수 있다.
감시부는 서로 직렬 연결되는 다수의 배터리 셀 각각에 대해 방전 경로를 형성하는 다수의 밸런싱 저항과, 다수의 배터리 셀과 다수의 밸런싱 저항 사이에 각각 연결되며, 다수의 배터리 셀 각각에 대한 셀 밸런싱을 제어하는 다수의 밸런싱 스위치, 다수의 밸런싱 스위치의 턴온 및 턴오프를 제어하는 감시 회로를 포함하고, 제어부는 배터리 셀간 전압 편차에 기초하여 다수의 배터리 셀 각각의 밸런싱 요구량을 계산하고, 밸런싱 요구량에 기초하여 다수의 밸런싱 스위치의 듀티비를 계산하며, 다수의 배터리 셀 중 인접하는 두 개의 배터리 셀들 간의 듀티비 합에 기초하여 듀티비를 조절할 수 있다.
제어부는 인접하는 두 개의 배터리 셀들의 밸런싱 스위치들이, 서로 교대로 턴온되도록 제어할 수 있다.
제어부는 인접하는 두 개의 배터리 셀들 간의 듀티비 합 중 최대값이 100%가 되도록 할 수 있다.
제어부는 다수의 배터리 셀 간의 밸런싱 요구량의 비가, 다수의 밸런싱 스위치 간의 듀티비와 동일하도록 듀티비를 계산할 수 있다.,
제어부는 다수의 밸런싱 스위치의 듀티비에 따라 다수의 밸런싱 스위치의 턴온/턴오프를 제어하도록 감시 회로에 제어 신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예는 배터리 셀이 기준 온도, 기준 충방전율 및 기준 용량 내에 있는 상태에서 셀간 전압 편차가 기준 범위 내에 있을 경우, 셀 밸런싱을 수행함으로써, 배터리 셀의 열화 현상을 최소화하고 화재를 예방할 수 있는 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 셀 밸런싱 시간을 단축하는 동시에 모든 배터리 셀의 셀 밸런싱 완료 시간이 동일해지도록 함으로써, 배터리 셀의 열화 현상을 최소화하고 화재를 예방할 수 있는 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템을 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템중 감시부와 제어부의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템중 셀 밸런싱을 위한 감시부와 제어부의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템의 동작을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 다수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품은 임의의 적절한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 반도체), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어의 적절한 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품의 다양한 구성 요소들은 하나의 집적회로 칩 상에, 또는 별개의 집적회로 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는 가요성 인쇄 회로 필름 상에 구현 될 수 있고, 테이프 캐리어 패키지, 인쇄 회로 기판, 또는 제어부(컨트롤러)와 동일한 서브스트레이트 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는, 하나 이상의 컴퓨팅 장치에서, 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 프로세스 또는 쓰레드(thread)일 수 있고, 이는 이하에서 언급되는 다양한 기능들을 수행하기 위해 컴퓨터 프로그램 명령들을 실행하고 다른 구성 요소들과 상호 작용할 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은, 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리와 같은 표준 메모리 디바이스를 이용한 컴퓨팅 장치에서 실행될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어, CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(non-transitory computer readable media)에 저장될 수 있다. 또한, 본 발명에 관련된 당업자는 다양한 컴퓨팅 장치의 기능이 상호간 결합되거나, 하나의 컴퓨팅 장치로 통합되거나, 또는 특정 컴퓨팅 장치의 기능이, 본 발명의 예시적인 실시예를 벗어나지 않고, 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치들에 분산될 수 될 수 있다는 것을 인식해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템(100)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템(100)은 제1배터리 팩(110), 제2배터리 팩(120), 마스터 제어부(130), 관리 서버(140), 모바일 단말기(150)를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 마스터 제어부(130)는 제1아이솔레이터(161)를 통해 제1배터리 팩(110)에 통신 가능하게 연결되고, 제1,2아이솔레이터(161,162)를 통해 제2배터리 팩(120)에 통신 가능하게 연결될 수 있다.
또한, 일부 예들에서, 마스터 제어부(130)는 인터넷망(170)을 통해 관리 서버(140) 및/또는 모바일 단말기(150)에 통신 가능하게 연결될 수 있다.
또한, 일부 예들에서, 제1배터리 팩(110) 및 제2배터리 팩(120)은 부하/충전기(180)에 병렬 및/또는 직렬로 전기적으로 연결될 수 있다.
더욱이, 일부 예들에서, 제1배터리 팩(110) 및 제2배터리 팩(120) 외에 더 많은 배터리 팩이 부하/충전기(180)에 병렬 및/또는 직렬로 연결될 수 있다.
또한, 제1배터리 팩(110) 및 제2배터리 팩(120)은 제1아이솔레이터(161) 및 제2아이솔레이터(162)를 통해 캐스케이스 형태로 전기적으로 연결될 수 있다.
이하에서, 제1배터리 팩(110) 및 제2배터리 팩(120)은 동일하거나 유사한 구성을 하므로 제1배터리 팩(110)의 구성을 위주로 설명한다.
한편, 일부 예들에서, 마스터 제어부(130)의 제어 신호는 제1아이솔레이터(161)를 통해 제1배터리 팩(110)에 전송되고, 또한 제1아이솔레이터(161) 및 제2아이솔레이터(162)를 통해 제2배터리 팩(120)에 전송될 수 있다.
반대로, 일부 예들에서, 제2배터리 팩(120)의 정보는 제2아이솔레이터(162) 및 제1아이솔레이터(161)를 통해 마스터 제어부(130)에 전송될 수 있고, 제1배터리 팩(110)의 정보는 제1아이솔레이터(161)를 통해 마스터 제어부(130)에 전송될 수 있다.
일부 예들에서, 배터리 팩(예를 들면, 제1배터리 팩(110))은 다수의 배터리 셀(111), 감시부(112), 제어부(113) 및 충방전 스위치(114)를 포함할 수 있다. 다수의 배터리 셀(111)은 리튬티탄산 배터리, 리튬철산 배터리 등을 포함할 수 있다.
다수의 배터리 셀(111)은 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있으나, 본 발명에서는 이해의 편의를 위해 다수의 배터리 셀(111)이 직렬로 연결된 것으로 가정한다.
감시부(112)는, 아래에서 다시 설명하겠지만, 다수의 배터리 셀(111)에 대한 온도, 전압 및 전류를 센싱하고, 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
제어부(113)는 감시부(112)로부터 온도, 전압 및 전류의 정보를 수신하여 배터리 셀(111)의 온도, 배터리 셀(111)의 시간당 충방전율, 배터리 셀(111)의 용량 및 배터리 셀(111)간 전압 편차를 계산할 수 있다.
충방전 스위치(114)는 충전 스위치(MOSFET 또는 IGBT) 및 방전 스위치(MOSFET 또는 IGBT)를 포함할 수 있고, 이들은 감시부(112)의 제어에 따라 턴온/턴오프됨으로써, 배터리 셀(111)이 충전되도록 하거나 방전되도록 하거나 또는 충방전이 정지되도록 한다.
일부 예들에서, 제어부(113)는 배터리 셀(111)의 온도가 기준 온도 범위 내이고, 배터리 셀(111)의 시간당 충방전율이 기준 시간당 충방전율 내이며, 배터리 셀(111)의 용량이 기준 용량 범위 내이고, 배터리 셀(111)간 전압 편차가 기준 전압 편차 범위 내일 경우, 비로서 감시부(112)에 셀 밸런싱 제어 신호를 출력하여 감시부(112)가 다수의 배터리 셀(111)을 셀 밸런싱하도록 한다.
일부 예들에서, 제어부(113)의 메모리(1132)에는 기준 온도 범위, 기준 시간당 충방전율, 기준 용량 범위 및 기준 전압 편차가 저장될 수 있다.
일부 예들에서, 기준 온도 범위는 0℃ 내지 50℃이고, 기준 시간당 충방전율은 0.01C 내지 0.1C이며, 기준 용량 범위는 20% 내지 40% 및 80% 내지 100%, 기준 전압 편차는 1mV 내지 1000mV로 설정되어 메모리(1132)에 미리 저장될 수 있다.
특히, 배터리 셀(111)간 전압 편차는 충전 시 배터리 셀(111)의 용량이 80% 내지 100% 사이에서, 그리고 방전 시 배터리 셀(111)의 용량이 20% 내지 40% 사이에서, 상대적으로 크게 나타난다. 따라서, 본 발명의 실시예는 상대적으로 배터리 셀(111)간 전압 편차가 크게 나는 시점에 셀 밸런싱이 수행되도록 함으로써, 에너지 저장 장치의 안전성이 향상되도록 한다.
더욱이, 배터리 셀(111)의 온도가 0℃보다 작을 경우에는 배터리 셀(111)의 전원을 이용하여 히터를 동작시키고, 배터리 셀(111)이 온도가 50℃보다 높을 경우에는 배터리 셀(111)의 전원을 이용하여 냉각팬을 동작시킴으로써, 0℃ 내지 50℃의 온도 범위 이외에서 셀 밸런싱은 바람직하지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예는 0℃ 내지 50℃의 온도 범위 이외에서 셀 밸런싱을 수행하지 않도록 하므로, 에너지 저장 장치의 안전성이 더욱 향상되도록 한다.
더욱이, 배터리 셀(111)의 시간당 충방전율이 0.1C보다 큰 경우, 실질적으로 배터리 셀(111)의 전원이 부하에 공급(방전)되어 부하를 구동시키거나 또는 배터리 셀(111)에 전원 공급(충전)이 이루어지는 상태이므로, 이때의 셀 밸런싱도 바람직하지 않을 수 있다.
본 발명실시예는 시간당 충방전율이 0.1C보다 큰 경우 셀 밸런싱을 수행하지 않으므로, 에너지 저장 장치의 안전성이 더욱 향상될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예는 배터리 셀(111)의 충방전이 정지된 안정된 상태에서 셀 밸런싱이 수행되도록 하여, 배터리 셀(111)에 과도한 스트레스가 가해지지 않도록 한다.
더욱이, 배터리 셀(111)간 전압 편차가 1mV 내지 1000mV일 때, 배터리 셀(111)간 전압 불균형으로 특정 배터리 셀(111)의 열화가 심하게 일어날 수 있다.
본 발명의 실시예는 배터리 셀(111)간의 전압 편차가 1mV 내지 1000mV일 경우, 셀 밸런싱이 수행되도록 하여, 배터리 셀(111)의 열화 현상을 효율적으로 억제할 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예는 배터리 셀(111)이 기준 온도, 기준 시간당 충방전율 및 기준 용량 내에 있는 상태에서 셀간 전압 편차가 기준 범위 내에 있을 경우, 비로서 셀 밸런싱을 수행함으로써, 배터리 셀(111)의 열화 현상을 최소화할 수 있고 화재를 예방할 수 있는 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템(100)을 제공한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템(100)중 감시부(112)와 제어부(113)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 감시부(112)는 온도 센서(1121), 전압 센서(1122), 전류 센서(1123), 셀 밸런싱 회로(1124) 및 감시 회로(1125)를 포함할 수 있다. 제어부(113)는 중앙처리장치(1131) 및 메모리(1132)를 포함할 수 있다. 메모리(1132)는 본 발명의 동작을 수행하는 프로그램 코드(1133)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 프로그램 코드(1133)는 도 4에 도시된 순서도에 대응하는 동작 순서를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제어부(113)는 프로그램 코드(1133)에 따라 감시부(112)로부터 각종 정보를 입력받고 또한 프로그램 코드(1133)에 따라 감시부(112)에 각종 제어 신호를 전송할 수 있다.
온도 센서(1121)는 배터리 셀(111) 및/또는 배터리 셀(111)의 주변 온도를 감지하여 이를 감시 회로(1125)에 전송한다.
전압 센서(1122)는 배터리 셀(111)의 전압(배터리 셀(111)의 개별 전압 및 배터리 셀(111)의 총 전압)을 감지하여 이를 감시 회로(1125)에 전송한다.
전류 센서(1123)는 배터리 셀(111)의 전류(배터리 셀(111)/배터리 팩에 흐르는 총 전류)를 감지하여 이를 감시 회로(1125)에 전송한다.
셀 밸런싱 회로(1124)는 감시 회로(1125)의 제어에 따라 배터리 셀(111)간 셀 밸런싱을 수행한다. 일부 예들에서, 제어부(113)의 제어 신호에 따라 감시부(112)의 감시 회로(1125)가 동작하고, 또한 감시부(112)의 셀 밸런싱 회로(1124)가 제어될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템(100)중 셀 밸런싱을 위한 감시부(112)와 제어부(113)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 배터리 셀(111)은 직렬로 연결될 수 있고, 다수의 배터리 셀(111)에 감시부(112)가 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 감시부(112)에 제어부(113)가 통신 가능하게 연결될 수 있다.
상술한 바와 같이, 감시부(112)는 배터리 셀(111)의 온도, 전압, 전류 등을 센싱하며, 셀 밸런싱 회로(1124)를 통하여 다수의 배터리 셀(111)의 셀 밸런싱을 수행할 수 있다. 일부 예들에서, 감시부(112)는 아날로그 프론트 엔드(Analog Front End, AFE) IC, 셀 전압 모니터링(Cell Voltage Monitoring, CVM) IC를 포함하거나, 이로 지칭될 수 있다.
일부 예들에서, 감시부(112)는 배터리 셀(111)에 대한 전압 검출 및 셀 밸런싱 제어 등을 수행하는 배터리 감시 회로(1125)를 포함할 수 있다.
배터리 감시 회로(1125)는 전압 검출 회로(미도시)를 포함하며, 이를 통해 배터리 셀(111)의 각 셀 전압을 검출할 수 있다. 전압 검출 회로는 두 개의 입력 단자(Cin) 및 두 개의 필터 저항(Rf)을 통해 대응하는 셀의 양단에 연결되어, 해당 셀의 셀 전압을 검출할 수 있다.
배터리 감시 회로(1125)는 셀 전압이 검출되면, 이를 제어부(113)로 전송한다. 배터리 감시 회로(1125)로부터 셀 전압 검출 결과를 수신한 제어부(113)는 이를 기초로 하여 배터리 셀(111)의 셀 밸런싱, 충방전 등을 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 배터리 셀(111)간 밸런싱을 제어하기 위한 셀 밸런싱 회로(1124)를 포함할 수 있는데, 셀 밸런싱 회로(1124)는, 각 셀에 대해 셀 밸런싱을 위한 방전 경로를 형성하는 방전 저항(Rb), 각 셀의 방전 경로를 개폐하는 밸런싱 스위치(SWb), 및 제어부(113)로부터 수신되는 셀 밸런싱 제어 정보에 기초하여 각 밸런싱 스위치(SWb)의 턴온/턴오프를 제어하는 배터리 감시 회로(1125)를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 셀 밸런싱 회로(1124)는, 각 셀의 양단과 밸런싱 단자(Bin) 사이에 각각 연결되어 방전 경로를 형성하는 두 개의 밸런싱 저항(Rb), 및 배터리 감시 회로(1125)의 제어에 따라 대응하는 셀의 셀 밸런싱 전류 흐름을 도통하거나 차단하는 밸런싱 스위치(SWb)를 포함할 수 있다.
밸런싱 스위치(SWb)는 밸런싱 단자(Bin)를 통해 두 개의 밸런싱 저항(Rb) 사이에 연결되며, 두 개의 밸런싱 저항(Rb)을 통해 대응하는 셀의 양단 사이에 연결된다.
이에 따라, 밸런싱 스위치(SWb)가 턴 온 되면, 대응하는 셀의 양단에 각각 연결된 밸런싱 저항(Rb)을 통해 밸런싱 전류가 흘러 대응하는 셀의 방전이 진행된다. 반면에, 밸런싱 스위치(SWb)가 턴 오프 되면, 방전 경로가 차단되어 대응하는 셀의 밸런싱 전류 흐름이 차단된다.
일부 예들에서, 각 셀의 양단에 연결되는 밸런싱 단자(Bin)는 전압 검출을 위한 입력 단자(Cin)와 별도로 존재하여, 전압 검출 경로와 셀 밸런싱을 위한 방전 경로가 분리된다.
반면에, 인접(이웃)하는 두 개의 셀간에 밸런싱 단자(Bin)를 공유하여, 방전 경로가 일부 공유된다. 이에 따라, 배터리 셀(111)들을 짝수 그룹과 홀수 그룹으로 구분하고, 짝수 그룹의 밸런싱 스위치(SWb)와 홀수 그룹의 밸런싱 스위치(SWb)를 교대로 턴온 시키는 방식으로 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
이밖에도, 셀 밸런싱 회로(1124)는 여기에 도시되지 않은 다양한 형태의 회로를 포함할 수 있으나, 대부분 공통적으로 밸런싱 저항 및 밸런싱 스위치를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템(100)의 동작을 도시한 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템(100)의 동작 순서는 배터리 셀 온도, 전압, 전류 센싱 단계(S1), 기준 온도 범위 여부 판단 단계(S2), 배터리 셀 충방전율 계산 단계(S3), 기준 충방전율 여부 판단 단계(S4), 배터리 셀 용량 계산 단계(S5), 기준 셀 용량 여부 판단 단계(S6), 셀 전압 편차 계산 단계(S7), 셀 밸런싱 여부 판단 단계(S8), 셀밸런싱 요구량 계산 단계(S9), 셀 밸런싱 스위치의 듀티비 계산 단계(S10) 및 밸런싱 스위치 제어 단계(S11)를 포함할 수 있다.
배터리 셀 온도, 전압, 전류 센싱 단계(S1)에서, 제어부(113)는 감시부(112)를 이용하여 배터리 셀(111)의 온도, 전압 및 전류를 센싱/획득한다. 즉, 배터리 셀(111)의 온도, 전압 및 전류는 감시부(112)를 구성하는 온도 센서(1121), 전압 센서(1122) 및 전류 센서(1123)를 통해 센싱되는데, 이를 제어부(113)가 감시부(112)를 이용하여 획득한다.
기준 온도 범위 여부 판단 단계(S2)에서, 제어부(113)는 온도 센서(1121)를 통해 센싱/획득한 배터리 셀(111)의 온도가 기준 온도 범위 이내인지 판단한다. 일부 예들에서, 기준 온도 범위는 0℃ 내지 50℃일 수 있다. 제어부(113)는 배터리 셀(111)의 온도가 기준 온도 범위 이내이면 다음 단계(S3)를 수행하고 아니면 이전 단계(S1)로 복귀한다.
배터리 셀 충방전율 계산 단계(S3)에서, 제어부(113)는 전압 센서(1122) 및/또는 전류 센서(1123)를 통해 센싱/획득한 배터리 셀(111)의 시간당 전압 및/또는 전류의 변화율을 이용하여, 배터리 셀(111)의 시간당 충방전율을 계산한다. 여기서, 제어부(113)는 기본적으로 타이머를 내장하고 있으므로, 타이머를 이용하여 시간 정보를 획득한다.
기준 충방전율 여부 판단 단계(S4)에서, 제어부(113)는 전압 센서(1122) 및/또는 전류 센서(1123)를 통해 센싱/획득한 배터리 셀(111)의 시간당 충방전율이 기준 시간당 충방전율 범위 이내인지 판단한다. 일부 예들에서, 기준 시간당 충방전율은 0.01C 내지 0.1C일 수 있다. 제어부(113)는 배터리 셀(111)의 시간당 충방전율이 기준 시간당 충방전율 이내이면 다음 단계(S5)를 수행하고 아니면 이전 단계(S1)로 복귀한다.
배터리 셀 용량 계산 단계(S5)에서, 제어부(113)는 전압 센서(1122) 및/또는 전류 센서(1123)를 통해 센싱/획득한 배터리 셀(111)의 전압 및/또는 전류의 정보를 이용하여 배터리 셀(111)의 용량(SOC)을 계산한다.
일부 예들에서, 제어부(113)는 기본적으로 메모리(1132) 내에 저장된 전압 대비 용량에 관한 룩업 테이블을 이용할 수 있다. 다른 예들에서, 제어부(113)는 전압 및/또는 전류를 SOC 산출 공식에 대입하여 현재의 배터리 셀(111)/팩 용량을 계산할 수도 있다.
기준 셀 용량 여부 판단 단계(S6)에서, 제어부(113)는 전압 센서(1122) 및/또는 전류 센서(1123)를 통해 센싱/획득/계산한 배터리 셀(111)의 용량이 기준 용량 범위 이내인지 판단한다. 일부 예들에서, 기준 용량 범위는 20% 내지 40% 및 80% 내지 100%일수 있다. 제어부(113)는 배터리 셀(111)의 용량이 기준 용량 범위 이내이면 다음 단계(S5)를 수행하고 아니면 이전 단계(S1)로 복귀한다.
즉, 본 발명에 따른 셀 밸런싱은 배터리 셀(111)의 용량이 20%보다 작거나, 40% 내지 80%의 사이에 있으면, 기본적으로 셀 밸런싱을 수행하지 않는다. 다르게 설명하면, 배터리 셀(111)의 용량이 20%보다 작을 경우, 배터리 셀(111)의 전압이 만방전 전압에 가까워짐으로 셀 밸런싱 시에 오히려 배터리 셀(111)이 만방전 전압에 더욱 빨리 가까워져 열화 현상이 더 심하게 발생할 수 있다. 또한, 배터리 셀(111)의 용량이 40% 내지 80%의 사이에서는 대부분 에너지 저장 장치가 안정적인 상태이므로 이 구간에서 셀 밸런싱할 실익이 거의 없다.
셀 전압 편차 계산 단계(S7)에서, 제어부(113)는 전압 센서(1122)를 통해 센싱/획득한 배터리 셀(111)들 사이의 전압을 통해 배터리 셀(111)간 전압 편차를 계산한다.
셀 밸런싱 여부 판단 단계(S8)에서, 제어부(113)는 전압 센서(1122)를 통해 센싱한 배터리 셀(111)들 사이의 전압 편차가 기준 전압 편차 이내인지 판단한다. 일부 예들에서, 기준 전압 편차는 1mV 내지 1000mV일 수 있다. 제어부(113)는 배터리 셀(111)의 전압 편차가 기준 전압 편차 이내이면 다음 단계(S9)를 수행하고 아니면 이전 단계(S1)로 복귀한다.
셀밸런싱 요구량 계산 단계(S9)에서, 제어부(113)는 셀 밸런싱이 필요한 것으로 판단되면, 각 셀의 셀 전압에 기초하여 밸런싱이 필요한 각 셀(이하, '밸런싱 대상 셀'이라 명명함)의 밸런싱 요구량을 산출한다. 일부 예들에서, 제어부(113)는 배터리 셀(111)들에 대한 평균 셀 전압을 산출하고, 산출된 평균 셀 전압과 각 셀의 셀 전압 간의 차이로부터 각 셀의 밸런싱 요구량을 산출할 수 있다.
셀 밸런싱 스위치의 듀티비 계산 단계(S10)에서, 제어부(113)는 각 밸런싱 대상 셀에 대한 밸런싱 요구량이 산출되면, 산출된 밸런싱에 기초하여 대응하는 밸런싱 스위치(SWb)의 듀티비를 설정한다. 일부 예들에서, 밸런싱 스위치(SWb)의 듀티비는, (밸런싱 스위치(SWb)가 턴 온되어 전류가 흐른 시간)/(밸런싱 스위치(SWb)가 턴 온 되어 전류가 흐른 시간 + 밸런싱 스위치(SWb)가 턴 오프되어 전류가 흐르지 않은 시간)을 의미할 수 있고, 하나의 밸런싱 주기 내에 밸런싱 스위치(SWb)가 턴 온되는 듀레이션(Duration)의 비율로도 나타낼 수 있다.
밸런싱 스위치 제어 단계(S11)에서, 제어부(113)는 각 밸런싱 스위치(SWb)에 대해 산출된 듀티비를 셀 밸런싱 제어 정보에 포함하여 감시부(112)로 전송한다. 그러면, 감시부(112)는 이를 토대로 각 밸런싱 스위치(SWb)의 턴온/턴오프를 제어한다. 이 때, 밸런싱 스위치(SWb)를 펄스 구동할 경우, 대응하는 방전 경로의 평균 밸런싱 전류/전력은 스위치(SWb)의 듀티비에 비례한다.
상술한 바와 같이, 밸런싱 스위치(SWb)의 듀티비는, 대응하는 밸런싱 대상 셀의 밸런싱 요구량 비에 대응하여 설정된다. 즉, 제어부(113)는 밸런싱 대상 셀들 간의 밸런싱 요구량의 비율과, 대응하는 밸런싱 스위치들(SWb) 간의 듀티비를 동일하게 설정한다.
이와 같이 설정할 경우, 셀 밸런싱이 동시에 개시되는 배터리 셀(111)들에 대해서, 밸런싱 완료 시간 또한 동일해질 수 있다. 또한, 모든 밸런싱 대상 셀에서 셀 밸런싱에 의해 소비되는 소비 전력의 합은, 셀 밸런싱이 개시되어 완료되기까지 일정하게 유지되며, 이러한 소비 전력의 평균화로 인해, 셀 밸런싱에 의한 최대 소비 전력 또한 감소하게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예는 셀 밸런싱 시간을 단축하는 동시에 모든 배터리 셀(111)의 셀 밸런싱 완료 시간이 동일해지도록 함으로써, 배터리 셀(111)의 열화 현상을 최소화하고 화재를 예방할 수 있는 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템(100)을 제공한다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 인접(이웃)하는 배터리 셀(111)간에 밸런싱 단자(Bin)를 공유하여, 밸런싱 단자(Bin)를 공유하는 인접 셀들에 대해서는 밸런싱 스위치(SWb)들을 동시에 온 시킬 수 없는 구조이다. 따라서, 홀수번째 밸런싱 대상 셀과 짝수번째 밸런싱 대상 셀에 대해 교대로 셀 밸런싱이 진행되어, 셀 밸런싱 효율이 제한될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예는 밸런싱 대상 셀들간의 밸런싱 요구량 비에 기초하여 밸런싱 스위치(SWb)의 듀티비를 설정한 상태에서, 인접하는 두 개의 셀들의 듀티비 합이 최대 100%가 되도록 밸런싱 스위치(SWb)의 듀티비를 조절하여 사용한다.
따라서, 인접하는 두 개의 셀들에 대해 어느 하나의 밸런싱이 오프되는 동안 다른 하나의 밸런싱을 온 시킴으로써 인접하는 두 셀이 동시에 온 되는 것을 방지하면서도, 듀티비 조정을 통해 하나의 셀에 대해 50% 이상의 듀티비를 설정하는 것이 가능하여 셀 밸런싱 효율을 증가시킬 수 있다.
일부 예들에서, 제어부(113)는 감시부(112)의 전압 센서(1122)로부터 센싱/획득한 시간당 전압 값을 이용하여, 배터리 셀(111)의 사용 시간 또는 충방전 사이클 경과에 따른 전압 변화값(A), 배터리 셀(111)의 사용 시간 또는 충방전 사이클 경과에 따른 전압 편차값(B), 배터리 셀(111)의 사용 시간 또는 충방전 사이클 경과에 따른 전압 편차값의 변화값(C)을 추가적으로 계산할 수 있다.
여기서, 배터리 셀(111)의 전압 변화값(A)은 하나의 배터리 셀 또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀 각각의 사용 시간 또는 충방전 사이클 경과에 따른 전압 변화값을 의미할 수 있다. 또한, 배터리 셀(111)의 전압 편차값(B)은 2개의 배터리 셀 또는 병렬로 연결된 일측의 배터리 셀들과 병렬로 연결된 타측의 배터리 셀들 사이의 사용 시간 또는 충방전 사이클 경과에 따른 전압 편차값을 의미할 수 있다. 또한, 배터리 셀(111)의 전압 편차값의 변화값(C)은 사용 시간 또는 충방전 사이클 경과에 따른 상술한 두개의 전압 편차값의 변화값 또는 다수의 전압 편차값의 변화값을 의미할 수 있다.
한편, 제어부(113)는 배터리 셀(111)의 전압 변화값(A)이 미리 설정된 기준범위(a)를 벗어나거나, 배터리 셀(111)의 전압 편차값(B)이 미리 설정된 기준범위(b)를 벗어나거나, 그리고/또는 배터리 셀(111)의 전압 편차값의 변화값(C)이 미리 설정된 기준범위(c)를 벗어날 경우, 감시부(112)를 통하여 충방전 스위치(114)에 배터리 셀(111)의 충방전을 정지하도록 하는 충방전 정지 신호를 전송하고, 마스터 제어부(130)를 통하여 관리 서버(140) 및 모바일 단말기(150)로 충방전 정지 상태를 전송할 수 있다.
특히, 배터리 셀(111)의 충방전 이상으로 화재가 발생될 경우, 상술한 배터리 셀(111)의 전압 편차값의 변화값(C)이 미리 설정된 기준범위(c)를 벗어나는 사전 징조 현상이 나타나는데, 본 발명의 실시예는 이러한 사전 징조 현상을 감지하여 배터리 셀(111)의 충방전을 미리 정지시키고 이러한 상태를 관리자에게 알림으로써, 에너지 저장 장치의 화재 예방에도 큰 기여를 할 수 있다.
일부 예들에서, 제어부(113)는 배터리 셀(111)의 전압 변화값(A)과 기준범위(a), 배터리 셀(111)의 전압 편차값(B)과 기준범위(b), 배터리 셀(111)의 전압 편차값의 변화값(C)과 기준범위(c)를 배터리 셀(111)의 충전 시에는 배터리 셀(111) 용량이 80%보다 클 때 상호간 비교하고(또는 정전압 충전 모드에서 정전류 충전 모드로 변환되었을 때 상호간 비교하고), 배터리 셀(111)의 방전 시에는 배터리 셀(111) 용량이 30%보다 작을 때 상호간 비교하여 상술한 제어 동작을 수행할 수 있다.
특히, 배터리 셀(111)의 전압 변화값(A), 배터리 셀(111)의 전압 편차값(B), 배터리 셀(111)의 전압 편차값의 변화값(C)의 변화는 상술한 충전 시 배터리 용량이 80%보다 클 때, 그리고 방전 시에는 배터리 용량이 30%보다 작을 때, 상대적으로 큰 값을 갖는다. 따라서, 본 발명의 실시예는 상대적으로 큰 값의 차이가 나는 시점에 중점적으로 배터리 셀(111)의 위험 상태를 알리는 사전 징조 현상을 모니터링함으로써, 에너지 저장 장치의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템
110; 제1배터리 팩 111; 배터리 셀
112; 감시부 1121; 온도 센서
1122; 전압 센서 1123; 전류 센서
1124; 셀밸런싱 회로 1125; 감시 회로
113; 제어부 1131; 중앙처리장치
1132; 메모리 1133; 프로그램 코드
114; 충방전 스위치 120; 제2배터리 팩
130; 마스터 제어부 140; 관리 서버
150; 모바일 단말기 161; 제1아이솔레이터
162; 제2아이솔레이터 170; 인터넷망
180; 부하/충전기

Claims (9)

  1. 다수의 배터리 셀; 다수의 배터리 셀에 대한 온도, 전압 및 전류를 센싱하고, 다수의 배터리 셀에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 감시부; 및 감시부로부터 온도, 전압 및 전류의 정보를 수신하여 배터리 셀의 온도, 배터리 셀의 시간당 충방전율, 배터리 셀의 용량 및 배터리 셀간 전압 편차를 계산하는 제어부를 포함하는 적어도 하나의 배터리 팩;
    배터리 팩의 제어부에 아이솔레이터를 통해 통신 가능하게 연결된 마스터 제어부; 및
    마스터 제어부에 인터넷망을 통해 연결된 관리 서버 및 모바일 단말기를 포함하고,
    배터리 팩의 제어부는 배터리 셀의 온도가 기준 온도 범위 내이고, 배터리 셀의 시간당 충방전율이 기준 시간당 충방전율 내이며, 배터리 셀의 용량이 기준 용량 범위 내이고, 배터리 셀간 전압 편차가 기준 전압 편차 범위 내일 경우, 감시부에 셀 밸런싱 제어 신호를 출력하여 감시부가 다수의 배터리 셀을 셀 밸런싱하도록 하되,
    기준 온도 범위는 0℃ 내지 50℃이고, 기준 시간당 충방전율은 0.01C 내지 0.1C이며, 기준 용량 범위는 배터리 셀의 방전 시 20% 내지 40% 및 배터리 셀의 충전 시 80% 내지 100%, 기준 전압 편차는 1mV 내지 1000mV인, 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제어부의 메모리에는 기준 온도 범위, 기준 시간당 충방전율, 기준 용량 범위 및 기준 전압 편차가 저장된, 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    마스터 제어부는 아이솔레이터를 통해 제어부로부터 배터리 셀의 온도, 배터리 셀의 시간당 충방전율, 배터리 셀의 용량, 배터리 셀간 전압 편차 및 셀 밸런싱의 정보를 수신하여, 인터넷망을 통해 연결된 관리 서버 및 모바일 단말기에 전송하는, 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    배터리 팩은 복수개이고, 복수개의 배터리 팩은 복수개의 아이솔레이터를 통하여 캐스케이드 형태로 연결된, 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    감시부는 서로 직렬 연결되는 다수의 배터리 셀 각각에 대해 방전 경로를 형성하는 다수의 밸런싱 저항과, 다수의 배터리 셀과 다수의 밸런싱 저항 사이에 각각 연결되며, 다수의 배터리 셀 각각에 대한 셀 밸런싱을 제어하는 다수의 밸런싱 스위치, 다수의 밸런싱 스위치의 턴온 및 턴오프를 제어하는 감시 회로를 포함하고,
    제어부는 배터리 셀간 전압 편차에 기초하여 다수의 배터리 셀 각각의 밸런싱 요구량을 계산하고, 밸런싱 요구량에 기초하여 다수의 밸런싱 스위치의 듀티비를 계산하며, 다수의 배터리 셀 중 인접하는 두 개의 배터리 셀들 간의 듀티비 합에 기초하여 듀티비를 조절하는, 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제어부는 인접하는 두 개의 배터리 셀들의 밸런싱 스위치들이, 서로 교대로 턴온되도록 제어하는, 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    제어부는 인접하는 두 개의 배터리 셀들 간의 듀티비 합 중 최대값이 100%가 되도록 하는, 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서,
    제어부는 다수의 배터리 셀 간의 밸런싱 요구량의 비가, 다수의 밸런싱 스위치 간의 듀티비와 동일하도록 듀티비를 계산하는, 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템.
  9. 제 5 항에 있어서,
    제어부는 다수의 밸런싱 스위치의 듀티비에 따라 다수의 밸런싱 스위치의 턴온/턴오프를 제어하도록 감시 회로에 제어 신호를 전송하는, 이모빌리티용 스마트 배터리 모니터링 시스템.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230033259A (ko) 2021-08-31 2023-03-08 스마트론파워(주) IoT 원격감시 기반의 충전시스템
WO2024053881A1 (ko) * 2022-09-08 2024-03-14 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 보호 장치 및 방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160027764A (ko) * 2014-09-02 2016-03-10 현대모비스 주식회사 배터리 센서 및 배터리 모니터링 시스템
KR20170054312A (ko) * 2015-11-09 2017-05-17 주식회사 루비 셀 밸런싱 기능이 있는 셀 모듈 및 그를 갖는 배터리팩
KR20190011568A (ko) * 2017-07-25 2019-02-07 주식회사 엘지화학 배터리 관리 유닛 및 이를 포함하는 배터리팩
KR20190067992A (ko) * 2017-12-08 2019-06-18 현대자동차주식회사 차량 및 차량의 제어방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160027764A (ko) * 2014-09-02 2016-03-10 현대모비스 주식회사 배터리 센서 및 배터리 모니터링 시스템
KR20170054312A (ko) * 2015-11-09 2017-05-17 주식회사 루비 셀 밸런싱 기능이 있는 셀 모듈 및 그를 갖는 배터리팩
KR20190011568A (ko) * 2017-07-25 2019-02-07 주식회사 엘지화학 배터리 관리 유닛 및 이를 포함하는 배터리팩
KR20190067992A (ko) * 2017-12-08 2019-06-18 현대자동차주식회사 차량 및 차량의 제어방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230033259A (ko) 2021-08-31 2023-03-08 스마트론파워(주) IoT 원격감시 기반의 충전시스템
WO2024053881A1 (ko) * 2022-09-08 2024-03-14 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 보호 장치 및 방법

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