KR102217620B1 - 재사용 배터리 시스템 - Google Patents

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윤진식
이재훈
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Abstract

본 발명은 전기차에 사용된 복수의 배터리 모듈을 직렬로 구성하며, 상기 복수의 배터리 모듈에 포함되는 배터리 셀은 16개인 배터리 팩, 외부의 충전기로부터 입력되는 전류를 제어하여 상기 배터리 팩에 대한 충전을 수행하고 상기 배터리 팩의 방전을 관리하는 BMS, 그리고 상기 BMS의 제어 동작에 따라 상기 배터리 팩의 온/오프, 과전압/과전류/과열시에 재사용 배터리 시스템의 전원을 차단하는 기능을 수행하는 릴레이부를 포함하며, 상기 복수의 배터리 모듈간의 용량 및 출력은 ±5% 범위 이내인 재사용 배터리 시스템에 관한 것이다.

Description

재사용 배터리 시스템{REUSE BATTERY SYSTEM}
본 발명은 전기차(EV, Electronic Vehicle)의 사용 후 배터리 모듈을 에너지저장장치로 재사용하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
전기자동차는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차이다. 현재 국내의 전기자동차 차종으로는 현대자동차의 아이오닉과 르노 삼성의 SM3 등이 있다.
현대자동차의 아이오닉에 사용되는 배터리 팩은 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 6개의 셀이 직렬로 연결된 6직렬 배터리 모듈(10)이 6개가 사용되고, 10개의 셀이 직렬로 연결된 10직렬 배터리 모듈(20)이 6개가 사용된다. 즉, 현대자동차의 아이오닉에 사용되는 배터리 팩은 6직렬 배터리 모듈(10)이 6개 및 10직렬 배터리 모듈(20)이 6개, 총 96개의 배터리 모듈을 사용하고 있다.
그리고, 르노 삼성의 SM3에 사용되는 배터리 팩은 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 4개의 셀이 직렬로 연결된 4직렬 배터리 모듈(30)이 24개가 사용 즉, 총 96개의 4직렬 배터리 모듈(30)이 사용되고 있다.
그런데 이러한 전기차의 배터리 모듈은 전기차의 폐차나 배터리 팩의 문제 등으로 인해 사용을 하지 않게 되는데, 이렇게 전기차의 배터리를 폐기하게 되면 환경문제나 처리 비용 등의 문제가 발생한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전기차에 사용되었던 배터리를 에너지저장장치 등으로 재사용할 수 있게 하는 재사용 배터리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 배터리 셀이 밸런싱된 재사용 배터리 시스템을 제공하는 것이다.
본 실시 예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 이하의 실시 예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 실시 예에 따른 본 발명은 전기차에 사용된 복수의 배터리 모듈을 직렬로 구성하며, 상기 복수의 배터리 모듈에 포함되는 배터리 셀은 16개인 배터리 팩, 외부의 충전기로부터 입력되는 전류를 제어하여 상기 배터리 팩에 대한 충전을 수행하고 상기 배터리 팩의 방전을 관리하는 BMS, 그리고 상기 BMS의 제어 동작에 따라 상기 배터리 팩의 온/오프, 과전압/과전류/과열시에 재사용 배터리 시스템의 전원을 차단하는 기능을 수행하는 릴레이부를 포함하며, 상기 복수의 배터리 모듈간의 용량 및 출력은 ±5% 범위 이내인 재사용 배터리 시스템을 제공한다.
상기 복수의 배터리 모듈에 포함되는 16개의 배터리 셀은 셀간 직류내부저항의 차이가 ±10% 범위 이내이고, 셀간 교류내부저항의 차이가 ±10% 범위 이내이며, 셀간 전압차이가 100mV 이내이다.
상기 BMS는 상기 복수의 배터리 모듈 각각에 대한 용량을 측정하고 비교하여 용량차이가 ±5%를 초과하는 배터리 모듈이 있는 경우에 해당 배터리 모듈을 알리는 동작을 수행하고, 상기 복수의 배터리 모듈 간의 용량차이이 ±5%인 상태에서 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 출력을 측정하고 비교하여 출력차이가 ±5%를 초과하는 배터리 모듈이 있는 경우에 해당 배터리 모듈을 알리는 동작을 수행하며, 상기 복수의 배터리 모듈 간의 용량차이 및 출력차이가 ±5%인 상태에서 상기 16개의 배터리 셀 각각에 대해 직류내부저항과 교류내부저항을 측정하여 비교하여 셀간 내부저항의 차이가 ±10%를 초과하는 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈이 있는 경우에 해당 배터리 모듈을 알리는 동작을 수행하고, 상기 복수의 배터리 모듈 간의 용량차이 및 출력차이가 ±5%이고, 상기 16개의 배터리 셀 간 내부저항의 차이가 ±10% 이내인 상태에서 상기 16개의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하고 비교하여 셀간 전압차이가 100mV를 초과하는 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈이 있는 경우에 해당 배터리 모듈을 알리는 동작을 수행할 수 있다.
발명의 실시 예에 따르면, 본 발명은 전기차의 사용 후 배터리를 에너지저장장치로 재사용할 수 있게 한다.
도 1은 종래의 실시 예에 따른 배터리 팩의 내부 구성을 보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 재사용 배터리 시스템의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 재사용 배터리 시스템에서 배터리 팩의 내부 구성을 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 재사용 배터리 시스템에서 배터리 팩에 사용되는 배터리 모듈을 선별하기 과정을 보인 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 BMS에서 배터리 팩에 사용되는 배터리 모듈을 선별하기 과정을 보인 순서도이다.
아래에서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들(이하, 통상의 기술자들)이 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록, 첨부되는 도면들을 참조하여 몇몇 실시 예가 명확하고 상세하게 설명될 것이다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부" 이라는 용어는 하드웨어 구성요소 또는 회로를 의미할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 재사용 배터리 시스템을 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 재사용 배터리 시스템의 블록 구성도이다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 재사용 배터리 시스템(100)은 배터리 팩(110), BMS(Battery Management System)(120) 및 릴레이부(130)를 포함한다.
배터리 팩(110)은 전기차의 폐 배터리 모듈을 이용하여 구성되며, 배터리 모듈이 16개가 직렬로 연결된 16 직렬 배터리 팩이다. 배터리 팩(110)을 구성하는 각 배터리 모듈 및 셀은 밸런싱되어 배터리의 성능을 최대가 되도록 구성된다. 이때 배터리의 성능을 최대가 되도록 하기 위하여, 각 배터리 셀 간의 전압차(전압편차), 배터리 모듈의 셀간 내부저항, 배터리 모듈의 용량, 배터리 모듈의 출력 등을 측정하고 진단한 후 배터리 셀 및 모듈을 선별한다.
BMS(120)는 외부의 충전기와 연결되고 릴레이부(130)와 연결되어 외부의 충전기로부터 입력되는 전류를 제어하여 배터리 팩(110)에 대한 충전을 수행하고 릴레이부(130)를 제어하여 배터리 팩(110)의 방전을 수행한다. 그리고 BMS(120)는 배터리 모듈에 대한 관리를 수행한다.
배터리 모듈에 대한 관리는 16개의 배터리 모듈의 셀 전압과 용량, 출력, 내부 저항 등을 측정하고 측정한 결과를 이용하여 각 셀에 대한 밸런싱을 수행하며, 각 배터리 모듈의 온도와 2개의 배터리시스템 온도를 측정하고 Relay 동작회로와 전류센서를 이용하여 충전상태(SOC)를 계산하고, 충전전압 64V, 방전전압 64V~48V 범위에서 사용할 수 있게 한다.
릴레이부(130)는 BMS(120)의 제어 동작에 따라 배터리 팩(110)의 온/오프, 과전압/과전류/과열시에 배터리 시스템(100)의 전원을 차단하는 기능을 수행하며, DC/DC 컨버터와 연결되어 DC/DC 컨버터를 통해 12V 또는 24V 또는 48V의 전압이 방전되게 한다.
이하에서는 도 3을 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩(110)에 대한 실시 예를 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 재사용 배터리 시스템에서 배터리 팩의 내부 구성을 보인 도면이다.
도 3의 (a)를 참고하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 배터리 팩(110)은 4개의 배터리 셀이 직렬로 연결된 4직렬 배터리 모듈(30)을 4개로 구성하고, 각 4직렬 배터리 모듈(30)을 직렬로 연결되어 있다. 따라서 총 배터리 셀은 16개로 구성된다.
도 3의 (b)를 참고하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 팩(110)은 6개의 배터리 셀이 직렬 연결된 하나의 6직렬 배터리 모듈(10)과 10개의 배터리 셀이 직렬로 연결된 하나의 10직렬 배터리 모듈(20)이 직렬로 연결되어 있다. 따라서, 따라서 총 배터리 셀은 16개로 구성된다.
도 3의 (c)를 참고하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 배터리 팩(110)은 4개의 배터리 셀이 직렬 연결된 하나의 4직렬 배터리 모듈(30)과 6개의 배터리 셀이 직렬로 연결된 두 개의 6직렬 배터리 모듈(10)이 직렬로 연결되어 있다. 따라서, 따라서 총 배터리 셀은 16개로 구성된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 재사용 배터리 시스템에서 배터리 팩에 사용되는 배터리 모듈을 선별하기 과정을 보인 순서도이다.
일반적으로, 배터리 팩을 이루는 각각의 배터리 셀은 제조 공정상의 여러 가지 이유로 인해 용량 편차가 존재하고, 전기차에 사용에 따라 용량 편차 및 성능 편차가 발생한다. 따라서 배터리 셀에 대한 밸런싱을 통한 선별을 하지 않으면, 배터리 팩은 충방전 사이클 중에 각 배터리 셀의 충방전 전압에 편차가 발생한다. 즉, 배터리는 사용 환경과 조건에 따라 모듈 또는 시스템을 구성하고 있는 단전지의 성능의 차이가 발생하고 불균형이 심화하게 된다. 이에 따라 배터리 팩은 충전 중에 특정 배터리 셀이 과충전될 수 있고, 또한 방전 중에 특정 배터리 셀이 과방전될 수 있다.
이와 같은 배터리 셀의 과충전이나 과방전은 배터리 팩의 용량을 감소시킬 뿐만 아니라 배터리 팩을 열화(degrade)시키고 수명을 단축시킨다.
또한 배터리 팩 방전 시에는 상기 배터리 팩 내에서 하나의 배터리셀이 다른 배터리셀들에 비하여 먼저 하한 전압에 도달할 경우 더 이상 배터리 팩을 사용할 수 없게 되므로 그만큼 배터리 팩의 사용시간이 단축된다. 이와 같은 전압편차는 배터리 전압의 균일성을 저해하게 되고, 결국에는 배터리 열화의 원인으로 작용하게 되어 배터리의 수명을 감소시킨다. 배터리셀의 양단 전압이 일정 수치를 넘을 경우 폭발의 위험이 있고, 일정 수치 이하로 떨어질 경우에는 배터리셀에 영구적인 손상이 가해지게 된다.
이러한 배터리 팩의 열화 및 수명 단축을 감소시키고, 장시간 안정적인 성능을 유지하면서 사용할 수 있게 하기 위해서는 배터리 셀에 대한 밸런싱에 따른 선별이 필요하다.
배터리 셀에 대한 밸런싱은 배터리 팩에 사용되는 배터리 모듈 간의 용량 차이가 ±5% 범위 내에 있고, 배터리 모듈 간의 출력 차이가 ±5% 범위 내에 있으며, 모든 배터리 셀 간의 직류내부저항 및 교류내부저항의 차이가 ±5% 범위 내에 있고, 모든 배터리 셀 간의 전압차이(전압편차)가 100mV 이하가 되도록 한다.
이를 위해, 작업자는 장치를 이용하여 모든 배터리 모듈에 대한 용량을 측정하고 파악한다(S401). 그리고 작업자는 배터리 모듈의 출력을 측정하고 파악한다(S402).
작업자는 배터리 모듈의 각 셀에 대하여 직류내부저항과 교류내부저항을 측정하여 파악하고(S403), 배터리 모듈의 각 셀에 대하여 전압을 측정하고 파악한다(S404).
그런 다음 작업자는 동일 배터리 모듈의 각 셀 간의 직류내부저항과 교류 내부저항의 차이가 ±5% 범위 이내이고, 셀간 전압차이가 100mV 이하인 배터리 모듈만을 선별하고, 셀 간의 직류내부저항과 교류 내부저항의 차이가 ±5% 범위 이내이고, 셀간 전압차이가 100mV 이하인 배터리 모듈은 재사용에서 제외시킨다.
그리고, 선별된 배터리 모듈의 용량과 출력에 따라 배터리 모듈의 등급을 결정하고, 동일한 등급의 배터리 모듈만을 본 발명의 실시 예에 따른 재사용 배터리 시스템(100)의 배터리 팩(110)으로 사용한다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 재사용 배터리 시스템(100)의 배터리 팩(110)은 배터리 모듈 간의 용량 및 출력 차이가 ±5% 범위 내에 있고, 모든 배터리 셀 간의 직류내부저항 및 교류내부저항의 차이가 ±5% 범위 내에 있으며, 모든 배터리 셀 간의 전압차이(전압편차)가 100mV 이하가 된다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 BMS에서 배터리 팩에 사용되는 배터리 모듈을 선별하기 과정을 보인 순서도이다. 배터리 모듈을 선별하는 과정은 도 4를 참조로 설명한 작업자에 의해 배터리 모듈을 선별한 이후에 진행되거나, 도 4를 참조로 설명한 작업자에 의해 배터리 모듈을 선별하는 과정없이 진행될 수 있다.
도 5를 참고하면, 작업자가 우선 배터리 초기 세팅 모드를 설정한다(미도시). 배터리 초기 세팅 모드가 설정되면, BMS(120)는 배터리 팩(110)을 구성하는 모든 배터리 모듈에 대한 용량을 측정하고 파악한 후(S501). 측정한 모든 배터리 모듈 간의 용량을 비교한다(S502). 그리고 BMS(120)는 상기 S502 비교 과정에서 다른 배터리 모듈의 용량에 비해서 설정범위 즉, ±5%를 초과하는 배터리 모듈이 있는지를 판단한다(S503).
BMS(120)는 다른 배터리 모듈의 용량에 비해서 ±5%를 초과하는 배터리 모듈이 있으면 해당 배터리 모듈의 존재를 작업자에게 알린다(S514). 여기서, 배터리 모듈의 존재를 알리기 위한 구성은 외부의 디스플레이 장치를 결합시키는 등의 방법으로 달성이 가능하다. 원하는 배터리 팩의 구성에 맞지 않는 배터리 모듈이 있음을 알게된 작업자는 해당 배터리 모듈을 교체하게 되고(S515), BMS(120)는 다시 S501 과정을 수행한다.
다른 배터리 모듈의 용량에 비해서 ±5%를 초과하는 배터리 모듈이 없으면, BMS(120)는 다음 단계로 각 배터리 모듈의 출력을 측정하고 파악하며(S504), 측정한 모든 배터리 모듈 간의 출력을 비교한다(S505). 그리고 BMS(120)는 상기 S505 비교 과정에서 다른 배터리 모듈의 출력에 비해서 설정범위 즉, ±5%를 초과하는 배터리 모듈이 있는지를 판단한다(S506).
BMS(120)는 다른 배터리 모듈의 출력에 비해서 ±5%를 초과하는 배터리 모듈이 있으면 해당 배터리 모듈의 존재를 작업자에게 알리고(S514). 해당 배터리 모듈이 교체되게 한다(S515).
모든 배터리 모듈의 용량 및 출력이 설정 범위 이내에 있으면, BMS(120)는 배터리 모듈의 각 셀에 대하여 직류내부저항과 교류내부저항을 측정하여 파악하고(S507), 각 셀간의 직류내부저항과 교류내부저항을 각각 비교한다(S508).
BMS(120)는 다른 셀의 내부저항에 비해 설정범위 즉, ±%10를 초과하는 배터리 셀이 있는지를 판단하고(S509), 해당 배터리 셀이 있으면 해당 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 존재를 작업자에게 알리고(S514), 해당 배터리 모듈이 교체되게 한다(S515).
다음으로, 모든 배터리 모듈의 용량, 출력이 설정 범위 이내에 있고 셀간 직류내부저항의 차이가 설정 범위 이내에 있는 경우에, BMS(120)는 배터리 모듈의 각 셀의 전압을 측정하여 파악하고(S510), 각 셀간의 전압을 각각 비교한다(S511).
BMS(120)는 다른 셀의 전압에 비해 설정범위 즉, 100mV를 초과하는 배터리 셀이 있는지를 판단하고(S512), 해당 배터리 셀이 있으면 해당 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 존재를 작업자에게 알리고(S514), 해당 배터리 모듈이 교체되게 한다(S515).
한편, S512 과정에서 모든 셀의 전압차이가 100mV 이내이면 BMS(120)는 16직렬 배터리 팩의 구성이 완성되었음을 알린다(S513).
상기 설명들은 본 발명을 구현하기 위한 예시적인 구성들 및 동작들을 제공하도록 의도된다. 본 발명의 기술 사상은 위에서 설명된 실시 예들뿐만 아니라, 위 실시 예들을 단순하게 변경하거나 수정하여 얻어질 수 있는 구현들도 포함할 것이다. 또한, 본 발명의 기술 사상은 위에서 설명된 실시 예들을 앞으로 용이하게 변경하거나 수정하여 달성될 수 있는 구현들도 포함할 것이다.
10: 6직렬 배터리 모듈 20: 10직렬 배터리 모듈
30: 4직렬 배터리 모듈 100: 재사용 배터리 시스템
110: 배터리 팩` 120: BMS
130: 릴레이부

Claims (3)

  1. 전기차에 사용된 복수의 폐 배터리 모듈을 직렬로 구성하며, 상기 복수의 폐 배터리 모듈에 포함되는 배터리 셀은 16개인 배터리 팩,
    외부의 충전기로부터 입력되는 전류를 제어하여 상기 배터리 팩에 대한 충전을 수행하고 상기 배터리 팩의 방전을 관리하는 BMS, 그리고
    상기 BMS의 제어 동작에 따라 상기 배터리 팩의 온/오프, 과전압/과전류/과열시에 재사용 배터리 시스템의 전원을 차단하는 기능을 수행하는 릴레이부를 포함하며,
    상기 복수의 배터리 모듈간의 용량 및 출력은 ±5% 범위 이내이고,
    상기 복수의 배터리 모듈에 포함되는 16개의 배터리 셀은 셀간 직류내부저항의 차이가 ±10% 범위 이내이고, 셀간 교류내부저항의 차이가 ±10% 범위 이내이며, 셀간 전압차이가 100mV 이내이며,
    상기 배터리 팩은 직렬로 연결된 4직렬 배터리 모듈 4개로 구성되거나, 직렬로 연결된 6직렬 배터리 모듈 1개와 10직렬 배터리 모듈로 구성되거나, 직렬로 연결된 4직렬 배터리 모듈 1개와 6직렬 배터리 모듈 2개로 구성되는 재사용 배터리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 BMS는 상기 복수의 배터리 모듈 각각에 대한 용량을 측정하고 비교하여 용량차이가 ±5%를 초과하는 배터리 모듈이 있는 경우에 해당 배터리 모듈을 알리는 동작을 수행하고, 상기 복수의 배터리 모듈 간의 용량차이이 ±5%인 상태에서 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 출력을 측정하고 비교하여 출력차이가 ±5%를 초과하는 배터리 모듈이 있는 경우에 해당 배터리 모듈을 알리는 동작을 수행하며, 상기 복수의 배터리 모듈 간의 용량차이 및 출력차이가 ±5%인 상태에서 상기 16개의 배터리 셀 각각에 대해 직류내부저항과 교류내부저항을 측정하여 비교하여 셀간 내부저항의 차이가 ±10%를 초과하는 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈이 있는 경우에 해당 배터리 모듈을 알리는 동작을 수행하고, 상기 복수의 배터리 모듈 간의 용량차이 및 출력차이가 ±5%이고, 상기 16개의 배터리 셀 간 내부저항의 차이가 ±10% 이내인 상태에서 상기 16개의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하고 비교하여 셀간 전압차이가 100mV를 초과하는 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈이 있는 경우에 해당 배터리 모듈을 알리는 동작을 수행하는,
    재사용 배터리 시스템.
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