KR102247391B1 - 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

병렬로 접속되는 복수의 배터리 모듈들을 포함하는 배터리 시스템이 제공된다. 상기 복수의 배터리 모듈들 각각은 배터리, 제1 및 제2 출력 단자, 상기 배터리와 상기 제1 출력 단자 사이에 연결되는 스위치부, 및 상기 배터리의 배터리 전압을 감지하고, 상기 스위치부를 제어하는 배터리 관리부를 포함한다. 상기 배터리 관리부들 각각은 통신 버스를 통해 다른 배터리 관리부들과 통신 가능하게 접속되며, 대응하는 배터리 모듈의 모듈 정보를 다른 배터리 관리부들에게 전송하고, 상기 다른 배터리 관리부들로부터 모듈 정보들을 수신하고, 상기 모듈 정보들을 기초로 대응하는 스위치부를 제어하도록 구성된다.

Description

배터리 시스템{Battery system}
본 발명은 병렬로 연결되는 배터리 모듈들을 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
통신 장치와 같이 항상 켜 있어야 하는 중요 전자 장비에는 안정적인 전원 공급을 위해 직류 전원이 인가된다. 정전이 발생하거나 직류 전원 공급 장치가 고장나더라도, 이러한 중요 전자 장비에 안정적인 직류 전원을 공급하기 위해서, 배터리 시스템이 사용되며 배터리 시스템의 용량도 점점 증가하고 있다. 대용량 배터리 시스템의 경우, 배터리 모듈들이 병렬로 연결되는데, 전압 차가 있는 배터리 모듈들을 병렬로 연결하면 인러쉬 전류가 발생하며, 이러한 인러쉬 전류는 배터리 모듈들 또는 배터리 시스템에 고장을 유발할 수 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 인러쉬 전류의 발생을 방지할 수 있는 배터리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 시스템은 병렬로 접속되는 복수의 배터리 모듈들을 포함한다. 상기 복수의 배터리 모듈들 각각은 배터리, 제1 및 제2 출력 단자, 상기 배터리와 상기 제1 출력 단자 사이에 연결되는 스위치부, 및 상기 배터리의 배터리 전압을 감지하고, 상기 스위치부를 제어하는 배터리 관리부를 포함한다. 상기 배터리 관리부들 각각은 통신 버스를 통해 다른 배터리 관리부들과 통신 가능하게 접속되며, 대응하는 배터리 모듈의 모듈 정보를 다른 배터리 관리부들에게 전송하고, 상기 다른 배터리 관리부들로부터 모듈 정보들을 수신하고, 상기 모듈 정보들을 기초로 대응하는 스위치부를 제어하도록 구성된다.
상기 모듈 정보는 상기 배터리의 배터리 전압 및 상기 스위치부의 연결 상태를 포함할 수 있다.
상기 배터리 관리부들 각각은 상기 모듈 정보들을 기초로 상기 제1 및 제2 출력 단자들 사이의 단자 전압을 결정하고, 대응하는 배터리의 배터리 전압을 상기 단자 전압과 비교하고, 비교 결과에 따라 대응하는 스위치부의 연결 상태를 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 스위치부는 상기 배터리와 상기 제1 출력 단자 사이에 직렬로 연결되는 충전 스위치 및 방전 스위치, 및 상기 배터리와 상기 제1 출력 단자 사이에 직렬로 연결되는 프리차지 스위치 및 프리차지 저항을 포함할 수 있다.
상기 모듈 정보는 상기 배터리의 배터리 전압, 및 상기 충전 스위치, 상기 방전 스위치 및 상기 프리차지 스위치의 연결 상태를 포함할 수 있다. 상기 배터리 관리부들 각각은 상기 모듈 정보들을 기초로 상기 제1 및 제2 출력 단자들 사이의 단자 전압을 결정하고, 대응하는 배터리의 배터리 전압과 상기 단자 전압의 전압차가 미리 설정된 설정값보다 크면 상기 충전 및 방전 스위치들을 개방하고 상기 프리차지 스위치를 단락시키고, 상기 전압차가 상기 설정값 이하이면 상기 충전 및 방전 스위치들을 단락시키고 상기 프리차지 스위치를 개방하도록 구성될 수 있다.
상기 충전 및 방전 스위치들이 개방된 배터리 모듈의 배터리 관리부는 상기 모듈 정보들을 기초로 상기 충전 및 방전 스위치들이 단락된 배터리 모듈의 배터리 전압을 수집하고, 상기 충전 및 방전 스위치들이 단락된 배터리 모듈의 배터리 전압을 기초로 상기 제1 및 제2 출력 단자들 사이의 단자 전압을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 배터리 시스템이 턴 온되면, 상기 배터리 관리부들 각각은 상기 모듈 정보들로부터 다른 배터리 모듈들의 배터리 전압들을 수집하고, 대응하는 배터리 모듈의 배터리 전압의 크기가 상기 다른 배터리 모듈들의 배터리 전압의 크기에 비해 미리 설정된 순위인 경우, 대응하는 스위치부의 상기 충전 및 방전 스위치들을 단락시키고 상기 프리차지 스위치를 개방하도록 구성될 수 있다.
상기 배터리 관리부들은 각각 자신의 식별 번호를 가지며 서로 동기화될 수 있다.
상기 배터리 관리부들은 상기 배터리 관리부들의 식별 번호에 따라 결정되는 순서에 따라 상기 모듈 정보를 상기 다른 배터리 관리부들에게 전송할 수 있다.
상기 배터리 관리부들은 미리 설정된 타이밍에 동시에 대응하는 배터리의 배터리 전압을 감지할 수 있다.
상기 배터리 관리부들 각각은 상기 통신 버스를 통해 브로드캐스트 방식으로 상기 모듈 정보를 상기 다른 배터리 관리부들에게 전송할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 배터리 시스템은 병렬로 연결되는 배터리 모듈들을 갖는다. 배터리 모듈들은 서로 모듈 정보를 공유하고 공유된 모듈 정보를 기초로 자체적인 알고리즘에 의해 동작한다. 예컨대, 어느 하나의 배터리 모듈에 고장이 발생하더라도 추가적인 설정 변경 없이 고장난 배터리 모듈을 새로운 배터리 모듈로 교체하면 된다. 새로운 배터리 모듈로 교환할 때, 인러쉬 전류가 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 배터리 시스템의 관리에 필요한 수고가 감소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 사용 예를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리 관리부들이 모듈 정보를 전송하는 타이밍을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 배터리 모듈의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치부의 예시적인 회로도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 사용 예를 개략적으로 도시한다.
도 1을 참조하면, 그리드(20)는 발전소, 변전소, 송전선 등을 포함하며, 상용 전원을 공급하는 전력 계통 또는 전력 그리드로 지칭될 수 있다. 일반적인 경우, 즉, 그리드(20)가 정상인 경우, 정류기(40)는 그리드(20)로부터 교류 전력을 공급받는다. 그러나, 그리드(20)가 비정상인 경우, 즉, 정전이 발생한 경우, 발전기(30)가 정류기(40)에 교류 전력을 공급한다.
발전기(30)는 에너지원으로부터 교류 전력을 생산하는 시스템이다. 발전기(30)는 예컨대 화석 연료를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 엔진 발전기일 수 있다. 예컨대, 발전기(30)는 디젤 발전기일 수 있다. 발전기(30)는 발전에 의해 생성된 전력을 정류기(40)에 공급할 수 있다.
정류기(40)는 그리드(20) 또는 발전기(30)로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 부하(50)에 공급한다. 정류기(40)로부터 출력되는 직류 전력은 직류 부하(50)에 제공되거나 배터리 시스템(10)을 충전하는데 사용될 수 있다. 일 예에 따르면, 정류기(40)는 스위칭 트랜지스터 등을 이용하여 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 스위치 제어 방식을 사용하는 전원 공급 장치일 수 있다. 이때, 정류기(40)는 스위칭 모드 파워 서플라이(switched mode power supply, SMPS)일 수 있으며, 반도체 스위치 소자의 온오프(on-off) 시간 비율을 제어하여 안정화된 직류 전원을 출력할 수 있다. 다른 예에 따르면, 정류기(40)는 배터리 시스템(10)에 저장된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 그리드(20)에 출력하는 컨버터 기능을 포함할 수 있다. 이때, 정류기(40)는 양방향 컨버터로 지칭될 수 있다.
배터리 시스템(10)은 정류기(40)와 직류 부하(50) 사이에 연결된다. 배터리 시스템(10)은 정류기(40)로부터 출력되는 직류 전류를 공급받아 충전할 수 있다. 이때, 정류기(40)로부터 출력되어 배터리 시스템(10)에 공급되는 직류 전류는 충전 전류(ic)로 지칭될 수 있다. 정류기(40)로부터 출력되는 직류 전류 중 일부는 직류 부하(50)에 공급되고, 나머지 일부가 충전 전류(ic)로서 배터리 시스템(10)에 공급될 수 있다. 정전의 발생 등과 같은 이유로 정류기(40)가 직류 전력을 출력할 수 없는 경우, 또는 정류기(40)로부터 출력되는 직류 전력의 양이 직류 부하(50)에서 소비하는 직류 전력의 양보다 작은 경우, 배터리 시스템(10)은 직류 부하(50)에 직류 전력을 공급할 수 있다. 이때, 배터리 시스템(10)으로부터 직류 부하(50)에 흐르는 전류는 방전 전류(id)로 지칭될 수 있다.
직류 부하(50)는 정류기(40) 또는 배터리 시스템(10)으로부터 공급되는 직류 전력을 소모하는 부하이다. 직류 부하(50)는 중단 없이 상시 동작해야 하는 전기 부하로서, 정류기(40)에 고장이 발생하더라도 배터리 시스템(10)으로부터 직류 전력을 공급받음으로써 중단 없이 동작할 수 있다. 예컨대, 직류 부하(50)는 초고속 정보통신 설비, 지능형 홈 네트워크, 전화, 인터폰, 유도 및 표시장치, 방송장치, 경보장치 등과 같이 통신과 관련된 통신 장비를 포함할 수 있다. 예컨대, 직류 부하(50)는 무선통신의 서비스를 위해 네트워크와 단말기를 연결하는 무선 통신 설비로서, 기지국(基地局) 내에 설치될 수 있다. 이때, 직류 부하(50)에 직류 전력이 공급되지 못할 경우, 직류 부하(50)는 동작을 멈추게 되며, 직류 부하(50)가 기지국 내의 무선 통신 설비인 경우, 기지국의 커버리지 내에서는 무선 통신이 불가능해진다. 따라서, 직류 부하(50)에는 직류 전력이 안정적으로 중단없이 공급되어야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 배터리 시스템(10)은 한 쌍의 버스바(61, 62)에 병렬로 접속되는 복수의 배터리 모듈들(100a-100n)을 포함한다. 한 쌍의 버스바(61, 62)는 버스바들(60)로 통칭될 수 있고, 복수의 배터리 모듈들(100a-100n)은 배터리 모듈들(100)로 통칭될 수 있다. 배터리 시스템(10)은 배터리 모듈들(100) 간의 통신 경로를 제공하는 통신 버스(140)를 포함할 수 있다. 제1 버스바(61)는 제1 노드로 지칭되고, 제2 버스바(62)는 제2 노드로 지칭될 수 있다.
배터리 모듈들(100a-100n)은 배터리(110a-110n), 한 쌍의 버스바(61, 62)에 각각 연결되는 제1 및 제2 출력 단자(101a-101n, 102a-102n), 배터리(110a-110n)와 제1 출력 단자(101) 사이에 연결되는 스위치부(120a-120n), 및 배터리(110a-110n)의 배터리 전압을 감지하고, 스위치부(120a-120n)를 제어하는 배터리 관리부(130a-130n)를 각각 포함한다. 예를 들면, 배터리 모듈(100a)는 배터리(110a), 제1 및 제2 출력 단자(101a, 102a), 스위치부(120a) 및 배터리 관리부(130a)를 포함하고, 배터리 모듈(100b)는 배터리(110b), 제1 및 제2 출력 단자(101b, 102b), 스위치부(120b) 및 배터리 관리부(130b)를 포함한다. 이러한 방식으로, 배터리 모듈(100n)는 배터리(110n), 제1 및 제2 출력 단자(101n, 102n), 스위치부(120n) 및 배터리 관리부(130n)를 포함한다. 배터리(110a-110n), 제1 및 제2 출력 단자(101a-101n, 102a-102n), 스위치부(120a-120n) 및 배터리 관리부(130a-130n)는 특정 배터리 모듈(예컨대, 100a)과 관련되지 않고 일반적인 특징을 설명하는 경우에는 배터리(110), 제1 및 제2 출력 단자(101, 102), 스위치부(120) 및 배터리 관리부(130)로 각각 통칭될 수 있다.
배터리 관리부들(130a-130n)은 통신 버스(140)를 통해 서로 통신 가능하게 접속된다. 각각의 배터리 관리부(130), 예컨대, 배터리 모듈(100a) 내의 배터리 관리부(130a)는 대응하는 배터리 모듈(100a)의 모듈 정보를 다른 배터리 관리부들(130b-130n)에게 전송하고, 다른 배터리 관리부들(130b-130n)로부터 모듈 정보들을 수신하고, 모듈 정보들을 기초로 대응하는 스위치부(120a)를 제어하도록 구성된다. 배터리 모듈(100b) 내의 배터리 관리부(130b)도 역시 배터리 관리부(130a)와 마찬가지로, 대응하는 배터리 모듈(100b)의 모듈 정보를 다른 배터리 관리부들(130a, 130c-130n)에게 전송하고, 다른 배터리 관리부들(130a, 130c-130n)로부터 모듈 정보들을 수신하고, 모듈 정보들을 기초로 대응하는 스위치부(120b)를 제어하도록 구성된다.
본 명세서에서, "대응하는"이라는 표현은 그 자신이 속한 배터리 모듈 또는 그 자신이 속한 배터리 모듈 내의 구성요소를 지칭하기 위해 사용된다. 예컨대, 배터리 관리부(130a)에 대응하는 배터리 모듈은 배터리 관리부(130a)가 속한 배터리 모듈(100a)을 지칭하며, 배터리 관리부(130a)에 대응하는 배터리는 배터리 관리부(130a)가 속한 배터리 모듈(130a)에 포함되는 배터리(110a)를 지칭한다. "다른"이라는 표현은 그 자신 또는 그 자신에 대응하는 구성요소를 제외한 나머지 구성요소들을 지칭하기 위해 사용된다. 배터리 관리부(130a)를 설명하는 과정에서 사용되는 다른 배터리 관리부들은 배터리 관리부들(130a-130n) 중에서 배터리 관리부(130a)를 제외한 나머지 배터리 관리부들(130b-130n)을 지칭한다. 또한, 배터리 관리부(130a)를 설명하는 과정에서 사용되는 다른 배터리들은 배터리들(110a-110n) 중에서 배터리 관리부(130a)에 대응하는 배터리(110a)를 제외한 나머지 배터리들(110b-110n)을 지칭한다.
버스바들(60)은 정류기(도 1의 40)와 직류 부하(도 1의 50) 사이에 연결되며, 정류기(40)로부터 출력되는 직류 전력이 직류 부하(50)로 공급되는 경로이다. 도 2에서 제1 버스바(61)가 양(positive)이고 제2 버스바(62)가 음(negative)인 것으로 도시하였으나, 이는 예시적이며 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 제2 버스바(62)는 접지될 수 있다. 버스바들(60)은 전력을 공급할 수 있는 전력 케이블 또는 버스 덕트(bus duct) 등으로 대체될 수도 있다.
배터리 모듈들(100a-100n)은 버스바들(60)에 병렬로 접속되어, 독립적으로 정류기(40)로부터 출력되는 직류 전력에 의해 충전되고, 독립적으로 직류 전력을 직류 부하(50)에 공급한다. 예를 들면, 배터리 모듈들(100a-100n) 중 어느 하나의 배터리 모듈, 예컨대, 배터리 모듈(100a)이 예컨대 고장이나 교체 등의 이유로 버스바들(60)로부터 분리되더라도, 배터리 시스템(10)의 전체 용량이 감소할 뿐, 나머지 배터리 모듈들(100b-100n)의 동작에는 영향을 주지 않는다. 배터리 모듈들(100a-100n)은 모두 통신 버스(140)에 연결되어, 서로 통신할 수 있다. 통신 버스(140)에 배터리 모듈들(100a-100n) 외에 다른 통신 장치가 연결될 수도 있으며, 이 통신 장치는 배터리 모듈들(100a-100n)로부터 송신되는 모듈 정보를 수집할 수 있다. 그러나, 이 통신 장치는 배터리 모듈들(100a-100n)을 제어하지 않는다. 배터리 모듈들(100a-100n)은 내부의 알고리즘에 의해 독립적으로 동작한다. 예컨대, 배터리 모듈(100a)은 다른 배터리 모듈들(100b-100n)로부터 모듈 정보를 수신할 뿐, 다른 배터리 모듈들(100b-100n)에 의해 제어되지 않는다. 배터리 모듈들(100a-100n)은 서로 식별번호만 상이할 뿐 동일한 연결 관계를 가지며, 동일한 알고리즘에 의해 동작한다. 즉, 배터리 모듈들(100a-100n)은 서로 실질적으로 동일하다.
배터리 모듈(100)은 배터리(110), 스위치부(120), 및 배터리 관리부(130)를 포함한다. 배터리 모듈(100)은 제1 및 제2 버스바(61, 62)에 각각 연결되는 제1 및 제2 출력 단자(101, 102)를 포함한다. 도 2에서 제1 버스바(61)가 양(positive)인 것으로 가정하였으므로, 제1 출력 단자(101)는 배터리(110)의 양극에 연결되고, 제2 출력 단자(102)는 배터리(110)의 음극에 연결된다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 제1 및 제2 출력 단자(101, 102)는 배터리(110)에 충전 전류가 유입되고 배터리(110)로부터 방전 전류가 유출되는 경로로서, 전기 배선 또는 전력 케이블로 이루어질 수 있다. 이때, 전기 배선 또는 전력 케이블은 버스바들(60)에 너트와 볼트를 이용하여 고정될 수 있다.
배터리(110)는 전력을 저장하는 부분으로서, 적어도 하나의 배터리 셀(111)을 포함한다. 도 2에는 배터리(110)에 하나의 배터리 셀(111)이 포함되는 것으로 도시되어 있지만, 배터리(110)에는 복수의 배터리 셀들(111)이 포함될 수 있다. 복수의 배터리 셀들(111)은 직렬로 연결되거나, 병렬로 연결되거나, 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결될 수 있다. 배터리(110)에 포함되는 배터리 셀들(111)의 개수는 정류기(40)의 출력 전압 또는 직류 부하(50)의 요구 전압에 따라 결정될 수 있다.
배터리 셀(111)은 충전가능한 이차 전지를 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀(111)은 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.
도 2에 도시된 바와 같이, 배터리들(110a-110n)은 각각 대응하는 스위치부들(120a-120n)을 통해 버스바들(60)에 서로 병렬로 전기적으로 연결된다. 즉, 배터리들(110a-110n)은 대응하는 스위치부들(120a-120n)을 통해 버스바들(60)에 선택적으로 연결된다. 본 명세서에서, "선택적으로 연결된다"는 용어는 외부, 예컨대, 배터리 관리부로부터 제공되는 제어 신호에 의해 연결되거나 연결되지 않을 수 있다는 것을 의미한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 스위치부들(120)이 단락되면, 배터리들(110)은 버스바들(60)에 전기적으로 연결되어 서로 병렬로 연결되지만, 스위치부들(120)이 개방되면, 배터리들(110)은 버스바들(60)로부터 전기적으로 분리된다. 예를 들면, 스위치부(120a)가 단락되면, 대응하는 배터리(110a)는 버스바들(60)에 전기적으로 연결되고, 모듈 스위치(120a)가 개방되면, 대응하는 배터리(110a)는 버스바들(60)로부터 전기적으로 분리된다.
도 2에는 스위치부(120)가 배터리(110)와 제1 출력 단자(101) 사이에 배치되는 것으로 도시되어 있지만, 이는 예시적이며, 스위치부(120)는 배터리(110)와 제2 출력 단자(102) 사이에 배치될 수도 있다. 스위치부(120)는 예컨대 릴레이 스위치 또는 FET(Field Effect Transistor) 스위치를 포함할 수 있다.
배터리 관리부(130)는 대응하는 배터리(110) 및 대응하는 스위치부(120)에 연결되며, 내부 알고리즘에 따라 배터리 모듈(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부(130)는 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다.
배터리 관리부(130)는 대응하는 배터리(110)의 배터리 전압을 감지한다. 배터리 전압은 배터리 셀(111)의 셀 전압일 수 있다. 배터리(110)가 복수의 배터리 셀들(111)을 포함하는 경우, 배터리 전압은 배터리 셀들(111) 각각의 셀 전압들을 포함할 수 있다. 이를 위해, 배터리 관리부(130)는 배터리 셀들(111) 사이의 노드들에 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 배터리 전압은 감지된 셀 전압들의 산술적 총합을 포함할 수 있다. 셀 전압들의 산술적 총합은 배터리(110)의 양극과 음극 사이의 전압에 해당할 수 있다. 배터리(110)의 양극과 음극 사이의 전압은 배터리 모듈(100)로부터 출력되는 모듈 전압으로 지칭될 수 있다.
다른 예에 따르면, 배터리 관리부(130)는 배터리(110)의 모듈 전압을 직접 검출할 수 있다. 이를 위해, 배터리 관리부(130)는 배터리(110)의 양극과 음극에 배선들을 통해 연결될 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 배터리 관리부(130)는 배터리(110)의 모듈 전압을 직접 검출하기 위한 배터리 전압 검출부(미 도시)를 포함할 수 있으며, 배터리 전압 검출부는 대응하는 배터리(110)에 연결되는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터는 대응하는 배터리(110)의 양극과 음극 사이에 연결되는 전압 분배기(voltage divider)를 통해 배터리(110)의 배터리 전압을 디지털 신호로 변환할 수 있다.
배터리 관리부(130)는 대응하는 배터리(110)의 배터리 전압을 주기적으로 검출할 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부(130)는 미리 결정된 주기(예컨대, 500ms)마다 대응하는 배터리(110)의 배터리 전압을 검출할 수 있다.
배터리 관리부(130)는 배터리(110)의 배터리 전압 외에, 충전 및 방전 전류 및 온도를 감지할 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부(22)는 전류 센서 및 온도 센서를 이용하여 배터리(110)의 충전 및 방전 전류, 및 온도를 측정할 수 있다. 배터리 관리부(130)는 감지된 배터리 전압, 충전 및 방전 전류, 및 온도를 기초로, 충전 상태(State of Charge, SOC), 건강 상태(State of Health, SOH), 잔여 수명 등을 산출할 수 있다. 또한, 배터리 관리부(130)는 배터리 모듈(100)의 제1 및 제2 출력 단자(101, 102) 사이의 단자 전압을 감지할 수도 있다. 또한, 배터리 관리부(130)는 스위치부(120)의 연결 상태를 감지할 수 있다. 스위치부(120)가 복수의 스위치들을 포함하는 경우, 배터리 관리부(130)는 복수의 스위치들 각각의 개폐 상태를 감지할 수 있다.
배터리 관리부(130)는 감지 결과 및 산출 결과를 기초로 배터리(110)를 관리할 수 있다. 배터리 관리부(130)는 배터리(110)의 관리를 위해 스위치부(120)를 제어할 수 있다. 배터리 관리부(130)는 내부 알고리즘에 따라 스위치부(120)를 제어하기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.
일 예에 따르면, 감지된 배터리(110)의 온도가 미리 설정한 정상 온도 범위를 벗어나는 경우, 배터리 관리부(130)는 배터리(110)를 보호하기 위해 미리 설정된 내부 알고리즘에 따른 동작을 수행할 수 있다. 예컨대, 배터리(110)의 온도가 제1 설정값을 초과하는 경우, 배터리 관리부(130)는 스위치부(120)를 제어하여 배터리(110)의 충전 및 방전 전류의 크기를 제한할 수 있다. 배터리(110)의 온도가 제1 설정값보다 높은 제2 설정값을 초과하는 경우, 배터리 관리부(130)는 스위치부(120)를 제어하여 배터리(110)의 충전 및 방전을 차단할 수 있다.
다른 예에 따르면, 감지된 배터리(110)의 전압이 미리 설정한 정상 전압 범위를 벗어나는 경우, 배터리 관리부(130)는 배터리(110)를 보호하기 위해 미리 설정된 내부 알고리즘에 따른 동작을 수행할 수 있다.
배터리 관리부들(130a-130n)은 통신 버스(140)에 통신 가능하게 접속할 수 있다. 배터리 관리부들(130a-130n) 사이에 CAN(Controller Area Network) 통신 프로토콜이 사용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 통신 버스를 사용하여 데이터를 전송하는 통신 프로토콜이라면 모두 적용될 수 있다. 통신 버스(140)에는 배터리 관리부들(130a-130n) 외에 다른 외부 장치가 접속될 수 있다. 외부 장치는 통신 버스(140)를 통해 전송되는 모듈 정보 데이터를 수집할 수 있다. 외부 장치는 통신 버스(140)에 접속된 통신 보드를 통해 배터리 관리부들(130a-130n) 사이에 전송되는 모듈 정보를 수신할 수 있다.
통신 버스(140)에 접속되는 배터리 관리부들(130a-130n)은 서로 동기화될 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부들 중 어느 하나의 배터리 관리부(예컨대, 130a)의 시간이 기준이 되어, 다른 배터리 관리부들(130b-130n)의 시간은 배터리 관리부(130a)의 시간에 동기화될 수 있다. 배터리 관리부들(130a-130n)은 미리 설정된 타이밍에 각각 대응하는 배터리(110)의 배터리 전압을 검출함으로써, 검출된 배터리 전압들은 동시에 측정된 전압들일 수 있다. 동기화의 기준이 되는 배터리 관리부는 식별 번호가 가장 낮은 배터리 관리부로 결정될 수 있다.
배터리 관리부들(130)은 대응하는 배터리 모듈(100)의 모듈 정보를 통신 버스(140)에 전송할 수 있다. 배터리 관리부들(130)은 미리 설정된 순서에 따라 대응하는 배터리 모듈(100)의 모듈 정보를 통신 버스(140)에 전송할 수 있다. 미리 설정된 순서는 배터리 관리부들(130)의 식별 번호에 따라 결정될 수 있다. 배터리 관리부들(130) 각각은 서로 중첩하지 않는 고유의 식별 번호를 가질 수 있다. 예컨대, 식별 번호가 낮은 배터리 관리부(130)가 먼저 모듈 정보를 송신할 수 있다. 배터리 관리부들(130)은 자신의 식별 번호가 몇 번째로 낮은 식별 번호인지를 판단하고, 식별 번호가 낮은 배터리 관리부(130)가 모듈 정보를 송신한 후, 자신의 순서에 해당하는 시간이 흐른 후에 자신의 모듈 정보를 송신할 수 있다. 아래의 설명에서, 배터리 관리부(130a)가 가장 낮은 식별 번호를 갖고, 배터리 관리부(130b)가 두 번째로 낮은 식별 번호를 갖고, 배터리 관리부(130n)가 가장 높은 식별 번호를 갖는 것으로 가정한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리 관리부들(130)이 모듈 정보를 전송하는 타이밍을 도시한다.
도 3을 참조하면, 예시적으로 배터리 시스템(10)이 16개의 배터리 모듈(100)을 포함하는 것으로 도시된다. 배터리 모듈(100)의 개수는 예시적이며, 16개 미만이거나 이를 초과할 수도 있다.
도 3의 위쪽에는 예컨대 10ms에 대응하는 시간을 나타내는 숫자들이 표시된다. 제1 배터리 모듈(100a)의 제1 배터리 관리부(130a)가 가장 먼저 제1 배터리 모듈(100a)의 모듈 정보를 통신 버스(140)에 전송한다. 제1 배터리 관리부(130a)가 전송을 시작하고 예컨대, 20ms가 지난 후에, 제2 배터리 관리부(130b)는 제2 배터리 모듈(100b)의 모듈 정보를 전송한다. 제1 배터리 관리부(130a)는 제2 배터리 관리부(130b)가 모듈 정보의 전송을 시작하기 전에, 즉, 예컨대 20ms 내에 모듈 정보의 전송을 완료해야 한다. 이러한 방식으로, 제16 배터리 관리부(130n)는 제1 배터리 관리부(130a)가 전송을 시작하고 예컨대, 300ms(20ms x 15)가 지난 후에, 제16 배터리 모듈(100n)의 모듈 정보를 전송한다.
배터리 관리부들(130)은 브로드캐스트 방식으로 통신 버스(140)에 각자의 모듈 정보를 순차적으로 전송할 수 있다. 따라서, 배터리 관리부들(130) 각각은 다른 배터리 관리부들(130)로부터 전송되는 다른 배터리 모듈들의 모듈 정보들을 모두 수신할 수 있다. 예컨대, 제1 배터리 관리부(130a)가 전송한 모듈 정보는 제2 내지 제16 배터리 관리부(130b-130n)에 의해 수신된다. 제2 배터리 관리부(130b)가 전송한 모듈 정보는 제1 및 제3 내지 제16 배터리 관리부(130a, 130c-130n)에 의해 수신된다. 이러한 방식으로, 제16 배터리 관리부(130n)가 전송한 모듈 정보는 제1 내지 제15 배터리 관리부(130a-130(n-1))에 의해 수신된다.
배터리 관리부들(130)은 미리 설정된 주기(예컨대, 500ms)마다 모듈 정보를 전송할 수 있다. 또한, 배터리 관리부들(130)은 마지막 배터리 관리부(130n)가 모듈 정보를 전송한 후에 미리 설정된 타이밍(예컨대, 제1 배터리 관리부(130a)가 전송을 시작한 후 400ms가 지난 시점)에 대응하는 배터리(110)의 배터리 전압, 충전 및 방전 전류, 및 온도 등을 감지하고 대응하는 스위치부(120)를 제어할 수 있다. 따라서, 배터리 시스템(10) 내의 파라미터들은 시간에 따라 변하더라도, 배터리 관리부들(130)은 모두 동일한 시점에 감지를 수행하므로, 감지된 데이터는 높은 신뢰성을 가질 수 있다. 또한, 스위치부들(120)의 제어가 동시에 이루어지므로, 스위치부들(120) 중 일부가 늦게 개방되거나 단락됨에 따라 어느 하나의 배터리 모듈(100)에 충전 전류 또는 방전 전류가 집중되고 그에 따라 불량이 발생하는 문제가 해소될 수 있다.
배터리 관리부들(130)이 모듈 정보를 전송하는 주기가 본 예에서와 같이 500ms인 경우, 하나의 배터리 시스템(10)에 포함되는 배터리 모듈(100)의 개수는 감지 및 제어 시간을 고려할 때 16개일 수 있다. 그러나, 모듈 정보 전송 주기 및 전송되는 모듈 정보의 양이 변경함으로써, 하나의 배터리 시스템(10)에 포함되는 배터리 모듈(100)의 최대 개수는 변경될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 배터리 관리부(130)가 전송하는 배터리 모듈(100)의 모듈 정보는 배터리(110)의 배터리 전압 및 스위치부(120)의 연결 상태를 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리(110)의 배터리 전압은 배터리 셀(111)의 셀 전압을 포함할 수 있다. 또한, 배터리(110)의 배터리 전압은 배터리 셀들(111)의 셀 전압들의 산술적 총합을 포함할 수 있다. 다른 예에 따르면, 배터리(110)의 배터리 전압은 배터리(110)의 양극과 음극 사이의 전압을 포함할 수 있다. 스위치부(120)의 연결 상태는 스위치부(120) 내에 포함되는 스위치들의 개폐 상태를 포함할 수 있다.
배터리 관리부들(130) 각각은 다른 배터리 관리부들(130)이 송신하는 모듈 정보를 수신한다. 모듈 정보 전송 주기가 지나면, 배터리 관리부들(130) 각각은 대응하는 배터리 모듈(100)의 모듈 정보뿐만 아니라, 다른 배터리 모듈들(100)의 모듈 정보들도 모두 수집하게 된다. 배터리 관리부들(130) 각각은 수집된 모듈 정보들을 기초로 대응하는 스위치부(120)를 제어하도록 구성된다.
일 예에 따르면, 배터리 관리부들(130) 각각은 수집된 모듈 정보들을 기초로 제1 및 제2 출력 단자들(101, 102) 사이의 단자 전압을 결정하고, 대응하는 배터리(110)의 배터리 전압을 상기 단자 전압과 비교하고, 비교 결과에 따라 대응하는 스위치부(120)의 연결 상태를 제어하도록 구성될 수 있다. 배터리 모듈들(100)의 제1 출력 단자들(101)은 모두 제1 버스바(61)에 연결되고, 배터리 모듈들(100)의 제2 출력 단자들(102)은 모두 제2 버스바(62)에 연결되므로, 제1 출력 단자(101)와 제2 출력 단자(102) 사이의 단자 전압은 버스바들(60) 사이의 전압과 동일하다.
배터리 모듈들(100) 중 적어도 하나의 배터리 모듈(예컨대, 100a)의 스위치부(120a)는 단락 상태이며, 이 경우, 제1 및 제2 출력 단자들(101, 102) 사이의 단자 전압은 스위치부(120a)가 단락 상태인 배터리 모듈(100a)의 배터리(110a)의 양극과 음극 사이의 전압과 동일하다. 따라서, 배터리 관리부들(130) 각각은 모듈 정보들을 기초로 스위치부(120a)가 단락 상태인 배터리 모듈들(100a)을 선별할 수 있다. 배터리 관리부들(130) 각각은 스위치부(120a)가 단락 상태인 배터리 모듈들(100a)의 배터리 전압을 제1 및 제2 출력 단자들(101, 102) 사이의 단자 전압으로 간주할 수 있다. 여기서, 배터리 전압은 배터리(110a)의 양극과 음극 사이의 전압을 의미한다.
배터리 관리부들(130) 각각은 제1 및 제2 출력 단자들(101, 102) 사이의 단자 전압과 대응하는 배터리(110)의 양극과 음극 사이의 전압, 즉, 배터리 전압을 비교할 수 있다. 예컨대, 단자 전압과 배터리 전압의 차이가 미리 설정된 범위 내라면 배터리 관리부들(130) 각각은 대응하는 스위치부(120)를 단락시킬 수 있다. 그러나, 단자 전압과 배터리 전압의 차이가 미리 설정된 범위를 벗어난다면, 배터리 관리부들(130) 각각은 프리차지 모드로 동작하도록 스위치부(120)를 제어할 수 있다. 프리차지 동작에 의해 단자 전압과 배터리 전압의 차이가 미리 설정된 범위 내에 속하게 되면, 배터리 관리부들(130) 각각은 프리차지 모드의 동작을 종료하고 대응하는 스위치부(120)를 단락시킬 수 있다.
배터리 시스템(10)이 턴 오프되면, 배터리 관리부들(130)은 모두 대응하는 스위치부(120)를 제어하여 대응하는 배터리(110)를 버스바들(60)로부터 전기적으로 분리한다.
배터리 시스템(10)이 턴 온되면, 배터리 모듈들(100) 내의 배터리 관리부들(130) 각각은 내부 알고리즘에 따라 대응하는 배터리(110)를 버스바들(60)에 전기적으로 연결시켜, 배터리(110)를 충전시키거나 방전시킬 수 있다. 일 예에 따르면, 배터리 시스템(10)이 턴 온되면, 배터리 관리부들(130) 각각은 자신의 식별번호를 포함한 데이터를 브로드캐스트 방식으로 통신 버스(140)에 전송한다. 배터리 관리부들(130) 각각은 자신의 식별번호가 몇 번째로 낮은 식별번호인지를 감지할 수 있다. 배터리 관리부들(130) 각각은 가장 낮은 식별번호를 갖는 배터리 관리부(예컨대, 130a)의 시간에 동기화된다. 가장 낮은 식별번호를 갖는 배터리 관리부(130a)부터 자신의 모듈 정보를 브로드캐스트 방식으로 통신 버스(140)를 통해 다른 배터리 관리부들(130b-130n)에게 전송한다. 그후, 미리 설정된 시간 후에, 두 번째로 낮은 식별번호를 갖는 배터리 관리부(예컨대, 130b)가 자신의 모듈 정보를 브로드캐스트 방식으로 통신 버스(140)를 통해 다른 배터리 관리부들(130a, 130c-130n)에게 전송한다. 이러한 방식으로, 가장 높은 식별번호를 갖는 배터리 관리부(예컨대, 130n)가 자신의 모듈 정보를 브로드캐스트 방식으로 통신 버스(140)를 통해 다른 배터리 관리부들(130a-130(n-1))에게 전송한다. 배터리 관리부들(130) 각각은 자신의 모듈 정보뿐만 아니라 다른 배터리 모듈들(100)의 모듈 정보를 모두 수집하게 된다. 현재 상태에서는 모든 배터리 모듈(100)의 스위치부(120)는 개방 상태이다.
배터리 관리부들(130) 각각은 자신의 배터리 전압의 크기가 다른 배터리 모듈들의 배터리 전압의 크기에 비해 몇 번째 순위인지를 판단한다. 배터리 관리부들(130)은 자신의 배터리 전압의 크기가 미리 설정된 순위인 경우, 대응하는 스위치부(120)를 단락 상태로 제어할 수 있다. 예컨대, 배터리 시스템(10) 내의 배터리 모듈들(100)의 개수가 n개인 경우, 미리 설정된 순위는 n/2에 가까운 자연수로 설정될 수 있다. 예컨대, 배터리 시스템(10) 내의 배터리 모듈들(100)의 개수가 16개인 경우, 미리 설정된 순위는 8번째일 수 있다.
미리 설정된 모듈 정보 전송 주기(예컨대, 500ms)가 되면, 배터리 관리부들(130)은 자신의 모듈 정보들을 순차적으로 전송하고, 배터리 관리부들(130) 각각은 수집된 모듈 정보들을 기초로 대응하는 스위치부(120)를 제어할 수 있다. 전술한 바와 같이, 배터리 모듈들(100)의 배터리 전압이 제1 및 제2 출력 단자들(101, 102) 사이의 단자 전압으로부터 미리 설정된 차이 내인 경우에만, 스위치부(120)가 단락되므로, 인러쉬 전류는 발생하지 않는다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 배터리 모듈의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 배터리 모듈(100)은 배터리(110), 스위치부(120) 및 배터리 관리부(130)를 포함한다. 배터리 모듈(100)은 제1 출력 단자(101)와 제2 출력 단자(102)를 포함한다. 배터리(110)는 적어도 하나의 배터리 셀(111)을 포함한다. 배터리 모듈(100)은 도 2의 배터리 모듈들(100a-100n) 각각에 대응하며, 도 2를 참조로 앞에서 설명된 부분에 대해서는 반복하여 설명하지 않는다.
배터리 관리부(130)는 배터리(110)의 배터리 전압을 감지한다. 배터리 전압은 배터리(110)의 양극과 음극 사이의 전압을 의미한다. 배터리 전압은 배터리 셀들(111)의 셀 전압들을 포함할 수 있다. 배터리 전압은 셀 전압들의 산술적 총합을 포함할 수 있다. 배터리 관리부(130)는 전류 센서(135)를 통해 배터리(110)의 충전 및 방전 전류를 감지할 수 있다. 배터리 관리부(130)는 온도 센서(미 도시)를 통해 배터리(110)의 온도를 감지할 수 있다.
배터리 모듈(100)은 전원 스위치(131), 식별번호 스위치(132), 통신부(133) 및 표시부(134)를 포함할 수 있다.
전원 스위치(131)를 통해 배터리 모듈(100)을 턴 온 및 턴 오프시킬 수 있다. 배터리 시스템(10)은 복수의 배터리 모듈들(100)을 포함하며, 배터리 모듈들(100) 중 어느 하나의 배터리 모듈(100)의 전원 스위치(131)가 조작되더라도, 전체 배터리 모듈들(100)이 턴 온되거나 턴 오프될 수 있다.
식별번호 스위치(132)는 배터리 모듈(100)의 식별번호를 부여하기 위해 제공된다. 운용자는 식별번호 스위치(132)를 조작하여 배터리 모듈(100)의 식별번호를 설정할 수 있다. 배터리 시스템(10)은 복수의 배터리 모듈들(100)을 포함하며, 복수의 배터리 모듈들(100)은 모두 상이한 식별번호를 갖는다.
통신부(133)는 배터리 관리부(130)와 통신 버스(140) 사이에 연결되어, 배터리 관리부(130)는 통신부(133)를 통해 통신 버스(140)에 접속되며, 다른 배터리 관리부들(130)과 통신을 수행할 수 있다.
표시부(134)는 배터리 모듈(100)의 충전 상태 및 모듈 상태를 표시할 수 있다. 예컨대, 표시부(134)는 복수의 발광 소자를 포함할 수 있다. 예컨대, 표시부(134)는 4개의 LED를 포함할 수 있다.
이 경우, 표시부(134)는 4개의 LED를 모두 점등시킴으로써 배터리 모듈(100)의 충전 상태가 75% 이상이라는 것을 표시할 수 있다. 표시부(134)는 3개의 LED를 모두 점등시킴으로써 배터리 모듈(100)의 충전 상태가 50% 이상 75% 미만이라는 것을 표시할 수 있다. 표시부(134)는 2개의 LED를 모두 점등시킴으로써 배터리 모듈(100)의 충전 상태가 25% 이상 50% 미만이라는 것을 표시할 수 있다. 표시부(134)는 1개의 LED를 모두 점등시킴으로써 배터리 모듈(100)의 충전 상태가 25% 미만이라는 것을 표시할 수 있다.
또한, 표시부(134)는 주기적으로 점멸되는 4개의 LED를 이용하여, 모듈 상태를 표시할 수 있다. 표시부(134)는 4개의 LED를 이용하여 16가지의 모듈 상태를 표시할 수 있다. 예컨대, 표시부(134)는 과전압 상태, 저전압 상태, 고온 상태, 저온 상태, 과충전전류 상태, 과방전전류 상태, 통신 불량, 셀 전압 감지 불량, 전류 센서 및 스위치 불량, 고온 불량, 고전압 불량, 저전압 불량, 셀 전압 임밸런스 불량 등의 상태를 표시할 수 있다.
스위치부(120)는 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 직렬로 연결되는 충전 스위치(SW_C) 및 방전 스위치(SW_D)를 포함할 수 있다. 배터리(110)의 충전 전류 및 방전 전류는 충전 스위치(SW_C) 및 방전 스위치(SW_D)를 포함하는 경로를 통해 흐르며, 이 경로는 대전류 경로로 지칭될 수 있다. 제1 노드(N1)는 배터리(110)의 양극에 연결되고, 제3 노드(N3)는 제1 출력 단자(101)에 연결된다.
방전 스위치(SW_D)는 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 병렬로 연결되는 제1 스위치(SW1)와 제1 다이오드(D1)를 포함한다. 제1 다이오드(D1)는 충전 전류, 즉, 제2 노드(N2)에서 제1 노드(N1)로 흐르는 전류가 흐르는 방향을 순방향으로 갖는다. 따라서, 제1 스위치(SW1)가 개방될 경우, 충전 전류는 흐를 수 있지만, 방전 전류는 흐를 수 없다. 제1 스위치(SW1)가 단락될 때, 충전 전류와 방전 전류가 모두 흐를 수 있다. 이러한 점에서, 방전 스위치(SW_D)는 방전 제어 스위치로 지칭될 수 있다. 제1 스위치(SW1)는 배터리 관리부(130)의 방전 제어 단자(D)로부터 출력되는 방전 제어 신호에 의해 제어된다.
충전 스위치(SW_C)는 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3) 사이에 병렬로 연결되는 제2 스위치(SW2)와 제2 다이오드(D2)를 포함한다. 제2 다이오드(D2)는 방전 전류, 즉, 제2 노드(N2)에서 제3 노드(N3)로 흐르는 전류가 흐르는 방향을 순방향으로 갖는다. 따라서, 제2 스위치(SW2)가 개방될 경우, 방전 전류는 흐를 수 있지만, 충전 전류는 흐를 수 없다. 제2 스위치(SW2)가 단락될 때, 충전 전류와 방전 전류가 모두 흐를 수 있다. 이러한 점에서, 충전 스위치(SW_C)는 충전 제어 스위치로 지칭될 수 있다. 제2 스위치(SW2)는 배터리 관리부(130)의 충전 제어 단자(C)로부터 출력되는 방전 제어 신호에 의해 제어된다.
또한, 스위치부(120)는 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 직렬로 연결되는 프리차지 스위치(SW_PC) 및 프리차지 저항(R_PC)를 포함할 수 있다. 프리차지 스위치(SW_PC) 및 프리차지 저항(R_PC)를 포함하는 경로는 프리차지 경로로 지칭될 수 있다. 프리차지 경로에는 프리차지 저항(R_PC)이 존재하기 때문에, 배터리(110)의 충전 전류 및 방전 전류는 배터리(110)에 손상이 발생하지 않는 크기로 제한된다. 프리차지 스위치(SW_PC)는 배터리 관리부(130)의 프리차지 제어 단자(PC)로부터 출력되는 프리차지 제어 신호에 의해 제어된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치부의 예시적인 회로도이다.
도 5를 참조하면, 방전 스위치(SW_D)는 전력 MOSFET으로 구성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 전력 MOSFET은 p형 전력 MOSFET일 수 있으며, 제1 노드(N1)에 연결되는 소스, 제2 노드(N2)에 연결되는 드레인 및 배터리 관리부(130)의 방전 제어 단자(D)에 연결되는 게이트를 가질 수 있다. 전력 MOSFET은 제2 노드(N2)에서 제1 노드(N1)로의 방향을 순방향으로 갖는 바디 다이오드(BD1)를 갖는다.
충전 스위치(SW_C)는 전력 MOSFET으로 구성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 전력 MOSFET은 p형 전력 MOSFET일 수 있으며, 제3 노드(N3)에 연결되는 소스, 제2 노드(N2)에 연결되는 드레인 및 배터리 관리부(130)의 충전 제어 단자(C)에 연결되는 게이트를 가질 수 있다. 전력 MOSFET은 제2 노드(N2)에서 제3 노드(N3)로의 방향을 순방향으로 갖는 바디 다이오드(BD2)를 갖는다.
프리차지 스위치(SW_C)는 직렬로 연결되는 2개의 전력 MOSFET으로 구성될 수 있다. 전력 MOSFET들 중 하나는 방전 스위치(SW_D)와 동일하게 배치되고, 다른 하나는 충전 스위치(SW_C)와 동일하게 배치될 수 있다. 이 두 전력 MOSFET의 게이트들은 모두 배터리 관리부(130)의 프리차지 제어 단자(PC)에 연결될 수 있다.
다시 도 3과 함께 도 4를 참조하면, 배터리 관리부(130)는 통신부(133)를 통해 통신 버스(140)에 모듈 정보를 송신하고, 다른 배터리 관리부들(130)로부터 그들의 모듈 정보를 수신한다. 이때, 모듈 정보는 배터리(110)의 배터리 전압, 충전 스위치(SW_C)의 연결 상태, 방전 스위치(SW_D)의 연결 상태, 및 프리차지 스위치(SW_PC)의 연결 상태를 포함한다. 그 외에도, 모듈 정보는 표시부(134)에 의해 표시되는 충전 상태 및/또는 모듈 상태를 포함할 수 있다.
배터리 관리부(130)는 수집된 모듈 정보들을 기초로 제1 및 제2 출력 단자들(101, 102) 사이의 단자 전압을 결정할 수 있다. 일 예에 따르면, 충전 및 방전 스위치들(SW_C, SW_D)이 개방된 배터리 모듈(100)의 배터리 관리부(130)는 수집된 모듈 정보들을 기초로 충전 및 방전 스위치들(SW_C, SW_D)이 단락된 배터리 모듈(100)의 배터리 전압을 획득할 수 있다. 배터리 관리부(130)는 충전 및 방전 스위치들(SW_C, SW_D)이 단락된 배터리 모듈(100)의 배터리 전압을 기초로 제1 및 제2 출력 단자들(101, 102) 사이의 단자 전압을 결정할 수 있다. 이때, 배터리 전압이 배터리 셀들(111)의 셀 전압들일 경우, 배터리 관리부(130)는 충전 및 방전 스위치들(SW_C, SW_D)이 단락된 배터리 모듈(100)의 셀 전압들을 모두 가산함으로써 제1 및 제2 출력 단자들(101, 102) 사이의 단자 전압을 결정할 수 있다.
배터리 관리부(130)는 배터리(110)의 배터리 전압, 즉, 배터리(110)의 양극과 음극 사이의 배터리 전압과 단자 전압의 전압차를 구할 수 있다. 배터리 관리부(130)는 전압차가 미리 설정된 전압값보다 크면 충전 및 방전 스위치들(SW_C, SW_D)을 개방하고 프리차지 스위치(SW_PC)를 단락시킬 수 있다. 프리차지 경로만이 연결되므로, 프리차지 저항에 의해 제한적인 충전 전류 및 방전 전류만이 흐를 수 있으며, 인러쉬 전류가 발생하지 않는다. 프리차지 경로를 통해 충전 전류 및 방전 전류가 제한적인 크기로 흐르게 되며, 배터리(110)의 배터리 전압과 단자 전압의 전압차는 점점 감소하게 된다. 배터리 관리부(130)는 전압차가 미리 설정된 전압값보다 작으면 충전 및 방전 스위치들(SW_C, SW_D)을 단락시키고 프리차지 스위치(SW_PC)를 개방할 수 있다.
다른 예에 따르면, 배터리 관리부(130)는 배터리(110)의 배터리 전압이 단자 전압에 비해 미리 설정된 전압값 이상으로 크면 방전 스위치(SW_D)만을 개방할 수 있다. 배터리 관리부(130)는 배터리(110)의 배터리 전압이 단자 전압에 비해 미리 설정된 전압값 이상으로 작으면 충전 스위치(SW_C)만을 개방할 수 있다.
전술한 바와 같이, 배터리 시스템(10)이 턴 온되면, 배터리 관리부들(130) 각각은 수집된 모듈 정보들로부터 다른 배터리 모듈들(100)의 배터리 전압들을 수집하고, 대응하는 배터리 모듈(100)의 배터리 전압의 크기가 다른 배터리 모듈들(100)의 배터리 전압의 크기에 비해 미리 설정된 순위인 경우, 대응하는 스위치부(120)의 충전 및 방전 스위치들(SW_C, SW_D)을 단락시키고 프리차지 스위치(SW_PC)를 개방한다. 즉, 배터리 전압의 크기가 미리 설정된 순위인 배터리 모듈(100)이 가장 처음으로 대전류 경로를 통해 배터리(110)를 버스바들(60)에 접속시킨다. 그 후, 다른 배터리 모듈들(100)은 수집된 모듈 정보들로부터 제1 및 제2 출력 단자들(101, 102) 사이의 단자 전압을 결정하고, 대응하는 배터리 전압과 단자 전압을 비교하여 스위치부(120)의 스위치들(SW_C, SW_D, SW_PC)을 제어한다.
본 발명의 다양한 실시예들은 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하지 않는다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것이며, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가적인 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로 구현될 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같은 구체적인 언급이 없다면, 본 발명의 실시를 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다.
본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 배터리 시스템
40: 정류기
50: 직류 부하
60: 버스바
100: 배터리 모듈
101: 제1 출력 단자
102: 제2 출력 단자
110: 배터리
120: 스위치부
130: 배터리 관리부
140: 통신 버스

Claims (11)

  1. 병렬로 접속되는 복수의 배터리 모듈들을 포함하며,
    상기 복수의 배터리 모듈들 각각은,
    배터리;
    제1 및 제2 출력 단자;
    상기 배터리와 상기 제1 출력 단자 사이에 연결되는 스위치부; 및
    상기 배터리의 배터리 전압을 감지하고, 상기 스위치부를 제어하는 배터리 관리부를 포함하며,
    상기 배터리 관리부들 각각은 통신 버스를 통해 다른 배터리 관리부들과 통신 가능하게 접속되며, 대응하는 배터리 모듈의 모듈 정보를 다른 배터리 관리부들에게 전송하고, 상기 다른 배터리 관리부들로부터 모듈 정보들을 수신하고, 상기 모듈 정보들을 기초로 대응하는 스위치부를 제어하도록 구성되는 배터리 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 모듈 정보는 상기 배터리의 배터리 전압 및 상기 스위치부의 연결 상태를 포함하는 배터리 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부들 각각은 상기 모듈 정보들을 기초로 상기 제1 및 제2 출력 단자들 사이의 단자 전압을 결정하고, 대응하는 배터리의 배터리 전압을 상기 단자 전압과 비교하고, 비교 결과에 따라 대응하는 스위치부의 연결 상태를 제어하도록 구성되는 배터리 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    상기 배터리와 상기 제1 출력 단자 사이에 직렬로 연결되는 충전 스위치 및 방전 스위치; 및
    상기 배터리와 상기 제1 출력 단자 사이에 직렬로 연결되는 프리차지 스위치 및 프리차지 저항을 포함하는 배터리 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 모듈 정보는 상기 배터리의 배터리 전압, 및 상기 충전 스위치, 상기 방전 스위치 및 상기 프리차지 스위치의 연결 상태를 포함하고,
    상기 배터리 관리부들 각각은 상기 모듈 정보들을 기초로 상기 제1 및 제2 출력 단자들 사이의 단자 전압을 결정하고, 대응하는 배터리의 배터리 전압과 상기 단자 전압의 전압차가 미리 설정된 설정값보다 크면 상기 충전 및 방전 스위치들을 개방하고 상기 프리차지 스위치를 단락시키고, 상기 전압차가 상기 설정값 이하이면 상기 충전 및 방전 스위치들을 단락시키고 상기 프리차지 스위치를 개방하도록 구성되는 배터리 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 충전 및 방전 스위치들이 개방된 배터리 모듈의 배터리 관리부는 상기 모듈 정보들을 기초로 상기 충전 및 방전 스위치들이 단락된 배터리 모듈의 배터리 전압을 수집하고, 상기 충전 및 방전 스위치들이 단락된 배터리 모듈의 배터리 전압을 기초로 상기 제1 및 제2 출력 단자들 사이의 단자 전압을 결정하도록 구성되는 배터리 시스템.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 배터리 시스템이 턴 온되면, 상기 배터리 관리부들 각각은 상기 모듈 정보들로부터 다른 배터리 모듈들의 배터리 전압들을 수집하고, 대응하는 배터리 모듈의 배터리 전압의 크기가 상기 다른 배터리 모듈들의 배터리 전압의 크기에 비해 미리 설정된 순위인 경우, 대응하는 스위치부의 상기 충전 및 방전 스위치들을 단락시키고 상기 프리차지 스위치를 개방하도록 구성되는 배터리 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부들은 각각 자신의 식별 번호를 가지며 서로 동기화되는 배터리 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부들은 상기 배터리 관리부들의 식별 번호에 따라 결정되는 순서에 따라 상기 모듈 정보를 상기 다른 배터리 관리부들에게 전송하는 배터리 시스템.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부들은 미리 설정된 타이밍에 동시에 대응하는 배터리의 배터리 전압을 감지하는 배터리 시스템.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부들 각각은 상기 통신 버스를 통해 브로드캐스트 방식으로 상기 모듈 정보를 상기 다른 배터리 관리부들에게 전송하는 배터리 시스템.
KR1020160094142A 2016-07-25 2016-07-25 배터리 시스템 KR102247391B1 (ko)

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