KR102340097B1

KR102340097B1 - 배터리 관리 방법 및 장치

Info

Publication number: KR102340097B1
Application number: KR1020170131672A
Authority: KR
Inventors: 남호철; 홍성주; 김동현
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2021-12-20
Also published as: KR20190040838A

Abstract

본 발명은 배터리의 상태를 확인하여 슬립 모드인지 판단하는 과정; 상기 배터리의 상태를 주기적으로 확인하는 과정; 상기 배터리가 장기 보관 상태인지 판단하는 과정; 및 장기 보관의 상기 배터리에 대해 밸런싱을 수행하는 과정을 포함하는 장기 보관 배터리의 관리 방법 및 장치를 제시한다.

Description

배터리 관리 방법 및 장치{Method and apparatus for managing a battery}

본 발명은 배터리 관리 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 미사용 장기 보관 배터리의 관리 방법 및 장치에 관한 것이다.

근래 들어, 노트북, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대됨에 따라 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지(이하, 배터리라 함)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높다는 등의 장점으로 인해 각광을 받고 있다.

한편, 최근에는 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 하이브리드 자동차와 전기 자동차에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 하이브리드 자동차나 전기 자동차는 배터리 팩의 충방전 에너지를 이용하여 차량 구동력을 얻기 때문에, 엔진만을 이용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있다는 점에서 많은 소비자들에게 좋은 반응을 얻고 있다. 또한, 배터리는 자동차 이외에도 가정용 또는 산업용 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)이나 무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply; UPS) 시스템 등에 적용될 수 있다.

그런데, 배터리 자체의 전기화학적 비선형성 및 불안정 특성으로 인해 배터리 과충방전이나 가혹한 운용 환경에서 배터리 셀의 손상으로 인한 폭발 위험성을 내재하고 있다. 따라서, 배터리의 관리 및 제어를 위한 알고리즘을 수행하는 배터리 관리 장치(Battery Management System: 이하 BMS라 함)를 이용하여 최적 충방전량, 부하 특성 모니터링 및 열관리 등을 통해 배터리의 안정성을 확보하고 있다. 또한, 퓨즈, 보호 회로 등과 같은 다양한 안전 장치들을 장착하여 배터리의 안정성을 확보하고 있다.

한편, 배터리가 출하된 후 만충전(full charge) 조건에서 장기 보관될 경우 배터리가 손상되는 등의 문제가 발생될 수 있다. 예를 들어, 배터리가 만충전 상태로 장기 보관되면 원통형 셀의 경우 CID(Current Interruptive Device)가 오픈될 가능성이 높아진다. 또한, 배터리를 고온에서 장기 보관할 경우 CID 오픈 이외에 배터리가 누설되어 폭발 가능성이 있는 등 많은 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 실내가 아닌 다양한 외부 환경에서 사용되는 어플리케이션의 경우 장기 보관 시의 리스크가 항상 존재한다. 따라서, 배터리의 수명이 짧아지고, 이러한 문제가 발생되기 이전에 배터리를 교체하게 된다. 결국, 배터리의 교체 주기가 짧아지고, 그에 따라 유지 비용이 많이 소요되는 문제가 발생한다.

한국등록특허 제10-1749730호

본 발명은 장기 보관 배터리의 안정화를 위한 배터리 관리 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명은 장기 보관을 인식한 후 밸런싱을 통해 배터리를 안정화시키는 배터리의 관리 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 일 양태에 따른 배터리 관리 방법은 배터리의 상태를 확인하여 슬립 모드인지 판단하는 과정; 상기 배터리의 상태를 주기적으로 확인하는 과정; 상기 배터리가 장기 보관 상태인지 판단하는 과정; 및 장기 보관의 상기 배터리에 대해 밸런싱을 수행하는 과정을 포함한다.

상기 배터리가 슬립 모드인지 판단하는 과정은, 소정 시간 상기 배터리의 전압 및 전류의 변화가 없거나 외부와의 통신이 없는 경우 슬립 모드로 판단한다.

상기 배터리의 상태를 주기적으로 확인하는 과정은, 상기 슬립 모드에서 주기적으로 소정 시간동안 전원을 공급하여 상기 배터리의 상태를 확인 및 판단한다.

상기 배터리의 장기 보관 상태인지 판단하는 과정은, 상기 배터리의 주기적인 상태 확인 횟수를 카운팅하여 판단한다.

상기 카운팅 횟수가 설정된 수 이상일 경우 장기 보관 상태로 판단한다.

상기 배터리의 충전 상태를 확인하는 과정을 더 포함한다.

상기 배터리가 장기 보관 상태로 판단되고 상기 배터리의 소정 전압 이상을 유지하면 상기 밸런싱을 수행한다.

상기 밸런싱은 상기 배터리의 모든 배터리 셀이 소정 전압에 도달할 때까지 수행된다.

본 발명의 다른 양태에 따른 배터리 관리 장치는 배터리의 상태를 확인하기 위한 센싱부; 상기 배터리의 장기 보관 여부를 확인하기 위한 시간 제어부; 상기 배터리의 장기 보관을 판단하여 상기 배터리의 밸런싱 여부를 판단하는 제어부; 및 상기 배터리의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부를 포함한다.

상기 센싱부는 상기 배터리의 전압, 전류를 포함하는 상기 배터리의 상태를 센싱하고, 상기 배터리와 외부의 통신 상태를 센싱한다.

상기 시간 제어부는 주기적으로 웨이크업되어 소정 시간 동안 적어도 상기 제어부에 전원이 공급되도록 한다.

상기 제어부는 소정 시간 동안 전류 및 전압의 변화가 없거나, 외부와의 통신이 없는 경우 슬립 모드로 판단한다.

상기 제어부는 슬립 모드에서 상기 시간 제어부의 웨이크업 횟수를 카운팅하여 상기 배터리의 장기 보관을 판단한다.

상기 제어부는 장기 보관으로 판단된 상기 배터리의 충전 상태에 따라 밸런싱 여부를 판단한다.

본 발명의 실시 예들에 따른 장기 보관 배터리 관리 방법 및 장치는 배터리가 슬립 모드일 때 주기적으로 웨이크업되는 시간 제어부를 이용하여 배터리의 장기 보관 여부를 판단하고, 장기 보관으로 판단되면 배터리의 밸런싱을 수행할 수 있다. 즉, 슬립 모드에서 시간 제어부의 웨이크업 횟수를 카운팅하고 웨이크업 횟수가 설정된 수 이상일 경우 배터리의 장기 보관 상태임을 판단하고, 배터리의 충전 상태를 확인하여 배터리를 안정화시키기 위한 밸런싱을 수행할 수 있다. 따라서, 배터리의 장기 보관에 따른 문제를 해결할 수 있고, 배터리의 수명을 증가시켜 배터리의 교체 주기를 증가시킬 수 있어 유지 비용을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 장기 보관 배터리의 관리 장치를 설명하기 위한 블럭도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 장기 보관 배터리의 관리 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 장기 보관 배터리 관리 방법이 적용되는 전력 저장 시스템이 구성을 설명하기 위한 블록도.
도 4는 전력 저장 시스템의 전력 저장 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 장기 보관 배터리의 관리 장치를 설명하기 위한 블럭도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치는 배터리(100)와, 배터리(100)의 상태를 확인하기 위한 센싱부(200)와, 배터리(100)의 장기 보관 여부를 확인하는 시간 제어부(300)와, 시간 제어부(300)를 제어하며 배터리(100)의 밸런싱 여부를 판단하는 제어부(400)와, 배터리(100)의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부(500)를 포함할 수 있다.

배터리(100)는 전력을 공급받아 충전될 수 있고, 충전된 전기 에너지를 부하에 공급하여 방전될 수 있다. 즉, 배터리(100)는 충방전 가능하고, 부하의 에너지원으로 이용될 수 있다. 이러한 배터리(100)는 적어도 하나의 배터리 팩을 포함할 수 있고, 적어도 하나의 배터리 팩은 각각 복수의 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 모듈은 충방전 가능한 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 물론, 배터리(100)는 적어도 하나의 배터리 셀일 수도 있고, 적어도 하나의 배터리 모듈일 수도 있다. 한편, 배터리 셀은 원통형, 평판형 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 복수의 배터리 모듈은 배터리 팩 등의 스펙(specification)에 부합되도록 다양한 방법으로 직렬 또는 병렬 연결될 수 있다.

센싱부(200)는 배터리(100)의 상태를 확인하기 위해 마련된다. 예를 들어, 센싱부(200)는 배터리(100)의 전압, 전류, 통신 상태 등을 센싱할 수 있다. 여기서, 센싱부(1100)는 배터리 팩, 배터리 모듈 및 배터리 셀의 전압, 전류 등을 센싱할 수 있다. 즉, 센싱부(1100)는 배터리 팩을 센싱할 수도 있고, 배터리 모듈을 센싱할 수도 있으며, 배터리 셀을 센싱할 수도 있다. 이를 위해 센싱부(1100)는 복수의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센싱부(1100)는 적어도 하나의 전압 센서(미도시) 및 적어도 하나의 전류 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 전압 센서는 배터리 팩, 배터리 모듈 또는 배터리 셀 중 적어도 어느 하나의 전압을 측정할 수 있다. 예를 들어, 전압 센서를 이용하여 배터리 팩의 전압을 측정할 수 있는데, 배터리 팩으로부터 소정 시간 후 안정화된 전압, 즉 OCV(Open Circuit Voltage)를 측정할 수 있다. 전류 센서는 배터리 팩의 전류를 측정할 수 있다. 전류 센서는 예를 들어 홀(Hall) 소자를 이용하여 전류를 측정하고 측정된 전류에 대응되는 신호를 출력하는 Hall CT(Hall current transformer)를 포함할 수 있다. 또한, 센싱부(200)는 배터리(100)의 통신 상태를 확인할 수 있다. 즉, 배터리(100)가 ESS 등에 이용되는 경우 센싱부(200)는 외부 호스트와의 통산 상태를 확인하는 통신 센서를 더 포함할 수 있다. 한편, 센싱부(200)는 배터리(100) 또는 주변 온도를 측정하는 온도 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 온도 센서는 배터리 팩 또는 배터리 모듈의 일 영역 또는 복수 영역의 온도를 측정할 수 있고, 이를 위하여 적어도 하나 이상 마련될 수 있다. 이렇게 센싱부(200)는 배터리(100)의 전압, 전류, 통신 상태 등을 센싱함으로써 배터리(100)의 현재 상태, 즉 슬립(sleep) 모드인지 노멀(normal) 모드인지 확인할 수 있다. 즉, 센싱부(200)는 전압, 전류, 통신 상태를 센싱함으로써 제어부(400)가 배터리(100)가 충전 또는 방전이 이루어지는 노멀 모드인지 소정 시간 동안 충전 또는 방전이 이루어지지 않는 슬립 모드인지 판단할 수 있도록 한다. 또한, 센싱부(200)는 배터리(100)의 온도를 확인함으로써 제어부(400)가 배터리(100)에 이상을 유발할 수 있는 소정 온도 이상인지를 판단하여 밸런싱에 이용할 수 있다.

시간 제어부(300)는 배터리(100)의 장기 보관 여부를 확인하기 위해 마련될 수 있다. 시간 제어부(300)는 소정 주기마다 웨이크업(wakeup)되어 배터리(100)의 현재 상태를 확인할 수 있도록 한다. 즉, 시간 제어부(300)는 배터리(100)가 슬립 모드일 때 소정 주기마다 웨이크업되어 센싱부(200), 제어부(400) 등을 짧은 시간 동안 웨이크업시킨다. 웨이크업은 센싱부(200) 및 제어부(400)를 슬립 모드에서 웨이크업 모드로 전환하는 동작을 의미할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 관리 장치는 구동 전원 공급부(미도시)를 더 포함할 수 있고, 구동 전원 공급부는 제어부(400)에 구동 전원을 공급할 수 있다. 예를 들어, 구동 전원 공급부(미도시)는 외부로부터의 전원을 센싱부(200) 및 제어부(400)에 입력될 수 있는 전원으로 변환하여 센싱부(200) 및 제어부(400)에 공급할 수 있다. 시간 제어부(300)는 웨이크업 신호를 구동 전원 공급부에 전송할 수 있고, 구동 전원 공급부는 웨이크업 신호에 응답하여 센싱부(200) 및 제어부(400)에 구동 전원을 공급할 수 있다. 즉, 시간 제어부(300)가 주기적으로 웨이크업되어 구동 전원 공급부로 신호를 제공하고, 구동 전원 공급부는 이에 응답하여 센싱부(200) 및 제어부(400)에 구동 전원을 공급하여 센싱부(200) 및 제어부(400)가 구동되도록 한다. 따라서, 시간 제어부(300)는 웨이크업 주기에 따라 센싱부(200) 및 제어부(400)를 웨이크업 할 수 있다. 이때, 시간 제어부(300)는 웨이크업 주기에 따라 구동 전원 공급부에 웨이크업 신호를 전송할 수 있다. 구동 전원 공급부는 웨이크업 신호를 수신하는 동안 센싱부(200) 및 제어부(400)에 구동 전원을 공급하고, 웨이크업 신호를 미수신하는 동안에는 구동 전원을 공급하지 않을 수 있다. 따라서, 시간 제어부(300)에 의해 웨이크업된 센싱부(200)가 배터리(100)의 전압, 전류, 통신 상태 등을 센싱하고, 제어부(400)가 센싱 데이터를 이용하여 현재 배터리(100)가 슬립 상태인이 웨이크업 상태인지 확인할 수 있다. 이러한 시간 제어부(300)는 RTC(Real Time Clock)를 포함할 수 있다. 또한, 시간 제어부(200)는 예를 들어 250ms 내지 1시간 주기로 웨이크업되어 웨이크업 신호를 발생시킬 수 있다.

제어부(400)는 배터리(100)를 확인하여 배터리(100)가 노멀 모드인지 슬립 모드인지 판단할 수 있다. 또한, 제어부(400)는 시간 제어부(200)의 웨이크업 횟수를 판단하여 배터리(100)의 슬립 모드의 장기화, 즉 장기 보관 상태인지를 판단할 수 있다. 그리고, 제어부(400)는 배터리(100)가 장기 보관 상태로 판단될 경우 밸런싱부(500)를 제어함으로써 배터리(100)를 밸런싱할 수 있다.

제어부(400)는 센싱부(200)를 통해 배터리(100)의 상태를 확인할 수 있다. 즉, 제어부(400)는 센싱부(200)에 의해 센싱된 배터리(100)의 데이터, 즉 전압, 전류, 통신 상태 등의 데이터를 제공받아 배터리(100)의 상태를 확인할 수 있다. 예를 들어, 전압 및 전류 등의 변화가 일정 시간 동안 없는 경우 배터리(100)가 사용중이지 않음을 확인하고 배터리(100)를 슬립 모드로 전환할 수 있다. 또한, 외부 호스트와의 통신 상태를 확인하여 일정 시간 동안 통신이 없는 경우 배터리(100)를 슬립 모드로 전환할 수 있다. 슬립 모드로 전환되는 경우 배터리 관리 장치를 이루는 요소, 즉 센싱부(200), 제어부(400) 등의 전원 공급을 중단하고, 시간 제어부(300)가 주기적으로 웨이크업되도록 할 수 있다. 즉, 슬립 모드에서 시간 제어부(300)가 주기적으로 웨이크업되어 구동 전원 공급부에 웨이크업 신호를 공급하여 웨이크업 신호가 공급되는 동안 센싱부(200) 및 제어부(400)가 웨이크업되도록 할 수 있다. 이와 반대로, 전압 및 전류 등의 변화가 감지되고, 외부 호스트와 통신을 감지하는 경우 배터리(100)가 충전 또는 방전이 이루어지는 노멀 모드임을 확인할 수 있다.

슬립 모드에서 제어부(400)는 시간 제어부(300)에 따라 주기적으로 웨이크업될 수 있다. 또한, 제어부(400)는 시간 제어부(300)의 웨이크업 횟수를 카운트할 수 있다. 제어부(400)는 시간 제어부(300)의 웨이크업 횟수에 따라 배터리(100)의 장기 보관을 판단하고 그에 따라 밸런싱을 판단할 수 있다. 예를 들어, 장기 보관의 기준을 30일로 설정하고 시간 제어부(300)가 1시간 주기로 웨이크업될 때, 제어부(400)는 24×7×30=5040의 횟수로 시간 제어부(300)가 웨이크업되면 배터리(100)의 장기 보관으로 판단하고 밸런싱부(500)를 제어하여 밸런싱을 수행하도록 한다. 여기서, 시간 제어부(300)의 웨이크업 주기, 장기 보관 기준 등은 다양하게 설정 가능하다. 예를 들어 시간 제어부(300)의 웨이크업 주기는 250ms 내지 1시간 등으로 설정할 수 있고, 장기 보관 기준 또한 1일 내지 30일 등으로 설정할 수 있다.

이렇게 배터리(300)의 장기 보관으로 판단될 경우 제어부(400)는 밸런싱부(500)를 제어하여 배터리(300)의 밸런싱을 수행하도록 한다. 한편, 제어부(400)는 밸런싱 이전에 배터리(100)의 상태를 먼저 확인할 수 있는데, 예를 들어 배터리(100)의 전압을 확인할 수 있다. 예를 들어, 밸런싱 전압을 3.8V로 설정하여 배터리(100)의 전압이 3.8V 이상일 경우 밸런싱을 수행하도록 한다. 이때, 밸런싱은 배터리(100)의 모든 배터리 셀이 동일 전압이 되도록 실시할 수 있는데, 예를 들어 3.7V가 되도록 밸런싱할 수 있다. 즉, 모든 배터리 셀의 안정 보관 조건인 3.6V에서 추가 보관을 고려하여 0.1V의 마진을 두고 3.7V에 도달할 때까지 밸런싱을 수행하고 3.7V에 도달하면 밸런싱을 종료하게 한다.

밸런싱부(500)는 제어부(400)의 제어에 따라 배터리(100)에 대해 밸런싱을 수행한다. 이때, 밸런싱부(500)는 적어도 하나의 배터리 셀에 대해 밸런싱을 수행한다. 밸런싱부(500)는 제어부(400)에 의해 장기간 미사용 배터리(100)로 판단되면 배터리(100)의 적어도 하나의 배터리 셀에 대해 밸런싱을 수행한다. 이때, 밸런싱부(500)는 배터리(100)가 소정 전압 이상, 예를 들어 3.8V 이상을 유지할 경우 밸런싱을 수행할 수 있다. 물론, 밸런싱부(500)는 배터리(100)를 이루는 배터리 셀 각각에 대해 밸런싱을 수행할 수도 있다. 이러한 밸런싱부(500)는 예를 들어 각 배터리 셀의 양단 간에 스위치와 부하 저항이 직렬로 연결되어 구성될 수 있다. 따라서, 제어부(400)의 제어 신호에 따라 스위치가 온오프되어 부하 저항을 통해 배터리 셀에 충전된 전압을 방전시킬 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치는 배터리가 슬립 모드일 때 주기적으로 웨이크업되는 시간 제어부(300)의 웨이크업 횟수를 카운팅하여 배터리(100)의 미사용 장기 보관 여부를 판단하고, 장기 보관으로 판단되면 배터리(100)를 안정화시키기 위한 밸런싱을 수행할 수 있다. 즉, 슬립 모드에서 시간 제어부(300)의 웨이크업 횟수를 카운팅하고 웨이크업 횟수가 설정된 수 이상일 경우 배터리(100)의 장기 보관 상태임을 판단하고, 배터리(100)의 충전 상태를 확인하여 배터리를 안정화시키기 위한 밸런싱을 수행할 수 있다. 따라서, 배터리(100)의 장기 보관에 따른 누설, 폭발 등의 문제를 해결할 수 있고, 배터리(100)의 수명을 증가시켜 배터리(100)의 교체 주기를 증가시킬 수 있어 유지 비용을 줄일 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 방법은 배터리의 상태를 확인하는 과정(S100), 배터리가 슬립 모드인지 판단하는 과정(S200), 배터리가 슬립 모드일 경우 주기적으로 배터리의 상태를 확인하는 과정(S300), 슬립 모드에서 배터리의 상태 확인 횟수를 카운트하는 과정(S400), 장기 보관 상태인지 확인하는 과정(S500), 배터리가 장기 미사용으로 판단된 경우 밸런싱을 수행하는 과정(S600)을 포함할 수 있다.

S100 : 센싱부(200)는 배터리(100)의 상태를 확인한다. 이를 위해 예를 들어 센싱부(200)는 배터리(100)의 전압, 전류, 통신 상태 등을 센싱할 수 있다. 여기서, 센싱부(100)는 배터리 팩, 배터리 모듈 및 배터리 셀의 전압, 전류 등을 센싱할 수 있다. 이를 위해 센싱부(100)는 적어도 하나의 전압 센서 및 적어도 하나의 전류 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전압 센서를 이용하여 배터리 팩으로부터 소정 시간 후 안정화된 전압, 즉 OCV(Open Circuit Voltage)를 측정할 수 있다. 전류 센서는 배터리 팩의 전류를 측정할 수 있다. 또한, 센싱부(200)는 배터리(100)가 ESS 등에 이용되는 경우 센싱부(200)는 외부 호스트와의 통산 상태를 확인하는 통신 센서를 더 포함할 수 있다. 한편, 센싱부(200)는 배터리(100) 또는 주변 온도를 측정하는 온도 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.

S200 : 제어부(400)는 센싱부(200)에 의해 센싱된 배터리(100)의 전압, 전류, 통신 상태 등을 이용하여 배터리(100)의 현재 상태가 슬립(sleep) 모드인지 노멀(normal) 모드인지 확인할 수 있다. 즉, 센싱부(200)는 전압, 전류, 통신 상태를 센싱함으로써 제어부(400)가 배터리(100)가 충전 또는 방전이 이루어지는 노멀 모드인지 소정 시간 동안 충전 또는 방전이 이루어지지 않는 슬립 모드인지 판단할 수 있도록 한다. 또한, 제어부(400)는 외부 호스트와의 통신이 이루어지면 노멀 모드로 판단하고, 외부 호스트와의 통신이 이루이지지 않으면 슬립 모드로 판단할 수 있다. 한편, 센싱부(200)는 배터리(100)의 온도를 확인함으로써 제어부(400)가 배터리(100)에 이상을 유발할 수 있는 소정 온도 이상인지를 판단하여 밸런싱에 이용할 수 있다.

S300 : 배터리(100)가 슬립 모드로 판단되면, 시간 제어부(300)를 이용하여 배터리(100)의 상태를 주기적으로 확인한다. 즉, 시간 제어부(300)는 소정 주기마다 웨이크업(wakeup)되어 배터리(100)의 현재 상태를 확인한다. 시간 제어부(300)는 배터리(100)가 슬립 모드일 때 소정 주기마다 웨이크업되어 센싱부(200), 제어부(400) 등을 짧은 시간 동안 웨이크업시킨다. 즉, 시간 제어부(300)는 웨이크업 신호를 구동 전원 공급부에 전송할 수 있고, 구동 전원 공급부는 웨이크업 신호에 응답하여 센싱부(200) 및 제어부(400)에 구동 전원을 공급할 수 있다. 따라서, 시간 제어부(300)에 의해 웨이크업된 센싱부(200)가 배터리(100)의 전압, 전류, 통신 상태 등을 센싱하고, 제어부(400)가 센싱 데이터를 이용하여 현재 배터리(100)가 슬립 상태인이 웨이크업 상태인지 확인할 수 있다. 또한, 시간 제어부(200)는 예를 들어 250ms 내지 1시간 주기로 웨이크업되어 웨이크업 신호를 발생시킬 수 있다.

S400 및 S500 : 제어부(400)는 배터리의 상태 확인 횟수를 카운팅한다. 또한, 제어부(400)는 시간 제어부(300)의 웨이크업 횟수에 따라 배터리(100)의 장기 보관을 판단하고 그에 따라 밸런싱을 판단할 수 있다. 예를 들어, 장기 보관의 기준을 30일로 설정하고 시간 제어부(300)가 1시간 주기로 웨이크업될 때, 제어부(400)는 24×7×30=5040의 횟수로 시간 제어부(300)가 웨이크업되면 배터리(100)의 장기 보관으로 판단할 수 있다. 여기서, 시간 제어부(300)의 웨이크업 주기, 장기 보관 기준 등은 다양하게 설정 가능하다. 예를 들어 시간 제어부(300)의 웨이크업 주기는 250ms 내지 1시간 등으로 설정할 수 있고, 장기 보관 기준 또한 1일 내지 30일 등으로 설정할 수 있다.

S600 : 배터리(100)의 장기 보관으로 판단될 경우 제어부(400)는 밸런싱부(500)를 제어하여 배터리(300)의 밸런싱을 수행하도록 한다. 밸런싱부(500)는 제어부(400)의 제어에 따라 배터리(100)에 대해 밸런싱을 수행한다. 이때, 밸런싱부(500)는 적어도 하나의 배터리 셀에 대해 밸런싱을 수행한다. 밸런싱부(500)는 제어부(400)에 의해 장기간 미사용 배터리(100)로 판단되면 배터리(100)의 적어도 하나의 배터리 셀에 대해 밸런싱을 수행한다. 이때, 밸런싱부(500)는 배터리(100)가 소정 전압 이상, 예를 들어 3.8V 이상을 유지할 경우 밸런싱을 수행할 수 있다. 즉, 제어부(400)는 배터리(100)의 충전 상태를 확인하고 소정 전압 이상, 예를 들어 3.8V 이상을 유지할 경우 밸런싱을 수행하도록 할 수 있고, 소정 전압 이하일 경우 밸런싱을 수행하지 않도록 할 수도 있다. 물론, 밸런싱부(500)는 배터리(100)를 이루는 배터리 셀 각각에 대해 밸런싱을 수행할 수도 있다. 이러한 밸런싱부(500)는 예를 들어 각 배터리 셀의 양단 간에 스위치와 부하 저항이 직렬로 연결되어 구성될 수 있다. 따라서, 제어부(400)의 제어 신호에 따라 스위치가 온오프되어 부하 저항을 통해 배터리 셀에 충전된 전압을 방전시킬 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예들에 따른 장기 보관 배터리 관리 장치 및 방법은 배터리를 이용하여 전원을 공급받는 다양한 기기에 마련될 수 있는데, 예를 들어, 전력 저장 시스템에 이용될 수 있다. 본 발명이 적용될 수 있는 전력 저장 시스템의 예를 도 3 및 도 4를 이용하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명이 적용되는 전력 저장 시스템이 구성을 설명하기 위한 블록도이고, 도 4는 전력 저장 시스템의 전력 저장 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

도 3을 참조하면, 전력 저장 시스템은 전력 관리 시스템(1100) 및 전력 저장 장치(1200)를 포함할 수 있다. 전력 저장 시스템은 발전 시스템(미도시) 및 부하(1300)와 연결될 수 있다. 발전 시스템은 태양광, 풍력, 파력, 조력 등의 신재생 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 시스템을 포함할 수 있다. 또한, 발전 시스템은 화력, 수력, 원자력 등을 통해 전력을 생산하는 발전소, 생산된 전력의 전압이나 전류를 변환하는 변전소나 송전소 등을 포함할 수 있다. 이하에서는 신재생 에너지를 이용한 발전 시스템을 제 1 발전 시스템으로 표기하고, 발전소 등의 발전 시스템을 제 2 발전 시스템으로 표기한다. 그리고, 부하(1300)는 전력을 소비하는 각종 전기 구동 장치 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가정의 가전기기나 공장의 생산설비 등을 포함할 수 있다.

전력 관리 시스템(1100)은 발전 시스템의 전력, 전력 저장 장치(1200)의 전력 등의 전력 계통을 연계하는 시스템이다. 전력 관리 시스템(1100)은 전력 저장 장치(1200)를 이용하여 전력 계통의 생산 및 소비의 시간적 불일치를 관리할 수 있다. 이러한 전력 관리 시스템(1100)은 적어도 하나의 전력 변환 장치, 적어도 하나의 스위치, 그리고 제어부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전력 관리 시스템(1100)은 제 1 전력 변환 장치(1110), 제 2 전력 변환 장치(1120), 제 3 전력 변환 장치(1130), 제 1 스위칭 장치(1140), 제 2 스위칭 장치(1150), DC 링크 장치(1160) 및 메인 제어 장치(1170)를 포함할 수 있다.

제 1 전력 변환 장치(1110)는 제 1 발전 시스템에 연결되며, 제 1 발전 시스템에서 생산되는 제 1 전력을 제 2 전력으로 변환하여 제 1 노드(N1)에 전달한다. 제 1 발전 시스템에서 생산되는 제 1 전력은 직류 전력 또는 교류 전력일 수 있고, 제 1 노드(N1)의 제 2 전력은 직류 전력이다. 즉, 제 1 전력 변환 장치(1110)는 직류의 제 1 전력을 다른 크기의 제 2 전력으로 변환하거나, 교류의 제 1 전력을 직류의 제 2 전력으로 변환할 수 있다.

DC 링크 장치(1160)는 제 1 노드(N1)에 연결되며, 제 1 노드(N1)의 전압 레벨을 일정한 DC 링크 전압 레벨로 유지시킨다. DC 링크 장치(1160)는 제 1 발전 시스템의 출력 전압의 변동, 부하의 최대 부하 발생 등으로 인하여 제 1 노드(N1)의 전압 레벨이 불안정해지는 것을 방지함으로써 제 2 전력 변환 장치(1120) 및 제 3 전력 변환 장치(1130)가 정상 동작하도록 한다. DC 링크 장치(1160)는 제 1 노드(N1)와 제 2 전력 변환 장치(1120) 사이에 병렬로 연결되는 DC 링크용 캐패시터를 포함할 수 있다.

제 2 전력 변환 장치(1120)는 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 연결되며, 제 2 노드(N2)에는 부하(1300)가 연결된다. 제 2 전력 변환 장치(1120)는 제 1 노드(N1)의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 제 2 노드(N2)에 전달한다. 그리고, 제 2 전력 변환 장치(1120)는 제 2 노드(N2)의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 제 1 노드(N1)로 전달한다. 즉, 제 2 전력 변환 장치(1120)는 제 1 노드(N1)의 직류 전력과 제 2 노드(N2)의 교류 전력 간의 전력을 양방향으로 변환할 수 있다. 제 2 노드(N2)에는 부하(1300)로 공급하기 위한 교류 전력이 형성된다.

제 3 전력 변환 장치(1130)는 제 1 노드(N1)와 전력 저장 장치(1200) 사이에 연결된다. 제 3 전력 변환 장치(1130)는 제 1 노드(N1)의 직류의 제 2 전력을 전력 저장 장치(1200)에 저장하기 위한 직류의 제 3 전력으로 변환하여 전력 저장 장치(1200)에 전달한다. 그리고, 제 3 전력 변환 장치(1130)는 전력 저장 장치(1200)의 직류의 제 3 전력을 직류의 제 2 전력으로 변환하여 제 1 노드(N1)에 전달한다. 즉, 제 3 전력 변환 장치(1130)는 제 1 노드(N1)의 직류 전력과 전력 저장 장치(1200)의 직류 전력을 양방향으로 변환하는 양방향 컨버터의 기능을 수행할 수 있다.

제 1 스위칭 장치(1140)는 제 2 전력 변환 장치(1120)와 제 2 노드(N2) 사이에 연결되며, 제 2 전력 변환 장치(1120)와 제 2 노드(N2) 사이의 전력 흐름을 차단한다. 제 2 스위칭 장치(1150)는 제 2 노드(N2)와 제 2 발전 시스템(미도시) 사이에 연결되며, 제 2 노드(N2)와 제 2 발전 시스템 사이의 전력 흐름을 차단한다. 제 1 스위칭 장치(1140) 및 제 2 스위칭 장치(1150)로는 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor), 바이폴라 정션 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor) 등을 포함하는 장치가 이용될 수 있다. 특히, 제 2 스위칭 장치(1150)는 제 2 발전 시스템의 이상 상황 발생 시 제 2 발전 시스템과의 연결을 차단하고 전력 저장 시스템의 단독 운전을 구현한다.

메인 제어 장치(1170)는 전력 관리 시스템(1100)의 전반적인 동작을 제어한다. 메인 제어 장치(1170)는 제 1 전력 변환 장치(1110)로부터 제 1 발전 시스템에서 생산되는 전력 정보(전압, 전류, 온도의 센싱 신호)를 전달받고, 전력 저장 장치(1200)의 BMS로부터 SOC, SOH 등을 포함하는 전력 저장 정보를 전달받는다. 메인 제어 장치(1170)는 제 1 발전 시스템에서 생산되는 전력 정보, 전력 저장 장치(1200)의 전력 저장 정보를 기반으로 전력 관리 시스템(1100)의 운전 모드를 제어한다. 또한, 메인 제어 장치(1170)는 제 1 전력 변환 장치(1110), 제 2 전력 변환 장치(1120) 및 제 3 전력 변환 장치(1130)로부터 전압, 전류, 온도의 센싱 신호를 전달받고, 전력 관리 시스템(1100)의 운전 모드에 따라 각 전력 변환부(1110, 1120, 1130)의 전력 변환 효율을 제어한다. 메인 제어 장치(1170)는 전력 관리 시스템(1100)의 운전 모드에 따라 제 1 스위칭 장치(1140) 및 제 2 스위칭 장치(1150)의 온/오프를 제어한다. 예를 들어, 부하(1300)를 충전하는 충전 모드의 경우 제 1 및 제 2 스위칭 장치(1140, 1150)의 적어도 어느 하나를 온시켜 부하(1300)가 충전되도록 한다.

전력 저장 장치(1200)는 충전 및 방전이 가능한 배터리 셀을 포함할 수 있다. 이러한 전력 저장 장치(1200)는 복수의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 배터리 팩(pack)을 포함할 수 있고, 복수의 배터리 팩이 직렬로 연결된 복수의 배터리 랙(rack)을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 랙은 병렬로 연결될 수 있다. 한편, 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)이 전력 저장 장치(1200) 또는 전력 관리 시스템(100)에 포함될 수 있다. BMS는 배터리 팩에 포함된 각 셀의 전압, 전류, 온도를 검출하고 각 셀의 충전 상태(State of Charge; SOC) 및 수명(State of Health; SOH)을 모니터링함으로써, 각 셀의 과충전, 과방전, 과전류, 과열 등으로부터 셀을 보호하고 셀 밸런싱(cell balancing)을 통하여 배터리의 효율을 향상시킨다.

도 4를 참조하면, 전력 저장 장치는 복수의 배터리 랙(1210)을 포함하는 배터리, 뱅크 BMS(1220), 버스바(1230), 전력 변환부(Power Conversion System; PCS)(1240)를 포함할 수 있다.

복수의 배터리 랙(1210a 내지 1210n; 1210) 각각은 직렬, 병렬 또는 직병렬 연결된 복수의 배터리 셀과, 해당 배터리 랙의 충전 및 방전을 각각 관리하는 복수의 랙 BMS(1211a 내지 1211n; 1211)를 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 배터리 셀은 일 배터리 팩을 구성하고, 복수의 배터리 팩이 일 배터리 랙(1210)을 구성할 수 있으며, 각 배터리 팩에 팩 BMS가 각각 마련될 수도 있다. 복수의 랙 BMS(1211)는 각 배터리 랙(1210)의 충방전 정보 또는 전압, 전류 등을 측정하여 뱅크 BMS(1220)에 전달한다. 한편, 본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 관리 장치는 예를 들어 랙 BMS(1211)에 마련될 수 있다. 즉, 배터리 관리 장치는 랙 BMS(1211)의 적어도 일부일 수 있다. 그러나, 배터리 관리 장치는 뱅크 BMS(1220)에 마련될 수도 있다. 또한, 배터리(1100)는 전력 저장 장치의 배터리 랙(1210)일 수 있다.

뱅크 BMS(1220)는 복수의 랙 BMS(1211)를 관리하여 배터리 전체의 충전 및 방전을 관리한다. 예를 들어, 뱅크 BMS(1220)는 복수의 랙 BMS(1211)로부터 전달받은 복수의 배터리 랙(1210) 각각의 전압, 전류 데이터를 이용하여 SOC 및 SOH를 추정하고, 복수의 배터리 랙(1210)의 전압, 전류, SOC 및 SOH 등의 평균 및 편차 등을 연산할 수 있다. 이렇게 뱅크 BMS(1220)에 의해 산출된 데이터는 관리자, 즉 관리 시스템에 전달될 수 있고, 랙 BMS(1211)의 관리에 이용될 수 있다. 물론, 뱅크 BMS(1220)로부터 산출된 데이터는 예를 들어 메인 제어 장치(1170)에 전달된 후 관리자에게 전달될 수도 있다. 여기서, 뱅크 BMS(1220)는 관리자가 필요로 하는 형태로 데이터를 변환하여 관리자에게 전달할 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 랙이 일련 번호에 따라 행 방향으로 배열되고, 해당 배터리 랙의 전압, 전류, SOC, SOH 및 각각의 평균, 편차 등이 열 방향으로 배열된 표 형태로 관리자에게 전달할 수 있다. 물론 각 배터리 랙의 데이터를 상대 비교한 그래프 형태로 관리자에게 전달할 수도 있다. 한편, 복수의 랙 BMS(1211) 및 뱅크 BMS(1220)는 CAN(Controller Area Network) 통신으로 연결될 수 있다.

버스바(1230)는 전력 변환부(1240)와 복수의 배터리 랙(1210)을 연결시킨다. 이러한 버스바(1230)는 전력 변환부(1240)에 연결되는 주전력선(1231, 1232) 및 복수의 배터리 랙(1210)을 주전력선(1231, 1232)에 병렬로 연결시키는 복수의 부전력선(1231a, 1232a, 1231b, 1232b,…, 1231n, 1232n)을 포함할 수 있다. 복수의 제 1 부전력선(1231a, 1231b,…, 1231n)의 일단은 각 배터리 랙(1210)의 제 1 전극 단자(+)에 연결되고, 타단은 제 1 주전력선(1231)에 연결된다. 그리고, 복수의 제 2 부전력선(1232a, 1232b, …, 1232n)의 일단은 각 배터리 랙(1210)의 제 2 전극 단자(-)에 연결되고, 타단은 제 2 주전력선(1232)에 연결된다. 즉, 복수의 배터리 랙(1210)은 주전력선(1231, 1232)에 병렬로 연결된다. 따라서, 버스바(1230)를 통해 전력 변환부(1240)와 복수의 배터리 랙(1210)이 연결되어 전류가 전달된다.

전력 변환부(1240)는 복수의 배터리 랙(1210)에서 방전되는 직류 전력을 다른 레벨의 직류 전력으로 변환하거나 교류 전력으로 변환한다. 또한, 전력 변환부(1240)는 외부로부터 인가되는 직류 전력 또는 교류 전력을 복수의 배터리 랙(1210)을 충전하기 위한 직류 전력으로 변환한다. 그리고, 전력 변환부(1240)는 접지될 수 있는데, 전력 변환부(1240)는 복수의 배터리 랙(1210)과 공통 접지된다. 한편, 전력 변환부(1240)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 이용한 스위칭을 통해 전력 변환을 제어할 수 있다.

한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 배터리 200 : 센싱부
300 : 시간 제어부 400 : 제어부
500 : 밸런싱부

Claims

제어부가 센싱부에 의해 센싱된 배터리의 상태를 확인하여 슬립 모드인지 판단하는 과정;
슬립 모드인 경우 소정 주기마다 웨이크업되는 시간 제어부를 이용하여 상기 배터리의 상태를 주기적으로 확인하는 과정;
제어부가 상기 배터리의 상태 확인 횟수로부터 상기 배터리가 장기 보관 상태인지 판단하는 과정; 및
상기 배터리가 장기 보관 상태인 것으로 판단되면 상기 배터리에 대해 밸런싱을 수행하는 과정을 포함하고,
상기 배터리의 상태를 주기적으로 확인하는 과정은, 상기 슬립 모드에서 주기적으로 웨이크업되는 시간 제어부가 소정 시간동안 구동 전원을 공급하여 상기 배터리의 상태를 확인 및 판단하며,
상기 배터리의 장기 보관 상태인지 판단하는 과정에서, 상기 배터리의 상태 확인 횟수는 상기 시간 제어부의 웨이크업 횟수를 카운팅하여 판단하는 장기 보관 배터리의 관리 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 배터리가 슬립 모드인지 판단하는 과정은, 소정 시간 상기 배터리의 전압 및 전류의 변화가 없거나 외부와의 통신이 없는 경우 슬립 모드로 판단하는 배터리 관리 방법.
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청구항 1에 있어서, 상기 카운팅 횟수가 설정된 수 이상일 경우 장기 보관 상태로 판단하는 배터리 관리 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 배터리의 충전 상태를 확인하는 과정을 더 포함하는 배터리 관리 방법.
청구항 6에 있어서, 상기 배터리가 장기 보관 상태로 판단되고 상기 배터리의 소정 전압 이상을 유지하면 상기 밸런싱을 수행하는 배터리 관리 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 밸런싱은 상기 배터리의 모든 배터리 셀이 소정 전압에 도달할 때까지 수행되는 배터리 관리 방법.
배터리의 상태를 확인하기 위한 센싱부;
상기 배터리의 장기 보관 여부를 확인하기 위한 시간 제어부;
상기 배터리가 슬립 모드인지를 판단하고, 상기 배터리의 장기 보관을 판단하여 상기 배터리의 밸런싱 여부를 판단하는 제어부; 및
상기 배터리의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부를 포함하고,
슬립 모드에서, 상기 시간 제어부는 주기적으로 웨이크업되어 소정 시간 동안 적어도 상기 제어부에 구동 전원이 공급되도록 하여 상기 제어부가 웨이크업되도록 하며,
상기 제어부는 슬립 모드에서 상기 시간 제어부의 웨이크업 횟수를 카운팅하여 상기 배터리의 장기 보관을 판단하는 배터리 관리 장치.
청구항 9에 있어서, 상기 센싱부는 상기 배터리의 전압, 전류를 포함하는 상기 배터리의 상태를 센싱하고, 상기 배터리와 외부의 통신 상태를 센싱하는 배터리 관리 장치.
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청구항 9에 있어서, 상기 제어부는 소정 시간 동안 전류 및 전압의 변화가 없거나, 외부와의 통신이 없는 경우 슬립 모드로 판단하는 배터리 관리 장치.
삭제
청구항 12에 있어서, 상기 제어부는 장기 보관으로 판단된 상기 배터리의 충전 상태에 따라 밸런싱 여부를 판단하는 배터리 관리 장치.