KR102553607B1 - 배터리 상태 진단 시스템 - Google Patents

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KR102553607B1
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discharger
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구태근
이성수
조영주
김태훈
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(주)하나기술
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Abstract

본 발명은 배터리 상태 진단 시스템(1)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CDS가 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)과 통신 가능하도록 구성됨으로써 배터리 팩 시스템 커버(또는 하우징)를 탈거하는 과정을 수행할 필요 없이 각 배터리 팩에 대한 충전 및/또는 방전이 가능하도록 하며, 충전 및/또는 방전 작업 시 배터리 모니터링을 위한 관련 정보(예를 들어 배터리 셀 전압, 절연저항, 모듈 온도, 배터리 팩 전압, 팩 전류, 출력가능파워, SOC, SOH 등)를 용이하게 취득 가능하도록 하는 배터리 상태 진단 시스템(1)에 관한 것이다.

Description

배터리 상태 진단 시스템{SYSTEM FOR DIAGNOSING STATUS OF SECONDARY BATTERY}
본 발명은 배터리 상태 진단 시스템(1)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CDS가 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)과 통신 가능하도록 구성됨으로써 배터리 팩 시스템 커버(또는 하우징)를 탈거하는 과정을 수행할 필요 없이 각 배터리 팩에 대한 충전 및/또는 방전이 가능하도록 하며, 충전 및/또는 방전 작업 시 배터리 모니터링을 위한 관련 정보(예를 들어 배터리 셀 전압, 절연저항, 모듈 온도, 배터리 팩 전압, 팩 전류, 출력가능파워, SOC, SOH 등)를 용이하게 취득 가능하도록 하는 배터리 상태 진단 시스템(1)에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용이 용이하고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점과 함께, 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 현재 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
또한, 최근 단위 배터리 모듈을 복수 개 포함하는 배터리팩의 사용이 증가하고 있다. 구체적으로, 배터리 팩은 전기적으로 연결되어 있는 배터리 모듈을 복수 개 포함하며, 상대적으로 큰 전기용량을 필요로 하는 전기자동차(EV) 내지 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 사용되고 있다. 특히 전기자동차의 수요가 증가함에 따라 폐차 후 폐배터리 또는 기하급수적으로 증가하고 있다.
전기자동차 폐배터리는 잔존가치 판단을 위한 성능평가 후 성능이 양호한 폐배터리의 경우는 ESS등으로 재사용이 되거나, AS용으로 제재조로 활용되며, 성능이 불량한 폐배터리는 완전방전 후에 희유금속을 추출하기 위해 파쇄되고 재활용이 된다.
폐배터리는 전기차에서 분리되므로 성능평가와 완전방전 시 배터리 자체의 냉각시스템이 작동되지 않아 배터리 내부온도 상승에 따른 화재위험에 노출되어 있으며, 셀 전압 등의 배터리 상태를 알 수가 없으므로, 배터리 셀의 이상 유무에 대한 모니터링을 통한 안전한 충방전이 반드시 필요하다.
현재 폐배터리의 안전한 성능평가와 방전을 위해서 직접 폐배터리에 센싱 케이블을 연결해서 셀 전압과 모듈 온도를 모니터링하여, 충방전 시 폐배터리의 발생 가능한 화재로부터 보호한다.
도 1은 종래의 배터리 상태 진단 시스템에 대한 참고도이다.
이하에서는 종래의 배터리 상태 진단 시스템(9)의 구조 및 그에 따른 충방전 과정에 대하여 설명하도록 한다.
도 1을 참고하면, 종래의 배터리 상태 진단 시스템(9)은, 배터리 팩 시스템(910), 충방전기(930), 분석기(950) 및 진단장치(970)를 포함한다. 또한, 배터리 팩 시스템(910) 내에는 배터리 팩(911), 배터리 관리 시스템(913)과, 상기 배터리 관리 시스템(913)에 의하여 제어되는 릴레이 구성인 PRA(915)가 내장될 수 있다. 이러한 PRA(915)는 배터리 팩 시스템(910) 외면 상에 형성되는 커넥터(910a-1)를 통하여 연결되는 외부 구성요소와 배터리 팩(911) 간 전기적 연결을 제어하는 릴레이 구성이다.
또한, 배터리 팩 시스템(910)은 배터리 팩(911), 배터리 관리 시스템(913) 및 PRA(915) 등이 내장되도록 커버(910a)로 덮힐 수 있다. 그리고 개별 배터리 팩(911)은 한 개 이상의 배터리 모듈(911a)을 포함하고 개별 배터리 모듈(911a)은 다수의 배터리 셀(911b)을 포함한다. 배터리 관리 시스템(913)은 상기 배터리 셀들(911b) 모두와 센싱 와이어를 통하여 연결되는 CMU(미도시)를 포함하거나 직접 상기 배터리 셀들(911b)과 연결될 수 있다.
또한 분석기(950)는 충방전 작업 시 배터리 상태를 모니터링하기 위한 구성으로, 센싱 와이어 또는 케이블을 통하여 배터리 셀(911b) 측에 직접 연결되어 배터리 셀(911b)의 전압과 배터리 모듈(911a) 온도의 2가지 정보를 취득함으로써 진단장치(970) 측에 송신할 수 있다. 이 때 분석기(950)는 진단장치(970)와 CAN 통신하도록 구성될 수 있다.
이와 같은 구성 하, 배터리 충방전 진행 시 일반적인 충방전기(930)는 배터리 관리 시스템(913)과 직접적인 통신이 불가능하므로 상기 충방전기(930)를 배터리 팩 시스템(910) 일 측에 형성된 커넥터(910a-1)를 통해 PRA(915)와 전기적으로 연결하는 것이 불가능하다. 즉, 커넥터(910a-1)를 통하여 충방전기(930)가 전기적으로 접속되도록 하더라도 PRA(915)의 릴레이 온 또는 오프를 원하는 바와 같이 제어할 수 없으므로 배터리 팩(911)과 전기적으로 연결되지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
따라서, 일반적으로 충방전 작업을 수행하기 위해서는, 배터리 팩 시스템(910)의 커버(910a)를 탈거한 이후, 전력선을 통하여 충방전기(930)를 PRA(915)의 후단 측(PRA(915)와 배터리 팩(911) 사이)에 직접 유선 연결하여 배터리 팩(911)과 전기적으로 연결되도록 한다. 그러므로 충방전 시 커버(910a) 탈거를 위한 별도의 작업을 수행할 수밖에 없는 것이다. 즉, 배터리 팩 시스템(910)이 전기 자동차 내 탑재된 상태 또는 커버(910a)가 탈거되지 않은 상태에서는 충방전 작업이 수행하는 것이 불가능하다. 이에 의하여 작업자의 작업성이 현저히 낮아질 수밖에 없다.
또한, 개별 배터리 셀(911b)의 충방전 작업 시 배터리 모듈(911a) 또는 배터리 셀(911b)의 상태를 파악하여야 하는데, 이를 위해서는 배터리 모듈(911a) 내 임의의 위치 또는 기 설정된 위치에 분석기(950)와 연결되는 센싱 와이어 또는 케이블을 모두 연결하여야 한다. 예를 들어, 개별 배터리 모듈(911a) 내 n(n=양의 정수)개의 배터리 셀(911b)이 존재하는 경우, 각 배터리 셀(911b)의 전압을 파악하기 위한 n개의 센싱 와이어 또는 케이블을 상기 셀(911b) 측에 연결하고, 배터리 모듈(911a)의 온도를 파악하기 위하여 각 배터리 모듈(911a)의 특정 지점에 센싱 와이어 또는 케이블을 연결하여야 한다.
이와 같이 다수의 선을 연결하는 것은 작업을 위한 불필요한 시간 소모를 발생시키며 작업효율 저하의 주 요인이 될 수 있다. 예를 들어, 다수의 선을 연결하는 작업은 많은 시간이 소요될 수 있다. 또한, 분석기(950)를 배터리 모듈(911a) 또는 배터리 셀(911b)과 연결하는 것 역시 커버(910a)를 탈거하지 않는 상태에서는 불가능하다. 그리고 위와 같이 다수의 선을 연결하는 경우에는 전력선이 여러 개소로 분기될 때 사용하는 정션 박스 구성을 필요로 하게 된다. 이는 시스템을 전체적으로 복잡하게 하며 비용 상승의 단점을 유발하는 요인이 될 수 있다.
이와 같은 문제점을 해결하고자 본 발명의 발명자들은 개선된 구조를 가지는 신규의 배터리 상태 진단 시스템(1)에 대하여 제시하고자 하며 상세한 내용을 후술한다.
한국등록특허 제10-1286509호 '직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기'
앞서 본 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로,
본 발명은 배터리 팩 외부 구성인 CDS가 배터리 관리 시스템(BMS)와 통신하여 상기 배터리 관리 시스템에 PRA 동작 제어 신호를 송신함으로써 배터리 팩 시스템 커버를 탈거하는 과정을 진행할 필요 없이 배터리 셀에 대한 용이한 충전 및/또는 방전이 수행되도록 하여 작업효율 향상을 도모하도록 하는 배터리 상태 진단 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 CDS와 배터리 관리 시스템 간 통신을 통하여 PRA의 동작을 제어하여, 충전 및/또는 방전 작업 시 방전기가 배터리 팩 시스템의 커넥터를 통해 배터리 팩에 전기적으로 접속되도록 함으로써, 용이한 방전 작업이 수행되도록 하는 배터리 상태 진단 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 CDS가 배터리 관리 시스템으로부터 직접 배터리 관련 정보를 수신함으로써, 배터리 모니터링 작업 시 배터리 팩 시스템 커버를 탈거하는 과정을 진행을 할 필요가 없어 작업성이 현저히 향상되도록 하는 배터리 상태 진단 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 전술한 바와 같이, CDS가 배터리 관리 시스템으로부터 직접 배터리 관련 정보를 수신함으로써, 상기 관련 정보를 수신하기 위해 다수의 센싱 와이어 또는 케이블이 배터리 셀 및/또는 배터리 모듈과 연결되는 것을 미연에 방지하도록 하는 배터리 상태 진단 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 배터리 팩 시스템과 방전기 또는 진단 장치 사이에 별도의 정션 박스를 활용하지 않음으로, 구조적 단순화가 가능하도록 하는 배터리 상태 진단 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전기 자동차의 미주행 시 CDS가 배터리 관리 시스템에 차량 주행 시에 대응되는 배터리 관리 통신값을 송신하도록 함으로써, 배터리 팩 시스템이 전기 자동차에 탑재된 상태에서도 충전 포트를 통하여 충전 및/또는 방전 작업이 수행 가능하도록 하는 배터리 상태 진단 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 CDS가 방전기와 독립적으로 구성되도록 함으로써, 배터리 관리 시스템과 통신 불가능한 종래의 방전기를 그대로 활용하더라도 이용 가능하도록 하는 배터리 상태 진단 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 방전기와 독립성을 가지는 하드웨어 내 다수의 CDS를 구성함으로써 복수 개의 배터리 팩에 대한 동시 상태 진단, 충전 및/또는 방전이 가능하도록 하는 배터리 상태 진단 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 앞서 상술한 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의하여 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 진단 시스템은배터리의 관련 정보를 센싱하며 PRA의 릴레이 온/오프를 제어하는 배터리 관리 시스템; 상기 배터리 관리 시스템의 제어 하 동작하여 방전기와 배터리 팩의 전기적 연결을 제어하는 릴레이 구성인 PRA; 및 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩;이 내장되는 배터리 팩 시스템; 상기 배터리 관리 시스템과 통신하며, 상기 배터리 관리 시스템에 상기 PRA 릴레이 온/오프 신호를 송신하는 CDS; 및 상기 배터리 팩 내 배터리 셀을 방전시키는 방전기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 진단 시스템에서의 상기 배터리 팩 시스템에는 상기 배터리 관리 시스템, PRA 및 배터리 팩이 내장되도록 하우징을 형성하는 커버 및 하부 구조를 포함하는 외면이 형성되고, 상기 배터리 팩 시스템의 외면에는 제1 측에서 상기 PRA와 연결되는 제1 커넥터;가 형성되고, 상기 방전기는 상기 CDS를 통한 상기 PRA 동작 제어 하, 상기 제1 커넥터에 접속되는 전력선을 통하여 상기 배터리 팩과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 진단 시스템에서의 상기 배터리 팩 시스템의 외면에는 제2 측에서 상기 배터리 관리 시스템과 연결되는 제2 커넥터;가 형성되고, 상기 CDS는 상기 제2 커넥터를 통한 접속을 통하여 상기 배터리 관리 시스템과 통신하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 진단 시스템에서의 상기 CDS는 상기 배터리 관리 시스템과 CAN 통신하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 진단 시스템에서의 상기 CDS는 상기 배터리 관리 시스템으로부터 배터리 관련 정보를 직접 수신하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 진단 시스템에서의 상기 CDS는 전기 자동차의 미주행 상태에서 충전 또는 방전 작업 시, 상기 배터리 관리 시스템에 차량 주행 시에 대응되는 배터리 관리 통신값을 송신하여, 상기 배터리 관리 시스템이 주행 상태인 것으로 인식되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 진단 시스템에서의 상기 CDS는 상기 방전기 내부에 탑재되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 진단 시스템에서의 상기 CDS는 상기 방전기와 물리적으로 구분되는 독립형 구성인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 진단 시스템에서의 상기 CDS는 단일 하드웨어 내 다수 구성되어 복수 개의 배터리 팩 시스템에 대한 방전 작업이 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 진단 시스템은 교류전원을 직류전원으로 특성 변화 후 상기 CDS에 직류 전원을 공급하는 전원공급부;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 진단 시스템은 상기 CDS 및 충방전기와 통신 가능하도록 구성되며, 상기 CDS로부터 수신한 배터리 관련 정보를 바탕으로 배터리 수명 정보를 결정하는 진단 장치;를 추가로 포함하며, 상기 진단 장치는 상기 CDS 및 충방전기의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 진단 시스템에서의 상기 PRA는 상기 배터리 팩 시스템 내 배터리 팩의 양극 단자와 연결되는 제1 릴레이; 및 상기 배터리 팩 시스템 내 배터리 팩의 음극 단자와 연결되는 제2 릴레이;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 앞서 본 구성에 의하여 다음과 같은 효과를 가진다.
본 발명은 배터리 팩 외부 구성인 CDS가 배터리 관리 시스템(BMS)와 통신하여 상기 배터리 관리 시스템에 PRA 동작 제어 신호를 송신함으로써 배터리 팩 시스템 커버를 탈거하는 과정을 진행할 필요 없이 배터리 셀에 대한 용이한 충전 및/또는 방전이 수행되도록 하여 작업효율 향상을 도모하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 CDS와 배터리 관리 시스템 간 통신을 통하여 PRA의 동작을 제어하여, 충전 및/또는 방전 작업 시 방전기가 배터리 팩 시스템의 커넥터를 통해 배터리 팩에 전기적으로 접속되도록 함으로써, 용이한 방전 작업이 수행되도록 하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 CDS가 배터리 관리 시스템으로부터 직접 배터리 관련 정보를 수신함으로써, 배터리 모니터링 작업 시 배터리 팩 시스템 커버를 탈거하는 과정을 진행을 할 필요가 없어 작업성이 현저히 향상되도록 하는 효과가 도출된다.
또한, 본 발명은, 전술한 바와 같이, CDS가 배터리 관리 시스템으로부터 직접 배터리 관련 정보를 수신함으로써, 상기 관련 정보를 수신하기 위해 다수의 센싱 와이어 또는 케이블이 배터리 셀 및/또는 배터리 모듈과 연결되는 것을 미연에 방지하도록 하는 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명은 배터리 팩 시스템과 방전기 또는 진단 장치 사이에 별도의 정션 박스를 활용하지 않음으로, 구조적 단순화가 가능하도록 하는 효과를 보인다.
또한, 본 발명은 전기 자동차의 미주행 시 CDS가 배터리 관리 시스템에 차량 주행 시에 대응되는 배터리 관리 통신값을 송신하도록 함으로써, 배터리 팩 시스템이 전기 자동차에 탑재된 상태에서도 충전 포트를 통하여 충전 및/또는 방전 작업이 수행 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 CDS가 방전기와 독립적으로 구성되도록 함으로써, 배터리 관리 시스템과 통신 불가능한 종래의 방전기를 그대로 활용하더라도 이용 가능하도록 하는 효과를 보인다.
또한, 본 발명은 방전기와 독립성을 가지는 하드웨어 내 다수의 CDS를 구성함으로써 복수 개의 배터리 팩에 대한 동시 상태 진단, 충전 및/또는 방전이 가능하도록 하는 효과를 나타낸다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 종래의 배터리 상태 진단 시스템에 대한 개념도이고;
도 2는 배터리 셀, 배터리 모듈 및 배터리 팩에 대한 개념도이고;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 시스템의 개념도이고;
도 4는 배터리 팩 내부에 대한 개념도이고;
도 5는 CDS가 방전기에 내장된 타입을 보여주기 위한 참고도이고;
도 6 및 도 7은 CDS가 방전기와 물리적으로 구분되는 타입을 보여주기 위한 참고도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며 청구범위에 기재된 사항을 기준으로 해석되어야 한다. 또한, 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 참고적으로 제공되는 것일 뿐이다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 배터리 셀, 배터리 모듈 및 배터리 팩에 대한 개념도이다.
도 2를 참고하면, 일반적으로 배터리 팩은 복수 개의 배터리 모듈을 포함할 수 있고, 각각의 배터리 모듈은 복수 개의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 일 예로, 개별 배터리 모듈은 20 개 또는 98개 등 다양한 갯수의 배터리 셀을 포함할 수 있으나 본 발명의 범위가 특정 갯수에 의하여 제한되는 것은 아니며 사용자 정의에 따라 달라질 수 있다. 또한, 복수의 배터리 모듈은 상호 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 이하에서 배터리라 함은, 경우에 따라 배터리 모듈 및 배터리 셀을 모두 포함하거나 어느 하나의 구성요소만 포함하는 개념일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 시스템의 개념도이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 시스템(1)에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 3을 참고하면, 본 발명은 배터리 상태 진단 시스템(1)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CDS가 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)과 통신 가능하도록 구성됨으로써 배터리 팩 시스템 커버(또는 하우징)를 탈거하는 과정을 수행할 필요 없이 각 배터리 팩에 대한 충전 및/또는 방전이 가능하도록 하며, 충전 및/또는 방전 작업 시 배터리 모니터링을 위한 관련 정보(예를 들어 배터리 셀 전압, 절연저항, 모듈 온도, 배터리 팩 전압, 팩 전류, 출력가능파워, SOC, SOH 등)를 용이하게 취득 가능하도록 하는 배터리 상태 진단 시스템(1)에 관한 것이다.
이를 위하여 배터리 상태 진단 시스템(1)은, 배터리 팩 시스템(10), CDS(Component Diagnosis System)(30), 전원공급부(50), 방전기(70) 및 진단 장치(90)를 포함할 수 있다. 상기 진단 장치(90)는 예를 들어 '제어부' 구성일 수 있다.
배터리 팩 시스템(10)은 차량용 배터리를 포함하는 구성이며, 상세하게는 전기 자동차의 일 구성으로 상기 전기 자동차의 엔진 시동을 거는데 필요한 전원을 공급하는 것일 수 있다. 전기 자동차는 순수 전기 자동차(Electric Vehicle; EV), 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle; HEV), 플러그인 하이브리드 전기 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle; PHEV) 등을 포함할 수 있다.
또한, 배터리 팩 시스템(10)은 예를 들어 각 배터리 팩(150)을 구획하는 배터리 구획 프레임과, 상기 배터리 구획 프레임이 수납되는 하우징 트레이, 그리고 상기 배터리 팩을 수용하는 커버(10a) 및 하부 구조(10b)를 포함할 수 있다. 커버(10a)와 하부 구조(10b)는 배터리 팩 시스템(10)의 외면을 형성할 수 있다. 이외에도 배터리 팩 시스템(10)은 다양한 구성요소들을 추가로 포함할 수 있으나 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
이러한 배터리 팩 시스템(10)은, 배터리 관리 시스템(110), PRA(Power Relay Assembly)(130) 및 배터리 팩(150)을 포함할 수 있다.
배터리 관리 시스템(110)은 배터리의 전류, 전압, 온도 등 관련 정보를 센싱하여 상기 배터리가 최적의 성능을 발휘하도록 제어하는 시스템 구성이다. 이러한 배터리 관리 시스템(110)은, 상기 관련 정보를 모니터링하여 배터리의 과충전 및/또는 과방전 상태를 방지할 수 있고, 예를 들어 과충전 및/또는 과방전 상태 시 PRA(130) 동작 제어를 통하여 전원을 차단할 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 시스템(110)은, 배터리 팩(150)의 상태를 파악하여 냉각, 충전, 방전 제어를 수행하고, 차량 ECU(Electronic Control Unit)와 통신하여 전기 자동차 구동에 필요한 에너지를 제공할 수 있다.
또한, 배터리 관리 시스템(110)은 다수의 배터리 셀(151)과 센싱 와이어 또는 케이블에 의하여 모두 연결되거나 후술하는 배터리 셀 관리 유닛(CMU; 153)에 의하여 연결될 수도 있고 본 발명의 범위가 특정 예시에 의하여 제한되는 것은 아니다. 배터리 관리 시스템(110)은 배터리 팩 시스템(10) 외면 제1 측의 제1 커넥터(10c)를 통한 전기적 연결에 의하여 후술하는 CDS(30)와 통신 가능하도록 구성될 수 있다.
PRA(130)는 배터리 관리 시스템(110)의 제어 하 동작하여 배터리 팩(150)과 외부 구성요소(예를 들어 방전기) 간 전기적 연결을 결정하는 릴레이 구성이다. 이러한 PRA(130)는, 예를 들어 배터리 관리 시스템(110)과 CAN(Controller Area Network) 통신 또는 접점 제어가 가능하도록 구성되며 전력선에 의하여 배터리 팩(150)과 연결될 수 있다. 또한, PRA(130)는 배터리 팩(150)과 배터리 팩 시스템(10) 외면 제2 측의 제2 커넥터(10d)를 통한 외부 구성요소 간 전기적 연결을 제어할 수 있다. 일 예로, PRA(130)는 배터리 팩 시스템(10) 외면 제2 측의 커넥터(10d)를 통하여 접속한 방전기(70)를 배터리 팩(150)과 전기적으로 연결하거나 차단할 수 있다. 상기 '제1 커넥터(10c)'와 '제2 커넥터(10d)'는 독립적인 구성이며, 경우에 따라서는 용어를 바꾸어 사용할 수도 있다.
일 예로, PRA(130)는 충전 또는 방전 시 후술할 제1 릴레이(131) 및 제2 릴레이(133) 온 동작되어 배터리 팩(150)으로 고전압 충전 또는 방전되도록 하며, 충전 완료 또는 과방전/과충전 시 상기 제1 릴레이(131) 및 제2 릴레이(133) 오프 동작되어 대응 작업이 종료되도록 할 수 있다.
또한, PRA(130)는 제1 릴레이(131) 및 제2 릴레이(133)를 포함할 수 있다.
제1 릴레이(131)는 배터리 팩(150)의 양극 단자에 연결되고, 상기 배터리 팩(150)과의 전기적 연결 또는 차단을 결정하는 구성이다.
제2 릴레이(133)는 배터리 팩(150)의 음극 단자에 연결되고, 상기 배터리 팩(150)과의 전기적 연결 또는 차단을 결정하는 구성이다. 전술한 바와 같이, 제1 릴레이(131)와 제2 릴레이(133)를 포함하는 PRA(130)는 배터리 관리 시스템(110)의 제어 하 릴레이 온(On) 또는 오프(Off) 제어될 수 있다. 즉, PRA(130)는 배터리 충전, 방전, 과방전 또는 과충전 시 배터리 관리 시스템(110)의 제어 하 온 또는 오프 제어될 수 있다.
도 4는 배터리 팩 내부에 대한 개념도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 배터리 팩(150)은 한 개 이상의 배터리 모듈(150a)또는 배터리 셀(151)을 포함하는 구성으로, 배터리 셀 관리 유닛(Cell Management Unit; 153)을 포함할 수 있다. 이러한 배터리 셀 관리 유닛(153)은 본 발명의 필수 구성요소는 아님에 유의하여야 한다.
배터리 셀 관리 유닛(153)은 배터리 팩(150) 내 개별 배터리 셀(151)의 전류량을 기초로 셀 전압을 산출하는 구성이다. 더욱 상세하게 설명하면, 배터리 셀 관리 유닛(153)은 배터리 팩(150) 내 각 배터리 셀들(151)의 전압을 측정하고, 상기 셀들(151)간 전압 편차 발생 여부, 배터리 셀(151) 및 센싱 와이어 사이의 쇼트 발생 여부, 배터리 셀(151)의 온도 모니터링 및 관련 정보를 예를 들어 CAN 통신을 통해 배터리 관리 시스템(110)으로 송신할 수 있다. 이러한 배터리 셀 관리 유닛(153)은 각 배터리 셀(151)과 센싱 와이어 또는 케이블에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 단일 배터리 팩 (150) 내 다수의 배터리 셀(151)이 내장되는 경우, 1개 이상의 배터리 셀 관리 유닛(153)은 개별 배터리 셀(151) 모두와 센싱 와이어 또는 케이블에 의하여 서로 연결되어야 하는 것이다. 배터리 셀 관리 유닛(153)을 활용하지 않는 경우, 배터리 관리 시스템(110)이 각 배터리 셀(151)과 센싱 와이어 또는 케이블에 의하여 전기적으로 연결되어 상기 배터리 셀 관리 유닛(153)의 기능을 대체할 수 있다.
도 3을 참고하면, CDS(30)는 배터리 관리 시스템(110)과의 통신을 통하여 배터리의 관련 정보를 취득함으로써 진단 장치(90)에 송신하는 구성이다. 이러한 CDS(30)는 배터리 관리 시스템(110) 및/또는 진단 장치(90)와 예를 들어 CAN 통신 또는 시리얼(직렬) 통신 가능하도록 구성될 수 있다. 일 예로, CDS(30)는 OBD(On Board Diagnostics)-2 포트에 접속되는 전용 케이블을 통하여 배터리 관리 시스템(110)과 통신하며, RS485 모드버스 통신을 통하여 진단 장치(90)에 배터리 셀 전압, 절연저항, 모듈 온도, 팩 전압, 팩 전류, 출력가능파워 등의 파라미터를 포함하는 관련 정보를 제공할 수 있다. CDS(30)는 예를 들어 제2 커넥터(10d)를 통한 CAN 통신 전용 케이블에 의하여 배터리 관리 시스템(110)과 통신할 수 있다.
또한, CDS(30)는 배터리 관리 시스템(110)과의 통신을 통하여 PRA(130)의 릴레이 온 및/또는 오프가 제어되도록 할 수 있다. 즉, CDS(30)는 PRA(30)의 동작을 제어 신호를 배터리 관리 시스템(110) 측에 송신할 수 있는 것이다. 이러한 CDS(30)는 일 예로 MCU(Micro Controller Unit)를 포함할 수 있고, 전원공급부(50)로부터 직류 전원을 공급받아 구동될 수 있다.
이하에서는 종래의 배터리 상태 진단 시스템(9)의 구조 및 그에 따른 충방전 과정에 대하여 설명하도록 한다.
도 1을 참고하면, 종래의 배터리 상태 진단 시스템(9)은, 배터리 팩 시스템(910), 충방전기(930), 분석기(950) 및 진단장치(970)를 포함한다. 또한, 배터리 팩 시스템(910) 내에는 배터리 팩(911), 배터리 관리 시스템(913)과, 상기 배터리 관리 시스템(913)에 의하여 제어되는 릴레이 구성인 PRA(915)가 내장될 수 있다. 이러한 PRA(915)는 배터리 팩 시스템(910) 외면 상에 형성되는 커넥터(910a-1)를 통하여 연결되는 외부 구성요소와 배터리 팩(911) 간 전기적 연결을 제어하는 릴레이 구성이다.
또한, 배터리 팩 시스템(910)은 배터리 팩(911), 배터리 관리 시스템(913) 및 PRA(915) 등이 내장되도록 커버(910a)로 덮힐 수 있다. 그리고 개별 배터리 팩(911)은 한 개 이상의 배터리 모듈(911a)을 포함하고 개별 배터리 모듈(911a)은 다수의 배터리 셀(911b)을 포함한다. 배터리 관리 시스템(913)은 상기 배터리 셀들(911b) 모두와 센싱 와이어를 통하여 연결되는 CMU(미도시)를 포함하거나 직접 상기 배터리 셀들(911b)과 연결될 수 있다.
또한 분석기(950)는 충방전 작업 시 배터리 상태를 모니터링하기 위한 구성으로, 센싱 와이어 또는 케이블을 통하여 배터리 셀(911b) 측에 직접 연결되어 배터리 셀(911b)의 전압과 배터리 모듈(911a) 온도의 2가지 정보를 취득함으로써 진단장치(970) 측에 송신할 수 있다. 이 때 분석기(950)는 진단장치(970)와 CAN 통신하도록 구성될 수 있다.
이와 같은 구성 하, 배터리 충방전 진행 시 일반적인 충방전기(930)는 배터리 관리 시스템(913)과 직접적인 통신이 불가능하므로 상기 충방전기(930)를 배터리 팩 시스템(910) 일 측에 형성된 커넥터(910a-1)를 통해 PRA(915)와 전기적으로 연결하는 것이 불가능하다. 즉, 커넥터(910a-1)를 통하여 충방전기(930)가 전기적으로 접속되도록 하더라도 PRA(915)의 릴레이 온 또는 오프를 원하는 바와 같이 제어할 수 없으므로 배터리 팩(911)과 전기적으로 연결되지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
따라서, 일반적으로 충방전 작업을 수행하기 위해서는, 배터리 팩 시스템(910)의 커버(910a)를 탈거한 이후, 전력선을 통하여 충방전기(930)를 PRA(915)의 후단 측(PRA(915)와 배터리 팩(911) 사이)에 직접 유선 연결하여 배터리 팩(911)과 전기적으로 연결되도록 한다. 그러므로 충방전 시 커버(910a) 탈거를 위한 별도의 작업을 수행할 수밖에 없는 것이다. 즉, 배터리 팩 시스템(910)이 전기 자동차 내 탑재된 상태 또는 커버(910a)가 탈거되지 않은 상태에서는 충방전 작업이 수행하는 것이 불가능하다. 이에 의하여 작업자의 작업성이 현저히 낮아질 수밖에 없다.
또한, 개별 배터리 셀(911b)의 충방전 작업 시 배터리 모듈(911a) 또는 배터리 셀(911b)의 상태를 파악하여야 하는데, 이를 위해서는 배터리 모듈(911a) 내 임의의 위치 또는 기 설정된 위치에 분석기(950)와 연결되는 센싱 와이어 또는 케이블을 모두 연결하여야 한다. 예를 들어, 개별 배터리 모듈(911a) 내 n(n=양의 정수)개의 배터리 셀(911b)이 존재하는 경우, 각 배터리 셀(911b)의 전압을 파악하기 위한 n개의 센싱 와이어 또는 케이블을 상기 셀(911b) 측에 연결하고, 배터리 모듈(911a)의 온도를 파악하기 위하여 각 배터리 모듈(911a)의 특정 지점에 센싱 와이어 또는 케이블을 연결하여야 한다.
이와 같이 다수의 선을 연결하는 것은 작업을 위한 불필요한 시간 소모를 발생시키며 작업효율 저하의 주 요인이 될 수 있다. 예를 들어, 다수의 선을 연결하는 작업은 많은 시간이 소요될 수 있다. 또한, 분석기(950)를 배터리 모듈(911a) 또는 배터리 셀(911b)과 연결하는 것 역시 커버(910a)를 탈거하지 않는 상태에서는 불가능하다. 그리고 위와 같이 다수의 선을 연결하는 경우에는 전력선이 여러 개소로 분기될 때 사용하는 정션 박스 구성을 필요로 하게 된다. 이는 시스템을 전체적으로 복잡하게 하며 비용 상승의 단점을 유발하는 요인이 될 수 있다.
이와 같은 문제점을 해결하고자, 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 진단 시스템(1)은, 배터리 관리 시스템(110)과의 통신을 통하여 PRA(130) 제어신호를 송신하는 CDS(30)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 즉, PRA(130)의 릴레이 온 및/또는 오프가 제어되도록 하는 CDS(30)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 전술한 바와 같이, CDS(30)를 통하여 간접적으로 PRA(130)의 동작 제어가 가능하므로, 방전기(70)를 배터리 팩(150)과 전기적으로 연결 시 배터리 팩(10)의 커버(10a)를 탈거할 필요가 없다. 다시 말하면, 방전기(70)를 전력선을 통하여 배터리 팩(150)에 직접 연결할 필요가 없는 것이다.
이에 대하여 상세히 설명하면, 방전기(70)를 제2 커넥터(10d)를 통하여 PRA(130)에 접속시킨 후 CDS(30) 및 배터리 관리 시스템(110)의 제어 하 상기 PRA(130)의 동작을 제어하여 상기 방전기(70)가 배터리 팩(150)과 전기적으로 연결되도록 할 수 있는 것이다.
그리고 전술한 바와 같이, CDS(30)는 배터리 관리 시스템(110)과 제1 커넥터(10c)를 통하여 직접 통신하므로, 배터리 팩(10) 커버(10a)를 탈거할 필요가 없고 배터리 모듈 온도 또는 셀 전압 등 관련정보를 모니터링하기 위하여 다수의 센싱 와이어 또는 케이블을 배터리 팩(911) 내 연결할 필요가 없는 것이다.
또한, CDS(30)는 전기 자동차가 주행 중이 아닌 경우에 배터리 관리 시스템(110)에 차량 주행 시에 대응되는 배터리 관리 통신값을 송신하여, 상기 배터리 관리 시스템(110)이 차량이 주행 상태인 것으로 인식되도록 제어할 수도 있다. 이에 대하여 상세히 설명하면, 차량 미주행 시(시동이 꺼진 상태 시)에는 PRA(130)가 동작하지 않기 때문에, 배터리 팩 시스템(10)이 전기 자동차 내에 탑재된 상태에서는 방전기(70)를 통하여 방전작업(및/또는 충전작업)이 불가능하다.
따라서, CDS(30)는 현재 전기차가 운행 중인 것으로 인식하도록 데이터를 송신하여 PRA(130) 동작 및 그에 따른 방전작업(및/또는 충전작업)이 가능하도록 할 수 있다. 이에 의하여 방전기(70)는 배터리 팩 시스템(10)이 전기차 내에 탑재된 상태에서도 전기 자동차 충전 포트를 통하여 전기적으로 접속되어 방전(및/또는 충전작업)을 수행할 수도 있다.
도 5는 CDS가 방전기에 내장된 타입을 보여주기 위한 참고도이고; 도 6 및 도 7은 CDS가 방전기와 물리적으로 구분되는 타입을 보여주기 위한 참고도이다.
그리고 CDS(30)는 경우에 따라 내장형으로 방전기(70) 내부에 탑재될 수도(도 5 참고) 또는 상기 방전기(70)와는 물리적으로 독립적인 독립형으로 구성될 수도 있고(도 6 참고) 이에 별도의 제한이 있는 것은 아니다. 독립형의 경우, 기존의 배터리 관리 시스템(110)과 통신 불가능한 기존의 방전기(70)를 그대로 활용하여 충전 및/또는 방전 작업을 수행할 수 있으므로 편의성이 증진될 수 있다. 또한, 독립형의 경우, 단일 하드웨어 내 CDS(30)가 다수 구성되어 복수 개의 배터리 팩 시스템(10)에 대한 상태 진단, 충전 및/또는 방전이 가능하도록 구성될 수도 있다(도 7 참고).
도 3을 참고하면, 전원공급부(50)는 CDS(30)에 직류 전원을 공급하는 구성으로, SMPS(Switching Mode Power Supply)일 수 있다. 일 예로, 전원공급부(50)는 220V의 교류전원(AC)을 받아서 12V 직류전원(DC)으로 특성을 변화시킨 뒤 CDS(30)에 상기 직류전원을 공급할 수 있다.
방전기(70)는 배터리 팩 시스템(10) 내 배터리 팩(150)을 방전시키는 장치 구성이다. 이러한 방전기(70)는 배터리 셀(151)을 완전 충전 상태, 완전 방전 상태 또는 부분 충전 상태로 만들 수 있다. 또한, 방전기(70)는 충전 작업도 수행 가능한 충방전기 구성일 수도 있고 본 발명의 범위가 특정 예시에 의하여 제한되는 것은 아니다. 전술한 바와 같이, 방전기(70)는 배터리 팩 시스템(10)의 제2 커넥터(10d)를 통하여 접속되는 전력선을 통하여 배터리 팩(150)과 전기적으로 연결될 수 있다.
진단 장치(90)는 CDS(30)로부터 수신한 SOC 등 배터리 관련 정보를 바탕으로, 배터리 상태를 결정하는 구성이다. 이러한 진단 장치(90)는 데이터 분석을 위한 프로그램 또는 알고리즘 등을 포함할 수 있다. 또한, 진단 장치(90)는 CDS(30) 및 방전기(70)와 CAN 통신, 시리얼 통신 등을 통하여 상호 커뮤니케이션할 수 있다. 이 때 CDS(30) 및 방전기(70)의 동작은 진단 장치(90)를 통하여 제어될 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다.
1 : 배터리 상태 진단 시스템
10 : 배터리 팩 시스템
10a : 커버 10b : 하부 구조
10c : 제1 커넥터 10d : 제2 커넥터
110 : 배터리 관리 시스템
130 : PRA
131 : 제1 릴레이 133 : 제2 릴레이
150 : 배터리 팩
150a : 배터리 모듈
151 : 배터리 셀 153 : 셀 관리 유닛
30 : CDS
50 : 전원공급부
70 : 방전기
90 : 진단 장치
9 : 종래의 배터리 상태 진단 시스템
910 : 배터리 팩 시스템
910a : 커버 910a-1 : 커넥터
911 : 배터리 팩
911a : 배터리 모듈 911b : 배터리 셀
913 : 배터리 관리 시스템
915 : PRA
930 : 충방전기
950 : 분석기
970 : 진단장치

Claims (12)

  1. 배터리의 관련 정보를 센싱하며 PRA의 릴레이 온/오프를 제어하는 배터리 관리 시스템; 상기 배터리 관리 시스템의 제어 하 동작하여 방전기와 배터 팩의 전기적 연결을 제어하는 릴레이 구성으로, 방전 작업 시 릴레이 온되는 PRA; 및 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩;이 내장되는, 차량용 배터리 팩 시스템;
    상기 배터리 관리 시스템 및 진단 장치와 통신하며, 상기 배터리 관리 시스템에 상기 PRA 릴레이 온/오프 신호를 송신하는 CDS;
    상기 CDS와 방전기와 통신 가능하도록 구성되며, 상기 CDS로부터 수신한 배터리 관련 정보를 바탕으로 배터리 수명 정보를 결정하는 진단 장치; 및
    상기 배터리 팩 내 배터리 셀을 방전시키는 방전기;를 포함하고,
    상기 배터리 팩 시스템은
    상기 배터리 관리 시스템, PRA 및 배터리 팩이 내장되도록 하우징을 형성하는 커버 및 하부 구조를 포함하는 외면;이 형성되며,
    상기 배터리 팩 시스템은
    상기 외면 제1 측에서 상기 PRA와 연결되는 제1 커넥터; 및 상기 외면 제2 측의 제2 커넥터;를 포함하고,
    상기 방전기는
    상기 제1 커넥터에 접속되는 전력선을 통하여 상기 배터리 팩과 전기적으로 연결되며,
    상기 CDS는
    상기 제2 커넥터에 의한 접속을 통하여 상기 배터리 관리 시스템과 통신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 CDS는
    상기 배터리 관리 시스템과 CAN 통신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 CDS는
    상기 배터리 관리 시스템으로부터 배터리 관련 정보를 직접 수신하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 CDS는
    전기 자동차의 미주행 상태에서 충전 또는 방전 작업 시, 상기 배터리 관리 시스템에 차량 주행 시에 대응되는 배터리 관리 통신값을 송신하여, 상기 배터리 관리 시스템이 주행 상태인 것으로 인식되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 CDS는
    상기 방전기 내부에 탑재되는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 CDS는
    상기 방전기와 물리적으로 구분되는 독립형 구성인 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 CDS는
    단일 하드웨어 내 다수 구성되어 복수 개의 배터리 팩 시스템에 대한 방전 작업이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    교류전원을 직류전원으로 특성 변화 후 상기 CDS에 직류 전원을 공급하는 전원공급부;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 진단 장치는
    상기 CDS 및 충방전기의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 PRA는
    상기 배터리 팩 시스템 내 배터리 팩의 양극 단자와 연결되는 제1 릴레이; 및
    상기 배터리 팩 시스템 내 배터리 팩의 음극 단자와 연결되는 제2 릴레이;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 진단 시스템.
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