KR20170021120A - 배터리 관리 시스템 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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KR20170021120A
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Abstract

본 발명은 배터리 관리 시스템 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 무정전 전원공급장치 또는 배터리 백업 유닛에 적용되는 다수의 배터리 셀을 관리하기 위한 시스템과 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
일례로, 상기 배터리 셀의 전압을 검출하기 위한 전압 검출부 및 상기 배터리 셀의 전압 밸런싱을 위한 셀 밸런싱부를 포함하고, 상기 셀 밸런싱부를 이용하여 상기 배터리 셀을 강제 방전시키는 아날로그 프론트 엔드; 및 상기 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하고, 일정 시간 단위로 상기 배터리 셀을 강제 방전시키기 위한 제1 방전제어신호를 상기 셀 밸런싱부로 출력하고, 상기 전압 검출부를 통해 검출된 전압 값을 수신하고, 상기 배터리 셀이 만충전 상태에 도달하는 동안 상기 배터리 셀에 대한 전하의 변화량을 산출하여 상기 배터리 셀의 열화도를 측정하는 마이크로 컴퓨터 유닛을 포함하는 배터리 관리 시스템을 개시한다.

Description

배터리 관리 시스템 및 이를 포함하는 배터리 팩{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND BATTERY PACK COMPRSING THE SAME}
본 발명은 배터리 관리 시스템 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 무정전 전원공급장치 또는 배터리 백업 유닛에 적용되는 다수의 배터리 셀을 관리하기 위한 시스템과 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
일반적으로 서버와 같이 많은 데이터를 저장하는 데이터 저장 시스템 및 디바이스들에는, 주전원의 전력이 차단될 경우를 대비하여 예비 전력을 공급하기 위해 무정전 전원공급장치(UPS: uninterruptible power supply) 또는 배터리 백업 유닛(BBU: battery backup unit) 등이 설치된다. 이러한 무정전 전원공급장치나 배터리 백업 유닛에는, 주전원의 전력에 의해 충전되는 하나 이상의 배터리 셀과 상기 배터리 셀을 관리하기 위한 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩이 적용될 수 있다.
통상적으로 배터리 셀에는 리튬 이온 전지가 적용되는데, 이러한 리튬 이온 전지는 보관 시간에 따라 열화되는 특성이 있다. 이와 같은 특성 때문에 배터리 팩의 교체 시기를 알기 위해 배터리 셀의 열화도를 산출해야 한다.
배터리 셀의 열화도는 충전 및 방전을 통해 산출될 때 정확도를 높음으로, 종래에는 배터리 팩의 충전 및 방전이 발생될 경우에 열화도를 산출했다.
그러나, 무정전 전원공급장치나 배터리 백업 유닛의 경우 정전이나 주전원 공급 이상이 발생될 때를 대비하여 배터리 팩이 상시 만충전 상태를 유지하고 있기 때문에, 정전이나 주전원 공급 이상이 발생되기 전에는 방전이 발생되지 않으므로, 배터리 셀에 대한 열화도 산출의 정확도가 떨어진다는 문제가 있다.
본 발명은, 무정전 전원공급장치 또는 배터리 백업 유닛에 적용되며 상시 만충전 상태를 유지하는 배터리의 열화도 산출의 정확도를 향상시킬 수 있는 배터리 관리 시스템과 이를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은, 상기 배터리 셀의 전압을 검출하기 위한 전압 검출부 및 상기 배터리 셀의 전압 밸런싱을 위한 셀 밸런싱부를 포함하고, 상기 셀 밸런싱부를 이용하여 상기 배터리 셀을 강제 방전시키는 아날로그 프론트 엔드; 및 상기 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하고, 일정 시간 단위로 상기 배터리 셀을 강제 방전시키기 위한 제1 방전제어신호를 상기 셀 밸런싱부로 출력하고, 상기 전압 검출부를 통해 검출된 전압 값을 수신하고, 상기 배터리 셀이 만충전 상태에 도달하는 동안 상기 배터리 셀에 대한 전하의 변화량을 산출하여 상기 배터리 셀의 열화도를 측정하는 마이크로 컴퓨터 유닛을 포함한다.
또한, 상기 마이크로 컴퓨터 유닛은, 상기 배터리 셀의 강제 방전을 제어하기 위한 강제 방전 제어부; 상기 셀 밸런싱부를 통해 강제 방전된 상기 배터리 셀의 충전을 제어하기 위한 충전 제어부; 및 상기 배터리 셀에 대한 열화도를 측정하여 상기 배터리 셀의 SOH를 추정하기 위한 SOH 추정부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 강제 방전 제어부는, 상기 배터리 셀의 만충전 유지시간을 산출하고, 상기 만충전 유지시간이 미리 설정된 유지시간에 도달하면, 상기 배터리 셀이 상기 셀 밸런싱부를 통해 강제 방전되도록 상기 제1 방전제어신호를 출력하고, 상기 전압 검출부를 통해 검출된 전압 값과 미리 설정된 제2 기준전압 값을 비교하여, 상기 배터리 셀의 강제 방전을 종료시키기 위한 제2 방전제어신호를 상기 셀 밸런싱부로 출력할 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀의 충방전 전류가 흐르는 대전류 경로 상에 설치되고, 상기 배터리 셀이 충전되도록 상기 배터리 셀과 외부 전원을 연결하기 위한 충전 스위치부; 및 상기 대전류 경로 상에 설치되고, 상기 배터리 셀이 방전되도록 상기 배터리 셀과 외부 부하를 연결하기 위한 방전 스위치부를 더 포함하고, 상기 충전 제어부는 상기 제2 방전제어신호가 출력되는 경우 상기 충전 스위치부를 턴온시키기 위한 제1 충전제어신호를 출력하고, 상기 배터리 셀의 만충전 시 상기 충전 스위치를 턴오프시키기 위한 제2 충전제어신호를 출력할 수 있다.
또한, 상기 SOH 추정부는, 상기 제1 충전제어신호의 출력시간을 측정하는 충전시간 측정부; 상기 제1 충전제어신호의 출력시간과 상기 배터리 셀의 충전전류 값을 이용하여 상기 배터리 셀에 대한 전하의 변화량을 산출하는 전하량 연산부; 미리 저장된 룩-업 테이블에 기초하여, 상기 전하의 변화량에 대한 상기 배터리 셀의 열화도를 측정하기 위한 열화도 측정부; 및 상기 열화도 측정부를 통해 측정된 열화도에 기초하여 상기 배터리 셀의 SOH를 판단하는 SOH 판단부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀의 충방전 전류가 흐르는 대전류 경로 상에 설치되어 상기 배터리 셀의 충전전류를 검출하기 위한 전류검출저항을 더 포함하고, 상기 마이크로 컴퓨터 유닛은 상기 전류검출저항과 연결되어 상기 배터리 셀의 충전전류 값을 측정하고, 측정된 충전전류 값을 상기 전하량 연산부로 제공하기 위한 충전전류 측정부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 마이크로 컴퓨터 유닛은, 외부 시스템으로부터 상기 배터리 셀을 강제 방전시키기 위한 방전명령신호를 수신하는 경우 상기 제1 방전제어신호를 추가적으로 출력할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩은, 다수의 배터리 셀; 상기 배터리 셀의 전압을 검출하기 위한 전압 검출부 및 상기 배터리 셀의 전압 밸런싱을 위한 셀 밸런싱부를 포함하고, 상기 셀 밸런싱부를 이용하여 상기 배터리 셀을 강제 방전시키는 아날로그 프론트 엔드; 및 상기 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하고, 일정 시간 단위로 상기 배터리 셀을 강제 방전시키기 위한 방전제어신호를 상기 셀 밸런싱부로 출력하고, 상기 전압 검출부를 통해 검출된 전압 값을 수신하고, 상기 배터리 셀이 만충전 상태에 도달하는 동안 상기 배터리 셀에 대한 전하의 변화량을 산출하여 상기 배터리 셀의 열화도를 측정하는 마이크로 컴퓨터 유닛을 포함한다.
또한, 상기 마이크로 컴퓨터 유닛은, 상기 배터리 셀의 만충전 유지시간을 산출하고, 산출된 만충전 유지시간이 미리 설정된 시간에 도달하면, 상기 셀 밸런싱부를 통해 상기 배터리 셀이 강제 방전되도록 상기 방전제어신호를 출력할 수 있다.
또한, 상기 마이크로 컴퓨터 유닛은, 외부 시스템으로부터 상기 배터리 셀을 강제 방전시키기 위한 방전명령신호를 수신하는 경우 상기 방전제어신호를 추가적으로 출력할 수 있다.
본 발명에 따르면, 무정전 전원공급장치 또는 배터리 백업 유닛에 적용되며 상시 만충전 상태를 유지하는 배터리의 열화도 산출의 정확도를 향상시킬 수 있는 배터리 관리 시스템과 이를 포함하는 배터리 팩을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 외부 전원과 서버 사이에 배터리 백업 유닛이 연결된 상태를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 외부 전원과 부하 사이에 무정전 전원공급장치가 연결된 상태를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 아날로그 프론트 엔드 내에 전압 검출부의 구성을 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 아날로그 프론트 엔드 내에 셀 밸런싱부의 구성을 도시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 셀 밸런싱부를 통한 배터리 셀의 강제 방전 방식을 도시한 회로도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 컴퓨터 유닛의 구성을 도시한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시에에 따른 SOH 추정부의 구성을 도시한 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 외부 전원과 서버 사이에 배터리 백업 유닛이 연결된 상태를 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따라 외부 전원과 부하 사이에 무정전 전원공급장치가 연결된 상태를 도시한 블록도이며, 도 3은 도 1에 도시된 배터리 백업 유닛 또는 도 2에 도시된 무정전 전원공급장치에 적용되는 배터리 팩의 배터리 관리 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 배터리 백업 유닛(1000A)은 외부 전원(10)과 서버(20) 사이에 병렬 연결되어 상기 외부 전원(10)으로부터 전력 공급이 차단될 경우 상기 서버(20)에 예비 전력을 공급할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나 상기 배터리 백업 유닛(1000A)은 상기 서버(20)와 같은 디바이스에 예비 전력을 공급함과 동시에 상기 서버(20)에 저장된 데이터들을 백업시킬 수도 있다.
도 2를 참조하면, 무정전 전원공급장치(1000B)는 외부 전원(10)과 부하(30) 사이에 병렬 연결되어 상기 외부 전원(10)으로부터 전력 공급이 차단될 경우 상기 부하(30)에 예비 전력을 공급할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 백업 유닛(100A)이나 무정전 전원공급장치(1000B)의 예비 전력 공급 수단으로서 적용되며, 다수의 배터리 셀(B1, B2, B3)과 배터리 관리 시스템(100)을 포함한다.
상기 배터리 셀(B1, B2, B3)은 서로 직렬 연결될 수 있다. 본 실시예에 따른 도면에서는 직렬 연결된 3개의 배터리 셀이 도시되어 있으나, 이와 같은 연결방식과 배터리 셀의 구성 개수에 한정되지 않고, 제품의 사향에 따라 직렬, 병렬, 또는 직/병렬 혼합과 같은 다양한 방식으로 배터리 셀들이 서로 연결될 수 있으며, 배터리 셀의 개수 또한 변경될 수 있다. 이하 본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)을 포함하는 것으로 하여 설명하도록 한다.
상기 배터리 관리 시스템(100)은, 아날로그 프론트 엔드(110)(Analog Front End, 이하 AFE라 함), 마이크로 컴퓨터 유닛(120)(Micro Computer Unit, 이하 MCU라 함), 충전 스위치부(130) 및 방전 스위치부(140)를 포함할 수 있다.
상기 AFE(110)는 CFET 단자를 통해 상기 충전 스위치부(130)와 연결되고, DFET 단자를 통해 상기 방전 스위치부(140)와 연결될 수 있다. 상기 AFE(110)는 CFET 단자를 통해 하이 또는 로우 레벨의 전압신호를 출력하여 상기 충전 스위치부(130)를 턴온 또는 턴오프시킬 수 있다. 또한, 상기 AFE(110)는 방전신호단자(DFET)를 통해 하이 또는 로우 레벨의 전압신호를 출력하여 상기 방전 스위치부(140)를 턴온 또는 턴오프시킬 수 있다.
상기 충전 스위치부(130)가 턴온되면, 상기 배터리 단자(B+, B-)를 통해 상기 외부 전원(10)에서 상기 배터리 셀(B1, B2, B3)로 전력이 제공됨으로써 상기 제1 내지 제 3 배터리 셀(B1, B2, B3)가 충전될 수 있다. 상기 방전 스위치부(140)가 턴온되면, 상기 제1 내지 제 3 배터리 셀(B1, B2, B3)에 저장된 전력이 상기 배터리 단자(B+, B-)를 통해 상기 서버(20) 또는 부하(30)로 공급됨으로써 상기 제1 내지 제 3 배터리 셀(B1, B2, B3)이 방전될 수 있다.
상기 AFE(110)는 제1 내지 제 3 라인 저항(RL1, RL2, RL3)을 통해 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 양단과 각각 연결되어 있다. 예를 들어, 상기 AFE(110)의 제1 전압 입력단(VN1)은 상기 제1 라인 저항(RL1)을 통해 상기 제1 배터리 셀(B1)의 양극단자와 연결되고, 상기 AFE(110)의 제2 전압 입력단(VN2)은 상기 제2 라인 저항(RL2)을 통해 상기 제1 배터리 셀(B1)의 음극단자와 상기 제2 배터리 셀(B2)의 양극단자에 각각 연결되고, 상기 AFE(110)의 제3 전압 입력단(VN3)은 상기 제3 라인 저항(RL3)을 통해 상기 제2 배터리 셀(B2)의 음극단자와 상기 제3 배터리 셀(B3)의 양극단자에 각각 연결될 수 있다. 한편, 상기 제3 배터리 셀(B3)의 음극단자는 상기 AFE(110)의 접지 입력단(GND)과 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1 전압 입력단(VN1)과 접지 사이에 제1 커패시터(C1)가 연결되고, 상기 제2 전압 입력단(VN2)과 접지 사이에 제2 커패시터(C2)가 연결되고, 상기 제3 전압 입력단(VN3)과 접지 사이에 제3 커패시터(C3)가 연결될 수 있다.
상기 AFE(110)는 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 전압을 검출하기 위한 전압 검출부와 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 전압 밸런싱을 위한 셀 밸런싱부를 포함할 수 있다.
도 4에는 상기 아날로그 프론트 엔드(110) 내에 전압 검출부의 구성이 도시되어 있다. 이 상기 전압 검출부는 도 4에 도시된 바와 같셀 선택 스위치부(111), 릴레이 회로부(112), 차동 증폭부(113)와 A/D 컨버터(114)를 포함할 수 있다.
상기 셀 선택 스위치부(111)는 제1 내지 제4 하이 셀 선택 스위치(SWH1, SWH2, SWH3, SWH4)와 제1 내지 제3 로우 셀 선택 스위치(SWL1, SWL2, SWL3)를 포함할 수 있다.
상기 제1 하이 셀 선택 스위치(SWH1)는 상기 제1 전압 입력단(VN1)과 상기 릴레이 회로부(112)의 제1 입력라인(HL) 사이에 연결되고, 상기 제2 하이 셀 선택 스위치(SWH2)는 상기 제2 전압 입력단(VN2)과 상기 릴레이 회로부(112)의 제1 입력라인(HL) 사이에 연결되고, 상기 제3 하이 셀 선택 스위치(SWH3)는 상기 제3 전압 입력단(VN3)과 상기 릴레이 회로부(112)의 제1 입력라인(HL) 사이에 연결되고, 상기 제4 하이 셀 선택 스위치(SWH4)는 상기 접지 입력단(GND)과 상기 릴레이 회로부(112)의 제1 입력라인(HL) 사이에 연결될 수 있다.
상기 제1 로우 셀 선택 스위치(SWL1)는 상기 제2 전압 입력단(VN2)과 상기 릴레이 회로부(112)의 제2 입력라인(LL) 사이에 연결되고, 상기 제2 로우 셀 선택 스위치(SWL2)는 상기 제3 전압 입력단(VN3)과 상기 릴레이 회로부(112)의 제2 입력라인(LL) 사이에 연결되고, 상기 제3 로우 셀 선택 스위치(SWL3)는 상기 접지 입력단(GND)과 상기 릴레이 회로부(112)의 제2 입력라인(LL) 사이에 연결될 수 있다.
상기 제1 입력라인(HL)에는 제5 라인 저항(RL5)이 연결되고, 상기 제1 입력라인(LL)에는 제6 라인 저항(RL6)이 연결될 수 있다.
상기 릴레이 회로부(112)는 상기 MCU(120)로부터 받은 릴레이 제어신호에 따라 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)에 각각 저장된 전압을 저장하고 상기 차동 증폭부(113)로 전달할 수 있다.
상기 차동 증폭부(113)는 상기 릴레이 회로부(112)로부터 전달된 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3) 각각의 전압을 하나 이상의 저항체의 저항비에 대응하는 게인(gain)에 따라 증폭하여 출력전압을 생성하고, 생성된 출력전압을 A/D 컨버터(114)로 전달할 수 있다.
상기 A/D 컨버터(114)는 상기 차동 증폭부(113)로부터 전달된 아날로그의 출력전압을 상기 MCU(120)에서 인식할 수 있도록 변환하여 상기 MCU(120)로 전달할 수 있다. 상기 MCU(120)는 상기 전압 검출부를 통해 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3) 각각에 대한 전압 값을 모니터링하고, 셀 전압 차가 기준치 이상 발생될 경우 상기 셀 벨런싱부에 방전제어신호를 출력하여 셀 밸런싱이 수행되도록 한다.
도 5에는 상기 아날로그 프론트 엔드(110) 내에 셀 밸런싱부의 구성이 도시되어 있다. 상기 셀 밸런싱부는 도 5에 도시된 바와 같이 밸런싱 회로부(115)와 로직 회로부(116)를 포함할 수 있다.
상기 밸런싱 회로부(115)는 제1 내지 제3 방전 저항(RD1, RD2, RD3) 및 제1 내지 제3 셀 밸런싱 스위치(SWD1, SWD2, SWD3)를 포함할 수 있다.
상기 제1 방전 저항(RD1)과 제1 셀 밸런싱 스위치(SWD1)는 상기 제1 및 제2 전압 입력단(VN1, VN2) 사이에서 서로 직렬 연결되고, 상기 제2 방전 저항(RD2)과 제2 셀 밸런싱 스위치(SWD2)는 상기 제2 및 제3 전압 입력단(VN2, VN3) 사이에서 서로 직렬 연결되고, 상기 제3 방전 저항(RD3)과 제3 셀 밸런싱 스위치(SWD3)는 상기 제3 전압 입력단(VN3)과 접지 입력단(GND) 사이에서 서로 직렬 연결될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 셀 밸런싱 스위치(SWD1, SWD2, SWD3)가 상기 로직 회로부(116)에서 출력되는 방전제어신호에 따라 턴온되면, 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)은 상기 제1 내지 제3 방전 저항(RD1, RD2, RD3)을 통해 각각 방전됨으로써 셀 밸런싱이 수행될 수 있다.
상기 로직 회로부(116)는 상기 MCU(120)로부터 출력되는 방전제어신호를 상기 제1 내지 제3 셀 밸런싱 스위치(SWD1, SWD2, SWD3)의 제어단자에 대하여 각각 출력할 수 있다.
이상에서는 상기 MCU(120)가 상기 전압 검출부를 통해 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)에 대한 각각의 전압 값을 모니터링하고, 모니터링 결과에 따라 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)에 대한 밸런싱이 수행되도록 상기 셀 밸런싱부를 제어하는 것으로 설명하였다.
본 발명의 실시예에서는, 상기 아날로그 프론트 엔드(110)를 셀 밸런싱을 위해 이용할 뿐만 아니라, 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 충전 과정에서 전하의 변화량(△Q)를 산출하기 위해 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)를 강제 방전시키는데 이용할 수 있다.
이하에서는 상기 아날로그 프론트 엔드(110)를 이용한 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 강제 방전 동작과 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 충전 과정에서 전하의 변화량(△Q)를 산출하기 위한 상기 MCU(120)의 구체적인 구성에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
상기 MCU(120)는 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다.
상기 MCU(120)는 상기 AFE(110)의 전압 검출부로부터 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)에 대한 전압 값을 지속적으로 수신하고, 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)가 만충전 상태를 유지할 수 있도록 상기 AFE(110)의 CFETCNT 단자로 제1 충전제어신호를 출력할 수 있다. 상기 AFE(110)는 상기 제1 충전제어신호를 수신하여 CFET 단자를 통해 소정의 전압을 인가하여 상기 충전 스위치부(120)를 턴온시킬 수 있다.
또한, 상기 MCU(120)는 외부 시스템 즉 상기 배터리 백업 유닛(1000A)이나 무정전 전원공급장치(1000B)의 시스템으로부터 전원 공급 신호를 입력 받으면, 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)가 상기 서버(20) 나 부하(30)로 방전되도록 상기 AFE(110)의 DFETCNT 단자로 전원공급신호를 출력할 수 있다. 상기 AFE(110)는 상기 전원공급신호를 수신하여 DFET 단자를 통해 소정의 전압을 인가하여 상기 방전 스위치부(130)를 턴온시킬 수 있다.
상기 MCU(120)는, 일정 시간 단위로 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)을 강제 방전시키기 위한 제1 방전제어신호를 상기 셀 밸런싱부로 출력하고, 상기 전압 검출부를 통해 검출된 전압 값을 수신하고, 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)이 만충전 상태에 도달하는 동안 상기 배터리 셀에 대한 전하의 변화량을 산출하여 상기 배터리 셀의 열화도를 측정할 수 있다.
도 6에는 셀 밸런싱부를 통한 배터리 셀의 강제 방전 방식이 도시되어 있고, 도 7에는 상기 MCU의 구성이 도시되어 있으며, 도 8에는 SOH 추정부의 구성이 도시되어 있다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 상기 MCU(120)는 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 강제 방전을 제어하기 위한 강제 방전 제어부(121), 상기 셀 밸런싱부를 통해 강제 방전된 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 충전을 제어하기 위한 충전 제어부(122), 및 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)에 대한 열화도를 측정하여 SOH를 추정하기 위한 SOH 추정부(123)를 포함할 수 있다.
상기 강제 방전 제어부(121)는, 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 만충전 유지시간을 산출하고, 상기 만충전 유지시간이 미리 설정된 유지시간에 도달하면, 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)이 상기 셀 밸런싱부를 통해 강제 방전되도록 상기 제1 방전제어신호를 출력할 수 있다. 이때, 상기 MCU(120)는 상기 제1 방전제어신호가 출력되는 동안 상기 충전 스위치부(120)와 방전 스위치부(130)를 모두 턴오프시켜 외부 전원(10)과의 연결을 차단함으로써 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)이 상기 밸런싱 회로부(115)에 의해서만 방전되도록 한다.
상기 강제 방전 제어부(121)는, 상기 AFC(110)를 통해 검출된 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 전압 값을 모니터링할 수 있으므로, 미리 설정된 만충전 전압 값과 비교하여 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)이 만충전 상태에 있음을 감지할 수 있으며, 이러한 만충전 상태가 얼마만큼 유지되고 있는지에 대해서도 산출할 수 있다. 상기 강제 방전 제어부(121)는, 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 만충전 상태가 일정시간 유지되고 있다고 판단하면, 상기 AFC(110)의 SWCNT2 단자를 통해 상기 제1 방전제어신호를 출력함으로써 상기 셀 밸런싱부를 통한 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 강제 방전이 이루어지도록 할 수 있다. 이러한 경우 도 6에 도시된 바와 같이 상기 셀 선택 스위치부(115)는 턴온되어 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)가 상기 제1 내지 제3 방전 저항(RD1, RD2, RD3)를 통해 방전될 수 있다. 도 6에서는 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)가 동시에 방전되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 일례일 뿐이며, 상기 제1 방전제어신호에 따라 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3) 각각에 대한 개별적으로 방전 과정이 수행될 수도 있다.
또한, 상기 강제 방전 제어부(121)는, 상기 전압 검출부를 통해 검출된 전압 값과 미리 설정된 제2 기준전압 값을 비교하여, 상기 배터리 셀의 강제 방전을 종료시키기 위한 제2 방전제어신호를 상기 셀 밸런싱부로 출력할 수 있다.
상기 강제 방전 제어부(121)는, 상기 AFC(110)를 통해 검출된 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 전압 값을 모니터링할 수 있으므로, 상기 전압 검출부를 통해 검출된 전압 값과 상기 제2 기준전압 값을 비교하여 상기 전압 검출부를 통해 검출된 전압 값이 상기 제2 기준전압 값이 되면, SWCNT2 단자를 통해 상기 제2 방전제어신호를 출력함으로써, 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 강제 방전을 종료시킬 수 있다.
상기 충전 제어부(122)는, 상기 제2 방전제어신호가 출력되는 경우 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 충전을 개시하기 위하여 상기 CFETCNT 단자를 통해 상기 제1 충전제어신호를 출력할 수 있다. 이러한 경우 상기 충전 스위치부(120)가 턴온될 수 있다. 또한, 상기 충전 제어부(122)는, 상기 강제 방전 제어부(121)를 통해 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 만충전 상태를 감지하면, 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 충전을 종료시키기 위하여 상기 CFETCNT 단자를 통해 상기 제2 충전제어신호를 출력할 수 있다. 이러한 경우 상기 충전 스위치부(120)가 턴오프될 수 있다.
상기 SOH 추정부(123)는 충전시간 측정부(123a), 전하량 연산부(123b), 충전전류 측정부(123c), 열화도 측정부(123d) 및 SOH 판단부(123e)를 포함할 수 있다.
상기 충전시간 측정부(123a)는 상기 충전 제어부(122)와 연결되어 상기 제1 충전제어신호의 출력시간을 측정할 수 있다. 상기 제1 충전제어신호의 출력시간은 강제 방전된 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)가 만충전 상태에 도달할 때까지의 충전시간(△T)을 의미할 수 있다.
상기 전하량 연산부(123b)은, 상기 충전시간 측정부(123a)로부터 충전시간(△T)과, 상기 충전전류 측정부(123c)로부터 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 충전 시 대전류 라인(CL)에 흐르는 충전전류 값(Icharge)에 대한 데이터를 각각 수신할 수 있다.
또한, 상기 전하량 연산부(123b)는 획득한 충전시간(△T) 및 충전전류 값(Icharge)에 대한 데이터를 이용하여 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 전하의 변화량(△Q)를 산출할 수 있다. 상기 전하의 변화량(△Q)은 하기의 수식에 기초하여 산출될 수 있다.
[수식]
△Q = Icharge*△T
상기 충전전류 측정부(123c)는 상기 대전류 라인(CL) 상에 설치된 전류검출저항(RL4)을 통해 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 충전 시 충전전류 값(Icharge)을 구하여 상기 전하량 연산부(123b)로 제공할 수 있다.
상기 열화도 측정부(123d)는 미리 저장된 룩-업 테이블에 기초하여, 상기 전하의 변화량에 대한 상기 배터리 셀의 열화도를 측정할 수 있다. 상기 룩-업 테이블에는 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)의 전하 변화량(△Q)에 대한 열화 정도를 나타내는 수치적 데이터들이 저장될 수 있다.
상기 SOH 판단부(123e)는 상기 열화도 측정부(123d)에서 제공한 열화도 데이터를 바탕으로 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)에 대한 SOH를 판단하여 제2 통신 단자(PIN2)를 통해 외부 시스템 예를 들어 상기 배터리 백업 유닛(1000A)이나 무정전 전원공급장치(1000B)의 관리 시스템 등으로 출력될 수 있다.
이상에서는 상기 MCU(120)가 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)이 만충전을 유지하는 일정시간 단위로 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)이 강제 방전되도록 제어하였다.
그러나, 이뿐만 아니라 상기 MCU(120)는 제1 통신 단자(PIN1)를 통해 외부 시스템으로부터 자기 학습을 위한 방전명령신호를 수신하여 상기 제1 방전제어신호를 상기 아날로그 프론트 엔드(110)로 출력하고 상술한 바와 같은 동작을 수행함으로써 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)에 대한 SOH를 추정할 수 있다.
이러한 경우는 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)이 만충전 유지시간에 대한 조건이 만족되지 않더라도, 외부 시스템의 명령에 따라 강제적으로 상기 제1 방전제어신호의 출력을 유도함으로써, 상기 제1 내지 제3 배터리 셀(B1, B2, B3)에 대한 SOH 추정 과정을 수행하는 경우에 해당된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 충전 및 방전이 발생이 드문 배터리 팩에 있어서 SOH의 정확도를 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템 및 이를 포함하는 배터리 팩을 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.
1000A: 배터리 백업 유닛 1000B: 무정전 전원공급장치
100: 배터리 관리 시스템 110: 아날로그 프론트 엔드
111: 셀 선택 스위치부 112: 릴레이 회로부
113: 차동 증폭부 114: A/D 컨버터
115: 밸런싱 회로부 116: 로직 회로부
120: 마이크로 컴퓨터 유닛 121: 강제 방전 제어부
122: 충전 제어부 123: SOH 추정부
123a: 충전시간 측정부 123b: 전하량 연산부
123c: 충전전류 측정부 123d: 열화도 측정부
123e: SOH 판단부 130: 충전 스위치부
140: 방전 스위치부

Claims (10)

  1. 무정전 전원공급장치 또는 배터리 백업 유닛에 적용되는 다수의 배터리 셀을 관리하기 위한 시스템으로,
    상기 배터리 셀의 전압을 검출하기 위한 전압 검출부 및 상기 배터리 셀의 전압 밸런싱을 위한 셀 밸런싱부를 포함하고, 상기 셀 밸런싱부를 이용하여 상기 배터리 셀을 강제 방전시키는 아날로그 프론트 엔드; 및
    상기 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하고, 일정 시간 단위로 상기 배터리 셀을 강제 방전시키기 위한 제1 방전제어신호를 상기 셀 밸런싱부로 출력하고, 상기 전압 검출부를 통해 검출된 전압 값을 수신하고, 상기 배터리 셀이 만충전 상태에 도달하는 동안 상기 배터리 셀에 대한 전하의 변화량을 산출하여 상기 배터리 셀의 열화도를 측정하는 마이크로 컴퓨터 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로 컴퓨터 유닛은,
    상기 배터리 셀의 강제 방전을 제어하기 위한 강제 방전 제어부;
    상기 셀 밸런싱부를 통해 강제 방전된 상기 배터리 셀의 충전을 제어하기 위한 충전 제어부; 및
    상기 배터리 셀에 대한 열화도를 측정하여 상기 배터리 셀의 SOH를 추정하기 위한 SOH 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 강제 방전 제어부는,
    상기 배터리 셀의 만충전 유지시간을 산출하고, 상기 만충전 유지시간이 미리 설정된 유지시간에 도달하면, 상기 배터리 셀이 상기 셀 밸런싱부를 통해 강제 방전되도록 상기 제1 방전제어신호를 출력하고,
    상기 전압 검출부를 통해 검출된 전압 값과 미리 설정된 제2 기준전압 값을 비교하여, 상기 배터리 셀의 강제 방전을 종료시키기 위한 제2 방전제어신호를 상기 셀 밸런싱부로 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 충방전 전류가 흐르는 대전류 경로 상에 설치되고, 상기 배터리 셀이 충전되도록 상기 배터리 셀과 외부 전원을 연결하기 위한 충전 스위치부; 및
    상기 대전류 경로 상에 설치되고, 상기 배터리 셀이 방전되도록 상기 배터리 셀과 외부 부하를 연결하기 위한 방전 스위치부를 더 포함하고,
    상기 충전 제어부는 상기 제2 방전제어신호가 출력되는 경우 상기 충전 스위치부를 턴온시키기 위한 제1 충전제어신호를 출력하고, 상기 배터리 셀의 만충전 시 상기 충전 스위치를 턴오프시키기 위한 제2 충전제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 SOH 추정부는,
    상기 제1 충전제어신호의 출력시간을 측정하는 충전시간 측정부;
    상기 제1 충전제어신호의 출력시간과 상기 배터리 셀의 충전전류 값을 이용하여 상기 배터리 셀에 대한 전하의 변화량을 산출하는 전하량 연산부;
    미리 저장된 룩-업 테이블에 기초하여, 상기 전하의 변화량에 대한 상기 배터리 셀의 열화도를 측정하기 위한 열화도 측정부; 및
    상기 열화도 측정부를 통해 측정된 열화도에 기초하여 상기 배터리 셀의 SOH를 판단하는 SOH 판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 충방전 전류가 흐르는 대전류 경로 상에 설치되어 상기 배터리 셀의 충전전류를 검출하기 위한 전류검출저항을 더 포함하고,
    상기 마이크로 컴퓨터 유닛은 상기 전류검출저항과 연결되어 상기 배터리 셀의 충전전류 값을 측정하고, 측정된 충전전류 값을 상기 전하량 연산부로 제공하기 위한 충전전류 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로 컴퓨터 유닛은, 외부 시스템으로부터 상기 배터리 셀을 강제 방전시키기 위한 방전명령신호를 수신하는 경우 상기 제1 방전제어신호를 추가적으로 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  8. 무정전 전원공급장치 또는 배터리 백업 유닛에 적용되는 배터리 팩에 관한 것으로,
    다수의 배터리 셀;
    상기 배터리 셀의 전압을 검출하기 위한 전압 검출부 및 상기 배터리 셀의 전압 밸런싱을 위한 셀 밸런싱부를 포함하고, 상기 셀 밸런싱부를 이용하여 상기 배터리 셀을 강제 방전시키는 아날로그 프론트 엔드; 및
    상기 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하고, 일정 시간 단위로 상기 배터리 셀을 강제 방전시키기 위한 방전제어신호를 상기 셀 밸런싱부로 출력하고, 상기 전압 검출부를 통해 검출된 전압 값을 수신하고, 상기 배터리 셀이 만충전 상태에 도달하는 동안 상기 배터리 셀에 대한 전하의 변화량을 산출하여 상기 배터리 셀의 열화도를 측정하는 마이크로 컴퓨터 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 마이크로 컴퓨터 유닛은, 상기 배터리 셀의 만충전 유지시간을 산출하고, 산출된 만충전 유지시간이 미리 설정된 시간에 도달하면, 상기 셀 밸런싱부를 통해 상기 배터리 셀이 강제 방전되도록 상기 방전제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 마이크로 컴퓨터 유닛은, 외부 시스템으로부터 상기 배터리 셀을 강제 방전시키기 위한 방전명령신호를 수신하는 경우 상기 방전제어신호를 추가적으로 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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