KR20180048069A - 배터리 관리 시스템 - Google Patents

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전윤석
정구연
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 배터리 관리 시스템에 관한 것으로, 제1 및 제2 버스 바 사이에 병렬 연결된 제1 및 제2 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 셀 그룹, 제1 및 제2 버스 바 상에 형성된 복수의 제1 및 제2 측정 단자, 제1 버스 바 상에 상기 제1 및 제2 배터리 셀 각각의 일단에 대응하는 위치에 형성된 복수의 제3 및 제4 측정 단자, 제1 및 제2 측정 단자를 이용하여 셀 그룹의 셀 전압을 측정하는 셀 전압 측정부, 제3 및 제4 측정 단자를 이용하여 제1 버스 바의 저항에 대응하는 오차 전압을 측정하는 전압 강하 측정부, 및 셀 전압과 오차 전압을 이용하여 셀 보정 전압을 연산하는 배터리 관리부를 포함한다.

Description

배터리 관리 시스템{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM}
본 발명은 배터리 관리 시스템에 관한 기술이다.
배터리 관리 시스템에서 배터리 셀 간을 연결하는 버스 바의 임피던스는 매우 낮은 값을 갖는다. 그런데, 버스 바의 임피던스는 배터리 전류에 의한 전압 강하를 유발하고, 결국 임피던스에 의한 배터리 셀의 전압 측정 값에 오차가 발생할 수 있다.
각 배터리 셀에 대한 전압 측정 오차는 크지 않으나, 수십 개 내지 수백 개의 배터리 셀을 관리하는 배터리 팩 관리 시스템에서는 전압 측정 오차가 누적되어 측정 정밀도가 저하된다. 이로 인해, 배터리 셀 간의 밸런싱 동작이나 배터리 셀의 충전/방전 동작을 위해 연산된 SOC 값과 실제 SOC 값 간의 오차가 발생하여 배터리 팩의 용량 및 수명을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예는 배터리 셀의 전압 측정 오차를 보상할 수 있는 배터리시스템을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템은 제1 및 제2 버스 바 사이에 병렬 연결된 제1 및 제2 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 셀 그룹; 상기 제1 및 제2 버스 바 상에 형성된 복수의 제1 및 제2 측정 단자; 상기 제1 버스 바 상에 상기 제1 및 제2 배터리 셀 각각의 일단에 대응하는 위치에 형성된 복수의 제3 및 제4 측정 단자; 상기 제1 및 제2 측정 단자를 이용하여 상기 셀 그룹의 셀 전압을 측정하는 셀 전압 측정부; 상기 제3 및 제4 측정 단자를 이용하여 상기 제1 버스 바의 저항에 대응하는 오차 전압을 측정하는 전압 강하 측정부; 및 상기 셀 전압과 상기 오차 전압을 이용하여 셀 보정 전압을 연산하는 배터리 관리부를 포함한다.
여기서, 상기 배터리 관리부는 상기 셀 그룹의 상기 셀 전압에서 상기 오차 전압을 감산하여 상기 셀 보정 전압을 출력한다. 그리고, 상기 제1 및 제2 측정 단자는 상기 제1 및 제2 버스 바 각각의 중간 위치에 물리적으로 연결된다. 상기 제3 및 제4 측정 단자는 상기 제1 및 제2 배터리 셀의 양극 단자 각각에 물리적으로 연결된다.
또한, 상기 셀 전압 측정부는 상기 제1 및 제2 측정 단자 간의 전압 차이를 상기 셀 전압으로 측정한다. 그리고, 상기 전압 강하 측정부는 상기 제3 및 제4 측정 단자 간의 전압 차이를 상기 오차 전압으로 측정한다. 또한, 상기 셀 그룹은 상기 제1 및 제2 버스 바 사이에 병렬 연결된 상기 제1 및 제2 배터리 셀을 포함하는 제1 셀 그룹; 및 상기 제2 버스 바 및 제3 버스 바 사이에 병렬 연결된 제3 및 제4 배터리 셀을 포함하는 제2 셀 그룹을 포함하고, 상기 제1 및 제2 셀 그룹은 상기 제2 버스 바를 통해 직렬 연결된다.
그리고, 상기 제1 및 제2 셀 그룹은 제1 전원 단자 및 제2 전원 단자 사이에 직렬 연결되고, 상기 제1 버스 바는 상기 제1 전원 단자에 전기적으로 연결되고, 상기 제3 버스 바는 상기 제2 전원 단자에 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 제1 및 제3 버스 바는 상기 제2 버스 바와 서로 다른 저항 값을 갖는다. 그리고, 상기 배터리 관리부는 상기 제1 및 제3 버스 바의 저항 값과 상기 제2 버스 바의 저항 값 간의 차이에 따라 상기 제1 및 제3 버스 바에 대응하는 상기 오차 전압을 보정하여 보정 오차 전압을 산출한다.
본 발명은 복수의 배터리 셀 간을 연결하는 버스 바의 저항 값을 측정하고, 측정된 저항 값을 이용하여 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 보정함으로써 복수의 배터리 셀 각각의 실제 셀 전압의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 배터리 팩 상태를 정확하게 모니터링하고, 제어함으로써 배터리 팩의 효율을 상승시키고, 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 시스템을 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈(10)의 등가 회로도.
도 3은 도 1에 도시된 배터리 모듈(10)의 구성도.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 모듈(10)의 구성도.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 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.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈(10)의 등가 회로도이며, 도 3은 도 1에 도시된 배터리 모듈(10)의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 모듈(10)의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템(1)은 배터리 모듈(10), 셀 전압 측정부(20), 전압 강하 측정부(30) 및 배터리 관리부(40)를 포함한다. 도 1에 도시된 배터리 모듈(10)은 배터리 팩을 구성하는 단위 배터리 모듈로서, 6개의 배터리 셀 그룹이 직렬 연결되고, 배터리 셀 그룹 각각이 병렬 연결된 2개의 배터리 셀을 포함하는 6S2P 구조를 예를 들어 설명한다.
구체적으로, 배터리 모듈(10)은 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 배터리 셀 그룹(CG1~CG6), 복수의 제1 측정 단자(T1~T7), 복수의 제2 측정 단자(Ta1~Ta6) 및 복수의 제3 측정 단자(Tb1~Tb6)를 포함한다. 복수의 배터리 셀 그룹(CG1~CG6)은 양극 및 음극 전원 단자(HVP, HVN) 사이에 직렬 연결되어 있다. 여기서, 양극 전원 단자(HVP)는 양극 전원(+)을 공급받는 단자이고, 음극 전원 단자(HVN)는 음극 전원(-)을 공급받는 단자이다.
본 발명의 실시 예에 따른 복수의 배터리 셀 그룹(CG1~CG6)은 6개를 도시하였으나, 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않으며, 배터리 셀 그룹의 개수는 변경될 수 있다. 제1 배터리 셀 그룹(CG1)은 제1 버스 바(BGL1)와 제2 버스 바(BGL2) 사이에 병렬 연결된 제1 및 제2 배터리 셀(C1, C2)을 포함한다. 여기서, 제1 버스 바(BGL1)는 음극 전원 단자(HVN)에 전기적으로 연결되어 있다.
제2 배터리 셀 그룹(CG2)은 제2 버스 바(BGL2)와 제3 버스 바(BGL3) 사이에 병렬 연결된 제3 및 제4 배터리 셀(C3, C4)을 포함한다. 제3 배터리 셀 그룹(CG3)은 제3 버스 바(BGL3)와 제4 버스 바(BGL4) 사이에 병렬 연결된 제5 및 제6 배터리 셀(C5, C6)을 포함한다.
제4 배터리 셀 그룹(CG4)은 제4 버스 바(BGL4)와 제5 버스 바(BGL5) 사이에 병렬 연결된 제7 및 제8 배터리 셀(C7, C8)을 포함한다. 제5 배터리 셀 그룹(CG5)은 제5 버스 바(BGL5)와 제6 버스 바(BGL6) 사이에 병렬 연결된 제9 및 제10 배터리 셀(C9, C10)을 포함한다.
제6 배터리 셀 그룹(CG6)은 제6 버스 바(BGL6)와 제7 버스 바(BGL7) 사이에 병렬 연결된 제11 및 제12 배터리 셀(C11, C12)을 포함한다. 여기서, 제7 버스 바(BGL7)는 양극 전원 단자(HVP)에 전기적으로 연결되어 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 버스 바(BGL1)는 제1 및 제2 배터리 셀(C1, C2)의 음극 단자를 전기적으로 연결하고, 제2 버스 바(BGL2)는 제1 및 제2 배터리 셀(C1, C2)의 양극 단자와 제3 및 제4 배터리 셀(C3, C4)의 음극 단자를 전기적으로 연결한다. 제3 버스 바(BGL3)는 제3 및 제4 배터리 셀(C3, C4)의 양극 단자와 제5 및 제6 배터리 셀(C5, C6)의 음극 단자를 전기적으로 연결한다.
제4 버스 바(BGL4)는 제5 및 제6 배터리 셀(C5, C6)의 양극 단자와 제7 및 제8 배터리 셀(C7, C8)의 음극 단자를 전기적으로 연결한다. 제5 버스 바(BGL5)는 제7 및 제8 배터리 셀(C7, C8)의 양극 단자와 제9 및 제10 배터리 셀(C9, C10)의 음극 단자를 전기적으로 연결한다.
제6 버스 바(BGL6)는 제9 및 제10 배터리 셀(C9, C10)의 양극 단자와 제11 및 제12 배터리 셀(C11, C12)의 음극 단자를 전기적으로 연결한다. 제7 버스 바(BGL7)는 제11 및 제12 배터리 셀(C11, C12)의 양극 단자를 전기적으로 연결한다. 여기서, 제1 내지 제7 버스 바(BGL1~BGL7)는 도선 저항을 포함하며, 제1 내지 제7 버스 바(BGL1~BGL7)에 전류가 흐르면 전압 강하가 발생한다. 이러한 전압 강하에 의해 복수의 배터리 셀 그룹(CG1~CG6) 각각의 셀 전압에 오차가 발생할 수 있다. 이에, 본 발명의 실시 예는 복수의 제2 측정 단자(Ta1~Ta6) 및 복수의 제3 측정 단자(Tb1~Tb6)를 이용하여 복수의 배터리 셀 그룹(CG1~CG6) 각각의 전압 강하에 대응하는 오차 전압을 측정한다.
그리고, 복수의 제1 측정 단자(T1~T7) 각각은 제1 내지 제7 버스 바(BGL1~BGL7) 상에 형성되어 있다. 여기서, 복수의 제1 측정 단자(T1~T7) 각각은 제1 내지 제7 버스 바(BGL1~BGL7) 각각의 중간 위치에 물리적으로 접속되는 단자일 수 있다.
일반적으로 제1 및 제7 버스 바(BGL1, BGL7) 각각은 음극 및 양극 전원 단자(HVN, HVP)에 연결되므로, 나머지 버스 바와 형태가 상이할 수 있다. 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 및 제7 버스 바(BGL1', BGL7')는 음극 및 양극 전원 단자(HVN, HVP)에 접속되는 영역이 더 넓은 형태일 수 있다. 이로 인해, 제1 및 제7 버스 바(BGL1', BGL7')의 저항 값은 나머지 버스 바(BGL2~BGL6)의 저항 값 보다 큰 값일 수 있다. 즉, 제1 및 제6 셀 그룹(CG1, CG6) 각각의 전압 강하에 대응하는 오차 전압은 나머지 셀 그룹의 전압 강하에 대응하는 오차 전압보다 큰 값일 수 있다.
복수의 제2 측정 단자(Ta1~Ta6)는 복수의 셀 그룹(CG1~CG6)의 첫번째 배터리 셀(C1, C3, C5, C7, C9, C11) 각각의 양극 단자에 전기적으로 연결되어 있다. 복수의 제3 측정 단자(Tb1~Tb6)는 복수의 셀 그룹(CG1~CG6)의 두번째 배터리 셀(C2, C4, C6, C8, C10, C12) 각각의 양극 단자에 전기적으로 연결되어 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 제2 측정 단자(Ta1~Ta6)는 각 버스 바(BGL2~BGL7) 상에 첫번째 배터리 셀(C1, C3, C5, C7, C9, C11) 각각의 양극 단자에 대응하는 위치에 물리적으로 연결되어 있다. 복수의 제2 측정 단자(Tb1~Tb6)는 버스 바(BGL2~BGL7) 상에 두번째 배터리 셀(C2, C4, C6, C8, C10, C12) 각각의 양극 단자에 대응하는 위치에 물리적으로 연결되어 있다.
여기서, 복수의 셀 그룹(CG1~CG6)의 전압 강하는 양극 전원 단자(HVP)로부터 제1 음극 전원 단자(HVN)로 흐르는 전류에 의해 유발되므로 본 발명의 실시 예에서는 제1 버스 바(BGL1)의 저항에 의한 전압 강하는 측정에서 제외한다.
셀 전압 측정부(20)는 복수의 제1 측정 단자(T1~T7)를 이용하여 복수의 셀 그룹(CG1~CG6) 각각의 셀 전압(VC1~VC6)을 측정한다. 구체적으로, 셀 전압 측정부(20)는 제1 측정 단자(T1)와 제2 측정 단자(T2) 간의 전압 차이를 제1 셀 그룹(CG1)의 셀 전압(VC1)으로 측정하고, 제2 측정 단자(T2)와 제3 측정 단자(T3) 간의 전압 차이를 제2 셀 그룹(CG2)의 셀 전압(VC2)으로 측정할 수 있다.
다시, 도 1 및 2를 참조하면, 전압 강하 측정부(30)는 복수의 제2 및 제3 측정 단자(Ta1~Ta6, Tb1~Tb6)를 이용하여 제1 내지 제7 버스 바(BGL1~BGL7) 각각의 저항에 의해 발생하는 전압 강하에 대응하는 오차 전압(VE1~VE6)을 측정한다. 구체적으로, 전압 강하 측정부(30)는 제2 측정 단자(Ta1) 및 제3 측정 단자(Tb1) 간의 전압 차이를 제1 셀 그룹(CG1)의 오차 전압(VE1)으로 측정하고, 제2 측정 단자(Ta2) 및 제3 측정 단자(Tb2) 간의 전압 차이를 제2 셀 그룹(CG2)의 오차 전압(VE2)으로 측정할 수 있다.
배터리 관리부(40)는 복수의 셀 전압(VC1~VC6)과 복수의 오차 전압(VE1~VE6)을 이용하여 복수의 셀 그룹(CG1~CG6) 각각의 실제 전압에 대응하는 보정 셀 전압을 연산한다. 배터리 관리부(40)는 데이터 처리부(42), 연산부(44) 및 통신부(46)를 포함한다. 데이터 처리부(42)는 셀 전압 측정부(20)를 통해 측정된 복수의 셀 그룹(CG1~CG6) 별 셀 전압(VC1~VC6)을 셀 전압 테이블로 변환 및 저장하고, 전압 강하 측정부(30)를 통해 측정된 복수의 셀 그룹(CG1~CG6) 별 오차 전압(VE1~VE6)을 오차 전압 테이블로 변환 및 저장한다.
연산부(44)는 오차 전압 테이블을 이용하여 복수의 버스 바(BGL1~BGL7) 각각의 저항 값을 산출하고, 복수의 버스 바(BGL1~BGL7) 각각의 저항 값에 따라 복수의 셀 그룹(CG1~CG6) 각각의 보정 셀 전압을 연산한다. 연산부(44)는 연산된 보상 전압을 셀 전압 테이블에 반영하여 보정된 셀 전압 테이블을 생성할 수 있다. 예컨대, 연산부(44)는 복수의 버스 바(BGL1~BGL7) 각각의 저항 값이 동일한 경우 복수의 셀 그룹(CG1~CG6) 각각의 셀 전압(VC1~VC6)에서 오차 전압(VE1~VE6)을 감산하여 보정 셀 전압을 산출할 수 있다.
여기서, 연산부(44)는 복수의 버스 바(BGL1~BGL7) 중 저항 값이 다른 버스 바가 존재하는 경우 복수의 버스 바(BGL1~BGL7) 간의 저항 값 차이에 따라 해당 셀 그룹의 오차 전압을 일정 비율로 증감시켜 보정 오차 전압을 산출할 수 있다. 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 음극 및 양극 전원 단자(HVN, HVP)에 접속되는 제1 및 제7 버스 바(BGL1'~BGL7')의 저항 값이 5Ω이고, 나머지 2 내지 6 버스 바(BGL2~BGL6)의 저항 값이 3Ω인 경우 연산부(44)는 제1 및 제6 셀 그룹(CG1, CG6)의 오차 전압(VE1, VE6)을 3/5의 비율로 감소시켜 보정 오차 전압을 산출할 수 있다.
통신부(46)는 연산부(44)를 통해 연산된 복수의 셀 그룹(CG1~CG6) 별 보정 셀 전압을 상위 제어기(미도시) 또는 외부 디스플레이 기기(미도시)로 전송한다. 여기서, 상위 제어기는 보정 셀 전압을 이용하여 배터리 팩의 셀 밸런싱 또는 충방전을 제어하는 기기이거나, 차량을 제어하는 기기일 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 배터리 모듈
20: 셀 전압 측정부
30: 전압 강하 측정부
40: 배터리 관리부

Claims (10)

  1. 제1 및 제2 버스 바 사이에 병렬 연결된 제1 및 제2 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 셀 그룹;
    상기 제1 및 제2 버스 바 상에 형성된 복수의 제1 및 제2 측정 단자;
    상기 제1 버스 바 상에 상기 제1 및 제2 배터리 셀 각각의 일단에 대응하는 위치에 형성된 복수의 제3 및 제4 측정 단자;
    상기 제1 및 제2 측정 단자를 이용하여 상기 셀 그룹의 셀 전압을 측정하는 셀 전압 측정부;
    상기 제3 및 제4 측정 단자를 이용하여 상기 제1 버스 바의 저항에 대응하는 오차 전압을 측정하는 전압 강하 측정부; 및
    상기 셀 전압과 상기 오차 전압을 이용하여 셀 보정 전압을 연산하는 배터리 관리부
    를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는
    상기 셀 그룹의 상기 셀 전압에서 상기 오차 전압을 감산하여 상기 셀 보정 전압을 출력하는 배터리 관리 시스템
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 측정 단자는 상기 제1 및 제2 버스 바 각각의 중간 위치에 물리적으로 연결되는 배터리 관리 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 및 제4 측정 단자는
    상기 제1 및 제2 배터리 셀의 양극 단자 각각에 물리적으로 연결되는 배터리 관리 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 셀 전압 측정부는
    상기 제1 및 제2 측정 단자 간의 전압 차이를 상기 셀 전압으로 측정하는 배터리 관리 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전압 강하 측정부는
    상기 제3 및 제4 측정 단자 간의 전압 차이를 상기 오차 전압으로 측정하는 배터리 관리 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 셀 그룹은
    상기 제1 및 제2 버스 바 사이에 병렬 연결된 상기 제1 및 제2 배터리 셀을 포함하는 제1 셀 그룹; 및
    상기 제2 버스 바 및 제3 버스 바 사이에 병렬 연결된 제3 및 제4 배터리 셀을 포함하는 제2 셀 그룹을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 셀 그룹은 상기 제2 버스 바를 통해 직렬 연결된 배터리 관리 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 셀 그룹은 제1 전원 단자 및 제2 전원 단자 사이에 직렬 연결되고, 상기 제1 버스 바는 상기 제1 전원 단자에 전기적으로 연결되고, 상기 제3 버스 바는 상기 제2 전원 단자에 전기적으로 연결된 배터리 관리 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 및 제3 버스 바는 상기 제2 버스 바와 서로 다른 저항 값을 갖는 배터리 관리 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는
    상기 제1 및 제3 버스 바의 저항 값과 상기 제2 버스 바의 저항 값 간의 차이에 따라 상기 제1 및 제3 버스 바에 대응하는 상기 오차 전압을 보정하여 보정 오차 전압을 산출하는 배터리 관리 시스템.
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