KR20190027110A - 탈부착이 가능한 배터리 상태 연산모듈 및 이를 포함하는 배터리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탈부착이 가능한 배터리 상태 연산모듈 및 이를 포함하는 배터리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 상태를 연산하는 별도의 연산모듈이 종래 배터리의 BMS(Battery Management System)와 탈부착 가능하도록 별도로 구성되어, 배터리의 BMS 로부터 정보를 전달하고 배터리의 충전상태 등 배터리 상태를 연산하고 그 결과를 배터리 BMS에 송출하는 기능을 수행하며, 필요에 따라 전지로부터 분리되어 연산 알고리즘을 업데이트하거나 다른 배터리에 연결될 수 있는 새로운 구조의 탈부착이 가능한 배터리 상태 연산모듈 및 이를 포함하는 배터리에 관한 것이다.

Description

탈부착이 가능한 배터리 상태 연산모듈 및 이를 포함하는 배터리{BATTERY CALCULATION MODULE WHICH IS ATTACHED AND DETACHED}

본 발명은 탈부착이 가능한 배터리 상태 연산모듈 및 이를 포함하는 배터리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 상태를 연산하는 별도의 연산모듈이 종래 배터리의 BMS(Battery Management System)와 탈부착 가능하도록 별도로 구성되어, 배터리의 BMS 로부터 정보를 전달하고 배터리의 충전상태 등 배터리 상태를 연산하고 그 결과를 배터리 BMS 에 송출하는 기능을 수행하며, 필요에 따라 분리 되거나 연산 알고리즘을 업데이트할 수 있는 새로운 구조의 탈부착이 가능한 배터리 상태 연산모듈 및 이를 포함하는 배터리에 관한 것이다.

최근 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서 미국, 유럽, 일본, 한국을 비롯하여 전 세계적으로 전기 자동차와 하이브리드 자동차에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 이러한 전기 자동차나 하이브리드 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. 따라서, 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 핵심적 부품인 배터리에 보다 많은 관심과 연구가 집중되고 있다.

또한, 이러한 자동차용 배터리와 더불어 에너지 저장원으로서 배터리 역할이 부각되면서 대용량 구조의 배터리 팩에 대한 필요성이 높아지고 있다. 이 경우 복수개의 배터리 모듈이 직렬/병렬 등으로 연결되는 멀티 모듈 구조를 가지는 배터리 팩이 널리 이용되고 있다.

그러나 배터리 자체의 전기화학적 비선형성 및 불안정 특성으로 인해 배터리 과충방전이나 가혹한 운용 환경에서 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀의 손상으로 인해 배터리 폭발 위험성이 내재하고 있다. 따라서, 배터리의 관리 및 제어를 위한 알고리즘 수행을 담당하는 배터리 관리 장치(Battery Management System : 이하 BMS라 함)를 이용하여 배터리 셀 또는 모듈의 상태를 모니터링하고 효율적인 제어를 함으로써 배터리의 안정성을 확보하고 있다.

이러한 복수개의 배터리를 관리하기 위한 배터리 관리 장치에는 상기 모니터링과 제어의 효율성 등을 향상시키기 위하여 멀티 슬레이브 구조가 주로 이용된다.멀티 슬레이브 구조는 배터리 팩을 구성하는 복수 개의 배터리 모듈을 각각 복수 개의 슬레이브(Slave) BMS가 담당하도록 하고, 마스터(Master) BMS가 이러한 복수 개의 슬레이브 BMS를 통합 제어하도록 구성된다.

그러나 BMS의 다양한 기능 중에서 배터리의 충전상태(State Of Charge : SOC), 용량 수명(State Of Health : SOH), 파워 수명(State Of Power : SOP), 재사용 수명(State Of Reuse : SOR), 능동 셀 밸런싱(Active Ballancing)의 작동 여부 등 배터리 연산기능은 배터리 성능 구현에 가장 중요한 항목이나 그 정확도와 정밀도를 구현하기가 매우 어렵다. 따라서 많은 개발업체들이 정확하고 신뢰성 있는 BMS를 개발하는데 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 종래 배터리의 BMS와는 별도로 배터리 상태 연산 기능을 담당하는 배터리 연산모듈 장치를 구성하여, 전문성 및 신뢰성 있는 배터리 상태 연산이 가능한 새로운 구조의 탈부착이 가능한 배터리 상태 연산모듈을 제공하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 연산 알고리즘에 따라 배터리의 SOC(State Of Charge)와, SOH(State Of Health)와, SOP(State Of Power)와, SOR(State Of Reuse) 및 SOB(State Of Balancing)를 연산하는 연산부; 상기 연산 알고리즘을 구현하는데 필요한 정보를 저장하는 저장부; 배터리의 BMS와 통신할 수 있는 통신부; 및 상기 연산부와, 저장부 및 통신부에 전력을 공급할 수 있는 전원연결부;를 포함하고, 배터리 BMS 와 탈부착이 가능한 배터리 상태 연산모듈을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 배터리 상태 연산모듈; 및 배터리 BMS; 를 포함하는 배터리를 제공한다.

본 발명에 의한 배터리에 있어서, 상기 배터리 BMS는 배터리 상태를 관리하는 슬레이브 BMS; 및 마스터 BMS를 포함하고, 상기 배터리 상태 연산모듈은 상기 마스터 BMS와 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 배터리에 있어서, 상기 배터리 연산모듈은 능동 셀 밸런싱(Active cell balancing) 여부를 판단할 수 있으며, 이종의 배터리 관리 시스템에도 적용될 수 있다.

본 발명에 의한 배터리에 있어서, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 배터리 연산모듈로부터 받은 연산값을 출력하도록 출력신호를 송출하거나, 상기 배터리 연산모듈로부터 받은 상기 능동 셀 밸런싱 판단 결과에 따라 상기 배터리의 셀 밸런싱을 수행하도록 제어신호를 송출한다.

또한, 상기 배터리 연산모듈의 연산 알고리즘은 수정될 수 있다.

본 발명의 배터리 연산 모듈은 배터리 관리 시스템과는 분리 가능한 상태로 제공되어 기존의 배터리 관리 시스템은 기본적인 관리 업무를 수행하고, 분리 탈착 가능하게 제공되는 배터리 연산 모듈은 배터리의 주요 기능에 대한 연산기능을 전문적으로 수행하여 결과적으로 배터리 연산작업의 전문성 및 신뢰성을 확보할 수 있고, 이에 따라 배터리 제조를 표준화하고 용이하게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 배터리 연산모듈이 배터리 관리 시스템에 탈부착 가능함으로써 이종의 배터리 관리 시스템에서도 교체 적용될 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 배터리 연산모듈은 배터리 관리 시스템과는 분리 가능한 상태로 제공되므로 연산 알고리즘을 필요에 따라 업그레이드할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 탈부착이 가능한 배터리 상태 연산모듈의 개략적인 블록도이다.

이하, 본 발명에 따른 탈부착이 가능한 배터리 상태 연산모듈의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 탈부착이 가능한 배터리 연산모듈(10)은 배터리부(20) 상태를 연산하도록 마련된 것으로서, 연산부(12)와, 통신부(14)와, 저장부(16) 및 전원연결부(18)를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 탈부착이 가능한 배터리 연산모듈(10)과 연결되는 전지 배터리 관리 시스템(1)은 배터리부(20)와, 슬레이브 BMS(30)와, 마스터 BMS(40), 및 시스템 제어부(50)를 포함한다.

본 발명에 따른 탈부착이 가능한 배터리 연산모듈(10)에 있어서, 상기 연산부(12)는 전지 배터리 관리 시스템(1)의 마스터 BMS(40)로부터 배터리 상태에 대한 정보를 제공받아 사전에 설정된 연산 알고리즘을 통해 배터리 상태의 연산을 수행하고, 그 결과를 다시 전지 배터리 관리 시스템(1)의 마스터 BMS(40)으로 제공한다.

상기 연산 알고리즘에는 배터리의 충전상태, 잔존수명 등의 판단을 위한 것이 포함될 수 있다. 예를 들어 상기 연산부(12)는 배터리의 충전상태인 SOC(State Of Charge)를 연산하는 기능, 배터리의 용량 수명인 SOH(State Of Health)를 연산하는 기능, 현재 상태의 배터리의 출력을 고려한 배터리 파워 수명인 SOP(State Of Power)를 연산하는 기능, 배터리 재사용 수명인 SOR(State Of Reuse)를 연산하는 기능, 배터리의 각 셀간 전압 편차 등을 고려한 SOB(State Of Balancing)를 연산하는 기능 등을 수행할 수 있다. 그러나 상기 연산부(12)는 상술한 연산 기능 이외의 다른 알고리즘 연산 기능도 수행할 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따른 탈부착이 가능한 배터리 연산모듈(10)에 있어서, 상기 통신부(14)는 배터리 연산모듈(10)과 전지 배터리 관리 시스템(1)을 전기적으로 연결시켜 배터리 연산모듈(10)의 연산 결과를 전지 배터리 관리 시스템(1)에 전달하는 등 배터리 연산모듈(10)과 전지 배터리 관리 시스템(1)의 마스터 BMS(40)와 통신하는 역할을 수행한다.

상기 저장부(16)는 연산 알고리즘에 따라 상기 연산부(12)가 SOC, SOH, SOP, SOR, SOB 등을 연산할 수 있도록 연산 알고리즘에 관한 정보인 데이터 테이블을 저장하고 있다. 그러나 저장부(16)에 저장된 정보는 이에 한정되지 않으며, 새로운 연산 알고리즘에 대한 정보도 포함될 수 있음은 물론이다.

상기 전원연결부(18)는 배터리 전원공급부(60)로부터 전원을 탈부착이 가능한 배터리 연산모듈(10)에 공급한다. 상기 전원연결부(18)는 연산부(12)와, 통신부(14) 및 저장부(16)에 필요 전력을 공급할 수 있다.

한편, 상기 배터리 연산모듈(10)은 연산된 SOB 등의 값에 따라 능동 셀 밸런싱(Active cell balancing) 여부를 판단할 수 있다. 배터리부(20)의 충방전 횟수가 많아지게 되면, 배터리를 구성하는 물질의 노화가 발생하여 배터리의 특성이 달라지고 이러한 노화 현상은 각 배터리 셀 간의 전압 편차를 더욱 심화시키게 된다. 따라서, 배터리 연산모듈(10)은 상기 전압 편차를 없애기 위해 과충전된 배터리 셀의 전압이 에너지 버스부(미도시)로 방전되도록 하고, 저충전된 배터리 셀의 전압이 에너지 버스부(미도시)에 공유된 잉여 전력으로부터 충전되도록 하는 능동 셀 밸런싱 여부를 판단할 수 있다.

또한, 상기 배터리 연산모듈(10)은 전지 배터리 관리 시스템으로부터 분리가 가능하므로 새로운 배터리의 연산모듈(10)로 교체하는 것이 가능하다. 즉, 배터리 연산모듈(10)의 성능 저하가 발생되거나 배터리의 변경에 따라 배터리 연산모듈(10)의 연산 알고리즘을 변경하기 위해 교체하는 것이 가능하다. 이러한 교체 가능한 배터리 연산모듈(10)은 이종의 배터리 관리 시스템(1)에도 탈부착이 가능하도록 표준화 작업을 가능하게 한다.

상기 배터리부(20)는 복수의 배터리 셀로 이루어진 배터리 모듈 단위로 구성될 수 있고, 복수의 배터리 모듈이 배터리 팩으로 구성될 수 있다. 이러한 배터리 팩들의 연결 관계는 직렬 또는 병렬일 수 있다. 상기 배터리 관리 시스템(1)에서 복수의 배터리 간의 배터리 팩의 연결 관계는 요구되는 충방전 전력량 또는 출력 전압 등에 의해서 다양하게 설정될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

상기 슬레이브 BMS(30)는 자신이 관리하는 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 전기적 특성값을 수집한다. 전기적 특성값이란 각 배터리 셀의 상태를 나타내는 값으로서, 배터리 셀의 전압 측정값, 충방전 전류값, 온도 측정값, 충전량 측정값, 충전 시간 및 퇴화도 추정값 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 슬레이브 BMS(30)는 마스터 BMS(40)의 제어 명령에 의해서 또는 미리 정해진 주기에 의해서 자신이 관리하는 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 전기적 특성값을 측정한다. 그리고, 상기 측정된 전기적 특성값에 대한 데이터를 통신선을 통해 후술할 마스터 BMS(40)에 전송할 수 있다.

상기 마스터 BMS(40)는 상기 슬레이브 BMS(30)로부터 배터리 셀들의 전기적 특성값에 대한 데이터를 수신할 수 있다.

상기 마스터 BMS(40)는 배터리 연산모듈(10)에 연결되어 전지 관리 시스템 내에서 수신한 배터리 셀들의 전기적 특성값에 대한 데이터를 배터리 연산모듈(10)에 전송할 수 있다. 또한, 상기 마스터 BMS(40)에 배터리 연산모듈(10)이 연결된 상태에서 상기 배터리 연산모듈(10)은 연산부(12)에서 연산한 결과값, 예를 들어 SOC, SOH, SOP, SOR 등의 값을 마스터 BMS(40)에 전송할 수 있다.

상기 시스템 제어부(50)는 마스터 BMS(40)로부터 수신한 배터리 연산모듈(10)의 연산 결과 및 능동 셀 밸런싱 여부의 판단 결과에 따라 제어 신호를 송출할 수 있다. 예를 들어, 상기 배터리 연산모듈(10)이 마스터 BMS(40)에 부착된 상태에서 시스템 제어부(50)는 상기 배터리 연산모듈(10)의 연산 결과값인 SOC, SOH, SOP, SOR 등을 표시할 수 있도록 제어신호를 송출할 수 있으며, 상기 배터리 연산모듈(10)의 판단 결과에 따라 능동 셀 밸런싱을 수행하도록 제어신호를 송출할 수 있다.

상기 전원공급부(60)는 슬레이브 BMS(30), 마스터 BMS(40)에 전력을 공급할 수 있으며, 배터리 연산모듈(10)이 마스터 BMS(40)에 연결된 상태에서 전원연결부(18)에 연결될 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.

1 : 배터리 관리 시스템
10 : 배터리 연산모듈 12 : 연산부
14 : 통신부 16 : 저장부
18 : 전원연결부 20 : 배터리부
30 : 슬레이브 BMS 40 : 마스터 BMS
50 : 시스템 제어부 60 : 전원공급부

Claims (6)

1. 연산 알고리즘에 따라 배터리의 SOC(State Of Charge)와, SOH(State Of Health)와, SOP(State Of Power)와, SOR(State Of Reuse) 및 SOB(State Of Balancing)를 연산하는 연산부;
   상기 연산 알고리즘을 구현하는데 필요한 정보를 저장하는 저장부;
   배터리 BMS와 통신할 수 있는 통신부; 및
   상기 연산부와, 저장부 및 통신부에 전력을 공급할 수 있는 전원연결부;를 포함하고,
   상기 배터리 BMS 와 탈부착이 가능하도록 연결되는 것인
   탈부착이 가능한 배터리 상태 연산 모듈.
   
2. 제1항에 의한 탈부착이 가능한 배터리 상태 연산 모듈; 및
   슬레이브 BMS; 마스터 BMS; 및 시스템 제어부;를 포함하는 배터리 관리 시스템;을 포함하고,
   상기 탈부착이 가능한 배터리 상태 연산 모듈 및 상기 마스터 BMS와 연결되는 것인
   탈부착이 가능한 배터리 상태 연산 모듈을 포함하는 배터리.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 배터리 관리 시스템은 상기 배터리 연산모듈로부터 받은 연산값을 출력하도록 출력신호를 송출하는
   탈부착이 가능한 배터리 상태 연산 모듈을 포함하는 배터리.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 탈부착이 가능한 배터리 상태 연산 모듈은
   전지의 능동 셀 밸런싱(Active cell balancing) 을 수행하는 것인
   탈부착이 가능한 배터리 상태 연산 모듈을 포함하는 배터리.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 탈부착이 가능한 배터리 상태 연산 모듈은
   전지의 능동 셀 밸런싱(Actice cell balancing) 결과를 배터리 관리 시스템으로 송출하는 것인
   탈부착이 가능한 배터리 상태 연산 모듈을 포함하는 배터리.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 배터리 관리 시스템은 상기 배터리 연산모듈로부터 전달받은 상기 능동 셀 밸런싱 결과에 따라 상기 배터리의 셀 밸런싱을 수행하도록 제어신호를 송출하는 것인
   탈부착이 가능한 배터리 상태 연산 모듈을 포함하는 배터리.

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