KR20190050637A - 배터리 관리 장치와 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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KR20190050637A
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Abstract

본 발명에 따른 배터리 관리 장치는 복수의 배터리 모듈과 밸런싱 저항을 전기적으로 연결시키는 복수의 제1 전력 경로, 상기 복수의 제1 전력 경로를 통전 또는 차단시키는 복수의 제1 스위칭부, 상기 복수의 배터리 모듈과 상기 밸런싱 저항이 실장된 기판을 냉각시키는 팬을 전기적으로 연결시키는 복수의 제2 전력 경로, 상기 복수의 제2 전력 경로를 통전 또는 차단시키는 복수의 제2 스위칭부, 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 잔존 용량을 산출하는 잔존 용량 산출부, 상기 잔존 용량에 기초하여 상기 복수의 배터리 모듈 중 밸런싱 대상 배터리 모듈을 결정하는 결정부 및 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되면 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 밸런싱 저항에 공급되도록 상기 복수의 제1 스위칭부를 제어하고, 상기 기판의 기판 온도에 대응하여 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 팬에 공급되도록 상기 복수의 제2 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

배터리 관리 장치와 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{Apparatus for managing battery, battery pack including the same and vehicle including the same}
본 발명은 배터리 관리 장치와 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 팬을 이용하여 복수의 배터리 모듈 간에 잔존 용량의 밸런싱을 수행하는 배터리 관리 장치와 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
최근 들어, 화석 에너지의 고갈과 환경오염으로 인해 화석 에너지를 사용하지 않고 전기 에너지를 이용하여 구동할 수 있는 전기 제품에 대한 관심이 높아지고 있다.
이에 따라 모바일 기기, 전기차, 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치, 무정전 전원 장치 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며 수요의 형태 역시 다양해지고 있다. 따라서 다양한 요구에 부응할 수 있게 이차 전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 리튬 계열 전지와 니켈 수소 계열의 전지로 분류된다. 리튬 계열 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품에 주로 적용되며, 니켈 수소 계열 전지는 전기 자동차나 하이브리드 전기 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품에 적용되어 사용되고 있다.
한편, 전기 자동차나 하이브리드 전기 자동차가 주행하기 위해서는 고출력을 요구하는 전동 모터를 구동시켜야 한다. 또한, 건물이나 일정 지역에 전력을 공급하는 전력 저장 장치의 경우 전력 수요를 충족시킬 수 있을 만큼 많은 전력을 공급해야 한다. 이처럼 고출력 또는 대용량 전력을 제공하기 위해 단위 모듈 집합체로 이루어진 배터리를 직렬 또는 병렬로 다수 연결하여 원하는 출력 또는 전력이 공급되도록 하고 있다.
그런데, 다수의 단위 모듈이 연결된 배터리의 경우, 충방전을 반복하게 되면 각 단위 모듈의 잔존 용량에 차이가 발생하게 된다. 이러한 잔존 용량의 불균형이 있는 상태에서 배터리의 방전이 계속되면 잔존 용량이 낮은 특정 단위 모듈이 과방전되어 배터리의 안정적인 동작이 어려워 진다. 반대로, 이러한 잔존 용량의 불균형이 있는 상태에서 배터리의 충전이 계속되면 잔존 용량이 높은 특정 단위 모듈이 과충전되어 배터리의 안전성을 저해한다. 잔존 용량의 불균형은 일부의 단위 모듈을 과충전 상태 또는 과방전 상태가 되도록 할 수 있고, 이러한 문제로 인해 부하(예컨대, 전동 모터, 전력망)에 안정적으로 전력을 공급할 수 없는 문제가 발생하게 된다.
위와 같은 문제를 해결하기 위해 배터리 모듈의 잔존 용량을 지속적으로 모니터링 하여 각 배터리 모듈의 잔존 용량을 일정한 레벨로 밸런싱하는 다양한 형태의 회로가 필요하다.
본 발명은 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되면 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 밸런싱 저항에 공급되도록 복수의 제1 스위칭부를 제어하고, 기판의 기판 온도에 대응하여 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 팬에 공급되도록 상기 복수의 제2 스위칭부를 제어함으로써, 밸런싱 저항을 이용한 밸런싱으로 인해 발생되는 열을 냉각시켜 배터리 관리 장치에 포함된 부품들을 과열로부터 보호할 수 있는 배터리 관리 장치와 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 관리 장치는 복수의 배터리 모듈과 밸런싱 저항을 전기적으로 연결시키는 복수의 제1 전력 경로, 상기 복수의 제1 전력 경로를 통전 또는 차단시키는 복수의 제1 스위칭부, 상기 복수의 배터리 모듈과 상기 밸런싱 저항이 실장된 기판을 냉각시키는 팬을 전기적으로 연결시키는 복수의 제2 전력 경로, 상기 복수의 제2 전력 경로를 통전 또는 차단시키는 복수의 제2 스위칭부, 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 잔존 용량을 산출하는 잔존 용량 산출부, 상기 잔존 용량에 기초하여 상기 복수의 배터리 모듈 중 밸런싱 대상 배터리 모듈을 결정하는 결정부 및 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되면 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 밸런싱 저항에 공급되도록 상기 복수의 제1 스위칭부를 제어하고, 상기 기판의 기판 온도에 대응하여 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 팬에 공급되도록 상기 복수의 제2 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함한다.
바람직하게, 상기 결정부는 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 상기 잔존 용량 간의 용량 편차가 미리 설정된 제1 기준 편차값 이상인지 여부를 확인하고, 확인 결과 상기 용량 편차가 상기 미리 설정된 제1 기준 편차값 이상이면 상기 잔존 용량이 가장 큰 배터리 모듈을 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되면 상기 기판 온도가 미리 설정된 기준 온도값 이상인지 여부를 확인하고, 확인 결과 상기 기판 온도가 상기 미리 설정된 기준 온도값 이상이면 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 팬에 공급되도록 상기 복수의 제2 스위칭부를 제어할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 잔존 용량이 목표 용량값에 도달하면 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력을 차단시킬 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 잔존 용량이 상기 목표 용량값을 기준으로 미리 설정된 용량 구간에 포함되면 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 밸런싱 저항에 공급되지 않도록 상기 복수의 제1 스위칭부를 제어하고, 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 기판을 냉각시키는 팬에 지속하여 공급되도록 상기 복수의 제2 스위칭부를 제어할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 상기 잔존 용량 간의 용량 편차가 미리 설정된 제2 기준 편차값 이하이면 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 밸런싱 저항에 공급되지 않도록 상기 복수의 제1 스위칭부를 제어하고, 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 기판을 냉각시키는 팬에 지속하여 공급되도록 상기 복수의 제2 스위칭부를 제어할 수 있다.
바람직하게, 상기 배터리 관리 장치는 상기 팬과 외부 전원을 전기적으로 연결시키는 복수의 제3 전력 경로 및 상기 복수의 제3 전력 경로를 통전 또는 차단시키는 복수의 제3 스위칭부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되지 않으면 상기 외부 전원의 전력이 상기 팬에 공급되도록 상기 복수의 제3 스위칭부를 제어하할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 상기 배터리 관리 장치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 자동차는 상기 배터리 관리 장치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되면 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 밸런싱 저항에 공급되도록 복수의 제1 스위칭부를 제어하고, 기판의 기판 온도에 대응하여 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 팬에 공급되도록 상기 복수의 제2 스위칭부를 제어함으로써, 밸런싱 저항을 이용한 밸런싱으로 인해 발생되는 열을 냉각시켜 배터리 관리 장치에 포함된 부품들을 과열로부터 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치와 이를 포함하는 배터리 팩의 구성과 회로 연결을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 밸런싱을 수행하기 전 복수의 배터리 모듈의 잔존 용량을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 밸런싱을 수행한 후 복수의 배터리 모듈의 잔존 용량을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 밸런싱을 수행하는 중간에 복수의 배터리 모듈의 잔존 용량을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 밸런싱을 수행한 후 복수의 배터리 모듈의 잔존 용량을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 밸런싱을 수행하는 중간에 복수의 배터리 모듈의 잔존 용량을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 밸런싱을 수행한 후 복수의 배터리 모듈의 잔존 용량을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치와 이를 포함하는 배터리 팩의 구성과 회로 연결을 개략적으로 도시한 회로도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치와 이를 포함하는 배터리 팩의 구성과 회로 연결을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4)을 구비하는 배터리 팩에 포함되어 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4)의 잔존 용량 간의 밸런싱을 수행할 수 있다.
이를 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 복수의 밸런싱 저항(R1, ..., R4), 복수의 제1 전력 경로(L1a, ..., L1d), 복수의 제1 스위칭부(SW1a, ..., SW1d), 팬(F), 복수의 제2 전력 경로(L2a, L2a', ..., L2d, L2d'), 복수의 제2 스위칭부(SW2a, SW2a', ..., SW2d, SW2d'), 측정부(110), 잔존 용량 산출부(120), 결정부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다.
복수의 밸런싱 저항(R1, ..., R4)은 복수의 제1 전력 경로(L1a, ..., L1d)를 통해 배터리 팩에 구비된 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4)과 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
즉, 복수의 밸런싱 저항(R1, ..., R4)은 복수의 제1 전력 경로(L1a, ..., L1d)를 통해 배터리 팩에 구비된 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4)과 각각 직렬 연결될 수 있다.
복수의 밸런싱 저항(R1, ..., R4)은 상술된 배터리 관리 장치의 구성 요소들이 실장된 기판(B)에 함께 실장되어 배터리 팩에 설치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 밸런싱 저항(R1, ..., R4)에 전력이 공급되는 경우, 복수의 밸런싱 저항(R1, ..., R4)에서 발생하는 저항열이 기판(B)에 전도되어 기판(B) 뿐만 아니라 기판(B)에 실장된 배터리 관리 장치의 구성 요소까지 과열될 수 있다.
한편, 복수의 제1 스위칭부(SW1a, ..., SW1d)는 복수의 제1 전력 경로(L1a, ..., L1d) 마다에 구비되어 복수의 밸런싱 저항(R1, ..., R4)과 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4) 각각의 전기적 연결을 통전 또는 차단시킬 수 있다.
팬(F)은 복수일 수 있으나 본 발명에서는 하나만으로 밸런싱을 수행하는 실시예에 대해서 설명하도록 한다.
팬(F)은 복수의 제2 전력 경로(L2a, L2a', ..., L2d, L2d')를 통해 배터리 팩에 구비된 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4)과 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
즉, 팬(F)은 복수의 제2 전력 경로(L2a, L2a', ..., L2d, L2d')를 통해 배터리 팩에 구비된 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4)과 각각 병렬 연결될 수 있다.
팬(F)은 상술된 배터리 관리 장치의 구성 요소들이 실장된 기판(B)을 냉각시키기 위하여 기판(B)에 근접하여 설치될 수 있다.
한편, 복수의 제2 스위칭부(SW2a, SW2a', ..., SW2d, SW2d')는 복수의 제2 전력 경로(L2a, L2a', ..., L2d, L2d') 마다에 구비되어 팬(F)과 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4) 각각의 전기적 연결을 통전 또는 차단시킬 수 있다.
복수의 제2 전력 경로(L2a, L2a', ..., L2d, L2d')는 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4)의 양극 출력단과 팬(F)의 양극 입력단 사이를 전기적으로 연결시키는 양극 제2 전력 경로(L2a, ..., L2d)와 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4)의 음극 출력단과 팬(F)의 음극 입력단 사이를 전기적으로 연결시키는 음극 제2 전력 경로(L2a', ..., L2d')를 포함할 수 있다.
이때, 복수의 제2 스위칭부(SW2a, SW2a', ..., SW2d, SW2d')는 양극 제2 전력 경로(L2a, ..., L2d)를 통전 또는 차단시키는 양극 제2 스위칭부(SW2a, ..., SW2d)와 음극 제2 전력 경로(L2a', ..., L2d')를 통전 또는 차단시키는 음극 제2 스위칭부(SW2a', ..., SW2d')를 포함할 수 있다.
측정부(110)는 후술되는 잔존 용량 산출부(120)가 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4) 각각의 잔존 용량을 산출하는데 이용되는 측정 데이터를 측정할 수 있다.
예를 들어, 측정부(110)는 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4) 각각의 충방전 전압, 충방전 전류, 온도를 측정할 수 있다.
또한, 측정부(110)는 팬(F)의 구동 여부를 판단하는 기판 온도를 측정할 수 있다.
잔존 용량 산출부(120)는 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4) 각각의 잔존 용량을 산출할 수 있다. 이때, 잔존 용량 산출부(120)는 잔존 용량을 산출하는 한 잔존 용량을 산출하는데 이용되는 방법이 제한되지 않을 수 있다.
여기서, 잔존 용량은, 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4) 각각에 현재 충전된 전력을 최대 충전 전력 대비하여 산출되는 비율값일 수 있다.
결정부(130)는 잔존 용량 산출부(120)로부터 산출된 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4) 각각의 잔존 용량에 기초하여 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4) 중 밸런싱 대상 배터리 모듈을 결정할 수 있다.
보다 구체적으로, 결정부(130)는 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4) 각각의 잔존 용량 간의 용량 편차가 미리 설정된 제1 기준 편차값 이상인지 여부를 확인하고, 확인 결과 용량 편차가 미리 설정된 제1 기준 편차값 이상이면 잔존 용량이 가장 큰 배터리 모듈을 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정할 수 있다.
여기서, 미리 설정된 제1 기준 편차값은 밸런싱 수행 여부를 결정하기 위한 기준값일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 밸런싱을 수행하기 전 복수의 배터리 모듈의 잔존 용량을 도시한 그래프이다.
도 2를 더 참조하면, 결정부(130)는 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4) 각각의 잔존 용량 간의 용량 편차가 미리 설정된 제1 기준 편차값 "D1" 이상임을 확인하면, 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4) 중에서 잔존 용량이 가장 큰 배터리 모듈 "M4"를 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정할 수 있다.
여기서, 밸런싱은 복수의 배터리 모듈의 잔존 용량 간의 편차를 감소시키기 위하여 잔존 용량이 높은 배터리 모듈의 전력을 소비 및 출력시키는 동작을 의미할 수 있다. 즉, 본 발명에서 밸런싱은 패시브 밸런싱을 의미할 수 있다.
한편, 제어부(140)는 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되면 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 밸런싱 저항(R1, ..., R4)에 공급되도록 복수의 제1 스위칭부(SW1a, ..., SW1d)를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(140)는 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈 "M4"가 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정되면, 배터리 모듈 "M4"의 전력이 배터리 모듈 "M4"와 전기적으로 연결된 밸런싱 저항 "R4"로 공급되도록 제1 스위칭부 "SW1d"의 동작 상태를 온 상태로 제어하여 배터리 모듈 "M4"와 밸런싱 저항 "R4" 사이의 제1 전력 경로 "L1d"를 통전시킬 수 있다.
반대로, 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정되지 않은 배터리 모듈 "M1" 내지 "M3"의 밸런싱 저항 "R1" 내지 "R3" 각각으로 공급되지 않도록 제1 스위칭부 "SW1a" 내지 "SW1c"의 동작 상태를 오프 상태로 제어하여 배터리 모듈 "M1" 내지 "M3"와 밸런싱 저항 "R1" 내지 "R3" 사이 각각의 제1 전력 경로 "L1a" 내지 "L1c"를 차단시킬 수 있다.
이후, 상술한 바와 같이, 밸런싱 저항 "R4"에 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정된 배터리 모듈 "M4"의 전력이 공급되면 밸런싱 저항 "R4"에 저항열이 발생하고, 이로 인해 배터리 관리 장치의 구성 요소가 실장된 기판(B)이 과열될 수 있다.
이때, 측정부(110)는 과열된 기판(B)의 기판 온도를 실시간으로 측정하고, 측정된 기판 온도를 제어부(140)로 송신할 수 있다.
제어부(140)는 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되면, 수신되는 기판 온도를 모니터링하고 기판 온도에 대응하여 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 팬(F)에 공급되도록 복수의 제2 스위칭부(SW2a, ..., SW2d)를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(140)는 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈 "M4"가 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정되면, 수신되는 기판 온도를 모니터링하여 기판 온도가 미리 설정된 기준 온도값 이상인지 여부를 확인할 수 있다.
제어부(140)는 상술된 확인 결과, 기판 온도가 미리 설정된 기준 온도값 이상이면 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 팬(F)에 공급되도록 복수의 제2 스위칭부(SW2a, ..., SW2d)를 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(140)는 온도가 미리 설정된 기준 온도값 이상이면 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정된 배터리 모듈 "M4"의 전력이 팬(F)으로 공급되도록 양극 제2 스위칭부 "SW2d"와 음극 제2 스위칭부 "SW2d'"의 동작 상태를 온 상태로 제어하여 배터리 모듈 "M4"와 팬(F) 사이의 양극 제2 전력 경로 "L2d"와 음극 제2 전력 경로 "L2d'"를 통전시킬 수 있다.
반대로, 제어부(140)는 온도가 미리 설정된 기준 온도값 이상이면 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정되지 않은 배터리 모듈 "M1" 내지 "M3"의 전력이 팬(F)으로 공급되지 않도록 양극 제2 스위칭부 "SW2a" 내지 "SW2c"와 음극 제2 스위칭부 "SW2a'" 내지 "SW2c'"의 동작 상태를 각각 온 상태로 제어하여 배터리 모듈 "M1" 내지 "M3"와 팬(F) 사이 각각의 양극 제2 전력 경로 "L2a" 내지 "L2c"와 음극 제2 전력 경로 "L2a'" 내지 "L2c'"를 차단시킬 수 있다.
이러한 본 발명에 따르면, 밸런싱이 필요한 조건에 따라 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되면, 초기에는 밸런싱 저항(R1, ..., R4)을 이용하여 밸런싱을 수행하다가, 기판 온도가 과열되면 팬(F)을 이용한 밸런싱을 추가로 수행할 수 있다.
이를 통해, 밸런싱 저항(R1, ..., R4)을 이용한 밸런싱으로 인해 기판(B) 및 기판(B)에 실장된 배터리 관리 장치의 구성 요소의 과열을 팬(F)으로 냉각시킴으로써, 배터리 관리 장치를 열로부터 보호할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 밸런싱을 수행한 후 복수의 배터리 모듈의 잔존 용량을 도시한 그래프이다.
도 3을 더 참조하면, 제어부(140)는 밸런싱 대상 배터리 모듈의 잔존 용량이 목표 용량값 'SOCref"에 도달하면 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력을 차단시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(140)는 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정된 배터리 모듈 "M4"의 전력을 밸런싱 저항 "R4"와 팬(F)으로 공급하여 배터리 모듈 "M4"의 밸런싱을 수행하고, 배터리 모듈 "M4" 잔존 용량이 목표 용량값 'SOCref"에 도달하면 제1 스위칭부 "SW1d", 양극 제2 스위칭부 "SW2d" 및 음극 제2 스위칭부 "SW2d'"의 동작 상태를 오프 상태로 제어하여 배터리 모듈 "M4"의 출력을 차단할 수 있다.
이를 통해, 제어부(140)는 도 3에 도시된 바와 가팅, 배터리 모듈 "M1" 내지 "M4"의 잔존 용량이 균일하도록 밸런싱을 수행할 수 있다. 또한, 제어부(140)는 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정된 배터리 모듈 "M4"의 전력을 팬(F)으로 공급하여 배터리 모듈 "M4"의 밸런싱을 수행함으로써, 밸런싱 저항을 이용한 밸런싱으로 인해 발생되는 열을 냉각시켜 배터리 관리 장치에 포함된 부품들을 과열로부터 보호할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 밸런싱을 수행하는 중간에 복수의 배터리 모듈의 잔존 용량을 도시한 그래프이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 밸런싱을 수행한 후 복수의 배터리 모듈의 잔존 용량을 도시한 그래프이다.
도 4 및 도 5를 더 참조하면, 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치 대비 제어부(140)의 제어 구성만이 상이할 뿐 다른 구성 요소의 구성과 역할은 동일할 수 있다.
이에 따라, 반복되는 설명은 생략한다.
다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 제어부(140)는 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되면, 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력을 밸런싱 저항(R1, ..., R4)으로 공급하여 밸런싱을 수행하고, 기판 온도가 미리 설정된 기준 온도값 이상이면 밸런싱 저항(R1, ..., R4)를 이용한 밸런싱과 함께 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력을 팬(F)으로 공급하여 밸런싱을 수행할 수 있다.
더불어, 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 제어부(140)는 밸런싱 대상 배터리 모듈의 잔존 용량이 목표 용량값을 기준으로 미리 설정된 용량 구간에 포함되면 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 밸런싱 저항(R1, ..., R4)에 공급되지 않도록 복수의 제1 스위칭부(SW1a, ..., SW1d)를 제어하고, 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 팬(F)에 지속하여 공급되도록 복수의 제2 스위칭부(SW2a, SW2a', ..., SW2d, SW2d')를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(140)는 도 4에 도시된 바와 같이, 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정된 배터리 모듈 "M4"의 잔존 용량이 목표 용량값(SOCref)에 도달할 때까지 제1 스위칭부 "SW1d", 양극 제2 스위칭부 "SW2d" 및 음극 제2 스위칭부 "SW2d'"의 동작 상태만을 온 상태로 제어하여 배터리 모듈 "M4"의 출력을 밸런싱 저항 "R4"와 팬(F)으로 공급할 수 있다.
이후, 제어부(140)는 도 5에 도시된 바와 같이, 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정된 배터리 모듈 "M4"의 잔존 용량이 목표 용량값(SOCref)을 기준으로 미리 설정된 용량 구간(SOCref 내지 SOC1)에 포함되면, 제1 스위칭부 "SW1d"의 동작 상태는 오프 상태로 제어하고, 양극 제2 스위칭부 "SW2d" 및 음극 제2 스위칭부 "SW2d'"의 동작 상태만을 온 상태로 제어하여 배터리 모듈 "M4"의 출력을 팬(F)으로만 공급할 수 있다.
이를 통해, 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정된 배터리 모듈 "M4"의 잔존 용량이 목표 용량값(SOCref)에 근접한 경우, 팬(F)만을 이용하여 밸런싱을 수행함으로써, 밸런싱이 종료되는 시점에 가까워질수록 기판(B)을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 밸런싱을 수행하는 중간에 복수의 배터리 모듈의 잔존 용량을 도시한 그래프이고, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치가 밸런싱을 수행한 후 복수의 배터리 모듈의 잔존 용량을 도시한 그래프이다.
도 6 및 도 7를 더 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치 대비 제어부(140)의 제어 구성만이 상이할 뿐 다른 구성 요소의 구성과 역할은 동일할 수 있다.
이에 따라, 반복되는 설명은 생략한다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 제어부(140)는 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되면, 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력을 밸런싱 저항(R1, ..., R4)으로 공급하여 밸런싱을 수행하고, 기판 온도가 미리 설정된 기준 온도값 이상이면 밸런싱 저항(R1, ..., R4)를 이용한 밸런싱과 함께 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력을 팬(F)으로 공급하여 밸런싱을 수행할 수 있다.
더불어, 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 제어부(140)는 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4) 각각의 잔존 용량 간의 용량 편차가 미리 설정된 제2 기준 편차값(D2) 이하이면 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 밸런싱 저항(R1, ..., R4)에 공급되지 않도록 복수의 제1 스위칭부(SW1a, ..., SW1d)를 제어하고, 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 팬(F)에 지속하여 공급되도록 복수의 제2 스위칭부(SW2a, SW2a', ..., SW2d, SW2d')를 제어할 수 있다.
여기서, 미리 설정된 제2 기준 편차값은 미리 설정된 제1 기준 편차값 보다 작은 값일 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(140)는 도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 배터리 모듈 "M1" 내지 "M4" 각각의 잔존 용량 간의 용량 편차가 미리 설정된 제2 기준 편차값 "D2"에 도달할 때까지 제1 스위칭부 "SW1d", 양극 제2 스위칭부 "SW2d" 및 음극 제2 스위칭부 "SW2d'"의 동작 상태만을 온 상태로 제어하여 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정된 배터리 모듈 "M4"의 출력을 밸런싱 저항 "R4"와 팬(F)으로 공급할 수 있다.
이후, 제어부(140)는 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 배터리 모듈 "M1" 내지 "M4" 각각의 잔존 용량 간의 용량 편차가 미리 설정된 제2 기준 편차값 "D2" 이하이면, 제1 스위칭부 "SW1d"의 동작 상태는 오프 상태로 제어하고, 양극 제2 스위칭부 "SW2d" 및 음극 제2 스위칭부 "SW2d'"의 동작 상태만을 온 상태로 제어하여 배터리 모듈 "M4"의 출력을 팬(F)으로만 공급할 수 있다.
이를 통해, 복수의 배터리 모듈 "M1" 내지 "M4" 각각의 잔존 용량 간의 용량 편차가 "0"에 근접한 경우, 팬(F)만을 이용하여 밸런싱을 수행함으로써, 밸런싱이 종료되는 시점에 가까워질수록 기판(B)을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치와 이를 포함하는 배터리 팩의 구성과 회로 연결을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 8을 더 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치 대비 복수의 제3 전력 경로(L3a, L3a') 및 복수의 제3 스위칭부(SW3a, SW3a')를 더 포함하고, 제어부(140)의 제어 구성만이 상이할 뿐 다른 구성 요소의 구성과 역할은 동일할 수 있다.
이에 따라, 반복되는 설명은 생략한다.
외부 전원(P)은 복수의 제3 전력 경로(L3a, L3a')를 통해 팬(F)과 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 복수의 제3 스위칭부(SW3a, SW3a')는 복수의 제3 전력 경로(L3a, L3a') 마다에 구비되어 외부 전원(P)과 팬(F)의 전기적 연결을 통전 또는 차단시킬 수 있다.
다른 실시예에 따른 결정부(130)는 일 실시예와 같이, 결정부(130)는 잔존 용량 산출부(120)로부터 산출된 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4) 각각의 잔존 용량에 기초하여 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4) 중 밸런싱 대상 배터리 모듈을 결정할 수 있다.
보다 구체적으로, 복수의 배터리 모듈(M1, ..., M4) 각각의 잔존 용량 간의 용량 편차가 미리 설정된 제1 기준 편차값 이상인지 여부를 확인하고, 확인 결과 용량 편차가 미리 설정된 제1 기준 편차값 이상이면 잔존 용량이 가장 큰 배터리 모듈을 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정할 수 있다.
반대로, 결정부(130)는 용량 편차가 미리 설정된 제1 기준 편차값 미만이면 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정하지 않을 수 있다.
제어부(140)는 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되지 않으면 외부 전원(P)의 전력이 팬(F)에 공급되도록 복수의 제3 스위칭부(SW3a, SW3a')를 제어할 수 있다.
이때, 제어부(140)는 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되지 않으면 기판(B)의 기판 온도에 대응하여 외부 전원(P)의 전력이 팬(F)에 공급되도록 복수의 제3 스위칭부(SW3a, SW3a')를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(140)는 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되지 않으면, 측정부(110)로부터 수신되는 기판 온도가 미리 설정된 기준 온도값 이상인지 여부를 확인할 수 있다.
이후, 제어부(140)는 상술된 확인 결과, 기판 온도가 미리 설정된 기준 온도값 이상이면 외부 전원(P)의 전력이 팬(F)에 공급되도록 복수의 제3 스위칭부(SW3a, SW3a')를 제어할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 배터리 모듈 간의 밸런싱이 수행되지 않는 경우에도 기판 온도가 미리 설정된 기준 온도값 이상이면 외부 전원(P)의 전력을 통해 팬(F)을 구동시킴으로써, 기판(B)이 과열되는 현상을 방지할 수 있다.
한편, 다른 실시예에 따른 제어부(140)는 일 실시예에 따른 제어부(140)와 동일하게, 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되면 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 밸런싱 저항(R1, ..., R4)에 공급되도록 복수의 제1 스위칭부(SW1a, ..., SW1d)를 제어할 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따른 제어부(140)는 일 실시예에 따른 제어부(140)와 동일하게, 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되면 기판 온도에 대응하여 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 팬(F)에 공급되도록 복수의 제2 스위칭부(SW2a, ..., SW2d)를 제어할 수 있다.
이에, 반복되는 설명은 생략하도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 복수의 배터리 모듈 외에 배터리 모듈을 수납하기 위한 케이스, 카트리지 및 버스바 등이 더 포함될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 관리 장치를 더 포함하여 밸런싱 저항과 팬 중 하나 이상을 이용하여 복수의 배터리 모듈 각각의 잔존 용량 간에 밸런싱을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치는, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치를 포함할 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
110: 측정부 120: 잔존 용량 산출부
130: 결정부 140: 제어부

Claims (9)

  1. 복수의 배터리 모듈과 밸런싱 저항을 전기적으로 연결시키는 복수의 제1 전력 경로;
    상기 복수의 제1 전력 경로를 통전 또는 차단시키는 복수의 제1 스위칭부;
    상기 복수의 배터리 모듈과 상기 밸런싱 저항이 실장된 기판을 냉각시키는 팬을 전기적으로 연결시키는 복수의 제2 전력 경로;
    상기 복수의 제2 전력 경로를 통전 또는 차단시키는 복수의 제2 스위칭부;
    상기 복수의 배터리 모듈 각각의 잔존 용량을 산출하는 잔존 용량 산출부;
    상기 잔존 용량에 기초하여 상기 복수의 배터리 모듈 중 밸런싱 대상 배터리 모듈을 결정하는 결정부 및
    상기 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되면 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 밸런싱 저항에 공급되도록 상기 복수의 제1 스위칭부를 제어하고, 상기 기판의 기판 온도에 대응하여 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 팬에 공급되도록 상기 복수의 제2 스위칭부를 제어하는 제어부를
    포함하는 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결정부는
    상기 복수의 배터리 모듈 각각의 상기 잔존 용량 간의 용량 편차가 미리 설정된 제1 기준 편차값 이상인지 여부를 확인하고, 확인 결과 상기 용량 편차가 상기 미리 설정된 제1 기준 편차값 이상이면 상기 잔존 용량이 가장 큰 배터리 모듈을 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈로 결정하는 배터리 관리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되면 상기 기판 온도가 미리 설정된 기준 온도값 이상인지 여부를 확인하고, 확인 결과 상기 기판 온도가 상기 미리 설정된 기준 온도값 이상이면 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 팬에 공급되도록 상기 복수의 제2 스위칭부를 제어하는 배터리 관리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 잔존 용량이 목표 용량값에 도달하면 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력을 차단시키는 배터리 관리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 잔존 용량이 상기 목표 용량값을 기준으로 미리 설정된 용량 구간에 포함되면 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 밸런싱 저항에 공급되지 않도록 상기 복수의 제1 스위칭부를 제어하고, 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 기판을 냉각시키는 팬에 지속하여 공급되도록 상기 복수의 제2 스위칭부를 제어하는 배터리 관리 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 복수의 배터리 모듈 각각의 상기 잔존 용량 간의 용량 편차가 미리 설정된 제2 기준 편차값 이하이면 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 밸런싱 저항에 공급되지 않도록 상기 복수의 제1 스위칭부를 제어하고, 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 기판을 냉각시키는 팬에 지속하여 공급되도록 상기 복수의 제2 스위칭부를 제어하는 배터리 관리 장치.
  7. 복수의 배터리 모듈과 밸런싱 저항을 전기적으로 연결시키는 복수의 제1 전력 경로;
    상기 복수의 제1 전력 경로를 통전 또는 차단시키는 복수의 제1 스위칭부;
    상기 복수의 배터리 모듈과 상기 밸런싱 저항이 실장된 기판을 냉각시키는 팬을 전기적으로 연결시키는 복수의 제2 전력 경로;
    상기 복수의 제2 전력 경로를 통전 또는 차단시키는 복수의 제2 스위칭부;
    상기 팬과 외부 전원을 전기적으로 연결시키는 복수의 제3 전력 경로;
    상기 복수의 제3 전력 경로를 통전 또는 차단시키는 복수의 제3 스위칭부;
    상기 복수의 배터리 모듈 각각의 잔존 용량을 산출하는 잔존 용량 산출부;
    상기 잔존 용량에 기초하여 상기 복수의 배터리 모듈 중 밸런싱 대상 배터리 모듈을 결정하는 결정부 및
    상기 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되지 않으면 상기 외부 전원의 전력이 상기 팬에 공급되도록 상기 복수의 제3 스위칭부를 제어하고, 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈이 결정되면 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 밸런싱 저항에 공급되도록 상기 복수의 제1 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 기판의 기판 온도에 대응하여 상기 밸런싱 대상 배터리 모듈의 전력이 상기 팬에 공급되도록 상기 복수의 제2 스위칭부를 제어하는 배터리 관리 장치.
  8. 상기 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 장치를
    포함하는 배터리 팩.
  9. 상기 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 장치를
    포함하는 자동차.
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