KR20200054583A - 직렬 연결된 배터리 모듈간의 전압 불균형 해소 방법 및 그 방법이 적용된 배터리 팩 - Google Patents

직렬 연결된 배터리 모듈간의 전압 불균형 해소 방법 및 그 방법이 적용된 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 둘 이상의 배터리 모듈이 직렬 연결되는 배터리 팩에서 배터리 모듈간의 전압 편차를 해소하는 방법에 관한 것으로, 상기 배터리 팩의 충방전 상태를 확인하는 충방전 상태 확인 단계, 상기 배터리 팩이 충전 또는 방전 상태인 경우, 현재 배터리 팩의 충전 또는 방전 상태를 유지하고, 상기 배터리 팩이 충전 또는 방전 상태가 아닌 경우, 배터리 팩이 보호 상태인지를 확인하는 보호 상태 확인 단계;, 상기 보호 상태 확인 결과 보호 상태가 아닌 경우, 배터리 모듈 각각의 전압 편차를 확인하여 밸런싱 필요 여부를 판단하는 밸런싱 필요 여부 판단 단계, 상기 밸런싱 필요 여부 판단 단계에서 밸런싱이 필요하다고 판단되는 경우, 모듈 밸런싱 스위치를 온하여 상기 직렬 연결되어 있는 배터리 모듈들을 병렬 연결로 재구성하여 배터리 모듈들 간의 충방전을 수행하는 배터리 모듈 간 충방전 단계를 포함하여 구성된다.

Description

직렬 연결된 배터리 모듈간의 전압 불균형 해소 방법 및 그 방법이 적용된 배터리 팩{Method for eliminating voltage imbalance between battery modules connected in series and battery pack to which the method is applied}
본 발명은 직렬 연결된 배터리 모듈간의 전압 불균형을 해소하는 방법 및 그 방법이 적용된 배터리 팩에 관한 것이다.
보다 구체적으로는, 배터리 모듈간의 전압 불균형 발생시, 직렬 연결된 배터리 모듈을 병렬 연결하여 배터리 모듈간의 전압을 밸런싱 하는 방법 및 그 방법이 적용된 배터리 팩에 관한 것이다.
전지는 크게 1차 전지와 2차 전지로 구분될 수 있는데, 1차 전지란 비가역적인 반응을 이용하여 전기를 생산하므로 한 번 사용된 후에는 재사용이 불가능한 전지로서 일반적으로 많이 사용하는 건전지, 수은 전지, 볼타 전지 등이 이에 속하며, 2차 전지는 이와는 달리 가역적인 반응을 이용하므로 사용 후 충전하여 재사용이 가능한 전지로서 납 축전지, 리튬 이온 전지, 니카드(Ni-Cd) 전지 등이 이에 속한다.
일반적으로 2차 전지는 그 내부에 다수 개의 단위 셀을 포함하고 있으며, 또한 일반적으로 각 셀의 전극들과 연결된 한 쌍의 외부 단자 탭(즉 각 단위 셀의 음극들이 연결된 하나의 음극, 각 셀의 양극들이 연결된 하나의 양극으로서, 전지 하나당 한 쌍이 구비되어 전극으로서 기능하는 탭)이 외부로 노출되어 있는 모듈 형태이다.
이와 같은 모듈 형태의 2차 전지들은 일반적으로 단일 모듈로 사용되기보다는 다수 개의 모듈이 연결되어 하나의 팩으로서의 배터리를 형성하게 된다.
한편, 하나의 팩으로 형성된 배터리 모듈들이 직렬 연결되어 방전될 때, 배터리 모듈 각각에서 전압 강하가 발생하는데, 이때 발생하는 전압 강하가 모든 배터리 모듈에서 동일하게 발생하지는 않는다.
예를 들어 제1 배터리 모듈에서는 0.5V의 전압 강하가 발생하지만, 제2 배터리 모듈에서는 0.7V의 전압 강하가 발생할 수도 있다.
이와 같이 배터리 모듈들 사이에서 전압 강하가 서로 다르게 발생하는 경우, 배터리 모듈들 간의 전압 차이가 발생한다.
배터리 모듈간의 전압 차이가 발생하면, 배터리 팩 전체의 출력 전압이 불안정해지고, 이로 인해 배터리 팩 전체의 사용시간이 줄어들 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래 기술로는 배터리 모듈들 각각에 자가방전 회로를 구비하고, 이를 통해 높은 전압을 가지는 배터리 모듈을 방전시켜, 배터리 모듈들 간의 전압 차이를 해소하였다.
그러나 종래 기술과 같이 자가방전을 통해서 높은 전압을 가지는 배터리 모듈을 방전시키는 경우, 배터리 모듈들간의 전압 차이는 해소할 수 있지만, 높은 전압을 가지는 배터리 모듈의 출력 일부를 자가방전 시키므로 효율이 좋지 않고, 배터리 모듈에서 발생하는 열을 최소화 하기 위해서 천천히 자가방전 시켜야만 했다.
한국공개특허공보 10-2014-0072965 호
본 발명은 직렬 연결된 배터리 모듈간의 전압 불균형 발생시, 배터리 모듈간의 전압을 밸런싱하는 방법을 제공한다.
구체적으로, 높은 전압의 배터리 모듈로 낮은 전압을 가지는 배터리 모듈을 충전함으로써, 배터리 모듈간의 밸런싱 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 둘 이상의 배터리 모듈이 직렬 연결되는 배터리 팩에서 배터리 모듈간의 전압 편차를 해소하는 방법은, 상기 배터리 팩의 충방전 상태를 확인하는 충방전 상태 확인 단계, 상기 배터리 팩이 충전 또는 방전 상태인 경우, 현재 배터리 팩의 충전 또는 방전 상태를 유지하고, 상기 배터리 팩이 충전 또는 방전 상태가 아닌 경우, 배터리 팩이 보호 상태인지를 확인하는 보호 상태 확인 단계, 상기 보호 상태 확인 결과 보호 상태가 아닌 경우, 배터리 모듈 각각의 전압 편차를 확인하여 밸런싱 필요 여부를 판단하는 밸런싱 필요 여부 판단 단계, 상기 밸런싱 필요 여부 판단 단계에서 밸런싱이 필요하다고 판단되는 경우, 모듈 밸런싱 스위치를 온하여 상기 직렬 연결되어 있는 배터리 모듈들을 병렬 연결로 재구성하여 배터리 모듈들 간의 충방전을 수행하는 배터리 모듈 간 충방전 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 밸런싱 필요 여부 판단 단계는, BMS에서 상기 배터리 팩을 구성하는 둘 이상의 배터리 모듈 각각의 전압을 측정하는 개별 모듈 전압 측정 단계, 상기 측정된 배터리 모듈의 전압들 간의 차이를 산출하는 모듈 전압 간의 차이 산출 단계를 포함하여 구성되며, 상기 모듈 전압들 간의 차이 산출 단계에서 산출된 모듈 전압들 간의 차이 모두가 소정의 정상 오차 범위 내에 있는 경우, 밸런싱이 필요 없는 것으로 판단하고, 상기 모듈 전압들 간의 차이 산출 단계에서 산출된 모듈 전압들 간의 차이 중에서 소정의 정상 오차 범위를 벗어나는 모듈 전압들 간의 차이가 하나 이상 존재하는 경우, 밸런싱이 필요하다고 판단할 수 있다.
상기 충방전 확인 단계, 보호 상태 확인 단계, 밸런싱 필요 여부 판단 단계는, 소정의 주기 간격으로 반복 수행될 수 있다.
상기 배터리 모듈 간 충방전 단계는, BMS에서, 모듈 밸런싱 스위치를 온 시키는 모듈 밸런싱 스위치 온 단계, BMS를 슬립 모드로 전환하는 BMS 슬립 모드 전환 단계, 상기 슬립 모드로 전환된 BMS를 리얼 타임 클락(real time clock)을 통해 소정의 주기마다 웨이크 업 시키는 BMS 웨이크 업 단계를 포함하여 구성되며, 상기 웨이크 업 된 BMS는, 상기 개별 모듈 전압 측정 단계, 모듈 전압들 간의 차이 산출 단계를 배터리 모듈 간의 전압 편차가 해소될 때까지 반복 수행할 수 있다.
상기 병렬 제어 스위치 온 단계는, 래치 회로를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 간의 전압 편차 해소 방법.
본 발명의 실시 예에 따른 밸런싱 기능을 탑재한 배터리 팩은, 직렬 연결되는 제1,2 배터리 모듈을 포함하여 구성되며, 상기 제1,2 배터리 모듈 각각은 배터리 모듈 간 직렬 연결에 사용되는 직렬 연결 (+)단 및 직렬 연결 (-)단, 배터리 모듈 간 병렬 연결에 사용되는 병렬 연결 (+)단 및 병렬 연결 (-)단, 배터리 모듈을 제어 및 관리하는 BMS(Battery Management System), 상기 제2 배터리 모듈의 직렬 연결 (-)단과 상기 제1 배터리 모듈의 직렬 연결 (+)단이 연결되어, 상기 제2 배터리 모듈의 직렬 연결 (+)단에서부터 상기 제1 배터리 모듈의 직렬 연결(-)단 까지 연결되는 직렬 연결 라인, 상기 제2 배터리 모듈의 병렬 연결 (+)단과 상기 제1 배터리 모듈의 병렬 연결(+)단이 연결되고, 상기 제2 배터리 모듈의 병렬 연결 (-)단과 제1 배터리 모듈의 병렬 연결 (-)단이 연결되어, 상기 제1,2 배터리 모듈간의 전압 편차를 해소하는 병렬 연결 라인 및 상기 직렬 연결 라인을 온 또는 오프 하는 직렬 연결 스위치를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 BMS는 상기 제1,2 배터리 모듈 간의 전압 차이가 소정의 값 이상인 경우, 상기 직렬 라인에 연결되어 있는 제1,2 배터리 모듈을 상기 병렬 라인으로 연결 시켜, 배터리 모듈 간에 충방전을 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 BMS는, 일단은 상기 직렬 연결 (+)단에 연결되고, 타단은 병렬 연결 (-)단에 연결되어 배터리 모듈들을 병렬로 연결하는 모듈 밸런싱 스위치, 상기 모듈 밸런싱 스위치를 온 또는 오프 시키는 신호를 생성하는 모듈 밸런싱 스위치 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 병렬 연결 라인은, 상기 직렬 연결 라인이 연결되지 않았을 경우에만 연결될 수 있다.
상기 BMS는, 래치 회로를 더 포함하여 구성되며, 상기 래치 회로는, 상기 BMS가 슬립 모드로 동작하는 동안에 상기 모듈 밸런싱 스위치를 온 시킬 수 있다.
본 발명은 직렬 연결된 배터리 모듈간의 전압 불균형 발생시, 배터리 모듈 간의 전압을 밸런싱 할 수 있다.
또한, 본 발명은, 높은 전압을 가지는 배터리 모듈로 낮은 전압을 가지는 배터리 모듈을 충전함으로써, 배터리 모듈간의 밸런싱 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈간의 전압 편차 해소 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 종래의 배터리 팩의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈간 전압 편차 해소 기능이 탑재된 배터리 팩을 나타낸 구성도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
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. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
1. 본 발명의 실시 예에 다른 배터리 모듈간의 전압 편차 해소 방법.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은, 둘 이상의 배터리 모듈이 직렬 연결되어 있다. 이와 같이 직렬 연결된 둘 이상의 배터리 모듈로 구성되는 배터리 팩은, 각각의 배터리 모듈간에는 전압 차이가 발생하지 않는 것이 중요하다. 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈들 중 어느 하나 이상의 모듈에서 저전압이 발생하는 경우, 저전압이 발생한 배터리 모듈로 인하여 배터리 팩 전체의 사용시간이 줄어들 수 있다.
따라서, 배터리 팩 내에 저전압이 발생한 배터리 모듈이 존재하지 안도록 배터리 모듈들을 밸런싱 해줄 필요가 있다.
이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈간의 전압 편차 해소 방법을 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈간의 전압 편차 해소 방법은, 배터리 팩의 충방전 상태를 확인하는 충방전 상태 확인 단계(S100), 배터리 팩이 보호 상태인지를 확인하는 보호 상태 확인 단계(S200), 밸런싱 필요 여부를 판단하는 밸런싱 필요 여부 판단 단계(S300) 및 상기 밸런싱 필요 여부 판단 단계에서 밸런싱이 필요하다고 판단되는 경우, 모듈 밸런싱 스위치를 온하여, 상기 직렬 연결되어 있는 배터리 모듈들을 병렬 연결로 재구성하여 배터리 모듈간의 충방전을 수행하는 배터리 모듈 간 충방전 단계(S400)를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 배터리 모듈들 간의 밸런싱은 배터리가 충전 및 방전 상태가 아닌 경우에만 수행된다. 구체적으로, 배터리 팩이 충전 및 방전 상태인 경우에는, 배터리 모듈들이 직렬로 연결되어 있는 상태인데, 배터리 모듈의 밸런싱을 위해 배터리 모듈들을 병렬로 연결하면 배터리 팩 전체의 출력이 달라지는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈간의 전압 편차를 해소하는 방법은, 배터리 모듈들 간에 병렬로 연결된 상태에서 수행되기 때문에 배터리 팩이 충전 및 방전 상태가 아닌 경우에만 수행될 수 있다.
한편, 배터리 팩은, 배터리 팩이 충전 및 방전 상태는 아니지만, 배터리 팩에 소정의 문제가 발생되어, 배터리 팩을 사용할 경우에 문제가 된다고 판단되는 경우 배터리 팩을 보호 모드로 동작시키게 된다.
이와 같이 배터리 팩이 보호 모드로 동작하는 경우에는 배터리 팩이 충전 및 방전을 하고 있지 않더라도, 배터리 팩의 사용 범위를 벗어나는 문제가 발생한 배터리 팩을 사용하는 경우 배터리 팩이 고장 나거나 및 배터리 팩이 탑재되는 전자장치가 고장 날 수 있다, 따라서 배터리 팩 또는 전자장치가 고장 나는 것을 막기 위해 배터리 팩이 보호 모드인지 여부를 확인하여 배터리 팩이 보호 모드가 아닌 경우에만 배터리 모듈의 밸런싱을 수행하여야 한다.
예를 들어, 배터리 팩이 고온 상태에 노출되어 배터리 팩의 허용 온도를 벗어나는 경우, 배터리 팩은 보호 모드로 동작하게 된다, 그런데 배터리 팩이 보호 모드 인지를 확인하지 않고, 단순히 배터리 모듈간의 전압 편차가 발생 했기 때문에 배터리 모듈간의 밸런싱을 수행하면 배터리 팩이 폭발하거나, 사용하지 못할 수도 있다.
한편, 상기 밸런싱 여부 판단 단계(S300)는, 상기 충방전 확인 단계에서 배터리 팩 의 충방전을 확인한 결과가 배터리 팩이 충방전 상태가 아니고, 상기 보호 상태 확인 단계에서 배터리 팩의 보호 상태 여부를 확인한 결과가 배터리 팩이 보호 상태가 아닌 경우에만 수행될 수 있다.
상기 밸런싱 여부 판단 단계(S300)는, BMS에서 상기 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈들 각각의 전압을 측정하는 개별 모듈 전압 측정 단계(S310) 및 BMS에서 상기 측정된 개별 배터리 모듈의 전압들 간의 차이를 산출하는 모듈 전압 간의 차이 산출 단계(S320)를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 개별 모듈 전압 측정 단계(S310)는, 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈 모두에 대해서 전압을 측정하는 단계로, BMS에서 측정되는 것이 일반적이나 이에 한정되지 않고, 배터리 팩 내부 또는 외부에 별도로 구비되는 모듈 전압 측정부에서 측정될 수 있다,
한편, 상기 모듈 전압 간의 차이 산출 단계(S320)는, BMS에서 상기 측정된 각 모듈 별 전압들 간의 차이를 산출하는 단계로, 상기 단계에서 산출된 모듈 별 전압들 간의 차이는 배터리 모듈의 밸런싱 필요 여부를 결정하는 근거가 된다. 상기 산출된 모듈 별 전압들 간의 차이 중에서 소정의 정상 오차 범위를 벗어나는 모듈 별 전압들 간의 차이가 있는 경우에는 배터리 모듈간에 전압 불균형이 발생하여 밸런싱이 필요하다고 판단한다. 이와는 반대로, 상기 산출된 모듈 별 전압들 간의 차이가 정상 오차 범위 이내인 경우에는 배터리 모듈간에 전압 불균형이 발생하지 않은 것으로 판단한다.
상술한 충방전 상태 확인 단계(S100), 보호 상태 확인 단계(S200), 밸런싱 필요 여부 판단 단계(S300)는, 소정의 주기 간격으로 반복 수행되어 배터리 팩의 배터리 모듈 밸런싱 필요 여부를 확인할 수 있다.
한편, 상기 배터리 모듈 간 충방전 단계(S400)는, BMS에서 모듈 밸런싱 스위치를 온 시키는 모듈 밸런싱 스위치 온 단계(S410), BMS를 슬립 모드로 전환하는 BMS 슬립 모드 전환 단계(S420), 상기 슬립모드로 전환된 BMS를 리얼 타임 클락(real time clock)을 통해 소정의 주기마다 웨이크 업 시키는 BMS 웨이크 업 단계(S430)를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 모듈 밸런싱 스위치 온 단계(S410)는, 직렬로 연결되어 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈들을 병렬로 연결하는 과정이다. 이로 인해 배터리 모듈들은 병렬로 연결되어 높은 전압을 가지는 배터리 모듈에서 낮은 전압을 가지는 배터리 모듈로 전류의 흐름이 발생하여 종래에 높은 전압을 가지고 있던 배터리 모듈의 전압은 낮아지고, 종래에 낮은 전압을 가지는 배터리 모듈의 전압은 높아질 수 있다.
다시 말해, 높은 전압을 가지는 배터리 모듈을 사용하여 낮은 전압을 가지는 배터리 모듈을 충전함으로써, 배터리 모듈간의 전압 균형을 달성할 수 있다.
한편, 높은 전압을 가지는 배터리 모듈로 낮은 전압을 가지는 배터리 모듈을 충전하여 배터리 모듈간의 전압 균형을 맞추는 것은 종래에 높은 전압을 가지는 배터리 모듈을 자가방전 회로를 통해 방전시켜 배터리 모듈의 전압을 맞추는 것보다 효율적이다.
예를 들어 5V(높은 전압)의 출력전압을 가지는 배터리 모듈이 5개 4V(낮은 전압)의 출력 전압을 가지는 배터리 모듈이 5개인 경우, 종래의 방식대로, 5V(높은 전압)의 출력전압을 가지는 배터리 모듈을 자가 방전시켜 전압 균형을 맞추는 경우에는 10개의 배터리 모듈 모두가 4V의 출력전압을 가지게 되고, 결론적으로 10개의 배터리 모듈들이 직렬 연결된 배터리 팩의 전압은 40V일 수 있다. 이에 비해, 5V(높은 전압)의 출력전압을 가지는 배터리 모듈로 4V(낮은 전압)의 출력전압을 가지는 배터리 모듈을 병렬 연결하여 배터리 모듈의 전압 균형을 맞추는 경우에는, 5V(높은 전압)의 출력 전압을 가지는 배터리 모듈은 4.5V가되고, 4V(낮은 전압)의 출력전압을 가지는 높은 전압을 가지는 배터리 모듈에 의해 충전되어 낮은 전압을 가지는 배터리 모듈 또한 4.5V가 되어 결론적으로 10개의 배터리 모듈이 직렬 연결된 배터리 팩의 전압이 4.5V일수 있다.
즉, 종래에 높은 전압을 가지는 배터리 모듈을 자가방전 시켜 배터리 모듈의 전압 균형을 맞추는 방식 또는 낮은 전압을 가지는 배터리 모듈을 충전 시켜 배터리 모듈의 전압 균형을 맞추는 방식 보다, 본 발명과 같이 배터리 모듈을 병렬 연결하여 배터리 모듈의 전압 균형을 맞추는 것이 더 효율적이다.
또한, 밸런싱을 수행하는 시간에 있어서도, 높은 전압을 가지는 배터리 모듈을 낮은 전압을 가지는 배터리 모듈의 전압까지 방전 시키는 시간보다 높은 전압을 가지는 배터리 모듈을 낮은 전압을 가지는 배터리 모듈을 충전하는 방법으로 배터리 모듈간의 밸런싱을 수행하는 시간이 적게 걸릴 수 있다.
한편, 본 발명에서는 모듈 밸런싱 스위치를 온 할 때, 래치 회로를 통해 모듈 밸런싱 스위치를 온 함으로써, 후술하는 BMS가 슬립 모드로 동작할 때에도 배터리 모듈의 병렬 연결 상태를 유지할 수 있다.
구체적으로, 래치 회로는 소정의 입력 신호가 래치 회로로 들어오면 들어온 소정의 입력 신호를 다음 입력 신호가 들어오기 전까지 유지시켜주는 회로로, BMS가 슬립 모드로 동작하기 전에 래치 회로로 모듈 밸런싱 스위치 온 신호를 전송하면, 이를 수신 받은 래치 회로는 모듈 밸런싱 스위치를 온 시키는 신호를 유지하고 있기 때문에, BMS가 슬립 모드로 동작하더라도, 모듈 밸런싱 스위치가 온 상태를 유지한다.
한편, 래치 회로는 단순히 입력되는 신호만 유지 시켜주기 때문에 주기적으로 BMS를 웨이크 업하여 배터리 모듈간의 전압 균형이 달성하였는지를 확인하여, 배터리 모듈간의 전압이 균형을 이루면, 래치 회로를 리셋 또는 모듈 밸런싱 스위치를 오프 키시는 신호를 전송하여, 모듈 밸런싱 스위치를 오프 시켜주어야 한다.
이를 위해 리얼 타임 클락을 사용하여 BMS를 소정의 주기마다 웨이크 업 시키는 BMS 웨이크 업 단계(S430)를 수행하게 된다.
구체적으로, 소정의 주기마다 슬립모드로 동작하는 BMS를 웨이크 업 시키고, 상술한 밸런싱 필요 여부 판단 단계(S300)를 반복 수행하여, 배터리 모듈간의 밸런싱이 이루어 졌다고 판단되는 경우에는 BMS에서 배터리 모듈간의 밸런싱을 종료하는 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어 BMS에서 상기 모듈 밸런싱 스위치를 오프하는 신호를 생성하여 상기 모듈 밸런싱 스위치를 오프 시킨 후, 직렬 연결 스위치를 온 함으로써 배터리 모듈들은 다시 직렬로 연결시킬 수 있다.
2. 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈간 전압 편차 해소 기능이 탑재된 배터리 팩.
도 2는 종래 기술의 배터리 팩의 구조를 나타낸 도면이다.
종래 기술의 배터리 패 구조를 살펴보면 종래 기술의 배터리 팩은 모듈간에 직렬로 연결되는 직렬 연결 라인만이 존재하여 배터리 모듈의 밸런싱이 불가능하였다.
다시 말해, 배터리 모듈간의 직렬 연결을 병렬 연결로 제어하지 못하고, 단순히 각 모듈 별로 소정의 밸런싱 전압까지 자가방전 시키는 방법으로 밸런싱을 수행하였다.
한편, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈간 전압 편차 해소 기능이 탑재된 배터리 팩을 나타낸 구성도이다.
이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈간 전압 편차 해소 기능이 탑재된 배터리 팩을 설명한다.
한편, 본 명세서에서는 본 발명의 이해를 돕기 위해 2개의 제1,2 배터리 모듈로만 이루어진 배터리 팩에 대해서만 설명 하지만, 이에 한정되는 것이 아니라 2개 이상의 배터리 모듈로 구성된 배터리 팩에도 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈간의 전압 편차 해소 기능이 적용될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈간 전압 편차 해소 기능이 탑재된 배터리 팩은, 제1,2 배터리 모듈이 직렬 연결 스위치를 통하여 직렬 연결되고, 모듈 밸런싱 스위치를 통해 병렬로 연결된다. 구체적으로, 상기 제1,2 배터리 모듈 각각은 배터리 모듈간의 직렬 연결을 위한 직렬 연결 (+)단(P+) 및 직렬 연결 (-)단(P-), 배터리 모듈간의 병렬 연결을 위한 병렬 연결 (+)단(B+) 및 병렬 연결 (-)단(B-), 배터리 모듈을 제어 및 관리하는 BMS(Battery Management System)(100), 상기 제2 배터리 모듈의 직렬 연결 (-)단과 상기 제1 배터리 모듈의 직렬 연결 (+)단이 연결되어, 상기 제2 배터리 모듈의 직렬 연결 (+)단에서부터 상기 제1 배터리 모듈의 직렬 연결(-)단 까지 연결되는 직렬 연결 라인, 상기 제2 배터리 모듈의 병렬 연결 (+)단과 상기 제1 배터리 모듈의 병렬 연결(+)단이 연결되고, 상기 제2 배터리 모듈의 병렬 연결 (-)단과 제1 배터리 모듈의 병렬 연결 (-)단이 연결되어, 상기 제1,2 배터리 모듈간의 전압 편차를 해소하는 병렬 연결 라인 및 상기 직렬 연결 라인을 온 오프 하는 직렬 연결 스위치(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1 배터리 모듈에 탑재되는 직렬 연결 스위치(200)의 일단은 제1 배터리 모듈의 (+)단자에 연결되고, 타단은 제2 배터리 모듈의 (-)단에 연결된다. 즉, 제1 배터리 모듈의 직렬 스위치(200)의 상기 타단은 직렬 연결 (+)단(P+)이 되고, 이는 제2 배터리 모듈의 직렬연결 (-)단(P-)단에 연결된다.
한편, 상기 BMS(100)는, 상기 제1,2 배터리 모듈 간의 전압 차이가 소정의 값 이상인 경우, 상기 직렬 라인에 연결되어 있는 제1,2 배터리 모듈을 상기 병렬 라인으로 연결시켜 제1,2 배터리 모듈 간에 전압 밸런싱을 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 BMS(100)는, 일단은 상기 직렬 연결 (+)단에 연결되고, 타단은 병렬 연결 (-)단에 연결되는 모듈 밸런싱 스위치(110) 및 상기 모듈 밸런싱 스위치를 온 또는 오프 시키는 신호를 생성하는 모듈 밸런싱 스위치 제어부(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 모듈 밸런싱 스위치는, 배터리 팩이 충방전 상태가 아니고 보호 모드로 동작하지 않는 경우에만 온 되어 배터리 모듈을 병렬로 연결 시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 배터리 팩은 충전 및 방전 상태인 경우에는, 배터리 모듈들이 직렬로 연결되어 있는 상태이므로, 배터리 모듈을 밸런싱 시키기 위해서 병렬로 연결하는 경우, 원하는 배터리 팩의 출력을 낼 수 없다. 따라서, 배터리 팩이 충방전 상태 가 아닌 경우에만 수행된다. 또한, 배터리 팩의 사용범위를 벗어나서 보호모드로 동작중인 경우, 무리하게 배터리 팩을 사용하면 배터리 팩의 수명을 단축시키거나, 배터리 팩에 연결된 외부장치에 문제를 발생할 수도 있다. 따라서, 모듈 밸런싱 스위치는, 배터리 팩이 충방전 상태가 아니면서, 동시에 배터리 팩이 보호 상태가 아닌 경우에만 수행될 수 있다.
상술한 이유 때문에 상기 병렬 연결 라인은 상기 직렬 라인이 연결되지 않은 상태에서만 연결될 수 있다.
상기 병렬 연결 라인은 제1 배터리 모듈의 경우, 배터리의 (+)단에 일단이 연결되고 타단이 병렬 연결 (+)단(B+)에 연결되는 모듈 밸런싱 스위치를 포함하여 구성된다.
상기 모듈 밸런싱 스위치의 일단은 제1 배터리 모듈의 (+)단에 연결되고, 타단은 제2 배터리 모듈의 모듈 밸런싱 스위치의 타단에 연결되어 2개의 배터리 모듈의 양극을 병렬로 연결한다. 병렬 연결 라인의 (-)단은 각 배터리 모듈의 (-)단을 직접 연결한다.
한편, 상기 BMS(100)는 공지된 기술인 래치 회로(130)를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 래치 회로(130)는 상기 BMS(100)의 모듈 밸런싱 스위치 제어부(120)에서 생성되는 신호를 입력 받아 소정의 시간 동안 유지시켜줄 수 있다.
구체적으로, 모듈 밸런싱 스위치(110)는 배터리 모듈의 전압간 균형이 해소 될 때까지 온 상태를 유지하는 것이 바람직한데, 이를 위해서 BMS(100)를 계속해서 켜 놓는 것은 비효율적이므로, BMS(100)는 슬립 모드로 동작하되, 래치 회로(130)를 통해 모듈 밸런싱 스위치(110)에 계속해서 온 신호를 입력할 수 있다,
한편, 래치 회로(130)는, 한번 입력 신호가 들어오면, 다음 번 입력이 들어올 때까지 현재 입력된 신호를 유지하므로, 배터리 모듈간의 밸런싱이 완료되어도 계속해서 모듈 밸런싱 스위치(110) 온 신호를 유지한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 배터리 모듈간의 밸런싱이 달성된 후 모듈 밸런싱 스위치를 오프 시키기 위해서는 BMS(100)를 주기적으로 웨이크 업 시켜야 한다.
예를 들어, 리얼타임 클록(RTC:Real Time Clock)을 사용하여 BMS(100)를 소정의 주기마다 웨이크 업 시킬 수 있다.
구체적으로, 리얼 타임 클록을 사용하여 소정의 주기마다 슬립모드로 동작하는 BMS(100)를 웨이크 업 시키고, BMS에서 배터리 모듈간의 밸런싱이 이루어 졌다고 판단되는 경우에는 BMS(100)에서 배터리 모듈간의 밸런싱을 종료하는 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어 BMS(100)에서 상기 모듈 밸런싱 스위치를 오프하는 신호를 생성하여 상기 모듈 밸런싱 스위치(110)를 오프 시킨 후, 직렬 연결 스위치(200)를 온 함으로써 배터리 모듈들은 다시 직렬로 연결시킬 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은 다양한 디바이스에 탑재될 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : BMS
110 : 모듈 밸런싱 스위치
120 : MCU
130 : 래치 회로
200 : 직렬 연결 스위치

Claims (10)

  1. 둘 이상의 배터리 모듈이 직렬 연결되는 배터리 팩에서 배터리 모듈간의 전압 편차를 해소하는 방법에 있어서,
    상기 배터리 팩의 충방전 상태를 확인하는 충방전 상태 확인 단계;
    상기 배터리 팩이 충전 또는 방전 상태인 경우, 현재 배터리 팩의 충전 또는 방전 상태를 유지하고,
    상기 배터리 팩이 충전 또는 방전 상태가 아닌 경우, 배터리 팩이 보호 상태인지를 확인하는 보호 상태 확인 단계;
    상기 보호 상태 확인 결과 보호 상태가 아닌 경우, 배터리 모듈 각각의 전압 편차를 확인하여 밸런싱 필요 여부를 판단하는 밸런싱 필요 여부 판단 단계;
    상기 밸런싱 필요 여부 판단 단계에서 밸런싱이 필요하다고 판단되는 경우,
    모듈 밸런싱 스위치를 온하여 상기 직렬 연결되어 있는 배터리 모듈들을 병렬 연결로 재구성하여 배터리 모듈들 간의 충방전을 수행하는 배터리 모듈 간 충방전 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈간의 전압 편차 해소 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸런싱 필요 여부 판단 단계는,
    BMS에서 상기 배터리 팩을 구성하는 둘 이상의 배터리 모듈 각각의 전압을 측정하는 개별 모듈 전압 측정 단계;
    상기 측정된 배터리 모듈의 전압들 간의 차이를 산출하는 모듈 전압 간의 차이 산출 단계;
    를 포함하여 구성되며,
    상기 모듈 전압들 간의 차이 산출 단계에서 산출된 모듈 전압들 간의 차이 모두가 소정의 정상 오차 범위 내에 있는 경우, 밸런싱이 필요 없는 것으로 판단하고
    상기 모듈 전압들 간의 차이 산출 단계에서 산출된 모듈 전압들 간의 차이 중에서 소정의 정상 오차 범위를 벗어나는 모듈 전압들 간의 차이가 하나 이상 존재하는 경우, 밸런싱이 필요하다고 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈간의 전압 편차 해소 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 충방전 확인 단계, 보호 상태 확인 단계, 밸런싱 필요 여부 판단 단계는, 소정의 주기 간격으로 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈간의 전압 편자 해소 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 배터리 모듈 간 충방전 단계는,
    BMS에서, 모듈 밸런싱 스위치를 온 시키는 모듈 밸런싱 스위치 온 단계;
    BMS를 슬립 모드로 전환하는 BMS 슬립 모드 전환 단계;
    상기 슬립 모드로 전환된 BMS를 리얼 타임 클락(real time clock)을 통해 소정의 주기마다 웨이크 업 시키는 BMS 웨이크 업 단계;
    를 포함하여 구성되며,
    상기 웨이크 업 된 BMS는,
    상기 개별 모듈 전압 측정 단계, 모듈 전압들 간의 차이 산출 단계를 배터리 모듈 간의 전압 편차가 해소될 때까지 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 간의 전압 편차 해소 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 병렬 제어 스위치 온 단계는,
    모듈 밸런싱 스위치 제어부에서 래치 회로로 모듈 밸런싱 온 신호를 전송하고,
    상기 모듈 밸런싱 스위치 온 신호를 수신 받은 래치회로는, 모듈 밸런싱 스위치 제어부로부터 모듈 밸런싱 오프 신호를 수신 받기 전까지 모듈 밸런싱 스위치를 온 시키는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 간의 전압 편차 해소 방법.
  6. 직렬 연결되는 제1,2 배터리 모듈을 포함하여 구성되는 배터리 팩에 있어서,
    상기 제1,2 배터리 모듈 각각은
    배터리 모듈 간 직렬 연결에 사용되는 직렬 연결 (+)단 및 직렬 연결 (-)단;
    배터리 모듈 간 병렬 연결에 사용되는 병렬 연결 (+)단 및 병렬 연결 (-)단;
    배터리 모듈을 제어 및 관리하는 BMS(Battery Management System);
    상기 제2 배터리 모듈의 직렬 연결 (-)단과 상기 제1 배터리 모듈의 직렬 연결 (+)단이 연결되어, 상기 제2 배터리 모듈의 직렬 연결 (+)단에서부터 상기 제1 배터리 모듈의 직렬 연결(-)단 까지 연결되는 직렬 연결 라인;
    상기 제2 배터리 모듈의 병렬 연결 (+)단과 상기 제1 배터리 모듈의 병렬 연결(+)단이 연결되고, 상기 제2 배터리 모듈의 병렬 연결 (-)단과 제1 배터리 모듈의 병렬 연결 (-)단이 연결되어, 상기 제1,2 배터리 모듈간의 전압 편차를 해소하는 병렬 연결 라인; 및
    상기 직렬 연결 라인을 온 또는 오프 하는 직렬 연결 스위치를 포함하여 구성되며,
    상기 BMS는
    상기 제1,2 배터리 모듈 간의 전압 차이가 소정의 값 이상인 경우, 상기 직렬 라인에 연결되어 있는 제1,2 배터리 모듈을 상기 병렬 라인으로 연결 시켜, 배터리 모듈 간에 충방전을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 BMS는,
    일단은 상기 직렬 연결 (+)단에 연결되고, 타단은 병렬 연결 (-)단에 연결되어 배터리 모듈들을 병렬로 연결하는 모듈 밸런싱 스위치;
    상기 모듈 밸런싱 스위치를 온 또는 오프 시키는 신호를 생성하는 모듈 밸런싱 스위치 제어부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 병렬 연결 라인은,
    상기 직렬 연결 라인이 연결되지 않았을 경우에만 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 BMS는,
    래치 회로를 더 포함하여 구성되며,
    상기 래치 회로는,
    상기 BMS가 슬립 모드로 동작하는 동안에 상기 모듈 밸런싱 스위치를 온 시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 청구항 6 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하여 구성되는 디바이스.
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