KR20200129046A - 배터리 컨트롤러, 무선 배터리 제어 시스템, 배터리 팩 및 배터리 밸런싱 방법 - Google Patents

배터리 컨트롤러, 무선 배터리 제어 시스템, 배터리 팩 및 배터리 밸런싱 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 컨트롤러, 무선 배터리 제어 시스템, 배터리 팩 및 배터리 밸런싱 방법이 제공된다. 상기 배터리 컨트롤러는, 양극 단자, 음극 단자 및 상기 양극 단자와 음극 단자 사이에 전기적으로 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 위한 것이다. 상기 배터리 컨트롤러는, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하는 전압 측정부; 및 제어 모듈을 포함한다. 상기 제어 모듈은, 상기 복수의 배터리 셀 중 최하단 셀의 제1 셀 전압을 상기 제어 모듈의 동작 전원으로서 이용하여 기동 중, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 나타내는 센싱 데이터를 무선 전송한다.

Description

배터리 컨트롤러, 무선 배터리 제어 시스템, 배터리 팩 및 배터리 밸런싱 방법{BATTERY CONTROLLER, WIRELESS BATTERY CONTROL SYSTEM, BATTERY PACK, AND BATTERY BALANCING METHOD}
본 발명은, 배터리 모듈의 제어 및 상기 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀을 밸런싱하는 기술에 관한 것이다.
본 출원은 2019년 05월 07일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2019-0053177호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 차량, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 통상적으로 서로 직렬로 접속된 복수의 배터리 모듈 및 복수의 배터리 컨트롤러를 포함한다. 각 배터리 컨트롤러는 자신이 관리하는 배터리 모듈의 상태를 모니터링 및 제어한다. 최근에는 대용량이면서 고출력의 배터리 팩이 요구됨에 따라, 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 개수 또한 증가하고 있다. 이러한 배터리 팩에 포함된 각 배터리 모듈의 상태를 효율적으로 관리하기 위해서, 싱글 마스터-멀티 슬레이브 구조가 개시되어 있다. 싱글 마스터-멀티 슬레이브 구조는, 복수의 배터리 모듈에 일대일로 대응하도록 제공되는 복수의 슬레이브 컨트롤러 및 상기 복수의 슬레이브 컨트롤러를 전반적으로 관제하는 마스터 컨트롤러를 포함한다. 마스터 컨트롤러가 무선 채널을 통해 복수의 슬레이브 컨트롤러와 통신하도록 구성됨으로써, 무선 배터리 제어 시스템이 제공될 수 있다.
각 슬레이브 컨트롤러는, '배터리 컨트롤러'라고도 칭할 수 있으며, 일반적으로, 자신에 대응하는 배터리 모듈의 양단 전압인 모듈 전압을 동작 전원으로서 이용한다. 그런데, 복수의 배터리 셀이 포함된 배터리 모듈의 모듈 전압(예, 12V)은, 해당 배터리 모듈에 대응하는 슬레이브 컨트롤러의 기동(활성화)에 요구되는 전압 범위(예, 1.8~3.6 V)의 상한값을 훨씬 넘어선다. 따라서, 모듈 전압을 슬레이브 컨트롤러의 기동에 요구되는 정격 전압으로 강하시키기 위한 전원 회로(예, DC-DC 컨버터)가 각 슬레이브 컨트롤러에 마련되어야 한다.
본 발명은, 배터리 모듈의 모듈 전압을 배터리 컨트롤러의 기동에 요구되는 정격 전압으로 변환하는 전원 회로의 추가 없이도, 배터리 모듈 내의 특정 배터리 셀로부터 공급되는 전력에 의해 기동함으로써, 모듈 정보를 무선 전송할 수 있는 배터리 컨트롤러, 무선 배터리 제어 시스템 및 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 컨트롤러는, 양극 단자, 음극 단자 및 상기 양극 단자와 음극 단자 사이에 전기적으로 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 위한 것이다. 상기 배터리 컨트롤러는, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부에 동작 가능하게 결합되는 제어 모듈을 포함한다. 상기 제어 모듈은, 상기 복수의 배터리 셀 중 최하단 셀의 제1 셀 전압을 상기 제어 모듈의 동작 전원으로서 이용하여, 기동하도록 구성된다. 상기 제어 모듈은, 상기 제어 모듈의 기동 중, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 나타내는 센싱 데이터를 무선 전송하도록 구성된다.
상기 제어 모듈은, 상기 최하단 셀의 양극 단자에 전기적으로 연결된 전원 입력 단자; 및 상기 최하단 셀의 음극 단자에 전기적으로 연결된 기준 단자를 포함한다.
상기 배터리 컨트롤러는, 상기 최하단 셀의 상기 양극 단자와 상기 전원 입력 단자의 사이에 전기적으로 연결되는 보호 회로를 더 포함할 수 있다. 상기 보호 회로는, 상기 전원 입력 단자과 상기 기준 단자 간의 전압을 소정의 설정 전압 이하로 제한하도록 구성될 수 있다.
상기 보호 회로는, 상기 최하단 셀의 상기 양극 단자에 전기적으로 연결되는 제1 엔드 및 상기 전원 입력 단자에 전기적으로 연결되는 제2 엔드를 가지는 제너 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 배터리 컨트롤러는, 상기 복수의 배터리 셀 중 상기 최하단 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 직렬 셀 회로에 전기적으로 병렬 연결되는 밸런싱 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 제어 모듈은, 상기 직렬 셀 회로에 포함된 적어도 하나의 배터리 셀의 셀 전압을 기초로, 기준 셀 전압을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어 모듈은, 상기 기준 셀 전압이 상기 제1 셀 전압보다 큰 경우, 상기 밸런싱 회로에게 밸런싱 제어 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 상기 밸런싱 회로는, 상기 밸런싱 제어 신호에 응답하여, 상기 직렬 셀 회로를 위한 방전 경로를 형성하도록 구성된다.
상기 밸런싱 회로는, 방전 저항; 및 상기 방전 저항에 직렬로 연결된 방전 스위치를 포함할 수 있다. 상기 방전 스위치는, 상기 밸런싱 제어 신호에 응답하여, 턴 온된다.
상기 제어 모듈은, 상기 기준 셀 전압으로부터 상기 제1 셀 전압이 차감된 전압인 기준 전압차를 기초로, 상기 밸런싱 제어 신호의 듀티비를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어 모듈은, 하기의 수학식 1을 이용하여 상기 듀티비를 결정하도록 구성될 수 있다.
[수학식 1] DB_V = ΔV1 × C1
수학식 1에서, DB_V는 상기 듀티비, ΔV1는 상기 기준 전압차, C1는 소정의 스케일링 팩터다.
상기 배터리 컨트롤러는, 상기 최하단 셀의 상기 양극 단자로부터 상기 전원 입력 단자로 흐르는 전류를 나타내는 전류 신호를 생성하도록 구성되는 전류 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 제어 모듈은, 상기 전류 신호를 더 기초로, 상기 밸런싱 제어 신호의 듀티비를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어 모듈은, 상기 전류 신호를 기초로, 소정의 감시 기간마다, 상기 최하단 셀의 방전 용량을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어 모듈은, 하기의 수학식 2를 이용하여 상기 듀티비를 결정하도록 구성될 수 있다.
[수학식 2] DB_VI = (ΔV1 × C1)×W1 + (ΔQ × C2)×W2
수학식 2에서 DB_VI는 상기 듀티비, ΔV1는 상기 기준 전압차, C1는 소정의 제1 스케일링 팩터, ΔQ는 상기 방전 용량, C2는 소정의 제2 스케일링 팩터, W1은 소정의 제1 가중치, W2는 소정의 제2 가중치이다.
본 발명의 다른 측면에 따른 무선 배터리 제어 시스템은, 상기 배터리 컨트롤러를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상기 무선 배터리 제어 시스템을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 모듈의 양극 단자와 음극 단자 간에 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 위한 배터리 밸런싱 방법은, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하는 단계; 상기 복수의 배터리 셀 중, 상기 배터리 모듈을 위한 배터리 컨트롤러의 동작 전원으로 이용되는 최하단 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 직렬 셀 회로에 포함된 적어도 하나의 배터리 셀의 셀 전압을 기초로, 기준 셀 전압을 결정하는 단계; 상기 기준 셀 전압이 상기 최하단 셀의 제1 셀 전압보다 큰 경우, 상기 기준 셀 전압으로부터 상기 제1 셀 전압이 차감된 전압인 기준 전압차를 기초로, 제1 듀티비를 결정하는 단계; 및 상기 직렬 셀 회로에 병렬 연결된 밸런싱 회로의 방전 스위치에게, 상기 제1 듀티비를 가지는 밸런싱 제어 신호를 출력하는 단계를 포함한다.
상기 배터리 밸런싱 방법은, 상기 기준 셀 전압이 임계 셀 전압 미만인 경우, 상기 임계 셀 전압과 상기 기준 셀 전압 간의 차이 및 상기 제1 듀티비를 기초로, 상기 제1 듀티비보다 작은 제2 듀티비를 결정하는 단계; 및 상기 방전 스위치에게, 상기 제2 듀티비를 가지는 상기 밸런싱 제어 신호를 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리 모듈의 모듈 전압 대신, 배터리 모듈에 포함된 특정 배터리 셀(예, 최하단에 위치하는 배터리 셀)의 셀 전압을 배터리 컨트롤러의 동작 전원으로 이용할 수 있다. 따라서, 모듈 전압을 배터리 컨트롤러의 기동에 요구되는 정격 전압으로 변환하는 전원 회로의 추가 없이도, 배터리 컨트롤러의 기동이 가능하다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 마스터의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3는 본 발명의 제1 실시예에 따른 슬레이브의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 슬레이브의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 도 3의 제1 실시예에 따른 슬레이브를 이용하여 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 6은 도 4의 제2 실시예에 따른 슬레이브를 이용하여 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(10)은, 복수의 배터리 모듈(201~20n, n은 2 이상의 자연수임), 적어도 하나의 릴레이(Relay1, Relay2) 및 무선 배터리 제어 시스템(30)을 포함한다. 배터리 팩(10)은, 전력 시스템(1)(예, 전기 차량)에 탑재되어, 전력 시스템의 동작에 요구되는 전력을 공급할 수 있다.
배터리 모듈(201~20n) 각각은, 배터리 셀(211~21m, 도 3 참조)을 포함할 수 있다.
릴레이(Relay1)는, 배터리 팩(10)의 양극 단자(P+) 측의 대전류 경로에 설치될 수 있다. 릴레이(Relay2)는, 배터리 팩(10)의 음극 단자(P-) 측의 대전류 경로에 설치될 수 있다. 릴레이(Relay1) 및 릴레이(Relay2) 중 어느 하나는, 필요에 따라 배터리 팩(10)으로부터 제거될 수도 있다.
무선 배터리 제어 시스템(30)은, 복수의 컨트롤러(1001~100n) 및 컨트롤러(200)를 포함한다. 이하에서는, 복수의 배터리 컨트롤러(1001~100n) 각각을 '슬레이브'라고 칭하고, 컨트롤러(200)를 '마스터'라고 칭하기로 한다.
슬레이브(1001~100n)는, 배터리 모듈(201~20n)에 일대일로 전기적으로 연결된다.
i=1~n이라고 할 때, 슬레이브(100i)는, 배터리 모듈(20i)의 상태를 모니터링할 수 있도록, 배터리 모듈(20i)에 전기적으로 연결된다.
슬레이브(100i)는, 배터리 모듈(20i)의 상태와 관련된 모듈 파라미터를 측정하도록 구성된다. 예를 들어, 배터리 모듈(20i)의 모듈 전압, 배터리 모듈(20i)에 포함된 복수의 배터리 셀(211~21m) 각각의 셀 전압 등이 배터리 모듈(20i)의 모듈 파라미터로서 측정될 수 있다.
슬레이브(100i)는, 배터리 모듈(20i)의 상태를 제어하기 위한 각종 기능(예, 밸런싱)을 실행한다. 각 기능은, 배터리 모듈(20i)의 상태를 기초로 슬레이브(100i)에 의해 직접 실행하는 것이거나, 또는 마스터(200)로부터의 명령에 따라 실행하는 것일 수 있다.
마스터(200)는, 슬레이브(1001~100n) 각각에 무선 통신 가능하게 결합될 수 있다. 마스터(200)는, 슬레이브(1001~100n)으로부터 무선으로 전송되는 센싱 데이터를 수신한다. 또한, 마스터(200)는, 슬레이브(1001~100n)로부터의 센싱 데이터를 기초로, 슬레이브(1001~100n) 중 적어도 하나의 상태를 제어하기 위한 명령을 무선으로 전송한다.
도 2는 도 1에 도시된 마스터(200)의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 마스터(200)는, 릴레이 구동부(210), 통신부(220), 전원 공급부(230) 및 제어부(240)를 포함할 수 있다.
릴레이 구동부(210)는, 릴레이(Relay1, Relay2)를 제어하도록 구성된다. 릴레이 구동부(210)는, 릴레이 구동 회로(211, 212)를 포함할 수 있다. 릴레이 구동 회로(211)는, 제어부(240)로부터의 제1 명령에 대응하는 제1 듀티비를 가지는 스위칭 신호(S1)를 릴레이(Relay1)에게 출력함으로써, 릴레이(Relay1)를 턴 온 또는 턴 오프한다. 릴레이 구동 회로(212)는, 제어부(240)로부터의 제2 명령에 대응하는 제2 듀티비를 가지는 스위칭 신호(S2)를 릴레이(Relay2)에게 출력함으로써, 릴레이(Relay2)를 턴 온 또는 턴 오프한다.
통신부(220)는, 안테나(221), 무선 통신 회로(222) 및 유선 통신 회로(223)를 포함한다. 무선 통신 회로(222)는, 안테나(221) 및 유선 통신 회로(223) 각각과 동작 가능하게 연결된다. 무선 통신 회로(222)는, 안테나(221)를 통해 무선 수신된 신호를 복조할 수 있다. 무선 통신 회로(222)는, 슬레이브(100i)에게 전송하고자 하는 신호를 변조한 후, 변조된 신호를 안테나(222)를 통해 무선 전송할 수 있다. 안테나(221)는, 통신부(220)에 의해 변조된 신호에 대응하는 신호를 슬레이브(100i)에게 무선 전송할 수 있다.
유선 통신 회로(223)는, 외부 디바이스(2)와 양방향 통신 가능하도록 결합된다. 유선 통신 회로(223)는, 외부 디바이스(2)로부터 수신된 신호를 제어부(240)에게 유선으로 전송한다. 또한, 유선 통신 회로(223)는, 제어부(240)로부터 수신된 신호를 외부 디바이스(2)에게 유선으로 전송한다. 예를 들어, 유선 통신 회로(223)는, CAN(controller network area)을 이용하여 외부 디바이스(2)와 통신할 수 있다.
전원 공급부(230)는, 외부 전력원(3)(예, 전기 시스템(1)의 납축 배터리)으로부터 공급되는 전력을 이용하여, 동작 전압을 생성한다. 전원 공급부(230)에 의해 생성된 동작 전압은, 릴레이 구동부(210), 통신부(220) 및/또는 제어부(240)에게 공급될 수 있다.
제어부(240)는, 적어도 하나의 프로세서(241) 및 메모리(242)를 포함하고, 통신부(220)에 동작 가능하게 연결된다. 메모리(242)는, 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 메모리(242)는 DRAM, SDRAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등일 수 있다. 메모리(242)는 제어 모듈(120)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다. 메모리(242)에는 아이디 테이블이 기 저장되어 있을 수 있다. 아이디 테이블에는, 복수의 슬레이브(1001~100n)와 복수의 아이디 간의 대응 관계가 기록되어 있을 수 있다. 즉, 아이디 테이블은, 복수의 슬레이브(1001~100n)에게 서로 다른 값으로 기 할당된 복수의 아이디를 포함한다.
메모리(242)는, 제어부(240)로부터 물리적으로 분리되어 있을 수도 있고, 반도체 칩 등에 제어부(240)와 일체로 집적화되어 있을 수도 있다.
제어부(240)는, 마스터(200)의 전반적인 동작을 제어하도록 구성된다. 또한, 제어부(240)는, 안테나(221)를 통해 무선 수신되는 슬레이브(1001~100n) 각각의 모듈 파라미터를 기초로, 배터리 모듈(201~20n) 각각의 SOC(State Of Charge) 및/또는 SOH(State Of Health)를 결정할 수 있다. 또한, 제어부(240)는, 배터리 모듈(201~20n) 각각의 SOC 및/또는 SOH를 기초로, 배터리 모듈(201~20n) 중 적어도 하나의 충전, 방전 및/또는 밸런싱을 제어하기 위한 메시지를 생성한다. 제어부(240)에 의해 생성된 메시지는, 상기 메시지를 이용하여 제어하고자 하는 배터리 모듈(예, 20i)에 대응하는 슬레이브(예, 100i)에게 전송할 수 있다.
프로세서(241)는, 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 프로세서(241)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 슬레이브의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 슬레이브(100i)는, 배터리 모듈(20i)에 전기적으로 연결된다.
배터리 모듈(20i)은, 복수의 배터리 셀(211~21m, m은 2 이상의 자연수)을 포함한다. 배터리 셀(211~21m) 각각은, 예컨대 리튬 이온 셀일 수 있다. 물론, 배터리 셀의 종류가 리튬 이온 배터리에 한정되는 것은 아니며, 반복적인 충방전이 가능한 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 배터리 셀(211~21m)은, 노드(NN)와 노드(NP) 사이에 전기적으로 직렬 연결된다. 노드(NN)는, 배터리 모듈(20i)의 음극 단자일 수 있다. 노드(NP)는, 배터리 모듈(20i)의 양극 단자일 수 있다. 배터리 셀(211~21m) 각각은, 예컨대 3.0~4.5V 범위의 셀 전압을 가질 수 있다.
1 ≤ x < y ≤ m라고 할 때, 배터리 셀(21x)은 배터리 셀(21y)보다 노드(NN)로부터는 전기적으로 가깝고 노드(NP)로부터는 전기적으로 멀리 위치한다. 즉, 배터리 셀(21x)의 음극 단자(또는 양극 단자)와 노드(NN) 간의 전압은 배터리 셀(21y)의 음극 단자(또는 양극 단자)와 노드(NN) 간의 전압보다 작다. 배터리 셀(21x)의 음극 단자(또는 양극 단자)와 노드(NP) 간의 전압은 배터리 셀(21y)의 음극 단자(또는 양극 단자)와 노드(NP) 간의 전압보다 크다. 배터리 셀(211)을 배터리 모듈(20i)의 '최하단 셀(또는 제1 배터리 셀)'이라고 칭할 수 있다. 배터리 셀(21m)은, 배터리 모듈(20i)의 '최상단 셀'이라고 칭할 수 있다.
슬레이브(100i)는, 안테나(101), 전압 측정부(110) 및 제어 모듈(120)을 포함한다. 슬레이브(100i)는, 보호 회로(150) 및 밸런싱 회로(160) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
전압 측정부(110)는, 배터리 모듈(20i)에 포함된 배터리 셀(211~21m) 각각의 셀 전압을 측정하도록 구성된다. 이를 위해, 전압 측정부는(110)는, 복수의 센싱 라인을 통해 배터리 셀(211~21m) 각각의 양극 단자와 음극 단자에 전기적으로 연결될 수 있다.
전압 측정부는(110), 배터리 모듈(20i)의 모듈 전압을 측정할 수 있다. 상기 모듈 전압은, 노드(NN)와 노드(NP) 간의 전압일 수 있다.
제어 모듈(120)은, 'RF-SoC'라고 칭할 수도 있으며, 전원 입력 단자(VDD), 기준 단자(GND), 무선 통신 회로(130) 및 프로세서(140)를 포함한다.
전원 입력 단자(VDD)는, 최하단 셀인 배터리 셀(211)의 양극 단자에 전기적으로 연결된다.
기준 단자(GND)는, 노드(NN)에 전기적으로 연결된다. 전원 입력 단자(VDD)와 기준 단자(GND) 간의 전압 즉, 배터리 셀(211)의 셀 전압이 제어 모듈(120)의 동작 전원으로서 제공된다.
보호 회로(150)는, 배터리 셀(211)의 양극 단자와 전원 입력 단자(VDD)의 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 보호 회로(150)는, 배터리 셀(211)의 양극 단자와 전원 입력 단자(VDD)를 연결하는 전기 라인에 전기적으로 연결될 수 있다.
보호 회로(150)는, 전원 입력 단자(VDD)에 인가되는 전압의 최대치를 소정의 설정 전압(예, 3.6V)으로 제한하도록 구성된다. 예를 들어, 배터리 셀(211)의 셀 전압이 설정 전압 이하인 경우, 배터리 셀(211)의 셀 전압은 보호 회로(150)를 통해 전원 입력 단자(VDD)에 그대로 인가될 수 있다. 반면, 배터리 셀(211)의 셀 전압이 설정 전압보다 큰 경우, 배터리 셀(211)의 셀 전압 대신, 설정 전압이 보호 회로(150)를 통해 전원 입력 단자(VDD)에 인가될 수 있다.
보호 회로(150)는, 제1 엔드 및 제2 엔드를 포함하는 제너 다이오드를 포함할 수 있다. 제너 다이오드의 제1 엔드(예, 캐소드)는 배터리 셀(211)의 양극 단자에 전기적으로 연결되고, 제너 다이오드의 제2 엔드(예, 애노드)는 전원 입력 단자(VDD)에 전기적으로 연결될 수 있다. 전원 입력 단자(VDD)와 기준 단자(GND) 간의 전압은 제너 다이오드의 항복 전압(예, 1.0)에 의해 설정 전압 이하로 제한될 수 있다.
대안적으로, 제너 다이오드의 제1 엔드는 전원 입력 단자(VDD)에 전기적으로 연결되고, 제너 다이오드의 제2 엔드는 기준 단자(GND)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 제너 다이오드의 항복 전압(예, 3.6V)은, 설정 전압 이하일 수 있다.
무선 통신 회로(130)는, 안테나(101)에 전기적으로 연결된다. 무선 통신 회로(130)는, 안테나(101)에 의해 수신된 무선 신호를 복조한다. 무선 통신 회로(130)는, 프로세서(140)로부터의 신호를 변조하고, 변조된 신호를 안테나(101)에게 제공할 수 있다. 안테나(101)는, 변조된 신호를 마스터(200)에게 무선 전송할 수 있다.
프로세서(140)는, 전압 측정부(110) 및 무선 통신 회로(130)에 동작 가능하게 결합되고, 메모리(141)를 포함할 수 있다.
메모리(141)는, 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 메모리(141)는, DRAM, SDRAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등일 수 있다. 메모리(141)는, 프로세서(140)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다. 메모리(141)에는 슬레이브(100i)에게 기 할당된 아이디가 저장되어 있다. 메모리(141)에 기 저장된 아이디는, 슬레이브(100i)가 마스터(200)와의 무선 통신을 수행하는 데에 이용될 수 있다. 메모리(141)는 프로세서(140)와 물리적으로 분리되어 있을 수도 있고, 칩 등에 프로세서(140)와 일체로 집적화되어 있을 수도 있다.
프로세서(140)는, 전압 측정부(110)로부터의 전압 신호를 나타내는 데이터를 무선 통신 회로(130)에게 제공한다. 상기 전압 신호는, 전압 측정부(110)에 의해 측정된 배터리 셀(211~21m) 각각의 셀 전압을 나타내는 것이다. 무선 통신 회로(130)는, 상기 전압 신호를 나타내는 데이터를 변조한 다음, 변조된 데이터를 상기 센싱 데이터로서 안테나(101)를 통해 마스터(200)에게 무선 전송할 수 있다.
프로세서(140)는, 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 제어 모듈(120)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
앞서 설명된 바와 같이, 배터리 모듈(20i)에 있어서, 배터리 셀(211~21m) 중 배터리 셀(211)만이 제어 모듈(120)의 동작 전원으로서 이용되기 때문에, 배터리 셀(211)과 나머지 배터리 셀(212~21m)은, SOC에 있어서 큰 차이가 발생할 수 있다. 밸런싱 회로(160)는, 배터리 셀(212~21m)과 배터리 셀(211) 간의 SOC 밸런싱을 위해, 배터리 셀(211)이 제외된 배터리 셀(212~21m)을 위한 방전 경로를 선택적으로 형성하도록 구성된다.
밸런싱 회로(160)는, 배터리 셀(212~21m)에 전기적으로 병렬 연결된다. 즉, 밸런싱 회로(160)는, 배터리 셀(211~21m) 중에서, 배터리 셀(211)을 제외한 나머지 배터리 셀(212~21m)의 직렬 셀 회로에 전기적으로 병렬 연결된다. 예를 들어, 밸런싱 회로(160)의 제1 엔드는 배터리 셀(212)의 음극 단자에 전기적으로 연결되고, 밸런싱 회로(160)의 제1 엔드는 배터리 셀(21m)의 양극 단자에 전기적으로 연결될 수 있다.
밸런싱 회로(160)는, 방전 저항(R) 및 방전 스위치(SW)를 포함한다. 방전 저항(R) 및 방전 스위치(SW)는 서로 전기적으로 직렬 연결된다. 즉, 밸런싱 회로(160)는, 방전 저항(R) 및 방전 스위치(SW)의 직렬 회로이다.
방전 스위치(SW)는, 프로세서(140)로부터의 밸런싱 제어 신호(SB)에 의해 온오프 제어될 수 있다. 예를 들어, 방전 스위치(SW)는, 밸런싱 제어 신호(SB)가 소정의 하이 레벨 전압을 가지는 것에 응답하여, 턴 온될 수 있다. 반면, 방전 스위치(SW)는, 밸런싱 제어 신호(SB)가 로우 레벨 전압을 가지는 것에 응답하여, 턴 오프될 수 있다. 밸런싱 제어 신호(SB)는, PWM(Pulse Width Modulation) 신호일 수 있다. 방전 스위치(SW)가 턴 온되어 있는 동안, 배터리 셀(212~21m)의 전기 에너지가 방전 저항(R)에 의해 소모됨으로써, 배터리 셀(212~21m) 각각의 SOC가 점차적으로 저하된다.
프로세서(140)는, 배터리 셀(212~21m) 중 적어도 하나의 셀 전압을 기초로, 기준 셀 전압을 결정한다. 일 예로, 기준 셀 전압은, 배터리 셀(212~21m) 중 어느 한 배터리 셀(예, 212)의 셀 전압과 동일할 수 있다. 다른 예로, 기준 셀 전압은, 배터리 셀(212~21m) 중 적어도 두 배터리 셀의 평균 셀 전압일 수 있다.
그 다음, 프로세서(140)는, 기준 셀 전압과 배터리 셀(211)의 셀 전압 간의 차이인 기준 전압차를 기초로, 밸런싱 제어 신호(SB)의 듀티비를 제어한다. 듀티비는, 밸런싱 제어 신호(SB)의 한 주기의 시간 길이에 대한 펄스가 ON-상태(예, 상기 하이 레벨 전압)를 가지는 시간의 비율을 나타낸다. 예를 들어, 한 주기가 0.01초이고, ON-상태를 가지는 시간이 0.005초인 경우, 밸런싱 제어 신호(SB)의 듀티비는 0.5(또는 50%)이다. 밸런싱 제어 신호(SB)의 듀티비가 커질수록 배터리 셀(212~21m)의 방전이 신속하게 진행된다.
프로세서(140)는, 기준 전압차가 클수록, 밸런싱 제어 신호(SB)의 듀티비를 증가시킬 수 있다. 프로세서(140)는, 기준 셀 전압이 배터리 셀(211)의 셀 전압보다 큰 경우, 기준 전압차가 작을수록, 밸런싱 제어 신호(SB)의 듀티비를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 기준 전압차와 밸런싱 제어 신호(SB)의 듀티비 간의 관계는 다음의 수학식 1로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
DB_V = ΔV1 × C1
DB_V는 밸런싱 제어 신호(SB)의 듀티비이고, ΔV1는 기준 전압차, C1는 소정의 스케일링 팩터를 나타낸다. 기준 전압차는, 제어 모듈(120)의 동작 중, 소정의 감시 기간(예, 1.0초)마다 주기적으로 결정될 수 있다. 또한, 기준 전압차에 기초하여 밸런싱 제어 신호(SB)의 듀티비를 결정하는 동작 역시 소정의 감시 기간마다 반복될 수 있다.
이에 따르면, 프로세서(140)는, 제어 모듈(120)에 의해 배터리 셀(211)로부터 소모되는 전력량이 증가하여 배터리 셀(211)의 SOC가 빠르게 감소하는 동안에는, 밸런싱 제어 신호(SB)의 듀티비를 증가시킴으로써, 배터리 셀(212~21m)와 배터리 셀(211) 간의 SOC 편차를 밸런싱(억제)할 수 있다. 반면, 프로세서(140)는, 제어 모듈(120)의 전력 소모가 낮아서 배터리 셀(211)의 SOC가 느리게 감소하는 동안에는, 밸런싱 제어 신호(SB)의 듀티비를 점차적으로 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 슬레이브의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 제2 실시예에 따른 슬레이브(100)에 대하여는, 제1 실시예(도 3 참조)와의 공통점에 대한 반복 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
제2 실시예의 슬레이브(100)는, 전류 센서(170)를 더 포함하고, 전류 센서(170)에 의해 측정되는 전류를 기초로 밸런싱 제어 신호(SB)의 듀티비를 제어한다는 점에서, 제1 실시예와 다르다.
도 4를 참조하면, 전류 센서(170)는, 배터리 셀(211)과 제어 모듈(120) 사이의 전력 공급 경로에 설치된다. 즉, 전류 센서(170)는, 배터리 셀(211)의 양극 단자와 전원 입력 단자(VDD)를 연결하는 전기 라인 또는 배터리 셀(211)의 음극 단자와 기준 단자(GND)를 연결하는 전기 라인에 위치할 수 있다. 예를 들어, 전류 센서(170)는, 배터리 셀(211)의 양극 단자와 보호 회로(150)의 제1 엔드 간의 전류 경로에 위치할 수 있다.
전류 센서(170)는, 배터리 셀(211)과 제어 모듈(120) 사이의 전력 공급 경로를 통해 흐르는 전류를 측정하고, 측정된 전류를 나타내는 전류 신호를 생성한다. 전류 센서(170)는, 션트 저항 또는 홀 효과 센서를 포함할 수 있다.
프로세서(140)는, 전류 센서(170)에 동작 가능하게 결합된다. 프로세서(140)는, 전류 센서(170)로부터의 전류 신호를 기초로, 밸런싱 제어 신호(SB)의 듀티비를 제어할 수 있다.
구체적으로, 프로세서(140)는, 전류 신호를 기초로, 소정의 감시 기간(예, 1.0초)마다, 제어 모듈(120)의 동작 전원으로서 소모된 배터리 셀(211)의 방전 용량을 결정한다. 어느 감시 기간의 방전 용량은, 해당 감시 기간 동안, 전류 센서(170)에 의해 단위 시간(예, 0.0001초)마다 측정된 전류의 적산치일 수 있다. 프로세서(140)은, 가장 최근의 감시 기간의 방전 용량을 기초로, 다음 감시 기간을 위한 밸런싱 제어 신호(SB)의 듀티비를 결정할 수 있다. 예를 들어, 전회의 감시 기간의 방전 용량이 클수록, 다음 회의 감시 기간을 위한 밸런싱 제어 신호(SB)의 듀티비는 증가할 수 있다. 전회의 감시 기간의 방전 용량과 다음 회의 감시 기간의 듀티비 간의 관계는 다음의 수학식 2으로 표현될 수 있다.
[수학식 2]
DB_I = ΔQ × C2
수학식 2에서, DB_I는 다음 회의 감시 기간의 밸런싱 제어 신호(SB)의 듀티비이고, ΔQ는 전회의 감시 기간의 방전 용량, C2는 소정의 스케일링 팩터를 나타낸다.
가령 C2=0.03%/mAh라고 해보자. 그러면, 수학식 2에 따르면, 제1 감시 기간의 ΔQ=100mAh인 경우에는, 제1 감시 기간 다음의 제2 감시 기간 동안에는 듀티비가 3.0%로 유지된다. 또한, 제2 감시 기간의 ΔQ=90mAh인 경우에는, 제2 감시 기간 다음의 제3 감시 기간 동안에는 듀티비가 2.7%로 유지된다. 또한, 제3 감시 기간의 ΔQ=120mAh인 경우에는, 제3 감시 기간 다음의 제4 감시 기간 동안에는 듀티비가 3.6%로 유지된다.
대안적으로, 프로세서(140)는, 기준 전압차와 전회의 감시 기간의 방전 용량을 기초로, 다음 회의 감시 기간의 듀티비를 결정할 수 있다. 기준 전압차, 전회의 방전 용량 및 다음 회의 듀티비 간의 관계는 다음의 수학식 3으로 표현될 수 있다. 수학식 3은, 수학식 1과 수학식 2를 조합한 것이다.
[수학식 3]
DB_VI = (ΔV1 × C1)×W1 + (ΔQ × C2)×W2
W1과 W2는 서로 동일 또는 상이한 양의 값을 가지는 소정의 가중치이다. 예컨대, W2=1-W1일 수 있다. 가령, ΔV1=10mV, C1=0.2 [%/mV], C2=0.03 [%/mAh], W1=0.5, W2=0.5라고 해보자. 수학식 3에 따르면, ΔQ=100mAh인 경우에는 다음 감시 기간 동안 듀티비가 2.5%로 유지되고, ΔQ=200mAh인 경우에는 다음 감시 기간 동안 듀티비가 4.0%로 유지될 수 있다.
제1 실시예 및 제2 실시예 중 적어도 하나에서, 프로세서(140)는, 기준 셀 전압이 배터리 셀(211)의 셀 전압과 같거나 더 작은 경우(즉, 기준 전압차≤0V)에는, 밸런싱 제어 신호(SB)의 듀티비를 0으로 설정할 수 있다. 듀티비가 0인 동안, 방전 스위치(SW)는 오프 상태를 유지한다.
도 5는 도 3의 제1 실시예에 따른 슬레이브를 이용하여 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 5의 방법은, 슬레이브(100i)에 대응하는 제어 모듈(120)이 기동하는 동안 소정의 감시 기간마다 반복될 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 단계 S510에서, 프로세서(140)는, 전압 측정부(110)를 이용하여, 배터리 모듈(20i)에 포함된 복수의 배터리 셀(211~21m) 각각의 셀 전압을 측정한다.
단계 S520에서, 프로세서(140)는, 기준 전압차를 결정한다. 기준 전압차는, 기준 셀 전압으로부터 제1 배터리 셀(211)의 제1 셀 전압을 차감한 것이다. 기준 셀 전압은, 배터리 셀(211)을 제외한 나머지 배터리 셀(212~21m) 중, 어느 하나(예, 212)의 셀 전압 또는 둘 이상의 평균 셀 전압일 수 있다.
단계 S525에서, 프로세서(140)는, 기준 전압차가 0V보다 큰지 판정한다. 단계 S525의 값이 "예"인 경우, 단계 S530이 진행된다. 단계 S525의 값이 "아니오"인 경우, 상기 방법은 종료될 수 있으며, 듀티비는 0으로 설정된다.
단계 S530에서, 프로세서(140)는, 기준 전압차를 기초로, 제1 듀티비를 결정한다(수학식 1 참조).
단계 S540에서, 프로세서(140)는, 기준 셀 전압이 소정의 임계 셀 전압 이상인지 여부를 판정한다. 임계 셀 전압은, 소정의 SOC(예, 20%)에 대응하는 소정의 전압(예, 3.8V)일 수 있다. 단계 S540의 값이 "예"인 것은, 제2 내지 제m 배터리 셀(212~21m)이 충분히 충전되어 있는 상태임을 나타낸다. 단계 S540의 값이 "예"인 경우, 단계 S550이 진행된다. 단계 S540의 값이 "아니오"인 것은, 제2 내지 제m 배터리 셀(212~21m) 중 적어도 하나가 과방전될 우려가 있는 상태임을 나타낸다. 단계 S540의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S560이 진행된다.
단계 S550에서, 프로세서(140)는, 제1 듀티비를 가지는 밸런싱 제어 신호(SB)를 방전 스위치(SW)에게 출력한다.
단계 S560에서, 프로세서(140)는, 임계 셀 전압과 기준 셀 전압 간의 차이 및 제1 듀티비를 기초로, 제2 듀티비를 결정한다. 제2 듀티비는, 제1 듀티비보다 작다. 프로세서(140)는, 다음의 수학식 4를 이용하여, 제2 듀티비를 결정할 수 있다.
[수학식 4]
DB_V_L = DB_V /(ΔV2 ×C3)
수학식 4에서, DB_V는 제1 듀티비, ΔV2는 임계 셀 전압과 기준 셀 전압 간의 차이(즉, 임계 셀 전압 - 기준 셀 전압), C3는 소정의 스케일링 팩터, DB_V_L는 제2 듀티비를 나타낸다. C3는, (ΔV2 ×C3)가 1보다 크도록, 미리 정해진 양의 값일 수 있다. 예컨대, 셀 전압 측정을 위해 전압 측정부(110) 또는 프로세서(140)에 내장된 ADC(Analog to Digital Converter)의 전압 분해능(voltage resolution)이 1/4096 V인 경우, C3는 4096 [1/V] 이상으로 미리 정해질 수 있다. 수학식 4로부터, ΔV2와 DB_V_L는 반비례 관계를 가짐을 알 수 있다.
단계 S570에서, 프로세서(140)는, 제2 듀티비를 가지는 밸런싱 제어 신호(SB)를 방전 스위치(SW)에게 출력한다. 이 경우, 밸런싱 제어 신호(SB)가 제1 듀티비를 가지는 경우에 비하여, 제2 내지 제m 배터리 셀(212~21m)을 과방전으로부터 보호할 수 있다.
도 5의 방법에 있어서, 단계 S540, S560 및 S570은 생략될 수 있다.
도 6은 도 4의 제2 실시예에 따른 슬레이브를 이용하여 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 6의 방법은, 슬레이브(100i)에 대응하는 제어 모듈(120)이 기동하는 동안 소정의 감시 기간마다 반복될 수 있다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 단계 S610에서, 프로세서(140)는, 전압 측정부(110)를 이용하여, 배터리 모듈(20i)에 포함된 복수의 배터리 셀(211~21m) 각각의 셀 전압을 측정한다.
단계 S620에서, 프로세서(140)는, 기준 전압차를 결정한다. 기준 전압차는, 기준 셀 전압으로부터 제1 배터리 셀(211)의 제1 셀 전압을 차감한 것이다. 기준 셀 전압은, 배터리 셀(211)을 제외한 나머지 배터리 셀(212~21m) 중, 어느 하나(예, 212)의 셀 전압 또는 둘 이상의 평균 셀 전압일 수 있다.
단계 S625에서, 프로세서(140)는, 기준 전압차가 0V보다 큰지 판정한다. 단계 S625의 값이 "예"인 경우, 단계 S630이 진행된다. 단계 S625의 값이 "아니오"인 경우, 상기 방법은 종료될 수 있으며, 듀티비는 0으로 설정된다.
단계 S630에서, 프로세서(140)는, 기준 전압차 및 전회의 방전 용량을 기초로, 제3 듀티비를 결정한다(수학식 3 참조). 전회의 방전 용량은, 전회의 감시 기간에 걸쳐 전류 센서(170)를 통해 흐른 전류의 적산치를 나타낼 수 있다. 제어 모듈(120)의 기동이 시작된 시점으로부터 감시 기간이 1회 경과되기 전인 경우에는, 단계 S620의 방전 용량을 소정의 초기값(예, 0 mAh)으로 설정할 수 있다.
단계 S640에서, 프로세서(140)는, 기준 셀 전압이 소정의 임계 셀 전압 이상인지 여부를 판정한다. 임계 셀 전압은, 소정의 SOC(예, 20%)에 대응하는 소정의 전압(예, 3.8V)일 수 있다. 단계 S640의 값이 "예"인 것은, 제2 내지 제m 배터리 셀(212~21m)이 충분히 충전되어 있는 상태임을 나타낸다. 단계 S640의 값이 "예"인 경우, 단계 S650이 진행된다. 단계 S640의 값이 "아니오"인 것은, 제2 내지 제m 배터리 셀(212~21m) 중 적어도 하나가 과방전될 우려가 있는 상태임을 나타낸다. 단계 S640의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S660이 진행된다.
단계 S650에서, 프로세서(140)는, 제3 듀티비를 가지는 밸런싱 제어 신호(SB)를 방전 스위치(SW)에게 출력한다.
단계 S660에서, 프로세서(140)는, 임계 셀 전압과 기준 셀 전압 간의 차이 및 제3 듀티비를 기초로, 제4 듀티비를 결정한다. 제4 듀티비는, 제3 듀티비보다 작다. 프로세서(140)는, 다음의 수학식 5를 이용하여, 제4 듀티비를 결정할 수 있다.
[수학식 5]
DB_VI_L = DB_VI /(ΔV2 ×C4)
수학식 5에서, DB_VI는 제3 듀티비, ΔV2는 임계 셀 전압과 기준 셀 전압 간의 차이, C4는 소정의 스케일링 팩터, DB_VI_L는 제4 듀티비를 나타낸다. C4는, (ΔV2 ×C4)가 1보다 크도록, 미리 정해진 양의 값일 수 있다. 예컨대, 셀 전압 측정을 위해 전압 측정부(110) 또는 프로세서(140)에 내장된 ADC(Analog to Digital Converter)의 전압 분해능(voltage resolution)이 1/4096 V인 경우, C4는 4096 [1/V] 이상으로 미리 정해질 수 있다. 수학식 5로부터, ΔV2와 DB_VI_L는 반비례 관계를 가짐을 알 수 있다.
단계 S670에서, 프로세서(140)는, 제4 듀티비를 가지는 밸런싱 제어 신호(SB)를 방전 스위치(SW)에게 출력한다. 이 경우, 밸런싱 제어 신호(SB)가 제3 듀티비를 가지는 경우에 비하여, 제2 내지 제m 배터리 셀(212~21m)을 과방전으로부터 보호할 수 있다.
도 6의 방법에 있어서, 단계 S640, S660 및 S670은 생략될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치를 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
10: 배터리 팩
20: 배터리 모듈
21: 배터리 셀
30: 무선 배터리 제어 시스템
100: 배터리 컨트롤러
200: 마스터 컨트롤러

Claims (15)

  1. 양극 단자, 음극 단자 및 상기 양극 단자와 음극 단자 사이에 전기적으로 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 위한 배터리 컨트롤러에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 측정부; 및
    상기 전압 측정부에 동작 가능하게 결합되는 제어 모듈을 포함하고,
    상기 제어 모듈은,
    상기 복수의 배터리 셀 중 최하단 셀의 제1 셀 전압을 상기 제어 모듈의 동작 전원으로서 이용하여, 기동하도록 구성되고,
    상기 제어 모듈의 기동 중, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 나타내는 센싱 데이터를 무선 전송하도록 구성되는 배터리 컨트롤러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 최하단 셀의 양극 단자에 전기적으로 연결된 전원 입력 단자; 및
    상기 최하단 셀의 음극 단자에 전기적으로 연결된 기준 단자를 포함하는 배터리 컨트롤러.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 최하단 셀의 상기 양극 단자와 상기 전원 입력 단자의 사이에 전기적으로 연결되는 보호 회로를 더 포함하되,
    상기 보호 회로는,
    상기 전원 입력 단자과 상기 기준 단자 간의 전압을 소정의 설정 전압 이하로 제한하도록 구성되는 배터리 컨트롤러.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보호 회로는,
    상기 최하단 셀의 상기 양극 단자에 전기적으로 연결되는 제1 엔드 및 상기 전원 입력 단자에 전기적으로 연결되는 제2 엔드를 가지는 제너 다이오드를 포함하는 배터리 컨트롤러.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 중 상기 최하단 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 직렬 셀 회로에 전기적으로 병렬 연결되는 밸런싱 회로를 더 포함하는 배터리 컨트롤러.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 직렬 셀 회로에 포함된 적어도 하나의 배터리 셀의 셀 전압을 기초로, 기준 셀 전압을 결정하고,
    상기 기준 셀 전압이 상기 제1 셀 전압보다 큰 경우, 상기 밸런싱 회로에게 밸런싱 제어 신호를 출력하도록 구성되고,
    상기 밸런싱 회로는,
    상기 밸런싱 제어 신호에 응답하여, 상기 직렬 셀 회로를 위한 방전 경로를 형성하도록 구성되는 배터리 컨트롤러.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 밸런싱 회로는,
    방전 저항; 및
    상기 방전 저항에 직렬로 연결된 방전 스위치를 포함하고,
    상기 방전 스위치는,
    상기 밸런싱 제어 신호에 응답하여, 턴 온되는 배터리 컨트롤러.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 기준 셀 전압으로부터 상기 제1 셀 전압이 차감된 전압인 기준 전압차를 기초로, 상기 밸런싱 제어 신호의 듀티비를 결정하도록 구성되는 배터리 컨트롤러.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    하기의 수학식 1을 이용하여 상기 듀티비를 결정하도록 구성되되,
    [수학식 1]
    DB_V = ΔV1 × C1
    DB_V는 상기 듀티비, ΔV1는 상기 기준 전압차, C1는 소정의 스케일링 팩터인 배터리 컨트롤러.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 최하단 셀의 상기 양극 단자로부터 상기 전원 입력 단자로 흐르는 전류를 나타내는 전류 신호를 생성하도록 구성되는 전류 센서를 더 포함하고,
    상기 제어 모듈은,
    상기 전류 신호를 더 기초로, 상기 밸런싱 제어 신호의 듀티비를 결정하도록 구성되는 배터리 컨트롤러.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 전류 신호를 기초로, 소정의 감시 기간마다, 상기 최하단 셀의 방전 용량을 결정하도록 구성되고,
    하기의 수학식 2를 이용하여 상기 듀티비를 결정하도록 구성되되,
    [수학식 2]
    DB_VI = (ΔV1 × C1)×W1 + (ΔQ × C2)×W2
    DB_VI는 상기 듀티비, ΔV1는 상기 기준 전압차, C1는 소정의 제1 스케일링 팩터, ΔQ는 상기 방전 용량, C2는 소정의 제2 스케일링 팩터, W1은 소정의 제1 가중치, W2는 소정의 제2 가중치인 배터리 컨트롤러.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 컨트롤러를 포함하는 무선 배터리 제어 시스템.
  13. 제12항에 따른 상기 무선 배터리 제어 시스템을 포함하는 배터리 팩.
  14. 배터리 모듈의 양극 단자와 음극 단자 간에 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 위한 배터리 밸런싱 방법에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하는 단계;
    상기 복수의 배터리 셀 중, 상기 배터리 모듈을 위한 배터리 컨트롤러의 동작 전원으로 이용되는 최하단 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 직렬 셀 회로에 포함된 적어도 하나의 배터리 셀의 셀 전압을 기초로, 기준 셀 전압을 결정하는 단계;
    상기 기준 셀 전압이 상기 최하단 셀의 제1 셀 전압보다 큰 경우, 상기 기준 셀 전압으로부터 상기 제1 셀 전압이 차감된 전압인 기준 전압차를 기초로, 제1 듀티비를 결정하는 단계; 및
    상기 직렬 셀 회로에 병렬 연결된 밸런싱 회로의 방전 스위치에게, 상기 제1 듀티비를 가지는 밸런싱 제어 신호를 출력하는 단계를 포함하는 배터리 밸런싱 방법.
  15. 제14에 있어서,
    상기 기준 셀 전압이 임계 셀 전압 미만인 경우, 상기 임계 셀 전압과 상기 기준 셀 전압 간의 차이 및 상기 제1 듀티비를 기초로, 상기 제1 듀티비보다 작은 제2 듀티비를 결정하는 단계; 및
    상기 방전 스위치에게, 상기 제2 듀티비를 가지는 상기 밸런싱 제어 신호를 출력하는 단계를 더 포함하는 배터리 밸런싱 방법.
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