KR20210007254A - 배터리 시스템 및 배터리 밸런싱 방법 - Google Patents

배터리 시스템 및 배터리 밸런싱 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 시스템은, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 셀 모듈, 상기 복수의 배터리 셀 모듈 각각의 전압에 기초하여 밸런싱이 필요한 배터리 셀 모듈을 밸런싱 배터리 셀 모듈로 결정하고, 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈에 대한 밸런싱을 제어하는 배터리 관리 시스템 상기 복수의 배터리 셀 모듈에 연결되어 있는 복수의 무선 충전부 및 상기 배터리 관리 시스템의 제어에 따라 상기 복수의 무선 충전부를 동작시켜 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈에 전달되는 전력을 제어하는 무선 충전 제어부를 포함한다.

Description

배터리 시스템 및 배터리 밸런싱 방법{BATTERY SYSTEM AND BATTERY BALANCING METHOD}
본 개시는 배터리 시스템 및 배터리 밸런싱 방법에 관한 것이다.
배터리 셀 밸런싱(Cell Balancing)은 직렬 연결된 복수의 셀의 충방전 전압 거동 중 발생하는 복수의 셀 간의 전압차를 줄이기 위한 방법이다. 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 'BMS'라 함)에 복수의 셀을 방전할 수 있는 회로를 구현하고, 상대적으로 전압이 높은 셀을 선별하고 일정 기간 동안 방전하여 낮은 전압 셀과의 전압 차를 감소시킨다. 이와 같은 패시브 셀 밸런싱(passive cell balancing) 방식의 경우, 전류 조정을 위해 사용되는 저항에서 발생하는 열 대문에 방전 전류에 제한이 있다.
패시브 셀 밸런싱 방식과 달리 셀 밸런싱 대상 셀의 에너지를 다른 셀로 충전시키는 액티브 셀 밸런싱(active cell balancing) 방식도 있다. 다만, 액티브 셀 밸런싱 방식을 위한 추가되어야 하는 주변부품 및 제어해야 할 항목이 많아 실제 적용이 어려운 문제점이 있다.
배터리 셀 또는 배터리 셀 모듈에 대해서 액티브 셀 밸런싱을 수행할 수 있는 배터리 시스템 및 배터리 밸런싱 방법을 제공하고자 한다.
발명의 한 특징에 따른 배터리 시스템은, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 셀 모듈, 상기 복수의 배터리 셀 모듈 각각의 전압에 기초하여 밸런싱이 필요한 배터리 셀 모듈을 밸런싱 배터리 셀 모듈로 결정하고, 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈에 대한 밸런싱을 제어하는 배터리 관리 시스템 상기 복수의 배터리 셀 모듈에 연결되어 있는 복수의 무선 충전부 및 상기 배터리 관리 시스템의 제어에 따라 상기 복수의 무선 충전부를 동작시켜 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈에 전달되는 전력을 제어하는 무선 충전 제어부를 포함한다.
상기 배터리 시스템은, 상기 복수의 무선 충전부 각각에 대응하고, 외부 전원에 연결되어 있는 복수의 무선 전력 공급부를 더 포함하고, 상기 복수의 무선 전력 공급부 중 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈에 연결된 제1 무선 충전부에 대응하는 제1 무선 전력 공급부는 상기 무선 충전 제어부의 제어에 따라 상기 제1 무선 충전부에 전력을 전달할 수 있다.
상기 외부 전원은 백업 배터리이고, 상기 복수의 배터리 셀 모듈 중 소정의 기준 전압 보다 높은 고전압 배터리 셀 모듈에 의해 상기 백업 배터리가 충전될 수 있다.
상기 복수의 무선 충전부 중 상기 고전압 배터리 셀 모듈에 연결된 제1 무선 충전부로부터 상기 복수의 무선 전력 공급부 중 상기 제1 무선 충전부에 대응하는 제1 무선 전력 공급부로 전력이 전달되고, 상기 제1 무선 전력 공급부가 상기 백업 배터리를 충전할 수 있다.
상기 복수의 무선 충전부는 복수의 제1 코일을 포함하고, 상기 복수의 무선 전력 공급부는 복수의 제2 코일을 포함하며, 상기 제1 무선 전력 공급부의 제2 코일에 저장된 에너지가 상기 제1 무선 충전부의 제1 코일로 전달될 수 있다.
상기 복수의 무선 충전부는, 상기 무선 충전 제어부의 제어에 따라 인접하는 두 무선 충전부 사이에서 전력을 전달할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은, 소정의 기준 전압 범위보다 높은 고전압 배터리 셀 모듈과 상기 기준 전압 범위보다 낮은 저전압 배터리 셀 모듈을 결정하고, 상기 고전압 배터리 셀 모듈로부터 상기 저전압 배터리 셀 모듈로의 전력 전달을 통한 밸런싱을 제어한다.
상기 무선 충전 제어부는, 상기 복수의 무선 충전부 중 상기 고전압 배터리 셀 모듈에 연결된 제1 무선 충전부로부터, 상기 복수의 무선 충전부 중 상기 저전압 배터리 셀 모듈에 연결된 제2 무선 충전부로 전력을 전달하도록 제어할 수 있다.
상기 제2 무선 충전부와 상기 제1 무선 충전부 사이에 적어도 하나의 제3 무선 충전부가 있을 때, 상기 제1 무선 충전부의 전력은 상기 적어도 하나의 제3 무선 충전부로 전달되고, 상기 제3 무선 충전부는 전달된 전력을 상기 제2 무선 충전부로 전달할 수 있다.
발명의 다른 특징에 따른 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 셀 모듈을 포함하는 배터리 시스템의 밸런싱 방법은, 상기 복수의 배터리 셀 모듈 각각의 전압에 기초하여 밸런싱이 필요한 배터리 셀 모듈을 밸런싱 배터리 셀 모듈로 결정하는 단계 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈에 연결된 제1 무선 충전부가 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈을 충전하는 단계 및 상기 충전에 의해 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈이 밸런싱이 완료되었는지 판단하는 단계를 포함한다.
상기 배터리 밸런싱 방법은, 상기 제1 무선 충전부에 대응하는 제1 무선 전력 공급부로부터 상기 제1 무선 충전부로 전력이 전달되는 단계를 더 포함하고, 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈에 연결된 제1 무선 충전부가 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈을 충전하는 단계는, 상기 제1 무선 충전부가 상기 전달된 전력을 이용하여 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈을 충전할 수 있다.
상기 배터리 밸런싱 방법은, 상기 제1 무선 전력 공급부가 상기 배터리 시스템에 연결된 외부 전원으로부터 전력을 공급받는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 밸런싱 방법은, 상기 복수의 배터리 셀 모듈 중 소정의 기준 전압 이상인 배터리 셀 모듈에 의해 백업 배터리가 충전되는 단계 및 상기 제1 무선 전력 공급부가 상기 백업 배터리로부터 전력을 공급받는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 배터리 셀 모듈 각각의 전압에 기초하여 밸런싱이 필요한 배터리 셀 모듈을 밸런싱 배터리 셀 모듈로 결정하는 단계는, 상기 복수의 배터리 셀 모듈 각각의 전압과 소정의 기준 전압 범위를 비교하여 고전압 배터리 셀 모듈 및 저전압 배터리 셀 모듈을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 배터리 밸런싱 방법은, 상기 고전압 배터리 셀 모듈에 연결된 제2 무선 충전부로부터 상기 저전압 배터리 셀 모듈에 연결된 제3 무선 충전부로 전력이 전달되는 단계 및 상기 제3 무선 충전부가 상기 전달된 전력을 이용하여 상기 저전압 배터리 셀 모듈을 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 무선 충전부와 상기 제1 무선 충전부 사이에 적어도 하나의 제3 무선 충전부가 있을 때, 상기 배터리 밸런싱 방법은, 상기 제1 무선 충전부의 전력이 상기 적어도 하나의 제3 무선 충전부로 전달되는 단계 및 상기 제3 무선 충전부에 전달된 전력이 상기 제2 무선 충전부로 전달되는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 충전에 의해 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈이 밸런싱이 완료되었는지 판단하는 단계는, 상기 고전압 배터리 셀 모듈 및 상기 저전압 배터리 셀 모듈 중 적어도 하나가 상기 기준 전압에 속하는지 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
배터리 셀 또는 배터리 셀 모듈에 대해서 액티브 셀 밸런싱을 수행할 수 있는 배터리 시스템 및 배터리 밸런싱 방법을 제공한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 밸런싱 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4는 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
본 개시에서 소개되는 배터리 시스템 및 배터리 밸런싱 방법은, 적어도 하나의 셀을 포함하는 배터리 셀 모듈 별로 무선 충전 수단을 구비하여, 무선 충전 수단을 이용해 밸런싱이 필요한 배터리 셀 모듈을 충전함으로써 불필요한 에너지 소비 없이 배터리 밸런싱을 수행할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
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.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 시스템(1)은 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(2), 슬레이브 배터리 관리 시스템(Slave Battery Management System, SBMS)(3), 배터리 셀 조립체(4), 무선 충전 장치(5), 무선 충전 패드(6), 무선 충전 제어부(7), 릴레이(11), 및 전류 센서(12)를 포함한다.
배터리 셀 조립체(4)는 복수의배터리 셀 모듈이 직렬/병렬 연결되어 필요한 전원을공급할 수 있다. 도 1에서는, 배터리 셀 조립체(2)가 직렬 연결되어 있는 복수의 배터리 셀 모듈(41-4n)을 포함하고, 배터리 시스템(1)의 두 출력단(OUT+, OUT-) 사이에 연결되어 있으며, 배터리 시스템(1)의 양극과 출력단(OUT+) 사이에 릴레이(11)가 연결되어 있고, 배터리 시스템(1)의 음극과 출력단(OUT-) 사이에 전류 센서(12)가 연결되어 있다. 도 1에 도시된 구성들 및 구성들 간의 연결 관계는 일 예로 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 복수의 배터리 셀 모듈(41-4n)은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함한다.
릴레이(11)는 배터리 시스템(1)과 외부 장치 간의 전기적 연결을 제어한다. 릴레이(11)가 온 되면, 배터리 시스템(1)과 외부 장치가 전기적으로 연결되어 충전 또는 방전이 수행되고, 릴레이(11)가 오프 되면, 배터리 시스템(1)과 외부 장치가 전기적으로 분리된다. 외부 장치는 부하 또는 충전기일 수 있다.
전류 센서(12)는 배터리 셀 조립체(2)와 외부 장치간 전류 경로에 직렬 연결되어 있다. 전류 센서(12)는 배터리 셀 조립체(2)에 흐르는 전류 즉, 충전 전류 및 방전 전류를 측정하고, 측정 결과를 BMS(2)에 전달할 수 있다.
SBMS(3)은 복수의 슬레이브 배터리 관리부(31-3n)를 포함하고, 복수의 슬레이브 배터리 관리부(31-3n) 각각은 대응하는 배터리 셀 모듈(41-4n 중 하나)에 전기적으로 연결되어 배터리 셀 모듈에 대한 정보를 감지하고, 감지된 정보를 BMS(2)에 전달할 수 있다. 배터리 셀 모듈에 대한 정보는 배터리 셀 모듈의 전압, 온도 등을 포함할 수 있다.
BMS(2)는 복수의 슬레이브 배터리 관리부(31-3n)로부터 전송되는 배터리 셀 모듈에 대한 정보를 분석하여 복수의 배터리 셀 모듈(41-4n) 중 밸런싱이 필요한 배터리 셀 모듈을 검출할 수 있다. 밸런싱이 필요한지에 대한 판단은 설계에 따라 적절하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀 모듈(41-4n) 중 다른 복수의 배터리 셀에 비해 소정 값 이상으로 전압이 낮은 배터리 셀 모듈을 밸런싱이 필요한 셀로 판단할 수 있다. 일 실시예에서는 무선 충전을 이용하여 밸런싱을 수행하므로, 전압이 낮은 배터리 셀 모듈을 밸런싱이 필요한 셀로 판단한다. 이하, 밸런싱이 필요한 배터리 셀 모듈을밸런싱 배터리 셀 모듈이라 한다.
BMS(2)는 밸런싱 배터리 셀 모듈에 대한 정보를 무선 충전 제어부(7)로 전송한다.
무선 충전 제어부(7)는 밸런싱 배터리 셀 모듈에 대한 정보에 기초하여 무선 충전 장치(5) 및 무선 충전 패드(6)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 무선 충전 제어부(7)는 밸런싱 배터리 셀 모듈에 충전 전력을 공급하기 위해 충전 신호(PU1-PUn) 및 전력 공금 신호(PS1-PSn)를 생성할 수 있다.
무선 충전 장치(5)는 복수의 무선 충전부(51-5n) 및 복수의 무선 충전부(51-5n) 각각에 연결된 코일(W1-Wn)을 포함하고, 충전 신호(PU1-PUn)에 따라 복수의 무선 충전부(51-5n)가 동작하여 코일을 통해 공급되는 전력을 밸런싱 배터리 셀 모듈에 공급한다.
무선 충전 패드(6)는 복수의 무선 전력 공급부(61-6n) 및 복수의 무선 전력 공급부(61-6n)에 연결된 코일(W11-W1n)을 포함하고, 전력 공급 신호(PS1-PSn)에 따라 코일을 통해 무선 충전 장치(5)로 전력을 전달할 수 있다.
무선 충전 패드(6)는 두 입력 단자(P+, P-)를 포함하고, 두 입력 단자(P+, P-)를 통해 전원이 공급될 수 있다. 도 1에서는 일 예로, 두 입력 단자(P+, P-)가 외부 장치와 연결된 것으로 도시되어 있고, 이 때, 외부 장치는 충전기일 수 있다.
복수의 전력 공급 신호(PS1-PSn)에 따라 복수의 무선 전력 공급부(61-6n) 중 전력이 공급되는 무선 전력 공급부의 코일에 에너지가 저장되고, 코일에 저장된 에너지는 복수의 충전 신호(PU1-PUn)에 따라 대응하는 복수의 무선 충전부(51-5n)의 코일에 전달된다. 무선 충전부(51-5n)는 코일에 전달된 에너지를 배터리 셀 모듈에 적합한 전압 범위로 변환하여 배터리 셀 모듈에 공급한다.
복수의 무선 전력 공급부(61-6n) 각각은 두 입력 단자(P+, P-)에 연결되어 있고, 전력 공급 신호(PS1-PSn)에 따라 입력 전원을 변환하여 대응하는 무선 충전부에 전력을 공급할 수 있다. 이 때, 전력 공급 신호(PS1-PSn)에 따라 전력을 공급하는 무선 전력 공급부 및 대응하는 무선 충전부는, 복수의 무선 전력 공급부(61-6n) 및 복수의 무선 충전부(51-5n) 중 밸런싱 배터리 셀 모듈에 대응하는 무선 전력 공급부 및 무선 충전부이다.
예를 들어, 복수의 무선 전력 공급부(61-6n) 중 전력 공급 신호(PS1-PSn)에 따라 스위칭 동작하는 무선 전력 공급부에 있어서, 스위칭 온 기간 중에 해당 무선 전력 공급부(6i, i는 1부터 n까지의 자연수 중 하나)의 코일(W1i)에 에너지가 저장되고, 스위칭 오프 기간 동안 해당 무선 전력 공급부(6i)에 대응하는 무선 충전부(5i)의 코일(Wi)에 에너지가 전달된다. 무선 충전부(5i)는 코일(Wi)에 전달된 에너지를 충전 신호(PUi)에 따라 스위칭 동작하여 배터리 셀 모듈(4i)에 적합한 전압 범위의 전력으로 변환하여 배터리 셀 모듈(4i)에 공급한다.
BMS(2)는 복수의 슬레이브 배터리 관리부(31-3n)에 의해 감지된 배터리 셀 모듈(41-4n)의 전압을 모니터링하고, 모니터링 결과 밸런싱 배터리 셀 모듈의 전압이 기준 값에 도달한 경우, 무선 충전을 종료시키는 신호를 무선 충전 제어부(7)에 전달할 수 있다. 그러면, 무선 충전 제어부(7)는 충전 신호(PU1-PUn) 및 전력 공급 신호(PS1-PSn)를 오프 시켜 무선 충전을 통한 밸런싱을 종료한다. 이 때, 기준 값은 복수의 배터리 셀 모듈(41-4n)의 전압 값에 기초하여 결정되는 것으로, 예를 들어, 복수의 배터리 셀 모듈(41-4n)의 전압의 평균값, 중앙값, 최고값 등 중 하나로 설정될 수 있고, 소정의 마진을 고려하여 설정될 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 일 실시예에 따른 밸런싱 동작을 상세히 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 밸런싱 방법을 나타낸 순서도이다.
SBMS(3)의 복수의 슬레이브 배터리 관리부(31-3n)는 일정한 샘플링 주기로 복수의 배터리 셀 모듈(41-4n)의 전압을 측정하여 BMS(2)로 측정된 복수의 배터리 셀 모듈(41-4n)의 전압을 전달하고, BMS(2)는 복수의 배터리 셀 모듈(41-4n)의 전압에 기초하여 모니터링을 수행할 수 있다(S1). S1 단계는 밸런싱이 필요한 배터리 셀 모듈을 검출하기 위한 것뿐만 아니라, 배터리 셀 모듈의 과전압, 저전압 등 보호 동작을 제어하기 위해 또는 배터리 셀 모듈의 충전 상태(State of Charge), 노화 상태(State of Health) 등 배터리 셀 모듈의 상태를 감지하기 위해 수행될 수 있다.
BMS(2)는 모니터링 결과에 기초하여 밸런싱이 필요한 배터리 셀 모듈이 있는지 판단한다(S2). 예를 들어, BMS(2)는 복수의 배터리 셀 모듈(41-4n)의 전압의 평균값, 중앙값, 최고값 중 어느 하나를 산출하고, 산출된 값 보다 소정치 낮은 기준 전압을 설정하며, 기준 전압 보다 낮은 전압을 가지는 배터리 셀 모듈을 밸런싱 배터리 셀 모듈로 결정할 수 있다. 이 때, 소정치는 평균값, 중앙값, 및 최고값 각각에 따라 다르게 설정될 수 있다.
S2 단계의 판단 결과, 밸런싱이 필요한 배터리 셀 모듈이 없을 경우, 다음 샘플링 주기에 S1 단계를 수행한다.
S2 단계의 판단 결과, 밸런싱이 필요한 배터리 셀 모듈이 검출되면, 해당 밸런싱 배터리 셀 모듈에 대한 정보를 무선 충전 제어부(7)로 전달한다(S3).
무선 충전 제어부(7)는 밸런싱 동작을 수행한다(S4).
이하, 설명의 편의를 위해서 배터리 셀 모듈(43)이 밸런싱 배터리 셀 모듈인 것으로 가정하여 설명한다.
예를 들어, 무선 충전 제어부(7)는 복수의 충전 신호(PU1-PUn) 및 복수의 전력 공급 신호(PS1-PSn) 중 충전 신호(PU3) 및 전력 공급 신호(PS3)를 활성화시키고, 나머지는 신호는 오프 상태로 유지한다.
활성화된 전력 공급 신호(PS3)에 따라 무선 전력 공급부(63)은 외부로부터 공급되는 전원을 변환하여 무선 충전을 위한 전력을 생성한다. 생성된 전력은 코일(W13)을 통해 코일(W3)으로 전달되고, 무선 충전부(53)는 충전 신호(PU3)에 따라 코일(W3)을 통해 전달되는 전력을 배터리 셀 모듈(43)에 적합한 전압 범위로 변환하여 공급한다. 이와 같은 무선 충전 동작은 소정 기간 유지되고, 슬레이브 배터리 관리부(33)는 배터리 셀 모듈(43)의 전압을 감지하여 BMS(2)로 측정된 전압을 전달한다.
BMS(2)는 측정된 배터리 셀 모듈(43)의 전압에 기초하여 밸런싱이 완료되었는지 판단한다(S5). 예를 들어, BMS(2)는 측정된 배터리 셀 모듈(43)의 전압이 기준 전압 보다 소정 마진만큼 높은 전압에 도달할 때, 밸런싱이 완료된 것으로 판단할 수 있다.
S5의 판단 결과, 밸런싱이 완료되지 않으면, S4 단계를 다시 수행한다.
S5의 판단 결과, 밸런싱이 완료되면, 무선 충전 제어부(7)에 이를 알리고, 무선 충전 제어부(7)는 복수의 충전 신호(PU1-PUn) 및 복수의 전력 공급 신호(PS1-PSn)를 오프 상태로 유지한다. 밸런싱 완료 이후, S1 단계를 통해 복수의 배터리 셀 모듈(41-4n)에 대한 모니터링은 주기적으로 유지될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
앞선 일 실시예와 달리, 도 3에 도시된 일 실시예는 외부로부터 공급되는 전원 대신 백업(backup) 배터리를 사용한다. 백업 배터리(8)의 양극은 무선 충전 패드(6)의 입력 단자(P+)에 연결되어 있고, 백업 배터리(8)의 음극은 무선 충전 패드(6)의 입력 단자(P-)에 연결되어 있다.
외부 전원 대신 백업 배터리(8)를 쓰는 경우 밸런싱 배터리 셀 모듈에 대한 충전을 통한 밸런싱 뿐만 아니라 백업 배터리(8)로의 방전을 통한 밸런싱 동작이 가능하다. 앞선 일 실시예와 중복되는 설명은 생략하고, 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였다.
BMS(2)는 SBMS(3)로부터 전달되는 복수의 배터리 셀 모듈(41-4n)의 전압 중 높은 전압을 가지는 배터리 셀 모듈을 감지하고, 이에 대한 정보를 무선 충전 제어부(7)에 전달한다.
무선 충전 제어부(7)는 고전압 배터리 셀 모듈에 연결되어 있는 무선 충전부를 동작시켜, 무선 전력 공급부로 고전압 배터리 셀 모듈의 전력을 전달하고, 무선 전력 공급부는 전달받은 전력을 백업 배터리에 공급하여 충전 동작을 수행할 수 있다.
이와 같은 동작을 통해 고전압 배터리 셀 모듈에 대한 밸런싱 동작을 수행할 수 있고, 백업 배터리에 저장된 전력은 추후 밸런싱 배터리 셀 모듈을 충전시키는데 이용될 수 있다. 결과적으로, 전압이 높은 고전압 배터리 셀 모듈로부터 전압이 낮은 배터리 셀 모듈로 전력을 공급하는 밸런싱 동작을 수행될 수 있다.
도 3에 도시된 일 실시예에서, 무선 충전부 및 무선 전력 공급부는 양방향으로 전력을 전달할 수 있는 양방향 컨버터로 구현될 수 있다. 양방향 컨버터는 공지된 종래 기술로 이에 대한 설명은 생략한다.
도 4는 또 다른 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 일 실시예는 도 1 및 도 3에 도시된 일 실시예들과 비교해 외부 전원 또는 백업 배터리, 그리고 무선 충전 패드를 포함하지 않는다.
도 4에 도시된 일 실시예에서는, 무선 충전 장치 내에서의 전력 전달을 통해 밸런싱 동작이 수행된다.
앞서 설명한 실시예들과 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였고, 중복되는 설명은 생략한다.
앞선 실시예들과 달리, 도 4의 일 실시예는 고전압 배터리 셀 모듈로부터 저전압 배터리 셀 모듈로 전력을 전달하여 밸런싱 동작을 수행한다. BMS(2)는 복수의 배터리 셀 모듈(41-4n)의 전압을 수신하고, 고전압 배터리 셀 모듈과 저전압 배터리 셀 모듈을 설정하기 위해 기준 전압 범위를 결정할 수 있다. 예를 들어, BMS(2)는 복수의 배터리 셀 모듈(41-4n)의 전압의 평균값 또는 중앙값을 산출하고, 평균값을 기준으로 소정 마진 범위를 가지는 기준 전압 범위를 결정할 수 있다.
BMS(2)는 기준 전압 범위 보다 낮은 배터리 셀 모듈을 저전압 배터시 셀 모듈로 결정하고, 기준 전압 범위 보다 높은 배터리 셀 모듈을 고전압 배터리 셀 모듈로 결정한다. 이어서, BMS(2)는 고전압 배터리 셀 모듈에서 저전압 배터리 셀 모듈로 전력을 전달하는 밸런싱 동작을 진행할 것을 무선 충전 제어부(7)에 지시한다.
무선 충전 제어부(7)는 고전압 배터리 셀 모듈에 연결된 무선 충전부로부터 저전압 배터리 셀 모듈에 연결된 무선 충전부까지 전력을 전달하기 위한 충전 신호를 생성하여 무선 충전 장치(9)에 전달한다.
무선 충전 장치(9)는 복수의 무선 충전부(91-9n)를 포함하고, 복수의 무선 충전부(91-9n) 각각은 충전 신호(PU1-PUn)에 따라 전력 전달을 수행한다.
복수의 무선 충전부(92~9n-1) 각각의 양단에는 두 개의 코일에 연결되어 있고, 무선 충전부(91, 9n)에는 하나의 코일이 연결되어 있을 수 있다. 예를 들어, 인접한 두 무선 충전부가 마주보는 측에 코일이 위치할 수 있다. 무선 충전부(91)에는 하나의 코일(W21)이 일측에 연결되어 있고, 무선 충전부(92)의 양측에 두 개의 코일(W22, W23)이 연결되어 있으며, 무선 충전부(93)의 양측에 두 개의 코일(W24, W25)이 연결되어 있고, 무선 충전부(9n)의 일측에 코일(W2k)이 연결되어 있다.
예를 들어, 배터리 셀 모듈(91)이 고전압이고, 배터리 셀 모듈(93)이 저전압인 경우, 배터리 셀 모듈(91)로부터 무선 충전부(91, 92, 93)를 통해 배터리 셀 모듈(93)로 전력이 전달된다. 충전 신호(PU1)에 따라 무선 충전부(91)가 동작하고, 충전 신호(PU2)에 따라 무선 충정부(92)가 동작하며, 충전 신호(PU3)에 따라 무선 충전부가 동작하면, 배터리 셀 모듈(91)로부터 무선 충전부(91), 무선 충전부(92), 무선 충전부(92), 및 배터리 셀 모듈(93)로 구성되는 전력 전달 경로가 형성될 수 있다. 그러면, 배터리 셀 모듈(41)이 무선 충전부(91)의 입력 전원이 되고, 충전 신호(PU1)에 따라 무선 충전부(91)는 코일(W21)에 에너지를 저장하고, 충전 신호(PU2)에 따라 무선 충전부(92)는 코일(W21)로부터 코일(W22)을 통해 에너지를 전달받고 전달받은 에너지를 코일(W23)에 저장하며, 충전신호(PU3)에 따라 무선 충전부(93)는 코일(W23)으로부터 코일(W24)을 통해 에너지를 전달받고 전달받은 에너지로 배터리 셀 모듈(43)을 충전한다.
SBMS(3)는 복수의 배터리 셀 모듈(41-4n)의 전압을 측정하고, BMS(2)는 측정된 복수의 배터리 셀 모듈(41-4n)의 전압에 기초하여 밸런싱 동작을 정지시킬 수 있다. 고전압 배터리 셀 모듈(91) 및 저전압 배터리 셀 모듈(93) 중 적어도 하나의 전압이 기준 전압 범위 내로 진입하면 밸런싱 동작을 정지시킬 수 있다.
예를 들어, BMS(2)는 저전압 배터리 셀 모듈(93)의 전압이 기준 전압 범위 보다 아직 낮더라도, 고전압 배터리 셀 모듈(91)의 전압이 기준 전압 범위 내로 진입하면, 밸런싱 동작을 정지시킬 수 있다. 저전압 배터리 셀 모듈(93)에 대한 밸런싱 동작은 추후 고전압 배터리 셀 모듈이 검출될 때 다시 수행될 수 있다.
반대로, BMS(2)는 고전압 배터리 셀 모듈(91)의 전압이 기준 전압 범위 보다 높더라도, 저전압 배터리 셀 모듈(93)의 전압이 기준 전압 범위 내로 진입하면 밸런싱 동작을 정지시킬 수 있다. 고전압 배터리 셀 모듈(91)에 대한 밸런싱 동작은 추후 저전압 배터리 셀 모듈이 검출될 때 다시 수행될 수 있다.
BMS(2)는 고전압 배터리 셀 모듈 또는 저전압 배터리 셀 모듈이 둘 이상인 경우에, 전력 전달 경로에서 발생하는 소비 전력을 고려해, 인접한 배터리 셀 모듈간의 전력 전달 경로를 우선적으로 설정할 수 있다.
예를 들어, BMS(2)는 i 번째, i+2 번째 배터리 셀 모듈이 고전압이고, i-2 번째, i+4 번째 배터리 셀 모듈이 저전압인 경우, i번째 배터리 셀 모듈로부터 i-2 번째 배터리 셀 모듈로의 전력 전달을 통해 밸런싱을 수행하고, i+2 번째 배터리 셀 모듈로부터i+4 번째 배터리 셀 모듈로의 전력 전달을 통해 밸런싱을 수행할 수 있다.
도 4에 도시된 일 실시예의 BMS(2)는 고전압 배터리 셀 모듈 및 저전압 배터리 셀 모듈의 위치 및 개수에 기초하여 전력 전달을 통한 밸런싱 동작을 설정할 수 있으며, 위의 예들에 한정되지 않는다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
1: 배터리 시스템
2: 배터리 관리 시스템
3: 슬레이브 배터리 관리 시스템
4: 배터리 셀 조립체
5, 9: 무선 충전 장치
6: 무선 충전 패드
7: 무선 충전 제어부
8: 백업 배터리

Claims (16)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 셀 모듈;
    상기 복수의 배터리 셀 모듈 각각의 전압에 기초하여 밸런싱이 필요한 배터리 셀 모듈을 밸런싱 배터리 셀 모듈로 결정하고, 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈에 대한 밸런싱을 제어하는 배터리 관리 시스템;
    상기 복수의 배터리 셀 모듈에 연결되어 있는 복수의 무선 충전부; 및
    상기 배터리 관리 시스템의 제어에 따라 상기 복수의 무선 충전부를 동작시켜 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈에 전달되는 전력을 제어하는 무선 충전 제어부를 포함하는,
    배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 무선 충전부 각각에 대응하고, 외부 전원에 연결되어 있는 복수의 무선 전력 공급부를 더 포함하고,
    상기 복수의 무선 전력 공급부 중 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈에 연결된 제1 무선 충전부에 대응하는 제1 무선 전력 공급부는 상기 무선 충전 제어부의 제어에 따라 상기 제1 무선 충전부에 전력을 전달하는,
    배터리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 외부 전원은 백업 배터리이고,
    상기 복수의 배터리 셀 모듈 중 소정의 기준 전압 보다 높은 고전압 배터리 셀 모듈에 의해 상기 백업 배터리가 충전되는,
    배터리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 무선 충전부 중 상기 고전압 배터리 셀 모듈에 연결된 제1 무선 충전부로부터 상기 복수의 무선 전력 공급부 중 상기 제1 무선 충전부에 대응하는 제1 무선 전력 공급부로 전력이 전달되고, 상기 제1 무선 전력 공급부가 상기 백업 배터리를 충전하는,
    배터리 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 무선 충전부는 복수의 제1 코일을 포함하고,
    상기 복수의 무선 전력 공급부는 복수의 제2 코일을 포함하며,
    상기 제1 무선 전력 공급부의 제2 코일에 저장된 에너지가 상기 제1 무선 충전부의 제1 코일로 전달되는,
    배터리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 무선 충전부는,
    상기 무선 충전 제어부의 제어에 따라 인접하는 두 무선 충전부 사이에서 전력을 전달하는,
    배터리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    소정의 기준 전압 범위보다 높은 고전압 배터리 셀 모듈과 상기 기준 전압 범위보다 낮은 저전압 배터리 셀 모듈을 검출하고, 상기 고전압 배터리 셀 모듈로부터 상기 저전압 배터리 셀 모듈로의 전력 전달을 통한 밸런싱을 제어하는,
    배터리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 무선 충전 제어부는,
    상기 복수의 무선 충전부 중 상기 고전압 배터리 셀 모듈에 연결된 제1 무선 충전부로부터, 상기 복수의 무선 충전부 중 상기 저전압 배터리 셀 모듈에 연결된 제2 무선 충전부로 전력을 전달하도록 제어하는,
    배터리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 무선 충전부와 상기 제1 무선 충전부 사이에 적어도 하나의 제3 무선 충전부가 있을 때,
    상기 제1 무선 충전부의 전력은 상기 적어도 하나의 제3 무선 충전부로 전달되고, 상기 제3 무선 충전부는 전달된 전력을 상기 제2 무선 충전부로 전달하는,
    배터리 시스템.
  10. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 셀 모듈을 포함하는 배터리 시스템의 밸런싱 방법에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 모듈 각각의 전압에 기초하여 밸런싱이 필요한 배터리 셀 모듈을 밸런싱 배터리 셀 모듈로 결정하는 단계;
    상기 밸런싱 배터리 셀 모듈에 연결된 제1 무선 충전부가 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈을 충전하는 단계; 및
    상기 충전에 의해 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈이 밸런싱이 완료되었는지 판단하는 단계를 포함하는,
    배터리 밸런싱 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 무선 충전부에 대응하는 제1 무선 전력 공급부로부터 상기 제1 무선 충전부로 전력이 전달되는 단계를 더 포함하고,
    상기 밸런싱 배터리 셀 모듈에 연결된 제1 무선 충전부가 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈을 충전하는 단계는,
    상기 제1 무선 충전부가 상기 전달된 전력을 이용하여 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈을 충전하는,
    배터리 밸런싱 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 무선 전력 공급부가 상기 배터리 시스템에 연결된 외부 전원으로부터 전력을 공급받는 단계를 더 포함하는,
    배터리 밸런싱 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 모듈 중 소정의 기준 전압 이상인 배터리 셀 모듈에 의해 백업 배터리가 충전되는 단계; 및
    상기 제1 무선 전력 공급부가 상기 백업 배터리로부터 전력을 공급받는 단계를 더 포함하는,
    배터리 밸런싱 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 모듈 각각의 전압에 기초하여 밸런싱이 필요한 배터리 셀 모듈을 밸런싱 배터리 셀 모듈로 결정하는 단계는,
    상기 복수의 배터리 셀 모듈 각각의 전압과 소정의 기준 전압 범위를 비교하여 고전압 배터리 셀 모듈 및 저전압 배터리 셀 모듈을 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 고전압 배터리 셀 모듈에 연결된 제2 무선 충전부로부터 상기 저전압 배터리 셀 모듈에 연결된 제3 무선 충전부로 전력이 전달되는 단계; 및
    상기 제3 무선 충전부가 상기 전달된 전력을 이용하여 상기 저전압 배터리 셀 모듈을 충전하는 단계를 더 포함하는,
    배터리 밸런싱 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 무선 충전부와 상기 제1 무선 충전부 사이에 적어도 하나의 제3 무선 충전부가 있을 때,
    상기 제1 무선 충전부의 전력이 상기 적어도 하나의 제3 무선 충전부로 전달되는 단계; 및
    상기 제3 무선 충전부에 전달된 전력이 상기 제2 무선 충전부로 전달되는 단계를 더 포함하는,
    배터리 밸런싱 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 충전에 의해 상기 밸런싱 배터리 셀 모듈이 밸런싱이 완료되었는지 판단하는 단계는,
    상기 고전압 배터리 셀 모듈 및 상기 저전압 배터리 셀 모듈 중 적어도 하나가 상기 기준 전압에 속하는지 판단하는 단계를 포함하는,
    배터리 밸런싱 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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