KR20210015645A - 배터리 온도 제어 장치, 배터리 시스템, 에너지 저장 시스템 및 배터리 온도 제어 방법 - Google Patents

배터리 온도 제어 장치, 배터리 시스템, 에너지 저장 시스템 및 배터리 온도 제어 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 온도 제어 장치, 배터리 온도 제어 방법 및 배터리 시스템이 제공된다. 상기 배터리 온도 제어 장치는, 직렬 연결된 제1 내지 제n 배터리 모듈에 일대일로 제공되는 제1 내지 제n 냉각팬; 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈에 일대일로 제공되는 제1 내지 제n 슬레이브 관리부; 및 마스터 관리부를 포함한다. n은 2 이상의 자연수다. 상기 마스터 관리부는, 제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함하는 배터리 온도 정보를 결정한다. 상기 제1 내지 제n 온도값은, 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 온도를 나타낸다. 상기 제1 기준값은, 상기 제1 내지 제n 온도값의 평균 또는 중앙값이다. 상기 마스터 관리부는, 상기 배터리 온도 정보를 기초로, 각 냉각팬 각각의 회전 속도를 제어한다.

Description

배터리 온도 제어 장치, 배터리 시스템, 에너지 저장 시스템 및 배터리 온도 제어 방법{BATTERY TEMPERATURE CONTROL APPARATUS, BATTERY SYSTEM, ENERGY STORAGE SYSTEM, AND BATTERY TEMPERATURE CONTROL METHOD}
본 발명은 배터리의 온도를 제어하는 기술에 관한 것이다.
본 출원은 2019년 08월 01일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2019-0093948호에 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 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
배터리 시스템은 외부로부터 공급된 전력을 저장해 두었다가, 비상시에 저장된 전력을 외부로 공급하도록 제공될 수 있다. 이러한 배터리 시스템에는 기본적으로 복수의 배터리 모듈 및 각 배터리 모듈을 제어하기 위한 컨트롤러를 포함한다.
배터리 시스템의 내외부 환경이나 반복된 충방전으로 인해 복수의 배터리 모듈 간의 온도 편차가 발생할 수 있다. 배터리 모듈의 온도는, 배터리 모듈의 성능(예, 충방전 효율)에 큰 영향을 미치므로, 배터리 모듈의 온도가 적정 범위 내가 되도록 하기 위한 냉각이 필수적이다.
본 발명의 발명자는, 동일 배터리 그룹 내의 복수의 배터리 모듈에 대한 실험을 통해, 몇 가지 뚜렷한 상관 관계를 확인하였다. 첫번째는, 각 배터리 모듈의 온도는 다른 배터리 모듈의 온도에 영향을 받는 것이다. 두 번째는, 고온 환경에 노출된 기간이 길수록 그리고 충전 상태(SOC: State-Of-Charge)가 높을수록, 배터리 모듈의 건강 상태(SOH: State-Of-Health)가 크게 저하되는 것이다.
그런데, 종래에는 각 배터리 모듈의 냉각이 해당 배터리 모듈의 온도만을 기초로 진행되는 것이 일반적이다. 즉, 각 배터리 모듈에 대한 냉각 제어를 진행할 때, 다른 배터리 모듈의 온도가 고려되지 않고 있다. 그뿐만 아니라, 복수의 배터리 모듈 각각의 건강 상태와 충전 상태가 온도 제어에 고려되지 않고 있다. 각 배터리 모듈의 온도만에 기초하여 해당 배터리 모듈을 냉각할 경우, 동일 배터리 그룹 내의 복수의 배터리 모듈 간의 온도 편차가 적절히 억제될 수 없고, 결과적으로 복수의 배터리 모듈이 불균일하게 퇴화된다는 문제가 있다.
본 발명은, 동일 배터리 그룹에 속하는 복수의 배터리 모듈 중 적어도 둘 이상의 온도를 기초로, 각 배터리 모듈을 위한 냉각 레벨(예, 냉각 매체의 공급량)을 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 동일 배터리 그룹에 속하는 각 배터리 모듈의 충전 상태 및/또는 건강 상태를 더 기초로, 각 배터리 모듈에 대한 개별 냉각을 수행하는 장치 및 방법을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 각 배터리 모듈에 대한 냉각을 위해 요구되는 전력을 해당 배터리 모듈에서만 공급하는 대신 나머지 배터리 모듈에서도 공급하는 장치 및 방법을 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 온도 제어 장치는, 직렬 연결된 제1 내지 제n 배터리 모듈을 포함하는 배터리 그룹을 위한 것이다. n은 2 이상의 자연수이다. 상기 배터리 온도 제어 장치는, 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈에 일대일로 제공되는 제1 내지 제n 냉각팬; 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈에 일대일로 제공되는 제1 내지 제n 슬레이브 관리부; 및 상기 제1 내지 제n 냉각팬 및 상기 제1 내지 제n 슬레이브 관리부에 동작 가능하게 결합되는 마스터 관리부를 포함한다. 상기 마스터 관리부는, 상기 제1 내지 제n 슬레이브 관리부 각각으로부터의 통지 신호를 기초로, 제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함하는 배터리 온도 정보를 결정하도록 구성된다. 상기 제1 내지 제n 온도값은 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 온도를 나타낸다. 상기 제1 기준값은 상기 제1 내지 제n 온도값의 평균 또는 중앙값이다. 상기 마스터 관리부는, 상기 배터리 온도 정보를 기초로, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 제어하도록 구성된다.
상기 마스터 관리부는, i = 1 ~ n이라고 할 때, 제i 온도값이 상기 제1 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 1을 이용하여 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 마스터 관리부는, i = 1 ~ n이라고 할 때, 상기 제i 온도값이 상기 제1 기준값보다 큰 경우, 하기의 수식 2를 이용하여 상기 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다.
[수식 1]
Figure pat00001
[수식 2]
Figure pat00002
수식 1 및 수식 2에서, Ti는 상기 제i 온도값, TL는 임계 온도값, Tref는 상기 제1 기준값, K1은 제1 가중치, K2는 제2 가중치, Fi는 상기 제i 냉각팬의 회전 속도이다.
상기 마스터 관리부는, 상기 통지 신호를 기초로, 제1 내지 제n 건강 상태 및 제2 기준값을 포함하는 배터리 수명 정보를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 내지 제n 건강 상태는 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 잔여 수명을 나타낸다. 상기 제2 기준값은 상기 제1 내지 제n 건강 상태의 평균 또는 중앙값이다. 상기 마스터 관리부는, 상기 배터리 수명 정보를 더 기초로, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 마스터 관리부는, i = 1 ~ n이라고 할 때, 제i 온도값이 상기 제1 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 3을 이용하여 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 마스터 관리부는, i = 1 ~ n이라고 할 때, 상기 제i 온도값이 상기 제1 기준값보다 큰 경우, 하기의 수식 4를 이용하여 상기 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다.
[수식 3]
Figure pat00003
[수식 4]
Figure pat00004
수식 3 및 수식 4에서, Ti는 상기 제i 온도값, TL는 임계 온도값, Tref는 상기 제1 기준값, SOHi는 제i 건강 상태, SOHref는 상기 제2 기준값, K3은 제3 가중치, K4는 제4 가중치, K5은 제5 가중치, Fi는 상기 제i 냉각팬의 회전 속도이다.
상기 마스터 관리부는, 상기 통지 신호를 기초로, 제1 내지 제n 충전 상태 및 제3 기준값을 포함하는 배터리 용량 정보를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 내지 제n 충전 상태는 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 잔존 용량을 나타낸다. 상기 제3 기준값은 상기 제1 내지 제n 충전 상태의 평균 또는 중앙값이다. 상기 마스터 관리부는, 상기 배터리 용량 정보를 더 기초로, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 마스터 관리부는, i = 1 ~ n이라고 할 때, 제i 온도값이 상기 제1 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 5를 이용하여 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 마스터 관리부는, i = 1 ~ n이라고 할 때, 상기 제i 온도값이 상기 제1 기준값보다 큰 경우, 하기의 수식 6을 이용하여 상기 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다.
[수식 5]
Figure pat00005
[수식 6]
Figure pat00006
수식 5 및 수식 6에서, Ti는 상기 제i 온도값, Tref는 상기 제1 기준값, TL는 임계 온도값, SOHi는 제i 건강 상태, SOHref는 상기 제2 기준값, SOCi는 제i 충전 상태, SOCref는 상기 제3 기준값, K6은 제6 가중치, K7는 제7 가중치, K8은 제8 가중치, K9은 제9 가중치, Fi는 상기 제i 냉각팬의 회전 속도이다.
상기 배터리 온도 제어 장치는, 전력 공급 회로를 더 포함할 수 있다. 상기 전력 공급 회로는, 상기 배터리 그룹에 병렬 연결되는 메인 직렬 회로; 및 상기 제1 내지 제n 냉각팬에 일대일로 병렬 연결되는 제1 내지 제n 서브 직렬 회로를 포함한다. 상기 메인 직렬 회로는, 서로 직렬 연결된 메인 코일 및 메인 스위치를 포함한다. 상기 각 서브 직렬 회로는, 서로 직렬 연결된 서브 코일 및 서브 스위치를 포함한다. 상기 마스터 관리부는, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 기초로, 상기 메인 스위치 및 각 서브 스위치를 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 시스템은, 상기 배터리 온도 제어 장치를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 에너지 저장 시스템은, 상기 배터리 시스템을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 온도 제어 방법은, 직렬 연결된 제1 내지 제n 배터리 모듈을 포함하는 배터리 그룹을 위한 것이다. n은 2 이상의 자연수이다. 상기 배터리 온도 제어 방법은, 제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함하는 배터리 온도 정보를 결정하는 단계를 포함한다. 상기 제1 내지 제n 온도값은 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 온도를 나타낸다. 상기 제1 기준값은 상기 제1 내지 제n 온도값의 평균 또는 중앙값이다. 상기 배터리 온도 제어 방법은, 상기 배터리 온도 정보를 기초로, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 제어하는 단계를 더 포함한다.
상기 배터리 온도 제어 방법은, 제1 내지 제n 건강 상태 및 제2 기준값을 포함하는 배터리 수명 정보를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제n 건강 상태는 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 잔여 수명을 나타낸다. 상기 제2 기준값은 상기 제1 내지 제n 건강 상태의 평균 또는 중앙값이다. 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도는, 상기 배터리 수명 정보를 더 기초로 결정될 수 있다.
상기 배터리 온도 제어 방법은, 제1 내지 제n 충전 상태 및 제3 기준값을 포함하는 배터리 용량 정보를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제n 충전 상태는 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 잔존 용량을 나타낸다. 상기 제3 기준값은 상기 제1 내지 제n 충전 상태의 평균 또는 중앙값이다. 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도는, 상기 배터리 용량 정보를 더 기초로 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 동일 배터리 그룹에 속하는 복수의 배터리 모듈 중 적어도 둘 이상의 온도를 기초로, 각 배터리 모듈을 위한 냉각 레벨을 제어함으로써, 복수의 배터리 모듈 간의 온도 편차를 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 동일 배터리 그룹에 속하는 각 배터리 모듈의 충전 상태 및/또는 건강 상태를 더 기초로, 각 배터리 모듈에 대한 개별 냉각을 수행함으로써, 복수의 배터리 모듈 간의 수명 편차를 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 각 배터리 모듈에 대한 냉각을 위해 요구되는 전력을 해당 배터리 모듈에서만 공급하는 대신 다른 배터리 모듈에서도 공급함으로써, 복수의 배터리 모듈 간의 수명 편차를 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.
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 제1 실시예에 따른 배터리 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 슬레이브의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 마스터의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 배터리 그룹의 온도를 제어하기 위한 일 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 5는 배터리 그룹의 온도를 제어하기 위한 다른 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 6은 배터리 그룹의 온도를 제어하기 위한 또 다른 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 전력 공급 회로를 제어하기 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.
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 <관리부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 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.
본 명세서에서, 참조부호로서 사용된 n은 2 이상의 자연수고, 참조부호로서 사용된 i는 1~n 즉, n 이하의 자연수다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 시스템(10)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 슬레이브(220_i)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1의 마스터(230)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
배터리 시스템(10)은, 에너지 저장 시스템(1)에 포함될 수 있다. 에너지 저장 시스템(1)은, 도시되지 않은 전력 변환 시스템(PCS: Power Conversion System) 등을 더 포함할 수 있다. PCS는, 배터리 시스템(10)으로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전기 계통에 공급할 수 있다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 배터리 시스템(10)은, 배터리 그룹(20), 전류 센서(50), 릴레이(100) 및 배터리 온도 제어 장치(200, 이하 '장치'라고 칭할 수 있음)를 포함한다.
배터리 그룹(20)은, 제1 노드(N+), 제2 노드(N-) 및 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)을 포함한다.
제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)은, 제1 노드(N+)와 제2 노드(N-)의 사이에 전기적으로 직렬 연결된다. 배터리 모듈(30_i)은, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 셀은, 예컨대 리튬 이온 셀과 같이 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 그 종류는 특별히 한정되지 않는다.
전류 센서(50)는, 배터리 그룹(20)의 충방전을 위한 전류 경로를 통해 배터리 그룹(20)에 전기적으로 직렬 연결된다. 전류 센서(50)는, 전류 경로를 통해 흐르는 전류를 검출하고, 검출된 전류를 나타내는 전류 신호를 장치(100)에게 출력하도록 구성된다.
릴레이(100)는, 배터리 그룹(20)의 충방전을 위한 전류 경로에 설치된다. 즉, 배터리 그룹(20), 전류 센서(50) 및 릴레이(100)는 전류 경로를 통해 직렬 연결된다. 릴레이(100)의 제어 단자는 장치(200)에 전기적으로 연결된다. 릴레이(100)는, 상기 제어 단자에 출력되는 장치(200)로부터의 스위칭 신호에 응답하여, 온오프 제어된다.
장치(200)는, 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)이 과열되지 않도록 그리고 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)의 퇴화가 균일화될 수 있도록, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)을 활용하여 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)의 온도를 개별 제어하도록 제공된다.
장치(200)는, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n), 제1 내지 제n 슬레이브 관리부(220_1~220_n) 및 마스터 관리부(230)를 포함한다. 전류 센서(50)는 장치(200)에 포함되는 것일 수 있다. 이하에서는, 슬레이브 관리부를 '슬레이브'라고 칭하고, 마스터 관리부를 '마스터'라고 칭하기로 한다.
제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)은, 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)에 일대일로 제공된다. i=1~n이라고 할 때, 냉각팬(210_i)은, 배터리 모듈(30_i)의 냉각을 위한 것이다. 즉, 냉각팬(210_i)이 회전하는 동안 냉각팬(210_i)으로부터 전달되는 냉각매체(예, 공기)에 의해 배터리 모듈(30_i)의 냉각이 이루어진다. 냉각팬(210_i)의 회전 속도가 빠를수록, 배터리 모듈(30_i)의 냉각이 빠르게 진행될 것이다. 냉각팬(210_i)은, 슬레이브(220_i) 또는 마스터(230)로부터의 제어 신호(C_i)에 응답하여, 상기 제어 신호(C_i)에 의해 요구된 회전 속도로 회전하도록 구성된다. 냉각팬(210_i)은, 한 쌍의 전력 공급 라인을 통해 배터리 모듈(30_i)의 양극 단자와 음극 단자에 전기적으로 연결될 수 있다. 이로써, 상기 제어 신호(C_i)가 냉각팬(210_i)에 인가되는 경우, 냉각팬(210_i)은 배터리 모듈(30_i)로부터 공급되는 전력을 이용하여 구동할 수 있다.
제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)는, 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)에 일대일로 제공된다. 슬레이브(220_i)는, 배터리 모듈(30_i)의 상태를 모니터링하기 위해, 배터리 모듈(30_i)에 결합된다. 배터리 모듈(30_i)의 상태를 나타내는 파라미터인 배터리 모듈(30_i)의 전압, 전류 및 온도 중 적어도 하나가 슬레이브(220_i)에 의해 주기적으로 또는 비주기적으로 검출된다.
슬레이브(220_i)는, 센싱 회로(221), 제어 회로(222) 및 통신 회로(223)를 포함한다.
센싱 회로(221)는, 온도 센서(TS)를 포함한다. 센싱 회로(221)는, 전압 센서(VS)를 더 포함할 수 있다. 온도 센서(TS)는, 배터리 모듈(30_i)의 온도를 검출하고, 검출된 온도를 나타내는 신호를 제어 회로(222)에게 출력하도록 구성된다. 전압 센서(VS)는, 배터리 모듈(30_i)의 양극 단자와 음극 단자에 전기적으로 연결된다. 전압 센서(VS)는, 배터리 모듈(30_i)의 양단에 걸친 전압을 검출하고, 검출된 전압을 나타내는 신호를 제어 회로(222)에게 출력하도록 구성된다.
제어 회로(222)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 제어 회로(222)는, 메모리(224)를 포함할 수 있다. 메모리(224)에는, 후술할 단계들을 실행하는 데에 필요한 프로그램 및 각종 데이터가 저장될 수 있다. 메모리(224)는, 예컨대 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
제어 회로(222)는, 센싱 회로(221)로부터의 신호들을 기초로, 배터리 모듈(30_i)의 상태를 나타내는 통지 신호(R_i)를 생성한다.
통신 회로(223)는, 마스터(230)와의 통신을 위해 제공된다. 통신 회로(223)는, 제어 회로(222)로부터의 상기 통지 신호(R_i)를 마스터(230)에게 전송한다. 통신 회로(223)는, 마스터(230)로부터의 명령들(예, 웨이크업, 슬립, 셧다운, 배터리 냉각)을 제어 회로(222)에게 전달할 수 있다. 통신 회로(223)는, LAN(local area network), CAN(controller area network), 데이지 체인과 같은 유선 네트워크 및/또는 블루투스, 지그비, 와이파이 등의 무선 네트워크를 제공할 수 있다.
마스터(230)는, 전류 센서(50), 릴레이(100), 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n) 및 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)에 동작 가능하게 결합된다. 마스터(230)는, 제어 회로(231) 및 통신 회로(232)를 포함한다.
제어 회로(231)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 제어 회로(231)는, 메모리(233)를 포함할 수 있다. 메모리(233)에는, 후술할 단계들을 실행하는 데에 필요한 프로그램 및 각종 데이터가 저장될 수 있다. 메모리(233)는, 예컨대 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
통신 회로(232)는, 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)와의 통신을 위해 제공된다. 통신 회로(232)는, 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)로부터의 통지 신호(R_1~R_n)가 나타내는 정보를 제어 회로(231)에게 전달한다. 통신 회로(232)는, 제어 회로(231)로부터의 명령들을 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)에게 전송한다. 통신 회로(232)는, LAN(local area network), CAN(controller area network), 데이지 체인과 같은 유선 네트워크 및/또는 블루투스, 지그비, 와이파이 등의 무선 네트워크를 제공할 수 있다.
제어 회로(231)는, 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)로부터의 통지 신호(R_1~R_n)를 기초로, 배터리 온도 정보를 결정한다. 제어 회로(231)는, 전류 센서(50)로부터의 전류 신호 및 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)로부터의 통지 신호(R_1~R_n)를 기초로, 배터리 수명 정보 및/또는 배터리 용량 정보를 더 결정할 수 있다.
배터리 온도 정보는, 제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함한다. 제i 온도값은, 제i 배터리 모듈(30_i)의 온도를 나타낸다. 제1 기준값은, 제1 내지 제n 온도값의 대표값(예, 평균, 중앙값)을 나타낸다.
배터리 수명 정보는, 제1 내지 제n 건강 상태 및 제2 기준값을 포함한다. 제i 건강 상태는, 제i 배터리 모듈(30_i)의 잔여 수명을 나타낸다. 제2 기준값은, 제1 내지 제n 건강 상태의 대표값(예, 평균, 중앙값)을 나타낸다. 제i 건강 상태는, 다음의 수식으로부터 결정될 수 있다.
Figure pat00007
위 수식에서, Qref는 소정의 기준 용량, SOC(t1)은 시점 t1에서의 제i 배터리 모듈(30_i)의 충전 상태, SOC(t2)은 시점 t1 후인 시점 t2에서의 제i 배터리 모듈(30_i)의 충전 상태, i(t)는 시점 t1과 시점 t2 사이의 시점 t에서 검출된 전류, SOHi는 제i 건강 상태를 나타낸다. Qref는, 메모리(233)에 미리 저장되어 있을 수 있고, 배터리 모듈(30_i)이 새것(BOL: Beginning Of Life)이었을 때의 배터리 모듈(30_i)의 최대 용량을 나타낸다. 시점 t2는, SOC(t1)와 SOC(t2) 간의 차이의 절대값이 임계값(예, 0.5) 이상인 가장 최근의 시점일 수 있다.
배터리 용량 정보는, 제1 내지 제n 충전 상태 및 제3 기준값을 포함한다. 제i 충전 상태는, 제i 배터리 모듈(30_i)의 잔존 용량을 나타낸다. 제3 기준값은, 제1 내지 제n 충전 상태의 대표값(예, 평균, 중앙값)을 나타낸다. 제i 충전 상태는, 공지의 다양한 SOC 추정 알고리즘으로부터 결정될 수 있다. 예를 들어, 제i 충전 상태는, 제i 배터리 모듈(30_i)의 개방 전압(OCV: Open-Circuit-voltage)을 인덱스로서 활용하여, 소정의 OCV-SOC 커브로부터 결정될 수 있다. 다른 예로, 제i 충전 상태는, 암페어 카운팅을 이용하여, 제i 배터리 모듈(30_i)의 전류를 시간에 대해 누적한 전류 적산값을 기초로 결정될 수 있다. 또 다른 예로, 제i 충전 상태는, 칼만 필터를 이용하여, 배터리 모듈(30_i)의 전압 이력, 전류 이력 및 온도 이력으로부터 결정될 수 있다.
제어 회로(231)는, 배터리 온도 정보, 배터리 수명 정보 및 배터리 용량 정보 중 적어도 하나를 기초로, 릴레이(100)의 온-오프 상태를 제어하기 위한 상기 스위칭 신호를 생성한다.
제어 회로(231)는, 배터리 온도 정보, 배터리 수명 정보 및 배터리 용량 정보 중 적어도 하나를 기초로, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)의 회전 속도를 제어하기 위한 제1 내지 제n 제어 신호(C_1~C_n)를 생성한다.
도 4는 도 1의 배터리 그룹(20)의 온도를 제어하기 위한 일 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 단계 S410에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)로부터의 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)를 마스터(230)의 메모리(233)에 기록한다. 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)는, 동일 시점에서의 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)의 상태를 나타내는 것일 수 있다. 즉, 제i 통지 신호(R_i)는, 제i 슬레이브(220_i)에 의해 전송되는 것으로서, 제i 배터리 모듈(30_i)의 상태를 나타내는 것이다.
단계 S420에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)를 기초로, 배터리 온도 정보를 결정한다. 배터리 온도 정보는, 제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함한다.
단계 S430에서, 마스터(230)는, 배터리 온도 정보를 기초로, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)을 위한 제1 내지 제n 회전 속도를 결정한다.
일 예로, 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 1을 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다. 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값보다 큰 경우, 하기의 수식 2를 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다.
[수식 1]
Figure pat00008
[수식 2]
Figure pat00009
수식 1 및 수식 2에서, Ti는 제i 온도값, TL는 임계 온도값, 제i 온도값, Tref는 제1 기준값, K1은 제1 가중치, K2는 제2 가중치, Fi는 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 나타낸다. 임계 온도값 TL는 과냉각을 방지하기 위한 소정의 하한 온도(예, 5℃)를 나타낸다.
K1 및 K2 각각은 미리 정해진 양수일 수 있다. 대안적으로, K1 및 K2은, 배터리 온도 정보의 제1 기준값을 인덱스로서 이용하여, 제1 데이터 테이블 및 제2 데이터 테이블로부터 각각 획득될 수 있다. 제1 데이터 테이블은, Tref와 K1 간의 대응 관계를 규정한다. 제1 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 큰 Tref은 상대적으로 큰 K1에 연관되어 있다. 제2 데이터 테이블은, Tref와 K2 간의 대응 관계를 규정한다. 제2 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 큰 Tref은 상대적으로 큰 K2에 연관되어 있다. 대안적으로, 제어 회로(231)는, 제2 데이터 테이블을 이용하는 대신, K2을 제1 데이터 테이블로부터의 K1과 동일하게 설정할수 있다.
다른 예로, 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이하인 경우, 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 회전 속도를 제1 값으로 설정하는 반면, 그 외에는 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 회전 속도를 제2 값으로 설정할 수 있다. 제2 값(예, 10회/초)은 제1 값(예, 7회/초)보다 크다.
단계 S440에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 제어 신호(C_1~C_n)를 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)에게 출력한다. 즉, 제i 제어 신호(C_i)는, 제i 냉각팬(210_i)에게 출력된다. 제i 제어 신호(C_i)는, 제i 냉각팬(210_i)에게 제i 회전 속도로 회전할 것을 명령하기 위한 신호이다.
도 5는 도 1의 배터리 그룹(20)의 온도를 제어하기 위한 다른 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 1 내지 도 3 및 도 5를 참조하면, 단계 S510에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)로부터의 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)를 마스터(230)의 메모리(233)에 기록한다. 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)는, 동일 시점에서의 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)의 상태를 나타내는 것일 수 있다. 즉, 제i 통지 신호(R_i)는, 제i 슬레이브(220_i)에 의해 전송되는 것으로서, 제i 배터리 모듈(30_i)의 상태를 나타내는 것이다.
단계 S520에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)를 기초로, 배터리 온도 정보 및 배터리 수명 정보를 결정한다. 배터리 온도 정보는, 제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함한다. 배터리 수명 정보는, 제1 내지 제n 건강 상태 및 제2 기준값을 포함한다.
단계 S530에서, 마스터(230)는, 배터리 온도 정보 및 배터리 수명 정보를 기초로, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)을 위한 제1 내지 제n 회전 속도를 결정한다.
일 예로, 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이하이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이상인 경우, 상기 수식 1을 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다. 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이상이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이상인 경우, 상기 수식 2를 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다.
다른 예로, 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이하이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 3을 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다. 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이상이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 4를 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다.
[수식 3]
Figure pat00010
[수식 4]
Figure pat00011
수식 3 및 수식 4에서, Ti는 제i 온도값, TL는 임계 온도값, Tref는 제1 기준값, SOHi는 제i 건강 상태, SOHref는 제2 기준값, K3은 제3 가중치, K4는 제4 가중치, K5는 제5 가중치, Fi는 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 나타낸다. K3, K4 및 K5 각각은 미리 정해진 양수일 수 있다. 대안적으로, K3 및 K4은, 배터리 온도 정보의 제1 기준값을 인덱스로서 이용하여, 제3 데이터 테이블 및 제4 데이터 테이블로부터 각각 획득될 수 있다. 제3 데이터 테이블은, Tref와 K3 간의 대응 관계를 규정한다. 제3 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 큰 Tref은 상대적으로 큰 K3에 연관되어 있다. 제4 데이터 테이블은, Tref와 K4 간의 대응 관계를 규정한다. 제4 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 큰 Tref은 상대적으로 큰 K4에 연관되어 있다. 상기 제1 데이터 테이블이 제3 데이터 테이블로서 이용될 수 있다. 즉, K3은 K1과 동일할 수 있다. 상기 제2 데이터 테이블이 제4 데이터 테이블로서 이용될 수 있다. 즉, K4은 K2과 동일할 수 있다.
K5는, 배터리 수명 정보의 제2 기준값을 인덱스로서 이용하여, 제5 데이터 테이블로부터 획득될 수 있다. 제5 데이터 테이블은, SOHref와 K5 간의 대응 관계를 규정한다. 제5 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 작은 SOHref은 상대적으로 큰 K5에 연관되어 있다.
단계 S540에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 제어 신호(C_1~C_n)를 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)에게 출력한다. 즉, 제i 제어 신호(C_i)는, 제i 냉각팬(210_i)에게 출력된다. 제i 제어 신호(C_i)는, 냉각팬(210_i)에게 제i 회전 속도로 회전할 것을 명령하기 위한 신호이다.
도 6은 배터리 그룹(20)의 온도를 제어하기 위한 또 다른 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 단계 S610에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)로부터의 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)를 마스터(230)의 메모리(233)에 기록한다. 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)는, 동일 시점에서의 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)의 상태를 나타내는 것일 수 있다. 즉, 제i 통지 신호(R_i)는, 제i 슬레이브(220_i)에 의해 전송되는 것으로서, 제i 배터리 모듈(30_i)의 상태를 나타내는 것이다.
단계 S620에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)를 기초로, 배터리 온도 정보, 배터리 수명 정보 및 배터리 용량 정보를 결정한다. 배터리 온도 정보는, 제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함한다. 배터리 수명 정보는, 제1 내지 제n 건강 상태 및 제2 기준값을 포함한다. 배터리 용량 정보는, 제1 내지 제n 충전 상태 및 제3 기준값을 포함한다.
단계 S630에서, 마스터(230)는, 배터리 온도 정보, 배터리 수명 정보 및 배터리 용량 정보를 기초로, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)을 위한 제1 내지 제n 회전 속도를 결정한다.
일 예로, 제어 회로(231)는, 배터리 그룹(20)이 충전 중인지 방전 중인지 무관하게, 제i 온도값이 제1 기준값 이하이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이상인 경우, 상기 수식 1을 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다. 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이상이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이상인 경우, 상기 수식 2를 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다.
다른 예로, 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이하이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 5를 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다. 제어 회로(231)는, 배터리 그룹(20)이 방전되는 중, 제i 온도값이 제1 기준값 이상이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 6을 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다.
[수식 5]
Figure pat00012
[수식 6]
Figure pat00013
수식 5 및 수식 6은, 배터리 모듈(30_i)이 퇴화될수록 배터리 모듈(30_i)의 내부 저항이 증가함으로 인해, 방전 중인 배터리 모듈(30_i)의 충전 상태의 하강속도가 느려지는 특성이 고려된 것이다.
또 다른 예로, 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이하이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 7을 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다. 제어 회로(231)는, 배터리 그룹(20)의 충전되는 중, 제i 온도값이 제1 기준값 이상이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 8을 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다.
[수식 7]
Figure pat00014
[수식 8]
Figure pat00015
수식 7 및 수식 8은, 배터리 모듈(30_i)이 퇴화될수록 배터리 모듈(30_i)의 내부 저항이 증가함으로 인해, 충전 중인 배터리 모듈(30_i)의 충전 상태의 상승속도가 느려지는 특성이 고려된 것이다.
수식 5 내지 8에서, Ti는 제i 온도값, TL는 임계 온도값, Tref는 제1 기준값, SOHi는 제i 건강 상태, SOHref는 제2 기준값, SOCi는 제i 충전 상태, SOCref는 제3 기준값, K6은 제6 가중치, K7는 제7 가중치, K8는 제8 가중치, K9는 제9 가중치, Fi는 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 회전 속도를 나타낸다.
제어 회로(231)는, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이하인 경우, 수식 5 내지 8 중 어느 하나를 이용하여, 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수도 있다. 예를 들어, 제어 회로(231)는, 배터리 그룹(20)의 방전 중에는 수식 5 또는 수식 6을 이용하여 제i 회전 속도를 결정하고, 배터리 그룹(20)의 충전 중에는 수식 7 또는 수식 8을 이용하여 제i 회전 속도를 결정할 수 있다.
K6, K7, K8 및 K9 각각은 미리 정해진 양수일 수 있다. 대안적으로, K6 및 K7은, 배터리 온도 정보의 제1 기준값을 인덱스로서 이용하여, 제6 데이터 테이블 및 제7 데이터 테이블로부터 각각 획득될 수 있다. 제6 데이터 테이블은, Tref와 K6 간의 대응 관계를 규정한다. 제6 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 큰 Tref은 상대적으로 큰 K6에 연관되어 있다. 제7 데이터 테이블은, Tref와 K7 간의 대응 관계를 규정한다. 제7 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 큰 Tref은 상대적으로 큰 K7에 연관되어 있다. 상기 제1 데이터 테이블이 제6 데이터 테이블로서 이용될 수 있다. 즉, K6은 K1과 동일할 수 있다. 상기 제2 데이터 테이블이 제7 데이터 테이블로서 이용될 수 있다. 즉, K7은 K2과 동일할 수 있다.
K8는, 배터리 수명 정보의 제2 기준값을 인덱스로서 이용하여, 제8 데이터 테이블로부터 획득될 수 있다. 제8 데이터 테이블은, SOHref와 K8 간의 대응 관계를 규정한다. 제8 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 작은 SOHref은 상대적으로 큰 K8에 연관되어 있다. 상기 제5 데이터 테이블이 제8 데이터 테이블로서 이용될 수 있다. 즉, K8은 K5과 동일할 수 있다.
K9는, 배터리 용량 정보의 제3 기준값을 인덱스로서 이용하여, 제9 데이터 테이블로부터 획득될 수 있다. 제9 데이터 테이블은, SOCref와 K9 간의 대응 관계를 규정한다. 제9 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 큰 SOCref은 상대적으로 큰 K9에 연관되어 있다.
단계 S640에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 제어 신호(C_1~C_n)를 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)에게 출력한다. 즉, 제i 제어 신호(C_i)는, 제i 냉각팬(210_i)에게 출력된다. 제i 제어 신호(C_i)는, 제i 냉각팬(210_i)에게 제i 회전 속도로 회전할 것을 명령하기 위한 신호이다.
도 4 내지 도 6의 방법에 있어서, 제어 회로(231)는, 수식 1 내지 8 중 하나로부터 결정된 Fi가 소정의 하한값 미만인 경우, 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 소정의 하한값과 동일하게 결정할 수 있다. 예를 들어, Fi = -3 (회/초)이고, 소정의 하한값 = 0 (회/초)인 경우, 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도는 0 (회/초)로 제한될 수 있다.
제어 회로(231)는, 수식 1 내지 8 중 하나로부터 결정된 Fi가 소정의 상한값 초과인 경우, 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 소정의 상한값과 동일하게 결정할 수 있다. 예를 들어, Fi = 55 (회/초)이고, 소정의 상한값 = 30 (회/초)인 경우, 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도는 30 (회/초)로 제한될 수 있다. 소정의 상한값은, 제i 냉각팬(210_i)의 최대 회전 속도일 수 있다.
따라서, 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도는, 소정의 상한값과 소정의 하한값 사이의 범위에서, 제i 배터리 모듈(30_i)의 온도, 건강 상태 및/또는 충전 상태를 기초로 결정될 수 있다.
도 4 내지 도 6 각각의 방법은, 주기적으로 또는 비주기적으로 반복 실행될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 시스템(10)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다. 제2 실시예에 따른 배터리 시스템(10)에 대하여는, 제1 실시예(도 1 내지 도 3 참조)와의 공통점에 대한 반복 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
제2 실시예의 배터리 시스템(10)은, 장치(200)가 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)과 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n) 간의 전력 공급 경로로서 제공된 n쌍의 전력 공급 라인을 대체하기 위한 전력 공급 회로(300)를 더 포함한다는 점에서 제1 실시예와 다르다.
도 7을 참조하면, 전력 공급 회로(300)는, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)의 동작에 요구되는 전력을 공급하기 위한 것으로서, 메인 직렬 회로(310) 및 제1 내지 제n 서브 직렬 회로(320_1~320_n)를 포함한다.
메인 직렬 회로(310)는, 제1 노드(N+)와 제2 노드(N-)를 통해 배터리 그룹(20)에 전기적으로 병렬 연결된다. 메인 직렬 회로(310)는, 서로 직렬 연결된 메인 코일(311) 및 메인 스위치(312)를 포함한다. 예컨대 전계 효과 트랜지스터가 메인 스위치(312)로 이용될 수 있다. 메인 코일(311)의 일단은 제1 노드(N+)에 연결되고, 메인 코일(311)의 타단은 메인 스위치(312)의 일단에 연결될 수 있다. 메인 스위치(312)의 타단은 제2 노드(N-)에 연결될 수 있다.
제1 내지 제n 서브 직렬 회로(320_1~320_n)는, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)에 일대일로 제공된다. 제i 서브 직렬 회로(320_i)는, 서로 직렬 연결된 서브 코일(321_i) 및 서브 스위치(322_i)를 포함한다. 서브 스위치(322_i)는, 전계 효과 트랜지스터일 수 있다. 서브 코일(321_i)의 일단은 냉각팬(210_i)의 2개의 전원 단자 중 하나에 연결되고, 서브 코일(321_i)의 타단은 서브 스위치(322_i)의 일단에 연결될 수 있다. 서브 스위치(322_i)의 타단은 냉각팬(210_i)의 2개의 전원 단자 중 다른 하나에 연결될 수 있다. 전력 공급 회로(300)는, 플라이백 트랜스포머를 이용한 것으로서, 메인 코일(311)과 서브 코일(321_i)은 서로 자기적으로 결합 가능하다. 메인 코일(311)의 권선수에 대한 서브 코일(321_i)의 권선수의 권선비는 0~1의 값(예, 1/n)으로 미리 정해져 있을 수 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하여 전술한 제1 실시예에 연관된 방법들은, 제2 실시예에 따른 배터리 시스템(10)의 배터리 그룹(20)의 온도를 조절하는 데에도 공통적으로 적용 가능하다. 제어 회로(231)는, 단계 S430, 단계 S530 또는 단계 S630에서 결정된 제1 내지 제n 회전 속도를 기초로, 메인 스위치(312) 및 제1 내지 제n 서브 스위치(322_1~322_n)를 제어할 수 있다.
도 8은 도 7의 전력 공급 회로(300)를 제어하기 위한 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 8을 참조하면, 단계 S810에서, 마스터(230)는, 제1 기간 동안 메인 스위치(312)를 턴 온시킨다. 제1 기간의 시작 시점은, 단계 S440, 단계 S540 또는 단계 S640이 완료되는 시점으로부터 소정 시간(예, 0.01초) 내일 수 있다. 메인 스위치(312)는, 제어 회로(231)로부터의 스위칭 신호(SM)에 응답하여, 턴 온된다. 따라서, 제1 기간 동안, 메인 직렬 회로(310)를 통해 전류가 흐르면서 배터리 그룹(20)으로부터 메인 코일(311)로 에너지가 전달된다.
단계 S820에서, 마스터(230)는, 제2 기간 동안 메인 스위치(312)를 턴 오프시키고 제1 내지 제n 서브 스위치(322_1~322_n)를 턴 온시킨다. 제2 기간의 시작 시점은, 제1 기간의 종료 시점 이후일 수 있다. 제어 회로(231)는, 제1 내지 제n 서브 스위치(322_1~322_n)에 제1 내지 제n 스위칭 신호(S_1~ S_n)를 출력한다. 서브 스위치(322_i)는, 제어 회로(231)로부터의 스위칭 신호(S_i)에 응답하여, 턴 온된다. 메인 스위치(312)가 턴 오프되고 서브 스위치(322_i)가 턴 온되면, 제1 기간 동안 메인 코일(311)에 축적된 전자기 에너지가 무선으로 방출된다. 따라서, 제2 기간 동안, 제1 내지 제n 서브 직렬 회로(320_1~320_n)를 통해 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)에 전력이 공급된다. 단계 S820은, 단계 S440, 단계 S540 또는 단계 S640과 병렬적으로 실행될 수 있다. 즉, 제1 내지 제n 서브 직렬 회로(320_1~320_n)가 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)에 전력을 공급하는 동안, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)은 마스터(230)로부터의 제1 내지 제n 제어 신호(C_1~C_n)에 응답하여, 제1 내지 제n 회전 속도로 구동한다. 단계 S810의 제1 기간과 단계 S820의 제2 기간은 각각의 시간 길이는 미리 정해져 있을 수 있다.
단계 S830에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 서브 스위치(322_1~322_n)를 턴 오프시킨다.
도 7 및 도 8을 참조하여 전술한 제2 실시예에 따르면, 제i 냉각팬(210_i)의 구동에 요구되는 전력이 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n) 모두로부터 공급된다는 점에서, 제i 냉각팬(210_i)의 구동에 요구되는 전력이 제i 배터리 모듈(30_i)만으로부터 공급되는 제1 실시예와 차이가 있다. 물론, 제1, 2 실시예와는 달리, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)의 구동에 요구되는 전력은 외부 전원으로부터 공급될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 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.
1: 에너지 저장 시스템
10: 배터리 시스템
20: 배터리 그룹 30: 배터리 모듈
100: 릴레이
200: 배터리 온도 조절 장치
210: 냉각팬
220: 슬레이브 관리부
230: 마스터 관리부
300: 전력 공급 회로

Claims (12)

  1. 직렬 연결된 제1 내지 제n 배터리 모듈(n은 2 이상의 자연수)을 포함하는 배터리 그룹을 위한 배터리 온도 제어 장치에 있어서,
    상기 제1 내지 제n 배터리 모듈에 일대일로 제공되는 제1 내지 제n 냉각팬;
    상기 제1 내지 제n 배터리 모듈에 일대일로 제공되는 제1 내지 제n 슬레이브 관리부; 및
    상기 제1 내지 제n 냉각팬 및 상기 제1 내지 제n 슬레이브 관리부에 동작 가능하게 결합되는 마스터 관리부를 포함하되,
    상기 마스터 관리부는,
    상기 제1 내지 제n 슬레이브 관리부 각각으로부터의 통지 신호를 기초로, 제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함하는 배터리 온도 정보를 결정하되, 상기 제1 내지 제n 온도값은 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 온도를 나타내고, 상기 제1 기준값은 상기 제1 내지 제n 온도값의 평균 또는 중앙값이고,
    상기 배터리 온도 정보를 기초로, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 제어하도록 구성되는 배터리 온도 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 관리부는,
    i = 1 ~ n이라고 할 때, 제i 온도값이 상기 제1 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 1을 이용하여 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하고,
    상기 제i 온도값이 상기 제1 기준값보다 큰 경우, 하기의 수식 2를 이용하여 상기 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성되되,
    [수식 1]
    Figure pat00016

    [수식 2]
    Figure pat00017

    수식 1 및 수식 2에서, Ti는 상기 제i 온도값, TL는 임계 온도값, Tref는 상기 제1 기준값, K1은 제1 가중치, K2는 제2 가중치, Fi는 상기 제i 냉각팬의 회전 속도인 배터리 온도 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 관리부는,
    상기 통지 신호를 기초로, 제1 내지 제n 건강 상태 및 제2 기준값을 포함하는 배터리 수명 정보를 결정하되, 상기 제1 내지 제n 건강 상태는 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 잔여 수명을 나타내고, 상기 제2 기준값은 상기 제1 내지 제n 건강 상태의 평균 또는 중앙값이고,
    상기 배터리 수명 정보를 더 기초로, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 결정하도록 구성되는 배터리 온도 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마스터 관리부는,
    i = 1 ~ n이라고 할 때, 제i 온도값이 상기 제1 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 3을 이용하여 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하고,
    상기 제i 온도값이 상기 제1 기준값보다 큰 경우, 하기의 수식 4를 이용하여 상기 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성되되,
    [수식 3]
    Figure pat00018

    [수식 4]
    Figure pat00019

    수식 3 및 수식 4에서, Ti는 상기 제i 온도값, TL는 임계 온도값, Tref는 상기 제1 기준값, SOHi는 제i 건강 상태, SOHref는 상기 제2 기준값, K3은 제3 가중치, K4는 제4 가중치, K5은 제5 가중치, Fi는 상기 제i 냉각팬의 회전 속도인 배터리 온도 제어 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 마스터 관리부는,
    상기 통지 신호를 기초로, 제1 내지 제n 충전 상태 및 제3 기준값을 포함하는 배터리 용량 정보를 결정하되, 상기 제1 내지 제n 충전 상태는 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 잔존 용량을 나타내고, 상기 제3 기준값은 상기 제1 내지 제n 충전 상태의 평균 또는 중앙값이고,
    상기 배터리 용량 정보를 더 기초로, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 결정하도록 구성되는 배터리 온도 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 마스터 관리부는,
    i = 1 ~ n이라고 할 때, 제i 온도값이 상기 제1 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 5를 이용하여 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하고,
    상기 제i 온도값이 상기 제1 기준값보다 큰 경우, 하기의 수식 6을 이용하여 상기 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성되되,
    [수식 5]
    Figure pat00020

    [수식 6]
    Figure pat00021

    수식 5 및 수식 6에서,Ti는 상기 제i 온도값, Tref는 상기 제1 기준값, TL는 임계 온도값, SOHi는 제i 건강 상태, SOHref는 상기 제2 기준값, SOCi는 제i 충전 상태, SOCref는 상기 제3 기준값, K6은 제6 가중치, K7는 제7 가중치, K8은 제8 가중치, K9은 제9 가중치, Fi는 상기 제i 냉각팬의 회전 속도인 배터리 온도 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    전력 공급 회로를 더 포함하되,
    상기 전력 공급 회로는, 상기 배터리 그룹에 병렬 연결되는 메인 직렬 회로; 및 상기 제1 내지 제n 냉각팬에 일대일로 병렬 연결되는 제1 내지 제n 서브 직렬 회로를 포함하고,
    상기 메인 직렬 회로는, 서로 직렬 연결된 메인 코일 및 메인 스위치를 포함하고,
    상기 각 서브 직렬 회로는, 서로 직렬 연결된 서브 코일 및 서브 스위치를 포함하고,
    상기 마스터 관리부는,
    상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 기초로, 상기 메인 스위치 및 각 서브 스위치를 제어하도록 구성된 배터리 온도 제어 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 온도 제어 장치를 포함하는 배터리 시스템.
  9. 제8에 따른 상기 배터리 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템.
  10. 직렬 연결된 제1 내지 제n 배터리 모듈(n은 2 이상의 자연수)을 포함하는 배터리 그룹을 위한 배터리 온도 제어 방법에 있어서,
    제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함하는 배터리 온도 정보를 결정하되, 상기 제1 내지 제n 온도값은 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 온도를 나타내고, 상기 제1 기준값은 상기 제1 내지 제n 온도값의 평균 또는 중앙값인 단계; 및
    상기 배터리 온도 정보를 기초로, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 제어하는 단계를 포함하는 배터리 온도 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    제1 내지 제n 건강 상태 및 제2 기준값을 포함하는 배터리 수명 정보를 결정하되, 상기 제1 내지 제n 건강 상태는 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 잔여 수명을 나타내고, 상기 제2 기준값은 상기 제1 내지 제n 건강 상태의 평균 또는 중앙값인 단계를 더 포함하되,
    상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도는, 상기 배터리 수명 정보를 더 기초로 결정되는 배터리 온도 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    제1 내지 제n 충전 상태 및 제3 기준값을 포함하는 배터리 용량 정보를 결정하되, 상기 제1 내지 제n 충전 상태는 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 잔존 용량을 나타내고, 상기 제3 기준값은 상기 제1 내지 제n 충전 상태의 평균 또는 중앙값인 단계를 더 포함하되,
    상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도는, 상기 배터리 용량 정보를 더 기초로 결정되는 배터리 온도 제어 방법.
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