KR20210051461A - 배터리 관리 시스템 및 배터리 셀의 과전압 판단 방법 - Google Patents

배터리 관리 시스템 및 배터리 셀의 과전압 판단 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 관리 시스템 및 배터리 셀의 과전압 판단 방법에 관한 것으로, 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하는 전압 측정부; 배터리 셀의 동작 상태를 판단하는 동작 판단부; 측정된 전압을 배터리 셀의 과전압 판단을 위한 임계 전압과 비교하여 과전압 여부를 판단하는 과전압 판단부: 및 배터리 셀의 동작 상태에 따라서 배터리 셀의 과전압 판단을 위한 임계 전압을 조정하는 임계 전압 조정부;를 포함하는 배터리 관리 시스템을 제공하여 배터리 셀의 과전압 여부를 정확하게 판단할 수 있게 한다.

Description

배터리 관리 시스템 및 배터리 셀의 과전압 판단 방법{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND METHOD FOR DETERMINING OVER VOLTAGE OF BATTERY CELL}
본 발명은 배터리 관리 시스템 및 배터리 셀의 과전압 판단 방법에 관한 것이다.
최근 스마트폰 등 전자 기기의 보급과 전기 자동차 개발에 수반하여 전력 공급원으로서의 이차 전지에 대한 연구 또한 활발히 이루어지고 있다. 이차 전지는 복수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈과, 배터리 모듈의 동작을 관리하는 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)을 포함하는 배터리 팩 형태로 제공된다.
배터리 관리 시스템은 배터리 셀의 상태를 모니터링 하여 배터리 셀에 이상이 발생하였는지를 판단한다. 특히, 배터리 셀의 전압이 소정의 임계 전압을 초과하는 과전압 상태가 발생하는 경우, 이를 조기에 파악하는 것이 필요하다. 배터리 셀의 과전압 검출이 지연되면 배터리 셀이나 배터리 팩 자체의 파손뿐만 아니라 배터리 팩이 장착된 전자 장비, 예를 들어 전기 자동차 등의 손상으로 이어질 우려가 있기 때문이다.
그러나 종래의 과전압 판단 방법에서는 배터리 팩의 동작 상태를 전혀 고려하지 않았기 때문에, 정확한 과전압 판단이 곤란하다는 문제점이 존재하였다. 그 결과 배터리 셀이 정상적인 상태임에도 불구하고 과전압 상태라고 오판단할 가능성이 존재하였다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 배터리 셀의 과전압 여부를 정확하게 판단할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 배터리 셀의 과전압 판단 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예들의 일 측면에 의하면, 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하는 전압 측정부; 배터리 셀의 동작 상태를 판단하는 동작 판단부; 측정된 전압을 배터리 셀의 과전압 판단을 위한 임계 전압과 비교하여 과전압 여부를 판단하는 과전압 판단부: 및 배터리 셀의 동작 상태에 따라서 배터리 셀의 과전압 판단을 위한 임계 전압을 조정하는 임계 전압 조정부;를 포함하는 배터리 관리 시스템을 제공한다.
이러한 본 발명의 실시예의 다른 특징에 의하면, 동작 판단부는 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작을 수행하는지 여부를 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 임계 전압 조정부는 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작을 수행한다고 판단한 경우 임계 전압을 상승시킬 수 있다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 임계 전압 조정부는 셀 밸런싱 동작 수행 시의 배터리 셀의 전압과 셀 밸런싱 동작 비수행 시의 배터리 셀의 전압의 전압차에 기초하여 임계 전압을 상승시킬 수 있다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 임계 전압 조정부는 임계 전압의 상승량을 전압차에 기초하여 조정할 수 있다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 임계 전압 조정부는 임계 전압을 미리 설정된 만큼 상승시킬 수 있다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 임계 전압 조정부는 셀 밸런싱 동작의 수행 동안에 발생하는 배터리 셀에서의 전압 변화량에 기초하여 임계 전압을 상승시킬 수 있다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 임계 전압 조정부는 전압 측정부에 의하여 측정된 배터리 셀의 현재 전압이 기준 전압 미만인 경우, 배터리 셀의 동작 상태와 무관하게 임계 전압을 조정하지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 동작 판단부는 배터리 셀의 셀 밸런싱을 제어하는 제어신호에 기초하여 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작을 수행한다고 판단하고, 임계 전압 조정부는 제어신호에 따른 배터리 셀의 셀 밸런싱 동작이 개시되기 전에 임계 전압을 조정할 수 있다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 전압 측정부가 측정한 복수의 배터리 셀 각각의 전압에 기초하여 셀 밸런싱 동작이 필요한지 여부를 판단하는 셀 밸런싱 제어부를 더 포함하고, 임계 전압 조정부는 셀 밸런싱 제어부가 배터리 셀의 셀 밸런싱이 필요하다는 판단에 기초하여 임계 전압을 조정할 수 있다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 과전압 판단부는 배터리 셀의 셀 밸런싱 동작의 개시 시점부터 미리 정해진 시간 이후에 측정된 전압값에 기초하여 배터리 셀의 과전압 여부를 판단할 수 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예들의 다른 측면에 의하면, 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하는 단계; 배터리 셀의 셀 밸런싱 동작의 수행 여부를 판단하는 단계; 셀 밸런싱 동작의 수행 여부에 기초하여 배터리 셀의 과전압 판단을 위해 설정되어 있던 임계 전압을 조정하는 단계; 측정된 전압을 조정된 임계 전압과 비교하는 단계; 비교 결과에 기초하여 배터리 셀의 과전압 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 배터리 셀의 과전압 판단 방법을 제공한다.
이러한 본 발명의 실시예의 다른 특징에 의하면, 임계 전압을 조정하는 단계는 셀 밸런싱 동작 수행 시의 배터리 셀의 전압과 셀 밸런싱 동작 비수행 시의 기 배터리 셀의 전압의 전압차에 기초하여 임계 전압을 상승시킬 수 있다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 임계 전압을 조정하는 단계는 임계 전압을 미리 설정된 만큼 상승시키는 것일 수 있다.
이상의 구성으로 인하여, 배터리 관리 시스템 및 배터리 셀의 과전압 판단 방법은 배터리 팩의 동작 상태와 무관하게 배터리 셀의 과전압 여부를 정확하게 판단할 수 있게 된다.
도 1은 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 배터리 관리 시스템의 회로 구현예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 셀 밸런싱 동작시 배터리 셀의 전압 변화를 측정한 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 종래의 과전압 판단 방법을 설명하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 판단 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 도 6에 따른 과전압 판단 방법을 설명하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 과전압 판단 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 도 8에 따른 과전압 판단 방법을 설명하는 그래프이다.
도 10은 배터리 관리 시스템의 하드웨어 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 문서에서 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 문서에 개시되어 있는 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예들은 여러 가지 형태로 실시될 수 있으며 본 문서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
다양한 실시 예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
도 1은 배터리 관리 시스템(20)을 포함하는 배터리 팩(1)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(1)은 하나의 이상의 배터리 셀로 이루어지고, 충방전 가능한 배터리 모듈(10)과, 배터리 모듈(10)의 +단자 측 또는 -단자 측에 직렬로 연결되어 배터리 모듈(10)의 충방전 전류 흐름을 제어하기 위한 스위칭부(30)와, 배터리 셀 및/또는 배터리 모듈(10)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링 하여, 과충전 및 과방전 등을 방지하도록 제어 관리하는 배터리 관리 시스템(20)(이하 'BMS'라고 함)을 포함한다.
배터리 모듈(10)은 충방전 가능한 하나 이상의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 셀은 리튬 이온(Li-ion) 전지, 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 전지, 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈 수소(Ni-MH) 전지 등일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
BMS(20)는, 배터리 모듈(10)의 충방전을 제어하기 위하여 스위칭부(30)의 동작을 제어할 수 있다. 또한, BMS(20)는 배터리 모듈(10) 및/또는 배터리 모듈(10)에 포함된 각 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링 할 수 있다. 그리고 BMS(20)에 의한 모니터링을 위해 도시하지 않은 센서나 각종 측정 모듈이 배터리 모듈(10)이나 충방전 경로, 또는 배터리 팩(1) 등의 임의의 위치에 추가로 설치될 수 있다. BMS(20)는 모니터링 한 전압, 전류, 온도 등의 측정값에 기초하여 배터리 모듈(10)의 상태를 나타내는 파라미터, 예를 들어 SOC나 SOH 등을 산출할 수 있다.
BMS(20)는 배터리 팩(1)의 전반적인 동작을 제어 및 관리한다. 이를 위하여 BMS(20)는 프로그램을 실행시키고 BMS(20)의 전체 동작을 제어하는 컨트롤러로서의 마이컴과, 센서나 측정 수단등의 입출력 장치, 기타 주변 회로 등 다양한 구성을 포함할 수 있다.
또한 BMS(20)는 배터리 셀의 과전압 여부를 판단할 수 있다. 특히 본 발명의 실시예에 따른 BMS(20)는 배터리 팩(1)의 동작 상태를 고려하여 과전압 판정을 위한 임계 전압을 조정할 수 있다. 즉, BMS(20)는 임계 전압으로서 고정된 값이 아닌 배터리 팩(1)의 동작 상태에 따라서 조정된 값을 사용하여 배터리 셀의 과전압 여부를 판단할 수 있다.
스위칭부(30)는 배터리 모듈(100)의 충전 또는 방전에 대한 전류 흐름을 제어하기 위한 반도체 스위칭 소자로서, 예를 들면, 적어도 하나의 MOSFET이 이용될 수 있다.
배터리 팩(1)은 추가로 외부의 상위 제어기(2)와 통신 가능하게 연결될 수 있다. 즉, 배터리 팩(1)은 상위 제어기(2)로 배터리 팩(1)에 대한 각종 데이터를 전송하고, 상위 제어기(2)로부터 배터리 팩(1)의 동작에 관한 제어신호를 수신할 수 있다. 상위 제어기(2)는 배터리 팩(1)이 전기 자동차에 탑재된 경우 차량의 운행을 제어하기 위한 차량 제어기일 수 있다.
도 2는 배터리 관리 시스템(200)의 회로 구현예를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 배터리 팩(1')은 BMS(20)로서 마이컴(21) 및 셀 밸런싱 회로(22)를 포함하고 있다. 셀 밸런싱 회로(22)는 배터리 모듈(10) 내에 포함된 복수의 배터리 셀(Cell#1~Cell#N)(N은 배터리 셀의 개수)에 대하여 각각의 충전 상태인 SOC가 균일해지도록 하는 회로이다. 셀 밸런싱 회로(22)는 배터리 셀(Cell#1~Cell#N)마다 대응하는 스위칭 소자(SWb1~SWbN)와 저항(Rb1~RbN)을 포함할 수 있다. 이때, 대응하는 스위칭 소자(SWb1~SWbN)와 저항(Rb1~RbN) 각각은 직렬로 연결될 수 있으며, 직렬 연결된 스위칭 소자와 저항은 배터리 셀과 병렬로 연결될 수 있다. 이하에서는, 특정 배터리 셀, 스위칭 소자, 저항을 지칭하는 경우가 아니라면 각각 배터리 셀(Cell#n), 스위칭 소자(SWbn), 저항(Rbn)으로 기재하도록 한다.
마이컴(21)은 복수의 배터리 셀(Cell#n) 각각의 전압을 측정한다. 마이컴(21)은 복수의 배터리 셀(Cell#n) 각각의 양단의 전압을 측정할 수 있다. 본 실시예에서는 마이컴(21)에 배터리 셀(Cell#n) 양단이 직접 연결되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 셀(Cell#n) 각각의 양단이 아날로그 프론트 엔드 회로에 연결된 후, 아날로그 프론트 엔드 회로의 출력이 마이컴(21)에 제공될 수도 있을 것이다.
마이컴(21)은 복수의 배터리 셀(Cell#n) 각각의 전압에 기초하여 셀 밸런싱이 필요한지 여부를 판단할 수 있다. 또는 마이컴(21)은 배터리 셀의 전압에 더하여, 배터리 셀, 배터리 모듈(10) 또는 배터리 팩(1')의 상태에 관하여 측정한 다른 값들(예를 들어 전류, 온도 등)에 기초하여 복수의 배터리 셀(Cell#n) 각각의 SOC를 산출하고, 산출한 SOC에 기초하여 셀 밸런싱의 필요 여부를 판단할 수도 있다. 이하에서는 배터리 셀, 배터리 모듈(10) 또는 배터리 팩(1, 1') 중 어느 하나를 지칭하는 경우에 편의상 단순히 '배터리'라고 하도록 한다.
마이컴(21)은 셀 밸런싱이 필요한 경우 제어신호(SC1~SCN)를 스위칭 소자(SWbn)에 인가한다. 구체적으로는, 마이컴(21)은 복수의 배터리 셀(Cell#n)들 중에서 셀 밸런싱이 필요한 배터리 셀이 있다고 판단하면, 스위칭 소자(SWbn)에 제어신호(CSn)를 인가하여 셀 밸런싱을 수행한다. 본 실시예의 경우, 특정 배터리 셀의 전압이 다른 전압보다 높은 경우, 해당 배터리 셀에 대응하는 스위칭 소자를 온 시켜 저항을 통해 배터리 셀을 방전시킬 수 있다. 또는 특정 배터리 셀의 전압이 다른 전압보다 낮은 경우, 해당 배터리 셀 이외의 배터리 셀에 대응하는 스위칭 소자를 온 시켜 저항을 통해 특정 배터리 셀 이외의 배터리 셀을 방전시킬 수 있다.
또한 셀 밸런싱 회로(22)는 도 2에서와 같이 SOC가 높은 배터리 셀을 일방적으로 방전시키는 방식이 아니라, SOC가 높은 배터리 셀의 전력을 SOC가 낮은 배터리 셀에 충전하는 방식의 것이 적용될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명할 것이다.
스위칭부(30)로서는 제1 스위칭 소자(SW1) 및 프리차지를 위한 제2 스위칭 소자(SW2), 제1 저항(R1) 등을 포함하는 양극측 스위칭 소자(31)와 제3 스위칭 소자(SW3)를 포함하는 음극측 스위칭 소자(32) 등을 포함한다.
본 실시예에 따른 마이컴(21)은 배터리 셀(Cell#n)의 전압을 측정하고, 그에 기초하여 셀 밸런싱 동작의 필요 여부를 판단한다. 그리고 셀 밸런싱 동작이 필요하다고 판단하면 제어신호(CSn)를 통하여 셀 밸런싱 회로(22)를 제어한다. 그리고 마이컴(21)은 또한 측정한 배터리 셀(Cell#n)의 전압에 기초하여 배터리 셀(Cell#n)의 과전압 여부를 판단한다. 이때, 마이컴(21)은 셀 밸런싱 동작이 수행될 때에는 과전압 여부를 판단하기 위한 임계 전압을 설정된 임계 전압에서 조정한 값을 이용한다. 임계 전압의 조정에 대한 구체적인 동작은 이하에서 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(20)의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, BMS(20)는 전압 측정부(210), 저장부(220), 셀 밸런싱 제어부(230), 동작 판단부(240), 임계 전압 조정부(250), 과전압 판단부(260) 등을 포함할 수 있다.
전압 측정부(210)는 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정한다.
저장부(220)는 BMS(20)의 동작에 필요한 각종 프로그램을 저장할 수 있다. 또한 저장부(220)에는 과전압 판단을 위한 임계 전압이 미리 설정되어 저장되어 있을 수 있다. 또한 저장부(220)는 임계 전압의 조정에 관한 각종 설정이 저장되어 있을 수 있다. 예를 들어, 임계 전압을 미리 설정된 만큼 조정하는 경우, 해당 조정량이 저장되어 있을 수 있다.
셀 밸런싱 제어부(230)는 전압 측정부(210)에 의하여 측정된 복수의 배터리 셀 각각의 전압에 기초하여 셀 밸런싱 동작이 필요한지 여부를 판단한다. 셀 밸런싱 제어부(230)는 셀 밸런싱이 필요하다고 판단한 경우, 셀 밸런싱 회로에 제어신호를 인가한다. 이와 같은 방식으로 셀 밸런싱 제어부(230)는 특정 배터리 셀이 방전되게 하거나 배터리 셀들이 충방전을 수행하도록 하여 셀 밸런싱 동작이 수행되도록 할 수 있다.
셀 밸런싱 제어부(230)는 셀 밸런싱 동작이 필요하다고 판단하였을 경우에, 그 판단 결과를 임계 전압 조정부(250)에 제공할 수도 있다. 또는 셀 밸런싱 제어부(230)는 셀 밸런싱 회로에 제공하는 제어신호를 임계 전압 조정부(250)에 제공할 수도 있을 것이다.
동작 판단부(240)는 배터리 셀의 동작 상태를 판단한다. 동작 판단부(240)는 배터리가 소정의 동작 상태인지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 동작 판단부(240)는 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작을 수행하는지 여부를 판단할 수 있다. 셀 밸런싱 동작을 수행하는지 여부는, 셀 밸런싱 동작을 수행할 예정인지, 혹은 셀 밸런싱 동작을 수행하고 있는지 등일 수 있다. 또는 동작 판단부(240)는 배터리 셀이 충전 중인지 혹은 방전 중인지, 또는 기타 다른 동작이 수행되고 있는지 등, 다양한 상태를 판단할 수도 있을 것이다.
동작 판단부(240)는 셀 밸런싱 제어부(230)로부터 셀 밸런싱 동작이 필요하다고 판단한 결과를 나타내는 신호를 수신하고, 이에 기초하여 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작을 수행한다는 것을 판단할 수 있다. 또는, 동작 판단부(240)는 셀 밸런싱 제어부(230)가 셀 밸런싱 회로에 제공하는 제어신호를 수신하고, 이에 기초하여 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작을 수행한다는 것을 판단할 수 있다. 또는 상기 설명한 방법 외에도 동작 판단부(240)는 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작을 수행한다는 것을 판단할 수 있을 것이다.
임계 전압 조정부(250)는 배터리 셀의 동작 상태에 따라서 배터리 셀의 과전압 판단을 위한 임계 전압을 조정한다. 임계 전압 조정부(250)는 동작 판단부(240)에 의하여 배터리가 소정의 동작 상태라고 판단하는 경우 과전압 판단을 위한 임계 전압을 조정한다. 예를 들어, 임계 전압 조정부(250)는 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작을 수행한다고 판단한 경우, 저장부(220)에 저장되어 있는 임계 전압에 기초하여 조정 임계 전압을 산출한다.
임계 전압 조정부(250)는 배터리가 셀 밸런싱 동작을 수행한다고 판단하는 경우, 과전압 판단을 위한 임계 전압을 조정할 수 있다. 구체적으로는 임계 전압 조정부(250)는 배터리가 셀 밸런싱 동작을 수행한다고 판단하는 경우, 임계 전압을 상승시킬 수 있다.
도 4는 셀 밸런싱 동작시 배터리 셀의 전압 변화를 측정한 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작을 수행하지 않는 경우 약 4.169V의 출력 전압을 나타냈으나, ton의 타이밍에 셀 밸런싱을 위한 제어신호가 인가되어 셀 밸런싱 동작이 ON 된 경우, 해당 배터리 셀의 출력 전압이 4.538V로 상승하였다. 즉, 셀 밸런싱 동작이 OFF에서 ON으로 변경된 것만으로도 배터리 셀의 전압이 약 0.37V 증가하였다.
도 5는 종래의 과전압 판단 방법을 설명하는 그래프이다.
도 5를 살펴보면, 종래에는 배터리의 상태와 상관 없이 과전압 판단을 위한 임계 전압 Vref가 설정되어 있었다. 예를 들어, 4.4V가 과전압 판단을 위한 임계 전압으로 설정될 수 있다.
그러나 셀 밸런싱이 임계 전압 근처에서 수행되는 경우, 예를 들어 도 4에서와 같이 4.169V에서 수행되는 경우, 셀 밸런싱 동작이 ON 되는 것만으로 해당 배터리 셀의 전압이 4.538V가 된다. 따라서 배터리 셀은 정상 상태임에도 불구하고 배터리 셀의 전압이 과전압 판단을 위한 임계 전압을 초과하게 되어 배터리 셀이 과전압 상태라고 판단하게 된다. 즉, 배터리 셀 상태에 대하여 오진단을 하게 된다.
그러나 본 실시예의 경우, 셀 밸런싱 동작이 수행되는 등, 배터리가 소정의 동작 상태인 경우에는 임계 전압 조정부(250)가 과전압 판단을 위한 임계 전압을 조정한다. 즉 임계 전압 조정부(250)는 배터리의 특정 동작에 의하여 배터리 셀의 전압이 변경되어도 과전압을 오진단 하지 않도록 임계 전압을 조정한다.
예를 들어, 배터리 셀에 대하여 셀 밸런싱 동작이 수행되는 경우에는 배터리 셀의 전압이 상승한다. 따라서, 임계 전압 조정부(250)는 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작의 OFF에서 ON으로의 전환시에 발생하는 상승을 감안하여 임계 전압도 상승시킨다. 임계 전압을 상승시키는 양은 저장부(220)에 미리 설정되어 있을 수 있다. 이때, 미리 설정된 임계 전압의 상승량 또한 어느 하나의 값으로 고정되는 것이 아니라, 셀 밸런싱 동작의 수행 동안에 발생하는 배터리 셀에서의 전압 변화량에 기초하여 조정될 수 있을 것이다.
다른 예로서, 임계 전압 조정부(250)는 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작의 OFF에서 ON으로의 전환시에 발생하는 전압 상승량을 측정하고, 측정된 전압 상승량에 기초하여 임계 전압의 상승량을 조정할 수 있다. 다시 말해, 임계 전압 조정부(250)는 셀 밸런싱 동작 수행 시의 배터리 셀의 전압과 셀 밸런싱 동작 비수행 시의 배터리 셀의 전압의 전압차에 기초하여 임계 전압을 상승시킨다. 또한, 상승시키는 임계 전압의 양은 단순히 셀 밸런싱 동작 수행 시의 배터리 셀의 전압과 셀 밸런싱 동작 비수행 시의 배터리 셀의 전압의 전압차를 그대로 반영한 것이 아니라, 전압차와 다른 요인에 기초하여 조정 가능할 수도 있다.
한편, 임계 전압 조정부(250)는 현재 배터리 셀의 전압이 소정의 기준 전압 미만인 경우에는 배터리 셀이 소정의 동작 상태일 때라도 임계 전압을 조정하지 않을 수 있다. 상술한 바와 같이 배터리 셀이 임계 전압 근방에서 셀 밸런싱을 수행하는 경우에는, 셀 밸런싱 동작이 ON 되면서 배터리 셀의 전압이 증가하여 배터리 셀이 과전압이라고 오진단할 수 있다. 그러나 배터리 셀이 임계 전압보다 많이 낮은 전압 근방에서 셀 밸런싱을 수행하는 경우에는, 셀 밸런싱 동작이 ON 되어 배터리 셀의 전압이 증가하여도 과전압 상황이 발생하지 않는다. 따라서 임계 전압 조정부(250)는 전압 측정부(210)에 의하여 측정된 배터리 셀의 현재 전압이 기준 전압 미만인 경우, 배터리 셀의 동작 상태와 무관하게 임계 전압을 조정하지 않을 수 있다.
과전압 판단부(260) 측정된 전압을 배터리 셀의 과전압 판단을 위한 임계 전압과 비교하여 과전압 여부를 판단한다. 만약, 배터리가 소정의 동작 상태인 경우에는 임계 전압 조정부(250)가 저장부(220)에 저장되어 있는 임계 전압을 조정한 값을 배터리 셀의 전압과 비교하여 과전압 여부를 판단한다. 반면에, 배터리가 소정의 동작 상태가 아닌 경우에는 저장부(220)에 저장되어 있는 임계 전압을 배터리 셀의 전압과 비교하여 과전압 여부를 판단한다.
이하, BMS(20)에 의한 과전압 판단 방법을 구체적으로 살펴본다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 판단 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 전압 측정부(210)는 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정한다(S101). 그리고 셀 밸런싱 제어부(230)는 측정한 배터리 셀 각각의 전압에 기초하여 셀 밸런싱 동작이 필요한지 여부를 판단한다(S103). 셀 밸런싱 제어부(230)는 전압 측정부(210)가 측정한 전압값에 직접적으로 기초하여 셀 밸런싱의 필요 여부를 판단할 수도 있으며, 측정한 전압값으로부터 산출된 다른 상태값(SOC 등)에 기초하여 셀 밸런싱의 필요 여부를 판단할 수도 있다.
S103 단계에서 셀 밸런싱이 필요하다고 판단되면, 셀 밸런싱 제어부(230)는 셀 밸런싱 회로에 셀 밸런싱용 제어신호를 생성하여 인가한다(S105).
또한 동작 판단부(240)는 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작을 수행한다는 것을 검출한다. 즉, 동작 판단부(240)는 셀 밸런싱 동작의 수행 여부를 판단한다. 그리고 이러한 동작 판단부(240)의 판단에 기초하여 임계 전압 조정부(250)는 과전압 판단용 임계 전압을 조정한다(S107). 임계 전압 조정부(250)는 배터리 셀의 셀 밸런싱 동작의 수행 여부에 기초하여 임계 전압을 조정한다. 즉, 임계 전압 조정부(250)는 셀 밸런싱 제어부(230)가 배터리 셀의 셀 밸런싱이 필요하다는 판단에 기초하여 임계 전압을 조정할 수 있다. 따라서 임계 전압 조정부(250)는 셀 밸런싱 동작이 개시되기 전에 임계 전압을 상승시킬 수 있다. 또는 임계 전압 조정부(250)는 셀 밸런싱 제어부(230)가 셀 밸런싱 회로에 인가하는 제어신호를 수신하고, 그에 기초하여 셀 밸런싱 동작의 개시 직전에 또는 셀 밸런싱 동작 개시와 동시에 임계 전압을 조정할 수도 있을 것이다.
셀 밸런싱 회로는 셀 밸런싱 제어부(230)로부터의 제어신호에 기초하여 셀 밸런싱 동작을 수행한다(S109). 그리고 과전압 판단부(260)는 조정된 임계 전압을 사용하여 배터리 셀의 과전압 여부를 판단한다(S111). 즉, 과전압 판단부(260)는 측정된 배터리 셀의 전압이 조정된 임계 전압을 비교한다. 그리고 과전압 판단부(260)는 비교 결과에 기초하여, 과전압 여부를 판단한다. 다시 말해 배터리 셀의 전압이 조정된 임계 전압을 초과하는지를 판단한다.
도 7은 도 6에 따른 과전압 판단 방법을 설명하는 그래프이다. 도 7의 그래프에서 가로축은 시간을 나타내며, 세로축은 전압값을 나타낸다.
도 7에 나타나는 바와 같이, 배터리 셀은 ton의 타이밍에 셀 밸런싱 동작이 OFF에서 ON으로 전환된다. 즉, ton에 셀 밸런싱 동작을 개시한다. 이에 따라 배터리 셀의 전압 Vcell이 ton에서 상승한다.
그러나 임계 전압 조정부(250)는 셀 밸런싱 동작이 개시되는 것을 검출하여 ton보다 앞선 t1에 임계 전압을 Vref1에서 Vref2로 ΔV만큼 상승시킨다. 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작에 의해 전압이 상승하여도, 상승된 배터리 셀의 전압은 여전히 과전압 판단을 위한 임계 전압보다는 작다.
따라서 상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 과전압 판단 방법에 의하면 배터리 셀의 동작 상태를 고려하여 과전압을 판단하므로 배터리 셀을 과전압 상태라고 오진단할 가능성을 낮출 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 과전압 판단 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 전압 측정부(210)는 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정한다(S201). 그리고 셀 밸런싱 제어부(230)는 측정한 배터리 셀 각각의 전압에 기초하여 셀 밸런싱 동작이 필요한지 여부를 판단한다(S203). 셀 밸런싱 제어부(230)는 전압 측정부(210)가 측정한 전압값에 직접적으로 기초하여 셀 밸런싱의 필요 여부를 판단할 수도 있으며, 측정한 전압값으로부터 산출된 다른 상태값(SOC 등)에 기초하여 셀 밸런싱의 필요 여부를 판단할 수도 있다.
S203 단계에서 셀 밸런싱이 필요하다고 판단되면, 셀 밸런싱 제어부(230)는 셀 밸런싱 회로에 셀 밸런싱용 제어신호를 생성하여 인가한다(S205). 셀 밸런싱 회로는 셀 밸런싱 제어부(230)로부터의 제어신호에 기초하여 셀 밸런싱 동작을 수행한다(S207).
또한 동작 판단부(240)는 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작을 수행한다는 것을 검출한다. 즉, 동작 판단부(240)는 셀 밸런싱 동작의 수행 여부를 판단한다. 그리고 이러한 동작 판단부(240)의 판단에 기초하여 임계 전압 조정부(250)는 과전압 판단용 임계 전압을 조정한다(S209). 임계 전압 조정부(250)는 배터리 셀의 셀 밸런싱 동작의 수행 여부에 기초하여 임계 전압을 조정한다. 임계 전압 조정부(250)는 셀 밸런싱 제어부(230)가 셀 밸런싱 회로에 인가하는 제어신호를 수신하고, 그에 기초하여 임계 전압을 조정할 수 있다. 따라서 임계 전압 조정부(250)는 셀 밸런싱 동작이 개시된 이후에 임계 전압을 조정될 수도 있을 것이다.
과전압 판단부(260)는 조정된 임계 전압을 사용하여 배터리 셀의 과전압 여부를 판단한다(S211). 즉, 과전압 판단부(260)는 측정된 배터리 셀의 전압이 조정된 임계 전압을 비교한다. 그리고 과전압 판단부(260)는 비교 결과에 기초하여, 과전압 여부를 판단한다. 다시 말해 배터리 셀의 전압이 조정된 임계 전압을 초과하는지를 판단한다.
다만, 과전압이 발생하였는지를 판단하고(S213), 과전압이 발생하였다고 판단되면, 과전압이 발생하였다고 판단한 시점이 셀 밸런싱 동작 개시 후 기준 시간을 경과 하였는지를 판단한다(S215). 이는 임계 전압이 셀 밸런싱 동작의 개시 이후에 조정되었기 때문에, 일시적으로 임계 전압보다 배터리 셀의 전압값이 큰 경우가 발생하기 때문이다.
S215 단계에서, 과전압이 발생하였다고 판단한 시점이 셀 밸런싱 동작 개시 후 기준 시간을 경과하지 않은 경우에는 과전압이 아니라고 최종적으로 판단하고, 다시 S211 단계로 돌아간다. 반면, S215 단계에서, 과전압이 발생하였다고 판단한 시점이 셀 밸런싱 동작 개시 후 기준 시간을 경과한 경우에는 일시적으로 과전압 상태가 된 것이 아니므로, 최종적으로 배터리 셀이 과전압 상태라고 판단한다(S217).
도 9는 도 8에 따른 과전압 판단 방법을 설명하는 그래프이다. 도 9의 그래프에서 가로축은 시간을 나타내며, 세로축은 전압값을 나타낸다.
도 9에 나타나는 바와 같이, 배터리 셀은 ton의 타이밍에 셀 밸런싱 동작이 OFF에서 ON으로 전환된다. 즉, ton에 셀 밸런싱 동작을 개시한다. 이에 따라 배터리 셀의 전압 Vcell이 ton에서 상승한다.
임계 전압 조정부(250)는 셀 밸런싱 동작이 개시되는 것을 검출하고, 임계 전압을 조정한다. 임계 전압은 Vref1에서 Vref2로 ΔV만큼 상승된다. 다만, 본 실시예에서는 임계 전압의 상승 시점이 ton보다 늦은 t2이다. 즉, Δt 동안은 배터리 셀의 전압이 임계 전압보다 큰 값이 된다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이, Δt 가 기준 시간보다 짧은 기간인 경우, 과전압 판단부(260)는 배터리 셀이 과전압 상태라고 판단하지 않는다.
따라서 상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 과전압 판단 방법에 의하여도 배터리 셀의 동작 상태를 고려하여 과전압을 판단하므로 배터리 셀을 과전압 상태라고 오진단할 가능성을 낮출 수 있게 된다.
또한 일시적으로 과전압 상태가 판정되더라도 셀 밸런싱 동작의 개시 시점부터 미리 정해진 시간 이전에 측정된 값에 대하여는 그 비교 결과를 무시한다. 즉, 미리 정해진 시간 이후에 측정된 전압값에 기초하여만 배터리 셀의 과전압 여부를 판단한다. 이로써 배터리 셀이 실제로 과전압 상태가 아니라 임계 전압 조정 전에 일시적으로 과전압이라고 판단된 경우에도, 최종적으로는 과전압 상태라고 판단하지 않아 오진단을 억제할 수 있게 된다.
도 10은 배터리 관리 시스템(20)의 하드웨어 구성도이다.
도 10을 참조하면, BMS(20)는 컨트롤러(MCU)(310), 메모리(320), 입출력 인터페이스(330) 및 통신 인터페이스(340)를 포함할 수 있다.
MCU(310)는 BMS(20) 내의 각종 동작 및 연산의 처리와 각 구성의 제어를 수행한다.
메모리(320)에는 운영체제 프로그램 및 BMS(20)의 기능을 수행하기 위한 프로그램이 기록된다. 즉, 메모리(320)에는 본 발명의 실시예들에 따른 과전압 판단 방법을 수행하기 위한 알고리즘이 기술된 프로그램이 저장될 수 있다. 메모리(320)는 휘발성 메모리 및 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(320)는 RAM, ROM, 플래시 메모리 등의 반도체 메모리, 자기 디스크, 광 디스크 등 각종 저장매체 중 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다. 메모리(320)는 MCU(310)에 내장된 메모리일 수도 있으며, MCU(310)와는 별도로 설치된 추가적인 메모리일 수도 있다.
입출력 인터페이스(330)는 각종 입력신호 및 출력신호의 입출력을 수행한다. 예를 들어, BMS(20)에 포함된 MCU(310)는 입출력 인터페이스(330)를 통하여 각종 센서로부터의 신호를 수신할 수 있다.
통신 인터페이스(340)는 외부와 유선 및/또는 무선으로 통신 가능한 구성이다.
MCU(310)가 메모리(320)에 저장된 프로그램을 실행함으로써 셀 밸런싱 제어부(230), 동작 판단부9240), 임계 전압 조정부(250) 및 과전압 판단부(260)의 기능을 수행하는 모듈을 구현할 수 있을 것이다. 메모리(320)는 저장부(220)로서의 기능을 수행할 수 있을 것이다. 또한 MCU(310)가 입출력 인터페이스(330)와 함께 동작하여 전압 측정부(210)로서의 기능을 수행할 것이다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 배터리 팩 10 배터리 모듈
20 배터리 관리 시스템 30 스위칭부
210 전압 측정부 220 저장부
230 셀 밸런싱 제어부 240 동작 판단부
250 임계 전압 조정부 260 과전압 판단부

Claims (14)

  1. 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 배터리 셀의 동작 상태를 판단하는 동작 판단부;
    상기 측정된 전압을 상기 배터리 셀의 과전압 판단을 위한 임계 전압과 비교하여 과전압 여부를 판단하는 과전압 판단부: 및
    상기 배터리 셀의 동작 상태에 따라서 상기 배터리 셀의 과전압 판단을 위한 임계 전압을 조정하는 임계 전압 조정부;를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 동작 판단부는 상기 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작을 수행하는지 여부를 판단하는 배터리 관리 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 임계 전압 조정부는 상기 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작을 수행한다고 판단한 경우 상기 임계 전압을 상승시키는 배터리 관리 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 임계 전압 조정부는 상기 셀 밸런싱 동작 수행 시의 상기 배터리 셀의 전압과 상기 셀 밸런싱 동작 비수행 시의 상기 배터리 셀의 전압의 전압차에 기초하여 상기 임계 전압을 상승시키는 배터리 관리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 임계 전압 조정부는 상기 임계 전압의 상승량을 상기 전압차에 기초하여 조정 가능한 배터리 관리 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 임계 전압 조정부는 상기 임계 전압을 미리 설정된 만큼 상승시키는 배터리 관리 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 임계 전압 조정부는 상기 셀 밸런싱 동작의 수행 동안에 발생하는 상기 배터리 셀에서의 전압 변화량에 기초하여 상기 임계 전압을 상승시키는 배터리 관리 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 임계 전압 조정부는 상기 전압 측정부에 의하여 측정된 상기 배터리 셀의 현재 전압이 기준 전압 미만인 경우, 상기 배터리 셀의 동작 상태와 무관하게 상기 임계 전압을 조정하지 않는 배터리 관리 시스템.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 동작 판단부는 상기 배터리 셀의 셀 밸런싱을 제어하는 제어신호에 기초하여 상기 배터리 셀이 셀 밸런싱 동작을 수행한다고 판단하고,
    상기 임계 전압 조정부는 상기 제어신호에 따른 상기 배터리 셀의 셀 밸런싱 동작이 개시되기 전에 상기 임계 전압을 조정하는 배터리 관리 시스템.
  10. 청구항 3에 있어서,
    상기 전압 측정부가 측정한 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압에 기초하여 셀 밸런싱 동작이 필요한지 여부를 판단하는 셀 밸런싱 제어부를 더 포함하고,
    상기 임계 전압 조정부는 상기 셀 밸런싱 제어부가 상기 배터리 셀의 셀 밸런싱이 필요하다는 판단에 기초하여 상기 임계 전압을 조정하는 배터리 관리 시스템.
  11. 청구항 3에 있어서,
    상기 과전압 판단부는 상기 배터리 셀의 셀 밸런싱 동작의 개시 시점부터 미리 정해진 시간 이후에 측정된 전압값에 기초하여 상기 배터리 셀의 과전압 여부를 판단하는 배터리 관리 시스템.
  12. 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하는 단계;
    상기 배터리 셀의 셀 밸런싱 동작의 수행 여부를 판단하는 단계;
    상기 셀 밸런싱 동작의 수행 여부에 기초하여 상기 배터리 셀의 과전압 판단을 위해 설정되어 있던 임계 전압을 조정하는 단계;
    상기 측정된 전압을 상기 조정된 임계 전압과 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 기초하여 상기 배터리 셀의 과전압 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 배터리 셀의 과전압 판단 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 임계 전압을 조정하는 단계는 상기 셀 밸런싱 동작 수행 시의 상기 배터리 셀의 전압과 상기 셀 밸런싱 동작 비수행 시의 상기 배터리 셀의 전압의 전압차에 기초하여 상기 임계 전압을 상승시키는 것인 배터리 셀의 과전압 판단 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 임계 전압을 조정하는 단계는 상기 임계 전압을 미리 설정된 만큼 상승시키는 것인 배터리 셀의 과전압 판단 방법.
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KR1020190136761A KR20210051461A (ko) 2019-10-30 2019-10-30 배터리 관리 시스템 및 배터리 셀의 과전압 판단 방법

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024014880A1 (ko) * 2022-07-15 2024-01-18 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 관리 장치 및 방법

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