KR20210069916A - 배터리 관리 장치 및 배터리 이중 관리 시스템 - Google Patents

배터리 관리 장치 및 배터리 이중 관리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하위 배터리 관리 장치로부터 배터리 정보 및 배터리 상태 정보를 수신하는 수신부, 수신부로부터 수신된 배터리 정보 및 배터리 상태 정보를 기초로 배터리 이상을 판단하는 판단부, 판단부에서 배터리 이상으로 판단하면, PMS(Power Management System)로 배터리 충방전 중단 신호를 전송하는 전송부, 및 미리 설정된 시간 동안 PMS로부터 릴레이 오픈 신호가 수신되지 않으면 전송부로 하여금 PCS(Power Conditioning System)로 배터리 충방전 중단 신호를 전송하도록 하는 제어부를 포함하는 배터리 관리 장치를 포함한다.

Description

배터리 관리 장치 및 배터리 이중 관리 시스템{Battery management apparatus and battery dual management system}
본 발명은 배터리 또는 배터리 관리 장치에 이상이 발생했을 경우 배터리 충방전을 안전하게 제어하는 배터리 관리 장치 또는 배터리 이중 관리 시스템에 관한 것이다.
최근 이차 전지에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 여기서 이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등과 최근의 리튬 이온 전지를 모두 포함하는 의미이다. 이차 전지 중 리튬 이온 전지는 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다, 또한, 리튬 이온 전지는 소형, 경량으로 제작할 수 있어서, 이동 기기의 전원으로 사용된다. 또한, 리튬 이온 전지는 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
이차 전지는 일반적으로 복수 개의 배터리 셀들이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩으로 이용된다. 그리고 배터리 팩은 배터리 관리 시스템에 의하여 상태 및 동작이 관리 및 제어된다.
복수의 배터리 모듈은 직/병렬 연결되어 배터리 랙을 구성하고, 또한 복수의 배터리 랙이 병렬 연결되어 배터리 뱅크를 구성한다. 이러한 배터리 뱅크는 ESS(Energy storage system)으로 사용될 수 있다. 각각의 배터리 모듈은 대응하는 모듈 BMS(Battery Management System)에 의하여 모니터링되고 제어된다. 각 배터리 랙 내의 최상위 제어기인 랙 BMS는 각 모듈 BMS를 모니터링하고 제어하며, 모듈 BMS로부터 획득한 정보를 바탕으로 전체 배터리 랙 상태를 모니터링하고 제어한다.
배터리 모듈 또는 배터리 팩의 상태를 모니터링할 때에, 배터리에 이상이 발생하여 배터리 충방전을 계속 수행하면 화재 등의 위험이 발생하는 경우(예를 들어, 배터리 셀의 수명 초과, 배터리 모듈 내부의 선로 단선, 배터리 모듈 내부의 선로 도통, 배터리 모듈 내부의 선로 누전, 파워 릴레이 어셈블리 내부의 릴레이 접점 융착, 서브 배터리 관리 시스템의 고장 등), BMS는 PMS(Power Management System)로 배터리 충방전 중단 신호를 전송한다. BMS로부터 배터리 충방전 중단 신호를 수신한 PMS는 PCS(Power Conditioning System)를 정지시켜 배터리 충방전을 중단시킨다. PCS(Power Conditioning System)는 배터리 시스템에 전력을 공급한다.
다만, 통신 이상 또는 PMS 이상으로 PMS가 BMS로부터 충방전 중단 신호를 수신하지 못하는 경우에는, BMS는 배터리 또는 배터리 관리 장치 이상으로 릴레이를 오픈시킨 상태에서 PCS가 작동을 수행하여 배터리 충방전이 수행되는 경우가 발생한다. 이렇게 충방전이 수행되는 동안에 릴레이가 강제로 오픈되어 버리면, 릴레이 파손으로 화재가 발생하고, PCS 내부 퓨즈 및 IGBT가 파손될 수 있다는 문제가 있다.
본 발명은 상술된 문제를 해결하기 위하여, 배터리 이상이 감지되는 경우에 PMS가 고장 또는 통신 이상이 발생하여도 직접 PCS를 제어하여 배터리 충방전을 중단시킬 수 있는 배터리 관리 장치를 제공하는 것이 목적이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치로서, 하위 배터리 관리 장치로부터 배터리 정보 및 배터리 상태 정보를 수신하는 수신부; 상기 수신부로부터 수신된 배터리 정보 및 배터리 상태 정보를 기초로 배터리 이상을 판단하는 판단부; 상기 판단부에서 배터리 이상으로 판단하면, PMS(Power Management System)로 배터리 충방전 중단 신호를 전송하는 전송부; 및 미리 설정된 시간 동안 상기 PMS로부터 릴레이 오픈 신호가 수신되지 않으면 상기 전송부로 하여금 PCS(Power Conditioning System)로 배터리 충방전 중단 신호를 전송하도록 하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 방법으로서, 복수의 하위 배터리 관리 장치를 모니터링하고 제어하는 배터리 관리 장치에 의하여 수행되는, 하위 배터리 관리 장치로부터 수신된 배터리 정보 및 배터리 상태 정보를 기초로 배터리 이상을 판단하는 단계; 상기 배터리의 이상으로 판단되면 PMS로 배터리 충방전 중단 신호를 전송하는 단계; 미리 설정된 시간 동안 상기 PMS로부터 릴레이 오픈 신호가 수신되는지 여부를 판단하는 단계: 및 상기 릴레이 오픈 신호 수신 여부에 따라 PCS로 충방전 중단 신호를 전송하는 단계를 포함하는 배터리 관리 방법을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 이중 관리 시스템으로서, 하위 배터리 관리 장치로부터 배터리 정보 및 배터리 상태 정보를 수신하는 수신부; 상기 수신부로부터 수신된 배터리 정보 및 배터리 상태 정보를 기초로 배터리 이상을 판단하는 판단부; 상기 판단부에서 배터리 이상으로 판단하면, PMS(Power Management System)로 배터리 충방전 중단 신호를 전송하는 전송부; 및 미리 설정된 시간 동안 상기 PMS로부터 릴레이 오픈 신호가 수신되지 않으면 상기 전송부로 하여금 PCS(Power Conditioning System)로 배터리 충방전 중단 신호를 전송하도록 하는 제어부를 포함하는 배터리 관리 장치; 상기 전송부로부터 충방전 중단 신호를 수신하면 PCS로 충방전 중단 신호를 전송하여 PCS의 동작을 중단시키고 상기 배터리 관리 장치로 릴레이 오픈 신호를 전송하는 PMS; 및 상기 배터리 관리 장치 또는 상기 PMS로부터 충방전 중단 신호를 수신하여 동작을 중단하여 충방전을 중단하는 PCS를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 배터리 이상이 발생하거나 배터리 충방전을 긴급으로 중단해야 하는 상황에 PMS에 이상이 발생하거나 통신 이상이 발생한 경우에 직접 PCS를 제어하여 충방전을 중단시킬 수 있으므로 릴레이 손상에 따른 화재를 방지하고, 더불어 PCS 내부 퓨즈 파손 및 IGBT 파손도 방지할 수 있다는 효과가 있다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 내의 복수의 배터리 랙의 구성을 간략하게 도시한다.
도 2에는 본 발명에 따른 마스터 배터리 관리 장치가 도시되어 있다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 배터리 관리 장치가 도시되어 있다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 방법의 순서도가 도시되어 있다.
도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 이중 관리 시스템의 구성도가 도시되어 있다.
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 이중 관리 시스템의 구성도가 도시되어 있다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
또한, 본 명세서의 각 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 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 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용한 “제1”, “제2” 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. “및/또는” 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, "~부", "~기", "~블록", "~부재", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 용어들은 FPGA (field-programmable gate array)/ ASIC (application specific integrated circuit) 등 적어도 하나의 하드웨어, 메모리에 저장된 적어도 하나의 소프트웨어 또는 프로세서에 의하여 처리되는 적어도 하나의 프로세스를 의미할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 내의 복수의 배터리 랙의 구성을 간략하게 도시한다.
ESS(1)는 복수의 배터리 랙(20, 30, 40)을 포함한다. 각각의 배터리 랙은 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 복수의 배터리 모듈(100, 101, 151, 153, 161, 163)을 포함한다.
각각의 배터리 모듈에는 배터리 모듈을 제어하고 모니터링하는 BMS(Battery Management System)가 포함된다. BMS에는 배터리 모듈의 각각을 제어하고 모니터링하는 모듈 BMS가 있고, 복수의 모듈 BMS를 제어하고, 모듈 BMS로부터 수신된 데이터를 마스터 BMS로 전달하는 랙 BMS가 있다. 또한, 랙 BMS는 마스터 BMS로부터 수신한 명령을 각각의 배터리 모듈 또는 해당하는 배터리 모듈로 송신할 수 도 있다.
각각의 모듈 BMS는 각각의 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 온도, 전압, 전류 등을 센싱하여 배터리 상태를 모니터링하고, 모니터링된 배터리 상태 정보를 무선으로 또는 유선으로 랙 BMS로 송신한다.
각각의 모듈 BMS로부터 배터리 셀/모듈의 상태 정보 데이터를 수신한 랙 BMS는 이 데이터를 직접 마스터 BMS(10)로 송신하거나, 이 데이터를 기초로 해당 배터리 모듈의 상태를 판단한 정보 데이터를 마스터 BMS(10)로 송신할 수 있다.
PMS(11)는 전력 관리 장치로서, 전력량을 제어하는 장치이다.
PCS(12)는 배터리 시스템에 전력을 공급하고, 충방전 전력을 변환시키는 장치이다.
도 2에는 본 발명에 따른 마스터 BMS(10)가 도시되어 있다. 마스터 BMS(10)는 복수의 랙 BMS와 통신을 수행한다. 마스터 BMS(10)는 복수의 랙 BMS로부터 각각의 랙 내에 포함되는 배터리 셀/모듈의 상태 정보를 수신하고, 각각의 배터리 셀/모듈의 상태 정보를 기초로 한 제어 명령을 복수의 랙 BMS로 전송한다.
마스터 BMS(10)는 수신부(200), 전송부(202), 판단부(204) 및 제어부(206)를 포함한다.
수신부(200)는 복수의 랙 BMS(110, 150. 160)으로부터 배터리 정보 또는 상태 정보를 무선으로 수신한다. 수신부(200)는 예를 들어, 복수의 랙 BMS(110, 150, 160)와 TCP/IP로 통신한다. 이와 같이, 마스터 BMS(10)와 복수의 랙 BMS(110, 150, 160)는 무선으로 통신하는 것을 전제로 한다. 만일, 마스터 BMS(10)와 복수의 랙 BMS(110, 150, 160)과 유선으로 캔(CAN) 통신을 수행하면 수신부(200)가 아닌 별도의 유선 통신을 수행하는 수신부가 마련될 수 있다. 수신부(200)는 복수의 랙 BMS로부터 각각 랙 BMS 내의 배터리 셀/모듈의 전압, 전류, 온도 정보 및 각 배터리의 SOC(state of charge)/SOH(state of health) 정보를 수신한다. 또한, 수신부(200)는 복수의 랙 BMS로부터 각각 릴레이 융착 등의 장치 이상 정보도 수신할 수 있다. 이 때에, 마스터 BMS(10)와 복수의 랙 BMS(110, 150, 160)와 캔 통신을 하는 별도의 수신부가 있으면 해당 별도의 수신부를 통하여 각각 BMS 내의 배터리 셀/모듈 전압, 전류, 온도 정보 및 배터리 SOC/SOH 정보 등을 유선으로 수신할 수도 있을 것이다. 또한, 수신부(200)는 PMS(11)로부터 특정 배터리 랙 내의 릴레이 오픈 신호를 수신할 수도 있다.
전송부(202)는 배터리 셀 이상(배터리 셀 과전압, 배터리 셀 과열), comm. Fault, 장치 이상(partial operating status) , 릴레이 융착, GFD(Groud Fault Detaction) 등 배터리의 충방전을 계속해서 수행하면 위험한 상황이 발생한 경우 PMS(11)로 해당 배터리 랙(내의 배터리 모듈) 또는 전체 배터리 랙의 충방전을 중단하는 배터리 충방전 중단 신호를 전송한다. 또한, 전송부(202)는 PMS(11)로 충방전 중단 신호를 전송한 후 미리 설정된 시간, 예를 들어 약 30초 이내에 PMS(11)로부터 릴레이 오픈 신호를 수신하지 않으면 PCS(12)로 배터리 충방전 중단 신호를 전송한다. 즉, 마스터 BMS(10)가 직접 PCS(12)를 제어하여 충방전을 중단하도록 한다. 이 때에, 전송부(202)는 PMS(11) 및 PCS(12)와 무선으로 통신한다. 다만, 마스터 BMS(10)는 PCS(12)로 충방전 중단 신호를 유선으로 전송할 수 있는 별도의 유선 전송부를 더 포함할 수도 있다.
한편, 수신부(200)가 PMS(11)로부터 릴레이 오픈 신호를 수신하거나, 전송부(202)가 미리 설정된 시간 동안 PMS(11)로부터 릴레이 오픈 신호를 수신하지 않아 PCS(12)로 충방전 중단 신호를 전송한 후, 전송부(202)는 랙 BMS(110)로 릴레이 오픈 신호를 전송한다.
판단부(204)는 수신부((200)로부터 배터리 정보 또는 상태 정보를 수신한다. 판단부(204)는 수신된 배터리 정보 또는 배터리 상태 정보, 예를 들어, 배터리 셀/모듈의 전압, 전류, 온도, SOC 또는 SOH 값을 기초로 배터리 셀/모듈의 이상을 판단한다. 판단부(204)가 배터리 셀/모듈의 이상을 판단하며 전송부(202)는 PMS(11)로 충방전 중단 신호를 전송하고, 랙 BMS(110)로 릴레이 오픈 신호를 전송한다. 다만, 수신부(200)가 랙 BMS(110, 150, 160)로부터 배터리 이상으로 판단된 데이터(예를 들어, 과전압 상태, 저전압 상태, 급격한 온도 변화 등 배터리의 이상에 관련된 모든 정보)를 수신하면 판단부의 별도의 판단 없이 전송부(202)는 PMS(11) 또는 PCS(12)로 배터리 충방전 중단 신호를 전송한다. 이어서, 전송부(202)는 배터리 이상이 발생한 랙 BMS로 릴레이 오픈 신호를 전송한다.
제어부(206)는 수신부(200)가 특정 랙 BMS(110, 150, 160)로부터 배터리 정보 또는 상태 정보를 수신하면 판단부(204)로 하여금 배터리 이상을 판단하도록 한다. 또한, 제어부(206)는 판단부(204)에서 특정 배터리 랙 내의 배터리 셀 또는 모듈에 이상이 발생했다고 판단되면 전송부(202)로 하여금 PMS(11)로 충방전 중단 신호를 전송하도록 한다. 제어부(206)는 PMS(11)로 충방전 중단 신호를 전송한 후, 미리 설정된 시간 이내에 PMS(11)로부터 릴레이 오픈 신호가 수신되지 않으면 전송부(202)로 하여금 PCS(12)로 직접 충방전 중단 신호를 전송하여 충방전을 위한 PCS(12)의 동작을 중단시킨다. 이어서, 제어부(206)는 전송부(202)로 하여금 해당 랙 BMS로 릴레이 오픈 신호를 전송하도록 한다.
도 3은 모듈 BMS(120)의 구성도이다. 모듈 BMS(120)는 전압 측정부(300), 전류 측정부(302), 온도 측정부(304), SOC 산출부(306), SOH 산출부(308), 전송부(310), 수신부(312)를 포함한다.
전압 측정부(300)는 배터리 모듈의 양단 전압을 측정한다. 일반적으로 배터리 전압을 측정하는 방법은 예를 들어, 오피 앰프를 사용하는 방법과, 릴레이 및 콘덴서를 사용하는 방법이 있다.
전류 측정부(302)는 배터리 모듈의 전류를 측정한다. 일반적으로 배터리 전류 측정은 변류기(current transformer) 방식, 홀 소자(hall element) 방식 및 퓨즈(fuse) 방식 중 하나 이상에 해당하는 전류 센서를 이용하여 수행될 수 있다.
온도 측정부(304)는 배터리 모듈의 온도를 측정한다. 일반적으로 배터리 온도 측정부는 예를 들어 서미스터(thermistor)일 수 있다. 서미스터는 망간, 니켈, 구리, 코발트, 크롬, 철 등의 산화물들을 조합시켜 혼합 소결한 반도체 소자로서, 온도에 따라 전기 저항값이 변하는 특성을 가지는 소자이다. 예를 들어, 서미스터는 온도와 저항값이 비례 특성을 가지는 PTC(positive temperature coefficient thermistor), 온도와 저항값이 반비례 특성을 가지는 NTC(negative temperature codfficient thermistor) 및 특정 온도에서 저항값이 급변하는 CIR(critical temperature resistor)일 수 있다.
SOC 산출부(306)는 전압 측정부(300)로부터 측정된 배터리 모듈의 전압값을 수신한다. SOC 산출부(306)는 전류 측정부(302)로부터 측정된 배터리 모듈이 전류값을 수신한다. SOC 산출부(306)는 온도 측정부(302)로부터 측정된 배터리 모듈의 온도값을 수신한다.
SOC 산출부(306)는 배터리 모듈의 전압, 전류 또는 온도 중 적어도 하나를 이용하여 해당 배터리 모듈의 SOC를 산출한다. 일반적으로 배터리 SOC는 배터리의 만충전 용량에 대한 잔량을 백분율로 표시한다. SOC 추정 방법은 전류 적산 방식, 확장 칼만 필터(EXTENDED KALMAN FILTER)를 이용하는 방법, 전기 회로 모델 방법 전기 화학 모델 방법, 데이터 기반 방법 등이 있다. SOC 산출부(306)는 복수의 배터리 모듈에 대해서 각각의 SOC를 산출한다. 즉, SOC 산출부(306)는 복수의 배터리 셀이 병렬로 연결되어 있는 배터리 모듈의 측정된 전압, 전류 또는 온도 중 적어도 하나를 이용하여 상기 배터리 모듈의 SOC를 산출한다.
SOH 산출부(308)는 전압 측정부(300)로부터 측정된 배터리 모듈의 전압값을 수신한다. SOH 산출부(308)는 전류 측정부(302)로부터 측정된 배터리 모듈의 전류값을 수신한다. SOH 산출부(308)는 온도 측정부(304)로부터 측정된 온도값을 수신한다. SOH 산출부(308)는 SOC 산출부(306)로부터 산출된 배터리 모듈의 SOC 값을 수신한다. 또한, SOH 산출부(308)도 복수의 배터리 모듈 각각에 대한 전압값, 전류값, 온도값 및 SOC 값을 이용하여 복수의 배터리 모듈 각각에 대한 SOH을 산출한다.
SOH는 에이징으로 인한 배터리 용량의 퇴화 정도를 나타낸다. SOH는 배터리의 교체 시점과 배터리 사용 기간에 따른 충방전 용량을 조절하기 위해서 사용될 수 있다. SOH 추정 방법으로는 배터리 충방전 전류를 적산하는 방법, 추정된 SOC를 이용하여 추정하는 방법이 있는데 본 발명에서는 SOC를 이용하여 SOH를 추정하는 방법을 이용한다. 구체적인 방법은 공지된 기술로서 자세한 설명은 생략하도록 한다.
전송부(310)는 랙 BMS(110)로 배터리 셀/모듈 전압, 전류, 온도, SOC 및 SOH 값을 전송한다. 전송부(310)는 랙 BMS(110)와 유선 또는 무선으로 통신한다. 전송부(310)는 랙 BMS(110)와 무선으로 통신할 때에는 TCP/IP를 통하여 통신할 수 있다. 전송부(310)로부터 배터리 셀/모듈 전압, 전류, 온도, SOC 및 SOH 값을 수신한 랙 BMS(110)는 마스터 BMS(10)로 배터리 셀/모듈 전압, 전류, 온도, SOC 및 SOH 값을 전송한다. 또한, 모듈 BMS(120)가 배터리 정보 및 배터리 상태 정보(배터리 셀/모듈 전압, 전류, 온도, SOC 또는 SOH 값 등)를 이용하여 배터리 셀/모듈의 이상, 모듈 BMS(120)의 이상 또는 릴레이 융착과 같은 하드웨어 이상의 경우를 판단하는 제어부를 포함하는 경우, 전송부(310)는 랙 BMS(110)로 배터리 셀/모듈의 이상 데이터, 모듈 BMS(120)의 이상 또는 하드웨어 이상 데이터(장치 이상 데이터)를 전송한다.
수신부(312)는 랙 BMS(110)로부터 배터리 상태 점검 명령 또는 배터리 제어 명령을 수신한다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 방법의 순서도가 도시되어 있다.
마스터 BMS(10)의 수신부(200)는 하위 배터리 관리 장치(랙 BMS, 110)로부터 배터리 정보를 수신한다(S400).
수신부(200)는 예를 들어, 복수의 랙 BMS(110, 150, 160)와 TCP/IP로 통신한다. 이와 같이, 마스터 BMS(10)와 복수의 랙 BMS(110, 150, 160)는 무선으로 통신하는 것을 전제로 한다. 만일, 마스터 BMS(10)와 복수의 랙 BMS(110, 150, 160)과 유선으로 캔(CAN) 통신을 수행하면 수신부(200)가 아닌 별도의 유선 통신을 수행하는 수신부가 마련될 수 있다. 수신부(200)는 복수의 랙 BMS로부터 각각 랙 BMS 내의 배터리 셀/모듈의 전압, 전류, 온도 정보 및 각 배터리의 SOC(state of charge)/SOH(state of health) 정보를 수신한다.
또는, 마스터 BMS(10)의 수신부(200)는 하위 배터리 관리 장치(랙 BMS, 110)로부터 배터리 이상 정보(또는 장치 이상 정보)를 수신할 수도 있다(S401).
배터리 이상 정보는 예를 들어, 배터리 과전압, 배터리 과열 등이 포함될 수 있다.
장치 이상 정보는 예를 들어 릴레이 융착 등의 하드웨어 이상 또는, 랙 BMS 또는 모듈 BMS의 이상 등의 정보일 수 있다.
마스터 BMS(10)의 판단부(204)는 수신부(200)로부터 배터리 정보 또는 상태 정보를 수신한다. 판단부(204)는 수신된 배터리 정보 또는 배터리 상태 정보, 예를 들어, 배터리 셀/모듈의 전압, 전류, 온도, SOC 또는 SOH 값을 기초로 배터리 셀/모듈의 이상 여부를 판단한다(S402). 배터리 셀/모듈의 이상은 예를 들어, 셀의 과전압, 과열 등 배터리 충방전을 지속할 수 없는 상태를 포함한다.
마스터 BMS(10)의 판단부(204)가 배터리 셀/모듈에 이상이 있다고 판단하거나, 마스터 BMS(10)의 수신부(200)가 하위 배터리 관리 장치(랙 BMS, 110)로부터 배터리 이상 정보(또는 장치 이상 정보)를 수신하면, 마스터 BMS(10)의 전송부(202)는 PMS(11)로 충방전 중단 신호를 전송한다(S404).
마스터 BMS(10)의 제어부(206)는 PMS(11)로 충방전 중단 신호를 전송한 후, 미리 설정된 시간 이내(예를 들어, 30초 내)에 PMS(11)로부터 릴레이 오픈 신호가 수신되는지 여부를 모니터링한다(S406).
마스터 BMS(10)의 제어부(206)는 미리 설정된 시간 이내에 PMS(11)로부터 릴레이 오픈 신호를 수신하면, 전송부(202)로 하여금 하위 배터리 관리 장치(110)로 릴레이 오픈 신호를 전송하도록 한다.
이에 따라, 전송부(202)는 하위 배터리 관리 장치(110)로 릴레이 오픈 신호를 전송한다(S410). 전송부(202)로부터 릴레이 오픈 신호를 수신한 하위 배터리 관리 장치(랙 BMS, 110)는 릴레이 오픈을 수행한다.
마스터 BMS(10)의 제어부(206)는 미리 설정된 시간 이내에 PMS(11)로부터 릴레이 오픈 신호를 수신하지 않으면, 전송부(202)로 하여금 직접 PCS(12)로 충방전 정지 신호를 전송하도록 하여 직접 PCS(12)를 강제로 정지시켜, 배터리 충방전을 중단시킨다(S408).
이에 따라, 전송부(202)는 하위 배터리 관리 장치로 릴레이 오픈 신호를 전송한다(S410). 전송부(202)로부터 릴레이 오픈 신호를 수신한 하위 배터리 관리 장치(랙 BMS, 110)는 릴레이 오픈을 수행한다.
도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성도가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은 마스터 BMS(500), PMS(510, 또는 EMS), PCS(520), 복수 개의 랙 BMS(530, 540, 550) 및 복수 개의 모듈 BMS(560, 570, 580)를 포함한다.
복수 개의 모듈 BMS(560, 570, 580)는 각각 미리 설정된 시간 간격으로 또는 각각의 랙 BMS(530, 540, 550)로부터 배터리 상태 점검 명령을 수신할 때에 배터리 셀/모듈의 전압, 전류, 온도를 측정하고, 측정된 배터리 셀/모듈의 전압, 전류 또는 온도 값을 기초로 배터리 셀/모듈의 SOC 또는 SOH 값을 산출한다.
또한, 모듈 BMS(560, 570, 580)는 각각 배터리 셀/모듈의 전압, 전류, 온도, SOC 또는 SOH를 기초로 배터리 셀/모듈의 이상 여부를 판단한다.
또한, 모듈 BMS(560, 570, 580)는 각각의 배터리 셀/모듈의 전압, 전류, 온도, SOC 또는 SOH를 기초로 장치 이상 여부를 판단한다. 다만, 모듈 BMS가 아닌 랙 BMS에서 수신된 배터리 셀/모듈의 전압, 전류, 온도, SOC 또는 SOH를 기초로 배터리 셀/도뮬의 이상 여부 또는 장치 이상 여부를 판단할 수도 있다.
모듈 BMS(560, 570, 580)는 랙 BMS(530, 540, 550)로 측정된 배터리 셀/모듈의 전압, 전류, 온도값, SOC 또는 SOH 값을 전송한다. 또한, 모듈 BMS(560, 570, 580)는 랙 BMS(530, 540, 550)로 배터리 셀/모듈 이상 정보, 또는 장치 이상 정보를 전송할 수도 있다.
모듈 BMS(560, 570, 580)로부터 배터리 셀/모듈의 전압, 전류, 온도값, SOC 값, SOH 값, 배터리 셀/모듈 이상 정보, 또는 장치 이상 정보 데이터를 수신한 랙 BMS(530, 540, 550)는 해당 데이터를 마스터 BMS(500)로 전송한다.
마스터 BMS(500)가 랙 BMS(530, 540, 550)으로부터 각각 배터리 셀/모듈의 전압, 전류, 온도값, SOC 또는 SOH 값을 수신하면, 배터리 셀/모듈의 전압, 전류, 온도, SOC 또는 SOH 값을 기초로 배터리 셀/모듈의 이상을 판단한다.
마스터 BMS(500)는 배터리 셀/모듈의 이상이 판단되면 배터리 충방전을 중단시키기 위하여 PMS(510)로 충방전 중단 신호를 전송한다.
또는, 마스터 BMS(500)가 랙 BMS(530, 540, 550) 중 어느 하나로부터 배터리 셀/모듈 이상 정보, 또는 장치 이상 정보 데이터를 수신하면, 배터리 충방전을 중단시키기 위하여 별도의 판단하는 단계를 수행하지 않고, 바로 PMS(510)로 배터리 충방전 중단 신호를 전송한다.
마스터 BMS(500)로부터 배터리 충방전 중단 신호를 수신한 PMS(510)는 PCS(520)로 작동 중단 신호를 전송한다. 또한, 마스터 BMS(500)로부터 배터리 충방전 중단 신호를 수신한 PMS(510)는 마스터 BMS(500)로 릴레이 오픈 신호를 전송한다.
이에 대해, PMS(510)가 자체적으로 문제가 있거나 통신상의 문제가 발생하여 마스터 BMS(500)로부터 전송된 충방전 중단 신호를 수신하지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 경우에, 마스터 BMS(500)가 PMS(510)의 이상을 감지하지 못한 상태로 릴레이를 오픈시키면, 충방전이 중단되지 않은 상태에서 강제로 릴레이가 오픈되게 되어, 릴레이가 파손되어 화재가 발생하고, PCS 내부 퓨즈 및 IGBT가 파손되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 문제를 방지하기 위하여, 마스터 BMS(500)는 PMS(510)로 충방전 중단 신호를 전송한 후, 미리 설정된 시간 동안 PMS(510)로부터 릴레이 오픈 신호가 수신되지 않으면, 직접 PCS(520)로 충방전 중단 신호를 전송하여 동작을 중단시킨다. 동작이 중단된 PCS(520)에 의하여 배터리의 충방전은 안전하게 중단된다. 마스터 BMS(500)와 PCS(520)는 TCP/IP, IO, UART, CAN 중 어느 하나를 통하여 통신할 수 있다.
또한, 마스터 BMS(500)는 PMS(510)로부터 릴레이 오픈 신호를 수신하거나, PCS(520)로 릴레이 오픈 신호를 보내면, 배터리 충방전 중단이 필요한 랙 BMS으로 릴레이 오픈 신호를 전송한다.
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성도가 도시되어 있다. 도 6은 도 5의 회로도를 이해하기 쉽도록 간략하게 도시된 블록도이다.
마스터 BMS(600)가 랙 BMS(630)으로부터 배터리 셀/모듈의 전압, 전류, 온도값, SOC 또는 SOH 값을 수신하면, 배터리 셀/모듈의 전압, 전류, 온도, SOC 또는 SOH 값을 기초로 배터리 셀/모듈의 이상을 판단한다.
마스터 BMS(600)는 배터리 셀/모듈의 이상이 판단되면 배터리 충방전을 중단시키기 위하여 PMS(610)로 충방전 중단 신호를 전송한다.
또는, 마스터 BMS(600)가 랙 BMS로부터 배터리 셀/모듈 이상 정보, 또는 장치 이상 정보 데이터를 수신하면, 배터리 충방전을 중단시키기 위하여 별도의 판단하는 단계를 수행하지 않고, 바로 PMS(610)로 배터리 충방전 중단 신호를 전송한다.
마스터 BMS(600)로부터 배터리 충방전 중단 신호를 수신한 PMS(610)는 PCS(620)로 작동 중단 신호를 전송한다. 또한, 마스터 BMS(600)로부터 배터리 충방전 중단 신호를 수신한 PMS(610)는 마스터 BMS(600)로 릴레이 오픈 신호를 전송한다.
마스터 BMS(600)는 PMS(610)로 충방전 중단 신호를 전송한 후, 미리 설정된 시간 동안 PMS(610)로부터 릴레이 오픈 신호가 수신되지 않으면, 직접 PCS(620)로 충방전 중단 신호를 전송하여 동작을 중단시킨다. 동작이 중단된 PCS(620)에 의하여 배터리의 충방전은 안전하게 중단된다. 마스터 BMS(600)와 PCS(620)는 TCP/IP, IO, UART, CAN 중 어느 하나를 통하여 통신할 수 있다.
또한, 마스터 BMS(600)는 PMS(610)로부터 릴레이 오픈 신호를 수신하거나, PCS(620)로 릴레이 오픈 신호를 보내면, 배터리 충방전 중단이 필요한 랙 BMS으로 릴레이 오픈 신호를 전송한다.
본 명세서에서 본 발명의 원리들의 '일 실시 예'와 이런 표현의 다양한 변형들의 지칭은 이 실시 예와 관련되어 특정 특징, 구조, 특성 등이 본 발명의 원리의 적어도 하나의 실시 예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 표현 '일 실시 예에서'와, 본 명세서 전체를 통해 개시된 임의의 다른 변형 예시들은 반드시 모두 동일한 실시 예를 지칭하는 것은 아니다.
본 명세서를 통해 개시된 모든 실시 예들과 조건부 예시들은, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자가 독자가 본 발명의 원리와 개념을 이해하도록 돕기 위한 의도로 기술된 것으로, 당업자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : ESS 10 : 마스터 BMS
20, 30, 40 : 배터리 랙 110, 150, 150 : 랙 BMS
120, 130 : 모듈 BMS

Claims (15)

  1. 하위 배터리 관리 장치로부터 배터리 정보 및 배터리 상태 정보를 수신하는 수신부;
    상기 수신부로부터 수신된 배터리 정보 및 배터리 상태 정보를 기초로 배터리 이상을 판단하는 판단부;
    상기 판단부에서 배터리 이상으로 판단하면, PMS(Power Management System)로 배터리 충방전 중단 신호를 전송하는 전송부; 및
    미리 설정된 시간 동안 상기 PMS로부터 릴레이 오픈 신호가 수신되지 않으면 상기 전송부로 하여금 PCS(Power Conditioning System)로 배터리 충방전 중단 신호를 전송하도록 하는 제어부를 포함하는 배터리 관리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수신부가 상기 PMS로부터 릴레이 오픈 신호를 수신하면, 상기 제어부는 상기 전송부로 하여금 상기 하위 배터리 관리 장치로 릴레이 오픈 신호를 전송하도록 하는 배터리 관리 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 수신부는 상기 하위 배터리 관리 장치로부터 배터리 이상 신호 또는 하위 배터리 관리 장치 이상 신호를 더 수신하고,
    상기 제어부는 상기 수신부가 상기 배터리 이상 신호 또는 상기 하위 배터리 관리 장치 이상 신호를 수신하면 상기 전송부로 하여금 상기 PMS로 충방전 중단 신호를 전송하도록 하는 배터리 관리 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 정보는 배터리 전압, 온도, 전류 중 어느 하나이고,
    상기 배터리 상태 정보는 SOC 또는 SOH 중 적어도 하나이고,
    상기 수신부는 상기 하위 배터리 관리 장치의 식별 정보도 함께 수신하는 배터리 관리 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전송부가 상기 PCS로 충방전 중단 신호를 전송한 후,
    상기 제어부는 상기 전송부로 하여금 상기 하위 배터리 관리 장치로 릴레이 오픈 신호를 전송하도록 하는 배터리 관리 장치.
  6. 복수의 하위 배터리 관리 장치를 모니터링하고 제어하는 배터리 관리 장치에 의하여 수행되는,
    하위 배터리 관리 장치로부터 수신된 배터리 정보 및 배터리 상태 정보를 기초로 배터리 이상을 판단하는 단계;
    상기 배터리의 이상으로 판단되면 PMS로 배터리 충방전 중단 신호를 전송하는 단계;
    미리 설정된 시간 동안 상기 PMS로부터 릴레이 오픈 신호가 수신되는지 여부를 판단하는 단계: 및
    상기 릴레이 오픈 신호 수신 여부에 따라 PCS로 충방전 중단 신호를 전송하는 단계를 포함하는 배터리 관리 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 PMS로부터 상기 릴레이 오픈 신호가 수신되면, 상기 하위 배터리 관리 장치로 릴레이 오픈 신호를 전송하는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 하위 배터리 관리 장치로부터 배터리 이상 신호 또는 하위 배터리 관리 장치 이상 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 배터리 이상 신호 또는 하위 배터리 관리 장치 이상 신호를 수신하면 상기 PMS로 충방전 중단 신호를 전송하는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    PCS로 충방전 중단 신호를 전송하는 단계에서
    상기 미리 설정된 시간 동안 상기 PMS로부터 상기 릴레이 오픈 신호가 수신되지 않으면 상기 PCS로 충방전 중단 신호를 전송하고,
    상기 하위 배터리 관리 장치로 릴레이 오픈 신호를 전송하는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 배터리 정보는 배터리 전압, 온도 또는 전류 중 적어도 하나이고,
    상기 배터리 상태 정보는 SOC 또는 SOH 중 적어도 하나이고,
    상기 하위 배터리 관리 장치의 식별 정보도 더 수신하는 배터리 관리 방법.
  11. 하위 배터리 관리 장치로부터 배터리 정보 및 배터리 상태 정보를 수신하는 수신부; 상기 수신부로부터 수신된 배터리 정보 및 배터리 상태 정보를 기초로 배터리 이상을 판단하는 판단부; 상기 판단부에서 배터리 이상으로 판단하면, PMS(Power Management System)로 배터리 충방전 중단 신호를 전송하는 전송부; 및 미리 설정된 시간 동안 상기 PMS로부터 릴레이 오픈 신호가 수신되지 않으면 상기 전송부로 하여금 PCS(Power Conditioning System)로 배터리 충방전 중단 신호를 전송하도록 하는 제어부를 포함하는 배터리 관리 장치;
    상기 전송부로부터 충방전 중단 신호를 수신하면 PCS로 충방전 중단 신호를 전송하여 PCS의 동작을 중단시키고 상기 배터리 관리 장치로 릴레이 오픈 신호를 전송하는 PMS; 및
    상기 배터리 관리 장치 또는 상기 PMS로부터 충방전 중단 신호를 수신하여 동작을 중단하여 충방전을 중단하는 PCS를 포함하는 배터리 이중 관리 시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 수신부가 상기 PMS로부터 릴레이 오픈 신호를 수신하면, 상기 제어부는 상기 전송부로 하여금 상기 하위 배터리 관리 장치로 릴레이 오픈 신호를 전송하도록 하는 배터리 이중 관리 시스템.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 수신부는 상기 하위 배터리 관리 장치로부터 배터리 이상 신호 또는 하위 배터리 관리 장치 이상 신호를 더 수신하고,
    상기 제어부는 상기 수신부가 상기 배터리 이상 신호 또는 상기 하위 배터리 관리 장치장치 이상 이상 신호를 수신하면 상기 전송부로 하여금 상기 PMS로 충방전 중단 신호를 전송하도록 하는 배터리 이중 관리 시스템.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 배터리 정보는 배터리 전압, 온도, 전류 중 어느 하나이고,
    상기 배터리 상태 정보는 SOC 또는 SOH 중 적어도 하나이고,
    상기 수신부는 상기 하위 배터리 관리 장치의 식별 정보도 함께 수신하는 배터리 이중 관리 시스템.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 전송부가 상기 PCS로 충방전 중단 신호를 전송한 후,
    상기 제어부는 상기 전송부로 하여금 상기 하위 배터리 관리 장치로 릴레이 오픈 신호를 전송하도록 하는 배터리 이중 관리 시스템.
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