KR20220000740A - 배터리 모듈의 외부 및 내부 단락을 감지하기 위한 배터리 관리 시스템 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

배터리 모듈의 외부 및 내부 단락을 감지하기 위한 배터리 관리 시스템 및 이를 포함하는 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈의 외부 및 내부 단락을 감지하기 위한 배터리 관리 시스템을 제공한다. 배터리 관리 시스템은 측정 회로 및 제어 회로를 포함한다. 측정 회로는 제 1 시각에서의 배터리 모듈의 양 단 사이의 전압인 제 1 전압을 측정하고, 제 1 시각 이후의 제 2 시각에서의 양 단 사이의 전압인 제 2 전압, 및 배터리 모듈의 온도를 측정한다. 제어 회로는 제 2 전압 및 온도 및 임계 전류에 기초하여 임계 변동 폭을 계산하고, 제 2 전압과 제 1 전압 사이의 전압 차의 절대 값인 실제 변동 폭과 임계 변동 폭을 비교한 비교 결과에 따라 배터리 모듈에 에러가 발생하였는지 여부를 판단한다. 임계 전류는 측정 회로가 측정할 수 있는 최대 전류와 관련된다.

Description

배터리 모듈의 외부 및 내부 단락을 감지하기 위한 배터리 관리 시스템 및 이를 포함하는 배터리 팩{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM FOR DETECTING EXTERNAL AND INTERNAL SHORT CIRCUITS OF THE BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 배터리 관리 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 배터리 모듈의 외부 및 내부 단락을 감지하기 위한 배터리 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 포함한다. 이차 전지 중 리튬 이온 전지는 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다. 리튬 이온 전지는 소형, 경량으로 제작할 수 있어서, 이동 기기의 전원으로 사용된다. 특히, 리튬 이온 전지는 전기 자동차의 전원으로 사용될 수 있어, 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
또한, 이차 전지는 일반적으로 복수 개의 배터리 셀들이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩으로 이용된다. 배터리 팩은 배터리 관리 시스템에 의하여 상태 및 동작이 관리 및 제어된다. 배터리 팩 내의 배터리 셀들은 외부로부터 전원을 공급받아 충전된다.
배터리 셀들이 충전되는 동안에 외부 단락 및/또는 내부 단락이 발생하는 경우, 배터리 셀들로 과전류가 흐르게 된다. 배터리 셀들에 과전류가 흐르게 되면, 배터리 셀들이 고장나거나 배터리 셀들에 화재가 발생할 수 있다. 특히, 짧은 순간 동안 외부 단락이 발생하는 경우, 에러를 감지하기가 어려워 배터리 모듈의 품질, 수명, 내구성 등에 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 배터리 셀들이 충전되는 동안 외부 단락 및/또는 내부 단락이 발생하는지 여부를 진단하는 방안이 요구된다.
본 발명은 상술된 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로써, 본 발명의 목적은 배터리 모듈의 SOC, 온도, 임계 전류에 기초하여, 배터리 모듈의 외부 및 내부 단락을 감지하는 배터리 관리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템은 측정 회로 및 제어 회로를 포함할 수 있다. 측정 회로는 제 1 시각에서의 배터리 모듈의 양 단 사이의 전압인 제 1 전압을 측정하고, 제 1 시각 이후의 제 2 시각에서의 양 단 사이의 전압인 제 2 전압, 및 배터리 모듈의 온도를 측정할 수 있다. 제어 회로는 제 2 전압 및 온도 및 임계 전류에 기초하여 임계 변동 폭을 계산하고, 제 2 전압과 제 1 전압 사이의 전압 차의 절대 값인 실제 변동 폭과 임계 변동 폭을 비교한 비교 결과에 따라 배터리 모듈에 에러가 발생하였는지 여부를 판단할 수 있다. 임계 전류는 측정 회로가 측정할 수 있는 최대 전류와 관련될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은 배터리 모듈 및 제 1 시각에서의 배터리 모듈의 양 단 사이의 전압인 제 1 전압, 제 1 시각 이후의 제 2 시각에서의 양 단 사이의 전압인 제 2 전압, 및 배터리 모듈의 온도를 측정하고, 임계 전류, 제 2 전압 및 온도에 기초하여 임계 변동 폭을 계산하고, 제 2 전압과 제 1 전압 사이의 전압 차의 절대 값인 실제 변동 폭과 임계 변동 폭을 비교한 비교 결과에 따라 배터리 모듈에 에러가 발생하였는지 여부를 판단하는 배터리 관리 시스템을 포함할 수 있다. 임계 전류는 배터리 관리 시스템이 측정할 수 있는 최대 전류와 관련될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템은 배터리 모듈의 SOC(State Of Charge), 온도, 임계 전류에 기초하여, 배터리 모듈 양 단의 전압의 임계 변동 폭을 산출할 수 있다. 배터리 관리 시스템은 배터리 모듈 양 단의 전압의 실제 변동폭과 임계 변동 폭을 비교하여 배터리 모듈에 외부 및/또는 내부 단락이 발생하였는지 여부를 판단할 수 있고, 단락 발생시 배터리 모듈의 상태에 대한 정보를 저장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 전류 측정 회로(310)를 흐르는 전류에 따라, 전류 측정 회로(310)가 측정할 수 있는 최대 유도 전압을 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1의 스위칭부(210)를 흐르는 전류와 스위칭부(210)의 동작 가능 시간 간의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 1의 배터리 모듈(100)의 등가 회로를 보여주는 회로도이다.
도 5는 도 1의 제어 회로(340)의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 6은 도 1의 메모리(350)에 저장된 룩업 테이블을 보여주는 개념도이다.
도 7은 도 1의 BMS(300)의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 BMS의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 문서에서 도면 상의 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.
기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 발명의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩의 구성을 보여주는 블록도이다.
배터리 팩(10)은 배터리 모듈(100), 전원 공급 회로(150), PRA(Power Relay Assembly, 200), BMS(Battery Management System, 300)를 포함할 수 있다. 도 1을 참조하여서는, 배터리 팩(10)이 하나의 배터리 모듈(100), PRA(200), 및 BMS(300)를 포함하는 것으로 도시되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 배터리 팩(10)은 복수의 배터리 모듈(100), PRA(200), 및 BMS(300)를 포함할 수 있다. 배터리 팩(10)은 ESS(Energy Storage System) 또는 차량 등에 이용되는 배터리 팩일 수 있다. 다만, 이러한 용도에 한정되는 것은 아니다.
배터리 모듈(100)은 배터리 셀들(110) 및 내부 저항들(120, 130)을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 셀들(110)은 전원 공급 회로(150)에서 공급되는 전원에 의해 충전될 수 있다. 배터리 모듈(100)은 충전된 복수의 배터리 셀들(110)을 방전 시키면서, 외부 회로들(미도시)로 전원을 공급할 수 있다. 내부 저항들(120, 130)은 배터리 셀들(110)의 배치 구조 및 배터리 셀들(110)의 안정성 등을 위해, 배터리 모듈(100)에 포함된 저항일 수 있다. 도 1에서는 본 발명의 배터리 모듈의 일 실시 예가 도시되는 것이고, 본 발명의 배터리 모듈은 배터리 셀들(110) 및 내부 저항들(120, 130)의 개수 및 연결 관계 등에 한정되지 않는다.
PRA(200)는 스위칭부들(210, 220)을 포함할 수 있다. 스위칭부들(210, 220)은 배터리 모듈(100)의 충전 또는 방전에 대한 전류의 흐름을 제어하기 위한 스위칭 소자들일 수 있다. 예로서, 스위칭부들(210, 220)은 적어도 하나의 MOSFET과 같은 반도체 스위칭 소자 및 컨택터(contactor) 등 중 하나일 수 있다. 스위칭부들(210, 220)은 특정 레벨 이상의 전류가 특정 시간 이상 흐르는 경우, 고장날 수 있다. 이 경우, 스위칭부들(210, 220)은 배터리 모듈(100)로부터 출력되는 전류 및 배터리 모듈(100)로 입력되는 전류를 차단시킬 수 있다. 예로서, 스위칭부들(210, 220)은 퓨즈(fuse)를 더 포함할 수 있으며, 스위칭부들(210, 220)은 퓨즈를 이용하여, 특정 레벨 이상의 전류가 흐르는 경우 전류를 차단할 수 있다.
BMS(300)는 전류 측정 회로(310), 온도 측정 회로(320), 전압 측정 회로(330), 제어 회로(340) 및 메모리(350)를 포함할 수 있다. BMS(300)는 마스터 BMS일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 도 1을 참조하여서는 BMS(300)가 하나의 배터리 모듈(100)을 관리하는 것으로 도시되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. BMS(300)는 배터리 팩(10)에 포함된 복수의 배터리 모듈을 관리할 수 있다.
전류 측정 회로(310)는 배터리 모듈(100)의 양 단 중 일 단에 흐르는 전류를 측정할 수 있다. 도 1을 참조하여서는, 전류 측정 회로(310)가 PRA(200)와 BMS(300) 사이의 노드를 흐르는 전류를 측정하는 것으로 도시되지만 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 전류 측정 회로(310)는 배터리 모듈(100)과 PRA(200) 사이의 노드를 흐르는 전류를 측정할 수도 있고, 배터리 셀(110)과 내부 저항들(120, 130) 사이의 노드를 흐르는 전류를 측정할 수도 있다.
전류 측정 회로(310)는 측정된 전류에 기초하여, 배터리 모듈(100)에 과전류가 흐르는 것을 감지할 수 있다. 예로서, 전류 측정 회로(310)는 배터리 모듈(100)로 입력되는 전류를 측정할 수 있다. 이 경우, 전류 측정 회로(310)는 배터리 모듈(100)이 충전되는 중에, 배터리 모듈(100)로 과전류가 입력되는 것을 감지할 수 있다. 다른 예로서, 전류 측정 회로(310)는 배터리 모듈(100)로부터 출력되는 전류를 측정할 수 있다. 이 경우, 전류 측정 회로(310)는 배터리 모듈(100)이 방전되는 중에, 배터리 모듈(100)로부터 과전류가 출력되는 것을 감지할 수 있다. 전류 측정 회로(310)는 측정된 전류에 대한 정보를 제어 회로(340)로 출력할 수 있다.
온도 측정 회로(320)는 배터리 모듈(100)의 온도를 측정할 수 있다. 구체적으로, 온도 측정 회로(320)는 내부 저항(120)에서 발생하는 열, 내부 저항(120)의 온도 등을 측정하여, 배터리 모듈(100)의 온도를 산출할 수 있다. 온도 측정 회로(320)는 배터리 모듈(100)의 온도에 대한 정보를 제어 회로(340)로 출력할 수 있다.
전압 측정 회로(330)는 배터리 모듈(100) 양 단의 전압을 측정할 수 있다. 전압 측정 회로(330)는 측정된 전압에 대한 정보를 제어 회로(340)로 출력할 수 있다.
제어 회로(340)는 전류 측정 회로(310), 온도 측정 회로(320) 및 전압 측정 회로(330)로부터 수신되는 정보에 기초하여, 배터리 모듈(100)에 외부 및/또는 내부 단락이 발생하였는지 여부를 판단할 수 있다. 구체적으로, 외부 단락은 배터리 모듈(100) 외부에서 발생하는 단락을 의미한다. 내부 단락은 배터리 모듈(100) 내부에서 발생하는 단락이나, 배터리 셀(110) 외부에서 발생한 단락을 의미한다.
제어 회로(340)는 전류 측정 회로(310)로부터 수신되는 정보에 기초하여, 배터리 모듈(100)에 과전류가 흐르는지 여부를 판단할 수 있다. 배터리 모듈(100)은 전류 측정 회로(310)에 의해 측정된 전류를 임계 전류와 비교할 수 있다. 배터리 모듈(100)은 측정된 전류가 임계 전류 이상인 경우, 배터리 모듈(100)에 과전류가 흐르는 것으로 판단할 수 있다. 배터리 모듈(100)은 측정된 전류가 임계 전류 미만인 경우, 배터리 모듈(100)에 과전류가 흐르지 않는 것으로 판단할 수 있다. 임계 전류는 사용자가 사전에 설정해둔 값일 수 있으며, 전류 측정 회로(310)가 최대로 측정할 수 있는 전류의 크기에 기초하여 설정된 값일 수 있다.
배터리 모듈(100)에 과전류가 흐르지 않는 것으로 판단되는 경우, 배터리 모듈(100)에 에러가 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다. 본 명세서에서, "에러"는 배터리 모듈(100) 외부 및/또는 내부에서 단락이 발생하였는지 여부와 관련될 수 있다. 즉, 에러가 발생하였다는 것은 배터리 모듈(100) 외부 및/또는 내부에서 단락이 발생하였다는 것을 의미하고, 에러가 발생하지 않았다는 것은 배터리 모듈(100) 외부 및/또는 내부에서 단락이 발생하지 않았다는 것을 의미한다.
제어 회로(340)는 배터리 모듈(100)에 과전류가 흐르는 것으로 판단되는 경우, 배터리 모듈(100)의 전압이 급변하는지를 판단할 수 있다. 제어 회로(340)는 전압 측정 회로(330)에 의해 측정된 전압으로부터 배터리 모듈(100)의 SOC(State Of Charge)를 계산할 수 있다. 제어 회로(340)는 배터리 모듈(100)의 SOC(State Of Charge) 및 온도에 기초하여, 배터리 모듈(100)의 등가 저항에 대한 정보를 획득할 수 있다. 배터리 모듈(100)은 메모리(350)에 저장된 룩업 테이블에서 등가 저항에 대한 정보를 획득할 수 있다. 룩업 테이블은 도 6을 참조하여 자세하게 설명된다.
배터리 모듈(100)의 등가 저항은 배터리 모듈(100)의 등가 회로 전체에 분포되어 있는 저항체들과 동일한 전력 손실을 발생시키는 저항 값을 갖는 저항을 의미한다. 배터리 모듈(100)의 등가 회로는 배터리 모듈(100)에 대해 배터리 모듈(100)의 전기적 특성을 유지하면서 동시에 단순한 형태로 표현되는 회로를 의미한다. 배터리 모듈(100)의 등가 회로는 도 4를 참조하여 자세하게 설명된다.
제어 회로(340)는 배터리 모듈(100)의 등가 저항과 임계 전류에 기초하여, 임계 변동 폭을 계산할 수 있다. 전압 측정 회로(330)는 주기적으로 배터리 모듈(100)의 전압을 측정할 수 있다. 이하 설명들에서, 제 1 시각에 측정된 전압이 제 1 전압으로 표현되고 제 2 시각에 측정된 전압이 제 2 전압으로 표현된다. 제 2 시각은 제 1 시각 이후의 시각이다. 임계 변동 폭은 배터리 모듈(100)에 에러가 발생하지 않을 경우, 제 1 전압과 제 2 전압 사이의 전압 차가 가질 수 있는 최대 값에 대응할 수 있다.
제어 회로(340)는 제 1 전압과 제 2 전압 사이의 절대 차이 값인 실제 변동 폭과 임계 변동 폭을 비교하여, 배터리 모듈(100)의 전압이 급변하였는지를 판단할 수 있다. 제어 회로(340)는 실제 변동 폭이 임계 변동 폭 이상인 경우, 배터리 모듈(100)에 단락이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 즉, 이 경우, 제어 회로(340)는 배터리 모듈(100)에 에러가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 제어 회로(340)는 실제 변동 폭이 임계 변동 폭 미만인 경우, 배터리 모듈(100)에 단락이 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다. 즉, 이 경우, 제어 회로(340)는 배터리 모듈(100)에 에러가 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다.
제어 회로(340)는 배터리 모듈(100)에 에러가 발생한 것으로 판단되는 경우, 에러 유형, 에러 원인 등 에러에 대한 정보를 메모리(350)에 저장할 수 있다. 구체적으로, 에러에 대한 정보는 에러 발생 시 배터리 모듈(100)의 전압, 전류, 온도, 절연 저항 등 배터리 모듈(100)에 대한 정보를 포함할 수 있다. 에러에 대한 정보는 에러가 발생시 배터리 모듈(100)이 포함된 차량의 속도, 누적 주행 거리, Sox 농도, 공조 상태 등 차량에 대한 정보를 포함할 수 있다. 제어 회로(340)는 에러에 대한 정보를 고장 코드(DTC, Diagnostic Trouble Code) 형태로 저장할 수 있다. 사용자는 메모리(350)에 기록된 고장 코드를 스캔함으로써, 에러에 대한 정보를 획득할 수 있다.
배터리 모듈(100)은 도 1을 참조하여 설명된 구성 및 동작을 통해, 외부 및/또는 내부 단락으로 인해 배터리 모듈(100)에 과전류가 흐르고, 배터리 모듈(100)의 전압이 급변하는 것을 감지할 수 있다. 또한, 배터리 모듈(100)은 외부 및/또는 내부 단락으로 인해 배터리 모듈(100)이 고장나기 이전에 에러에 대한 정보를 획득하여, 메모리(350)에 기록할 수 있다.
도 2는 도 1의 전류 측정 회로(310)를 흐르는 전류에 따라, 전류 측정 회로(310)가 측정할 수 있는 최대 유도 전압을 나타내는 그래프이다.
전류 측정 회로(310)는 타겟 노드를 흐르는 전류를 측정하고자 하는 경우, 전류 측정 회로(310)를 흐르는 전류에 의해 전류 측정 회로(310)에 유도되는 유도 전압을 측정하여, 타겟 노드를 흐르는 전류를 계산할 수 있다. 도 2의 그래프는 전류 측정 회로(310)를 흐르는 전류에 따라 전류 측정 회로(310)가 측정할 수 있는 유도 전압을 나타낸다. 그래프의 x축은 전류 측정 회로(310)를 흐르는 전류의 크기를 나타낸다. 그래프의 y축은 전류 측정 회로(310)에 의해 측정될 수 있는 유도 전압의 최대 크기를 나타낸다.
도 2의 전류(Inm)는 도 1의 배터리 모듈(100)에 에러가 발생하지 않은 상태에서, 일반적으로 배터리 모듈(100)을 흐르는 전류를 의미한다. 도 2의 그래프를 참조하면, 전류 측정 회로(310)에 전류(Isat) 보다 큰 전류가 흐르는 경우, 전류 측정 회로(310)를 흐르는 전류가 증가하여도 전류 측정 회로(310)가 측정할 수 있는 유도 전압이 증가하지 않을 수 있다. 즉, 전류 측정 회로(310)에 전류(Isat) 보다 큰 전류가 흐르는 경우, 전류 측정 회로(310)가 정상적으로 동작하지 않을 수 있다. 도 2의 전류(Isat)는 도 1을 참조하여 설명된 임계 전류일 수 있다. 이하 설명들에서, 전류(Isat)는 임계 전류인 것으로 가정되나, 사용자는 임계 전류를 전류(Isat)보다 크거나 작게 설정할 수도 있다.
도 3은 도 1의 스위칭부(210)를 흐르는 전류와 스위칭부(210)의 동작 가능 시간 간의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 3의 그래프는 스위칭부(210)를 흐르는 전류에 따라 스위칭부(210)가 정상적으로 동작할 수 있는 동작 가능 시간을 나타낸다. 스위칭부(210)에 동작 가능 시간 이상의 시간 동안, 그래프 상의 동작 가능 시간에 대응하는 전류가 흐르는 경우, 스위칭부(210)는 고장날 수 있다. 예로서, 스위칭부(210)가 퓨즈를 포함하는 경우, 퓨즈가 끊어질 수 있다. 그래프의 x축은 스위칭부(210)를 흐르는 전류를 나타낸다. 그래프의 y축은 스위칭부(210)가 고장나지 않고 동작할 수 있는 동작 가능 시간을 나타낸다.
스위칭부(210)는 컨택터, 퓨즈 등 다양한 스위치 회로들을 포함할 수 있으며, 그래프(g1)는 200[A]까지 측정할 수 있는 컨택터의 전류-동작 가능 시간 그래프이고, 그래프(g2)는 500[A]까지 측정할 수 있는 퓨즈의 전류-동작 가능 시간 그래프이다.
그래프(g1)를 참조하면, 컨택터는 0.35[kA]의 전류가 흐르는 경우, 60[s] 동안 정상적으로 동작할 수 있다. 즉, 컨택터는 0.35[kA]의 전류가 60[s] 이상의 시간 동안 흐르면, 고장날 수 있다. 또한, 그래프(g1)를 참조하면, 컨택터는 1.5[kA] 이상의 전류가 흐르면 매우 짧은 시간 동안만 동작 후 소손될 수 있다. 이 경우, 컨택터에 1.5[kA] 이상의 전류가 흐르면 컨택터는 즉시 소손되는 것으로도 표현할 수 있다.
그래프(g2)를 참조하면, 퓨즈는 5.0[kA]의 전류가 흐르는 경우, 1.5*10-3[s] 동안 정상적으로 동작할 수 있다. 즉, 퓨즈는 5.0[kA]의 전류가 1.5*10-3[s] 이상의 시간 동안 흐르면, 고장날 수 있다.
도 1을 참조하는 설명에 따르면, 본 발명의 BMS(300)는 스위칭부(210)에 동작 가능 시간 이상의 시간 동안 과전류가 흘러 스위칭부(210)가 고장나기 이전에, 에러에 대한 정보를 획득할 수 있다.
도 4는 도 1의 배터리 모듈(100)의 등가 회로를 보여주는 회로도이다.
등가 회로(40)는 도 1의 배터리 모듈(100)의 전기적 특성이 반영된 회로 모델일 수 있다. 등가 회로(40)는 전압원(41), 저항(R0) 및 저항(R1)-커패시터(C1) 세트가 직렬 연결된 구성일 수 있다. 여기에서, 저항(R1)-커패시터(C1) 세트는 저항(R1) 및 커패시터(C1)가 병렬 연결된 구성일 수 있다.
도 4를 참조하면, 등가 회로(40)는 하나의 저항-커패시터 세트를 포함하는 1차 회로로 도시되나, 본 발명은 이에 한정되지는 않는다. 배터리 모듈(100)의 등가 회로는 P개의 저항-커패시터 세트가 서로 직렬 연결된 구성인 P차 회로일 수도 있다. 여기에서, "P"는 자연수이다.
등가 회로(40)에 기초하여, 아래의 [수학식 1]이 도출될 수 있다.
Figure pat00001
[수학식 1]에서, "CCV"는 배터리 모듈(100) 양 단의 전압을 의미한다. "OCV"는 배터리 모듈(100)의 SOC(State Of Charge)에 따른 전압원(41)의 전압을 의미한다. "IR0", "IR1"는 각각 저항(R0)을 흐르는 전류, 저항(R1)을 흐르는 전류를 의미한다. 전압(CCV)은 아래의 [수학식 2]에 따라, 표현될 수 있다.
Figure pat00002
[수학식 2]에서, "R'"는 등가 회로(40)의 등가 저항을 의미한다. 등가 저항(R')은 저항(R0) 및 저항(R1)-커패시터(C1) 세트의 합성 저항일 수 있다. 저항(R0)의 저항 값은 배터리 모듈(100)의 온도 및 SOC에 따라 변하지 않을 수 있다. 저항(R1)-커패시터(C1) 세트의 저항 값은 온도 및 SOC에 따라 변할 수 있다. 따라서, 등가 저항(R')의 저항 값도 온도 및 SOC에 따라 변할 수 있다. 온도 및 SOC에 따른 등가 저항(R')의 저항 값에 대한 정보는 룩업 테이블 형태로 도 1의 메모리(350)에 저장될 수 있다. 룩업 테이블은 도 6을 참조하여 자세하게 설명된다.
제어 회로(340)는 도 1과 관련하여 언급된 등가 저항(R') 및 임계 전류에 기초하여, 아래의 [수학식 3]에 따라, 임계 변동 폭을 계산할 수 있다.
Figure pat00003
[수학식 3]에서 "Vsat", "Isat", "R'"는 각각 임계 전압, 임계 전류, 등가 저항을 의미한다.
제어 회로(340)는 시간차를 가지고 측정된 배터리 모듈(100)의 전압들의 실제 변동 폭(제 2 전압과 제 1 전압 사이의 절대 차)과 임계 변동 폭을 비교하여, 배터리 모듈(100)에 단락이 발생하였는지 여부를 최종적으로 판단할 수 있다.
실제 변동 폭과 임계 변동 폭 사이의 관계는 아래의 [수학식 4] 내지 [수학식 6]에 의해 도출될 수 있다.
Figure pat00004
[수학식 4]에서, "Vm", "Im", "Rm"는 각각 제 2 시각에서 측정된 배터리 모듈(100)의 전압, 제 2 시각에서 측정된 배터리 모듈(100)의 전류, 제 2 시각에서의 저항(R1)-커패시터(C1) 세트에 대한 등가 저항을 의미한다.
Figure pat00005
[수학식 5]에서, "Vm-1", "Im-1" "Rm"는 각각 제 1 시각에서 측정된 전압, 제 1 시각에서 측정된 전류, 제 1 시각에서의 저항(R1)-커패시터(C1) 세트에 대한 등가 저항을 의미한다.
[수학식 4]에서 [수학식 5]를 빼면, [수학식 6]이 도출될 수 있다.
Figure pat00006
배터리 모듈(100)에 과전류가 흐르는 경우, 제 2 시각에서의 전류(Im)는 제 1 시각에서의 전류(Im-1)에 비해 매우 크다고 가정할 수 있다. 따라서, 제 1 시각에서의 전류(Im-1)와 관련되는 항이 무시될 수 있다.
배터리 모듈(100)에 과전류가 흐르는 경우 제 2 시각에서의 전류(Im)는 임계 전류(Isat) 이상이므로, 배터리 모듈(100)에 과전류가 흐르는 경우 실제 변동 폭(│Vm-Vm-1│)은 임계 변동 폭(Vsat) 이상이다. 따라서, 제어 회로(340)는 실제 변동 폭(│Vm-Vm-1│)이 임계 변동 폭(Vsat) 이상인 경우, 배터리 모듈(100)에 에러가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 제어 회로(340)는 실제 변동 폭(│Vm-Vm-1│)이 임계 변동 폭(Vsat) 미만인 경우, 배터리 모듈(100)에 에러가 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다.
[수학식 3]은 제 2 시각에서의 전류(Im)가 제 1 시각에서의 전류(Im-1)에 비해 매우 크다는 가정하에 도출된 것이므로, 제 2 시각에서의 전류(Im)와 제 1 시각에서의 전류(Im-1) 간의 차이가 매우 크지 않는 경우에는 임계 변동 폭(Vsat)을 조절할 필요가 있다. 따라서, 제어 회로(340)는 [수학식 7]에 따라, 임계 변동 폭을 계산할 수도 있다.
Figure pat00007
제어 회로(340)는 [수학식 7]에 따라 계산된 임계 변동 폭(Vsat)을 이용하여, 에러 판단의 정확성을 보다 더 높일 수 있다. 또한, 저항(R0)는 온도 및 SOC에 따라 변하지 않으므로, 제어 회로(340)는 복잡하지 않게 [수학식 7]에 따른 임계 변동 폭(Vsat)을 계산할 수 있다.
다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 제어 회로(340)는 에러 판단의 정확성을 높이기 위해, [수학식 7] 외의 다른 수학식을 이용하여 임계 변동 폭(Vsat)을 [수학식 4]에 따른 임계 변동 폭보다 작은 값으로 조절할 수도 있다.
도 5는 도 1의 제어 회로(340)의 구성을 보여주는 블록도이다. 도 6은 도 1의 메모리(350)에 저장된 룩업 테이블을 보여주는 개념도이다. 도 5 및 도 6이 함께 설명된다.
제어 회로(340)는 전류 비교 회로(341), 임계 변동 폭 계산 회로(342) 및 전압 비교 회로(343)를 포함할 수 있다. 도 1의 전류 측정 회로(310), 온도 측정 회로(320) 및 전압 측정 회로(330)는 주기적으로, 도 1의 배터리 모듈(100)의 전류, 온도 및 전압을 측정할 수 있다. 이하 설명들에서, 도 1의 전류 측정 회로(310), 온도 측정 회로(320) 및 전압 측정 회로(330)는 제 1 시각 및 제 2 시각에서, 배터리 모듈(100)의 전류, 온도 및 전압을 측정한 것으로 가정된다. 또한, 위에서 언급하였듯이 제 2 시각은 제 1 시각 이후의 시각인 것으로 가정된다.
전류 비교 회로(341)는 전류 측정 회로(310)로부터 제 2 시각에 측정된 전류(Im)에 대한 정보를 수신할 수 있다. 전류 비교 회로(341)는 전류(Im)와 도 2의 임계 전류(Isat)를 비교할 수 있다. 전류 비교 회로(341)는 임계 전류(Isat)에 대한 정보를 도 1의 메모리(350)에서 획득할 수 있다.
전류(Im)가 임계 전류(Isat)보다 작은 경우, 제어 회로(340)는 배터리 모듈(100)에 과전류가 흐르지 않은 것으로 판단할 수 있다. 전류(Im)가 임계 전류(Isat) 이상인 경우, 제어 회로(340)는 배터리 모듈(100)에 과전류가 흐른 것으로 판단할 수 있다.
임계 변동 폭 계산 회로(342)는 제 2 시각에 측정된 전압(Vm), 전류(Im) 및 온도(Tm)에 대한 정보를 수신할 수 있다. 임계 변동 폭 계산 회로(342)는 전압(Vm)에 기초하여, 제 2 시각에서의 배터리 모듈(100)의 SOC(SOCm)를 계산할 수 있다.
임계 변동 폭 계산 회로(342)는 메모리(350)에 저장된 룩업 테이블에서, 온도(Tm) 및 SOC(SOCm)에 대응하는 등가 저항에 대한 정보를 획득할 수 있다. 도 6을 참조하면, 룩업 테이블은 온도 및 SOC와 등가 저항 간의 매칭 정보를 나타낼 수 있다. 룩업 테이블은 온도 및 SOC에 따른 등가 저항을 나타낼 수 있다. 도 6의 룩업 테이블에 따르면, 온도(Tm) 및 SOC(SOCm)에 대응하는 등가 저항은 "Rmm'"일 수 있다.
임계 변동 폭 계산 회로(342)는 전류(Im) 및 등가 저항(Rmm')에 기초하여, [수학식 4]에 따라 임계 변동폭(Vsat)을 계산할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 명세서의 임계 변동폭(Vsat)은 [수학식 4] 또는 [수학식 7]에 따라 계산된 변동 폭을 의미한다. 임계 변동 폭 계산 회로(342)는 임계 변동폭(Vsat)에 대한 정보를 전압 비교 회로(343)로 출력할 수 있다.
전압 비교 회로(343)는 제 1 시각에 측정된 전압(Vm-1) 및 제 2 시각에 측정된 전압(Vm)에 대한 정보를 수신할 수 있다. 또한, 전압 비교 회로(343)는 계산 회로(342)에서 계산된 임계 변동폭(Vsat)에 대한 정보를 수신할 수 있다.
전압 비교 회로(343)는 전압(Vm-1) 및 전압(Vm)에 기초하여, 실제 변동 폭을 계산할 수 있다. 실제 변동 폭은 전압(Vm-1)과 전압(Vm) 사이의 전압 차의 절대 값을 의미한다.
전압 비교 회로(343)는 실제 변동 폭(│Vm-Vm-1│)과 임계 변동폭(Vsat)을 비교할 수 있다. 전압 비교 회로(343)는 실제 변동 폭(│Vm-Vm-1│)이 임계 변동폭(Vsat) 이상이면, 배터리 모듈(100)에 에러가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 전압 비교 회로(343)는 실제 변동 폭(│Vm-Vm-1│)이 임계 변동폭(Vsat) 보다 작으면, 배터리 모듈(100)에 에러가 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다.
도 7은 도 1의 BMS(300)의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
S110 동작에서, BMS(300)는 제 1 시각 및 제 2 시각 각각에서의 도 1의 배터리 모듈(100)의 전압, 전류 및 온도를 측정할 수 있다.
S120 동작에서, BMS(300)는 제 2 시각에서의 전류(Im)와 임계 전류(Isat)를 비교할 수 있다. BMS(300)는 임계 전류(Isat)에 대한 정보를 도 1의 메모리(350)에서 획득할 수 있다.
전류(Im)가 임계 전류(Isat)보다 작은 경우, BMS(300)는 배터리 모듈(100)에 과전류가 흐르지 않은 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, S110 동작이 다시 수행된다.
전류(Im)가 임계 전류(Isat) 이상인 경우, 제어 회로(340)는 배터리 모듈(100)에 과전류가 흐른 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, S130 동작이 수행된다.
S130 동작에서, BMS(300)는 온도(Tm) 및 SOC(SOCm)에 대응하는 등가 저항(Rmm')에 대한 정보를 획득할 수 있다. BMS(300)는 전류(Im) 및 등가 저항(Rmm')에 기초하여, 임계 변동폭(Vsat)을 산출할 수 있다.
S140 동작에서, BMS(300)는 실제 변동 폭(│Vm-Vm-1│)과 임계 변동폭(Vsat)을 비교할 수 있다.
BMS(300)는 실제 변동 폭(│Vm-Vm-1│)이 임계 변동폭(Vsat) 보다 작으면, 배터리 모듈(100)에 에러가 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, S110 동작이 다시 수행된다.
BMS(300)는 실제 변동 폭(│Vm-Vm-1│)이 임계 변동폭(Vsat) 이상이면, 배터리 모듈(100)에 에러가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, S150 동작이 수행된다. S150 동작에서, BMS(300)는 에러에 대한 정보를 기록할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 BMS의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, BMS(800)는, 각종 처리 및 각 구성을 제어하는 마이크로컨트롤러(MCU; 810)와, 운영체제 프로그램 및 각종 프로그램(예로서, 배터리 진단 프로그램, 전압 근사식 산출 프로그램 등) 등이 기록되는 메모리(820)와, 배터리 셀 모듈 및/또는 반도체 스위칭 소자와의 사이에서 입력 인터페이스 및 출력 인터페이스를 제공하는 입출력 인터페이스(830)와, 유무선 통신망을 통해 외부와 통신 가능한 통신 인터페이스(840)를 구비할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 컴퓨터 프로그램은 메모리(820)에 기록되고, 마이크로 컨트롤러(810)에 의해 처리됨으로써 예를 들면 도 1에서 도시한 각 기능 블록들을 수행하는 모듈로서 구현될 수 있다.
상술된 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들이다. 본 발명은 상술된 실시 예들뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경되거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들 또한 포함할 것이다. 또한, 본 발명은 실시 예들을 이용하여 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술된 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 제 1 시각에서의 배터리 모듈의 양 단 사이의 전압인 제 1 전압을 측정하고, 상기 제 1 시각 이후의 제 2 시각에서의 상기 양 단 사이의 전압인 제 2 전압, 및 상기 배터리 모듈의 온도를 측정하는 측정 회로; 및
    상기 제 2 전압 및 상기 온도 및 임계 전류에 기초하여 임계 변동 폭을 계산하고, 상기 제 2 전압과 상기 제 1 전압 사이의 전압 차의 절대 값인 실제 변동 폭과 상기 임계 변동 폭을 비교한 비교 결과에 따라 상기 배터리 모듈에 에러가 발생하였는지 여부를 판단하는 제어 회로를 포함하되,
    상기 임계 전류는 상기 측정 회로가 측정할 수 있는 최대 전류와 관련되는 배터리 관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 측정 회로는 상기 제 2 시각에서, 상기 양 단 중 일 단을 흐르는 전류를 측정하고,
    상기 제어 회로는 상기 전류와 상기 임계 전류를 비교하고, 상기 전류가 상기 임계 전류보다 큰 경우 상기 실제 변동 폭과 상기 임계 변동 폭을 비교하고, 상기 전류가 상기 임계 전류보다 작은 경우 상기 배터리 모듈에 상기 에러가 발생하지 않은 것으로 판단하는 배터리 관리 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 실제 변동 폭이 상기 임계 변동 폭보다 큰 경우 상기 배터리 모듈에 상기 에러가 발생한 것으로 판단하고, 상기 실제 변동 폭이 상기 임계 변동 폭보다 작은 경우 상기 배터리 모듈에 상기 에러가 발생하지 않은 것으로 판단하는 배터리 관리 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 제 2 전압에 기초하여 상기 제 2 시각에서의 상기 배터리 모듈의 SOC를 계산하고, 상기 온도 및 상기 SOC에 기초하여 상기 제 2 시각에서의 상기 배터리 모듈의 등가 저항에 대한 정보를 획득하고, 상기 등가 저항과 상기 임계 전류에 기초하여 상기 임계 변동 폭을 계산하되,
    상기 등가 저항은 상기 배터리 모듈의 전기적 특성이 반영된 등가 회로 내의 모든 저항들의 합성 저항인 배터리 관리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어 회로는 수학식 1에 따라 상기 임계 변동 폭을 계산하는 배터리 관리 시스템.
    (수학식 1)
    상기 임계 변동 폭=상기 임계 전류*상기 등가 저항
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 측정 회로는 상기 제 1 시각에서, 상기 양 단 중 일 단을 흐르는 전류를 측정하고,
    상기 제어 회로는 수학식 2에 따라 상기 임계 변동 폭을 계산하고,
    (수학식 2)
    상기 임계 변동 폭=상기 임계 전류*상기 등가 저항-상기 제 1 시각에서 측정된 상기 전류*고정 저항
    상기 고정 저항은 상기 등가 회로 내의 상기 모든 저항들 중 상기 온도 및 상기 SOC에 따라 저항 값이 변하지 않는 저항인 배터리 관리 시스템.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 SOC 및 상기 온도와 상기 등가 저항 사이의 매칭 정보를 나타내는 룩업 테이블을 저장하는 메모리를 더 포함하고,
    상기 제어 회로는 상기 룩업 테이블에서, 상기 SOC 및 상기 온도에 대응하는 상기 등가 저항에 대한 정보를 획득하고,
    상기 등가 저항은 상기 SOC 및 상기 온도가 높아짐에 따라 증가하는 배터리 관리 시스템.
  8. 배터리 모듈; 및
    제 1 시각에서의 상기 배터리 모듈의 양 단 사이의 전압인 제 1 전압, 상기 제 1 시각 이후의 제 2 시각에서의 상기 양 단 사이의 전압인 제 2 전압, 및 상기 배터리 모듈의 온도를 측정하고, 임계 전류, 상기 제 2 전압 및 상기 온도에 기초하여 임계 변동 폭을 계산하고, 상기 제 2 전압과 상기 제 1 전압 사이의 전압 차의 절대 값인 실제 변동 폭과 상기 임계 변동 폭을 비교한 비교 결과에 따라 상기 배터리 모듈에 에러가 발생하였는지 여부를 판단하는 배터리 관리 시스템을 포함하되,
    상기 임계 전류는 상기 배터리 관리 시스템이 측정할 수 있는 최대 전류와 관련되는 배터리 팩.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 에러는 상기 배터리 모듈의 외부 및 내부에서 발생하는 단락을 나타내는 배터리 팩.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은 상기 제 2 시각에서의 상기 배터리 모듈의 전류와 상기 임계 전류를 비교하고, 상기 전류가 상기 임계 전류 이상인 경우 상기 실제 변동 폭과 상기 임계 변동 폭을 비교하고, 상기 전류가 상기 임계 전류 미만인 경우 상기 배터리 모듈에 상기 에러가 발생하지 않은 것으로 판단하고,
    상기 임계 변동 폭은 상기 제 2 시각에서의 상기 배터리 모듈의 내부 저항에 대응하는 등가 저항과 상기 임계 전류에 기초하여 계산되는 배터리 팩.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 전류가 상기 배터리 모듈로 입력되는 전류인 경우, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 배터리 모듈이 충전되는 중에 상기 에러가 발생하였는지 여부를 판단하고,
    상기 전류가 상기 배터리 모듈로부터 출력되는 전류인 경우, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 배터리 모듈이 방전되는 중에 상기 에러가 발생하였는지 여부를 판단하는 배터리 팩.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 배터리 모듈에 상기 에러가 발생한 것으로 판단되는 경우, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 에러 발생시 상기 배터리 모듈의 전압, 전류, 온도, 절연 저항에 대한 정보 중 적어도 일부 및 상기 배터리 모듈이 포함된 차량의 주행 속도, 누적 주행 거리, Sox의 농도, 공조 상태에 대한 정보 중 적어도 일부를 고장 코드(DTC, Diagnostic Trouble Code) 형태로 저장하는 배터리 팩.
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KR1020200078758A KR20220000740A (ko) 2020-06-26 2020-06-26 배터리 모듈의 외부 및 내부 단락을 감지하기 위한 배터리 관리 시스템 및 이를 포함하는 배터리 팩

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023132502A1 (ko) * 2022-01-06 2023-07-13 주식회사 엘지에너지솔루션 외부 단락 진단 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템

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