KR20220121601A - 모듈 밸런싱 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 직렬 연결되어 외부장치에 전력을 공급하는 복수의 배터리 모듈 간의 전압 균형을 맞추는 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 배터리 시스템은, 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩, 상기 복수의 배터리 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결하는 스위칭 회로, 그리고, 상기 배터리 팩에서 외부장치로 전력을 공급하는 방전모드 및 상기 외부장치로부터 전력을 인가 받아 상기 배터리 팩을 충전하는 충전모드에서, 상기 복수의 배터리 모듈이 직렬 연결되도록 상기 스위칭 회로를 제어하는 BMS(Battery Management System)를 포함하고, 상기 BMS는, 상기 복수의 배터리 모듈 간의 전압차가 소정의 기준값 이하가 될 때까지 상기 외부장치로부터 인가된 전력으로 상기 복수의 배터리 모듈을 충전하는 모듈 밸런싱 모드에서, 상기 복수의 배터리 모듈이 병렬 연결되도록 상기 스위칭 회로를 제어한다.

Description

모듈 밸런싱 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 시스템{METHOD OF BATTERY BALANCING AND BATTERY SYSTEM PROVIDING THE SAME}
본 발명은, 직렬 연결되어 외부장치에 전력을 공급하는 복수의 배터리 모듈 간의 전압 균형을 맞추는 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
재사용이 불가능한 1차 전지와 달리, 사용 후 충전하여 재사용이 가능한 2차 전지는, 에너지를 충전 및 방전하는 ESS(Energy Storage System), 전기 자동차 등에 사용된다. 특히, ESS 및 전기 자동차 등은 대규모의 전력을 충전하거나 방전하므로, 대용량의 에너지 저장장치가 요구된다.
대용량의 에너지 저장장치는, 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하고, 배터리 팩은 직렬 및/또는 병렬 연결되는 복수의 배터리 모듈을 포함한다. 이때, 각 배터리 모듈은, 최소 단위인 배터리 셀이 복수 개 직렬 연결되어 구성될 수 있다.
한편, 배터리 팩의 충전 및 방전이 반복됨에 따라 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 모듈 간에 전압 편차가 발생할 수 있다. 또한, 배터리 팩을 구성하는 소정의 배터리 모듈에 하자가 발생하여 교체가 필요한 경우, 기 설치된 배터리 모듈과 새로 설치되는 배터리 모듈 간에 전압 편차가 발생할 수 있다. 복수의 배터리 모듈 간에 전압 편차가 발생하면, 충전단계에서 일부 배터리 모듈이 과충전되거나, 방전단계에서 일부 배터리 모듈이 과방전되어 배터리 팩을 열화시키고 수명을 단축시키는 원인이 된다.
종래에는, 기 설치된 배터리 모듈과 전압 균형이 맞도록 교체할 배터리 모듈을 충전 또는 방전시킨 이후에 배터리 팩에 설치하였는데, 이는 매우 번거로운 작업으로 효율적이지 못하였다.
본 발명은, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 모듈 간에 전압 불균형이 발생하면, 외부장치(예를 들어, 전력변환장치)를 이용하여 복수의 배터리 모듈을 병렬 충전하여, 복수의 배터리 모듈 간의 전압 균형을 맞추는 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 배터리 시스템은, 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩, 상기 복수의 배터리 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결하는 스위칭 회로, 그리고, 상기 배터리 팩에서 외부장치로 전력을 공급하는 방전모드 및 상기 외부장치로부터 전력을 인가 받아 상기 배터리 팩을 충전하는 충전모드에서, 상기 복수의 배터리 모듈이 직렬 연결되도록 상기 스위칭 회로를 제어하는 BMS(Battery Management System)를 포함하고, 상기 BMS는, 상기 복수의 배터리 모듈 간의 전압차가 소정의 기준값 이하가 될 때까지 상기 외부장치로부터 인가된 전력으로 상기 복수의 배터리 모듈을 충전하는 모듈 밸런싱 모드에서, 상기 복수의 배터리 모듈이 병렬 연결되도록 상기 스위칭 회로를 제어한다.
상기 스위칭 회로는, 소정의 배터리 모듈의 양극과 인접하는 배터리 모듈의 음극 사이에 연결되는 적어도 하나의 직렬 스위치, 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 양극에 일단이 연결되는 복수의 제1 병렬 스위치, 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 음극에 일단이 연결되는 복수의 제2 병렬 스위치, 상기 복수의 제1 병렬 스위치의 타단들이 연결되어 있는 제1 접점과 제1 출력단 사이에 연결되는 제1 메인 릴레이, 상기 복수의 제2 병렬 스위치의 타단들이 연결되어 있는 제2 접점과 제2 출력단 사이에 연결되어 있는 밸런싱 릴레이, 그리고 상기 배터리 팩의 음극과 상기 제2 출력단 사이에 연결되어 있는 제2 메인 릴레이를 포함할 수 있다.
상기 BMS는, 상기 방전모드 및 상기 충전모드에서, 상기 직렬 스위치는 온 하고, 상기 복수의 제1 병렬 스위치 및 상기 복수의 제2 병렬 스위치는 오프 하여, 상기 복수의 배터리 모듈을 직렬 연결하고, 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이는 온 하고, 상기 밸런싱 릴레이는 오프 하여, 상기 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈과 상기 외부장치를 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 BMS는, 상기 모듈 밸런싱 모드에서, 상기 직렬 스위치는 오프 하고, 상기 복수의 제1 병렬 스위치 및 상기 복수의 제2 병렬 스위치는 온 하여, 상기 복수의 배터리 모듈을 병렬 연결하고, 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 밸런싱 릴레이는 온 하고, 상기 제2 메인 릴레이는 오프 하여, 상기 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈과 상기 외부장치를 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 BMS는, 상기 외부장치에 의한 충전으로 상기 복수의 배터리 모듈 간의 전압차가 소정의 기준값 이하로 낮아지면, 상기 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈과 상기 외부장치를 전기적으로 분리하고, 상기 복수의 배터리 모듈의 연결이 병렬에서 직렬로 변경되도록 상기 스위칭 회로를 제어할 수 있다.
상기 외부장치는, 상기 BMS의 제어에 따라 공급하는 전력량을 조정하는 전력변환장치(PCS, Power Conversion System)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 모듈 밸런싱 방법은, 배터리 팩에서 외부장치로 전력을 공급하는 방전모드 및 상기 외부장치로부터 전력을 인가 받아 상기 배터리 팩을 충전하는 충전모드에서, 직렬 연결되는 복수의 배터리 모듈 간의 전압 균형을 맞추는 방법으로서, 상기 복수의 배터리 모듈 간의 전압 균형을 맞추는 모듈 밸런싱 모드의 진입조건을 만족하는지 판단하는 단계, 상기 판단결과 상기 진입조건을 만족하면, 상기 복수의 배터리 모듈이 병렬 연결되도록 스위칭 회로를 제어하는 단계, 그리고 상기 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈과 상기 외부장치를 전기적으로 연결하여 상기 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈을 충전하는 단계, 그리고 상기 충전으로 상기 복수의 배터리 모듈 간의 전압차가 소정의 기준값 이하로 낮아지면, 상기 모듈 밸런싱 모드를 종료하는 단계를 포함한다.
상기 모듈 밸런싱 모드의 진입조건은, 상기 복수의 배터리 모듈의 모듈전압 중 최대 모듈전압과 최소 모듈전압의 차이값이 소정의 기준값을 초과하는 경우를 포함할 수 있다.
상기 복수의 배터리 모듈이 병렬 연결되도록 스위칭 회로를 제어하는 단계는,
소정의 배터리 모듈의 양극과 인접하는 배터리 모듈의 음극 사이에 연결되는 적어도 하나의 직렬 스위치는 오프하고, 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 양극에 일단이 연결되는 복수의 제1 병렬 스위치 및 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 음극에 일단이 연결되는 복수의 제2 병렬 스위치는 온 하도록 상기 스위칭 회로를 제어하여, 상기 복수의 배터리 모듈을 병렬 연결할 수 있다.
상기 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈을 충전하는 단계는, 상기 복수의 제1 병렬 스위치의 타단들이 연결되어 있는 제1 접점과 제1 출력단 사이에 연결되는 제1 메인 릴레이 및 상기 복수의 제2 병렬 스위치의 타단들이 연결되어 있는 제2 접점과 제2 출력단 사이에 연결되어 있는 밸런싱 릴레이는 온 하고, 상기 배터리 팩의 음극과 상기 제2 출력단 사이에 연결되어 있는 제2 메인 릴레이는 오프 하도록 상기 스위칭 회로를 제어하여, 상기 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈과 상기 외부장치를 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 모듈 밸런싱 모드를 종료하는 단계는, 상기 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈과 상기 외부장치를 전기적으로 분리하고, 상기 복수의 배터리 모듈의 연결을 병렬에서 직렬로 변경되도록 상기 스위칭 회로를 제어할 수 있다.
상기 모듈 밸런싱 모드를 종료하는 단계는, 상기 복수의 배터리 모듈의 모듈전압 중 최대 모듈전압과 최소 모듈전압의 차이값이 소정의 기준값 이하로 낮아지면 상기 모듈 밸런싱 모드를 종료할 수 있다.
본 발명은, 복수의 배터리 모듈을 병렬 연결한 후 충전함으로써, 배터리 팩에 포함된 전체 배터리 모듈의 전압 균형을 한 번에 맞출 수 있다.
본 발명은, 복수의 배터리 모듈 중 임의의 배터리 모듈을 교체하는 경우에도, 새로 삽입되는 배터리 모듈을 설치 전에 기 설치된 배터리 모듈과 전압 균형을 맞추지 않고도 설치가 가능하여 배터리 팩의 유지 및 관리가 용이하다.
본 발명은, 배터리 팩의 열화를 방지하여 안정성을 높이고, 배터리 팩의 수명을 연장할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템이다.
도 2는 도 1의 모듈 밸런싱 모드에서 릴레이의 온/오프를 표시한 도면이다.
도 3은 도 1의 배터리 팩 내부에 구비되는 스위칭 회로를 상세하게 설명한 도면이다.
도 4는 도 3의 스위칭 회로에 의해 충전 및 방전 모드에서 복수의 배터리 모듈의 직렬 연결을 표시한 도면이다.
도 5는 도 3의 스위칭 회로에 의해 모듈 밸런싱 모드에서 복수의 배터리 모듈의 병렬 연결을 표시한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 모듈 밸런싱 방법을 설명하는 흐름도이다.
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 시스템이고, 도 2는 도 1의 모듈 밸런싱 모드에서 릴레이의 온/오프를 표시한 도면이고, 도 3은 도 1의 배터리 팩 내부에 구비되는 스위칭 회로를 상세하게 설명한 도면이고, 도 4는 도 3의 스위칭 회로에 의해 충전 및 방전 모드에서 복수의 배터리 모듈의 직렬 연결을 표시한 도면이고, 도 5는 도 3의 스위칭 회로에 의해 모듈 밸런싱 모드에서 복수의 배터리 모듈의 병렬 연결을 표시한 도면이다.
도 1 및 도 3을 참고하면, 배터리 시스템(1)은, 배터리 팩(10), BMS(Battery Management System)(20), 전류센서(30), 전압센서(40), 그리고, 스위칭 회로(50)를 포함한다.
배터리 팩(10)은 복수의 배터리 모듈(M1-M4)을 포함하고, 각 배터리 모듈(M)은 직렬 연결되어 있는 복수의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 셀은 충전 가능한 2차 전지일 수 있다. 도 3에서, 배터리 팩(10)은 4개의 배터리 모듈(M1-M4)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 모듈(M)의 개수, 각 배터리 모듈(M)에 포함되는 배터리 셀의 개수는 설계에 따라 변경될 수 있다.
배터리 팩(10)이 외부장치로부터 공급받은 전력으로 충전되는 충전모드 또는 배터리 팩(10)이 외부장치로 전력을 공급하는 방전모드에서, 스위칭 회로(50)에 의해 복수의 배터리 모듈(M1-M4)은 직렬 연결될 수 있다. 이때, 외부장치는 충전기 또는 차량의 모터와 같은 부하일 수 있다.
일 실시예에 따라, 배터리 팩(10)이 외부장치로부터 공급받은 전력으로 복수의 배터리 모듈(M1-M4)을 충전하여 전압 편차를 줄이는 모듈 밸런싱 모드에서, 스위칭 회로(50)에 의해 복수의 배터리 모듈(M1-M4)은 병렬 연결될 수 있다. 이때, 외부장치는 전력변환장치(Power Conversion System, PCS)일 수 있다.
전력변환장치(PCS)는, 배터리 시스템으로 전력이 입력 또는 출력될 때, 배터리 시스템에서 필요한 전력량 및 전력형태(교류 또는 직류)로 전력을 변환시킬 수 있다. 즉, 전력변환장치(PCS)는 충전기(charging device) 또는 방전기(discharging device)로 동작하며, BMS(20)의 제어에 따라 전력을 변환하고, 변환된 전력을 배터리 시스템(1)에 입력 또는 출력할 수 있다. 일 실시예에 따라, 전력변환장치(PCS)는, BMS(20)의 제어에 따라 외부로부터 공급받은 전력을 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 간의 전압 편차를 줄이는 데 적합한 전력량 및 전력형태로 변환하여 배터리 시스템에 공급할 수 있다.
도 1에서, 배터리 팩(10)은 배터리 시스템(1)의 두 출력단(OUT1, OUT2) 사이에 연결된다. 배터리 팩(10)의 양극과 제1 출력단(OUT1) 사이에 전류센서(30) 및 제1 메인 릴레이(M_SW1)가 직렬 연결된다. 배터리 팩(10)의 음극과 제2 출력단(OUT2) 사이에 제2 메인 릴레이(M_SW2) 및 밸런싱 릴레이(P_SW)가 병렬 연결된다. 제1 메인 릴레이(M_SW1)와 밸런싱 릴레이(P_SW)가 온 상태에서 배터리 팩(10)의 양단 전압을 검출하기 위해, 전압센서(40)는 제1 메인 릴레이(M_SW1)의 일단과 밸런싱 릴레이(P_SW)의 일단 사이에 연결될 수 있다. 이때, 제1 출력단(OUT1)의 배터리 시스템(1)의 양극, 제2 출력단(OUT2)은 배터리 시스템(1)의 음극일 수 있다. 도 1에 도시된 구성들 및 구성들 간의 연결 관계는 일 예로 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2를 참고하면, 일 실시예에 따른 모듈 밸런싱 모드에서, 제1 메인 릴레이(M_SW1) 및 밸런싱 릴레이(P_SW)가 온 되고, 제2 메인 릴레이(M_SW2)는 오프된다. 또한, 충전모드 및 방전모드에서, 밸런싱 릴레이(P_SW)는 오프 되고, 제1 메인 릴레이(M_SW1) 및 제2 메인 릴레이(M_SW2)는 온 될 수 있다. 이하, 도 3 내지 도 5에서, 충전모드, 방전모드 및 모듈 밸런싱 모드에서 스위칭 회로(50)의 동작 및 복수의 배터리 모듈(M1-M4)의 연결에 대해 자세하게 설명한다.
BMS(20)는 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 각각에 대해 측정된 전압값 및 전류값에 기초하여, 모듈 밸런싱 모드로의 진입 여부를 결정할 수 있다.
예를 들어, 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 간의 전압 차이값(이하, 전압차)이 소정의 기준값 보다 크면, BMS(20)는 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 간의 전압 불균형으로 판단하고 모듈 밸런싱 모드로의 진입을 결정할 수 있다.
다른 예를 들어, BMS(20)는 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 각각의 전압값 및/또는 전류값에 기초하여 SOC(State of Charge)를 예측하고, 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 간의 SOC 차이값(이하, SOC 차이)이 소정의 기준값보다 크면, BMS(20)는 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 간의 SOC 불균형으로 판단하고 모듈 밸런싱 모드로의 진입을 결정할 수 있다. 이때, 전압값 및/또는 전류값에 기초하여 SOC를 예측하는 방법은 종래 알려진 다양한 방법, 예를 들어, 시간당 전류의 흐름을 더해 SOC를 예측하는 전류적산법, 개방회로 전압(OCV; Open Circuit Voltage)에 기초하여 SOC를 예측하는 방법 등을 포함할 수 있다.
모듈 밸런싱 모드로의 진입이 결정되면, BMS(20)는 복수의 배터리 모듈(M1-M4)이 병렬 연결되도록 스위칭 회로(50)를 제어한다. 전력변환장치(PCS)를 통해 입력된 전력으로 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈(M1-M4)이 충전되어 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 간의 전압차가 소정의 기준값 이하로 낮아지면, BMS(20)는, 복수의 배터리 모듈(M1-M4)이 직렬 연결되도록 스위칭 회로(50)를 제어할 수 있다. 즉, 모듈 밸런싱 모드가 종료되면, 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈(M1-M4)은 직렬 연결로 연결 구조가 변경될 수 있다.
전류센서(30)는, 배터리 팩(10)과 외부장치간 전류 경로에 직렬 연결되어 있다. 전류 센서(30)는 배터리 팩(10)에 흐르는 배터리 전류 즉, 충전 전류, 방전 전류, 및 모듈 밸런싱 전류를 측정하고, 측정 결과를 BMS(40)에 전달할 수 있다. 이때, 모듈 밸런싱 전류는, 모듈 밸런싱 모드에서, 각 배터리 모듈(M)에 인가되는 전류(이하, 모듈전류)의 합산값에 대응할 수 있다.
도 3을 참고하면, 배터리 시스템(1)은, 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 각각과 외부장치간의 전류 경로에 직렬 연결되는 복수의 전류부(A1-A4)를 더 포함할 수 있다. 전류부(A)는 배터리 모듈(M)에 흐르는 모듈전류를 측정하고, 측정 결과를 BMS(40)에 전달할 수 있다.
전압센서(40)는, 모듈 밸런싱 모드에서, 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈(M1-M4)의 양단 전압을 측정하고, 측정 결과를 BMS(40)에 전달할 수 있다. 즉, 병렬 연결되어 충전되는 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 각각의 전압은 소정의 오차범위 내에서 동일하며, BMS(40)는 전압센서(40)에 의해 측정된 전압이 기 설정된 전압에 도달하면, 모듈 밸런싱 모드를 종료할 수 있다.
도 3을 참고하면, 배터리 시스템(1)은, 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 각각에 병렬 연결되는 복수의 전압부(V1-V4)를 더 포함할 수 있다. 전압부(V)는 배터리 모듈(M)의 양단 전압인 모듈전압을 측정하고, 측정 결과를 BMS(40)에 전달할 수 있다.
스위칭 회로(50)는, BMS(40)의 제어로 복수의 배터리 모듈(M1-M4)을 직렬 또는 병렬 연결할 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩(10)이 외부장치로 전력을 출력하는 방전모드 및 외부장치로부터 전력을 입력 받아 배터리 팩(10)을 충전하는 충전모드에서, 스위칭 회로(50)는 BMS(40)의 제어로 복수의 배터리 모듈(M1-M4)을 직렬 연결할 수 있다. 다른 예를 들어, 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 간의 전압차가 소정의 기준값 이하가 될 때까지 외부장치로부터 입력된 전력으로 복수의 배터리 모듈(M1-M4)을 충전하는 모듈 밸런싱 모드에서, 스위칭 회로(50)는 BMS(40)의 제어로 복수의 배터리 모듈(M1-M4)을 병렬 연결할 수 있다.
도 3을 참고하면, 스위칭 회로(50)는, 직렬 스위치(Q), 제1 병렬 스위치(SW_1), 제2 병렬 스위치(SW_2), 제1 메인 릴레이(M_SW1), 제2 메인 릴레이(M_SW2), 및 밸런싱 릴레이(P_SW)를 포함할 수 있다.
직렬 스위치(Q)는, 소정의 배터리 모듈의 양극과 인접하는 배터리 모듈의 음극 사이에 연결된다. 직렬 스위치(Q)는, BMS(40)의 제어로 온 되면 복수의 배터리 모듈(M1-M4)을 직렬 연결할 수 있다. 도 3에서, 스위칭 회로(50)는, 4개의 배터리 모듈(M1-M4)을 직렬 연결하기 위해 3개의 직렬 스위치(Q1-Q3)를 포함한다. 즉, 스위칭 회로(50)는, 복수의 배터리 모듈(M1-M4)을 직렬 연결하기 위해 적어도 하나의 직렬 스위치(Q)를 포함할 수 있다.
제1 병렬 스위치(SW_1)는 일단이 배터리 모듈(M)의 양극에 연결되고, 타단은 제1 메인 릴레이(M_SW1)을 통해 제1 출력단(OUT1)에 연결된다. 도 3을 참고하면, 스위칭 회로(50)는, 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 각각의 양극에 일단이 연결되는 복수의 제1 병렬 스위치(SW1_1, SW2_1, SW3_1, SW4_1, 이하 SWN_1)를 포함할 수 있다. 또한, 복수의 제1 병렬 스위치(SWN_1)의 타단은 제1 접점(NM1)에 연결된다.
제2 병렬 스위치(SW_2)는 일단이 배터리 모듈(M)의 음극에 연결되고, 타단은 밸런싱 릴레이(P_SW)을 통해 제2 출력단(OUT2)에 연결된다. 도 3을 참고하면, 스위칭 회로(50)는, 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 각각의 음극에 일단이 연결되는 복수의 제2 병렬 스위치(SW1_2, SW2_2, SW3_2, SW4_2, 이하 SWN_2)를 포함할 수 있다. 또한, 복수의 제2 병렬 스위치(SWN_2)의 타단은 제2 접점(NM2)에 연결된다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 복수의 제1 병렬 스위치(SWN_1) 및 복수의 제2 병렬 스위치(SWN_2)가 오프 되고, 복수의 직렬 스위치(Q1-Q3)가 온 되면, 복수의 배터리 모듈(M1-M4)은 직렬 연결된다. 그리고, 제1 메인 릴레이(M_SW1) 및 제2 메인 릴레이(M_SW2)가 온 되고, 밸런싱 릴레이(P_SW)가 오프 되면, 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈(M1-M4)은 외부장치와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 3 및 도 5를 참고하면, 복수의 제1 병렬 스위치(SWN_1) 및 복수의 제2 병렬 스위치(SWN_2)가 온 되고, 복수의 직렬 스위치(Q1-Q3)가 오프 되면, 복수의 배터리 모듈(M1-M4)은 병렬 연결된다. 그리고, 제1 메인 릴레이(M_SW1) 및 밸런싱 릴레이(P_SW)가 온 되고, 제2 메인 릴레이(M_SW2)가 오프 되면, 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈(M1-M4)은 외부장치와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 모듈 밸런싱 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참고하여, 복수의 배터리 모듈 간의 전압 불균형을 줄이는 밸런싱 방법 및 그 방법을 제공하는 배터리 시스템을 설명한다.
도 6을 참고하면, 우선, BMS(40)는 모듈 밸런싱 모드의 진입조건 만족 여부를 판단한다(S10).
모듈 밸런싱 모드의 진입조건은, 신규 배터리 모듈(M)의 교체 또는 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 간의 전압차가 소정의 기준값을 초과하는 경우를 포함할 수 있다. 즉, 소정의 배터리 모듈(M)이 교체되면, BMS(40)는 모듈 밸런싱 모드의 진입조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다. 다른 경우, 소정의 배터리 모듈(M)이 교체되면, BMS(40)는 모듈(M1-M4) 간의 전압차를 소정의 기준값과 비교하고, 그 결과에 따라 모듈 밸런싱 모드의 진입 여부를 판단할 수 있다. 또 다른 경우, 배터리 모듈(M)이 교체되는 이벤트가 발생하지 않더라도, BMS(40)는 소정 기간(T)마다 배터리 모듈(M1-M4) 간의 전압차를 소정의 기준값과 비교하고, 그 결과에 따라 모듈 밸런싱 모드의 진입 여부를 판단할 수 있다.
도 3을 참고하면, BMS(40)는 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 각각의 모듈전압 및/또는 모듈전류에 기초하여 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 간의 전압차 또는 SOC차를 산출할 수 있다. 전압차 또는 SOC차가 소정의 기준값을 초과하면, BMS(40)는 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 간에 전압 불균형이 발생한 것으로 판단하고 모듈 밸런싱 모드의 진입조건을 만족한 것으로 판단할 수 있다. 이때, BMS(40)는 복수의 전압부(V1-V4)로부터 모듈전압을 수신하고, 복수의 전류부(A1-A4)로부터 모듈전류를 수신할 수 있다.
예를 들어, 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 각각의 모듈전압이 2V, 3V, 4V, 5V인 경우, BMS(40)는 최대 모듈전압(5V)과 최소 모듈전압(2V) 간의 전압차(3V = 5V - 2V)을 계산하고, 전압차(3V)을 소정의 기준값(예를 들어, 1V)과 비교할 수 있다. 그러면, BMS(40)는 전압차(3V)가 소정의 기준값(1V)을 초과하는 것으로 판단하고, 모듈 밸런싱 모드로의 진입을 결정할 수 있다.
다른 예를 들어, 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 각각의 SOC값이 60%, 65%, 70%, 75%인 경우, BMS(40)는 최대 SOC값(75%)과 최소 SOC값(60%) 간의 SOC차이(15% = 75% - 60%)을 계산하고, SOC차이(15%)을 소정의 기준값(예를 들어, 10%)과 비교할 수 있다. 그러면, BMS(40)는 SOC차이(15%)가 소정의 기준값(10%)을 초과하는 것으로 판단하고, 모듈 밸런싱 모드로의 진입을 결정할 수 있다. 이때, BMS(40)는 모듈전압 및/또는 모듈전류에 기초하여 종래 알려진 다양한 방법으로 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 각각의 SOC값을 예측할 수 있다.
다음으로, 모듈 밸런싱 모드의 진입조건을 만족하지 않는 경우(S10, No), BMS(40)는 복수의 배터리 모듈(M1-M4)을 직렬로 연결한다(S20). 복수의 배터리 모듈(M1-M4)이 직렬로 연결되어 있던 경우, BMS(40)는 복수의 배터리 모듈(M1-M4)의 종전 연결을 유지할 수 있다. 다음으로, BMS(40)는 충전모드 또는 방전모드에 따라 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈(M1-M4)과 외부장치를 전기적으로 연결하여 배터리 팩(10)을 충전 또는 방전할 수 있다(S30). 다음으로, 소정의 조건에 따라 충전모드 또는 방전모드가 종료된 것으로 판단되면(S40, Yes), BMS(40)는 충전모드 또는 방전모드를 종료한다(S50).
다음으로, 모듈 밸런싱 모드의 진입조건을 만족하는 경우(S10, Yes), BMS(40)는 복수의 배터리 모듈(M1-M4)을 병렬로 연결한다(S60).
도 3을 참고하면, BMS(40)는 복수의 제1 병렬 스위치(SWN_1) 및 복수의 제2 병렬 스위치(SWN_2)가 온 되고, 복수의 직렬 스위치(Q1-Q3)가 오프 되도록 제어한다. 그러면, 복수의 배터리 모듈(M1-M4)은 병렬 연결된다.
다음으로, BMS(40)는 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈(M1-M4)과 외부장치를 전기적으로 연결하여 복수의 배터리 모듈(M1-M4)을 충전한다(S70).
도 3를 참고하면, BMS(40)는 제1 메인 릴레이(M_SW1) 및 밸런싱 릴레이(P_SW)가 온 되고, 제2 메인 릴레이(M_SW2)가 오프 되도록 제어한다. 그러면, 도 5에 도시된 바와 같이, 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈(M1-M4)은 외부장치와 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 외부장치는 전력변환장치(PCS)일 수 있다.
다음으로, BMS(40)는 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 간의 전압차가 소정의 기준값 이하인지 판단한다(S80).
소정의 기준값은, 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 간 전압 균형으로 볼 수 있을 정도의 전압값으로, 설계자에 의해 설정될 수 있다.
예를 들어, 모듈 밸런싱 모드의 진입 전에, 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 각각의 모듈전압이 2V, 3V, 4V, 5V이고, 최대 모듈전압(5V)과 최소 모듈전압(2V) 간의 전압차(3V = 5V - 2V)가 소정의 기준값(1V)을 초과 하였다고 가정하자. 이후, 복수의 배터리 모듈(M1-M4)을 병렬 연결하고(S60), 외부장치를 통해 충전을 진행(S70)한 이후, 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 각각의 모듈전압이 4.9V, 5V, 5.1V, 5.2V에 도달할 수 있다. 그러면, BMS(40)는 충전 후 최대 모듈전압(5.2V)과 최소 모듈전압(4.9V) 간의 전압차(0.3V = 5.2V - 4.9V)가 소정의 기준값(1V) 이하로 낮아졌다고 판단할 수 있다.
다음으로, 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 간의 전압차가 소정의 기준값 초과하면(S80, No), BMS(40)는 복수의 배터리 모듈(M1-M4)을 계속 충전한다(S70).
다음으로, 복수의 배터리 모듈(M1-M4) 간의 전압차가 소정의 기준값 이하로 낮아지면(S80, Yes), BMS(40)는 모듈 밸런싱 모드를 종료한다(S90).
구체적으로, BMS(40)는 복수의 배터리 모듈(M1-M4)의 충전을 중단하도록 외부장치를 제어하고, 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈(M1-M4)과 외부장치가 전기적으로 분리되도록 스위칭 회로(50)를 제어한다. 또한, BMS(40)는 복수의 배터리 모듈(M1-M4)의 연결을 병렬에서 직렬로 변경되도록 스위칭 회로(50)를 제어할 수 있다. 즉, 복수의 배터리 모듈(M1-M4)은 모듈 밸런싱 모드에서만 병렬 연결되고, 모듈 밸런싱 모드가 종료되면 다시 직렬 연결될 수 있다.
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.

Claims (12)

  1. 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩,
    상기 복수의 배터리 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결하는 스위칭 회로, 그리고,
    상기 배터리 팩에서 외부장치로 전력을 공급하는 방전모드 및 상기 외부장치로부터 전력을 인가 받아 상기 배터리 팩을 충전하는 충전모드에서, 상기 복수의 배터리 모듈이 직렬 연결되도록 상기 스위칭 회로를 제어하는 BMS(Battery Management System)를 포함하고,
    상기 BMS는,
    상기 복수의 배터리 모듈 간의 전압차가 소정의 기준값 이하가 될 때까지 상기 외부장치로부터 인가된 전력으로 상기 복수의 배터리 모듈을 충전하는 모듈 밸런싱 모드에서, 상기 복수의 배터리 모듈이 병렬 연결되도록 상기 스위칭 회로를 제어하는, 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는,
    소정의 배터리 모듈의 양극과 인접하는 배터리 모듈의 음극 사이에 연결되는 적어도 하나의 직렬 스위치,
    상기 복수의 배터리 모듈 각각의 양극에 일단이 연결되는 복수의 제1 병렬 스위치,
    상기 복수의 배터리 모듈 각각의 음극에 일단이 연결되는 복수의 제2 병렬 스위치,
    상기 복수의 제1 병렬 스위치의 타단들이 연결되어 있는 제1 접점과 제1 출력단 사이에 연결되는 제1 메인 릴레이,
    상기 복수의 제2 병렬 스위치의 타단들이 연결되어 있는 제2 접점과 제2 출력단 사이에 연결되어 있는 밸런싱 릴레이, 그리고
    상기 배터리 팩의 음극과 상기 제2 출력단 사이에 연결되어 있는 제2 메인 릴레이를 포함하는, 배터리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 BMS는,
    상기 방전모드 및 상기 충전모드에서,
    상기 직렬 스위치는 온 하고, 상기 복수의 제1 병렬 스위치 및 상기 복수의 제2 병렬 스위치는 오프 하여, 상기 복수의 배터리 모듈을 직렬 연결하고,
    상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이는 온 하고, 상기 밸런싱 릴레이는 오프 하여, 상기 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈과 상기 외부장치를 전기적으로 연결하는, 배터리 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 BMS는,
    상기 모듈 밸런싱 모드에서,
    상기 직렬 스위치는 오프 하고, 상기 복수의 제1 병렬 스위치 및 상기 복수의 제2 병렬 스위치는 온 하여, 상기 복수의 배터리 모듈을 병렬 연결하고,
    상기 제1 메인 릴레이 및 상기 밸런싱 릴레이는 온 하고, 상기 제2 메인 릴레이는 오프 하여, 상기 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈과 상기 외부장치를 전기적으로 연결하는, 배터리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 BMS는,
    상기 외부장치에 의한 충전으로 상기 복수의 배터리 모듈 간의 전압차가 소정의 기준값 이하로 낮아지면,
    상기 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈과 상기 외부장치를 전기적으로 분리하고, 상기 복수의 배터리 모듈의 연결이 병렬에서 직렬로 변경되도록 상기 스위칭 회로를 제어하는, 배터리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 외부장치는,
    상기 BMS의 제어에 따라 공급하는 전력량을 조정하는 전력변환장치(PCS, Power Conversion System)를 포함하는, 배터리 시스템.
  7. 배터리 팩에서 외부장치로 전력을 공급하는 방전모드 및 상기 외부장치로부터 전력을 인가 받아 상기 배터리 팩을 충전하는 충전모드에서, 직렬 연결되는 복수의 배터리 모듈 간의 전압 균형을 맞추는 방법으로서,
    상기 복수의 배터리 모듈 간의 전압 균형을 맞추는 모듈 밸런싱 모드의 진입조건을 만족하는지 판단하는 단계,
    상기 판단결과 상기 진입조건을 만족하면, 상기 복수의 배터리 모듈이 병렬 연결되도록 스위칭 회로를 제어하는 단계, 그리고
    상기 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈과 상기 외부장치를 전기적으로 연결하여 상기 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈을 충전하는 단계, 그리고
    상기 충전으로 상기 복수의 배터리 모듈 간의 전압차가 소정의 기준값 이하로 낮아지면, 상기 모듈 밸런싱 모드를 종료하는 단계를 포함하는, 모듈 밸런싱 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 모듈 밸런싱 모드의 진입조건은,
    상기 복수의 배터리 모듈의 모듈전압 중 최대 모듈전압과 최소 모듈전압의 차이값이 소정의 기준값을 초과하는 경우를 포함하는, 모듈 밸런싱 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈이 병렬 연결되도록 스위칭 회로를 제어하는 단계는,
    소정의 배터리 모듈의 양극과 인접하는 배터리 모듈의 음극 사이에 연결되는 적어도 하나의 직렬 스위치는 오프하고, 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 양극에 일단이 연결되는 복수의 제1 병렬 스위치 및 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 음극에 일단이 연결되는 복수의 제2 병렬 스위치는 온 하도록 상기 스위칭 회로를 제어하여, 상기 복수의 배터리 모듈을 병렬 연결하는, 모듈 밸런싱 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈을 충전하는 단계는,
    상기 복수의 제1 병렬 스위치의 타단들이 연결되어 있는 제1 접점과 제1 출력단 사이에 연결되는 제1 메인 릴레이 및 상기 복수의 제2 병렬 스위치의 타단들이 연결되어 있는 제2 접점과 제2 출력단 사이에 연결되어 있는 밸런싱 릴레이는 온 하고, 상기 배터리 팩의 음극과 상기 제2 출력단 사이에 연결되어 있는 제2 메인 릴레이는 오프 하도록 상기 스위칭 회로를 제어하여, 상기 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈과 상기 외부장치를 전기적으로 연결하는, 모듈 밸런싱 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 모듈 밸런싱 모드를 종료하는 단계는,
    상기 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈과 상기 외부장치를 전기적으로 분리하고, 상기 복수의 배터리 모듈의 연결을 병렬에서 직렬로 변경되도록 상기 스위칭 회로를 제어하는, 모듈 밸런싱 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 모듈 밸런싱 모드를 종료하는 단계는,
    상기 복수의 배터리 모듈의 모듈전압 중 최대 모듈전압과 최소 모듈전압의 차이값이 소정의 기준값 이하로 낮아지면 상기 모듈 밸런싱 모드를 종료하는, 모듈 밸런싱 방법.






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