KR20230025185A - 배터리 셀 간의 연결을 제어하는 장치 - Google Patents

배터리 셀 간의 연결을 제어하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직렬로 연결된 배터리 셀 각각의 내부저항을 측정하고, 측정된 내부저항에 따라 배터리 셀의 연결상태를 제어하는 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 연결 제어 장치는 배터리 모듈을 구성하는 복수의 배터리 셀 간의 연결을 제어하기 위한 장치에 있어서, 상기 배터리 셀 양단에 연결되는 시험회로 및 상기 시험회로와 상기 배터리 셀을 선택적으로 접속시키는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 시험회로의 접속 전후로 발생하는 상기 배터리 셀 양단의 전압 변화와 상기 시험회로에 흐르는 시험전류에 기초하여 상기 배터리 셀의 내부저항을 식별하고, 상기 식별된 내부저항의 크기에 따라 상기 배터리 셀의 연결을 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 셀 간의 연결을 제어하는 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING CONNECTIONS BETWEEN BATTERY CELLS}
본 발명은 배터리 셀 각각의 내부저항을 식별하고, 식별된 내부저항에 따라 배터리 셀의 연결상태를 제어하는 장치에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(Energy Storage System, 이하 ESS)은 계통(grid)으로부터 공급된 교류 전기를 직류 전기로 변환하여 배터리에 저장하고, 필요에 따라 배터리에 저장된 전기를 부하에 제공하는 시스템이다.
ESS에 포함된 배터리는 다수의 배터리 셀을 포함하여 구성된다. 구체적으로, ESS는 배터리 랙(battery rack)을 포함하는데, 배터리 랙은 복수의 배터리 모듈(battery module)로 구성되고, 배터리 모듈은 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(battery cell)로 구성된다.
한편, 최근 ESS 화재 사고의 주 원인으로는 배터리에 국부 과열이 발생하여 화재가 시작되고, 전체 시스템으로 번지는 것으로 확인되고 있다. 예를 들어, 배터리 셀에 과전압이 인가되었을 때 음극과 양극 간에 절연이 파괴되면서 단락(short)이 발생하게 되고 이는 화재의 원인이 될 수 있다. 또한, 과전압이 인가되지 않더라도 음극과 양극을 분리하는 분리막의 손상, 양극 및 음극 소재와 극판의 불량 접합에 따른 배터리 셀의 내부저항 증가 역시 충방전시 비정상적인 열을 발생시켜 화재의 원인이 될 수 있다.
특히, 배터리 셀의 내부저항 상승은 충방전 전류에 의한 줄열(Joule's heat)을 발생시켜 배터리의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라 나아가 화재 사고로 이어질 수 있으므로, ESS의 상시 사용 중에 배터리의 건전성을 평가하기 위해서는 배터리의 내부저항을 식별하고 내부저항이 높은 배터리 셀을 전체 배터리의 구성에서 배재할 필요가 있다.
본 발명은 배터리 셀 각각의 내부저항을 식별하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 배터리 셀의 내부저항에 따라 해당 베터리 셀과 다른 배터리 셀 간의 연결상태를 제어하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 연결 제어 장치는 배터리 모듈을 구성하는 복수의 배터리 셀 간의 연결을 제어하기 위한 장치에 있어서, 상기 배터리 셀 양단에 연결되는 시험회로 및 상기 시험회로와 상기 배터리 셀을 선택적으로 접속시키는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 시험회로의 접속 전후로 발생하는 상기 배터리 셀 양단의 전압 변화와 상기 시험회로에 흐르는 시험전류에 기초하여 상기 배터리 셀의 내부저항을 식별하고, 상기 식별된 내부저항의 크기에 따라 상기 배터리 셀의 연결을 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 시험회로는 시험저항과, 상기 시험저항과 상기 배터리 셀의 일단을 연결하는 제1 스위치, 상기 배터리 셀의 양단에 병렬 연결되는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 시험회로는 상기 시험저항과 직렬 연결되는 전류센서와, 상기 베터리 셀의 양단과 병렬 연결되는 전압센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 스위치는 상기 프로세서의 제어에 따라 동작하는 전력 스위칭 소자인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 시험회로의 접속 전 상기 배터리 셀 양단전압과 상기 시험회로의 접속 후 상기 배터리 셀 양단전압의 차를 상기 시험전류로 나누어 상기 내부저항을 식별하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 제1 스위치를 오프 제어한 상태에서 측정된 상기 배터리 셀 양단전압과 상기 제1 스위치를 온 제어한 상태에서 측정된 상기 배터리 셀 양단전압의 차를, 상기 제1 스위치를 온 제어한 상태에서 측정된 상기 시험전류로 나누어 상기 내부저항을 식별하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는 미리 설정된 시험 주기에 따라 상기 시험회로와 상기 배터리 셀을 접속시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는 미리 설정된 주파수에 따라 상기 시험회로와 상기 배터리 셀을 접속시키고, 상기 배터리 셀 양단전압의 실효값과 상기 시험전류의 실효값에 기초하여 상기 내부저항을 식별하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 내부저항이 기준값을 초과하면 상기 배터리 모듈로부터 상기 배터리 셀의 연결을 끊는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 내부저항이 기준값을 초과하면 상기 제2 스위치를 온 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 배터리 셀 각각의 내부저항을 식별함으로써, 사용자로 하여금 각 배터리 셀의 화재 위험도를 모니터링하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 내부저항이 높은 배터리 셀을 배터리 모듈로부터 분리시킴으로써 배터리 셀의 내부저항 상승으로 인한 화재 위험을 원천적으로 예방할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 연결 제어 장치를 도시한 도면.
도 2는 배터리 셀의 등가 회로도.
도 3은 배터리 모듈의 등가 회로도.
도 4 및 도 5는 배터리 모듈이 충전 또는 방전되는 모습을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시험회로가 배터리 셀에 연결된 모습을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시험회로가 배터리 모듈에 연결된 모습을 도시한 도면.
도 8 및 도 9는 배터리 셀이 충전 또는 방전될 때 배터리 셀의 내부저항을 식별하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 10은 배터리 모듈로부터 특정 배터리 셀의 연결을 끊는 모습을 도시한 도면.
도 11은 도 10에 도시된 회로의 등가 회로도.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
본 명세서에서 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
또한, 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다
본 발명은 배터리 셀 각각의 내부저항을 식별하고, 식별된 내부저항에 따라 배터리 셀의 연결상태를 제어하는 장치에 관한 것이다. 이하, 도 1 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 연결 제어 장치를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 연결 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 배터리 셀의 등가 회로도이고, 도 3은 배터리 모듈의 등가 회로도이다.
도 4 및 도 5는 배터리 모듈이 충전 또는 방전되는 모습을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시험회로가 배터리 셀에 연결된 모습을 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시험회로가 배터리 모듈에 연결된 모습을 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 배터리 셀이 충전 또는 방전될 때 배터리 셀의 내부저항을 식별하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 배터리 모듈로부터 특정 배터리 셀의 연결을 끊는 모습을 도시한 도면이고, 도 11은 도 10에 도시된 회로의 등가 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 연결 제어 장치(1)는 시험회로(10)와 프로세서(20), 그리고 프로세서(20)의 동작을 위한 메모리(미도시)를 포함할 수 있다. 다만, 도 1에 도시된 배터리 셀 연결 제어 장치(1)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 1에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
본 발명은 배터리 모듈(200)을 구성하는 복수의 배터리 셀(100) 간의 연결을 제어하기 위한 장치이다. 이에, 발명의 동작을 구체적으로 설명하기에 앞서, 배터리 셀(100)과 배터리 모듈(200)에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명의 배터리 셀(100)은 이차전지에 이용되는 것으로, 충방전되는 전압원(Vb)과 내부저항(Rs)으로 구성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 배터리 셀(100)은 전압원(Vb)과 내부저항(Rs)이 직렬로 연결된 회로로 등가화될 수 있다. 이 때, 전압원(Vb)은 충방전이 가능한 회로 요소로서 커패시터로 도시될 수도 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 배터리 셀(100)에 포함된 전압원을 셀 전압(Vb)으로 지칭하도록 한다.
이와 같은 배터리 셀(100)은 복수개가 직렬 연결되어 배터리 모듈(200)을 구성할 수 있다.
도 3을 예로 들어 설명하면, 배터리 셀(100)은 60개의 배터리 셀(100)이 직렬 연결되어 구성될 수 있다. 도 2에서 설명한 바와 같이 각각의 배터리 셀(100)은 셀 전압(Vb1, Vb2,…, Vb60)과 내부저항(Rs1, Rs2,…, Rs60)을 포함할 수 있다.
이와 같은 배터리 모듈(200)은 충방전회로(300)와 연결되어 충전 또는 방전될 수 있다. 보다 구체적으로, 배터리 모듈(200)은 충방전회로(300)와 연결될 수 있고, 충방전회로(300)의 전압 크기에 따라 충전 또는 방전될 수 있다.
도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 배터리 모듈(200)을 구성하는 각각의 배터리 셀(100)은 3.7[V]의 셀 전압(Vb)을 가질 수 있고, 배터리 모듈(200)은 충방전회로(300)와 연결될 수 있다. 한편, 충방전회로(300)는 충방전전압(Vs)과 충방전저항(RL)을 포함하는데, 여기서 충방전저항(RL)은 충방전회로(300) 내부의 저항으로, 충방전손실을 나타내기 위한 회로 요소일 수 있다.
3.7[V]의 셀 전압(Vb)을 가진 배터리 셀(100)이 60개 연결되므로 배터리 모듈(200)의 전압은 222[V]인데, 도 4에 도시된 바와 같이 충방전전압(Vs)이 배터리 모듈(200)의 전압보다 큰 228[V]인 경우 배터리 모듈(200) 쪽으로 전류가 흘러 배터리 모듈(200)이 충전될 수 있다. 반면에, 도 5에 도시된 바와 같이 충방전전압(Vs)이 배터리 모듈(200)의 전압보다 작은 216[V]인 경우 충방전회로(300) 쪽으로 전류가 흘러 배터리 모듈(200)이 방전될 수 있다.
전술한 방법에 따라 배터리 모듈(200)을 구성하는 각 배터리 셀(100)은 충방전될 수 있다. 이 때, 내부 및/또는 외부 요인으로 인해 특정 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs)이 상승하는 경우, 충방전 전류에 의한 줄열(Joule's heat)이 발생하고, 발열량이 큰 경우 해당 배터리 셀(100)에서 화재가 시작되어 배터리 모듈(200), 나아가 이를 포함하는 ESS 전체에 화재가 발생할 수 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여 시험회로(10)를 이용하여 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs)을 모니터링하고, 내부저항(Rs)이 높은 배터리 셀(100)의 연결을 끊음으로써 내부저항(Rs) 상승으로 인한 화재를 미연에 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 동작에 대해서 설명하도록 한다.
시험회로(10)는 배터리 셀(100) 양단에 연결될 수 있고, 프로세서(20)는 시험회로(10)와 배터리 셀(100)을 선택적으로 접속시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 시험회로(10)는 스위치를 통해 배터리 셀(100) 양단에 연결될 수 있고, 프로세서(20)는 스위치를 제어함으로써 시험회로(10)와 배터리 셀(100)을 전기적으로 접속 또는 접속 해제시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 시험회로(10)는 배터리 셀(100) 양단에 연결될 수 있다. 시험회로(10)는 시험저항(Rt), 시험저항(Rt)과 배터리 셀(100)의 일단을 연결하는 제1 스위치(S1), 배터리 셀(100)의 양단에 병렬 연결되는 제2 스위치(S2), 시험저항(Rt)과 직렬 연결되는 전류센서(A) 및 배터리 셀(100)의 양단에 병렬 연결되는 전압센서(V)를 포함할 수 있다. 다만, 도 6에 도시된 시험회로(10)는 일 실시예에 따른 것이고, 회로를 구성하는 구성요소들이 도 6에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
한편, 도 6에서는 시험회로(10)가 어느 한 배터리 셀(100) 양단에 연결된 모습만을 도시하였으나 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 시험회로(10)는 배터리 모듈(200)을 구성하는 모든 배터리 셀(100) 양단에 각각 연결될 수 있다. 이에 따라, 이하에서는 단일의 시험회로(10)만을 도시하여 설명하나, 후술되는 동작은 각각의 배터리 셀(100)에 연결된 모든 시험회로(10)에 적용될 수 있다.
프로세서(20)는 제1 및 제2 스위치(S1, S2)를 개폐하기 위한 제어 신호(Sc)를 생성할 수 있고, 제1 및 제2 스위치(S1, S2)는 해당 제어 신호(Sc)에 따라 동작할 수 있다. 구체적으로, 제1 스위치(S1)는 제1 제어 신호(Sc1)에 따라 개폐될 수 있고, 제2 스위치(S2)는 제2 제어 신호(Sc2)에 따라 개폐될 수 있다.
이를 위해, 제1 및 제2 스위치(S1, S2)는 전력 스위칭 소자로 구현될 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 스위치(S1, S2)는 IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등으로 구현될 수 있다. 이 때, 전력 스위칭 소자는 프로세서(20)에서 제공되는 제어 신호(Sc, 예컨대, 게이트 신호)에 따라 온오프될 수 있다.
한편, 전류센서(A)는 후술될 시험전류(It)를 측정하여 프로세서(20)에 제공할 수 있고, 전압센서(V)는 배터리 셀(100) 양단전압(Vt)을 측정하여 프로세서(20)에 제공할 수 있다. 프로세서(20)는 각 센서(A, V)로부터 제공된 값을 이용한 연산을 통해 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다.
이하, 프로세서(20)의 동작에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
프로세서(20)는 시험회로(10)를 배터리 셀(100)에 선택적으로 접속시키고, 시험회로(10)의 접속 전후로 발생하는 배터리 셀(100) 양단의 전압 변화와, 시험회로(10)에 흐르는 시험전류(It)에 기초하여 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다.
도 7을 참조하면, 프로세서(20)는 제1 스위치(S1)를 온/오프 제어하여 시험회로(10)를 배터리 셀(100)에 선택적으로 접속시킬 수 있다.
시험회로(10)가 배터리 셀(100)에 접속되는 경우 배터리 셀(100)을 충전 또는 방전시키는 전류의 일부는 시험회로(10)로 유입될 수 있다. 프로세서(20)는 시험회로(10)의 접속 전후로 발생하는 배터리 셀(100) 양단 전압을 측정하고, 시험회로(10)의 접속 후 시험회로(10)로 유입된 시험전류(It)를 측정하여 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다.
보다 구체적으로, 프로세서(20)는 시험회로(10)의 접속 전 배터리 셀(100) 양단전압(Vt)과 시험회로(10)의 접속 후 배터리 셀(100) 양단전압(Vt)의 차를 시험전류(It)로 나누어 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다. 이와 같은 방법으로 내부저항(Rs)을 식별할 수 있는 원리에 대해서 이하 설명하도록 하며, 아래에서는 설명의 편의를 위해 시험회로(10)의 접속 전 배터리 셀(100) 양단전압(Vt)을 오프 전압(Voff), 시험회로(10)의 접속 후 배터리 셀(100) 양단전압(Vt)을 온 전압(Von)으로 표현하도록 한다.
도 7에 도시된 배터리 모듈(200)이 충전 중일 때 도 7에 도시된 회로는 도 8과 같이 등가화될 수 있고, 도 7에 도시된 배터리 모듈(200)이 방전 중일 때 도 7에 도시된 회로는 도 9와 같이 등가화될 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 등가화된 합성전압(Vc)은 충방전전압(Vs)에서, 시험회로(10)가 연결된 배터리 셀(100)을 제외한 모든 배터리 셀(100)의 셀 전압(Vb)을 뺀 값(Vs-(Vb2+Vb3+…+Vb60))으로 정의될 수 있고, 등가화된 합성저항(Rc)은 시험회로(10)가 연결된 배터리 셀(100)을 제외한 모든 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs)과 충방전저항(RL)을 더한 값(RL+Rs2+Rs3+…+Rs60)으로 정의될 수 있다.
제1 스위치(S1)가 오프 상태일 때, 오프 전압은 아래 [수학식 1]과 같은 등식을 만족할 수 있고, 도 8에 도시된 회로는 키르히호프 법칙(Kirchhoff's law)에 따라 하기 [수학식 2]와 같은 등식을 만족할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
한편, 제1 스위치(S1)가 온 상태로 변화하였을 때, 시험회로(10)에 흐르는 시험전류(It)는 아래 [수학식 3]과 같은 등식을 만족할 수 있고, 도 8에 도시된 회로는 키르히호프 법칙에 따라 하기 [수학식 4]와 같은 등식을 만족할 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
[수학식 3]에 [수학식 4]를 대입하는 경우, 하기 [수학식 5]와 같은 등식이 성립하며, 합성저항은 단일 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs1)보다 매우 크므로
Figure pat00005
Figure pat00006
가 성립할 수 있으며, 이에 따라 [수학식 5]는 [수학식 6]과 같이 근사될 수 있다.
Figure pat00007
Figure pat00008
앞서 설명한 수학식들에 의해, 프로세서(20)는 시험회로(10)의 접속 전 배터리 셀(100) 양단전압(Vt)과 시험회로(10)의 접속 후 배터리 셀(100) 양단전압(Vt)의 차를 시험전류(It)로 나누어 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다.
보다 구체적으로, 프로세서(20)는 제1 스위치(S1)를 오프 제어한 상태에서 전압센서(V)를 통해 오프 전압(Voff)을 측정할 수 있다. 이어서, 프로세서(20)는 제2 스위치(S2)를 온 제어한 상태에서 전압센서(V)를 통해 온 전압(Von)을 측정할 수 있고, 전류센서(A)를 통해 시험전류(It)를 측정할 수 있다. 프로세서(20)는 [수학식 6]과 같이 오프 전압(Voff)과 온 전압(Von)의 차를 시험전류(It)로 나눈 값을 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs)으로 식별할 수 있다.
프로세서(20)는 미리 설정된 시험 주기에 따라 시험회로(10)와 배터리 셀(100)을 접속시켜 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다. 여기서 미리 설정된 시험 주기는 사용자에 의해 임의로 설정되어 메모리에 저장될 수 있다.
시험 주기의 설정으로 인해 배터리 셀(100) 모니터링에 실시간성을 부여할 수 있다. 예를 들어, 사용자가 시험 주기를 1분으로 설정하는 경우, 프로세서(20)는 1분마다 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있고, 사용자는 1분마다 배터리 셀(100)의 이상여부를 모니터링할 수 있게 된다.
한편, 전술한 내부저항(Rs) 식별 방법은 특정 시점의 양단전압(Vt)과 시험전류(It)를 이용하므로, 내부저항(Rs) 식별에 노이즈가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 프로세서(20)는 미리 설정된 주파수에 따라 시험회로(10)와 배터리 셀(100)을 접속시키고, 배터리 셀(100) 양단전압(Vt)의 실효값(Root Mean Square; RMS)과 시험전류(It)의 실효값에 기초하여 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다.
예컨대, 프로세서(20)는 500[Hz]의 주기에 따라 제1 스위칭 소자를 온/오프 제어할 수 있다. 이 경우, 전술한 오프 전압, 온 전압 및 시험전류(It)는 모두 500[Hz]의 주파수를 갖는 교류 파형을 갖게되고, 프로세서(20)는 각 전압(Voff, Von)의 실효값과, 시험전류(It)의 실효값을 이용하여 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(20)는 하기 [수학식 7]에 따라 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다.
Figure pat00009
이와 같이, 실효값을 이용하여 내부저항(Rs)을 식별하는 경우 내부저항(Rs) 식별에 정확도를 증가시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 배터리 셀(100) 각각의 내부저항(Rs)을 실시간으로 정확하게 식별할 수 있고, 이에 따라 사용자는 각 배터리 셀(100)의 화재 위험도를 모니터링할 수 있다.
프로세서(20)는 앞서 설명한 방법에 따라 식별된 내부저항(Rs)의 크기에 따라 배터리 셀(100)의 연결을 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 프로세서(20)는 각 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs)을 기준값과 비교할 수 있고, 비교 결과 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs)이 기준값 이하이면 해당 배터리 셀(100)과 다른 배터리 셀(100) 간의 연결을 유지할 수 있다. 반면에, 특정 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs)이 기준값을 초과하면 해당 배터리 셀(100)과 다른 배터리 셀(100) 간의 연결을 끊을 수 있다.
다시 말해, 프로세서(20)는 배터리 모듈(200)을 구성하는 복수의 배터리 셀(100) 중에서 내부저항(Rs)이 기준값을 초과하는 배터리 셀(100)을 배터리 모듈(200)로부터 분리할 수 있다. 여기서 기준값은 사용자에 의해 임의로 설정되어 메모리에 저장될 수 있고, 배터리 셀(100)이 인내할 수 있는 한계저항보다 낮은 값으로 설정될 수 있다.
도 10을 참조하면, 프로세서(20)는 제1 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs1)이 기준값을 초과한 것으로 판단할 수 있고, 제1 배터리 셀(100)을 제외한 나머지 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs2, Rs3,…, Rs60)은 기준값 이하라고 판단할 수 있다. 이 때, 프로세서(20)는 제1 배터리 셀(100)과 연결된 시험회로(10)의 제2 스위치(S2)를 온 제어하여 제1 배터리 셀(100)을 다른 배터리 모듈(200)로부터 분리할 수 있다.
제2 스위치(S2)가 온 제어되는 경우 제2 스위치(S2)는 바이패스(bypass) 경로를 형성할 수 있고, 제1 배터리 셀(100)에 흐르던 충방전 전류는 바이패스 경로, 즉 제2 스위치(S2)로 흐를 수 있다.
도 11을 참조하면, 제1 배터리 셀(100)에 연결된 시험회로(10)의 제2 스위치(S2)가 바이패스 경로를 형성하는 경우, 배터리 모듈(200)은 도 11에 도시된 것과 같이 연결될 수 있다. 즉, 높은 내부저항(Rs)을 갖는 제1 배터리 셀(100)은 배터리 모듈(200)로부터 분리될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 내부저항(Rs)이 높은 배터리 셀(100)을 배터리 모듈(200)로부터 분리시킴으로써 배터리 셀(100)의 내부저항(Rs) 상승으로 인한 화재 위험을 원천적으로 예방할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (10)

  1. 배터리 모듈을 구성하는 복수의 배터리 셀 간의 연결을 제어하기 위한 장치에 있어서,
    상기 배터리 셀 양단에 연결되는 시험회로; 및
    상기 시험회로와 상기 배터리 셀을 선택적으로 접속시키는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 시험회로의 접속 전후로 발생하는 상기 배터리 셀 양단의 전압 변화와 상기 시험회로에 흐르는 시험전류에 기초하여 상기 배터리 셀의 내부저항을 식별하고, 상기 식별된 내부저항의 크기에 따라 상기 배터리 셀의 연결을 제어하는
    배터리 셀 연결 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시험회로는
    시험저항,
    상기 시험저항과 상기 배터리 셀의 일단을 연결하는 제1 스위치,
    상기 배터리 셀의 양단에 병렬 연결되는 제2 스위치를 포함하는
    배터리 셀 연결 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시험회로는
    상기 시험저항과 직렬 연결되는 전류센서와,
    상기 베터리 셀의 양단에 병렬 연결되는 전압센서를 더 포함하는
    배터리 셀 연결 제어 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치는 상기 프로세서의 제어에 따라 동작하는 전력 스위칭 소자인
    배터리 셀 연결 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 시험회로의 접속 전 상기 배터리 셀 양단전압과 상기 시험회로의 접속 후 상기 배터리 셀 양단전압의 차를 상기 시험전류로 나누어 상기 내부저항을 식별하는
    배터리 셀 연결 제어 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 제1 스위치를 오프 제어한 상태에서 측정된 상기 배터리 셀 양단전압과 상기 제1 스위치를 온 제어한 상태에서 측정된 상기 배터리 셀 양단전압의 차를, 상기 제1 스위치를 온 제어한 상태에서 측정된 상기 시험전류로 나누어 상기 내부저항을 식별하는
    배터리 셀 연결 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는 미리 설정된 시험 주기에 따라 상기 시험회로와 상기 배터리 셀을 접속시키는
    배터리 셀 연결 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는 미리 설정된 주파수에 따라 상기 시험회로와 상기 배터리 셀을 접속시키고, 상기 배터리 셀 양단전압의 실효값과 상기 시험전류의 실효값에 기초하여 상기 내부저항을 식별하는
    배터리 셀 연결 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 내부저항이 기준값을 초과하면 상기 배터리 모듈로부터 상기 배터리 셀의 연결을 끊는
    배터리 셀 연결 제어 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 내부저항이 기준값을 초과하면 상기 제2 스위치를 온 제어하는
    배터리 셀 연결 제어 장치.
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