KR20230060650A

KR20230060650A - 전지팩 배터리 관리시스템

Info

Publication number: KR20230060650A
Application number: KR1020210145089A
Authority: KR
Inventors: 김재홍; 김용기; 이경미
Original assignee: (주)대한시스템
Priority date: 2021-10-28
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2023-05-08
Also published as: KR102558268B1

Abstract

본 발명은 전지팩 배터리 관리시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전지팩의 각 배터리 내에서 변하는 내부저항을 고려하여 충전 또는 방전시의 보호전압을 교정하도록 함으로써, 내부저항 변화에 따른 각 배터리들의 효율 저하 및 화재 위험을 줄일 수 있도록 하고, 내부저항의 변화에 따른 안전성을 평가하여 이를 알리도록 함으로써, 내부저항의 변화에 따른 피해를 최소화하고 이에 대한 신속한 대처가 이루어질 수 있도록 하는 전지팩 배터리 관리시스템에 관한 것이다.

Description

전지팩 배터리 관리시스템{A Battery Pack Managing System}

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도 및 작동전압이 높고 수명특성이 우수한 리튬 이자전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.

또한, 리튬이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 환경오염 및 지구온난화 문제를 해결하기 위한 대체방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 큰 주목을 받고 있으며, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 아래 특허문헌과 같이 고출력, 대용량의 필요성으로 인해 다수의 단위셀을 전기적으로 연결한 전지모듈이 사용되고 있다.

다수의 단위셀을 연결하여 전지팩을 형성할 때에는 배터리의 내부저항(r_i)를 측정하고 그레이딩(grading)하여 다수의 배터리를 연결시키도록 하는데, 이때 도 1에 도시된 바와 같이 배터리(B)의 전압(v_b)은 배터리(B) 내부전압(e)와 같게 되며, 전지팩을 형성하는 모든 배터리들은 셀 밸런스 기능을 통해 초기에 균일한 전압을 유지할 수 있다.

다만, 시간이 경과되고 충방전이 반복되면서 배터리 내부저항(r_i)이 변하게 되고, 이에 따라 전지팩을 구성하는 배터리들 사이의 밸런스가 깨지게 된다.

다시 말해, 방전시 배터리 전압 v_bd = e - i_d × r_i(e는 내부전압, i_d는 방전전류, r_i는 내부저항)가 되는데, 각 배터리들의 내부전압(e)는 같지만 내부저항(r_i)이 변하게 되어 각 배터리의 전압이 모두 달라지게 된다.

이렇게 되면, 다른 배터리 셀보다 내부저항(r_i)이 큰 배터리는 다른 배터리보다 빠르게 방전되고 있다고 인식되며, 방전 차단 전압에 빠르게 도달되어 전지팩의 방전을 정지하게 되고, 결국 충방한 방전 이전에 방전이 종료되어 비효율 운전이 이루어지게 된다. 또한, 내부저항(r_i)이 다른 배터리에 비해 현저하게 작다면 해당 배터리는 과방전이 발생하게 된다.

또한, 충전의 경우에는 배터리 전압 v_bc = e + i_c × r_i(e는 내부전압, i_c는 충전전류, r_i는 내부저항)가 되는데, 이때 내부저항(r_i)이 큰 배터리는 다른 배터리보다 빠르게 충전되고 있다고 인식되며, 충전차단 전압에 빠르게 도달하게 되어 전지팩의 충전을 정지하게 되고, 결국 해당 배터리의 저충전이 발생하게 된다. 또한, 내부저항(r_i)이 다른 배터리에 비해 작다면 해당 배터리는 과충전이 발생하게 되어 화재 발생 위험이 높아지게 된다.

따라서, 배터리 화재 위험과 효율적 운전 등을 고려할 때, 충방전에 따라 변하는 배터리 내 내부저항을 반영한 배터리 충방전 조절의 필요성이 높아지고 있다.

(특허문헌) 등록특허공보 제10-1543477호(2015. 08. 04. 등록)"전지모듈 및 이를 포함하는 리튬이차 전지팩"

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,

본 발명은 전지팩의 각 배터리 내에서 변하는 내부저항을 고려하여 충전 또는 방전시의 보호전압을 교정하도록 함으로써, 내부저항 변화에 따른 각 배터리들의 효율 저하 및 화재 위험을 줄일 수 있도록 하는 전지팩 배터리 관리시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 전지팩 내 배터리들의 충전 또는 방전시 내부저항에 대한 평균값을 산출하도록 하고, 산출된 평균값에 대한 각 배터리들의 내부저항의 차를 충전 또는 방전전류에 곱하여 충전 또는 방전시 보호전압의 교정이 이루어지도록 함으로써 전기팩 내 배터리들에 대해 내부저항을 고려한 균일한 보호전압의 교정이 이루어질 수 있도록 하는 전지팩 배터리 관리시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 내부저항의 변화에 따른 안전성을 평가하여 이를 알리도록 함으로써, 내부저항의 변화에 따른 피해를 최소화하고 이에 대한 신속한 대처가 이루어질 수 있도록 하는 전지팩 배터리 관리시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 전지팩 내 특정 배터리의 내부저항에 평균값 대비 일정정도 이상의 차이가 발생하는 경우 이를 감지하여 알리도록 함으로써 내부저항 불균일에 따른 과충방전, 부족 충방전, 화재위험 등을 최소화할 수 있도록 하는 전지팩 배터리 관리시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 특정 배터리에 대해 충방전시의 내부저항에 과도한 차이가 발생하는 것을 감지하도록 하여 충방전 밸런스 붕괴에 따른 위험도 차단할 수 있도록 하는 전지팩 배터리 관리시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 전지팩 배터리 관리시스템은 각 배터리의 충방전시 내부저항을 측정하는 내부저항측정부와, 측정되는 내부저항에 따라 충전 또는 방전시의 보호 전압을 교정하는 보호전압교정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 전지팩 배터리 관리시스템에 있어서, 상기 내부저항측정부는 방전시 내부저항을 측정하는 방전저항측정부와, 충전시 내부저항을 측정하는 충전저항측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 전지팩 배터리 관리시스템에 있어서, 상기 방전저항측정부는 방전 종료 직전의 각 배터리에 대한 전압을 측정하는 직전전압측정모듈과, 방전 종료 후 배터리에 대한 전압을 측정하는 방전전압측정모듈과, 방전시 전류를 측정하는 방전전류측정모듈과, 방전 종료 후 전압과 종료 직전 전압의 차이를 방전시 전류로 나누어 방전시 배터리 내부저항을 산출하는 방전저항산출모듈을 포함하고, 상기 충전저항측정부는 충전 종료 직전의 각 배터리에 대한 전압을 측정하는 직전전압측정모듈과, 충전 종료 후 배터리에 대한 전압을 측정하는 충전전압측정모듈과, 충전시 전류를 측정하는 충전전류측정모듈과, 충전 종료 후 전압과 종료 직전 전압의 차이를 충전시 전류로 나누어 충전시 배터리 내부저항을 산출하는 충전저항산출모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 전지팩 배터리 관리시스템에 있어서, 상기 보호전압교정부는 상기 방전저항측정부에 의해 측정된 각 배터리의 방전시 내부저항에 따라 각 배터리의 방전이 종료되는 보호전압을 수정하는 방전전압교정부와, 상기 충전저항측정부에 의해 측정된 각 배터리의 충전시 내부저항에 따라 각 배터리의 충전이 종료되는 보호전압을 수정하는 충전전압교정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 전지팩 배터리 관리시스템에 있어서, 상기 방전전압교정부는 전지팩을 구성하는 각 배터리들의 방전시 내부저항에 대한 평균값을 산출하는 방전저항평균산출모듈과, 방전시 평균 내부저항과 각 배터리의 내부저항의 차를 산정하는 방전평균차산정모듈과, 상기 방전평균차산정모듈에 의해 산정된 내부저항의 차를 방전전류에 곱한 값을 기존 방전 보호 전압에서 차감하여 새로운 방전 보호 전압으로 설정하는 방전전압수정모듈을 포함하고, 상기 충전전압교정부는 전지팩을 구성하는 각 배터리들의 충전시 내부저항에 대한 평균값을 산출하는 충전저항평균산출모듈과, 충전시 평균 내부저항과 각 배터리의 내부저항의 차를 산정하는 충전평균차산정모듈과, 상기 충전평균차산정모듈에 의해 산정된 내부저항의 차를 충전전류에 곱한 값을 기존 충전 보호 전압에서 차감하여 새로운 충전 보호 전압으로 설정하는 충전전압수정모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 전지팩 배터리 관리시스템은 각 배터리의 내부 저항에 대한 안전성을 평가하여 알리는 안전평가부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 전지팩 배터리 관리시스템에 있어서, 상기 안전평가부는 방전 또는 충전시 내부저항에 대한 배터리 사이의 불균형을 검출하여 알리는 내부저항평가부를 포함하고, 상기 내부저항평가부는 상기 방전평균차산정모듈 또는 충전평균차산정모듈에 의해 산정되는 내부저항 평균값에 대한 각 배터리 내부저항의 차 값을 불러오는 평균차로딩모듈과, 로딩된 차 값을 설정된 값과 비교하는 설정값비교모듈과, 로딩된 차 값이 설정값을 초과하는 경우 내부저항의 불균형으로 판단하여 이를 알리는 알림출력모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 전지팩 배터리 관리시스템에 있어서, 상기 안전평가부는 충방전시 각각의 내부저항 차이에 따라 충방전 불균형을 검출하여 알리는 균형평가부를 포함하고, 상기 균형평가부는 각 배터리에 대해 측정된 방전 및 충전시의 내부저항값을 불러오는 내부저항로딩모듈과, 로딩된 방전 및 충전시의 내부저항값의 차를 산출하는 저항차산출모듈과, 산출된 내부저항값의 차를 설정된 기준값과 비교하는 기준값비교모듈과, 내부저항값의 차가 기준값을 초과하는 경우 충방전 불균형으로 판단하여 이를 알리는 위험알림모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 전지팩의 각 배터리 내에서 변하는 내부저항을 고려하여 충전 또는 방전시의 보호전압을 교정하도록 함으로써, 내부저항 변화에 따른 각 배터리들의 효율 저하 및 화재 위험을 줄일 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명은 전지팩 내 배터리들의 충전 또는 방전시 내부저항에 대한 평균값을 산출하도록 하고, 산출된 평균값에 대한 각 배터리들의 내부저항의 차를 충전 또는 방전전류에 곱하여 충전 또는 방전시 보호전압의 교정이 이루어지도록 함으로써 전기팩 내 배터리들에 대해 내부저항을 고려한 균일한 보호전압의 교정이 이루어질 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명은 내부저항의 변화에 따른 안전성을 평가하여 이를 알리도록 함으로써, 내부저항의 변화에 따른 피해를 최소화하고 이에 대한 신속한 대처가 이루어질 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명은 전지팩 내 특정 배터리의 내부저항에 평균값 대비 일정정도 이상의 차이가 발생하는 경우 이를 감지하여 알리도록 함으로써 내부저항 불균일에 따른 과충방전, 부족 충방전, 화재위험 등을 최소화할 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명은 특정 배터리에 대해 충방전시의 내부저항에 과도한 차이가 발생하는 것을 감지하도록 하여 충방전 밸런스 붕괴에 따른 위험도 차단할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래 배터리 관리시스템의 내부저항에 따른 전압 변화를 설명하기 위한 회로도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩 배터리 관리시스템이 설치된 회로도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩 배터리 관리시스템의 구성을 나타내는 블럭도
도 4는 도 3의 내부저항측정부의 구성을 나타내는 블럭도
도 5는 도 3의 보호전압교정부의 구성을 나타내는 블럭도
도 6은 도 3의 안전평가부의 구성을 나타내는 블럭도

이하에서는 본 발명에 따른 전지팩 배터리 관리시스템의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하고, 또한 명세서에 기재된 "...부", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩 배터리 관리시스템을 도 2 내지 도 6을 참조하여 설명하면, 상기 전지팩 배터리 관리시스템은 복수의 배터리(B)가 연결되는 전지팩의 충방전을 조절하는 것으로, 각 배터리(B)의 충방전시 내부저항을 측정하는 내부저항측정부(1)와, 측정되는 내부저항에 따라 충전 또는 방전시의 보호 전압을 교정하는 보호전압교정부(3)와, 각 배터리(B)의 내부저항에 대한 안전성을 평가하여 알리는 안전평가부(5)를 포함한다.

앞서 배경기술에서 설명한 바와 같이 복수의 배터리(B)가 연결되어 형성되는 전지팩의 배터리 관리시스템에 있어서, 각 배터리 내 내부저항의 변화를 고려하지 못하여 전지팩의 충방전시 과충방전 또는 부족 충방전이 발생하고, 이에 따라 전지팩의 화재발생 위험이 높아지며 배터리의 효율적인 이용이 이루어지지 못하는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명에서는 충방전시 배터리(B)의 내부저항을 측정하고, 측정된 내부저항에 따라 각 배터리의 충방전에 대해 설정되는 보호전압을 수정하도록 하여 과충방전 또는 부족 충방전의 발생을 줄일 수 있도록 하였으며, 이때 배터리(B) 간의 균일성을 고려하여 보호전압의 수정이 이루어지도록 함으로써 더욱 효율적인 배터리의 운영 및 화재 발생 방지가 이루어질 수 있도록 하였다.

또한, 본 발명은 각 배터리(B) 내 내부저항의 변화를 관찰하여 내부저항의 균일성을 과도하게 해치는 배터리(B)를 특정하여 알리도록 함으로써 안전성을 확보할 수 있도록 하였으며, 충방전시의 내부저항 차이도 모니터링하여 충방전시 불균형에 따른 사고를 미연에 방지할 수 있도록 하였다.

상기 내부저항측정부(1)는 충방전시 변화하는 배터리(B) 내 내부저항을 측정하는 구성으로, 방전저항측정부(11) 및 충전저항측정부(13)를 포함할 수 있다.

상기 방전저항측정부(11)는 방전시 내부저항을 측정하는 구성으로, 전지팩을 구성하는 각 배터리(B)들의 방전시 내부저항을 측정하도록 한다. 상기 방전저항측정부(11)는 방전 종료 직전의 전압과 방전 완료 후의 전압을 측정하여 그 차이를 산출하도록 하고, 그 차이를 방전시 흐르는 전류로 나누어 배터리의 내부 저항을 측정하도록 할 수 있다. 이를 위해, 상기 방전저항측정부(11)는 직전전압측정모듈(111), 방전전압측정모듈(112), 방전전류측정모듈(113), 방전저항산출모듈(114)을 포함할 수 있다.

상기 직전전압측정모듈(111)은 각 배터리(B)에 대해 방전 종료 직전의 전압을 측정하는 구성으로, 방전이 완료되기 일정시간 전, 일 예로 0 ~ 1초 사이의 일정시간전에 대한 전압을 측정하도록 할 수 있다.

상기 방전전압측정모듈(112)은 각 배터리(B)에 대해 방전 완료 후의 전압을 측정하는 구성으로, 방전 완료 후 전류가 흐르지 않는 상태에서의 배터리(B) 전압을 측정하도록 한다.

상기 방전전류측정모듈(113)은 방전시 배터리(B)들에 흐르는 전류를 측정하는 구성으로, 도 2에 도시된 바와 같이 선트저항을 이용하여 회로에 흐르는 전류를 측정하도록 할 수 있다.

상기 방전저항산출모듈(114)은 방전시 각 배터리(B)의 내부저항을 측정하는 구성으로, 상기 방전전압측정모듈(112)에 의해 측정되는 방전 완료 후의 전압과 상기 직전전압측정모듈(111)에 의해 측정되는 방전 종료 직전 전압의 차를 방전전류측정모듈(113)에 의해 측정되는 방전시 전류로 나누어 방전시 내부저항을 측정하도록 한다. 상기 방전저항산출모듈(114)에 의해 산출되는 방전시 내부 저항을 식으로 나타내면 다음 [수학식 1]과 같다.

(이때, r_id는 방전시 내부저항, v_b는 방전 완료 후 전압, v_bd는 방전 종료직전 전압, i_d는 방전시 전류를 의미한다)

상기 충전저항측정부(13)는 충전시 내부저항을 측정하는 구성으로, 전지팩을 구성하는 각 배터리(B)들의 충전시 내부저항을 측정하도록 한다. 상기 충전저항측정부(13)는 충전 종료 직전의 전압과 충전 완료 후의 전압을 측정하여 그 차이를 산출하도록 하고, 그 차이를 충전시 흐르는 전류로 나누어 배터리의 내부 저항을 측정하도록 할 수 있다. 이를 위해, 상기 충전저항측정부(13)는 직전전압측정모듈(131), 충전전압측정모듈(132), 충전전류측정모듈(133), 충전저항산출모듈(134)을 포함할 수 있다.

상기 직전전압측정모듈(131)은 각 배터리(B)에 대해 충전 종료 직전의 전압을 측정하는 구성으로, 충전이 완료되기 일정시간 전, 일 예로 0 ~ 1초 사이의 일정시간전에 대한 전압을 측정하도록 할 수 있다.

상기 충전전압측정모듈(132)은 각 배터리(B)에 대해 충전 완료 후의 전압을 측정하는 구성으로, 충전 완료 후 전류가 흐르지 않는 상태에서의 배터리(B) 전압을 측정하도록 한다.

상기 충전전류측정모듈(133)은 충전시 배터리(B)들에 흐르는 전류를 측정하는 구성으로, 도 2에 도시된 바와 같이 선트저항을 이용하여 회로에 흐르는 전류를 측정하도록 할 수 있다.

상기 충전저항산출모듈(134)은 충전시 각 배터리(B)의 내부저항을 측정하는 구성으로, 상기 충전전압측정모듈(132)에 의해 측정되는 충전 완료 후의 전압과 상기 직전전압측정모듈(131)에 의해 측정되는 충전 종료 직전 전압의 차를 충전전류측정모듈(133)에 의해 측정되는 충전시 전류로 나누어 충전시 내부저항을 측정하도록 한다. 상기 충전저항산출모듈(134)에 의해 산출되는 충전시 내부 저항을 식으로 나타내면 다음 [수학식 2]과 같다.

(이때, r_ic는 충전시 내부저항, v_b는 충전 완료 후 전압, v_bc는 충전 종료직전 전압, i_c는 충전시 전류를 의미한다)

상기 보호전압교정부(3)는 충전 또는 방전시의 보호전압을 교정하는 구성으로, 상기 내부저항측정부(1)에 의해 측정되는 내부저항에 따라 보호전압을 수정하도록 한다. 여기서 보호전압은 충전 또는 방전시에 과충전, 과장전을 방지하기 위해 설정되는 차단전압으로, 설정된 보호전압에 도달하는 경우 충전 또는 방전이 자동으로 중단된다. 이때, 상기 보호전압교정부(3)은 앞서 배경기술에서 설명한 바와 같이 배터리(B) 내부저항의 변화에 따라 배터리(B)들 사이의 내부저항이 불균일해지고 이에 따라 과충방전, 부족 충방전 등이 발생하고 화재 위험이 높아지는 문제를 해결하기 위해 각 배터리의 보호전압을 내부저항의 변화에 따라 줄이거나 증가시켜 내부저항의 변화를 고려한 보호전압의 조정이 이루어지도록 한다. 상기 보호전압교정부(3)는 방전전압교정부(31) 및 충전전압교정부(33)를 포함할 수 있다.

상기 방전전압교정부(31)는 방전시 보호전압을 교정하는 구성으로, 각 배터리(B)에 대한 방전시 내부저항을 고려하여 보호전압의 교정이 이루어지도록 한다. 특히, 상기 방전전압교정부(31)는 보호전압의 교정이 각 배터리(B)들에 대해 균일하게 이루어지도록 하기 위해 각 배터리(B)에 대한 내부저항을 합산하여 그 평균값을 산출하도록 하고, 평균 내부저항에 대한 각 배터리(B) 내부저항의 차이를 이용하여 방전시 보호전압의 수정이 이루어지도록 한다. 이를 위해, 상기 방전전압교정부(31)는 방전저항평균산출모듈(311), 방전평균차산정모듈(312), 방전전압수정모듈(313)을 포함할 수 있다.

상기 방전저항평균산출모듈(311)은 전지팩을 구성하는 배터리(B)들의 내부저항에 대한 평균값을 산출하는 구성으로, 상기 방전저항측정부(11)에 의해 측정되는 방전시 내부저항의 평균값을 산출하도록 한다. 이때, 상기 방전저항평균산출모듈(311)은 평균값 산출에 대한 정확성을 높이기 위해 방전저항정제모듈(311a)을 통해 과도하게 높거나 낮은 내부저항을 제거한 상태에서 평균값의 산출이 이루어지도록 할 수 있으며, 일 예로 상위 10%, 하위 10%의 값을 제외하도록 할 수 있다.

상기 방전평균차산정모듈(312)은 각 배터리(B)에 대해 상기 방전저항평균산출모듈(311)에 의해 산출되는 내부저항의 평균값과 각 배터리(B)의 내부저항값의 차를 산정하는 구성으로, 그 절대값을 산정하도록 할 수 있다.

상기 방전전압수정모듈(313)은 내부저항을 고려한 방전 보호전압의 수정이 이루어지도록 하는 구성으로, 상기 방전평균차산정모듈(312)에 의해 산정되는 각 배터리(B)의 평균값에 대한 내부저항의 차를 방전시 전류에 곱하여 내부저항에 따른 전압변화를 구하도록 하고, 구해진 전압변화를 기 설정된 종래 방전 보호전압에서 차감하여 새로운 방전 보호전압을 설정하도록 할 수 있다. 따라서, 각 배터리의 방전시 보호전압은 내부저항에 따른 전압만큼 차감되어 조정되므로 내부저항에 의한 영향을 줄이도록 할 수 있고, 이러한 조정이 전지팩을 구성하는 배터리(B) 전체 내부저항의 평균값에 대한 각 배터리(B) 내부저항의 차에 따라 이루어지므로 내부저항의 변화를 고려하면서 균일한 보호전압의 조정이 이루어지도록 할 수 있으며, 이를 통해 배터리(B) 간 내부저항의 차이에 따른 과방전, 부족방전에 따른 화재위험, 비효율 운전의 문제를 최소화하도록 할 수 있다. 상기 방전전압수정모듈(313)에 의해 방전 보호전압이 수정되는 과정은 아래 [수학식 3]과 같다.

(이때, vpdr은 수정되는 방전 보호전압, vpd는 기존 방전 보호전압, rid는 내부저항, rid-avg는 내부저항의 평균값을 의미한다)

상기 충전전압교정부(33)는 충전시 보호전압을 교정하는 구성으로, 각 배터리(B)에 대한 충전시 내부저항을 고려하여 보호전압의 교정이 이루어지도록 한다. 특히, 상기 충전전압교정부(33)는 보호전압의 교정이 각 배터리(B)들에 대해 균일하게 이루어지도록 하기 위해 각 배터리(B)에 대한 내부저항을 합산하여 그 평균값을 산출하도록 하고, 평균 내부저항에 대한 각 배터리(B) 내부저항의 차이를 이용하여 충전시 보호전압의 수정이 이루어지도록 한다. 이를 위해, 상기 충전전압교정부(33)는 충전저항평균산출모듈(331), 충전평균차산정모듈(332), 충전전압수정모듈(333)을 포함할 수 있다.

상기 충전저항평균산출모듈(331)은 전지팩을 구성하는 배터리(B)들의 내부저항에 대한 평균값을 산출하는 구성으로, 상기 충전저항측정부(13)에 의해 측정되는 충전시 내부저항의 평균값을 산출하도록 한다. 이때, 상기 충전저항평균산출모듈(331)은 평균값 산출에 대한 정확성을 높이기 위해 충전저항정제모듈(331a)을 통해 과도하게 높거나 낮은 내부저항을 제거한 상태에서 평균값의 산출이 이루어지도록 할 수 있으며, 일 예로 상위 10%, 하위 10%의 값을 제외하도록 할 수 있다.

상기 충전평균차산정모듈(332)은 각 배터리(B)에 대해 상기 충전저항평균산출모듈(331)에 의해 산출되는 내부저항의 평균값과 각 배터리(B)의 내부저항값의 차를 산정하는 구성으로, 그 절대값을 산정하도록 할 수 있다.

상기 충전전압수정모듈(333)은 내부저항을 고려한 충전 보호전압의 수정이 이루어지도록 하는 구성으로, 상기 충전평균차산정모듈(332)에 의해 산정되는 각 배터리(B)의 평균값에 대한 내부저항의 차를 충전시 전류에 곱하여 내부저항에 따른 전압변화를 구하도록 하고, 구해진 전압변화를 기 설정된 종래 충전 보호전압에 더하여 새로운 충전 보호전압을 설정하도록 할 수 있다. 따라서, 각 배터리의 충전시 보호전압은 내부저항에 따른 전압만큼 합산되어 조정되므로 내부저항에 의한 영향을 줄이도록 할 수 있고, 이러한 조정이 전지팩을 구성하는 배터리(B) 전체 내부저항의 평균값에 대한 각 배터리(B) 내부저항의 차에 따라 이루어지므로 내부저항의 변화를 고려하면서 균일한 보호전압의 조정이 이루어지도록 할 수 있으며, 이를 통해 배터리(B) 간 내부저항의 차이에 따른 과충전, 부족충전에 따른 화재위험, 비효율 운전의 문제를 최소화하도록 할 수 있다. 상기 충전전압수정모듈(333)에 의해 충전 보호전압이 수정되는 과정은 아래 [수학식 4]와 같다.

(이때, v_pcr은 수정되는 충전 보호전압, v_pc는 기존 충전 보호전압, r_ic는 내부저항, r_ic-avg는 내부저항의 평균값을 의미한다)

상기 안전평가부(5)는 배터리(B)들의 내부저항 변화에 따른 안전성을 평가하는 구성으로, 안전에 영향을 미치는 내부저항의 변화를 검출하여 알리도록 함으로써 내부저항의 변화에 대한 신속한 대처가 가능하도록 한다. 상기 안전평가부(5)는 내부저항의 변화가 급격하게 발생한 배터리(B)를 검출하여 내부저항의 불균일에 따른 문제에 대처할 수 있도록 하고, 또한 특정 배터리(B)에 대해 충방전시의 내부저항 불균형도 검출하여 대처할 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 안전평가부(5)는 내부저항평가부(51) 및 균형평가부(53)를 포함할 수 있다.

상기 내부저항평가부(51)는 전지팩 내 배터리(B)들의 내부저항 불균형을 검출하는 구성으로, 충전 또는 방전시의 내부저항이 다른 배터리(B)들과 크게 차이가 나는 배터리(B)를 검출하도록 한다. 특정 배터리(B)에서 내부저항이 다른 배터리(B)들과 크게 차이나는 경우 충전 또는 방전시에 해당 배터리(B)를 기준으로 보호전압에 따른 작동 중단이 발생하게 되고, 이에 따라 모든 배터리(B)들에서 과방전/부족방전, 과충전/부족충전의 문제가 발생하게 된다. 따라서, 상기 내부저항평가부(51)는 내부저항의 차이가 큰 배터리(B)를 검출하여 이에 대한 점검과 조치가 이루어지도록 함으로써 불균일에 따른 비효율운전, 화재발생 등의 위험을 줄일 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 내부저항평가부(51)는 평균차로딩모듈(511), 설정값비교모듈(512), 알림출력모듈(513)을 포함할 수 있다.

상기 평균차로딩모듈(511)은 충전 또는 방전시의 내부저항에 대한 평균값과 각 배터리(B)의 내부저항의 차를 불러오는 구성으로, 상기 방전평균차산정모듈(312), 충전평균차산정모듈(332)에 의해 산정되는 값을 불러오도록 한다.

상기 설정값비교모듈(512)은 상기 평균차로딩모듈(511)에 의해 불러온 내부저항 평균값과의 차이를 설정된 값과 비교하는 구성으로, 과도한 불균형으로 판단할 수 있는 기준을 설정하여 비교가 이루어지도록 한다.

상기 알림출력모듈(513)은 상기 설정값비교모듈(512)에 의한 비교결과 내부저항의 평균값과의 차이가 설정값을 초과하는 배터리(B)가 존재하는 경우 이에 대한 알림신호를 출력하는 구성으로, 관리자 등에게 내부저항의 불균형을 알리도록 할 수 있으며, 충전 또는 방전시의 내부저항 중 어느 하나가 설정값을 초과하는 경우 알림신호를 출력하도록 한다.

상기 균형평가부(53)는 충전 및 방전시 내부저항의 불균형을 검출하는 구성으로, 충방전시의 내부저항의 차이가 일정정도를 벗어나는 경우 충방전 밸런스가 깨진 것으로 판단하여 이를 알리도록 한다. 이를 위해, 상기 균형평가부(53)는 내부저항로딩모듈(531), 저항차산출모듈(532), 기준값비교모듈(533), 위험알림모듈(534)을 포함할 수 있다.

상기 내부저항로딩모듈(531)은 각 배터리(B)에 대한 충전 및 방전시의 내부저항값을 불러오는 구성으로, 상기 방전저항측정부(11) 및 충전저항측정부(13)에 의해 측정되는 내부저항에 관한 정보를 불러오도록 한다.

상기 저항차산출모듈(532)은 충방전시 내부저항의 차이를 산출하는 구성으로, 각 배터리(B)에 대해 로딩된 충전 및 방전시의 내부저항을 비교하여 그 차를 산출하도록 한다.

상기 기준값비교모듈(533)은 저항차산출모듈(532)에 의해 산출된 내부저항의 차이를 설정된 기준값과 비교하는 구성으로, 충방전시 내부저항의 차이에 따라 안전에 영향을 미칠 수 있는 것으로 판단할 수 있는 기준값을 설정하여 비교가 이루어지도록 한다.

상기 위험알림모듈(534)은 상기 기준값비교모듈(533)에 의한 비교 결과 충방전시 내부저항의 차이가 기준값을 초과하는 경우 위험신호를 출력하는 구성으로, 관리자 등에게 알려 이에 대한 대처가 이루어질 수 있도록 한다.

이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

1: 내부저항측정부 11: 방전저항측정부
111: 직전전압측정모듈 112: 방전전압측정모듈
113: 방전전류측정모듈 114: 방전저항산출모듈
13: 충전저항측정부 131: 직전전압측정모듈
132: 충전전압측정모듈 133: 충전전류측정모듈
134: 충전저항산출모듈 3: 보호전압교정부
31: 방전전압교정부 311: 방전저항평균산출모듈
311a: 방전저항정제모듈 312: 방전평균차산정모듈
313: 방전전압수정모듈 33: 충전전압교정부
331: 충전저항평균산출모듈 331a: 충전저항정제모듈
332: 충전평균차산정모듈 333: 충전전압수정모듈
5: 안전평가부 51: 내부저항평가부
511: 평균차로딩모듈 512: 설정값비교모듈
513: 알림출력모듈 53: 균형평가부
531: 내부저항로딩모듈 532: 저항차산출모듈
533: 기준값비교모듈 534: 위험알림모듈

Claims

복수의 배터리가 연결되는 전지팩의 충방전을 조절하는 관리시스템에 있어서,
각 배터리의 충방전시 내부저항을 측정하는 내부저항측정부와, 측정되는 내부저항에 따라 충전 또는 방전시의 보호 전압을 교정하는 보호전압교정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 배터리 관리시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 내부저항측정부는
방전시 내부저항을 측정하는 방전저항측정부와, 충전시 내부저항을 측정하는 충전저항측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 배터리 관리시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 방전저항측정부는
방전 종료 직전의 각 배터리에 대한 전압을 측정하는 직전전압측정모듈과, 방전 종료 후 배터리에 대한 전압을 측정하는 방전전압측정모듈과, 방전시 전류를 측정하는 방전전류측정모듈과, 방전 종료 후 전압과 종료 직전 전압의 차이를 방전시 전류로 나누어 방전시 배터리 내부저항을 산출하는 방전저항산출모듈을 포함하고,
상기 충전저항측정부는,
충전 종료 직전의 각 배터리에 대한 전압을 측정하는 직전전압측정모듈과, 충전 종료 후 배터리에 대한 전압을 측정하는 충전전압측정모듈과, 충전시 전류를 측정하는 충전전류측정모듈과, 충전 종료 후 전압과 종료 직전 전압의 차이를 충전시 전류로 나누어 충전시 배터리 내부저항을 산출하는 충전저항산출모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 배터리 관리시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 보호전압교정부는
상기 방전저항측정부에 의해 측정된 각 배터리의 방전시 내부저항에 따라 각 배터리의 방전이 종료되는 보호전압을 수정하는 방전전압교정부와, 상기 충전저항측정부에 의해 측정된 각 배터리의 충전시 내부저항에 따라 각 배터리의 충전이 종료되는 보호전압을 수정하는 충전전압교정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 배터리 관리시스템.
제 4 항에 있어서, 상기 방전전압교정부는
전지팩을 구성하는 각 배터리들의 방전시 내부저항에 대한 평균값을 산출하는 방전저항평균산출모듈과, 방전시 평균 내부저항과 각 배터리의 내부저항의 차를 산정하는 방전평균차산정모듈과, 상기 방전평균차산정모듈에 의해 산정된 내부저항의 차를 방전전류에 곱한 값을 기존 방전 보호 전압에서 차감하여 새로운 방전 보호 전압으로 설정하는 방전전압수정모듈을 포함하고,
상기 충전전압교정부는,
전지팩을 구성하는 각 배터리들의 충전시 내부저항에 대한 평균값을 산출하는 충전저항평균산출모듈과, 충전시 평균 내부저항과 각 배터리의 내부저항의 차를 산정하는 충전평균차산정모듈과, 상기 충전평균차산정모듈에 의해 산정된 내부저항의 차를 충전전류에 곱한 값을 기존 충전 보호 전압에서 차감하여 새로운 충전 보호 전압으로 설정하는 충전전압수정모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 배터리 관리시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 전지팩 배터리 관리시스템은
각 배터리의 내부 저항에 대한 안전성을 평가하여 알리는 안전평가부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 배터리 관리시스템.
제 6 항에 있어서, 상기 안전평가부는
방전 또는 충전시 내부저항에 대한 배터리 사이의 불균형을 검출하여 알리는 내부저항평가부를 포함하고,
상기 내부저항평가부는,
상기 방전평균차산정모듈 또는 충전평균차산정모듈에 의해 산정되는 내부저항 평균값에 대한 각 배터리 내부저항의 차 값을 불러오는 평균차로딩모듈과, 로딩된 차 값을 설정된 값과 비교하는 설정값비교모듈과, 로딩된 차 값이 설정값을 초과하는 경우 내부저항의 불균형으로 판단하여 이를 알리는 알림출력모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 배터리 관리시스템.
제 6 항에 있어서, 상기 안전평가부는
충방전시 각각의 내부저항 차이에 따라 충방전 불균형을 검출하여 알리는 균형평가부를 포함하고,
상기 균형평가부는,
각 배터리에 대해 측정된 방전 및 충전시의 내부저항값을 불러오는 내부저항로딩모듈과, 로딩된 방전 및 충전시의 내부저항값의 차를 산출하는 저항차산출모듈과, 산출된 내부저항값의 차를 설정된 기준값과 비교하는 기준값비교모듈과, 내부저항값의 차가 기준값을 초과하는 경우 충방전 불균형으로 판단하여 이를 알리는 위험알림모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 배터리 관리시스템.