KR20230082797A - 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스택, 멀티 파워 릴레이 어셈블리 및 배터리 관리 장치를 포함하는 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템은 상기 배터리 스택 중 홀수 셀 그룹 및 짝수 셀 그룹 중 어느 하나의 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 과정에서 상기 멀티 파워 릴레이 어셈블리로부터 수신된 션트 전류를 기초로 셀 밸런싱을 수행하지 않은 다른 셀 그룹에 해당하는 멀티 파워 릴레이 어셈블리에 대한 제어 신호를 생성하여 제공하는 배터리 관리 장치 및 션트 저항을 통해 션트 전류를 측정하여 상기 배터리 관리 장치에 제공하며, 상기 배터리 관리 장치로부터 수신된 제어 신호에 따라 저항 값을 조절한 후 상기 조절된 저항 값에 해당하는 보상 전류가 상기 셀 밸런싱을 수행하지 않는 다른 셀 그룹에 인가되도록 하는 멀티 파워 릴레이 어셈블리를 포함한다.

Description

대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템{INTERPHASE FIRE PREVENTING SYSTEM BASED ON HIGH POWER SMART BATTERY SYSTEM}

본 발명은 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 셀 밸런스로 인해 발생하는 보상 전류의 유입을 감소 시키고 과전압이 발생하면 셀 밸런스 대상을 변경하여 과전압을 차단할 수 있도록 하는 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템에 관한 것이다.

에너지 저장 시스템은 외부 전력원, 예를 들면, 발전소에서 외부 전력을 공급받아 저장하여, 전력이 필요한 시점에 필요한 곳으로 전송하는 장치를 의미한다.

즉, 에너지 저장 시스템은 전력 저장용 배터리를 포함한 대용량 전력 저장 시스템으로서, 전력을 저장해 필요한 장소와 시간에 사용할 수 있도록 지원하는 시스템이다. 이에 따라 현재는 신재생 에너지(태양광, 풍력에너지 등) 저장용으로 각광받고 있다.

현재 에너지 저장 시스템에는 리튬 이온 배터리가 이용되고 있다. 보통 축전지는 자기 방전에 의하여 축전된 전기를 다소 잃게 되지만, 리튬 이온 배터리에는 그러한 현상이 없다. 단위 부피당 축전 능력도 높고, 주택의 태양광 발전에서 생기는 적은 양의 전기라도 문제없이 저장할 수 있다.

또 다른 축전지들의 약점인 '전기가 남아 있는 동안에 충전하면 축전지 용량이 감소하는 (메모리 효과)' 것과 같은 현상도 나타나지 않는다. 이러한 특징이 리튬 이온 배터리의 축전 기능을 높이는 이유이다.

에너지 저장 시스템은 보통 컨테이너 안에 리튬 이온 배터리로 구성된 배터리 모듈을 적재하여 구성한다. 이 배터리 모듈은 다단으로 형성된 배터리 시스템에 일정 개수가 서로 전기적으로 연결되어 적재된다.

이러한 에너지 저장 시스템은 배터리를 병렬로 연결하여 저장 용량을 보호한다. 에너지 저장 시스템이 완전히 충전되면 배터리 관리 시스템(BMS)의 패시브 셀 균형으로 인해 에너지 손실이 발생하고, 병렬로 연결된 배터리로부터 보상 전류가 유입되고 배터리 과충전이 발생한다.

본 발명은 셀 밸런싱을 사용하여 병렬로 배터리를 안전하게 연결하는 시간을 최소화할 수 있도록 하는 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 셀 밸런스로 인해 발생하는 보상 전류의 유입을 감소 시키고 과전압이 발생하면 셀 밸런스 대상을 변경하여 과전압을 차단할 수 있도록 하는 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 충전 완료 후 셀 밸런싱에 의해 과전압에 도달하는 셀이 발생하는 셀을 미연에 방지할 수 있도록 하는 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 셀 밸런싱이 수행될 때 셀 밸런싱이 수행되지 않은 셀에 대해서는 보상 전류가 유입되지 않도록 하여 고전압 셀이 짝수와 홀수에 동일하게 존재할 때 연속적인 스위칭 현상의 발생을 막을 수 있도록 하는 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템을 제공하는 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.

이러한 목적을 달성하기 위한 배터리 스택, 멀티 파워 릴레이 어셈블리 및 배터리 관리 장치를 포함하는 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템은 상기 배터리 스택 중 홀수 셀 그룹 및 짝수 셀 그룹 중 어느 하나의 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 과정에서 상기 멀티 파워 릴레이 어셈블리로부터 수신된 션트 전류를 기초로 셀 밸런싱을 수행하지 않은 다른 셀 그룹에 해당하는 멀티 파워 릴레이 어셈블리에 대한 제어 신호를 생성하여 제공하는 배터리 관리 장치 및 션트 저항을 통해 션트 전류를 측정하여 상기 배터리 관리 장치에 제공하며, 상기 배터리 관리 장치로부터 수신된 제어 신호에 따라 저항 값을 조절한 후 상기 조절된 저항 값에 해당하는 보상 전류가 상기 셀 밸런싱을 수행하지 않는 다른 셀 그룹에 인가되도록 하는 멀티 파워 릴레이 어셈블리를 포함한다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 셀 밸런싱을 사용하여 병렬로 배터리를 안전하게 연결하는 시간을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의하면, 셀 밸런스로 인해 발생하는 보상 전류의 유입을 감소 시키고 과전압이 발생하면 셀 밸런스 대상을 변경하여 과전압을 차단할 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의하면, 충전 완료 후 셀 밸런싱에 의해 과전압에 도달하는 셀이 발생하는 셀을 미연에 방지할 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의하면, 셀 밸런싱이 수행될 때 셀 밸런싱이 수행되지 않은 셀에 대해서는 보상 전류의 유입을 제한하여 고전압 셀이 짝수와 홀수에 동일하게 존재할 때 연속적인 스위칭 현상의 발생을 막을 수 있다는 장점이 있다.

도 1 내지 도 3은 종래의 완전 충전 후 셀 밸런스에 의한 병렬 연결 전압 분균형 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 종래의 셀 밸런싱 진행 중 2개의 병렬 연결된 스텍에서 발생하는 전류 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 종래의 과충전 발생 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 종래의 대용량 배터리 시스템에서 셀 밸런싱 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 9 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템을 설명하기 위한 예시도이다.

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.

도 1 내지 도 3은 종래의 완전 충전 후 셀 밸런스에 의한 병렬 연결 전압 분균형 현상을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 종래의 셀 밸런싱 진행 중 2개의 병렬 연결된 스텍에서 발생하는 전류 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 종래의 과충전 발생 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 대용량 ESS(Energy Storage System) 휴지기 화재의 원인은 배터리 용량 편차 및 낮은 셀밸런스 전류이다. 일반적으로, 배터리는 양산 과정에서 용량을 동일하게 만들어낼 수 없다. 이와 같은 이유로, 배터리 관리 시스템(BMS)을 이용하여 셀 밸런싱을 수행해야 한다.

이러한 배터리를 직렬로 연결하여 충전을 했을 경우 배터리 제조사에서 보증하는 충방전 사이클 수명과 동일한 충전이 이루어질 수 없다.

예를 들어, 같은 배터리를 4S 직렬로 연결하였을 경우 16.8V 충전 전압은 배터리 용량 100% 셀의 경우 4.2V(SOC 90%충전 완료), 배터리 용량 95%셀의 경우 4.25V(SOC 100%충전 완료), 배터리 용량 100%셀의 경우 4.2V(SOC 95%충전 완료) 및 배터리 용량 105%셀의 경우 4.15V(SOC 90% 충전 완료)된다. 상기와 같은 이유로, CV(Constant Voltage) 구간이 형성된다. 즉, SOC 차이로 인한 DCIR 영향을 받아 전압 분배가 이루어 지게된다.

이때, 배터리 용량이 작은 셀의 충전 조건이 상대적으로 가혹하기 때문에 충방전을 반복할 수록 용량이 작은 셀의 수명은 급격하게 줄어드는 반면에 용량이 큰 셀의 수명은 늘어나게 된다. 즉, 용량이 작은 셀의 충전 전압은 계속 올라가게 되고 용량이 큰 셀의 충전 전압은 계속 낮아지게 된다.

상기와 같은 DCIR의 경우 SOC-DCIR 그래프에서 리튬폴리머 셀은 'U'자 형태로 SOC가 낮은 경우와 높은 경우에 높은 DCIR 값을 가지며 SOC가 50%에서 가장 낮은 값을 가진다. 또한 온도가 낮은 경우 DCIR 그래프는 전체적으로 높은 값을 가지며 온도가 높은 경우 낮은 값을 가져 온도가 낮은 경우 충전 용량이 낮아지고 온도가 높은 경우 충전 용량이 높아진다.

이러한 DCIR에서 우리가 직렬로 배터리 셀을 연결하여 충전과 방전을 하는 경우 배터리가 초기에 납품되는 상황에서 공칭전압(norminal voltage)로 약 SOC가 50%에 충전이되어 납품되기 때문에 충방전 시뮬레이션을 진행하는 경우에도 초기 조건을 SOC 50%에서 진행해야 보다 정확한 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있다.

최초에, 배터리 셀을 공급, 충전과 방전을 진행하게 되며 직렬로 연결된 구조이기 때문에 충전 전류와 방전 전류는 동일하게 셀들에게 적용된다. 상기와 같이 용량이 작은 셀은 같은 전류량에도 더 많은 전압이 상승하고 용량이 큰 셀은 전압의 상승률이 상대적으로 낮게 되는 현상이 나타나게 된다.

이때 전압의 편차가 발생하여 셀 밸런싱을 진행하게 되는데 충전 중 셀 밸런스가 진행되는 것은 배터리 용량이 작은 셀의 전압을 깍는 형태가 되며(배터리 팩의 사용 용량이 줄어듬 : 배터리 사용량은 용량이 작은 셀의 영향을 받음) 방전 중 셀밸런스는 배터리 용량이 큰 셀의 전압을 깍는 형태가 된다(충전 중 용량에 의한 셀간 전위차가 더 크게 벌어짐). 즉, 패시브 셀밸런스는 배터리의 사용량을 줄이게 된다.

이와 같은 이유로, 많은 개발자들이 배터리의 용량은 커지고 충전전류도 높아졌지만 셀 밸런스 전류 100mA 회로를 계속 사용하고 있다. 이런 낮은 셀 밸런스의 전류로 인하여 셀 밸런스 에너지의 대부분은 충전이 완료된 시점에 이루어지며 이로 인한 전위차가 원인이 되어 병렬로 연결된 배터리 스텍에서 전류 이동이 발생하게 된다. 이러한 전류 이동이 ESS 화재의 원인이 되고 있다.

ESS를 충전하는 경우, 고전압 시스템이기 때문에 최고 전압과 최저 전압의 차이가 저전압 시스템보다 크게 일어날 확률이 높다.

일반적으로, 배터리는 공칭전압으로 충전이 되어 납품이되며 약 SOC50% 상태에서 조립이 이루어진다. 이때, 방전을 진행하면 배터리 용량이 가장 작은 셀이 3.0V에 먼저 도달하게 되며 충전 차단이 이루어질 것이다.

만일, 충전을 진행할 경우 CC구간에서 배터리 용량이 가장 작은 셀이 낮은 전압을 가지겠지만 반대로 DCIR이 가장 큰 값을 가져 충전 전류에 의한 허전압으로 전압 상승이 크게 일어난다. 또한 용량이 작은 셀은 동일 전류에 대하여 SOC 증가율이 상대적으로 높기 때문에 전압차는 점점 줄어들게 된다.

CC-CV 변곡점에서는 용량이 작은 셀과 큰 셀의 DCIR 편차가 크지 않기 때문에 전압 편차가 작게 일어난다. 완속충전 CV 구간의 종지시점(1/20C) 부근에서는 배터리 용량이 작은 셀이 높은 DCIR을 가지며 전압 편차가 다시 벌어지게 된다(즉, 완속충전 CV구간은 대략 15분정도 된다.).

대부분의 셀 밸런싱은 전압차를 기준으로 20mV이상 차이가 나는 CV구간 종지시점 근처에서 시작되게 된다. 충전 초기에 일어나는 셀 밸런싱은 충전전류가 크기 때문에 작은 셀 밸런싱 전류의 영향을 거의 받지 않은 상태에 셀용량이 작은 셀의 급속한 SOC 상승으로 종료가 되게 된다.

충전 초기에 일어나는 셀 밸런싱은 충전전류가 크기 때문에 작은 셀 밸런싱 전류의 영향을 거의 받지 않은 상태에 셀용량이 작은 셀의 급속한 SOC 상승으로 종료가 되게 됩니다.

도 1과 같이, 에너지 저장 시스템에서 여러개의 배터리가 직렬로 연결된 스텍의 병렬 연결이 된 상황에서 완속 충전이 진행되는 동안에는 각 스텍은 동일한 전압을 가지게 될 것이다.

하지만, 충전이 종료된 이후에 각 스텍에서 발생하는 셀 밸런싱 수는 동일하지 않으며 랜덤한 셀의 밸런싱과 시간 또한 동일하지 않아 각 스텍의 전압은 불균형이 발생하게 되고, 이것을 보상하기 위하여 병렬로 연결된 스텍에서 보상 전류의 유입 또는 유출이 발생하게 된다.

또한, 도 2와 같이 두개의 스텍에 셀 밸런싱이 많이 일어나 100V에서 90V로 떨어진 스텍과 셀 밸런싱이 전혀 일어나지 않은 100V 스텍이 있다고 가정하였을 경우 전압 균형을 위하여 95V로 평준화될 것이다.

하지만, 도 3과 같이 스텍이 3개로 늘어나 병렬 연결된 스텍의 수가 늘어난다면 96.7V로 평준화가 이루어지며 셀 밸런싱에 대한 보상전류의 유입이 더 늘어나게 된다.

예를 들어, 을지로 3가의 740kW ESS의 경우 12개 렉을 병렬로 연결하는 경우, 보상전류의 유입 시간은 셀 밸런싱이 완료되는 시점까지 지속적으로 유입이 일어나게 된다.

그렇다면 충전 종료 후 어느 정도 시간이 되어야 셀 밸런싱이 완료되는지 설명한다. 만일, 통상 20mV 이상 차이가 나면 셀 밸런싱을 진행하게 되는데 이 때 SOC차이가 0.5%난다고 가정하면, 84Ah셀에서 420mAh를 저항을 통해 열 에너지로 교환하는데 100mA로 셀 밸런싱을 하는 경우 셀 밸런싱이 진행되는 시간은 4.2시간 정도이며 이 시간의 대부분은 충전이 종료된 이후이고 셀 밸런싱을 진행하지 않는 셀들은 장시간에 걸져 보상전류에 의한 지속적인 충전이 일어나게 된다.

도 4와 같이, 짝수 셀 그룹 및 홀수 셀 그룹로 그룹을 나누어 진행하는 셀 밸런싱의 경우 스텍의 절반이 셀 밸런싱을 진행하면 최대 50mA의 보상전류가 발생하지만 장시간에 걸쳐서 일어나므로 에너지량은 무시할 수 없는 정도로 커지게 된다.

또한, 도 5와 같이 직렬로 연결된 셀에서 셀 밸런스를 진행하는 셀들은 전압 강하가 일어나지만 나머지 셀들에서 전압 불균형에 의해 보상 전류로 인하여 충전이 일어나 전압이 상승하는 현상이 관찰된다.

이러한 경우, 배터리의 용량 편차가 클수록 최대 용량의 셀과 최소 용량 셀의 용량 편차가 점점 더 벌어짐으로 인한 전압 편차가 커지는 진행성 불량에 의한 화재 발생 원인이며 초기 배터리의 용량 편차가 클때 진행 속도가 더 빠르게 일어난다. 즉, 셀 밸런싱 전압 편차가 클 수록 에너지 소비량이 증가하여 보상전류 량도 같이 증가하게 된다.

상기와 같은 현상은 셀 용량 편차에 의하여 직렬 연결된 셀들의 충전 전압이 상이하여 용량이 작은 셀들은 CV 가혹조건(즉, 높은 전압)에서 충전이 되고 용량이 큰 셀들은 CV 완화조건(즉, 낮은 전압)에서 충전이되어 용량이 작은 셀들의 노후화를 가속하여 셀간 용량 편차를 가속화한다.

이로 인해, 셀 밸런스 에너지량이 점점 더 커지고 병렬로 연결된 배터리 스택에서 발생하는 보상 전류의 에너지량도 점점 더 증가하게 되어 셀의 과충전을 발생시켜 화재를 유발한다.

도 6은 종래의 대용량 배터리 시스템에서 셀 밸런싱 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 대용량 배터리 시스템은 짝수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 실행한다(단계 S601). 대용량 배터리 시스템은 짝수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 실행하는 과정에서 홀수 셀 그룹의 전압이 미리 결정된 위험 전압(예를 들어, 4.24V) 이상인지 여부를 확인한다(단계 S602).

대용량 배터리 시스템은 홀수 셀 그룹의 전압이 미리 결정된 위험 전압 이상이면(단계 S602), 짝수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 종료한 후 홀수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 실행한다(단계 S603).

대용량 배터리 시스템은 홀수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 실행하는 과정에서 짝수 셀 그룹의 전압이 미리 결정된 위험 전압(예를 들어, 4.24V) 이하인지 여부를 확인한다(단계 S604).

대용량 배터리 시스템은 짝수 셀 그룹의 전압이 미리 결정된 위험 전압(예를 들어, 4.24V) 이하이면(단계 S604), 전체 셀 전압이 미리 결정된 목표 전압에 해당하는지 여부를 확인한다(단계 S605).

대용량 배터리 시스템은 전체 셀 전압이 미리 결정된 목표 전압에 해당하면 셀 밸런싱을 종료한다(단계 S605).

상기와 같이, 대용량 배터리 시스템은 짝수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 진행하면서 홀수 셀 그룹의 전압을 확인하고, 홀수 셀 그룹의 전압이 미리 결정된 위험 전압 이상으로 판단되어 과전압에 인접하다고 판단되면 셀 벨런싱을 짝수 셀 그룹에서 홀수 셀 그룹로 변경하여 홀수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 진행한다.

그 후, 대용량 배터리 시스템은 홀수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 진행하면서 짝수 셀 그룹의 전압을 확인하고, 짝수 셀 그룹의 전압이 미리 결정된 위험 전압 이하이면, 전체 셀 전압이 미리 결정된 목표 전압에 해당하는지 여부에 따라 셀 밸런스를 종료한다.

즉, 대용량 배터리 시스템은 전체 셀 전압이 미리 결정된 목표 전압에 해당하면 셀 밸런싱을 종료한다. 하지만, 짝수 셀 그룹 및 홀수 셀 그룹을 번갈아가면서 셀 밸런싱을 실행하는 과정에서 동시에 짝수 셀 그룹 및 홀수 셀 그룹 각각의 전압이 미리 결정된 위험 전압 근처에 해당하면 무한 스위칭이 일어날 수 있다는 단점이 있다.

도 7 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템(700)은 멀티 파워 릴레이 어셈블리(710_1~710_N) 및 배터리 관리 장치(720_1~720_N)를 포함한다.

멀티 파워 릴레이 어셈블리(710_1~710_N)는 배터리 스택을 병렬연결시키기 위한 회로이다.

멀티 파워 릴레이 어셈블리(710_1~710_N)는 션트 저항을 통해 션트 전류를 측정하여 상기 배터리 관리 장치(720_1~720_N)에 제공하며, 상기 배터리 관리 장치(720_1~720_N)로부터 수신된 제어 신호에 따라 저항 값을 조절한 후 상기 조절된 저항 값에 해당하는 보상 전류가 상기 셀 밸런싱을 수행하지 않는 다른 셀 그룹에 인가되도록 한다.

이러한 멀티 파워 릴레이 어셈블리(710_1~710_N) 각각은 메인 릴레이(770), 제1 프리차지 릴레이부(730), 제2 프리차지 릴레이부(740), 제3 프리차지 릴레이부(750) 및 션트 저항(760)를 포함한다.

제1 프리차지 릴레이부(730)는 메인 릴레이(770), 제2 프리차지 릴레이부(740) 및 제3 프리차지 릴레이부(750)와 병렬로 연결되며, 제1 프리차지 릴레이(first precharge relay, 732), 제1 프리차지 저항(first precharge resistor, 731)을 포함한다.

제2 프리차지 릴레이부(740)는 메인 릴레이(770), 제1 프리차지 릴레이부(730) 및 제3 프리차지 릴레이부(750)와 병렬로 연결되며, 제2 프리차지 릴레이(second precharge relay, 742), 제2 프리차지 저항(second precharge resistor, 741)을 포함한다.

제3 프리차지 릴레이부(750)는 메인 릴레이(770), 제1 프리차지 릴레이부(730) 및 제2 프리차지 릴레이부(740)와 병렬로 연결되며, 제3 프리차지 릴레이(third precharge relay, 752), 제3 프리차지 저항(third precharge resistor, 751)을 포함한다.

배터리 관리 장치(720_1~720_N)는 배터리 스택의 홀수 셀 그룹 및 짝수 셀 그룹 중 어느 하나의 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 과정에서 셀 밸런싱을 수행하지 않은 다른 셀 그룹에 해당하는 메인 릴레이(770), 제1 프리차지 릴레이(732), 제2 프리차지 릴레이(742) 및 제3 프리차지 릴레이(752)를 개방 또는 단락시키기 위한 제어신호를 생성한다.

이를 위해, 배터리 관리 장치(720_1~720_N)는 홀수 셀 그룹 및 짝수 셀 그룹 중 어느 하나의 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 과정에서 셀 밸런싱을 수행하지 않은 다른 셀 그룹에 해당하는 메인 릴레이(770)를 개방시키고, 상기 제1 프리차지 저항(731), 상기 제2 프리차지 저항(741) 및 상기 제3 프리차지 저항(751)을 이용하여 상기 제1 프리차지 릴레이(732), 상기 제2 프리차지 릴레이(742) 및 상기 제3 프리차지 릴레이(752) 각각을 개방 또는 단락시킨다.

보다 구체적으로, 배터리 관리 장치(720_1~720_N)는 션트 저항(760)을 이용하여 제1 프리차지 릴레이부(730), 제2 프리차지 릴레이부(740) 및 제3 프리차지 릴레이부(750)에 흐르는 션트 전류를 측정하고, 션트 전류에 따라 제1 프리차지 저항(731), 제2 프리차지 저항(741) 및 제3 프리차지 저항(751) 각각의 저항 값을 조합하여 제1 프리차지 릴레이(732), 제2 프리차지 릴레이(742) 및 제3 프리차지 릴레이(752) 중 적어도 하나의 프리차지 릴레이를 단락시킨다.

상기와 같이, 배터리 관리 장치(720_1~720_N)는 제1 프리차지 저항(731), 제2 프리차지 저항(741) 및 제3 프리차지 저항(751) 각각의 저항 값의 조합한 후 조합된 저항에 해당하는 제1 프리차지 릴레이(732), 제2 프리차지 릴레이(742) 및 제3 프리차지 릴레이(752) 중 적어도 하나의 프리차지 릴레이를 단락시킨다.

즉, 제1 프리차지 릴레이(732), 제2 프리차지 릴레이(742) 및 제3 프리차지 릴레이(752) 중 적어도 하나의 프리차지 릴레이를 단락시켜 배터리 스택의 내부에 유입되는 전류량을 결정하여 배터리에 유입되도록 한다.

본 발명에서 셀 밸런싱을 수행하지 않은 다른 셀 그룹에 대해서 보상 전류에 의한 유입되는 전류 완전히 차단하는 않지 않고 낮은 전류가 유입되도록 하는 이유는, 셀 밸런싱이 종료된 이후에 배터리를 연결할 때 전압 평형을 맞추는 시간이 길기 때문이다.

이 시간 동안에는 배터리가 정상적인 용량을 확보할 수 없기 때문에 이 시간을 줄이기 위한 방안으로 셀 밸런스 동안에도 제어 가능한 정도의 전류 이동은 긍정적인 효과를 가져다 준다.

이하에서는, 배터리 관리 장치(720_1~720_N)가 셀 밸런싱을 실행하는 과정에서 메인 릴레이(770), 제1 프리차지 릴레이(732), 제2 프리차지 릴레이(742) 및 제3 프리차지 릴레이(752)를 제어하는 과정을 설명하기로 한다. 설명의 편의를 위해서 배터리 관리 장치(720_1~720_N)가 짝수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 먼저 실행하는 과정을 설명하겠지만 실시예에 따라 홀수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 먼저 실행할 수 있다.

먼저, 배터리 관리 장치(720_1~720_N)는 짝수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 실행하기 위해서 홀수 셀 그룹에 해당하는 메인 릴레이(770)를 개방하고, 제1 프리차지 릴레이(732), 제2 프리차지 릴레이(742) 및 제3 프리차지 릴레이(752) 중 적어도 하나의 프리차지 릴레이를 단락시킨다. 따라서, 배터리 관리 장치(720_1~720_N)는 짝수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 실행하는 과정에서 홀수 셀 그룹에서는 낮은 전류로 지속적인 전류 보상이 이루어지도록 한다.

그 후, 배터리 관리 장치(720_1~720_N)는 짝수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 실행하는 과정에서 홀수 셀 그룹의 전압이 미리 결정된 위험 전압 이상이면, 짝수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 종료한 후 홀수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 실행한다.

이를 위해, 배터리 관리 장치(720_1~720_N)는 홀수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 실행하기 위해서 짝수 셀 그룹에 해당하는 메인 릴레이(770)를 개방하고, 제1 프리차지 릴레이(732), 제2 프리차지 릴레이(742) 및 제3 프리차지 릴레이(752) 중 적어도 하나의 프리차지 릴레이를 단락시킨다. 따라서, 배터리 관리 장치(720_1~720_N)는 홀수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 실행하는 과정에서 짝수 셀 그룹에서는 낮은 전류로 지속적인 전류 보상이 이루어지도록 한다.

상기와 같이, 배터리 관리 장치(720_1~720_N)는 홀수 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 실행하는 과정에서 짝수 셀 그룹의 전압이 미리 결정된 위험 전압(예를 들어, 4.24V) 이하인지 여부를 확인하고, 짝수 셀 그룹의 전압이 미리 결정된 위험 전압(예를 들어, 4.24V) 이하이면, 전체 셀 전압이 미리 결정된 목표 전압에 해당하는지 여부를 확인한다.

배터리 관리 장치(720_1~720_N)는 전체 셀 전압이 미리 결정된 목표 전압에 해당하면, 셀 밸런싱을 종료한다.

도 9 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템을 설명하기 위한 예시도이다.

도 9 내지 도 13을 참조하면, 대용량 배터리 시스템에서 직렬로 연결된 배터리 셀들의 전압 편차를 줄이기 위하여 셀 밸런싱을 수행하며, 전압 편차를 기준으로 전압 편차가 특정 전압 이상인 경우 셀 밸런싱이 동작하고 있다. 하지만, 이러한 셀 밸런싱은 완전 충전 시 오히려 셀간 전압 편차가 커져 셀 밸런싱이 오히려 더 길어지는 문제점을 가져오게 된다.

일반적으로, 초기에 납품되는 셀들은 도 9(a)와 같이 공칭 전압으로 충전된 상태에서 납품이 되며, 직렬로 연결한 상태에서 방전을 할 경우 도 10(b)와 같이 상대적으로 용량이 작은 셀이 최저 전압에 먼저 도달하여 시스템을 차단하게 되며, 충전하는 경우 도 10(a)와 같이 용량이 상대적으로 작은 셀이 먼저 고전압에 도달하여 충전이 종료되게 된다.

완충전은 통상 0.5C로 충전하여 CV구간에서 0.05C에서 종료한다. 이때, SOC 100%로 가정하지만 직렬로 연결된 셀의 경우, 도 11(b)와 같이 용량이 작은 셀이 먼저 SOC 100%에 도달하여 전류에 제한을 걸게 되므로 용량이 큰 셀은 상대적으로 낮은 SOC를 가지게 된다. 이때, DCIR 편차가 크게 벌어지므로 전압이 재분배가 일어난다.

또한, 도 12와 같이 용량이 작은 셀의 충전 전압은 상대적으로 높기 때문에 가혹 조건에서 충전이 이루어져 상대적으로 노후화 진행 속도가 빠르게 진행된다.

전압편차만을 기준으로 셀 벨런싱을 진행하는 상황에서 SOC 50% 미만인 경우 용량이 상대적으로 큰 셀의 에너지를 깍고 SOC 50% 이상인 경우 용량이 상대적으로 작은 셀의 에너지를 깍는다.

용량이 큰 셀의 에너지를 깍는 것은 충전 완료 시점에 용량이 작은 셀과의 에너지량 차이가 더 벌어지는 결과를 가져와 DCIR의 편차를 더욱 키우게되며 이것은 전압차가 더욱 벌어져 용량이 상대적으로 작은 셀의 노후화를 더더욱 가속시키며 셀 밸런싱 에너지량이 커져서 셀 밸런싱 시간이 늘어나게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템은 셀 용량이 작은 셀의 전압이 용량이 가장 큰 셀의 전압보다 클 경우에만 셀 밸런싱을 진행한다(도 13 참조). 구체적으로 초기 충전과 방전에서 전압 편차가 가장 작은 셀을 선정한다. 즉 용량이 가장 큰 셀을 선정한다. 다음, 용량이 가장 큰 셀의 전압을 기준으로 이보다 전압이 높은 셀에 대해서만 셀 밸런싱을 수행한다.

이와 같이 할 경우, 셀 밸런싱을 셀 용량이 작은 셀이 전압이 높을 경우에만 동작하도록 제한하여 충방전이 반복할수록 만충전 시 모든 셀의 SOC가 100%가 되도록 안정화되어 DCIR 편차에 의한 전압차가 발생하는 것을 최소화한다. 이와 같은 방식은 직렬로 연결된 배터리 셀에서 발생하는 충전 완료 시 전위차 발생을 근본적으로 차단할 수 있으며, 상대적으로 작은 용량의 셀이 가혹조건에서 충전되는 것을 방지하여 상대적으로 용량이 작은 셀의 노후화 진행속도를 낮추어 셀 보증 수명을 만족할 수 있도록 한다. 또한, 불필요한 셀 밸런싱으로 인한 에너지 손실을 최소화 할 수 있다는 장점이 있다.

한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

700: 휴지기 과충전 화재 예방 시스템,
710_1~710_N: 멀티 파워 릴레이 어셈블리,
720_1~720_N: 배터리 관리 장치
730: 제1 프리차지 릴레이부,
740: 제2 프리차지 릴레이부,
750: 제3 프리차지 릴레이부,
760: 션트 저항,
770: 메인 릴레이

Claims (4)

1. 배터리 스택, 멀티 파워 릴레이 어셈블리 및 배터리 관리 장치를 포함하는 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템에 있어서,
   상기 배터리 스택 중 홀수 셀 그룹 및 짝수 셀 그룹 중 어느 하나의 셀 그룹에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 과정에서 상기 멀티 파워 릴레이 어셈블리로부터 수신된 션트 전류를 기초로 셀 밸런싱을 수행하지 않은 다른 셀 그룹에 해당하는 멀티 파워 릴레이 어셈블리에 대한 제어 신호를 생성하여 제공하는 배터리 관리 장치; 및
   션트 저항을 통해 션트 전류를 측정하여 상기 배터리 관리 장치에 제공하며, 상기 배터리 관리 장치로부터 수신된 제어 신호에 따라 저항 값을 조절한 후 상기 조절된 저항 값에 해당하는 보상 전류가 상기 셀 밸런싱을 수행하지 않는 다른 셀 그룹에 인가되도록 하는 멀티 파워 릴레이 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 멀티 파워 릴레이 어셈블리는
   메인 릴레이(main relay);
   제1 프리차지 릴레이(precharge relay) 및 제1 프리차지 저항을 포함하며, 상기 메인 릴레이와 병렬로 연결되는 제1 프리차지 릴레이부;
   제2 프리차지 릴레이 및 제2 프리차지 저항을 포함하며, 상기 메인 릴레이와 병렬로 연결되는 제2 프리차지 릴레이부;
   제3 프리차지 릴레이 및 제3 프리차지 저항을 포함하며, 상기 메인 릴레이와 병렬로 연결되는 제3 프리차지 릴레이부;
   상기 제1 프리차지 릴레이부, 상기 제2 프리차지 릴레이부 및 상기 제3 프리차지 릴레이부와 병렬로 연결되는 션트 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는
   대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 배터리 관리 장치는
   셀 밸런싱을 수행하지 않은 다른 셀 그룹에 대해서 상기 메인 릴레이를 개방시키는 제어 신호 및 상기 션트 전류를 기초로 상기 제1 프리차지 릴레이, 상기 제2 프리차지 릴레이 및 상기 제3 프리차지 릴레이 중 어느 하나의 릴레이를 단락시키는 제어 신호를 상기 멀티 파워 릴레이 어셈블리에 제공하는 것을 특징으로 하는 대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템.
4. 제2항에 있어서,
   상기 배터리 관리 장치는
   상기 션트 전류를 기초로 상기 제1 프리차지 저항, 상기 제2 프리차지 저항 및 상기 제3 프리차지 저항 각각의 저항 값의 조합하여 서로 다른 저항 값을 산출하고, 상기 서로 다른 저항 값 중 어느 하나의 저항 값에 해당하는 전류가 흐르도록 해당 릴레이를 단락시키는 제어 신호를 상기 멀티 파워 릴레이 어셈블리에 제공하는 것을 특징으로 하는
   대용량 배터리 시스템에서 휴지기 과충전 화재 예방 시스템.

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