WO2020226441A1 - 배터리 컨트롤러, 무선 배터리 제어 시스템, 배터리 팩 및 배터리 밸런싱 방법 - Google Patents

배터리 컨트롤러, 무선 배터리 제어 시스템, 배터리 팩 및 배터리 밸런싱 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a technology for controlling a battery module and balancing a plurality of battery cells included in the battery module.
  • a battery pack applied to an electric vehicle or the like typically includes a plurality of battery modules and a plurality of battery controllers connected in series with each other. Each battery controller monitors and controls the status of its own battery module. Recently, as a large capacity and high output battery pack is required, the number of battery modules included in the battery pack is also increasing.
  • a single master-multi-slave structure includes a plurality of slave controllers provided to correspond to a plurality of battery modules on a one-to-one basis, and a master controller for overall control of the plurality of slave controllers.
  • the master controller is configured to communicate with a plurality of slave controllers through a wireless channel, thereby providing a wireless battery control system.
  • Each slave controller may also be referred to as a'battery controller', and generally uses a module voltage, which is a voltage at both ends of a battery module corresponding to it, as an operating power source.
  • the module voltage e.g. 12V
  • the module voltage of a battery module including a plurality of battery cells is the upper limit of the voltage range (e.g., 1.8 to 3.6 V) required for starting (activating) the slave controller corresponding to the battery module. It goes far beyond. Therefore, a power supply circuit (eg, DC-DC converter) for lowering the module voltage to the rated voltage required for starting the slave controller must be provided in each slave controller.
  • the present invention enables wireless transmission of module information by starting with power supplied from a specific battery cell in the battery module without the addition of a power circuit that converts the module voltage of the battery module into a rated voltage required for starting the battery controller. It is an object to provide a battery controller, a wireless battery control system, and a battery pack.
  • a battery controller is for a battery module including a positive terminal, a negative terminal, and a plurality of battery cells electrically connected in series between the positive terminal and the negative terminal.
  • the battery controller includes: a voltage measuring unit configured to generate a voltage signal indicating a cell voltage of each of the plurality of battery cells; And a control module operably coupled to the voltage measuring unit.
  • the control module is configured to start by using a first cell voltage of a lowermost cell among the plurality of battery cells as operating power of the control module.
  • the control module is configured to wirelessly transmit sensing data indicating a cell voltage of each of the plurality of battery cells while the control module is activated.
  • the control module may include a power input terminal electrically connected to a positive terminal of the lowermost cell; And a reference terminal electrically connected to the negative terminal of the lowermost cell.
  • the battery controller may further include a protection circuit electrically connected between the positive terminal of the lowermost cell and the power input terminal.
  • the protection circuit may be configured to limit a voltage between the power input terminal and the reference terminal to a predetermined set voltage or less.
  • the protection circuit may include a Zener diode having a first end electrically connected to the positive terminal of the lowermost cell and a second end electrically connected to the power input terminal.
  • the battery controller may further include a balancing circuit electrically connected in parallel to a series cell circuit of a battery cell other than the lowermost cell among the plurality of battery cells.
  • the control module may be configured to determine a reference cell voltage based on a cell voltage of at least one battery cell included in the series cell circuit.
  • the control module may be configured to output a balancing control signal to the balancing circuit when the reference cell voltage is greater than the first cell voltage.
  • the balancing circuit is configured to form a discharge path for the series cell circuit in response to the balancing control signal.
  • the balancing circuit includes: a discharge resistor; And a discharge switch connected in series with the discharge resistor. The discharge switch is turned on in response to the balancing control signal.
  • the control module may be configured to determine a duty ratio of the balancing control signal based on a reference voltage difference, which is a voltage obtained by subtracting the first cell voltage from the reference cell voltage.
  • the control module may be configured to determine the duty ratio using Equation 1 below.
  • Equation 1 D B_V is the duty ratio, ⁇ V 1 is the reference voltage difference, and C 1 is a predetermined scaling factor.
  • the battery controller may further include a current sensor configured to generate a current signal representing a current flowing from the positive terminal of the lowermost cell to the power input terminal.
  • the control module may be configured to determine a duty ratio of the balancing control signal further based on the current signal.
  • the control module may be configured to determine, based on the current signal, a discharge capacity of the lowermost cell at every predetermined monitoring period.
  • the control module may be configured to determine the duty ratio using Equation 2 below.
  • Equation 2 D B_VI is the duty ratio, ⁇ V 1 is the reference voltage difference, C 1 is a predetermined first scaling factor, ⁇ Q is the discharge capacity, C 2 is a predetermined second scaling factor, and W 1 is a predetermined The first weight, W 2, is a second predetermined weight.
  • a wireless battery control system includes the battery controller.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention includes the wireless battery control system.
  • a battery balancing method for a plurality of battery cells connected in series between a positive terminal and a negative terminal of a battery module includes: measuring a cell voltage of each of the plurality of battery cells; Of the plurality of battery cells, a reference cell voltage is determined based on a cell voltage of at least one battery cell included in a series cell circuit of the remaining battery cells excluding a lowermost cell used as an operating power of the battery controller for the battery module.
  • the battery balancing method when the reference cell voltage is less than the threshold cell voltage, based on the difference between the threshold cell voltage and the reference cell voltage and the first duty ratio, a second duty ratio less than the first duty ratio is determined. Determining; And outputting the balancing control signal having the second duty ratio to the discharge switch.
  • a cell voltage of a specific battery cell (eg, a battery cell positioned at the bottom) may be used as the operating power of the battery controller. Accordingly, it is possible to start the battery controller without adding a power supply circuit that converts the module voltage into a rated voltage required for starting the battery controller.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of the master shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the configuration of a slave according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a configuration of a slave according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of balancing a plurality of battery cells included in a battery module using a slave according to the first embodiment of FIG. 3.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method for balancing a plurality of battery cells included in a battery module using a slave according to the second embodiment of FIG. 4.
  • control unit> described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software, or a combination of hardware and software.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a battery pack according to the present invention.
  • the battery pack 10 a plurality of battery modules (20 1 ⁇ 20 n , n is a natural number of 2 or more), at least one relay (Relay 1 , Relay 2 ), and a wireless battery control system 30 ).
  • the battery pack 10 is mounted on the power system 1 (eg, an electric vehicle) and can supply power required for operation of the power system.
  • Each of the battery modules 20 1 to 20 n may include battery cells 21 1 to 21 m (see FIG. 3 ).
  • the relay 1 may be installed in a high current path on the positive terminal P+ side of the battery pack 10.
  • the relay 2 may be installed in a high current path on the negative terminal P- side of the battery pack 10. Any one of the relay (Relay 1 ) and the relay (Relay 2 ) may be removed from the battery pack 10 as needed.
  • the wireless battery control system 30 includes a plurality of controllers 100 1 to 100 n and a controller 200.
  • each of the plurality of battery controllers 100 1 to 100 n will be referred to as a'slave', and the controller 200 will be referred to as a'master'.
  • the slaves 100 1 to 100 n are electrically connected to the battery modules 20 1 to 20 n on a one-to-one basis.
  • the slave 100 i is configured to measure a module parameter related to the state of the battery module 20 i . For example, measured as the module parameters of the battery module (20 i) module voltage, the battery module (20 i) the plurality of battery cells (21 1 ⁇ 21m), each of the cell voltage, and the battery module (20 i) that are included in the Can be.
  • the slave 100 i executes various functions (eg, balancing) for controlling the state of the battery module 20 i .
  • Each function may be executed directly by the slave 100 i based on the state of the battery module 20 i , or may be executed according to a command from the master 200.
  • the master 200 may be coupled to each of the slaves 100 1 to 100 n to enable wireless communication.
  • the master 200 receives sensing data transmitted wirelessly from the slaves 100 1 to 100 n .
  • the master 200 the slave on the basis of the sensing data from the (100 1 ⁇ 100 n)
  • the slave transmits a command for controlling the at least one of the following statuses (100 1 ⁇ 100 n) over the air.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of the master 200 shown in FIG. 1.
  • the master 200 may include a relay driving unit 210, a communication unit 220, a power supply unit 230, and a control unit 240.
  • the relay driving unit 210 is configured to control the relays (Relay 1 and Relay 2 ).
  • the relay driving unit 210 may include relay driving circuits 211 and 212.
  • the relay drive circuit 211 by outputting the first switching signal (S1) having a duty ratio corresponding to the first command from the controller 240 to relay (Relay 1), the turn-on or a relay (Relay 1) Turn off.
  • the relay drive circuit 212 by outputting a switching signal (S2) having a second duty ratio corresponding to the second command from the controller 240 to relay (Relay 2), turn-on or a relay (Relay 2) Turn off.
  • the communication unit 220 includes an antenna 221, a wireless communication circuit 222, and a wired communication circuit 223.
  • the wireless communication circuit 222 is operatively connected to each of the antenna 221 and the wired communication circuit 223.
  • the wireless communication circuit 222 may demodulate a signal wirelessly received through the antenna 221.
  • the wireless communication circuit 222 may modulate a signal to be transmitted to the slave 100 i and then wirelessly transmit the modulated signal through the antenna 222.
  • the antenna 221 may wirelessly transmit a signal corresponding to the signal modulated by the communication unit 220 to the slave 100 i .
  • the wired communication circuit 223 is coupled to enable bidirectional communication with the external device 2.
  • the wired communication circuit 223 transmits a signal received from the external device 2 to the control unit 240 by wire. Further, the wired communication circuit 223 transmits the signal received from the control unit 240 to the external device 2 by wire.
  • the wired communication circuit 223 may communicate with the external device 2 using a controller network area (CAN).
  • CAN controller network area
  • the power supply unit 230 generates an operating voltage by using power supplied from an external power source 3 (eg, a lead acid battery of the electric system 1).
  • the operating voltage generated by the power supply unit 230 may be supplied to the relay driving unit 210, the communication unit 220 and/or the control unit 240.
  • the control unit 240 includes at least one processor 241 and a memory 242 and is operatively connected to the communication unit 220.
  • the type of the memory 242 is not particularly limited as long as it is a known information storage means known to be capable of recording, erasing, updating, and reading data.
  • the memory 242 may be DRAM, SDRAM, flash memory, ROM, EEPROM, register, or the like.
  • the memory 242 may store program codes in which processes executable by the control module 120 are defined.
  • the ID table may be previously stored in the memory 242. In the ID table, a correspondence relationship between a plurality of slaves 100 1 to 100 n and a plurality of IDs may be recorded. That is, the ID table includes a plurality of IDs previously allocated to the plurality of slaves 100 1 to 100 n with different values.
  • the memory 242 may be physically separated from the control unit 240 or may be integrated with the control unit 240 on a semiconductor chip or the like.
  • the control unit 240 is configured to control the overall operation of the master 200.
  • the control unit 240 based on the module parameters of each of the slaves (100 1 ⁇ 100 n ) wirelessly received through the antenna 221, the battery module (20 1 ⁇ 20 n ) each SOC (State Of Charge) And/or SOH (State Of Health) can be determined.
  • the control unit 240 battery modules (20 1 ⁇ 20 n) on the basis of each of the SOC and / or SOH, the battery module (20 1 ⁇ 20 n) controlling at least one of charge, discharge and / or the balancing of Create a message to do.
  • the message generated by the controller 240 may be transmitted to a slave (eg, 100 i ) corresponding to the battery module (eg, 20 i ) to be controlled using the message.
  • the processor 241 may selectively include a processor known in the art, an application-specific integrated circuit (ASIC), another chipset, a logic circuit, a register, a communication modem, a data processing device, and the like to execute various control logics. . At least one or more of the various control logics of the processor 241 may be combined, and the combined control logics may be written in a computer-readable code system and stored in a computer-readable recording medium.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a configuration of a slave according to a first embodiment of the present invention.
  • the slave 100 i is electrically connected to the battery module 20 i .
  • the battery module 20 i includes a plurality of battery cells 21 1 to 21 m , where m is a natural number of 2 or more.
  • Each of the battery cells 21 1 to 21 m may be, for example, a lithium ion cell.
  • the type of battery cell is not limited to the lithium ion battery, and is not particularly limited as long as it can be repeatedly charged and discharged.
  • the battery cells 21 1 to 21 m are electrically connected in series between the node N N and the node N P.
  • the node N N may be a negative terminal of the battery module 20 i .
  • the node N P may be a positive terminal of the battery module 20 i .
  • Each of the battery cells 21 1 to 21 m may have a cell voltage in the range of 3.0 to 4.5V, for example.
  • the battery cell 21 x is electrically closer to the node N N than the battery cell 21 y and is located further away from the node N P. That is, the anode terminal (or an anode terminal) of the battery cells (21 x) and a node voltage between the (N N) is less than the voltage between the battery cells (21 y), the negative terminal (or an anode terminal) and a node (N N) of. Voltage between the anode terminal (or an anode terminal) of the battery cells (21 x) and a node (N P) is greater than the voltage between the battery cells (21 y), the negative terminal (or an anode terminal) of the node (N P).
  • the battery cell 21 1 may be referred to as a'lowest cell (or first battery cell)' of the battery module 20 i .
  • the battery cell 21 m may be referred to as a “topmost cell” of the battery module 20 i .
  • the slave 100 i includes an antenna 101, a voltage measuring unit 110 and a control module 120.
  • the slave 100 i may further include at least one of the protection circuit 150 and the balancing circuit 160.
  • the voltage measurement unit 110 is configured to measure a cell voltage of each of the battery cells 21 1 to 21 m included in the battery module 20 i . To this end, the voltage measurement unit 110 may be electrically connected to the positive terminal and the negative terminal of each of the battery cells 21 1 to 21 m through a plurality of sensing lines.
  • the voltage measuring unit 110 may measure the module voltage of the battery module 20 i .
  • the module voltage may be a voltage between the node N N and the node N P.
  • the control module 120 may be referred to as'RF-SoC' and includes a power input terminal VDD, a reference terminal GND, a wireless communication circuit 130 and a processor 140.
  • the power input terminal VDD is electrically connected to the positive terminal of the battery cell 21 1 , which is the lowest cell.
  • the reference terminal GND is electrically connected to the node N N.
  • the voltage between the power input terminal VDD and the reference terminal GND, that is, the cell voltage of the battery cell 21 1 is provided as operating power of the control module 120.
  • the protection circuit 150 may be electrically connected between the positive terminal of the battery cell 21 1 and the power input terminal VDD. That is, the protection circuit 150 may be electrically connected to an electric line connecting the positive terminal of the battery cell 21 1 and the power input terminal VDD.
  • the protection circuit 150 is configured to limit the maximum value of the voltage applied to the power input terminal VDD to a predetermined set voltage (eg, 3.6V). For example, when the cell voltage of the battery cell (21 1) not more than the set voltage, the cell voltage of the battery cell (21 1) can be applied as a power source input terminal (VDD) via a protection circuit 150. On the other hand, when the cell voltage of the battery cell 21 1 is greater than the set voltage, the set voltage may be applied to the power input terminal VDD through the protection circuit 150 instead of the cell voltage of the battery cell 21 1 . .
  • a predetermined set voltage eg, 3.6V
  • the protection circuit 150 may include a Zener diode including a first end and a second end.
  • the first end (eg, cathode) of the Zener diode may be electrically connected to the positive terminal of the battery cell 21 1
  • the second end (eg, anode) of the Zener diode may be electrically connected to the power input terminal (VDD).
  • the voltage between the power input terminal VDD and the reference terminal GND may be limited to a set voltage or less by a breakdown voltage (eg, 1.0) of the Zener diode.
  • the first end of the Zener diode may be electrically connected to the power input terminal VDD, and the second end of the Zener diode may be electrically connected to the reference terminal GND.
  • the breakdown voltage (eg, 3.6V) of the Zener diode may be less than or equal to the set voltage.
  • the wireless communication circuit 130 is electrically connected to the antenna 101.
  • the radio communication circuit 130 demodulates a radio signal received by the antenna 101.
  • the wireless communication circuit 130 may modulate a signal from the processor 140 and provide the modulated signal to the antenna 101.
  • the antenna 101 may wirelessly transmit the modulated signal to the master 200.
  • the processor 140 is operatively coupled to the voltage measurement unit 110 and the wireless communication circuit 130, and may include a memory 141.
  • the type of the memory 141 is not particularly limited as long as it is a known information storage means known to be capable of recording, erasing, updating, and reading data.
  • the memory 141 may be DRAM, SDRAM, flash memory, ROM, EEPROM, register, or the like.
  • the memory 141 may store program codes in which processes executable by the processor 140 are defined.
  • the memory 141 stores an ID previously allocated to the slave 100 i .
  • the ID previously stored in the memory 141 may be used by the slave 100 i to perform wireless communication with the master 200.
  • the memory 141 may be physically separated from the processor 140 or may be integrated with the processor 140 on a chip or the like.
  • the processor 140 provides data representing the voltage signal from the voltage measurement unit 110 to the wireless communication circuit 130.
  • the voltage signal represents a cell voltage of each of the battery cells 21 1 to 21 m measured by the voltage measuring unit 110.
  • the wireless communication circuit 130 may modulate the data representing the voltage signal and then wirelessly transmit the modulated data as the sensing data to the master 200 through the antenna 101.
  • the processor 140 may selectively include a processor known in the art, an application-specific integrated circuit (ASIC), another chipset, a logic circuit, a register, a communication modem, a data processing device, etc. to execute various control logics. . At least one or more of various control logics of the control module 120 may be combined, and the combined control logics may be written in a computer-readable code system and stored in a computer-readable recording medium. There is no particular limitation on the type of recording medium as long as it can be accessed by a processor included in the computer.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the battery module (20 i) because it is used as an operating power supply of the battery cell (21 1 ⁇ 21 m), only one battery cell (21 1) control module 120, a battery cell (21 1 ) And the remaining battery cells 21 2 to 21 m , there may be a large difference in SOC.
  • the balancing circuit 160 is electrically connected in parallel to the battery cells 21 2 to 21 m . That is, the balancing circuit 160, among the battery cells (21 1 ⁇ 21 m), and are electrically connected in parallel to the series circuit of the cells with the exception of the battery cell (21 1) the battery cell (21 2 ⁇ 21 m). For example, the first end of the balancing circuit 160 is electrically connected to the negative terminal of the battery cell 21 2 , and the first end of the balancing circuit 160 is electrically connected to the positive terminal of the battery cell 21 m . Can be connected to.
  • the balancing circuit 160 includes a discharge resistor R and a discharge switch SW.
  • the discharge resistor R and the discharge switch SW are electrically connected in series with each other. That is, the balancing circuit 160 is a series circuit of the discharge resistor R and the discharge switch SW.
  • the discharge switch SW may be controlled on and off by the balancing control signal S B from the processor 140.
  • a discharging switch (SW) is in a balancing control signal (S B) in response to having a predetermined high-level voltage, can be turned on.
  • the discharge switch SW may be turned off in response to the balancing control signal S B having a low level voltage.
  • the balancing control signal S B may be a pulse width modulation (PWM) signal. While the discharging switch (SW) is turned on and the battery cell (21 2 ⁇ 21 m) the electrical energy is being consumed by the discharge resistance (R), each of the battery cells (21 2 ⁇ 21 m) SOC gradually in Is lowered.
  • the processor 140 determines a reference cell voltage based on a cell voltage of at least one of the battery cells 21 2 to 21 m .
  • the reference cell voltage may be the same as the cell voltage of any one of the battery cells 21 2 to 21 m (eg, 21 2 ).
  • the reference cell voltage may be an average cell voltage of at least two battery cells among the battery cells 21 2 to 21 m .
  • the processor 140 controls the duty ratio of the balancing control signal S B based on the reference voltage difference that is the difference between the reference cell voltage and the cell voltage of the battery cell 21 1 .
  • Duty ratio the pulses for the time length of one period of the balance control signal (S B) represents the fraction of time with the ON- state (for example, the high-level voltage). For example, when one period is 0.01 seconds and the time to have the ON-state is 0.005 seconds, the duty ratio of the balancing control signal S B is 0.5 (or 50%). As the duty ratio of the balancing control signal S B increases, the battery cells 21 2 to 21 m are discharged more quickly.
  • the processor 140 may increase the duty ratio of the balancing control signal S B as the reference voltage difference increases.
  • the processor 140 may reduce the duty ratio of the balancing control signal S B as the reference voltage difference decreases.
  • the relationship between the reference voltage difference and the duty ratio of the balancing control signal S B may be expressed by Equation 1 below.
  • D B_V is the duty ratio of the balancing control signal S B
  • ⁇ V 1 is the reference voltage difference
  • C 1 is a predetermined scaling factor.
  • the reference voltage difference may be periodically determined every predetermined monitoring period (eg, 1.0 second) during operation of the control module 120.
  • the operation of determining the duty ratio of the balancing control signal S B based on the reference voltage difference may also be repeated every predetermined monitoring period.
  • the processor 140 while the amount of power consumed from the battery cell 21 1 by the control module 120 increases and the SOC of the battery cell 21 1 rapidly decreases, the balancing control signal S B By increasing the duty ratio of, it is possible to balance (suppress) the SOC deviation between the battery cells 21 2 to 21 m and the battery cells 21 1 .
  • the processor 140 may gradually reduce the duty ratio of the balancing control signal S B while the SOC of the battery cell 21 1 is slowly decreasing due to the low power consumption of the control module 120.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a configuration of a slave according to a second embodiment of the present invention.
  • the slave 100 according to the second embodiment repeated descriptions of the common points with the first embodiment (refer to FIG. 3) will be omitted, and the differences will be mainly described.
  • the slave 100 of the second embodiment further includes a current sensor 170 and controls the duty ratio of the balancing control signal S B based on the current measured by the current sensor 170. It is different from Example 1.
  • the current sensor 170 is installed in a power supply path between the battery cell 21 1 and the control module 120. That is, the current sensor 170 is an electric line connecting the positive terminal of the battery cell 21 1 and the power input terminal VDD or an electric line connecting the negative terminal of the battery cell 21 1 and the reference terminal GND. It can be located on the line. For example, the current sensor 170 may be located in a current path between the positive terminal of the battery cell 21 1 and the first end of the protection circuit 150.
  • the current sensor 170 measures a current flowing through a power supply path between the battery cell 21 1 and the control module 120, and generates a current signal representing the measured current.
  • the current sensor 170 may include a shunt resistor or a Hall effect sensor.
  • the processor 140 is operatively coupled to the current sensor 170.
  • Processor 140 based on a current signal from the current sensor 170, it is possible to control the duty ratio of the balance control signal (S B).
  • the processor 140 determines the discharge capacity of the battery cell 21 1 consumed as the operating power of the control module 120 every predetermined monitoring period (eg, 1.0 second) based on the current signal. .
  • the discharge capacity of a certain monitoring period may be an integrated value of the current measured every unit time (eg, 0.0001 seconds) by the current sensor 170 during the monitoring period.
  • the processor 140 may determine a duty ratio of the balancing control signal S B for the next monitoring period based on the discharge capacity of the most recent monitoring period. For example, the larger the discharge capacity at the last monitoring period, the duty ratio of the balance control signal (S B) for the next session monitoring period may be increased.
  • the relationship between the discharge capacity of the previous monitoring period and the duty ratio of the next monitoring period can be expressed by the following equation (2).
  • D B_I is the duty ratio of the balancing control signal S B in the next monitoring period
  • ?Q is the discharge capacity in the previous monitoring period
  • C 2 is a predetermined scaling factor
  • the processor 140 may determine the duty ratio of the next monitoring period based on the reference voltage difference and the discharge capacity of the previous monitoring period.
  • the relationship between the reference voltage difference, the previous discharge capacity, and the next duty ratio can be expressed by the following equation (3).
  • Equation 3 is a combination of Equation 1 and Equation 2.
  • D B_VI ( ⁇ V 1 ⁇ C 1 ) ⁇ W 1 + ( ⁇ Q ⁇ C 2 ) ⁇ W 2
  • ⁇ V 1 10mV
  • C 1 0.2 [%/mV]
  • C 2 0.03 [%/mAh]
  • W 1 0.5
  • W 2 0.5.
  • the processor 140 when the reference cell voltage is equal to or less than the cell voltage of the battery cell 21 1 (ie, the reference voltage difference ⁇ 0V), The duty ratio of the balancing control signal S B may be set to 0. While the duty ratio is 0, the discharge switch SW maintains the off state.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of balancing a plurality of battery cells included in a battery module using a slave according to the first embodiment of FIG. 3.
  • the method of FIG. 5 may be repeated every predetermined monitoring period while the control module 120 corresponding to the slave 100 i is started.
  • step S510 the processor 140, using the voltage measuring unit 110, a plurality of battery cells (21 1 ⁇ 21 m ) included in the battery module (20 i ), respectively Measure the cell voltage of.
  • step S520 the processor 140 determines a reference voltage difference.
  • the reference voltage difference is obtained by subtracting the first cell voltage of the first battery cell 21 1 from the reference cell voltage.
  • the reference cell voltage may be a cell voltage of any one (eg, 21 2 ) or an average cell voltage of two or more of the remaining battery cells 21 2 to 21 m excluding the battery cell 21 1 .
  • step S525 the processor 140 determines whether the reference voltage difference is greater than 0V. If the value of step S525 is "Yes”, step S530 proceeds. If the value of step S525 is "no”, the method may be terminated, and the duty ratio is set to zero.
  • step S530 the processor 140 determines a first duty ratio based on the reference voltage difference (see Equation 1).
  • step S540 the processor 140 determines whether the reference cell voltage is equal to or greater than a predetermined threshold cell voltage.
  • the threshold cell voltage may be a predetermined voltage (eg, 3.8V) corresponding to a predetermined SOC (eg, 20%). If the value of step S540 is “Yes”, it indicates that the second to mth battery cells 21 2 to 21 m are sufficiently charged. If the value of step S540 is "Yes”, step S550 proceeds. When the value of step S540 is "No", it indicates that at least one of the second to mth battery cells 21 2 to 21 m is in a state in which there is a risk of overdischarging. If the value of step S540 is "no", step S560 proceeds.
  • step S550 the processor 140 outputs a balancing control signal S B having a first duty ratio to the discharge switch SW.
  • step S560 the processor 140 determines a second duty ratio based on the first duty ratio and the difference between the threshold cell voltage and the reference cell voltage.
  • the second duty ratio is smaller than the first duty ratio.
  • the processor 140 may determine the second duty ratio using Equation 4 below.
  • D B_V_L D B_V /( ⁇ V 2 ⁇ C 3 )
  • D B_V is a first duty ratio
  • ⁇ V 2 is a difference between a threshold cell voltage and a reference cell voltage (ie, a threshold cell voltage-a reference cell voltage)
  • C 3 is a predetermined scaling factor
  • D B_V_L is a second Represents the duty ratio.
  • C 3 may be a value of a predetermined amount so that ( ⁇ V 2 ⁇ C 3 ) is greater than 1.
  • ADC Analog to Digital Converter
  • step S570 the processor 140 outputs a balancing control signal S B having a second duty ratio to the discharge switch SW.
  • the balancing control signal S B has the first duty ratio
  • the second to m-th battery cells 21 2 to 21 m may be protected from overdischarge.
  • steps S540, S560, and S570 may be omitted.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method for balancing a plurality of battery cells included in a battery module using a slave according to the second embodiment of FIG. 4. The method of FIG. 6 may be repeated every predetermined monitoring period while the control module 120 corresponding to the slave 100 i is started.
  • step S610 the processor 140, using the voltage measuring unit 110, a plurality of battery cells (21 1 ⁇ 21 m ) included in the battery module (20 i ), respectively Measure the cell voltage of.
  • step S620 the processor 140 determines a reference voltage difference.
  • the reference voltage difference is obtained by subtracting the first cell voltage of the first battery cell 21 1 from the reference cell voltage.
  • the reference cell voltage may be a cell voltage of any one (eg, 21 2 ) or an average cell voltage of two or more of the remaining battery cells 21 2 to 21 m excluding the battery cell 21 1 .
  • step S625 the processor 140 determines whether the reference voltage difference is greater than 0V. If the value of step S625 is "Yes”, step S630 proceeds. If the value of step S625 is "no", the method may be terminated, and the duty ratio is set to zero.
  • step S630 the processor 140 determines a third duty ratio based on the reference voltage difference and the previous discharge capacity (refer to Equation 3).
  • the discharge capacity of the previous time can represent the integrated value of the current flowing through the current sensor 170 over the previous monitoring period.
  • the discharge capacity of step S620 may be set to a predetermined initial value (eg, 0 mAh).
  • step S640 the processor 140 determines whether the reference cell voltage is equal to or greater than a predetermined threshold cell voltage.
  • the threshold cell voltage may be a predetermined voltage (eg, 3.8V) corresponding to a predetermined SOC (eg, 20%). If the value of step S640 is "Yes", it indicates that the second to mth battery cells 21 2 to 21 m are sufficiently charged. If the value of step S640 is "Yes”, step S650 proceeds.
  • a value of "No” in step S640 indicates that at least one of the second to mth battery cells 21 2 to 21 m is in a state in which there is a risk of overdischarging. If the value of step S640 is "No", step S660 proceeds.
  • step S650 the processor 140 outputs a balancing control signal S B having a third duty ratio to the discharge switch SW.
  • step S660 the processor 140 determines a fourth duty ratio based on the difference between the threshold cell voltage and the reference cell voltage and the third duty ratio.
  • the fourth duty ratio is smaller than the third duty ratio.
  • the processor 140 may determine the fourth duty ratio using Equation 5 below.
  • D B_VI_L D B_VI /( ⁇ V 2 ⁇ C 4 )
  • D B_VI denotes a third duty ratio
  • ⁇ V 2 denotes a difference between a threshold cell voltage and a reference cell voltage
  • C 4 denotes a predetermined scaling factor
  • D B_VI_L denotes a fourth duty ratio.
  • C 4 may be a value of a predetermined amount so that ( ⁇ V 2 ⁇ C 4 ) is greater than 1.
  • ADC Analog to Digital Converter
  • step S670 the processor 140 outputs a balancing control signal S B having a fourth duty ratio to the discharge switch SW.
  • the balancing control signal S B has the third duty ratio
  • the second to m-th battery cells 21 2 to 21 m may be protected from overdischarge.
  • steps S640, S660, and S670 may be omitted.
  • the embodiments of the present invention described above are not implemented only through a device, but may be implemented through a program that realizes a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium in which the program is recorded. From the description of the above-described embodiment, it can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs.

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Abstract

배터리 컨트롤러, 무선 배터리 제어 시스템, 배터리 팩 및 배터리 밸런싱 방법이 제공된다. 상기 배터리 컨트롤러는, 양극 단자, 음극 단자 및 상기 양극 단자와 음극 단자 사이에 전기적으로 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 위한 것이다. 상기 배터리 컨트롤러는, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하는 전압 측정부; 및 제어 모듈을 포함한다. 상기 제어 모듈은, 상기 복수의 배터리 셀 중 최하단 셀의 제1 셀 전압을 상기 제어 모듈의 동작 전원으로서 이용하여 기동 중, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 나타내는 센싱 데이터를 무선 전송한다.

Description

배터리 컨트롤러, 무선 배터리 제어 시스템, 배터리 팩 및 배터리 밸런싱 방법
본 발명은, 배터리 모듈의 제어 및 상기 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀을 밸런싱하는 기술에 관한 것이다.
본 출원은 2019년 05월 07일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2019-0053177호 및 2020년 05월 04일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2020-0053359호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 차량, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 통상적으로 서로 직렬로 접속된 복수의 배터리 모듈 및 복수의 배터리 컨트롤러를 포함한다. 각 배터리 컨트롤러는 자신이 관리하는 배터리 모듈의 상태를 모니터링 및 제어한다. 최근에는 대용량이면서 고출력의 배터리 팩이 요구됨에 따라, 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 개수 또한 증가하고 있다. 이러한 배터리 팩에 포함된 각 배터리 모듈의 상태를 효율적으로 관리하기 위해서, 싱글 마스터-멀티 슬레이브 구조가 개시되어 있다. 싱글 마스터-멀티 슬레이브 구조는, 복수의 배터리 모듈에 일대일로 대응하도록 제공되는 복수의 슬레이브 컨트롤러 및 상기 복수의 슬레이브 컨트롤러를 전반적으로 관제하는 마스터 컨트롤러를 포함한다. 마스터 컨트롤러가 무선 채널을 통해 복수의 슬레이브 컨트롤러와 통신하도록 구성됨으로써, 무선 배터리 제어 시스템이 제공될 수 있다.
각 슬레이브 컨트롤러는, '배터리 컨트롤러'라고도 칭할 수 있으며, 일반적으로, 자신에 대응하는 배터리 모듈의 양단 전압인 모듈 전압을 동작 전원으로서 이용한다. 그런데, 복수의 배터리 셀이 포함된 배터리 모듈의 모듈 전압(예, 12V)은, 해당 배터리 모듈에 대응하는 슬레이브 컨트롤러의 기동(활성화)에 요구되는 전압 범위(예, 1.8~3.6 V)의 상한값을 훨씬 넘어선다. 따라서, 모듈 전압을 슬레이브 컨트롤러의 기동에 요구되는 정격 전압으로 강하시키기 위한 전원 회로(예, DC-DC 컨버터)가 각 슬레이브 컨트롤러에 마련되어야 한다.
본 발명은, 배터리 모듈의 모듈 전압을 배터리 컨트롤러의 기동에 요구되는 정격 전압으로 변환하는 전원 회로의 추가 없이도, 배터리 모듈 내의 특정 배터리 셀로부터 공급되는 전력에 의해 기동함으로써, 모듈 정보를 무선 전송할 수 있는 배터리 컨트롤러, 무선 배터리 제어 시스템 및 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 컨트롤러는, 양극 단자, 음극 단자 및 상기 양극 단자와 음극 단자 사이에 전기적으로 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 위한 것이다. 상기 배터리 컨트롤러는, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부에 동작 가능하게 결합되는 제어 모듈을 포함한다. 상기 제어 모듈은, 상기 복수의 배터리 셀 중 최하단 셀의 제1 셀 전압을 상기 제어 모듈의 동작 전원으로서 이용하여, 기동하도록 구성된다. 상기 제어 모듈은, 상기 제어 모듈의 기동 중, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 나타내는 센싱 데이터를 무선 전송하도록 구성된다.
상기 제어 모듈은, 상기 최하단 셀의 양극 단자에 전기적으로 연결된 전원 입력 단자; 및 상기 최하단 셀의 음극 단자에 전기적으로 연결된 기준 단자를 포함한다.
상기 배터리 컨트롤러는, 상기 최하단 셀의 상기 양극 단자와 상기 전원 입력 단자의 사이에 전기적으로 연결되는 보호 회로를 더 포함할 수 있다. 상기 보호 회로는, 상기 전원 입력 단자과 상기 기준 단자 간의 전압을 소정의 설정 전압 이하로 제한하도록 구성될 수 있다.
상기 보호 회로는, 상기 최하단 셀의 상기 양극 단자에 전기적으로 연결되는 제1 엔드 및 상기 전원 입력 단자에 전기적으로 연결되는 제2 엔드를 가지는 제너 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 배터리 컨트롤러는, 상기 복수의 배터리 셀 중 상기 최하단 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 직렬 셀 회로에 전기적으로 병렬 연결되는 밸런싱 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 제어 모듈은, 상기 직렬 셀 회로에 포함된 적어도 하나의 배터리 셀의 셀 전압을 기초로, 기준 셀 전압을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어 모듈은, 상기 기준 셀 전압이 상기 제1 셀 전압보다 큰 경우, 상기 밸런싱 회로에게 밸런싱 제어 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 상기 밸런싱 회로는, 상기 밸런싱 제어 신호에 응답하여, 상기 직렬 셀 회로를 위한 방전 경로를 형성하도록 구성된다.
상기 밸런싱 회로는, 방전 저항; 및 상기 방전 저항에 직렬로 연결된 방전 스위치를 포함할 수 있다. 상기 방전 스위치는, 상기 밸런싱 제어 신호에 응답하여, 턴 온된다.
상기 제어 모듈은, 상기 기준 셀 전압으로부터 상기 제1 셀 전압이 차감된 전압인 기준 전압차를 기초로, 상기 밸런싱 제어 신호의 듀티비를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어 모듈은, 하기의 수학식 1을 이용하여 상기 듀티비를 결정하도록 구성될 수 있다.
[수학식 1] D B_V = ΔV 1 × C 1
수학식 1에서, D B_V는 상기 듀티비, ΔV 1는 상기 기준 전압차, C 1는 소정의 스케일링 팩터다.
상기 배터리 컨트롤러는, 상기 최하단 셀의 상기 양극 단자로부터 상기 전원 입력 단자로 흐르는 전류를 나타내는 전류 신호를 생성하도록 구성되는 전류 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 제어 모듈은, 상기 전류 신호를 더 기초로, 상기 밸런싱 제어 신호의 듀티비를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어 모듈은, 상기 전류 신호를 기초로, 소정의 감시 기간마다, 상기 최하단 셀의 방전 용량을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어 모듈은, 하기의 수학식 2를 이용하여 상기 듀티비를 결정하도록 구성될 수 있다.
[수학식 2] D B_VI = (ΔV 1 × C 1)×W 1 + (ΔQ × C 2)×W 2
수학식 2에서 D B_VI는 상기 듀티비, ΔV 1는 상기 기준 전압차, C 1는 소정의 제1 스케일링 팩터, ΔQ는 상기 방전 용량, C 2는 소정의 제2 스케일링 팩터, W 1은 소정의 제1 가중치, W 2는 소정의 제2 가중치이다.
본 발명의 다른 측면에 따른 무선 배터리 제어 시스템은, 상기 배터리 컨트롤러를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상기 무선 배터리 제어 시스템을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 모듈의 양극 단자와 음극 단자 간에 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 위한 배터리 밸런싱 방법은, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하는 단계; 상기 복수의 배터리 셀 중, 상기 배터리 모듈을 위한 배터리 컨트롤러의 동작 전원으로 이용되는 최하단 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 직렬 셀 회로에 포함된 적어도 하나의 배터리 셀의 셀 전압을 기초로, 기준 셀 전압을 결정하는 단계; 상기 기준 셀 전압이 상기 최하단 셀의 제1 셀 전압보다 큰 경우, 상기 기준 셀 전압으로부터 상기 제1 셀 전압이 차감된 전압인 기준 전압차를 기초로, 제1 듀티비를 결정하는 단계; 및 상기 직렬 셀 회로에 병렬 연결된 밸런싱 회로의 방전 스위치에게, 상기 제1 듀티비를 가지는 밸런싱 제어 신호를 출력하는 단계를 포함한다.
상기 배터리 밸런싱 방법은, 상기 기준 셀 전압이 임계 셀 전압 미만인 경우, 상기 임계 셀 전압과 상기 기준 셀 전압 간의 차이 및 상기 제1 듀티비를 기초로, 상기 제1 듀티비보다 작은 제2 듀티비를 결정하는 단계; 및 상기 방전 스위치에게, 상기 제2 듀티비를 가지는 상기 밸런싱 제어 신호를 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리 모듈의 모듈 전압 대신, 배터리 모듈에 포함된 특정 배터리 셀(예, 최하단에 위치하는 배터리 셀)의 셀 전압을 배터리 컨트롤러의 동작 전원으로 이용할 수 있다. 따라서, 모듈 전압을 배터리 컨트롤러의 기동에 요구되는 정격 전압으로 변환하는 전원 회로의 추가 없이도, 배터리 컨트롤러의 기동이 가능하다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 마스터의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3는 본 발명의 제1 실시예에 따른 슬레이브의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 슬레이브의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 도 3의 제1 실시예에 따른 슬레이브를 이용하여 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 6은 도 4의 제2 실시예에 따른 슬레이브를 이용하여 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
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 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(10)은, 복수의 배터리 모듈(20 1~20 n, n은 2 이상의 자연수임), 적어도 하나의 릴레이(Relay 1, Relay 2) 및 무선 배터리 제어 시스템(30)을 포함한다. 배터리 팩(10)은, 전력 시스템(1)(예, 전기 차량)에 탑재되어, 전력 시스템의 동작에 요구되는 전력을 공급할 수 있다.
배터리 모듈(20 1~20 n) 각각은, 배터리 셀(21 1~21 m, 도 3 참조)을 포함할 수 있다.
릴레이(Relay 1)는, 배터리 팩(10)의 양극 단자(P+) 측의 대전류 경로에 설치될 수 있다. 릴레이(Relay 2)는, 배터리 팩(10)의 음극 단자(P-) 측의 대전류 경로에 설치될 수 있다. 릴레이(Relay 1) 및 릴레이(Relay 2) 중 어느 하나는, 필요에 따라 배터리 팩(10)으로부터 제거될 수도 있다.
무선 배터리 제어 시스템(30)은, 복수의 컨트롤러(100 1~100 n) 및 컨트롤러(200)를 포함한다. 이하에서는, 복수의 배터리 컨트롤러(100 1~100 n) 각각을 '슬레이브'라고 칭하고, 컨트롤러(200)를 '마스터'라고 칭하기로 한다.
슬레이브(100 1~100 n)는, 배터리 모듈(20 1~20 n)에 일대일로 전기적으로 연결된다.
i=1~n이라고 할 때, 슬레이브(100 i)는, 배터리 모듈(20 i)의 상태를 모니터링할 수 있도록, 배터리 모듈(20 i)에 전기적으로 연결된다.
슬레이브(100 i)는, 배터리 모듈(20 i)의 상태와 관련된 모듈 파라미터를 측정하도록 구성된다. 예를 들어, 배터리 모듈(20 i)의 모듈 전압, 배터리 모듈(20 i)에 포함된 복수의 배터리 셀(21 1~21m) 각각의 셀 전압 등이 배터리 모듈(20 i)의 모듈 파라미터로서 측정될 수 있다.
슬레이브(100 i)는, 배터리 모듈(20 i)의 상태를 제어하기 위한 각종 기능(예, 밸런싱)을 실행한다. 각 기능은, 배터리 모듈(20 i)의 상태를 기초로 슬레이브(100 i)에 의해 직접 실행하는 것이거나, 또는 마스터(200)로부터의 명령에 따라 실행하는 것일 수 있다.
마스터(200)는, 슬레이브(100 1~100 n) 각각에 무선 통신 가능하게 결합될 수 있다. 마스터(200)는, 슬레이브(100 1~100 n)으로부터 무선으로 전송되는 센싱 데이터를 수신한다. 또한, 마스터(200)는, 슬레이브(100 1~100 n)로부터의 센싱 데이터를 기초로, 슬레이브(100 1~100 n) 중 적어도 하나의 상태를 제어하기 위한 명령을 무선으로 전송한다.
도 2는 도 1에 도시된 마스터(200)의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 마스터(200)는, 릴레이 구동부(210), 통신부(220), 전원 공급부(230) 및 제어부(240)를 포함할 수 있다.
릴레이 구동부(210)는, 릴레이(Relay 1, Relay 2)를 제어하도록 구성된다. 릴레이 구동부(210)는, 릴레이 구동 회로(211, 212)를 포함할 수 있다. 릴레이 구동 회로(211)는, 제어부(240)로부터의 제1 명령에 대응하는 제1 듀티비를 가지는 스위칭 신호(S1)를 릴레이(Relay 1)에게 출력함으로써, 릴레이(Relay 1)를 턴 온 또는 턴 오프한다. 릴레이 구동 회로(212)는, 제어부(240)로부터의 제2 명령에 대응하는 제2 듀티비를 가지는 스위칭 신호(S2)를 릴레이(Relay 2)에게 출력함으로써, 릴레이(Relay 2)를 턴 온 또는 턴 오프한다.
통신부(220)는, 안테나(221), 무선 통신 회로(222) 및 유선 통신 회로(223)를 포함한다. 무선 통신 회로(222)는, 안테나(221) 및 유선 통신 회로(223) 각각과 동작 가능하게 연결된다. 무선 통신 회로(222)는, 안테나(221)를 통해 무선 수신된 신호를 복조할 수 있다. 무선 통신 회로(222)는, 슬레이브(100 i)에게 전송하고자 하는 신호를 변조한 후, 변조된 신호를 안테나(222)를 통해 무선 전송할 수 있다. 안테나(221)는, 통신부(220)에 의해 변조된 신호에 대응하는 신호를 슬레이브(100 i)에게 무선 전송할 수 있다.
유선 통신 회로(223)는, 외부 디바이스(2)와 양방향 통신 가능하도록 결합된다. 유선 통신 회로(223)는, 외부 디바이스(2)로부터 수신된 신호를 제어부(240)에게 유선으로 전송한다. 또한, 유선 통신 회로(223)는, 제어부(240)로부터 수신된 신호를 외부 디바이스(2)에게 유선으로 전송한다. 예를 들어, 유선 통신 회로(223)는, CAN(controller network area)을 이용하여 외부 디바이스(2)와 통신할 수 있다.
전원 공급부(230)는, 외부 전력원(3)(예, 전기 시스템(1)의 납축 배터리)으로부터 공급되는 전력을 이용하여, 동작 전압을 생성한다. 전원 공급부(230)에 의해 생성된 동작 전압은, 릴레이 구동부(210), 통신부(220) 및/또는 제어부(240)에게 공급될 수 있다.
제어부(240)는, 적어도 하나의 프로세서(241) 및 메모리(242)를 포함하고, 통신부(220)에 동작 가능하게 연결된다. 메모리(242)는, 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 메모리(242)는 DRAM, SDRAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등일 수 있다. 메모리(242)는 제어 모듈(120)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다. 메모리(242)에는 아이디 테이블이 기 저장되어 있을 수 있다. 아이디 테이블에는, 복수의 슬레이브(100 1~100 n)와 복수의 아이디 간의 대응 관계가 기록되어 있을 수 있다. 즉, 아이디 테이블은, 복수의 슬레이브(100 1~100 n)에게 서로 다른 값으로 기 할당된 복수의 아이디를 포함한다.
메모리(242)는, 제어부(240)로부터 물리적으로 분리되어 있을 수도 있고, 반도체 칩 등에 제어부(240)와 일체로 집적화되어 있을 수도 있다.
제어부(240)는, 마스터(200)의 전반적인 동작을 제어하도록 구성된다. 또한, 제어부(240)는, 안테나(221)를 통해 무선 수신되는 슬레이브(100 1~100 n) 각각의 모듈 파라미터를 기초로, 배터리 모듈(20 1~20 n) 각각의 SOC(State Of Charge) 및/또는 SOH(State Of Health)를 결정할 수 있다. 또한, 제어부(240)는, 배터리 모듈(20 1~20 n) 각각의 SOC 및/또는 SOH를 기초로, 배터리 모듈(20 1~20 n) 중 적어도 하나의 충전, 방전 및/또는 밸런싱을 제어하기 위한 메시지를 생성한다. 제어부(240)에 의해 생성된 메시지는, 상기 메시지를 이용하여 제어하고자 하는 배터리 모듈(예, 20 i)에 대응하는 슬레이브(예, 100 i)에게 전송할 수 있다.
프로세서(241)는, 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 프로세서(241)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 슬레이브의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 슬레이브(100 i)는, 배터리 모듈(20 i)에 전기적으로 연결된다.
배터리 모듈(20 i)은, 복수의 배터리 셀(21 1~21 m, m은 2 이상의 자연수)을 포함한다. 배터리 셀(21 1~21 m) 각각은, 예컨대 리튬 이온 셀일 수 있다. 물론, 배터리 셀의 종류가 리튬 이온 배터리에 한정되는 것은 아니며, 반복적인 충방전이 가능한 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 배터리 셀(21 1~21 m)은, 노드(N N)와 노드(N P) 사이에 전기적으로 직렬 연결된다. 노드(N N)는, 배터리 모듈(20 i)의 음극 단자일 수 있다. 노드(N P)는, 배터리 모듈(20 i)의 양극 단자일 수 있다. 배터리 셀(21 1~21 m) 각각은, 예컨대 3.0~4.5V 범위의 셀 전압을 가질 수 있다.
1 ≤ x < y ≤ m라고 할 때, 배터리 셀(21 x)은 배터리 셀(21 y)보다 노드(N N)로부터는 전기적으로 가깝고 노드(N P)로부터는 전기적으로 멀리 위치한다. 즉, 배터리 셀(21 x)의 음극 단자(또는 양극 단자)와 노드(N N) 간의 전압은 배터리 셀(21 y)의 음극 단자(또는 양극 단자)와 노드(N N) 간의 전압보다 작다. 배터리 셀(21 x)의 음극 단자(또는 양극 단자)와 노드(N P) 간의 전압은 배터리 셀(21 y)의 음극 단자(또는 양극 단자)와 노드(N P) 간의 전압보다 크다. 배터리 셀(21 1)을 배터리 모듈(20 i)의 '최하단 셀(또는 제1 배터리 셀)'이라고 칭할 수 있다. 배터리 셀(21 m)은, 배터리 모듈(20 i)의 '최상단 셀'이라고 칭할 수 있다.
슬레이브(100 i)는, 안테나(101), 전압 측정부(110) 및 제어 모듈(120)을 포함한다. 슬레이브(100 i)는, 보호 회로(150) 및 밸런싱 회로(160) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
전압 측정부(110)는, 배터리 모듈(20 i)에 포함된 배터리 셀(21 1~21 m) 각각의 셀 전압을 측정하도록 구성된다. 이를 위해, 전압 측정부는(110)는, 복수의 센싱 라인을 통해 배터리 셀(21 1~21 m) 각각의 양극 단자와 음극 단자에 전기적으로 연결될 수 있다.
전압 측정부는(110), 배터리 모듈(20 i)의 모듈 전압을 측정할 수 있다. 상기 모듈 전압은, 노드(N N)와 노드(N P) 간의 전압일 수 있다.
제어 모듈(120)은, 'RF-SoC'라고 칭할 수도 있으며, 전원 입력 단자(VDD), 기준 단자(GND), 무선 통신 회로(130) 및 프로세서(140)를 포함한다.
전원 입력 단자(VDD)는, 최하단 셀인 배터리 셀(21 1)의 양극 단자에 전기적으로 연결된다.
기준 단자(GND)는, 노드(N N)에 전기적으로 연결된다. 전원 입력 단자(VDD)와 기준 단자(GND) 간의 전압 즉, 배터리 셀(21 1)의 셀 전압이 제어 모듈(120)의 동작 전원으로서 제공된다.
보호 회로(150)는, 배터리 셀(21 1)의 양극 단자와 전원 입력 단자(VDD)의 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 보호 회로(150)는, 배터리 셀(21 1)의 양극 단자와 전원 입력 단자(VDD)를 연결하는 전기 라인에 전기적으로 연결될 수 있다.
보호 회로(150)는, 전원 입력 단자(VDD)에 인가되는 전압의 최대치를 소정의 설정 전압(예, 3.6V)으로 제한하도록 구성된다. 예를 들어, 배터리 셀(21 1)의 셀 전압이 설정 전압 이하인 경우, 배터리 셀(21 1)의 셀 전압은 보호 회로(150)를 통해 전원 입력 단자(VDD)에 그대로 인가될 수 있다. 반면, 배터리 셀(21 1)의 셀 전압이 설정 전압보다 큰 경우, 배터리 셀(21 1)의 셀 전압 대신, 설정 전압이 보호 회로(150)를 통해 전원 입력 단자(VDD)에 인가될 수 있다.
보호 회로(150)는, 제1 엔드 및 제2 엔드를 포함하는 제너 다이오드를 포함할 수 있다. 제너 다이오드의 제1 엔드(예, 캐소드)는 배터리 셀(21 1)의 양극 단자에 전기적으로 연결되고, 제너 다이오드의 제2 엔드(예, 애노드)는 전원 입력 단자(VDD)에 전기적으로 연결될 수 있다. 전원 입력 단자(VDD)와 기준 단자(GND) 간의 전압은 제너 다이오드의 항복 전압(예, 1.0)에 의해 설정 전압 이하로 제한될 수 있다.
대안적으로, 제너 다이오드의 제1 엔드는 전원 입력 단자(VDD)에 전기적으로 연결되고, 제너 다이오드의 제2 엔드는 기준 단자(GND)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 제너 다이오드의 항복 전압(예, 3.6V)은, 설정 전압 이하일 수 있다.
무선 통신 회로(130)는, 안테나(101)에 전기적으로 연결된다. 무선 통신 회로(130)는, 안테나(101)에 의해 수신된 무선 신호를 복조한다. 무선 통신 회로(130)는, 프로세서(140)로부터의 신호를 변조하고, 변조된 신호를 안테나(101)에게 제공할 수 있다. 안테나(101)는, 변조된 신호를 마스터(200)에게 무선 전송할 수 있다.
프로세서(140)는, 전압 측정부(110) 및 무선 통신 회로(130)에 동작 가능하게 결합되고, 메모리(141)를 포함할 수 있다.
메모리(141)는, 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 메모리(141)는, DRAM, SDRAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등일 수 있다. 메모리(141)는, 프로세서(140)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다. 메모리(141)에는 슬레이브(100 i)에게 기 할당된 아이디가 저장되어 있다. 메모리(141)에 기 저장된 아이디는, 슬레이브(100 i)가 마스터(200)와의 무선 통신을 수행하는 데에 이용될 수 있다. 메모리(141)는 프로세서(140)와 물리적으로 분리되어 있을 수도 있고, 칩 등에 프로세서(140)와 일체로 집적화되어 있을 수도 있다.
프로세서(140)는, 전압 측정부(110)로부터의 전압 신호를 나타내는 데이터를 무선 통신 회로(130)에게 제공한다. 상기 전압 신호는, 전압 측정부(110)에 의해 측정된 배터리 셀(21 1~21 m) 각각의 셀 전압을 나타내는 것이다. 무선 통신 회로(130)는, 상기 전압 신호를 나타내는 데이터를 변조한 다음, 변조된 데이터를 상기 센싱 데이터로서 안테나(101)를 통해 마스터(200)에게 무선 전송할 수 있다.
프로세서(140)는, 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 제어 모듈(120)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
앞서 설명된 바와 같이, 배터리 모듈(20 i)에 있어서, 배터리 셀(21 1~21 m) 중 배터리 셀(21 1)만이 제어 모듈(120)의 동작 전원으로서 이용되기 때문에, 배터리 셀(21 1)과 나머지 배터리 셀(21 2~21 m)은, SOC에 있어서 큰 차이가 발생할 수 있다. 밸런싱 회로(160)는, 배터리 셀(21 2~21 m)과 배터리 셀(21 1) 간의 SOC 밸런싱을 위해, 배터리 셀(21 1)이 제외된 배터리 셀(21 2~21 m)을 위한 방전 경로를 선택적으로 형성하도록 구성된다.
밸런싱 회로(160)는, 배터리 셀(21 2~21 m)에 전기적으로 병렬 연결된다. 즉, 밸런싱 회로(160)는, 배터리 셀(21 1~21 m) 중에서, 배터리 셀(21 1)을 제외한 나머지 배터리 셀(21 2~21 m)의 직렬 셀 회로에 전기적으로 병렬 연결된다. 예를 들어, 밸런싱 회로(160)의 제1 엔드는 배터리 셀(21 2)의 음극 단자에 전기적으로 연결되고, 밸런싱 회로(160)의 제1 엔드는 배터리 셀(21 m)의 양극 단자에 전기적으로 연결될 수 있다.
밸런싱 회로(160)는, 방전 저항(R) 및 방전 스위치(SW)를 포함한다. 방전 저항(R) 및 방전 스위치(SW)는 서로 전기적으로 직렬 연결된다. 즉, 밸런싱 회로(160)는, 방전 저항(R) 및 방전 스위치(SW)의 직렬 회로이다.
방전 스위치(SW)는, 프로세서(140)로부터의 밸런싱 제어 신호(S B)에 의해 온오프 제어될 수 있다. 예를 들어, 방전 스위치(SW)는, 밸런싱 제어 신호(S B)가 소정의 하이 레벨 전압을 가지는 것에 응답하여, 턴 온될 수 있다. 반면, 방전 스위치(SW)는, 밸런싱 제어 신호(S B)가 로우 레벨 전압을 가지는 것에 응답하여, 턴 오프될 수 있다. 밸런싱 제어 신호(S B)는, PWM(Pulse Width Modulation) 신호일 수 있다. 방전 스위치(SW)가 턴 온되어 있는 동안, 배터리 셀(21 2~21 m)의 전기 에너지가 방전 저항(R)에 의해 소모됨으로써, 배터리 셀(21 2~21 m) 각각의 SOC가 점차적으로 저하된다.
프로세서(140)는, 배터리 셀(21 2~21 m) 중 적어도 하나의 셀 전압을 기초로, 기준 셀 전압을 결정한다. 일 예로, 기준 셀 전압은, 배터리 셀(21 2~21 m) 중 어느 한 배터리 셀(예, 21 2)의 셀 전압과 동일할 수 있다. 다른 예로, 기준 셀 전압은, 배터리 셀(21 2~21 m) 중 적어도 두 배터리 셀의 평균 셀 전압일 수 있다.
그 다음, 프로세서(140)는, 기준 셀 전압과 배터리 셀(21 1)의 셀 전압 간의 차이인 기준 전압차를 기초로, 밸런싱 제어 신호(S B)의 듀티비를 제어한다. 듀티비는, 밸런싱 제어 신호(S B)의 한 주기의 시간 길이에 대한 펄스가 ON-상태(예, 상기 하이 레벨 전압)를 가지는 시간의 비율을 나타낸다. 예를 들어, 한 주기가 0.01초이고, ON-상태를 가지는 시간이 0.005초인 경우, 밸런싱 제어 신호(S B)의 듀티비는 0.5(또는 50%)이다. 밸런싱 제어 신호(S B)의 듀티비가 커질수록 배터리 셀(21 2~21 m)의 방전이 신속하게 진행된다.
프로세서(140)는, 기준 전압차가 클수록, 밸런싱 제어 신호(S B)의 듀티비를 증가시킬 수 있다. 프로세서(140)는, 기준 셀 전압이 배터리 셀(21 1)의 셀 전압보다 큰 경우, 기준 전압차가 작을수록, 밸런싱 제어 신호(S B)의 듀티비를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 기준 전압차와 밸런싱 제어 신호(S B)의 듀티비 간의 관계는 다음의 수학식 1로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
D B_V = ΔV 1 × C 1
D B_V는 밸런싱 제어 신호(S B)의 듀티비이고, ΔV 1는 기준 전압차, C 1는 소정의 스케일링 팩터를 나타낸다. 기준 전압차는, 제어 모듈(120)의 동작 중, 소정의 감시 기간(예, 1.0초)마다 주기적으로 결정될 수 있다. 또한, 기준 전압차에 기초하여 밸런싱 제어 신호(S B)의 듀티비를 결정하는 동작 역시 소정의 감시 기간마다 반복될 수 있다.
이에 따르면, 프로세서(140)는, 제어 모듈(120)에 의해 배터리 셀(21 1)로부터 소모되는 전력량이 증가하여 배터리 셀(21 1)의 SOC가 빠르게 감소하는 동안에는, 밸런싱 제어 신호(S B)의 듀티비를 증가시킴으로써, 배터리 셀(21 2~21 m)와 배터리 셀(21 1) 간의 SOC 편차를 밸런싱(억제)할 수 있다. 반면, 프로세서(140)는, 제어 모듈(120)의 전력 소모가 낮아서 배터리 셀(21 1)의 SOC가 느리게 감소하는 동안에는, 밸런싱 제어 신호(S B)의 듀티비를 점차적으로 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 슬레이브의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 제2 실시예에 따른 슬레이브(100)에 대하여는, 제1 실시예(도 3 참조)와의 공통점에 대한 반복 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
제2 실시예의 슬레이브(100)는, 전류 센서(170)를 더 포함하고, 전류 센서(170)에 의해 측정되는 전류를 기초로 밸런싱 제어 신호(S B)의 듀티비를 제어한다는 점에서, 제1 실시예와 다르다.
도 4를 참조하면, 전류 센서(170)는, 배터리 셀(21 1)과 제어 모듈(120) 사이의 전력 공급 경로에 설치된다. 즉, 전류 센서(170)는, 배터리 셀(21 1)의 양극 단자와 전원 입력 단자(VDD)를 연결하는 전기 라인 또는 배터리 셀(21 1)의 음극 단자와 기준 단자(GND)를 연결하는 전기 라인에 위치할 수 있다. 예를 들어, 전류 센서(170)는, 배터리 셀(21 1)의 양극 단자와 보호 회로(150)의 제1 엔드 간의 전류 경로에 위치할 수 있다.
전류 센서(170)는, 배터리 셀(21 1)과 제어 모듈(120) 사이의 전력 공급 경로를 통해 흐르는 전류를 측정하고, 측정된 전류를 나타내는 전류 신호를 생성한다. 전류 센서(170)는, 션트 저항 또는 홀 효과 센서를 포함할 수 있다.
프로세서(140)는, 전류 센서(170)에 동작 가능하게 결합된다. 프로세서(140)는, 전류 센서(170)로부터의 전류 신호를 기초로, 밸런싱 제어 신호(S B)의 듀티비를 제어할 수 있다.
구체적으로, 프로세서(140)는, 전류 신호를 기초로, 소정의 감시 기간(예, 1.0초)마다, 제어 모듈(120)의 동작 전원으로서 소모된 배터리 셀(21 1)의 방전 용량을 결정한다. 어느 감시 기간의 방전 용량은, 해당 감시 기간 동안, 전류 센서(170)에 의해 단위 시간(예, 0.0001초)마다 측정된 전류의 적산치일 수 있다. 프로세서(140)은, 가장 최근의 감시 기간의 방전 용량을 기초로, 다음 감시 기간을 위한 밸런싱 제어 신호(S B)의 듀티비를 결정할 수 있다. 예를 들어, 전회의 감시 기간의 방전 용량이 클수록, 다음 회의 감시 기간을 위한 밸런싱 제어 신호(S B)의 듀티비는 증가할 수 있다. 전회의 감시 기간의 방전 용량과 다음 회의 감시 기간의 듀티비 간의 관계는 다음의 수학식 2으로 표현될 수 있다.
[수학식 2]
D B_I = ΔQ × C 2
수학식 2에서, D B_I는 다음 회의 감시 기간의 밸런싱 제어 신호(S B)의 듀티비이고, ΔQ는 전회의 감시 기간의 방전 용량, C 2는 소정의 스케일링 팩터를 나타낸다.
가령 C 2=0.03%/mAh라고 해보자. 그러면, 수학식 2에 따르면, 제1 감시 기간의 ΔQ=100mAh인 경우에는, 제1 감시 기간 다음의 제2 감시 기간 동안에는 듀티비가 3.0%로 유지된다. 또한, 제2 감시 기간의 ΔQ=90mAh인 경우에는, 제2 감시 기간 다음의 제3 감시 기간 동안에는 듀티비가 2.7%로 유지된다. 또한, 제3 감시 기간의 ΔQ=120mAh인 경우에는, 제3 감시 기간 다음의 제4 감시 기간 동안에는 듀티비가 3.6%로 유지된다.
대안적으로, 프로세서(140)는, 기준 전압차와 전회의 감시 기간의 방전 용량을 기초로, 다음 회의 감시 기간의 듀티비를 결정할 수 있다. 기준 전압차, 전회의 방전 용량 및 다음 회의 듀티비 간의 관계는 다음의 수학식 3으로 표현될 수 있다. 수학식 3은, 수학식 1과 수학식 2를 조합한 것이다.
[수학식 3]
D B_VI = (ΔV 1 × C 1)×W 1 + (ΔQ × C 2)×W 2
W 1과 W 2는 서로 동일 또는 상이한 양의 값을 가지는 소정의 가중치이다. 예컨대, W 2=1-W 1일 수 있다. 가령, ΔV 1=10mV, C 1=0.2 [%/mV], C 2=0.03 [%/mAh], W 1=0.5, W 2=0.5라고 해보자. 수학식 3에 따르면, ΔQ=100mAh인 경우에는 다음 감시 기간 동안 듀티비가 2.5%로 유지되고, ΔQ=200mAh인 경우에는 다음 감시 기간 동안 듀티비가 4.0%로 유지될 수 있다.
제1 실시예 및 제2 실시예 중 적어도 하나에서, 프로세서(140)는, 기준 셀 전압이 배터리 셀(21 1)의 셀 전압과 같거나 더 작은 경우(즉, 기준 전압차≤0V)에는, 밸런싱 제어 신호(S B)의 듀티비를 0으로 설정할 수 있다. 듀티비가 0인 동안, 방전 스위치(SW)는 오프 상태를 유지한다.
도 5는 도 3의 제1 실시예에 따른 슬레이브를 이용하여 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 5의 방법은, 슬레이브(100 i)에 대응하는 제어 모듈(120)이 기동하는 동안 소정의 감시 기간마다 반복될 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 단계 S510에서, 프로세서(140)는, 전압 측정부(110)를 이용하여, 배터리 모듈(20 i)에 포함된 복수의 배터리 셀(21 1~21 m) 각각의 셀 전압을 측정한다.
단계 S520에서, 프로세서(140)는, 기준 전압차를 결정한다. 기준 전압차는, 기준 셀 전압으로부터 제1 배터리 셀(21 1)의 제1 셀 전압을 차감한 것이다. 기준 셀 전압은, 배터리 셀(21 1)을 제외한 나머지 배터리 셀(21 2~21 m) 중, 어느 하나(예, 21 2)의 셀 전압 또는 둘 이상의 평균 셀 전압일 수 있다.
단계 S525에서, 프로세서(140)는, 기준 전압차가 0V보다 큰지 판정한다. 단계 S525의 값이 "예"인 경우, 단계 S530이 진행된다. 단계 S525의 값이 "아니오"인 경우, 상기 방법은 종료될 수 있으며, 듀티비는 0으로 설정된다.
단계 S530에서, 프로세서(140)는, 기준 전압차를 기초로, 제1 듀티비를 결정한다(수학식 1 참조).
단계 S540에서, 프로세서(140)는, 기준 셀 전압이 소정의 임계 셀 전압 이상인지 여부를 판정한다. 임계 셀 전압은, 소정의 SOC(예, 20%)에 대응하는 소정의 전압(예, 3.8V)일 수 있다. 단계 S540의 값이 "예"인 것은, 제2 내지 제m 배터리 셀(21 2~21 m)이 충분히 충전되어 있는 상태임을 나타낸다. 단계 S540의 값이 "예"인 경우, 단계 S550이 진행된다. 단계 S540의 값이 "아니오"인 것은, 제2 내지 제m 배터리 셀(21 2~21 m) 중 적어도 하나가 과방전될 우려가 있는 상태임을 나타낸다. 단계 S540의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S560이 진행된다.
단계 S550에서, 프로세서(140)는, 제1 듀티비를 가지는 밸런싱 제어 신호(S B)를 방전 스위치(SW)에게 출력한다.
단계 S560에서, 프로세서(140)는, 임계 셀 전압과 기준 셀 전압 간의 차이 및 제1 듀티비를 기초로, 제2 듀티비를 결정한다. 제2 듀티비는, 제1 듀티비보다 작다. 프로세서(140)는, 다음의 수학식 4를 이용하여, 제2 듀티비를 결정할 수 있다.
[수학식 4]
D B_V_L = D B_V /(ΔV 2 ×C 3)
수학식 4에서, D B_V는 제1 듀티비, ΔV 2는 임계 셀 전압과 기준 셀 전압 간의 차이(즉, 임계 셀 전압 - 기준 셀 전압), C 3는 소정의 스케일링 팩터, D B_V_L는 제2 듀티비를 나타낸다. C 3는, (ΔV 2 ×C 3)가 1보다 크도록, 미리 정해진 양의 값일 수 있다. 예컨대, 셀 전압 측정을 위해 전압 측정부(110) 또는 프로세서(140)에 내장된 ADC(Analog to Digital Converter)의 전압 분해능(voltage resolution)이 1/4096 V인 경우, C 3는 4096 [1/V] 이상으로 미리 정해질 수 있다. 수학식 4로부터, ΔV 2와 D B_V_L는 반비례 관계를 가짐을 알 수 있다.
단계 S570에서, 프로세서(140)는, 제2 듀티비를 가지는 밸런싱 제어 신호(S B)를 방전 스위치(SW)에게 출력한다. 이 경우, 밸런싱 제어 신호(S B)가 제1 듀티비를 가지는 경우에 비하여, 제2 내지 제m 배터리 셀(21 2~21 m)을 과방전으로부터 보호할 수 있다.
도 5의 방법에 있어서, 단계 S540, S560 및 S570은 생략될 수 있다.
도 6은 도 4의 제2 실시예에 따른 슬레이브를 이용하여 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀을 밸런싱하기 위한 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 6의 방법은, 슬레이브(100 i)에 대응하는 제어 모듈(120)이 기동하는 동안 소정의 감시 기간마다 반복될 수 있다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 단계 S610에서, 프로세서(140)는, 전압 측정부(110)를 이용하여, 배터리 모듈(20 i)에 포함된 복수의 배터리 셀(21 1~21 m) 각각의 셀 전압을 측정한다.
단계 S620에서, 프로세서(140)는, 기준 전압차를 결정한다. 기준 전압차는, 기준 셀 전압으로부터 제1 배터리 셀(21 1)의 제1 셀 전압을 차감한 것이다. 기준 셀 전압은, 배터리 셀(21 1)을 제외한 나머지 배터리 셀(21 2~21 m) 중, 어느 하나(예, 21 2)의 셀 전압 또는 둘 이상의 평균 셀 전압일 수 있다.
단계 S625에서, 프로세서(140)는, 기준 전압차가 0V보다 큰지 판정한다. 단계 S625의 값이 "예"인 경우, 단계 S630이 진행된다. 단계 S625의 값이 "아니오"인 경우, 상기 방법은 종료될 수 있으며, 듀티비는 0으로 설정된다.
단계 S630에서, 프로세서(140)는, 기준 전압차 및 전회의 방전 용량을 기초로, 제3 듀티비를 결정한다(수학식 3 참조). 전회의 방전 용량은, 전회의 감시 기간에 걸쳐 전류 센서(170)를 통해 흐른 전류의 적산치를 나타낼 수 있다. 제어 모듈(120)의 기동이 시작된 시점으로부터 감시 기간이 1회 경과되기 전인 경우에는, 단계 S620의 방전 용량을 소정의 초기값(예, 0 mAh)으로 설정할 수 있다.
단계 S640에서, 프로세서(140)는, 기준 셀 전압이 소정의 임계 셀 전압 이상인지 여부를 판정한다. 임계 셀 전압은, 소정의 SOC(예, 20%)에 대응하는 소정의 전압(예, 3.8V)일 수 있다. 단계 S640의 값이 "예"인 것은, 제2 내지 제m 배터리 셀(21 2~21 m)이 충분히 충전되어 있는 상태임을 나타낸다. 단계 S640의 값이 "예"인 경우, 단계 S650이 진행된다. 단계 S640의 값이 "아니오"인 것은, 제2 내지 제m 배터리 셀(21 2~21 m) 중 적어도 하나가 과방전될 우려가 있는 상태임을 나타낸다. 단계 S640의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S660이 진행된다.
단계 S650에서, 프로세서(140)는, 제3 듀티비를 가지는 밸런싱 제어 신호(S B)를 방전 스위치(SW)에게 출력한다.
단계 S660에서, 프로세서(140)는, 임계 셀 전압과 기준 셀 전압 간의 차이 및 제3 듀티비를 기초로, 제4 듀티비를 결정한다. 제4 듀티비는, 제3 듀티비보다 작다. 프로세서(140)는, 다음의 수학식 5를 이용하여, 제4 듀티비를 결정할 수 있다.
[수학식 5]
D B_VI_L = D B_VI /(ΔV 2 ×C 4)
수학식 5에서, D B_VI는 제3 듀티비, ΔV 2는 임계 셀 전압과 기준 셀 전압 간의 차이, C 4는 소정의 스케일링 팩터, D B_VI_L는 제4 듀티비를 나타낸다. C 4는, (ΔV 2 ×C 4)가 1보다 크도록, 미리 정해진 양의 값일 수 있다. 예컨대, 셀 전압 측정을 위해 전압 측정부(110) 또는 프로세서(140)에 내장된 ADC(Analog to Digital Converter)의 전압 분해능(voltage resolution)이 1/4096 V인 경우, C 4는 4096 [1/V] 이상으로 미리 정해질 수 있다. 수학식 5로부터, ΔV 2와 D B_VI_L는 반비례 관계를 가짐을 알 수 있다.
단계 S670에서, 프로세서(140)는, 제4 듀티비를 가지는 밸런싱 제어 신호(S B)를 방전 스위치(SW)에게 출력한다. 이 경우, 밸런싱 제어 신호(S B)가 제3 듀티비를 가지는 경우에 비하여, 제2 내지 제m 배터리 셀(21 2~21 m)을 과방전으로부터 보호할 수 있다.
도 6의 방법에 있어서, 단계 S640, S660 및 S670은 생략될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치를 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.

Claims (15)

  1. 양극 단자, 음극 단자 및 상기 양극 단자와 음극 단자 사이에 전기적으로 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 위한 배터리 컨트롤러에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 측정부; 및
    상기 전압 측정부에 동작 가능하게 결합되는 제어 모듈을 포함하고,
    상기 제어 모듈은,
    상기 복수의 배터리 셀 중 최하단 셀의 제1 셀 전압을 상기 제어 모듈의 동작 전원으로서 이용하여, 기동하도록 구성되고,
    상기 제어 모듈의 기동 중, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 나타내는 센싱 데이터를 무선 전송하도록 구성되는 배터리 컨트롤러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 최하단 셀의 양극 단자에 전기적으로 연결된 전원 입력 단자; 및
    상기 최하단 셀의 음극 단자에 전기적으로 연결된 기준 단자를 포함하는 배터리 컨트롤러.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 최하단 셀의 상기 양극 단자와 상기 전원 입력 단자의 사이에 전기적으로 연결되는 보호 회로를 더 포함하되,
    상기 보호 회로는,
    상기 전원 입력 단자과 상기 기준 단자 간의 전압을 소정의 설정 전압 이하로 제한하도록 구성되는 배터리 컨트롤러.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보호 회로는,
    상기 최하단 셀의 상기 양극 단자에 전기적으로 연결되는 제1 엔드 및 상기 전원 입력 단자에 전기적으로 연결되는 제2 엔드를 가지는 제너 다이오드를 포함하는 배터리 컨트롤러.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 중 상기 최하단 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 직렬 셀 회로에 전기적으로 병렬 연결되는 밸런싱 회로를 더 포함하는 배터리 컨트롤러.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 직렬 셀 회로에 포함된 적어도 하나의 배터리 셀의 셀 전압을 기초로, 기준 셀 전압을 결정하고,
    상기 기준 셀 전압이 상기 제1 셀 전압보다 큰 경우, 상기 밸런싱 회로에게 밸런싱 제어 신호를 출력하도록 구성되고,
    상기 밸런싱 회로는,
    상기 밸런싱 제어 신호에 응답하여, 상기 직렬 셀 회로를 위한 방전 경로를 형성하도록 구성되는 배터리 컨트롤러.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 밸런싱 회로는,
    방전 저항; 및
    상기 방전 저항에 직렬로 연결된 방전 스위치를 포함하고,
    상기 방전 스위치는,
    상기 밸런싱 제어 신호에 응답하여, 턴 온되는 배터리 컨트롤러.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 기준 셀 전압으로부터 상기 제1 셀 전압이 차감된 전압인 기준 전압차를 기초로, 상기 밸런싱 제어 신호의 듀티비를 결정하도록 구성되는 배터리 컨트롤러.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    하기의 수학식 1을 이용하여 상기 듀티비를 결정하도록 구성되되,
    [수학식 1]
    D B_V = ΔV 1 × C 1
    D B_V는 상기 듀티비, ΔV 1는 상기 기준 전압차, C 1는 소정의 스케일링 팩터인 배터리 컨트롤러.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 최하단 셀의 상기 양극 단자로부터 상기 전원 입력 단자로 흐르는 전류를 나타내는 전류 신호를 생성하도록 구성되는 전류 센서를 더 포함하고,
    상기 제어 모듈은,
    상기 전류 신호를 더 기초로, 상기 밸런싱 제어 신호의 듀티비를 결정하도록 구성되는 배터리 컨트롤러.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 전류 신호를 기초로, 소정의 감시 기간마다, 상기 최하단 셀의 방전 용량을 결정하도록 구성되고,
    하기의 수학식 2를 이용하여 상기 듀티비를 결정하도록 구성되되,
    [수학식 2]
    D B_VI = (ΔV 1 × C 1)×W 1 + (ΔQ × C 2)×W 2
    D B_VI는 상기 듀티비, ΔV 1는 상기 기준 전압차, C 1는 소정의 제1 스케일링 팩터, ΔQ는 상기 방전 용량, C 2는 소정의 제2 스케일링 팩터, W 1은 소정의 제1 가중치, W 2는 소정의 제2 가중치인 배터리 컨트롤러.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 컨트롤러를 포함하는 무선 배터리 제어 시스템.
  13. 제12항에 따른 상기 무선 배터리 제어 시스템을 포함하는 배터리 팩.
  14. 배터리 모듈의 양극 단자와 음극 단자 간에 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 위한 배터리 밸런싱 방법에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하는 단계;
    상기 복수의 배터리 셀 중, 상기 배터리 모듈을 위한 배터리 컨트롤러의 동작 전원으로 이용되는 최하단 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 직렬 셀 회로에 포함된 적어도 하나의 배터리 셀의 셀 전압을 기초로, 기준 셀 전압을 결정하는 단계;
    상기 기준 셀 전압이 상기 최하단 셀의 제1 셀 전압보다 큰 경우, 상기 기준 셀 전압으로부터 상기 제1 셀 전압이 차감된 전압인 기준 전압차를 기초로, 제1 듀티비를 결정하는 단계; 및
    상기 직렬 셀 회로에 병렬 연결된 밸런싱 회로의 방전 스위치에게, 상기 제1 듀티비를 가지는 밸런싱 제어 신호를 출력하는 단계를 포함하는 배터리 밸런싱 방법.
  15. 제14에 있어서,
    상기 기준 셀 전압이 임계 셀 전압 미만인 경우, 상기 임계 셀 전압과 상기 기준 셀 전압 간의 차이 및 상기 제1 듀티비를 기초로, 상기 제1 듀티비보다 작은 제2 듀티비를 결정하는 단계; 및
    상기 방전 스위치에게, 상기 제2 듀티비를 가지는 상기 밸런싱 제어 신호를 출력하는 단계를 더 포함하는 배터리 밸런싱 방법.
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