WO2021020764A1 - 배터리 온도 제어 장치, 배터리 시스템, 에너지 저장 시스템 및 배터리 온도 제어 방법 - Google Patents

배터리 온도 제어 장치, 배터리 시스템, 에너지 저장 시스템 및 배터리 온도 제어 방법 Download PDF

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temperature
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임보미
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주식회사 엘지화학
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    • G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a technology for controlling the temperature of a battery.
  • the battery system may be provided to store power supplied from the outside and supply the stored power to the outside in an emergency.
  • a battery system basically includes a plurality of battery modules and a controller for controlling each battery module.
  • Temperature deviation between a plurality of battery modules may occur due to internal and external environments of the battery system or repeated charging and discharging. Since the temperature of the battery module has a great influence on the performance of the battery module (eg, charging/discharging efficiency), cooling is essential so that the temperature of the battery module falls within an appropriate range.
  • the inventors of the present invention confirmed several distinct correlations through experiments on a plurality of battery modules within the same battery group.
  • cooling of each battery module is generally performed based on only the temperature of the corresponding battery module. That is, when performing cooling control for each battery module, temperatures of other battery modules are not considered. In addition, the health state and the state of charge of each of the plurality of battery modules are not considered for temperature control.
  • cooling the corresponding battery module based only on the temperature of each battery module, there is a problem that a temperature deviation between a plurality of battery modules in the same battery group cannot be properly suppressed, and as a result, the plurality of battery modules are degraded unevenly.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus and method for controlling a cooling level (eg, a supply amount of a cooling medium) for each battery module based on temperatures of at least two or more of a plurality of battery modules belonging to the same battery group. .
  • a cooling level eg, a supply amount of a cooling medium
  • an object of the present invention is to provide an apparatus and method for performing individual cooling for each battery module, further based on a state of charge and/or a health state of each battery module belonging to the same battery group.
  • an object of the present invention is to provide an apparatus and method for supplying power required for cooling of each battery module to the remaining battery modules instead of supplying only to the corresponding battery module.
  • a battery temperature control apparatus is for a battery group including first to nth battery modules connected in series.
  • n is a natural number of 2 or more.
  • the battery temperature control device may include: first to nth cooling fans provided to the first to nth battery modules on a one-to-one basis; First to nth slave management units provided to the first to nth battery modules on a one-to-one basis; And a master management unit operatively coupled to the first to nth cooling fans and the first to nth slave management units.
  • the master management unit is configured to determine battery temperature information including first to nth temperature values and a first reference value, based on notification signals from each of the first to nth slave management units.
  • the first to nth temperature values represent temperatures of the first to nth battery modules.
  • the first reference value is an average or median value of the first to nth temperature values.
  • the master management unit is configured to control the rotation speed of each of the first to n-th cooling fans based on the battery temperature information.
  • T i is the i-th temperature value
  • T L is the critical temperature value
  • T ref is the first reference value
  • K 1 is the first weight
  • K 2 is the second weight
  • F i is the second weight. i This is the rotation speed of the cooling fan.
  • the master management unit may be configured to determine battery life information including first to nth health states and a second reference value based on the notification signal.
  • the first to nth health states represent the remaining life of the first to nth battery modules.
  • the second reference value is an average or median value of the first to nth health states.
  • the master management unit may be further configured to determine a rotation speed of each of the first to nth cooling fans based on the battery life information.
  • T i is the i-th temperature value
  • T L is the critical temperature value
  • T ref is the first reference value
  • SOH i is the i-th health state
  • SOH ref is the second reference value
  • K 3 is The third weight
  • K 4 is the fourth weight
  • K 5 is the fifth weight
  • F i is the rotation speed of the ith cooling fan.
  • the master management unit may be configured to determine battery capacity information including first to nth charge states and a third reference value based on the notification signal.
  • the first to nth charge states represent the remaining capacity of the first to nth battery modules.
  • the third reference value is an average or median value of the first to nth charging states.
  • the master management unit may be further configured to determine a rotation speed of each of the first to nth cooling fans based on the battery capacity information.
  • T i is the i-th temperature value
  • T ref is the first reference value
  • T L is the critical temperature value
  • SOH i is the i-th health state
  • SOH ref is the second reference value
  • SOC i is I-th state of charge
  • SOC ref is the third reference value
  • K 6 is the sixth weight
  • K 7 is the seventh weight
  • K 8 is the eighth weight
  • K 9 is the ninth weight
  • F i is the i-th cooling fan. Is the rotational speed.
  • the battery temperature control device may further include a power supply circuit.
  • the power supply circuit includes: a main series circuit connected in parallel to the battery group; And first to nth sub-series circuits connected in parallel one-to-one to the first to nth cooling fans.
  • the main series circuit includes a main coil and a main switch connected in series with each other.
  • Each of the sub-series circuits includes sub-coils and sub-switches connected in series with each other.
  • the master management unit may be configured to control the main switch and each sub switch based on the rotation speed of each of the first to nth cooling fans.
  • a battery system includes the battery temperature control device.
  • An energy storage system includes the battery system.
  • a battery temperature control method is for a battery group including first to nth battery modules connected in series.
  • n is a natural number of 2 or more.
  • the battery temperature control method includes determining battery temperature information including first to nth temperature values and a first reference value.
  • the first to nth temperature values represent temperatures of the first to nth battery modules.
  • the first reference value is an average or median value of the first to nth temperature values.
  • the battery temperature control method further includes controlling a rotation speed of each of the first to nth cooling fans based on the battery temperature information.
  • the battery temperature control method may further include determining battery life information including first to nth health states and a second reference value.
  • the first to nth health states represent the remaining life of the first to nth battery modules.
  • the second reference value is an average or median value of the first to nth health states.
  • the rotation speed of each of the first to nth cooling fans may be further determined based on the battery life information.
  • the battery temperature control method may further include determining battery capacity information including first to nth charge states and a third reference value.
  • the first to nth charge states represent the remaining capacity of the first to nth battery modules.
  • the third reference value is an average or median value of the first to nth charging states.
  • the rotation speed of each of the first to nth cooling fans may be further determined based on the battery capacity information.
  • the cooling level for each battery module based on the temperature of at least two or more of a plurality of battery modules belonging to the same battery group, the temperature difference between the plurality of battery modules is effectively reduced. Can be suppressed.
  • power required for cooling of each battery module is supplied from other battery modules instead of only from the corresponding battery module, thereby more effectively reducing the life deviation between the plurality of battery modules. Can be suppressed.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an exemplary configuration of a battery system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the slave of FIG. 1 by way of example.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an exemplary configuration of the master of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating an exemplary method for controlling the temperature of a battery group.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating another method for controlling the temperature of a battery group by way of example.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating another method for controlling the temperature of the battery group as an example.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an exemplary configuration of a battery system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method for controlling the power supply circuit of FIG. 7 by way of example.
  • ⁇ management unit> described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.
  • n used as a reference sign is a natural number of 2 or more
  • i used as a reference sign is a natural number of 1 to n, that is, n or less.
  • FIG. 1 is a diagram exemplarily showing a configuration of a battery system 10 according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram exemplarily illustrating a configuration of a slave 220_i of FIG. 1
  • FIG. 3 is 1 is a diagram showing an exemplary configuration of the master 230 of FIG.
  • the battery system 10 may be included in the energy storage system 1.
  • the energy storage system 1 may further include a power conversion system (PCS), which is not shown.
  • PCS power conversion system
  • the PCS can convert DC power from the battery system 10 into AC power and supply it to the electric system.
  • the battery system 10 includes a battery group 20, a current sensor 50, a relay 100, and a battery temperature control device 200 (hereinafter may be referred to as a'device'). Include.
  • the battery group 20 includes a first node (N+), a second node (N-), and first to nth battery modules 30_1 to 30_n.
  • the first to nth battery modules 30_1 to 30_n are electrically connected in series between the first node N+ and the second node N-.
  • the battery module 30_i includes at least one battery cell.
  • the type of the battery cell is not particularly limited as long as it is capable of repetitive charging and discharging, such as a lithium ion cell.
  • the current sensor 50 is electrically connected in series to the battery group 20 through a current path for charging and discharging the battery group 20.
  • the current sensor 50 is configured to detect a current flowing through a current path and to output a current signal representing the detected current to the device 100.
  • the relay 100 is installed in a current path for charging and discharging the battery group 20. That is, the battery group 20, the current sensor 50, and the relay 100 are connected in series through a current path.
  • the control terminal of the relay 100 is electrically connected to the device 200.
  • the relay 100 is controlled on and off in response to a switching signal from the device 200 output to the control terminal.
  • the apparatus 200 includes first to nth cooling fans so that the first to nth battery modules 30_1 to 30_n are not overheated and the deterioration of the first to nth battery modules 30_1 to 30_n is uniform. It is provided to individually control the temperature of the first to nth battery modules 30_1 to 30_n using (210_1 to 210_n).
  • the device 200 includes first to nth cooling fans 210_1 to 210_n, first to nth slave management units 220_1 to 220_n, and a master management unit 230.
  • the current sensor 50 may be included in the device 200.
  • the slave management unit will be referred to as “slave” and the master management unit will be referred to as “master”.
  • the first to nth cooling fans 210_1 to 210_n are provided to the first to nth battery modules 30_1 to 30_n on a one-to-one basis.
  • the cooling fan 210_i is for cooling the battery module 30_i. That is, while the cooling fan 210_i is rotating, the battery module 30_i is cooled by a cooling medium (eg, air) transmitted from the cooling fan 210_i.
  • the cooling fan 210_i is configured to rotate at the rotational speed required by the control signal C_i in response to the control signal C_i from the slave 220_i or the master 230.
  • the cooling fan 210_i may be electrically connected to the positive terminal and the negative terminal of the battery module 30_i through a pair of power supply lines. Accordingly, when the control signal C_i is applied to the cooling fan 210_i, the cooling fan 210_i may be driven by using power supplied from the battery module 30_i.
  • the first to nth slaves 220_1 to 220_n are provided to the first to nth battery modules 30_1 to 30_n on a one-to-one basis.
  • the slave 220_i is coupled to the battery module 30_i to monitor the state of the battery module 30_i. At least one of voltage, current, and temperature of the battery module 30_i, which is a parameter indicating the state of the battery module 30_i, is periodically or aperiodically detected by the slave 220_i.
  • the slave 220_i includes a sensing circuit 221, a control circuit 222, and a communication circuit 223.
  • the sensing circuit 221 includes a temperature sensor TS.
  • the sensing circuit 221 may further include a voltage sensor VS.
  • the temperature sensor TS is configured to detect the temperature of the battery module 30_i and output a signal representing the detected temperature to the control circuit 222.
  • the voltage sensor VS is electrically connected to the positive terminal and the negative terminal of the battery module 30_i.
  • the voltage sensor VS is configured to detect a voltage across both ends of the battery module 30_i and output a signal representing the detected voltage to the control circuit 222.
  • the control circuit 222 includes hardware, application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), digital signal processing devices (DSPDs), programmable logic devices (PLDs), field programmable gate arrays (FPGAs), and microcontrollers. It may be implemented using at least one of a processor (microprocessors) and an electrical unit for performing other functions.
  • the control circuit 222 may include a memory 224. In the memory 224, programs and various data necessary for executing steps to be described later may be stored.
  • the memory 224 is, for example, a flash memory type, a hard disk type, a solid state disk type, an SDD type, a multimedia card micro type. micro type), random access memory (RAM), static random access memory (SRAM), read-only memory (ROM), electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), programmable read-only memory (PROM) It may include at least one type of storage medium.
  • the control circuit 222 generates a notification signal R_i indicating the state of the battery module 30_i based on the signals from the sensing circuit 221.
  • the communication circuit 223 is provided for communication with the master 230.
  • the communication circuit 223 transmits the notification signal R_i from the control circuit 222 to the master 230.
  • the communication circuit 223 may transmit commands (eg, wake-up, sleep, shutdown, battery cooling) from the master 230 to the control circuit 222.
  • the communication circuit 223 may provide a wired network such as a local area network (LAN), a controller area network (CAN), and a daisy chain, and/or a wireless network such as Bluetooth, ZigBee, and Wi-Fi.
  • the master 230 is operatively coupled to the current sensor 50, the relay 100, the first to nth cooling fans 210_1 to 210_n, and the first to nth slaves 220_1 to 220_n.
  • the master 230 includes a control circuit 231 and a communication circuit 232.
  • the control circuit 231 is, in hardware, ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays), micro It may be implemented using at least one of a processor (microprocessors) and an electrical unit for performing other functions.
  • the control circuit 231 may include a memory 233.
  • the memory 233 may store programs and various data necessary for executing steps to be described later.
  • the memory 233 is, for example, a flash memory type, a hard disk type, a solid state disk type, an SDD type, and a multimedia card micro type. micro type), random access memory (RAM), static random access memory (SRAM), read-only memory (ROM), electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), programmable read-only memory (PROM) It may include at least one type of storage medium.
  • the communication circuit 232 is provided for communication with the first to nth slaves 220_1 to 220_n.
  • the communication circuit 232 transmits the information indicated by the notification signals R_1 to R_n from the first to nth slaves 220_1 to 220_n to the control circuit 231.
  • the communication circuit 232 transmits commands from the control circuit 231 to the first to nth slaves 220_1 to 220_n.
  • the communication circuit 232 may provide a wired network such as a local area network (LAN), a controller area network (CAN), and a daisy chain, and/or a wireless network such as Bluetooth, ZigBee, and Wi-Fi.
  • the control circuit 231 determines battery temperature information based on the notification signals R_1 to R_n from the first to nth slaves 220_1 to 220_n.
  • the control circuit 231 is based on the current signal from the current sensor 50 and the notification signals R_1 to R_n from the first to nth slaves 220_1 to 220_n, battery life information and/or battery capacity information You can decide more.
  • the battery temperature information includes first to nth temperature values and a first reference value.
  • the ith temperature value represents the temperature of the ith battery module 30_i.
  • the first reference value represents a representative value (eg, average, median) of the first to nth temperature values.
  • the battery life information includes first to nth health states and a second reference value.
  • the ith health state represents the remaining life of the ith battery module 30_i.
  • the second reference value represents a representative value (eg, average, median) of the first to nth health states.
  • the ith health state may be determined from the following equation.
  • Q ref is a predetermined reference capacity
  • SOC(t 1 ) is the state of charge of the i-th battery module 30_i at time t 1
  • SOC(t 2 ) is the first at time t 2 after time t 1 .
  • the state of charge of the battery module 30_i, i(t) is the current detected at the time t between the time t 1 and the time t 2
  • SOH i represents the ith health state.
  • Q ref may be previously stored in the memory 233 and indicates the maximum capacity of the battery module 30_i when the battery module 30_i is new (BOL: Beginning Of Life).
  • the time point t 2 may be the most recent time point in which an absolute value of a difference between SOC(t 1 ) and SOC(t 2 ) is equal to or greater than a threshold value (eg, 0.5).
  • the battery capacity information includes first to nth charge states and a third reference value.
  • the ith state of charge represents the remaining capacity of the ith battery module 30_i.
  • the third reference value represents a representative value (eg, average, median) of the first to nth state of charge.
  • the ith state of charge can be determined from various known SOC estimation algorithms. For example, the ith state of charge may be determined from a predetermined OCV-SOC curve by using an open-circuit-voltage (OCV) of the ith battery module 30_i as an index. As another example, the i-th state of charge may be determined based on an accumulated current value obtained by accumulating the current of the i-th battery module 30_i over time using amperage counting. As another example, the ith state of charge may be determined from voltage history, current history, and temperature history of the battery module 30_i using a Kalman filter.
  • OCV open-circuit-voltage
  • the control circuit 231 generates the switching signal for controlling the on-off state of the relay 100 based on at least one of battery temperature information, battery life information, and battery capacity information.
  • the control circuit 231 is based on at least one of battery temperature information, battery life information, and battery capacity information, based on the first to nth control for controlling the rotation speed of the first to nth cooling fans 210_1 to 210_n Generates signals C_1 to C_n.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating an exemplary method for controlling the temperature of the battery group 20 of FIG. 1.
  • step S410 the master 230 transmits the first to n-th notification signals R_1 to R_n from the first to n-th slaves 220_1 to 220_n to the master 230.
  • the first to nth notification signals R_1 to R_n may represent states of the first to nth battery modules 30_1 to 30_n at the same time point. That is, the ith notification signal R_i is transmitted by the ith slave 220_i and indicates the state of the ith battery module 30_i.
  • step S420 the master 230 determines battery temperature information based on the first to nth notification signals R_1 to R_n.
  • the battery temperature information includes first to nth temperature values and a first reference value.
  • step S430 the master 230 determines the first to nth rotation speeds for the first to nth cooling fans 210_1 to 210_n based on the battery temperature information.
  • the control circuit 231 may determine the i-th rotation speed associated with the i-th cooling fan 210_i using Equation 1 below.
  • the control circuit 231 may determine the i-th rotation speed associated with the i-th cooling fan 210_i using Equation 2 below.
  • T i is the i-th temperature value
  • T L is the critical temperature value
  • T ref is the first reference value
  • K 1 is the first weight
  • K 2 is the second weight
  • F i Denotes an ith rotation speed associated with the ith cooling fan 210_i.
  • the critical temperature value T L represents a predetermined lower limit temperature (eg, 5° C.) for preventing overcooling.
  • K 1 and K 2 may be a predetermined positive number.
  • K 1 and K 2 may be obtained from the first data table and the second data table, respectively, using the first reference value of the battery temperature information as an index.
  • the first data table defines a correspondence relationship between T ref and K 1 .
  • a relatively large T ref is associated with a relatively large K 1 .
  • the second data table defines a correspondence relationship between T ref and K 2 .
  • a relatively large T ref is associated with a relatively large K 2 .
  • the control circuit 231 may set K 2 equal to K 1 from the first data table, instead of using the second data table.
  • control circuit 231 sets the rotational speed associated with the i-th cooling fan 210_i to a first value when the i-th temperature value is less than or equal to the first reference value, whereas the i-th cooling fan 210_i is otherwise
  • the rotation speed associated with may be set as the second value.
  • the second value eg, 10 times/sec
  • the first value eg, 7 times/sec
  • step S440 the master 230 outputs the first to nth control signals C_1 to C_n to the first to nth cooling fans 210_1 to 210_n. That is, the i-th control signal C_i is output to the i-th cooling fan 210_i.
  • the i-th control signal C_i is a signal for instructing the i-th cooling fan 210_i to rotate at the i-th rotation speed.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating another method for controlling the temperature of the battery group 20 of FIG. 1 by way of example.
  • the master 230 receives the first to n-th notification signals R_1 to R_n from the first to nth slaves 220_1 to 220_n ( 230) in the memory 233.
  • the first to nth notification signals R_1 to R_n may represent states of the first to nth battery modules 30_1 to 30_n at the same time point. That is, the ith notification signal R_i is transmitted by the ith slave 220_i and indicates the state of the ith battery module 30_i.
  • the master 230 determines battery temperature information and battery life information based on the first to nth notification signals R_1 to R_n.
  • the battery temperature information includes first to nth temperature values and a first reference value.
  • the battery life information includes first to nth health states and a second reference value.
  • step S530 the master 230 determines the first to nth rotation speeds for the first to nth cooling fans 210_1 to 210_n based on the battery temperature information and the battery life information.
  • the control circuit 231 rotates the i-th associated with the i-th cooling fan 210_i using Equation 1 above. You can decide the speed.
  • the control circuit 231 determines the i-th rotation speed associated with the i-th cooling fan 210_i using Equation 2 when the i-th temperature value is greater than or equal to the first reference value and the i-th health state is greater than or equal to the second reference value. I can.
  • the i-th cooling fan 210_i is associated with the i-th cooling fan 210_i using Equation 3 below. You can determine the speed of rotation.
  • the control circuit 231 uses Equation 4 below to determine the i-th rotation speed associated with the i-th cooling fan 210_i. You can decide.
  • T i is the i-th temperature value
  • T L is the critical temperature value
  • T ref is the first reference value
  • SOH i is the i health state
  • SOH ref is the second reference value
  • K 3 is the third weight.
  • K 4 denotes a fourth weight
  • K 5 denotes a fifth weight
  • F i denotes an i th rotation speed associated with the i th cooling fan 210_i.
  • Each of K 3 , K 4 and K 5 may be a predetermined positive number.
  • K 3 and K 4 may be obtained from the third data table and the fourth data table, respectively, using the first reference value of the battery temperature information as an index.
  • the third data table defines the correspondence relationship between T ref and K 3 .
  • a relatively large T ref is associated with a relatively large K 3 .
  • the fourth data table defines a correspondence relationship between T ref and K 4 .
  • a relatively large T ref is associated with a relatively large K 4 .
  • the first data table may be used as a third data table. That is, K 3 may be the same as K 1 .
  • the second data table may be used as a fourth data table. That is, K 4 may be the same as K 2 .
  • K 5 may be obtained from the fifth data table by using the second reference value of the battery life information as an index.
  • the fifth data table defines the correspondence relationship between SOH ref and K 5 .
  • a relatively small SOH ref is associated with a relatively large K 5 .
  • step S540 the master 230 outputs the first to nth control signals C_1 to C_n to the first to nth cooling fans 210_1 to 210_n. That is, the i-th control signal C_i is output to the i-th cooling fan 210_i.
  • the i-th control signal C_i is a signal for instructing the cooling fan 210_i to rotate at the i-th rotation speed.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating another method for controlling the temperature of the battery group 20 by way of example.
  • the master 230 transmits the first to n-th notification signals R_1 to R_n from the first to n-th slaves 220_1 to 220_n to the memory 233 of the master 230.
  • the first to nth notification signals R_1 to R_n may represent states of the first to nth battery modules 30_1 to 30_n at the same time point. That is, the ith notification signal R_i is transmitted by the ith slave 220_i and indicates the state of the ith battery module 30_i.
  • the master 230 determines battery temperature information, battery life information, and battery capacity information based on the first to nth notification signals R_1 to R_n.
  • the battery temperature information includes first to nth temperature values and a first reference value.
  • the battery life information includes first to nth health states and a second reference value.
  • the battery capacity information includes first to nth charge states and a third reference value.
  • step S630 the master 230 determines the first to nth rotation speeds for the first to nth cooling fans 210_1 to 210_n based on the battery temperature information, battery life information, and battery capacity information.
  • the control circuit 231 uses Equation 1 when the i-th temperature value is less than or equal to the first reference value and the i-th health state is greater than or equal to the second reference value, regardless of whether the battery group 20 is charging or discharging.
  • the ith rotation speed associated with the ith cooling fan 210_i may be determined.
  • the control circuit 231 determines the i-th rotation speed associated with the i-th cooling fan 210_i using Equation 2 when the i-th temperature value is greater than or equal to the first reference value and the i-th health state is greater than or equal to the second reference value. I can.
  • the i-th cooling fan 210_i is associated with the i-th cooling fan 210_i by using Equation 5 below. You can determine the speed of rotation.
  • the ith rotation speed associated with (210_i) may be determined.
  • Equation 5 and Equation 6 take into account the characteristic that the falling speed of the state of charge of the battery module 30_i being discharged is slowed because the internal resistance of the battery module 30_i increases as the battery module 30_i deteriorates.
  • the control circuit 231 i can determine the rotation speed.
  • the ith rotation speed associated with (210_i) may be determined.
  • Equation 7 and Equation 8 take into account the characteristic that the rising speed of the charging state of the battery module 30_i being charged decreases due to an increase in the internal resistance of the battery module 30_i as the battery module 30_i deteriorates.
  • T i is the i-th temperature value
  • T L is the critical temperature value
  • T ref is the first reference value
  • SOH i is the i-th health state
  • SOH ref is the second reference value
  • SOC i is the i-th state of charge
  • SOC ref is the third reference value
  • K 6 is the sixth weight
  • K 7 is the seventh weight
  • K 8 is the eighth weight
  • K 9 is the ninth weight
  • F i is the rotation speed associated with the ith cooling fan 210_i Represents.
  • the control circuit 231 may determine the i-th rotation speed associated with the i-th cooling fan 210_i using any one of Equations 5 to 8. For example, the control circuit 231 determines the i-th rotation speed using Equation 5 or Equation 6 during discharge of the battery group 20, and Equation 7 or Equation 8 during charging of the battery group 20. Thus, the ith rotation speed can be determined.
  • K 6 , K 7 , K 8 and K 9 may be a predetermined positive number.
  • K 6 and K 7 may be obtained from the sixth data table and the seventh data table, respectively, using the first reference value of the battery temperature information as an index.
  • the sixth data table defines the correspondence relationship between T ref and K 6 .
  • a relatively large T ref is associated with a relatively large K 6 .
  • the seventh data table defines the correspondence relationship between T ref and K 7 .
  • a relatively large T ref is associated with a relatively large K 7 .
  • the first data table may be used as a sixth data table. That is, K 6 may be the same as K 1 .
  • the second data table may be used as a seventh data table. That is, K 7 may be the same as K 2 .
  • K 8 may be obtained from the eighth data table by using the second reference value of the battery life information as an index.
  • the eighth data table defines the correspondence relationship between SOH ref and K 8 .
  • a relatively small SOH ref is associated with a relatively large K 8 .
  • the fifth data table may be used as an eighth data table. That is, K 8 may be the same as K 5 .
  • K 9 may be obtained from the ninth data table by using the third reference value of the battery capacity information as an index.
  • the ninth data table defines the correspondence relationship between SOC ref and K 9 .
  • a relatively large SOC ref is associated with a relatively large K 9 .
  • step S640 the master 230 outputs the first to nth control signals C_1 to C_n to the first to nth cooling fans 210_1 to 210_n. That is, the i-th control signal C_i is output to the i-th cooling fan 210_i.
  • the i-th control signal C_i is a signal for instructing the i-th cooling fan 210_i to rotate at the i-th rotation speed.
  • the predetermined upper limit may be the maximum rotation speed of the i-th cooling fan 210_i.
  • the i-th rotation speed associated with the i-th cooling fan 210_i is determined based on the temperature, health and/or state of charge of the i-th battery module 30_i in a range between a predetermined upper limit and a predetermined lower limit. I can.
  • Each of the methods of FIGS. 4 to 6 may be repeatedly executed periodically or aperiodically.
  • FIG. 7 is a diagram showing an exemplary configuration of a battery system 10 according to a second embodiment of the present invention.
  • a description of the common points with the first embodiment (refer to FIGS. 1 to 3) will be omitted, and the differences will be mainly described.
  • the device 200 provides n pairs of power supply paths between the first to nth cooling fans 210_1 to 210_n and the first to nth battery modules 30_1 to 30_n. It differs from the first embodiment in that it further includes a power supply circuit 300 for replacing the power supply line.
  • the power supply circuit 300 is for supplying power required for the operation of the first to nth cooling fans 210_1 to 210_n, and the main series circuit 310 and the first to nth And sub-series circuits 320_1 to 320_n.
  • the main series circuit 310 is electrically connected in parallel to the battery group 20 through a first node (N+) and a second node (N-).
  • the main series circuit 310 includes a main coil 311 and a main switch 312 connected in series with each other.
  • a field effect transistor may be used as the main switch 312.
  • One end of the main coil 311 may be connected to the first node (N+), and the other end of the main coil 311 may be connected to one end of the main switch 312.
  • the other end of the main switch 312 may be connected to the second node N-.
  • the first to nth sub-series circuits 320_1 to 320_n are provided to the first to nth cooling fans 210_1 to 210_n on a one-to-one basis.
  • the i-th sub-series circuit 320_i includes a sub coil 321_i and a sub switch 322_i connected in series with each other.
  • the sub switch 322_i may be a field effect transistor.
  • One end of the sub-coil 321_i may be connected to one of two power terminals of the cooling fan 210_i, and the other end of the sub-coil 321_i may be connected to one end of the sub-switch 322_i.
  • the other end of the sub switch 322_i may be connected to the other of the two power terminals of the cooling fan 210_i.
  • the power supply circuit 300 uses a flyback transformer, and the main coil 311 and the sub coil 321_i can be magnetically coupled to each other.
  • the turn ratio of the number of turns of the sub-coil 321_i to the number of turns of the main coil 311 may be preset to a value of 0 to 1 (eg, 1/n).
  • the methods related to the first embodiment described above with reference to FIGS. 4 to 6 are also commonly applicable to controlling the temperature of the battery group 20 of the battery system 10 according to the second embodiment.
  • the control circuit 231 may control the main switch 312 and the first to n-th sub switches 322_1 to 322_n based on the first to nth rotation speeds determined in step S430, step S530, or step S630. have.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating an exemplary method for controlling the power supply circuit 300 of FIG. 7.
  • step S810 the master 230 turns on the main switch 312 during the first period.
  • the start time point of the first period may be within a predetermined time (eg, 0.01 second) from the time point when step S440, step S540, or step S640 is completed.
  • the main switch 312 is turned on in response to the switching signal S M from the control circuit 231. Accordingly, during the first period, energy is transferred from the battery group 20 to the main coil 311 while current flows through the main series circuit 310.
  • step S820 the master 230 turns off the main switch 312 during the second period and turns on the first to nth sub switches 322_1 to 322_n.
  • the start point of the second period may be after the end point of the first period.
  • the control circuit 231 outputs first to nth switching signals S_1 to S_n to the first to nth sub switches 322_1 to 322_n.
  • the sub switch 322_i is turned on in response to the switching signal S_i from the control circuit 231.
  • Step S820 may be executed in parallel with step S440, step S540, or step S640. That is, while the first to nth sub-series circuits 320_1 to 320_n supply power to the first to nth cooling fans 210_1 to 210_n, the first to nth cooling fans 210_1 to 210_n are master ( In response to the first to nth control signals C_1 to C_n from 230), the motor is driven at the first to nth rotational speeds.
  • the lengths of each of the first period of step S810 and the second period of step S820 may be predetermined.
  • step S830 the master 230 turns off the first to nth sub switches 322_1 to 322_n.
  • the embodiments of the present invention described above are not implemented only through an apparatus and a method, 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. Implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs from the description of the above-described embodiment.

Landscapes

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Abstract

배터리 온도 제어 장치, 배터리 온도 제어 방법 및 배터리 시스템이 제공된다. 상기 배터리 온도 제어 장치는, 직렬 연결된 제1 내지 제n 배터리 모듈에 일대일로 제공되는 제1 내지 제n 냉각팬; 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈에 일대일로 제공되는 제1 내지 제n 슬레이브 관리부; 및 마스터 관리부를 포함한다. n은 2 이상의 자연수다. 상기 마스터 관리부는, 제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함하는 배터리 온도 정보를 결정한다. 상기 제1 내지 제n 온도값은, 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 온도를 나타낸다. 상기 제1 기준값은, 상기 제1 내지 제n 온도값의 평균 또는 중앙값이다. 상기 마스터 관리부는, 상기 배터리 온도 정보를 기초로, 각 냉각팬 각각의 회전 속도를 제어한다.

Description

배터리 온도 제어 장치, 배터리 시스템, 에너지 저장 시스템 및 배터리 온도 제어 방법
본 발명은 배터리의 온도를 제어하는 기술에 관한 것이다.
본 출원은 2019년 08월 01일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2019-0093948호 및 2020년 07월 08일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2020-0084321호에 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 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
배터리 시스템은 외부로부터 공급된 전력을 저장해 두었다가, 비상시에 저장된 전력을 외부로 공급하도록 제공될 수 있다. 이러한 배터리 시스템에는 기본적으로 복수의 배터리 모듈 및 각 배터리 모듈을 제어하기 위한 컨트롤러를 포함한다.
배터리 시스템의 내외부 환경이나 반복된 충방전으로 인해 복수의 배터리 모듈 간의 온도 편차가 발생할 수 있다. 배터리 모듈의 온도는, 배터리 모듈의 성능(예, 충방전 효율)에 큰 영향을 미치므로, 배터리 모듈의 온도가 적정 범위 내가 되도록 하기 위한 냉각이 필수적이다.
본 발명의 발명자는, 동일 배터리 그룹 내의 복수의 배터리 모듈에 대한 실험을 통해, 몇 가지 뚜렷한 상관 관계를 확인하였다. 첫번째는, 각 배터리 모듈의 온도는 다른 배터리 모듈의 온도에 영향을 받는 것이다. 두 번째는, 고온 환경에 노출된 기간이 길수록 그리고 충전 상태(SOC: State-Of-Charge)가 높을수록, 배터리 모듈의 건강 상태(SOH: State-Of-Health)가 크게 저하되는 것이다.
그런데, 종래에는 각 배터리 모듈의 냉각이 해당 배터리 모듈의 온도만을 기초로 진행되는 것이 일반적이다. 즉, 각 배터리 모듈에 대한 냉각 제어를 진행할 때, 다른 배터리 모듈의 온도가 고려되지 않고 있다. 그뿐만 아니라, 복수의 배터리 모듈 각각의 건강 상태와 충전 상태가 온도 제어에 고려되지 않고 있다. 각 배터리 모듈의 온도만에 기초하여 해당 배터리 모듈을 냉각할 경우, 동일 배터리 그룹 내의 복수의 배터리 모듈 간의 온도 편차가 적절히 억제될 수 없고, 결과적으로 복수의 배터리 모듈이 불균일하게 퇴화된다는 문제가 있다.
본 발명은, 동일 배터리 그룹에 속하는 복수의 배터리 모듈 중 적어도 둘 이상의 온도를 기초로, 각 배터리 모듈을 위한 냉각 레벨(예, 냉각 매체의 공급량)을 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 동일 배터리 그룹에 속하는 각 배터리 모듈의 충전 상태 및/또는 건강 상태를 더 기초로, 각 배터리 모듈에 대한 개별 냉각을 수행하는 장치 및 방법을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 각 배터리 모듈에 대한 냉각을 위해 요구되는 전력을 해당 배터리 모듈에서만 공급하는 대신 나머지 배터리 모듈에서도 공급하는 장치 및 방법을 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 온도 제어 장치는, 직렬 연결된 제1 내지 제n 배터리 모듈을 포함하는 배터리 그룹을 위한 것이다. n은 2 이상의 자연수이다. 상기 배터리 온도 제어 장치는, 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈에 일대일로 제공되는 제1 내지 제n 냉각팬; 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈에 일대일로 제공되는 제1 내지 제n 슬레이브 관리부; 및 상기 제1 내지 제n 냉각팬 및 상기 제1 내지 제n 슬레이브 관리부에 동작 가능하게 결합되는 마스터 관리부를 포함한다. 상기 마스터 관리부는, 상기 제1 내지 제n 슬레이브 관리부 각각으로부터의 통지 신호를 기초로, 제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함하는 배터리 온도 정보를 결정하도록 구성된다. 상기 제1 내지 제n 온도값은 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 온도를 나타낸다. 상기 제1 기준값은 상기 제1 내지 제n 온도값의 평균 또는 중앙값이다. 상기 마스터 관리부는, 상기 배터리 온도 정보를 기초로, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 제어하도록 구성된다.
상기 마스터 관리부는, i = 1 ~ n이라고 할 때, 제i 온도값이 상기 제1 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 1을 이용하여 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 마스터 관리부는, i = 1 ~ n이라고 할 때, 상기 제i 온도값이 상기 제1 기준값보다 큰 경우, 하기의 수식 2를 이용하여 상기 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다.
[수식 1]
Figure PCTKR2020009143-appb-img-000001
[수식 2]
Figure PCTKR2020009143-appb-img-000002
수식 1 및 수식 2에서, T i는 상기 제i 온도값, T L는 임계 온도값, T ref는 상기 제1 기준값, K 1은 제1 가중치, K 2는 제2 가중치, F i는 상기 제i 냉각팬의 회전 속도이다.
상기 마스터 관리부는, 상기 통지 신호를 기초로, 제1 내지 제n 건강 상태 및 제2 기준값을 포함하는 배터리 수명 정보를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 내지 제n 건강 상태는 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 잔여 수명을 나타낸다. 상기 제2 기준값은 상기 제1 내지 제n 건강 상태의 평균 또는 중앙값이다. 상기 마스터 관리부는, 상기 배터리 수명 정보를 더 기초로, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 마스터 관리부는, i = 1 ~ n이라고 할 때, 제i 온도값이 상기 제1 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 3을 이용하여 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 마스터 관리부는, i = 1 ~ n이라고 할 때, 상기 제i 온도값이 상기 제1 기준값보다 큰 경우, 하기의 수식 4를 이용하여 상기 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다.
[수식 3]
Figure PCTKR2020009143-appb-img-000003
[수식 4]
Figure PCTKR2020009143-appb-img-000004
수식 3 및 수식 4에서, T i는 상기 제i 온도값, T L는 임계 온도값, T ref는 상기 제1 기준값, SOH i는 제i 건강 상태, SOH ref는 상기 제2 기준값, K 3은 제3 가중치, K 4는 제4 가중치, K 5은 제5 가중치, F i는 상기 제i 냉각팬의 회전 속도이다.
상기 마스터 관리부는, 상기 통지 신호를 기초로, 제1 내지 제n 충전 상태 및 제3 기준값을 포함하는 배터리 용량 정보를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 내지 제n 충전 상태는 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 잔존 용량을 나타낸다. 상기 제3 기준값은 상기 제1 내지 제n 충전 상태의 평균 또는 중앙값이다. 상기 마스터 관리부는, 상기 배터리 용량 정보를 더 기초로, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 마스터 관리부는, i = 1 ~ n이라고 할 때, 제i 온도값이 상기 제1 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 5를 이용하여 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 마스터 관리부는, i = 1 ~ n이라고 할 때, 상기 제i 온도값이 상기 제1 기준값보다 큰 경우, 하기의 수식 6을 이용하여 상기 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성될 수 있다.
[수식 5]
Figure PCTKR2020009143-appb-img-000005
[수식 6]
Figure PCTKR2020009143-appb-img-000006
수식 5 및 수식 6에서, T i는 상기 제i 온도값, T ref는 상기 제1 기준값, T L는 임계 온도값, SOH i는 제i 건강 상태, SOH ref는 상기 제2 기준값, SOC i는 제i 충전 상태, SOC ref는 상기 제3 기준값, K 6은 제6 가중치, K 7는 제7 가중치, K 8은 제8 가중치, K 9은 제9 가중치, F i는 상기 제i 냉각팬의 회전 속도이다.
상기 배터리 온도 제어 장치는, 전력 공급 회로를 더 포함할 수 있다. 상기 전력 공급 회로는, 상기 배터리 그룹에 병렬 연결되는 메인 직렬 회로; 및 상기 제1 내지 제n 냉각팬에 일대일로 병렬 연결되는 제1 내지 제n 서브 직렬 회로를 포함한다. 상기 메인 직렬 회로는, 서로 직렬 연결된 메인 코일 및 메인 스위치를 포함한다. 상기 각 서브 직렬 회로는, 서로 직렬 연결된 서브 코일 및 서브 스위치를 포함한다. 상기 마스터 관리부는, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 기초로, 상기 메인 스위치 및 각 서브 스위치를 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 시스템은, 상기 배터리 온도 제어 장치를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 에너지 저장 시스템은, 상기 배터리 시스템을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 온도 제어 방법은, 직렬 연결된 제1 내지 제n 배터리 모듈을 포함하는 배터리 그룹을 위한 것이다. n은 2 이상의 자연수이다. 상기 배터리 온도 제어 방법은, 제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함하는 배터리 온도 정보를 결정하는 단계를 포함한다. 상기 제1 내지 제n 온도값은 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 온도를 나타낸다. 상기 제1 기준값은 상기 제1 내지 제n 온도값의 평균 또는 중앙값이다. 상기 배터리 온도 제어 방법은, 상기 배터리 온도 정보를 기초로, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 제어하는 단계를 더 포함한다.
상기 배터리 온도 제어 방법은, 제1 내지 제n 건강 상태 및 제2 기준값을 포함하는 배터리 수명 정보를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제n 건강 상태는 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 잔여 수명을 나타낸다. 상기 제2 기준값은 상기 제1 내지 제n 건강 상태의 평균 또는 중앙값이다. 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도는, 상기 배터리 수명 정보를 더 기초로 결정될 수 있다.
상기 배터리 온도 제어 방법은, 제1 내지 제n 충전 상태 및 제3 기준값을 포함하는 배터리 용량 정보를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제n 충전 상태는 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 잔존 용량을 나타낸다. 상기 제3 기준값은 상기 제1 내지 제n 충전 상태의 평균 또는 중앙값이다. 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도는, 상기 배터리 용량 정보를 더 기초로 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 동일 배터리 그룹에 속하는 복수의 배터리 모듈 중 적어도 둘 이상의 온도를 기초로, 각 배터리 모듈을 위한 냉각 레벨을 제어함으로써, 복수의 배터리 모듈 간의 온도 편차를 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 동일 배터리 그룹에 속하는 각 배터리 모듈의 충전 상태 및/또는 건강 상태를 더 기초로, 각 배터리 모듈에 대한 개별 냉각을 수행함으로써, 복수의 배터리 모듈 간의 수명 편차를 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 각 배터리 모듈에 대한 냉각을 위해 요구되는 전력을 해당 배터리 모듈에서만 공급하는 대신 다른 배터리 모듈에서도 공급함으로써, 복수의 배터리 모듈 간의 수명 편차를 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.
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 제1 실시예에 따른 배터리 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 슬레이브의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 마스터의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 배터리 그룹의 온도를 제어하기 위한 일 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 5는 배터리 그룹의 온도를 제어하기 위한 다른 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 6은 배터리 그룹의 온도를 제어하기 위한 또 다른 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 전력 공급 회로를 제어하기 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.
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 <관리부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 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.
본 명세서에서, 참조부호로서 사용된 n은 2 이상의 자연수고, 참조부호로서 사용된 i는 1~n 즉, n 이하의 자연수다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 시스템(10)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 슬레이브(220_i)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1의 마스터(230)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
배터리 시스템(10)은, 에너지 저장 시스템(1)에 포함될 수 있다. 에너지 저장 시스템(1)은, 도시되지 않은 전력 변환 시스템(PCS: Power Conversion System) 등을 더 포함할 수 있다. PCS는, 배터리 시스템(10)으로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전기 계통에 공급할 수 있다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 배터리 시스템(10)은, 배터리 그룹(20), 전류 센서(50), 릴레이(100) 및 배터리 온도 제어 장치(200, 이하 '장치'라고 칭할 수 있음)를 포함한다.
배터리 그룹(20)은, 제1 노드(N+), 제2 노드(N-) 및 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)을 포함한다.
제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)은, 제1 노드(N+)와 제2 노드(N-)의 사이에 전기적으로 직렬 연결된다. 배터리 모듈(30_i)은, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 셀은, 예컨대 리튬 이온 셀과 같이 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 그 종류는 특별히 한정되지 않는다.
전류 센서(50)는, 배터리 그룹(20)의 충방전을 위한 전류 경로를 통해 배터리 그룹(20)에 전기적으로 직렬 연결된다. 전류 센서(50)는, 전류 경로를 통해 흐르는 전류를 검출하고, 검출된 전류를 나타내는 전류 신호를 장치(100)에게 출력하도록 구성된다.
릴레이(100)는, 배터리 그룹(20)의 충방전을 위한 전류 경로에 설치된다. 즉, 배터리 그룹(20), 전류 센서(50) 및 릴레이(100)는 전류 경로를 통해 직렬 연결된다. 릴레이(100)의 제어 단자는 장치(200)에 전기적으로 연결된다. 릴레이(100)는, 상기 제어 단자에 출력되는 장치(200)로부터의 스위칭 신호에 응답하여, 온오프 제어된다.
장치(200)는, 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)이 과열되지 않도록 그리고 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)의 퇴화가 균일화될 수 있도록, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)을 활용하여 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)의 온도를 개별 제어하도록 제공된다.
장치(200)는, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n), 제1 내지 제n 슬레이브 관리부(220_1~220_n) 및 마스터 관리부(230)를 포함한다. 전류 센서(50)는 장치(200)에 포함되는 것일 수 있다. 이하에서는, 슬레이브 관리부를 '슬레이브'라고 칭하고, 마스터 관리부를 '마스터'라고 칭하기로 한다.
제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)은, 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)에 일대일로 제공된다. i=1~n이라고 할 때, 냉각팬(210_i)은, 배터리 모듈(30_i)의 냉각을 위한 것이다. 즉, 냉각팬(210_i)이 회전하는 동안 냉각팬(210_i)으로부터 전달되는 냉각매체(예, 공기)에 의해 배터리 모듈(30_i)의 냉각이 이루어진다. 냉각팬(210_i)의 회전 속도가 빠를수록, 배터리 모듈(30_i)의 냉각이 빠르게 진행될 것이다. 냉각팬(210_i)은, 슬레이브(220_i) 또는 마스터(230)로부터의 제어 신호(C_i)에 응답하여, 상기 제어 신호(C_i)에 의해 요구된 회전 속도로 회전하도록 구성된다. 냉각팬(210_i)은, 한 쌍의 전력 공급 라인을 통해 배터리 모듈(30_i)의 양극 단자와 음극 단자에 전기적으로 연결될 수 있다. 이로써, 상기 제어 신호(C_i)가 냉각팬(210_i)에 인가되는 경우, 냉각팬(210_i)은 배터리 모듈(30_i)로부터 공급되는 전력을 이용하여 구동할 수 있다.
제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)는, 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)에 일대일로 제공된다. 슬레이브(220_i)는, 배터리 모듈(30_i)의 상태를 모니터링하기 위해, 배터리 모듈(30_i)에 결합된다. 배터리 모듈(30_i)의 상태를 나타내는 파라미터인 배터리 모듈(30_i)의 전압, 전류 및 온도 중 적어도 하나가 슬레이브(220_i)에 의해 주기적으로 또는 비주기적으로 검출된다.
슬레이브(220_i)는, 센싱 회로(221), 제어 회로(222) 및 통신 회로(223)를 포함한다.
센싱 회로(221)는, 온도 센서(TS)를 포함한다. 센싱 회로(221)는, 전압 센서(VS)를 더 포함할 수 있다. 온도 센서(TS)는, 배터리 모듈(30_i)의 온도를 검출하고, 검출된 온도를 나타내는 신호를 제어 회로(222)에게 출력하도록 구성된다. 전압 센서(VS)는, 배터리 모듈(30_i)의 양극 단자와 음극 단자에 전기적으로 연결된다. 전압 센서(VS)는, 배터리 모듈(30_i)의 양단에 걸친 전압을 검출하고, 검출된 전압을 나타내는 신호를 제어 회로(222)에게 출력하도록 구성된다.
제어 회로(222)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 제어 회로(222)는, 메모리(224)를 포함할 수 있다. 메모리(224)에는, 후술할 단계들을 실행하는 데에 필요한 프로그램 및 각종 데이터가 저장될 수 있다. 메모리(224)는, 예컨대 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
제어 회로(222)는, 센싱 회로(221)로부터의 신호들을 기초로, 배터리 모듈(30_i)의 상태를 나타내는 통지 신호(R_i)를 생성한다.
통신 회로(223)는, 마스터(230)와의 통신을 위해 제공된다. 통신 회로(223)는, 제어 회로(222)로부터의 상기 통지 신호(R_i)를 마스터(230)에게 전송한다. 통신 회로(223)는, 마스터(230)로부터의 명령들(예, 웨이크업, 슬립, 셧다운, 배터리 냉각)을 제어 회로(222)에게 전달할 수 있다. 통신 회로(223)는, LAN(local area network), CAN(controller area network), 데이지 체인과 같은 유선 네트워크 및/또는 블루투스, 지그비, 와이파이 등의 무선 네트워크를 제공할 수 있다.
마스터(230)는, 전류 센서(50), 릴레이(100), 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n) 및 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)에 동작 가능하게 결합된다. 마스터(230)는, 제어 회로(231) 및 통신 회로(232)를 포함한다.
제어 회로(231)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 제어 회로(231)는, 메모리(233)를 포함할 수 있다. 메모리(233)에는, 후술할 단계들을 실행하는 데에 필요한 프로그램 및 각종 데이터가 저장될 수 있다. 메모리(233)는, 예컨대 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
통신 회로(232)는, 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)와의 통신을 위해 제공된다. 통신 회로(232)는, 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)로부터의 통지 신호(R_1~R_n)가 나타내는 정보를 제어 회로(231)에게 전달한다. 통신 회로(232)는, 제어 회로(231)로부터의 명령들을 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)에게 전송한다. 통신 회로(232)는, LAN(local area network), CAN(controller area network), 데이지 체인과 같은 유선 네트워크 및/또는 블루투스, 지그비, 와이파이 등의 무선 네트워크를 제공할 수 있다.
제어 회로(231)는, 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)로부터의 통지 신호(R_1~R_n)를 기초로, 배터리 온도 정보를 결정한다. 제어 회로(231)는, 전류 센서(50)로부터의 전류 신호 및 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)로부터의 통지 신호(R_1~R_n)를 기초로, 배터리 수명 정보 및/또는 배터리 용량 정보를 더 결정할 수 있다.
배터리 온도 정보는, 제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함한다. 제i 온도값은, 제i 배터리 모듈(30_i)의 온도를 나타낸다. 제1 기준값은, 제1 내지 제n 온도값의 대표값(예, 평균, 중앙값)을 나타낸다.
배터리 수명 정보는, 제1 내지 제n 건강 상태 및 제2 기준값을 포함한다. 제i 건강 상태는, 제i 배터리 모듈(30_i)의 잔여 수명을 나타낸다. 제2 기준값은, 제1 내지 제n 건강 상태의 대표값(예, 평균, 중앙값)을 나타낸다. 제i 건강 상태는, 다음의 수식으로부터 결정될 수 있다.
Figure PCTKR2020009143-appb-img-000007
위 수식에서, Q ref는 소정의 기준 용량, SOC(t 1)은 시점 t 1에서의 제i 배터리 모듈(30_i)의 충전 상태, SOC(t 2)은 시점 t 1 후인 시점 t 2에서의 제i 배터리 모듈(30_i)의 충전 상태, i(t)는 시점 t 1과 시점 t 2 사이의 시점 t에서 검출된 전류, SOH i는 제i 건강 상태를 나타낸다. Q ref는, 메모리(233)에 미리 저장되어 있을 수 있고, 배터리 모듈(30_i)이 새것(BOL: Beginning Of Life)이었을 때의 배터리 모듈(30_i)의 최대 용량을 나타낸다. 시점 t 2는, SOC(t 1)와 SOC(t 2) 간의 차이의 절대값이 임계값(예, 0.5) 이상인 가장 최근의 시점일 수 있다.
배터리 용량 정보는, 제1 내지 제n 충전 상태 및 제3 기준값을 포함한다. 제i 충전 상태는, 제i 배터리 모듈(30_i)의 잔존 용량을 나타낸다. 제3 기준값은, 제1 내지 제n 충전 상태의 대표값(예, 평균, 중앙값)을 나타낸다. 제i 충전 상태는, 공지의 다양한 SOC 추정 알고리즘으로부터 결정될 수 있다. 예를 들어, 제i 충전 상태는, 제i 배터리 모듈(30_i)의 개방 전압(OCV: Open-Circuit-voltage)을 인덱스로서 활용하여, 소정의 OCV-SOC 커브로부터 결정될 수 있다. 다른 예로, 제i 충전 상태는, 암페어 카운팅을 이용하여, 제i 배터리 모듈(30_i)의 전류를 시간에 대해 누적한 전류 적산값을 기초로 결정될 수 있다. 또 다른 예로, 제i 충전 상태는, 칼만 필터를 이용하여, 배터리 모듈(30_i)의 전압 이력, 전류 이력 및 온도 이력으로부터 결정될 수 있다.
제어 회로(231)는, 배터리 온도 정보, 배터리 수명 정보 및 배터리 용량 정보 중 적어도 하나를 기초로, 릴레이(100)의 온-오프 상태를 제어하기 위한 상기 스위칭 신호를 생성한다.
제어 회로(231)는, 배터리 온도 정보, 배터리 수명 정보 및 배터리 용량 정보 중 적어도 하나를 기초로, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)의 회전 속도를 제어하기 위한 제1 내지 제n 제어 신호(C_1~C_n)를 생성한다.
도 4는 도 1의 배터리 그룹(20)의 온도를 제어하기 위한 일 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 단계 S410에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)로부터의 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)를 마스터(230)의 메모리(233)에 기록한다. 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)는, 동일 시점에서의 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)의 상태를 나타내는 것일 수 있다. 즉, 제i 통지 신호(R_i)는, 제i 슬레이브(220_i)에 의해 전송되는 것으로서, 제i 배터리 모듈(30_i)의 상태를 나타내는 것이다.
단계 S420에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)를 기초로, 배터리 온도 정보를 결정한다. 배터리 온도 정보는, 제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함한다.
단계 S430에서, 마스터(230)는, 배터리 온도 정보를 기초로, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)을 위한 제1 내지 제n 회전 속도를 결정한다.
일 예로, 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 1을 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다. 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값보다 큰 경우, 하기의 수식 2를 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다.
[수식 1]
Figure PCTKR2020009143-appb-img-000008
[수식 2]
Figure PCTKR2020009143-appb-img-000009
수식 1 및 수식 2에서, T i는 제i 온도값, T L는 임계 온도값, 제i 온도값, T ref는 제1 기준값, K 1은 제1 가중치, K 2는 제2 가중치, F i는 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 나타낸다. 임계 온도값 T L는 과냉각을 방지하기 위한 소정의 하한 온도(예, 5℃)를 나타낸다.
K 1 및 K 2 각각은 미리 정해진 양수일 수 있다. 대안적으로, K 1 및 K 2은, 배터리 온도 정보의 제1 기준값을 인덱스로서 이용하여, 제1 데이터 테이블 및 제2 데이터 테이블로부터 각각 획득될 수 있다. 제1 데이터 테이블은, T ref와 K 1 간의 대응 관계를 규정한다. 제1 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 큰 T ref은 상대적으로 큰 K 1에 연관되어 있다. 제2 데이터 테이블은, T ref와 K 2 간의 대응 관계를 규정한다. 제2 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 큰 T ref은 상대적으로 큰 K 2에 연관되어 있다. 대안적으로, 제어 회로(231)는, 제2 데이터 테이블을 이용하는 대신, K 2을 제1 데이터 테이블로부터의 K 1과 동일하게 설정할수 있다.
다른 예로, 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이하인 경우, 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 회전 속도를 제1 값으로 설정하는 반면, 그 외에는 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 회전 속도를 제2 값으로 설정할 수 있다. 제2 값(예, 10회/초)은 제1 값(예, 7회/초)보다 크다.
단계 S440에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 제어 신호(C_1~C_n)를 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)에게 출력한다. 즉, 제i 제어 신호(C_i)는, 제i 냉각팬(210_i)에게 출력된다. 제i 제어 신호(C_i)는, 제i 냉각팬(210_i)에게 제i 회전 속도로 회전할 것을 명령하기 위한 신호이다.
도 5는 도 1의 배터리 그룹(20)의 온도를 제어하기 위한 다른 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 1 내지 도 3 및 도 5를 참조하면, 단계 S510에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)로부터의 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)를 마스터(230)의 메모리(233)에 기록한다. 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)는, 동일 시점에서의 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)의 상태를 나타내는 것일 수 있다. 즉, 제i 통지 신호(R_i)는, 제i 슬레이브(220_i)에 의해 전송되는 것으로서, 제i 배터리 모듈(30_i)의 상태를 나타내는 것이다.
단계 S520에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)를 기초로, 배터리 온도 정보 및 배터리 수명 정보를 결정한다. 배터리 온도 정보는, 제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함한다. 배터리 수명 정보는, 제1 내지 제n 건강 상태 및 제2 기준값을 포함한다.
단계 S530에서, 마스터(230)는, 배터리 온도 정보 및 배터리 수명 정보를 기초로, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)을 위한 제1 내지 제n 회전 속도를 결정한다.
일 예로, 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이하이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이상인 경우, 상기 수식 1을 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다. 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이상이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이상인 경우, 상기 수식 2를 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다.
다른 예로, 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이하이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 3을 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다. 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이상이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 4를 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다.
[수식 3]
Figure PCTKR2020009143-appb-img-000010
[수식 4]
Figure PCTKR2020009143-appb-img-000011
수식 3 및 수식 4에서, T i는 제i 온도값, T L는 임계 온도값, T ref는 제1 기준값, SOH i는 제i 건강 상태, SOH ref는 제2 기준값, K 3은 제3 가중치, K 4는 제4 가중치, K 5는 제5 가중치, F i는 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 나타낸다. K 3, K 4 및 K 5 각각은 미리 정해진 양수일 수 있다. 대안적으로, K 3 및 K 4은, 배터리 온도 정보의 제1 기준값을 인덱스로서 이용하여, 제3 데이터 테이블 및 제4 데이터 테이블로부터 각각 획득될 수 있다. 제3 데이터 테이블은, T ref와 K 3 간의 대응 관계를 규정한다. 제3 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 큰 T ref은 상대적으로 큰 K 3에 연관되어 있다. 제4 데이터 테이블은, T ref와 K 4 간의 대응 관계를 규정한다. 제4 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 큰 T ref은 상대적으로 큰 K 4에 연관되어 있다. 상기 제1 데이터 테이블이 제3 데이터 테이블로서 이용될 수 있다. 즉, K 3은 K 1과 동일할 수 있다. 상기 제2 데이터 테이블이 제4 데이터 테이블로서 이용될 수 있다. 즉, K 4은 K 2과 동일할 수 있다.
K 5는, 배터리 수명 정보의 제2 기준값을 인덱스로서 이용하여, 제5 데이터 테이블로부터 획득될 수 있다. 제5 데이터 테이블은, SOH ref와 K 5 간의 대응 관계를 규정한다. 제5 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 작은 SOH ref은 상대적으로 큰 K 5에 연관되어 있다.
단계 S540에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 제어 신호(C_1~C_n)를 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)에게 출력한다. 즉, 제i 제어 신호(C_i)는, 제i 냉각팬(210_i)에게 출력된다. 제i 제어 신호(C_i)는, 냉각팬(210_i)에게 제i 회전 속도로 회전할 것을 명령하기 위한 신호이다.
도 6은 배터리 그룹(20)의 온도를 제어하기 위한 또 다른 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 단계 S610에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 슬레이브(220_1~220_n)로부터의 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)를 마스터(230)의 메모리(233)에 기록한다. 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)는, 동일 시점에서의 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n)의 상태를 나타내는 것일 수 있다. 즉, 제i 통지 신호(R_i)는, 제i 슬레이브(220_i)에 의해 전송되는 것으로서, 제i 배터리 모듈(30_i)의 상태를 나타내는 것이다.
단계 S620에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 통지 신호(R_1~R_n)를 기초로, 배터리 온도 정보, 배터리 수명 정보 및 배터리 용량 정보를 결정한다. 배터리 온도 정보는, 제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함한다. 배터리 수명 정보는, 제1 내지 제n 건강 상태 및 제2 기준값을 포함한다. 배터리 용량 정보는, 제1 내지 제n 충전 상태 및 제3 기준값을 포함한다.
단계 S630에서, 마스터(230)는, 배터리 온도 정보, 배터리 수명 정보 및 배터리 용량 정보를 기초로, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)을 위한 제1 내지 제n 회전 속도를 결정한다.
일 예로, 제어 회로(231)는, 배터리 그룹(20)이 충전 중인지 방전 중인지 무관하게, 제i 온도값이 제1 기준값 이하이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이상인 경우, 상기 수식 1을 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다. 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이상이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이상인 경우, 상기 수식 2를 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다.
다른 예로, 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이하이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 5를 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다. 제어 회로(231)는, 배터리 그룹(20)이 방전되는 중, 제i 온도값이 제1 기준값 이상이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 6을 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다.
[수식 5]
Figure PCTKR2020009143-appb-img-000012
[수식 6]
Figure PCTKR2020009143-appb-img-000013
수식 5 및 수식 6은, 배터리 모듈(30_i)이 퇴화될수록 배터리 모듈(30_i)의 내부 저항이 증가함으로 인해, 방전 중인 배터리 모듈(30_i)의 충전 상태의 하강속도가 느려지는 특성이 고려된 것이다.
또 다른 예로, 제어 회로(231)는, 제i 온도값이 제1 기준값 이하이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 7을 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다. 제어 회로(231)는, 배터리 그룹(20)의 충전되는 중, 제i 온도값이 제1 기준값 이상이고, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 8을 이용하여 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수 있다.
[수식 7]
Figure PCTKR2020009143-appb-img-000014
[수식 8]
Figure PCTKR2020009143-appb-img-000015
수식 7 및 수식 8은, 배터리 모듈(30_i)이 퇴화될수록 배터리 모듈(30_i)의 내부 저항이 증가함으로 인해, 충전 중인 배터리 모듈(30_i)의 충전 상태의 상승속도가 느려지는 특성이 고려된 것이다.
수식 5 내지 8에서, T i는 제i 온도값, T L는 임계 온도값, T ref는 제1 기준값, SOH i는 제i 건강 상태, SOH ref는 제2 기준값, SOC i는 제i 충전 상태, SOC ref는 제3 기준값, K 6은 제6 가중치, K 7는 제7 가중치, K 8는 제8 가중치, K 9는 제9 가중치, F i는 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 회전 속도를 나타낸다.
제어 회로(231)는, 제i 건강 상태가 제2 기준값 이하인 경우, 수식 5 내지 8 중 어느 하나를 이용하여, 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 결정할 수도 있다. 예를 들어, 제어 회로(231)는, 배터리 그룹(20)의 방전 중에는 수식 5 또는 수식 6을 이용하여 제i 회전 속도를 결정하고, 배터리 그룹(20)의 충전 중에는 수식 7 또는 수식 8을 이용하여 제i 회전 속도를 결정할 수 있다.
K 6, K 7, K 8 및 K 9 각각은 미리 정해진 양수일 수 있다. 대안적으로, K 6 및 K 7은, 배터리 온도 정보의 제1 기준값을 인덱스로서 이용하여, 제6 데이터 테이블 및 제7 데이터 테이블로부터 각각 획득될 수 있다. 제6 데이터 테이블은, T ref와 K 6 간의 대응 관계를 규정한다. 제6 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 큰 T ref은 상대적으로 큰 K 6에 연관되어 있다. 제7 데이터 테이블은, T ref와 K 7 간의 대응 관계를 규정한다. 제7 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 큰 T ref은 상대적으로 큰 K 7에 연관되어 있다. 상기 제1 데이터 테이블이 제6 데이터 테이블로서 이용될 수 있다. 즉, K 6은 K 1과 동일할 수 있다. 상기 제2 데이터 테이블이 제7 데이터 테이블로서 이용될 수 있다. 즉, K 7은 K 2과 동일할 수 있다.
K 8는, 배터리 수명 정보의 제2 기준값을 인덱스로서 이용하여, 제8 데이터 테이블로부터 획득될 수 있다. 제8 데이터 테이블은, SOH ref와 K 8 간의 대응 관계를 규정한다. 제8 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 작은 SOH ref은 상대적으로 큰 K 8에 연관되어 있다. 상기 제5 데이터 테이블이 제8 데이터 테이블로서 이용될 수 있다. 즉, K 8은 K 5과 동일할 수 있다.
K 9는, 배터리 용량 정보의 제3 기준값을 인덱스로서 이용하여, 제9 데이터 테이블로부터 획득될 수 있다. 제9 데이터 테이블은, SOC ref와 K 9 간의 대응 관계를 규정한다. 제9 데이터 테이블 내에서, 상대적으로 큰 SOC ref은 상대적으로 큰 K 9에 연관되어 있다.
단계 S640에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 제어 신호(C_1~C_n)를 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)에게 출력한다. 즉, 제i 제어 신호(C_i)는, 제i 냉각팬(210_i)에게 출력된다. 제i 제어 신호(C_i)는, 제i 냉각팬(210_i)에게 제i 회전 속도로 회전할 것을 명령하기 위한 신호이다.
도 4 내지 도 6의 방법에 있어서, 제어 회로(231)는, 수식 1 내지 8 중 하나로부터 결정된 F i가 소정의 하한값 미만인 경우, 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 소정의 하한값과 동일하게 결정할 수 있다. 예를 들어, F i = -3 (회/초)이고, 소정의 하한값 = 0 (회/초)인 경우, 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도는 0 (회/초)로 제한될 수 있다.
제어 회로(231)는, 수식 1 내지 8 중 하나로부터 결정된 F i가 소정의 상한값 초과인 경우, 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도를 소정의 상한값과 동일하게 결정할 수 있다. 예를 들어, F i = 55 (회/초)이고, 소정의 상한값 = 30 (회/초)인 경우, 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도는 30 (회/초)로 제한될 수 있다. 소정의 상한값은, 제i 냉각팬(210_i)의 최대 회전 속도일 수 있다.
따라서, 제i 냉각팬(210_i)에 연관된 제i 회전 속도는, 소정의 상한값과 소정의 하한값 사이의 범위에서, 제i 배터리 모듈(30_i)의 온도, 건강 상태 및/또는 충전 상태를 기초로 결정될 수 있다.
도 4 내지 도 6 각각의 방법은, 주기적으로 또는 비주기적으로 반복 실행될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 시스템(10)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다. 제2 실시예에 따른 배터리 시스템(10)에 대하여는, 제1 실시예(도 1 내지 도 3 참조)와의 공통점에 대한 반복 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
제2 실시예의 배터리 시스템(10)은, 장치(200)가 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)과 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n) 간의 전력 공급 경로로서 제공된 n쌍의 전력 공급 라인을 대체하기 위한 전력 공급 회로(300)를 더 포함한다는 점에서 제1 실시예와 다르다.
도 7을 참조하면, 전력 공급 회로(300)는, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)의 동작에 요구되는 전력을 공급하기 위한 것으로서, 메인 직렬 회로(310) 및 제1 내지 제n 서브 직렬 회로(320_1~320_n)를 포함한다.
메인 직렬 회로(310)는, 제1 노드(N+)와 제2 노드(N-)를 통해 배터리 그룹(20)에 전기적으로 병렬 연결된다. 메인 직렬 회로(310)는, 서로 직렬 연결된 메인 코일(311) 및 메인 스위치(312)를 포함한다. 예컨대 전계 효과 트랜지스터가 메인 스위치(312)로 이용될 수 있다. 메인 코일(311)의 일단은 제1 노드(N+)에 연결되고, 메인 코일(311)의 타단은 메인 스위치(312)의 일단에 연결될 수 있다. 메인 스위치(312)의 타단은 제2 노드(N-)에 연결될 수 있다.
제1 내지 제n 서브 직렬 회로(320_1~320_n)는, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)에 일대일로 제공된다. 제i 서브 직렬 회로(320_i)는, 서로 직렬 연결된 서브 코일(321_i) 및 서브 스위치(322_i)를 포함한다. 서브 스위치(322_i)는, 전계 효과 트랜지스터일 수 있다. 서브 코일(321_i)의 일단은 냉각팬(210_i)의 2개의 전원 단자 중 하나에 연결되고, 서브 코일(321_i)의 타단은 서브 스위치(322_i)의 일단에 연결될 수 있다. 서브 스위치(322_i)의 타단은 냉각팬(210_i)의 2개의 전원 단자 중 다른 하나에 연결될 수 있다. 전력 공급 회로(300)는, 플라이백 트랜스포머를 이용한 것으로서, 메인 코일(311)과 서브 코일(321_i)은 서로 자기적으로 결합 가능하다. 메인 코일(311)의 권선수에 대한 서브 코일(321_i)의 권선수의 권선비는 0~1의 값(예, 1/n)으로 미리 정해져 있을 수 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하여 전술한 제1 실시예에 연관된 방법들은, 제2 실시예에 따른 배터리 시스템(10)의 배터리 그룹(20)의 온도를 조절하는 데에도 공통적으로 적용 가능하다. 제어 회로(231)는, 단계 S430, 단계 S530 또는 단계 S630에서 결정된 제1 내지 제n 회전 속도를 기초로, 메인 스위치(312) 및 제1 내지 제n 서브 스위치(322_1~322_n)를 제어할 수 있다.
도 8은 도 7의 전력 공급 회로(300)를 제어하기 위한 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 8을 참조하면, 단계 S810에서, 마스터(230)는, 제1 기간 동안 메인 스위치(312)를 턴 온시킨다. 제1 기간의 시작 시점은, 단계 S440, 단계 S540 또는 단계 S640이 완료되는 시점으로부터 소정 시간(예, 0.01초) 내일 수 있다. 메인 스위치(312)는, 제어 회로(231)로부터의 스위칭 신호(S M)에 응답하여, 턴 온된다. 따라서, 제1 기간 동안, 메인 직렬 회로(310)를 통해 전류가 흐르면서 배터리 그룹(20)으로부터 메인 코일(311)로 에너지가 전달된다.
단계 S820에서, 마스터(230)는, 제2 기간 동안 메인 스위치(312)를 턴 오프시키고 제1 내지 제n 서브 스위치(322_1~322_n)를 턴 온시킨다. 제2 기간의 시작 시점은, 제1 기간의 종료 시점 이후일 수 있다. 제어 회로(231)는, 제1 내지 제n 서브 스위치(322_1~322_n)에 제1 내지 제n 스위칭 신호(S_1~ S_n)를 출력한다. 서브 스위치(322_i)는, 제어 회로(231)로부터의 스위칭 신호(S_i)에 응답하여, 턴 온된다. 메인 스위치(312)가 턴 오프되고 서브 스위치(322_i)가 턴 온되면, 제1 기간 동안 메인 코일(311)에 축적된 전자기 에너지가 무선으로 방출된다. 따라서, 제2 기간 동안, 제1 내지 제n 서브 직렬 회로(320_1~320_n)를 통해 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)에 전력이 공급된다. 단계 S820은, 단계 S440, 단계 S540 또는 단계 S640과 병렬적으로 실행될 수 있다. 즉, 제1 내지 제n 서브 직렬 회로(320_1~320_n)가 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)에 전력을 공급하는 동안, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)은 마스터(230)로부터의 제1 내지 제n 제어 신호(C_1~C_n)에 응답하여, 제1 내지 제n 회전 속도로 구동한다. 단계 S810의 제1 기간과 단계 S820의 제2 기간은 각각의 시간 길이는 미리 정해져 있을 수 있다.
단계 S830에서, 마스터(230)는, 제1 내지 제n 서브 스위치(322_1~322_n)를 턴 오프시킨다.
도 7 및 도 8을 참조하여 전술한 제2 실시예에 따르면, 제i 냉각팬(210_i)의 구동에 요구되는 전력이 제1 내지 제n 배터리 모듈(30_1~30_n) 모두로부터 공급된다는 점에서, 제i 냉각팬(210_i)의 구동에 요구되는 전력이 제i 배터리 모듈(30_i)만으로부터 공급되는 제1 실시예와 차이가 있다. 물론, 제1, 2 실시예와는 달리, 제1 내지 제n 냉각팬(210_1~210_n)의 구동에 요구되는 전력은 외부 전원으로부터 공급될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 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 (12)

  1. 직렬 연결된 제1 내지 제n 배터리 모듈(n은 2 이상의 자연수)을 포함하는 배터리 그룹을 위한 배터리 온도 제어 장치에 있어서,
    상기 제1 내지 제n 배터리 모듈에 일대일로 제공되는 제1 내지 제n 냉각팬;
    상기 제1 내지 제n 배터리 모듈에 일대일로 제공되는 제1 내지 제n 슬레이브 관리부; 및
    상기 제1 내지 제n 냉각팬 및 상기 제1 내지 제n 슬레이브 관리부에 동작 가능하게 결합되는 마스터 관리부를 포함하되,
    상기 마스터 관리부는,
    상기 제1 내지 제n 슬레이브 관리부 각각으로부터의 통지 신호를 기초로, 제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함하는 배터리 온도 정보를 결정하되, 상기 제1 내지 제n 온도값은 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 온도를 나타내고, 상기 제1 기준값은 상기 제1 내지 제n 온도값의 평균 또는 중앙값이고,
    상기 배터리 온도 정보를 기초로, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 제어하도록 구성되는 배터리 온도 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 관리부는,
    i = 1 ~ n이라고 할 때, 제i 온도값이 상기 제1 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 1을 이용하여 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하고,
    상기 제i 온도값이 상기 제1 기준값보다 큰 경우, 하기의 수식 2를 이용하여 상기 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성되되,
    [수식 1]
    Figure PCTKR2020009143-appb-img-000016
    [수식 2]
    Figure PCTKR2020009143-appb-img-000017
    수식 1 및 수식 2에서, T i는 상기 제i 온도값, T L는 임계 온도값, T ref는 상기 제1 기준값, K 1은 제1 가중치, K 2는 제2 가중치, F i는 상기 제i 냉각팬의 회전 속도인 배터리 온도 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 관리부는,
    상기 통지 신호를 기초로, 제1 내지 제n 건강 상태 및 제2 기준값을 포함하는 배터리 수명 정보를 결정하되, 상기 제1 내지 제n 건강 상태는 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 잔여 수명을 나타내고, 상기 제2 기준값은 상기 제1 내지 제n 건강 상태의 평균 또는 중앙값이고,
    상기 배터리 수명 정보를 더 기초로, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 결정하도록 구성되는 배터리 온도 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마스터 관리부는,
    i = 1 ~ n이라고 할 때, 제i 온도값이 상기 제1 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 3을 이용하여 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하고,
    상기 제i 온도값이 상기 제1 기준값보다 큰 경우, 하기의 수식 4를 이용하여 상기 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성되되,
    [수식 3]
    Figure PCTKR2020009143-appb-img-000018
    [수식 4]
    Figure PCTKR2020009143-appb-img-000019
    수식 3 및 수식 4에서, T i는 상기 제i 온도값, T L는 임계 온도값, T ref는 상기 제1 기준값, SOH i는 제i 건강 상태, SOH ref는 상기 제2 기준값, K 3은 제3 가중치, K 4는 제4 가중치, K 5은 제5 가중치, F i는 상기 제i 냉각팬의 회전 속도인 배터리 온도 제어 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 마스터 관리부는,
    상기 통지 신호를 기초로, 제1 내지 제n 충전 상태 및 제3 기준값을 포함하는 배터리 용량 정보를 결정하되, 상기 제1 내지 제n 충전 상태는 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 잔존 용량을 나타내고, 상기 제3 기준값은 상기 제1 내지 제n 충전 상태의 평균 또는 중앙값이고,
    상기 배터리 용량 정보를 더 기초로, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 결정하도록 구성되는 배터리 온도 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 마스터 관리부는,
    i = 1 ~ n이라고 할 때, 제i 온도값이 상기 제1 기준값 이하인 경우, 하기의 수식 5를 이용하여 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하고,
    상기 제i 온도값이 상기 제1 기준값보다 큰 경우, 하기의 수식 6을 이용하여 상기 제i 냉각팬의 회전 속도를 결정하도록 구성되되,
    [수식 5]
    Figure PCTKR2020009143-appb-img-000020
    [수식 6]
    Figure PCTKR2020009143-appb-img-000021
    수식 5 및 수식 6에서,T i는 상기 제i 온도값, T ref는 상기 제1 기준값, T L는 임계 온도값, SOH i는 제i 건강 상태, SOH ref는 상기 제2 기준값, SOC i는 제i 충전 상태, SOC ref는 상기 제3 기준값, K 6은 제6 가중치, K 7는 제7 가중치, K 8은 제8 가중치, K 9은 제9 가중치, F i는 상기 제i 냉각팬의 회전 속도인 배터리 온도 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    전력 공급 회로를 더 포함하되,
    상기 전력 공급 회로는, 상기 배터리 그룹에 병렬 연결되는 메인 직렬 회로; 및 상기 제1 내지 제n 냉각팬에 일대일로 병렬 연결되는 제1 내지 제n 서브 직렬 회로를 포함하고,
    상기 메인 직렬 회로는, 서로 직렬 연결된 메인 코일 및 메인 스위치를 포함하고,
    상기 각 서브 직렬 회로는, 서로 직렬 연결된 서브 코일 및 서브 스위치를 포함하고,
    상기 마스터 관리부는,
    상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 기초로, 상기 메인 스위치 및 각 서브 스위치를 제어하도록 구성된 배터리 온도 제어 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 온도 제어 장치를 포함하는 배터리 시스템.
  9. 제8에 따른 상기 배터리 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템.
  10. 직렬 연결된 제1 내지 제n 배터리 모듈(n은 2 이상의 자연수)을 포함하는 배터리 그룹을 위한 배터리 온도 제어 방법에 있어서,
    제1 내지 제n 온도값 및 제1 기준값을 포함하는 배터리 온도 정보를 결정하되, 상기 제1 내지 제n 온도값은 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 온도를 나타내고, 상기 제1 기준값은 상기 제1 내지 제n 온도값의 평균 또는 중앙값인 단계; 및
    상기 배터리 온도 정보를 기초로, 상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도를 제어하는 단계를 포함하는 배터리 온도 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    제1 내지 제n 건강 상태 및 제2 기준값을 포함하는 배터리 수명 정보를 결정하되, 상기 제1 내지 제n 건강 상태는 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 잔여 수명을 나타내고, 상기 제2 기준값은 상기 제1 내지 제n 건강 상태의 평균 또는 중앙값인 단계를 더 포함하되,
    상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도는, 상기 배터리 수명 정보를 더 기초로 결정되는 배터리 온도 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    제1 내지 제n 충전 상태 및 제3 기준값을 포함하는 배터리 용량 정보를 결정하되, 상기 제1 내지 제n 충전 상태는 상기 제1 내지 제n 배터리 모듈의 잔존 용량을 나타내고, 상기 제3 기준값은 상기 제1 내지 제n 충전 상태의 평균 또는 중앙값인 단계를 더 포함하되,
    상기 제1 내지 제n 냉각팬 각각의 회전 속도는, 상기 배터리 용량 정보를 더 기초로 결정되는 배터리 온도 제어 방법.
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