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KR101182431B1 - 배터리 팩, 이의 제어방법 및 이를 포함하는 전력 저장 시스템 - Google Patents

배터리 팩, 이의 제어방법 및 이를 포함하는 전력 저장 시스템 Download PDF

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KR101182431B1
KR101182431B1 KR1020100099291A KR20100099291A KR101182431B1 KR 101182431 B1 KR101182431 B1 KR 101182431B1 KR 1020100099291 A KR1020100099291 A KR 1020100099291A KR 20100099291 A KR20100099291 A KR 20100099291A KR 101182431 B1 KR101182431 B1 KR 101182431B1
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battery
cell
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balancing
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최효준
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 배터리 팩, 이의 제어방법 및 이를 포함하는 전력 저장 시스템에 관한 것으로, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩의 제어방법으로서, 복수의 배터리 셀 각각의 충전 용량을 계산하는 단계와, 계산한 충전 용량들의 평균값인 제1 평균값을 구하는 단계와, 제1 평균값에 기초하여 비정상 배터리 셀을 분류하기 위한 제1 기준값을 설정하는 단계와, 제1 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀 중에서 가장 낮은 충전 용량을 갖는 제1 배터리 셀을 검출하는 단계와, 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀을 분류하기 위한 제2 기준값을 설정하는 단계와, 제2 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀들에 대하여 셀 밸런싱을 수행하는 단계를 포함하는 배터리 팩의 제어방법을 제공하여 효율적으로 셀 밸런싱을 수행한다.

Description

배터리 팩, 이의 제어방법 및 이를 포함하는 전력 저장 시스템{Battery pack, controlling method of the same, and power storage system including the battery pack}
본 발명은 배터리 팩, 이의 제어방법 및 이를 포함하는 전력 저장 시스템에 관한 것이다.
환경 파괴, 자원 고갈 등이 문제되면서, 전력을 저장하고, 저장된 전력을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 이와 함께 발전 과정에서 공해를 유발하지 않는 신재생 에너지에 대한 관심도 높아지고 있다. 전력 저장 시스템은 이러한 신재생 에너지, 전력을 저장한 배터리, 그리고 기존의 계통 전력을 연계시키는 시스템으로서, 오늘날의 환경 변화에 맞추어 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
이러한 전력 저장 시스템에 있어서, 배터리의 효율적 관리가 중요한 요소 중 하나이다. 배터리는 충전, 방전, 셀 밸런싱 등 다양한 사항에 대하여 관리를 하여야 한다. 배터리를 효율적으로 관리함으로 인하여 배터리의 수명을 늘릴 수 있으며, 부하에 안정적으로 전력을 제공할 수 있게 된다.
본 발명의 실시 예들이 해결하고자 하는 기술적 과제는 효율적으로 셀 밸런싱 동작을 수행할 수 있는 배터리 팩, 이의 제어방법 및 이를 포함하는 전력 저장 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예들의 일 측면에 의하면, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩의 제어방법으로서, 복수의 배터리 셀 각각의 충전 용량을 계산하는 단계와, 계산한 충전 용량들의 평균값인 제1 평균값을 구하는 단계와, 제1 평균값에 기초하여 비정상 배터리 셀을 분류하기 위한 제1 기준값을 설정하는 단계와, 제1 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀 중에서 가장 낮은 충전 용량을 갖는 제1 배터리 셀을 검출하는 단계와, 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀을 분류하기 위한 제2 기준값을 설정하는 단계와, 제2 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀들에 대하여 셀 밸런싱을 수행하는 단계를 포함하는 배터리 팩의 제어방법을 제공한다.
이러한 본 실시 예의 다른 특징에 의하면, 제1 기준값 미만의 충전 용량을 갖는 배터리 셀을 비정상 배터리 셀로 판단할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 제1 기준값 미만의 충전 용량을 갖는 배터리 셀을 배터리 팩에서 제거할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 셀 밸런싱은 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀의 충전 용량을 제1 배터리 셀의 충전 용량으로 조절하는 것일 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 셀 밸런싱은 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀의 충전 용량을 평균값으로 조절하는 것일 수도 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 제1 기준값을 제1 평균값의 90%로 설정할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 제2 기준값을 제1 배터리 셀의 충전 용량의 110%로 설정할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 제2 기준값을 제1 평균값의 110%로 설정할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 제1 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀의 충전 용량의 평균값인 제2 평균값을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 제2 평균값에 기초하여 제1 기준값을 설정할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 제1 기준값을 제2 평균값의 90%로 설정할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 제2 기준값을 제2 평균값의 110%로 설정할 수 있다.
본 발명의 실시 예들의 다른 측면에 의하면, 복수의 배터리 셀과, 배터리 셀의 충전 용량을 측정하는 용량 측정부와, 측정한 충전 용량들의 평균값을 계산하는 평균값 계산부와, 측정한 충전 용량과 평균값에 기초하여 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀을 분류하는 밸런싱 제어부와, 밸런싱 제어부로부터의 제어 신호에 따라서 셀 밸런싱을 수행하는 밸런싱 회로부를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
이러한 본 실시 예의 다른 특징에 의하면, 밸런싱 제어부는, 평균값에 기초하여 비정상 배터리 셀을 분류하기 위한 제1 기준값을 설정하고, 제1 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀 중에서 가장 낮은 충전 용량을 갖는 제1 배터리 셀을 검출하고, 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀을 분류하기 위한 제2 기준값을 설정하고, 제2 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀들을 셀 밸런싱 대상으로 설정할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 밸런싱 제어부는, 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀의 충전 용량을 제1 배터리 셀의 충전 용량으로 조절하도록 밸런싱 회로부를 제어할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 밸런싱 제어부는, 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀의 충전 용량을 제1 평균값으로 조절하도록 밸런싱 회로부를 제어할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 제2 기준값은 제1 배터리 셀의 충전 용량에 기초하여 설정할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 제2 기준값은 제1 평균값에 기초하여 설정할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 밸런싱 제어부는 제1 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀의 정보를 평균값 계산부에 전송하고, 평균값 계산부는 제1 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀들의 충전 용량의 평균값인 제2 평균값을 계산할 수 있다.
본 발명의 실시 예들의 다른 측면에 의하면, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리를 포함하며, 배터리, 발전 시스템, 및 계통의 전력을 연계하여 부하에 공급하는 전력 저장 시스템으로서, 전력 저장 시스템은, 배터리 셀의 충전 용량을 측정하는 용량 측정부와, 측정한 충전 용량들의 평균값을 계산하는 평균값 계산부와, 측정한 충전 용량과 평균값에 기초하여 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀을 분류하고, 분류된 배터리 셀에 대하여 셀 밸런싱을 수행하는 밸런싱 제어부를 포함하는 전력 저장 시스템을 제공한다.
이러한 본 발명의 실시 예들에 의하면, 배터리가 효율적으로 셀 밸런싱 동작을 수행할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 저장 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 및 배터리 관리부를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리부의 일부를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리부의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리부의 제어방법에 의하여 셀 밸런싱 동작을 수행하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 관리부의 제어방법에 의하여 셀 밸런싱 동작을 수행하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 관리부의 일부를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 관리부의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 저장 시스템(1)을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시 예에 따른 전력 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2), 계통(3)과 연계하여 부하(4)에 전력을 공급한다.
발전 시스템(2)은 에너지원을 이용하여 전력을 생산하여 전력 저장 시스템(1)에 공급한다. 발전 시스템(2)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전 시스템을 모두 포함할 수 있다.
계통(3)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비한다. 계통(3)은 전력 저장 시스템(1)으로 전력을 인가하여 부하(4) 및/또는 배터리(30)에 전력이 공급되도록 한다. 또는 계통(3)은 전력 저장 시스템(1)으로부터 전력을 공급받는다.
부하(4)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력, 배터리(30)에 저장된 전력, 또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 소비하며, 예를 들면 가정, 공장 등일 수 있다.
전력 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 배터리(30)에 저장하고, 생산한 전력을 계통(3)에 공급할 수 있다. 또한 전력 저장 시스템(1)은 배터리(30)에 저장된 전력을 계통(3)에 공급하거나, 계통(3)으로부터 공급된 전력을 배터리(30)에 저장할 수 있다. 또한, 전력 저장 시스템(1)은 계통(3)에서 정전이 발생하는 경우에는 UPS(Uninterruptible Power Supply) 동작을 수행한다.
전력 저장 시스템(1)은 전력 변환을 제어하는 전력 변환 시스템(Power Conversion System, 이하 'PCS'라 함)(10), 배터리 관리부(Battery Management System: 이하 'BMS'라 함)(20), 배터리(30), 수동 스위치(40)를 포함한다.
PCS(10)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리(30)의 전력을 적절한 전력으로 변환하여 필요한 곳에 공급한다. PCS(10)는 전력 변환부(11), DC 링크부(12), 양방향 인버터(13), 양방향 컨버터(14), 제1 스위치(15), 제2 스위치(16), 통합 제어기(17)를 포함한다.
전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)과 DC 링크부(12) 사이에 연결된다. 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 DC 링크부(12)로 전달하며, 이때 출력 전압을 직류 링크 전압으로 변환한다.
전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)의 종류에 따라서 컨버터, 정류회로 등으로 구성될 수 있다. 발전 시스템(2)이 직류의 전력을 생산하는 경우, 전력 변환부(11)는 직류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 컨버터일 수 있다. 발전 시스템(2)이 교류의 전력을 발생시키는 경우, 전력 변환부(11)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 정류회로일 수 있다. 특히, 발전 시스템(2)이 태양광으로 전력을 생산하는 경우, 전력 변환부(11)는 일사량, 온도 등의 변화에 따라서 발전 시스템(2)에서 생산하는 전력을 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는 MPPT 컨버터를 포함할 수 있다.
DC 링크부(12)는 전력 변환부(11)와 양방향 인버터(13) 사이에 연결된다. DC 링크부(12)는 발전 시스템(2) 또는 계통(3)의 순시 전압 강하, 부하(4)에서의 피크 부하 발생을 방지하여 직류 링크 전압이 안정적으로 유지되도록 한다.
양방향 인버터(13)는 DC 링크부(12)와 제1 스위치(15) 사이에 연결되는 전력 변환기이다. 양방향 인버터(13)는 방전 모드에서 발전 시스템(2) 및/또는 배터리(30)로부터 출력된 직류 링크 전압을 계통(3)의 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 또한, 양방향 인버터(13)는 충전 모드에서 계통(3)의 전력을 배터리(30)에 저장하기 위하여, 계통(3)의 교류 전압을 정류하고 직류 링크 전압으로 변환하여 출력한다.
양방향 인버터(13)는 계통(3)으로 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거하기 위한 필터, 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(3)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로 등을 포함할 수 있다. 그 밖에, 양방향 인버터(13)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다.
양방향 컨버터(14)는 방전 모드에서 배터리(30)에 저장된 전력을 양방향 인버터(13)에서 요구하는 전압 레벨 즉, 직류 링크 전압으로 DC-DC 변환하여 출력한다. 또한, 양방향 컨버터(14)는 충전 모드에서 전력 변환부(11)에서 출력되는 전력이나 양방향 인버터(13)에서 출력되는 전력을 배터리(30)에서 요구하는 전압 레벨, 즉 충전 전압으로 DC-DC 변환한다.
제1 스위치(15) 및 제2 스위치(16)는 양방향 인버터(13)와 계통(3) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어기(17)의 제어에 따라서 on/off 동작을 수행하여 발전 시스템(2)과 계통(3) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 제1 스위치(15)와 제2 스위치(16)는 발전 시스템(2), 계통(3), 및 배터리(30)의 상태에 따라서 on/off가 결정될 수 있다. 예를 들어, 부하(4)에서 요구되는 전력량이 큰 경우, 제1 스위치(15) 및 제2 스위치(16)를 모두 on 상태로 하여 발전 시스템(2), 계통(3)의 전력이 모두 사용될 수 있도록 한다. 물론 발전 시스템(2) 및 계통(3)으로부터의 전력만으로는 부하(4)에서 요구하는 전력량을 충족시키지 못하는 경우에는 배터리(30)에 저장된 전력이 부하(4)에 공급될 수도 있다. 반면에, 계통(3)에서 정전이 발생한 경우, 제2 스위치(16)를 off 상태로 하고 제1 스위치(15)를 on 상태로 한다. 이로 인하여 발전 시스템(2) 또는 배터리(30)로부터의 전력을 부하(4)에 공급할 수 있으며, 부하(4)로 공급되는 전력이 계통(3) 측으로 흐르는, 즉 단독운전을 방지하여 계통(3)의 전력선 등에서 작업하는 인부가 감전되는 등의 사고를 방지할 수 있게 한다.
통합 제어기(17)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리(30), 및 부하(4)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과에 따라서 전력 변환부(11), 양방향 인버터(13), 양방향 컨버터(14), 제1 스위치(15), 제2 스위치(16), 및 BMS(20)를 제어한다. 통합 제어기(17)가 모니터링 하는 사항은 계통(3)에 정전이 발생하였는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력이 생산되는지 여부를 포함할 수 있다. 또한 통합 제어기(17)는 발전 시스템(2)의 전력 생산량, 배터리(30)의 충전 상태, 부하(4)의 전력 소비량, 시간 등을 모니터링 할 수 있다.
BMS(20)는 배터리(30)에 연결되며, 통합 제어기(17)의 제어에 따라 배터리(30)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. BMS(20)는 배터리(30)를 보호하기 위하여, 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, BMS(20)는 배터리(30)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 모니터링하고, 모니터링 결과를 통합 제어기(17)에 전송할 수 있다. 또한 본 실시 예에 따른 BMS(20)는 셀 밸런싱(cell balancing) 기능을 수행할 수 있으며, 구체적인 셀 밸런싱 방법에 대하여는 도 2 내지 도 8에서 자세히 설명하도록 한다.
배터리(30)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력 또는 계통(3)의 전력을 공급받아 저장하고, 부하(4) 또는 계통(3)에 저장하고 있는 전력을 공급한다.
배터리(30)는 적어도 하나 이상의 직렬 및/또는 병렬로 연결된 적어도 하나의 배터리 랙(rack)을 포함할 수 있다. 여기서 배터리 랙은 배터리(30)를 구성하는 하위 구성요소이다. 또한, 각각의 배터리 랙은 직렬 및/또는 병렬로 연결된 적어도 하나의 배터리 트레이(tray)를 포함할 수 있다. 여기서 배터리 트레이는 배터리 랙을 구성하는 하위 구성요소이다. 또한 각각의 배터리 트레이는 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 이러한 배터리(30)는 다양한 종류의 배터리 셀로 구현될 수 있으며, 예를 들어 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리(30) 및 BMS(20)를 나타내는 도면이다. 이하, 배터리(30)와 이를 제어하는 보호회로(40)를 합하여 배터리 팩이라고 하도록 한다.
도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 배터리 팩은 배터리(30)와 보호회로(40)를 포함한다.
배터리(30)는 하나 또는 2 이상의 배터리 셀(31-1,...,31-n)을 포함할 수 있다. 배터리(30)는 보호회로(40)와 연결되어 외부로 전력을 공급하거나 외부 전력을 공급받을 수 있다. 한편, 배터리(30)가 전력 저장 시스템(1)에 사용되는 경우, 도 2에서 도시한 31-1 내지 31-n 은 배터리(30)를 구성하는 개별 배터리 랙 또는 배터리 트레이일 수도 있다. 여기서는 31-1 내지 31-n 이 복수의 배터리 셀인 경우로 한정하여 설명하도록 한다. 다만, 이를 복수의 배터리 트레이 또는 복수의 배터리 랙으로 확장하여 적용할 수 있음은 당업자에게 자명하다고 할 것이다.
보호회로(40)는 배터리(30)의 충전 및 방전을 제어하며, 배터리 팩이 안정적으로 동작하도록 배터리 팩 내의 각 부분을 제어한다. 보호회로(40)는 단자부(41), BMS(20), 충전 제어 스위치(42), 방전 제어 스위치(43), 밸런싱 회로부(44)를 포함할 수 있다.
단자부(41)는 적어도 양극 단자(41a)와 음극 단자(41b)를 포함한다. 단자부(41)를 통하여 배터리(30)에 저장된 전력이 외부로 공급될 수 있다. 또한 외부 전력이 단자부(41)를 통하여 배터리(30)로 공급되어 배터리(30)를 충전할 수 있다. 배터리(30)가 휴대용 기기에 사용되는 경우, 단자부(41)는 상기 휴대용 기기 또는 충전기와 연결될 수 있다. 혹은 배터리(30)가 전력 저장 시스템(1)에 사용되는 경우, 단자부(41)는 전력 변환을 위한 양방향 컨버터(14)와 연결될 수 있다.
BMS(20)는 배터리(30)의 충전 상태 또는 방전 상태, 배터리 팩 내부의 전류 흐름 상태 등을 감지하여, 충전 및 방전 제어 등의 기능을 수행한다. BMS(20)는 전원 단자(VDD), 그라운드 단자(VSS), 충전 제어 단자(CHG), 방전 제어 단자(DCG), 적어도 하나의 전압 측정 단자들(V1,...Vn), 밸런싱 제어 단자(BC)를 포함할 수 있다.
전원 단자(VDD)와 그라운드 단자(VSS)에는 전원 전압과 그라운드 전압이 각각 인가된다. 충전 제어 단자(CHG)와 방전 제어 단자(DCG)는 배터리(30)에 이상이 있는 경우, 충전 제어 스위치(42)의 동작을 제어하는 충전 제어신호 또는 방전 제어 스위치(43)의 동작을 제어하는 방전 제어신호를 출력한다.
적어도 하나의 전압 측정 단자(V1,...,Vn)는 배터리(30)의 중간 전압을 측정한다. 즉, 전압 감지 단자(V1,...,Vn)는 배터리 셀(31-1,...,31-n) 사이의 노드와 전기적으로 연결되어 배터리 셀(31-1,...,31-n)의 전압을 측정한다.
밸런싱 제어 단자(BC)는 밸런싱 제어신호(Sb)를 출력하여 밸런싱 회로부(44)에 포함된 스위치들(SW1-1,...,SW1-n)의 온/오프를 제어한다. 도 2에서는 하나의 단자와 신호 라인만 도시하였으나 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 스위치들(SW1-1,...,SW1-n) 각각을 제어하기 위하여 복수의 신호 라인과 밸런싱 제어 단자(BC)로서 복수의 단자가 구비될 수 있을 것이다.
충전 제어 스위치(42)와 방전 제어 스위치(43) 각각은 FET와 기생 다이오드로 이루어질 수 있다. 즉, 충전 제어 스위치(42)는 FET1과 D1으로 이루어지며, 방전 제어 스위치(43)는 FET2와 D2로 이루어진다. 충전 제어 스위치(43)의 전계 효과 트랜지스터(FET1)의 소스와 드레인 사이의 접속방향은 방전 제어 스위치(42)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)와는 반대방향으로 설정한다. 여기서, 충전 제어 스위치(42) 및 방전 제어 스위치(43)의 전계 효과 트랜지스터(FET1, FET2)는 스위칭 소자이며, 본 발명의 기술적 범위는 여기에 한정되지 않고 다른 종류의 스위칭 기능을 수행하는 전기소자가 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리(30)가 전력 저장 시스템(1)에 사용되는 경우, 대전류 경로 상에 흐르는 전류의 크기가 매우 크므로 릴레이가 사용될 수도 있을 것이다.
밸런싱 회로부(44)는 배터리 셀(31-1,...,31-n)의 충전량의 밸런스를 맞출 수 있도록 배터리 셀(31-1,...,31-n) 중 적어도 어느 하나의 배터리 셀을 강제적으로 방전시키는 회로이다. 밸런싱 회로부(44)는 복수의 스위치(SW1-1,...,SW1-n), 저항(R1-1,...,R1-n)을 포함할 수 있다. 밸런싱 회로부(44)는 BMS(20)로부터의 밸런싱 제어신호(Sb)에 따라서 복수의 스위치(SW1-1,...,SW1-n)를 온 또는 오프시켜 특정 배터리 셀에 대하여 루프를 형성한다. 이로 인하여 상기 특정 배터리 셀이 자체적으로 방전되어 셀 밸런싱이 이루어진다.
이하, 본 실시 예에 따른 BMS(20)의 셀 밸런싱 동작에 대하여 살펴보도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 BMS(20)의 일부를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, BMS(20)는 용량 측정부(21), 평균값 계산부(22), 밸런싱 제어부(23)를 포함할 수 있다.
용량 측정부(21)는 적어도 하나의 전압 측정 단자(V1,...,Vn)에서 측정한 중간 전압에 대한 전압 데이터(Dv)를 수신한다. 용량 측정부(21)는 수신한 전압 데이터(Dv)를 사용하여 각 배터리 셀(31-1,...,31-n)의 충전 용량을 계산한다. 용량 측정부(21)는 계산한 충전 용량 데이터(Dc)를 평균값 계산부(22) 및 밸런싱 제어부(23)에 전송한다.
평균값 계산부(22)는 수신한 충전 용량 데이터(Dc)를 사용하여 배터리 셀(31-1,...,31-n)의 충전 용량들의 평균값을 계산한다. 평균값 계산부(22)는 계산한 평균값 데이터(Dav)를 밸런싱 제어부(23)에 전송한다.
밸런싱 제어부(23)는 수신한 충전 용량 데이터(Dc)와 평균값 데이터(Dav)를 사용하여 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀을 분류하고, 상기 분류된 배터리 셀을 방전시켜 셀 밸런싱이 수행되도록 하는 밸런싱 제어신호(Sb)를 생성한다.
구체적으로, 밸런싱 제어부(23)는 평균값 데이터(Dav)를 사용하여 배터리(30)에 포함된 배터리 셀(31-1,...,31-n) 중에서 비정상적인, 예를 들어 열화된, 배터리 셀을 분류하기 위한 제1 기준값을 설정한다. 제1 기준값은 평균값에 미리 설정된 값을 곱한 값일 수 있다. 예를 들어, 제1 기준값은 평균값에 0.9를 곱한 값일 수 있다. 즉, 제1 기준값은 평균값의 90%일 수 있다. 이와 같이, 밸런싱 제어부(23)는 제1 기준값을 설정하고, 제1 기준값 미만의 충전 용량을 갖는 배터리 셀은 비정상 배터리 셀로 인식할 수 있다. 비정상 배터리 셀로 인식된 경우, 해당 배터리 셀은 셀 밸런싱 대상에서 제외될 수 있으며, 배터리(30)가 교체 가능한 배터리 셀들로 이루어진 경우, 비정상 배터리 셀을 교체할 수도 있을 것이다.
밸런싱 제어부(23)는 제1 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀들 중에서 가장 낮은 충전 용량을 갖는 기준 배터리 셀을 검출한다. 그리고 기준 배터리 셀을 기준으로 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀을 분류하기 위한 제2 기준값을 설정한다. 제2 기준값은 기준 배터리 셀의 충전 용량에 미리 설정된 값을 곱한 값일 수 있다. 예를 들어, 제2 기준값은 기준 배터리 셀의 충전 용량에 1.1을 곱한 값일 수 있다. 즉, 제2 기준값은 기준 배터리 셀의 충전 용량의 110%일 수 있다. 이와 같이, 밸런싱 제어부(23)는 제2 기준값을 설정하고, 제2 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀들을 셀 밸런싱 대상으로 분류한다.
또는 밸런싱 제어부(23)는 제2 기준값을 평균값에 미리 설정된 값, 예를 들어 1.1을 곱한 값으로 설정할 수도 있다. 즉, 제2 기준값은 평균값의 110%일 수도 있다.
밸런싱 제어부(23)는 분류한 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀들을 방전시키기 위한 밸런싱 제어신호(Sb)를 생성하고, 밸런싱 제어신호(Sb)에 의하여 밸런싱 회로부(44) 내의 해당 스위치가 온 되어 셀 밸런싱이 수행된다.
이하, 본 실시 예에 따른 BMS(20)의 제어방법에 대하여 살펴보도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 BMS(20)의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, BMS(10)는 전압 측정 단자(V1,...,Vn)를 통하여 각 배터리 셀(31-1,...,31-n)의 전압을 측정한다(S10). 그리고 용량 측정부(21)에서 측정한 전압값으로부터 각 배터리 셀(31-1,...,31-n)의 충전 용량을 측정한다(S11).
평균값 계산부(22)는 측정한 충전 용량의 평균값을 계산한다(S12). 밸런싱 제어부(23)는 계산한 평균값을 사용하여 제1 기준값을 설정한다(S13). 그리고 제1 기준값으로부터 기준 배터리 셀을 검출한다(S14). 기준 배터리 셀이란 제1 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀들 중에서 충전 용량이 가장 낮은 배터리 셀일 수 있다.
한편, 상기 기준 배터리 셀 또는 상기 평균값 등으로부터 제2 기준값을 설정한다(S15). 그리고 설정한 제2 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀들에 대하여 셀 밸런싱을 수행한다(S16).
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 BMS(20)의 제어방법에 의하여 셀 밸런싱 동작을 수행하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 가로축은 배터리 셀을 나타내며, 세로축은 각 배터리 셀의 충전 용량을 나타낸다. Cav는 배터리 셀들의 충전 용량의 평균값을 나타낸다. Cref1은 제1 기준값을 나타내며, Cref2는 제2 기준값을 나타낸다.
본 실시 예의 경우, 제1 기준값(Cref1)은 평균값(Cav)을 기준으로 하여 설정되었다. 배터리 셀 31-n은 제1 기준값(Cref1) 미만의 충전 용량을 가지고 있으며, 따라서 셀 밸런싱 대상에서 제외된다.
배터리 셀 31-1은 제1 기준값(Cref1) 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀들 중에서 가장 낮은 충전 용량을 가지므로 기준 배터리 셀로 설정되며, 제2 기준값(Cref2)은 기준 배터리 셀의 충전 용량을 기준으로 하여 설정된다.
본 실시 예의 경우, 배터리 셀 31-2가 제2 기준값(Cref2) 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀이며, 배터리 셀 31-2에 대하여 셀 밸런싱을 수행한다. 이때, 배터리 셀 31-2는 충전 용량이 평균값(Cav) 또는 제1 기준값(Cref1)이 되도록 방전을 수행할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀은 미리 설정된 임의의 충전 용량이 될때까지 방전을 수행할 수 있을 것이다.
도 6을 참조하면, 가로축은 배터리 셀을 나타내며, 세로축은 각 배터리 셀의 충전 용량을 나타낸다. Cav는 배터리 셀들의 충전 용량의 평균값을 나타낸다. Cref1은 제1 기준값을 나타내며, Cref2는 제2 기준값을 나타낸다.
본 실시 예의 경우, 제2 기준값(Cref2)이 기준 배터리 셀의 충전 용량이 아닌 평균값(Cav)을 기준으로 설정된다. 예를 들어, 제2 기준값(Cref2)은 평균값(Cav)에 1.1을 곱한 값일 수 있다. 즉, 제2 기준값(Cref2)은 평균값의 110%일 수 있다.
나머지 배터리 셀(31-1,...,31-n)의 셀 밸런싱 동작은 도 5에 따른 동작과 동일하므로 설명은 생략하도록 한다.
상기와 같이, 본 실시 예에 따른 배터리 팩, 배터리 팩의 제어방법 또는 이를 포함하는 전력 저장 시스템(1)에서는 셀 밸런싱 동작을 효율적으로 수행할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 BMS(20)의 일부를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, BMS(20)는 용량 측정부(21), 평균값 계산부(22), 밸런싱 제어부(23)를 포함할 수 있다.
용량 측정부(21)는 적어도 하나의 전압 측정 단자(V1,...,Vn)에서 측정한 중간 전압에 대한 전압 데이터(Dv)를 수신한다. 용량 측정부(21)는 수신한 전압 데이터(Dv)를 사용하여 각 배터리 셀(31-1,...,31-n)의 충전 용량을 계산한다. 용량 측정부(21)는 계산한 충전 용량 데이터(Dc)를 평균값 계산부(22) 및 밸런싱 제어부(23)에 전송한다.
평균값 계산부(22)는 수신한 충전 용량 데이터(Dc)를 사용하여 배터리 셀(31-1,...,31-n)의 충전 용량들의 평균값인 제1 평균값을 계산한다. 평균값 계산부(22)는 계산한 제1 평균값을 평균값 데이터(Dav)로서 밸런싱 제어부(23)에 전송한다. 또한 본 실시 예에 따른 평균값 계산부(22)는 밸런싱 제어부(23)로부터 제1 기준값 데이터(Dref1)를 수신한다. 평균값 계산부(22)는 제1 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀들의 충전 용량들의 평균값인 제2 평균값을 다시 계산한다. 그후 평균값 계산부(22)는 제2 평균값을 평균값 데이터(Dav)로서 밸런싱 제어부(23)에 다시 전송한다.
밸런싱 제어부(23)는 수신한 충전 용량 데이터(Dc)와 평균값 데이터(Dav)를 사용하여 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀을 분류하고, 상기 분류된 배터리 셀을 방전시켜 셀 밸런싱이 수행되도록 하는 배런싱 제어신호(Sb)를 생성한다.
구체적으로, 밸런싱 제어부(23)는 제1 평균값에 대한 평균값 데이터(Dav)를 사용하여 배터리(30)에 포함된 배터리 셀(31-1,...,31-n) 중에서 비정상적인, 예를 들어 열화된, 배터리 셀을 분류하기 위한 제1 기준값을 설정한다. 제1 기준값은 평균값에 미리 설정된 값을 곱한 값일 수 있다. 예를 들어, 제1 기준값은 평균값에 0.9를 곱한 값일 수 있다. 즉, 제1 기준값은 평균값의 90%일 수 있다. 이와 같이, 밸런싱 제어부(23)는 제1 기준값을 설정하고, 제1 기준값 미만의 충전 용량을 갖는 배터리 셀은 비정상 배터리 셀로 인식할 수 있다. 비정상 배터리 셀로 인식된 경우, 해당 배터리 셀은 셀 밸런싱 대상에서 제외될 수 있으며, 배터리(30)가 교체 가능한 배터리 셀들로 이루어진 경우, 비정상 배터리 셀을 교체할 수도 있을 것이다.
밸런싱 제어부(23)는 현재 설정한 제1 기준값을 제1 기준값 데이터(Dref1)로서 평균값 계산부(22)에 전송한다. 밸런싱 제어부(23)는 제1 기준값 데이터(Dref1)의 전송 이후에 제2 평균값에 대한 평균값 데이터(Dav)를 다시 수신한다. 그리고 밸런싱 제어부(23)는 제2 평균값을 사용하여 제1 기준값을 다시 설정한다.
밸런싱 제어부(23)는 마지막으로 설정된 제1 기준값을 사용하여 기준 배터리 셀을 검출한다. 또한 밸런싱 제어부(23)는 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀을 분류하기 위한 제2 기준값을 설정하고, 이에 기초하여 밸런싱 제어신호(Sb)를 생성한다. 상기 동작은 도 3에 따른 밸런싱 제어부(23)의 동작과 동일하므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
이하, 본 실시 예에 따른 BMS(20)의 제어방법에 대하여 살펴보도록 한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 BMS(20)의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, BMS(10)는 전압 측정 단자(V1,...,Vn)를 통하여 각 배터리 셀(31-1,...,31-n)의 전압을 측정한다(S20). 그리고 용량 측정부(21)에서 측정한 전압값으로부터 각 배터리 셀(31-1,...,31-n)의 충전 용량을 측정한다(S21).
평균값 계산부(22)는 측정한 충전 용량의 평균값인 제1 평균값을 계산한다(S22). 밸런싱 제어부(23)는 계산한 평균값을 사용하여 제1 기준값을 설정한다(S23).
평균값 계산부(22)는 설정한 제1 기준값을 수신하여 제1 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀들의 충전 용량들의 평균값인 제2 평균값을 계산한다(S24). 밸런싱 제어부(23)는 제2 평균값을 사용하여 제1 기준값을 재설정한다(S25).
밸런싱 제어부(23)는 재설정된 제1 기준값으로부터 기준 배터리 셀을 검출하고(S26), 기준 배터리 셀 또는 상기 평균값 등으로부터 제2 기준값을 설정한다(S27). 그리고 설정한 제2 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀들에 대하여 셀 밸런싱을 수행한다(S28).
상기와 같이, 본 실시 예에 따른 배터리 팩, 배터리 팩의 제어방법 또는 이를 포함하는 전력 저장 시스템(1)에서는 셀 밸런싱 동작을 효율적으로 수행할 수 있게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1 전력 저장 시스템 10 전력 변환 시스템(PCS)
20 배터리 관리부(BMS) 21 용량 측정부
22 평균값 계산부 23 밸런싱 제어부
30 배터리 44 밸런싱 회로부

Claims (20)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩의 제어방법으로서,
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 충전 용량을 계산하는 단계;
    상기 계산한 충전 용량들의 평균값인 제1 평균값을 구하는 단계;
    상기 제1 평균값에 기초하여 셀 밸런싱 대상에서 제외되는 비정상 배터리 셀을 분류하기 위한 제1 기준값을 설정하는 단계;
    상기 제1 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀 중에서 가장 낮은 충전 용량을 갖는 제1 배터리 셀을 검출하는 단계;
    셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀을 분류하기 위한 제2 기준값을 설정하는 단계; 및
    상기 제2 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀들에 대하여 셀 밸런싱을 수행하는 단계;를 포함하는 배터리 팩의 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기준값 미만의 충전 용량을 갖는 배터리 셀을 비정상 배터리 셀로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기준값 미만의 충전 용량을 갖는 배터리 셀을 상기 배터리 팩에서 제거하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱은 상기 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀의 충전 용량을 상기 제1 배터리 셀의 충전 용량으로 조절하는 것임을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱은 상기 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀의 충전 용량을 상기 평균값으로 조절하는 것임을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기준값을 상기 제1 평균값의 90%로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 기준값을 상기 제1 배터리 셀의 충전 용량의 110%로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 기준값을 상기 제1 평균값의 110%로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀의 충전 용량의 평균값인 제2 평균값을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 평균값에 기초하여 상기 제1 기준값을 재설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 기준값을 상기 제2 평균값의 90%로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제2 기준값을 상기 제2 평균값의 110%로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어방법.
  13. 복수의 배터리 셀;
    상기 배터리 셀의 충전 용량을 측정하는 용량 측정부;
    상기 측정한 충전 용량들의 평균값을 계산하는 평균값 계산부;
    상기 측정한 충전 용량과 상기 평균값에 기초하여 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀을 분류하는 밸런싱 제어부; 및
    상기 밸런싱 제어부로부터의 제어 신호에 따라서 셀 밸런싱을 수행하는 밸런싱 회로부;를 포함하고,
    상기 밸런싱 제어부는,
    상기 평균값에 기초하여 셀 밸런싱 대상에서 제외되는 비정상 배터리 셀을 분류하기 위한 제1 기준값을 설정하고,
    상기 제1 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀 중에서 가장 낮은 충전 용량을 갖는 제1 배터리 셀을 검출하고,
    상기 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀을 분류하기 위한 제2 기준값을 설정하고,
    상기 제2 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀들을 상기 셀 밸런싱 대상으로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 밸런싱 제어부는,
    상기 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀의 충전 용량을 상기 제1 배터리 셀의 충전 용량으로 조절하도록 상기 밸런싱 회로부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 밸런싱 제어부는,
    상기 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀의 충전 용량을 상기 평균값으로 조절하도록 상기 밸런싱 회로부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제2 기준값은 상기 제1 배터리 셀의 충전 용량에 기초하여 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제2 기준값은 상기 평균값에 기초하여 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 밸런싱 제어부는 상기 제1 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀의 정보를 상기 평균값 계산부에 전송하고,
    상기 평균값 계산부는 상기 제1 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀들의 충전 용량의 평균값인 제2 평균값을 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  20. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리를 포함하며, 상기 배터리, 발전 시스템, 및 계통의 전력을 연계하여 부하에 공급하는 전력 저장 시스템으로서,
    상기 전력 저장 시스템은,
    상기 배터리 셀의 충전 용량을 측정하는 용량 측정부;
    상기 측정한 충전 용량들의 평균값을 계산하는 평균값 계산부; 및
    상기 측정한 충전 용량과 상기 평균값에 기초하여 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀을 분류하고, 상기 분류된 배터리 셀에 대하여 셀 밸런싱을 수행하는 밸런싱 제어부;를 포함하고,
    상기 밸런싱 제어부는,
    상기 평균값에 기초하여 셀 밸런싱 대상에서 제외되는 비정상 배터리 셀을 분류하기 위한 제1 기준값을 설정하고,
    상기 제1 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀 중에서 가장 낮은 충전 용량을 갖는 제1 배터리 셀을 검출하고,
    상기 셀 밸런싱 대상이 되는 배터리 셀을 분류하기 위한 제2 기준값을 설정하고,
    상기 제2 기준값 이상의 충전 용량을 갖는 배터리 셀들을 상기 셀 밸런싱 대상으로 설정하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
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