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KR101653700B1 - 입출력부 일체 배터리 관리 시스템 - Google Patents

입출력부 일체 배터리 관리 시스템 Download PDF

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KR101653700B1
KR101653700B1 KR1020140019257A KR20140019257A KR101653700B1 KR 101653700 B1 KR101653700 B1 KR 101653700B1 KR 1020140019257 A KR1020140019257 A KR 1020140019257A KR 20140019257 A KR20140019257 A KR 20140019257A KR 101653700 B1 KR101653700 B1 KR 101653700B1
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battery
battery pack
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mobile terminal
unit
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KR1020140019257A
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김훈
조재영
이용현
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(주)아이비티
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Abstract

본 발명은 입출력부가 일체화되고 관리자가 스마트폰을 이용한 근거리통신 및 웹 상의 관리서버와의 통신이 가능하여 배터리팩 상태 모니터링 및 제어가 신속하고 용이하게 이루어지도록 하는 입출력부 일체 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
이 발명에 따른 입출력부 일체 배터리 관리 시스템은, 배터리팩과 연결되어 전체 배터리팩 전압, 전체 배터리팩 전류, 배터리팩 온도, 상기 배터리팩을 구성하는 각각의 배터리셀 전압, 배터리팩 충방전횟수, 상기 배터리팩의 충전상태(SOC, State of Charge), 상기 배터리팩의 건강상태(SOH, State of Health)를 포함하는 배터리팩 관련 정보를 주기적으로 측정 및 연산하여 저장부에 저장하고 관리자로부터 설정된 셀 밸런스값을 입력받아 상기 저장부에 저장하는 배터리제어부와; 상기 배터리제어부와 관리자와의 직접적인 입출력 인터페이스를 수행하는 입출력보드와; 상기 배터리제어부와 관리자의 모바일단말 사이의 인터페이스를 수행하는 근거리통신부와; 상기 배터리제어부와 원격지의 관리서버 사이의 인터페이스를 수행하는 웹 통신부를 포함한다.

Description

입출력부 일체 배터리 관리 시스템 {Battery Management System united with I/O module}
본 발명은 배터리 관리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입출력부가 일체화되고 관리자가 스마트폰을 이용한 근거리통신 및 웹 상의 관리서버와의 통신이 가능하여 배터리팩 상태 모니터링 및 제어가 신속하고 용이하게 이루어지도록 하는 입출력부 일체 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
이차전지산업은 에너지 고갈 및 기후변화협약 등의 환경문제로 관심이 지속적으로 높아지고 있으며, 대체에너지에 대한 미래의 투자라는 전략적 측면에서도 중요한 의미를 가진다. 통상적으로 대용량 전지는 직렬로 연결되는 복수 개의 배터리팩으로 이루어지며, 각 배터리팩은 다량의 배터리셀이 직렬 혹은 병렬로 연결되어 이루어진다.
일반적으로 산업용에 쓰이는 대용량 리튬이온전지는 가볍고 기전력이 크며 기억효과가 없고 자가방전에 의한 전력 손실이 매우 적다는 우수한 특징으로 인해 그 수요가 계속해서 증대되고 있다. 그러나, 이러한 리튬이온전지는 온도에 민감하고, 고온이나 과충전/과방전 상태에서 폭발할 위험이 있다.
따라서, 기존의 전동차, UPS 등에 사용하던 대용량 전지를 연축전지, 니켈카드뮴 축전지, 니켈수소 축전지 등에서 리튬이온전지로 교체하여 사용할 경우, 리튬이온전지의 특성에 따른 상태를 감시하고 안전사고 발생 위험을 사전에 감지하여 관리자에게 보고함으로써, 관리자로 하여금 적절한 조치를 취할 수 있도록 하는 배터리 관리 기술이 요구된다. 리튬이온전지를 위한 배터리 관리 시스템은 리튬이온전지의 상태를 모니터링하고 충방전을 제어하는 기능을 한다.
종래에 관리자가 리튬이온전지의 동작이나 제어 상태를 모니터링하려면 배터리 관리 시스템에 PC와 같은 외부 모니터링 장치를 연결하여 그래픽유저인터페이스(GUI)를 실행하여야 하기 때문에 사용이 불편하고 장비 구입 비용이 증가하며 사용자 접근성이 떨어지는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제1156342호
대한민국 등록특허 제1121095호
대한민국 등록특허 제1270798호
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 이 발명의 목적은, PC와 같은 외부 모니터링 장치의 연결없이 배터리 관리 시스템에 내장된 입출력보드, 관리자가 소지한 스마트폰, 원격지의 웹 접속 관리서버 등을 통해 배터리 관리 시스템에 접근하여 대용량 리튬이온전지의 상태 모니터링 및 제어가 가능하도록 하는 입출력부 일체 배터리 관리 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 이 발명에 따른 입출력부 일체 배터리 관리 시스템은, 배터리팩과 연결되어 전체 배터리팩 전압, 전체 배터리팩 전류, 배터리팩 온도, 상기 배터리팩을 구성하는 각각의 배터리셀 전압, 배터리팩 충방전횟수, 상기 배터리팩의 충전상태(SOC, State of Charge), 상기 배터리팩의 건강상태(SOH, State of Health)를 포함하는 배터리팩 관련 정보를 주기적으로 측정 및 연산하여 저장부에 저장하고 관리자로부터 설정된 셀 밸런스값을 입력받아 상기 저장부에 저장하는 배터리제어부와;
상기 배터리제어부와 관리자와의 직접적인 입출력 인터페이스를 수행하는 입출력보드와;
상기 배터리제어부와 관리자의 모바일단말 사이의 인터페이스를 수행하는 근거리통신부와;
상기 배터리제어부와 원격지의 관리서버 사이의 인터페이스를 수행하는 웹 통신부를 포함한 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 이 발명에 따르면 별도의 인터페이스용 PC가 필요없고 배터리 관리 시스템에 내장된 입출력보드, 관리자가 소지하고 있는 스마트폰, 또는 관리서버 등 다양한 인터페이스 수단으로 배터리 관리 시스템에 접근할 수 있기 때문에 관리자의 배터리 관리 시스템으로의 접근성이 향상되며, 이로 인해 신속성, 편의성, 경제성이 증대되는 효과가 있다.
도 1은 이 발명에 따른 입출력부 일체 배터리 관리 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 관리서버 접속 화면을 도시한 일 예시도이다.
도 3은 도 2의 접속 화면에서 하나의 배터리팩에 대한 상세 조회 화면을 도시한 일 예시도이다.
이하, 본 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명된 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서 전반에 걸쳐 표시되는 약어는 본 명세서 내에서 별도의 다른 지칭이 없다면 당 업계에서 통용되어, 이해되는 수준으로 해석되어야 한다.
도 1은 이 발명에 따른 입출력부 일체 배터리 관리 시스템을 도시한 구성도이다.
이 발명에 따른 입출력부 일체 배터리 관리 시스템(110)은, 배터리제어부(111)와, 저장부(112)와, 입출력보드(113)와, 근거리통신부(114)와, 웹 통신부(115)와, 위치감지부(116)를 포함한다.
배터리제어부(111)는, 배터리팩(120)과 연결되어 전체 배터리팩 전압, 전체 배터리팩 전류, 배터리팩 온도, 배터리팩을 구성하는 각 배터리셀 전압, 배터리팩 충방전횟수, 배터리팩(120)의 충전상태(SOC, State of Charge), 배터리팩(120)의 건강상태(SOH, State of Health) 등을 주기적으로 측정 및 연산하여 저장부(112)에 저장한다. 저장부(112)에는 관리자로부터 설정된 셀 밸런스값이 더 저장된다. 여기서, 셀 밸런스값은 배터리팩(120)의 충전시 셀 밸런싱이 이루어지는 기준전압을 의미한다. 이 셀 밸런스값은 과충전 방지 기준전압일 수도 있고, 배터리셀 평균전압 대비 기준오차전압일 수도 있다.
셀 밸런스값이 과충전 방지 기준전압인 경우, 배터리제어부(111)는 배터리팩(120)을 구성하는 배터리셀들 중 일부의 배터리셀 전압이 과충전 방지 기준전압에 도달하면 해당 배터리셀에 셀 밸런싱이 동작하도록 하여 해당 배터리셀에 매칭된 방전저항을 통해 배터리셀 전압이 방전되도록 한다. 이로써, 해당 전체 배터리팩에 대한 셀 밸런싱이 이루어져서 배터리셀의 과충전이 방지되면서 전체 배터리팩이 만충전된다.
또는, 셀 밸런스값이 기준오차전압인 경우, 배터리제어부는 배터리팩의 충전시 모든 배터리셀들의 전압에 대해 평균전압을 연산한다. 배터리제어부는 배터리셀의 전압과 평균전압과의 차이가 기준오차전압 미만인 배터리셀들은 정상으로 판단하고 평균전압과의 차이가 기준오차전압 이상인 배터리셀들에 셀 밸런싱이 동작하도록 하여 해당 배터리셀에 매칭된 방전저항을 통해 배터리셀 전압이 방전되도록 한다. 이로써, 해당 전체 배터리팩에 대한 셀 밸런싱이 이루어져서 배터리셀의 과충전이 방지되면서 전체 배터리팩이 만충전된다.
신규 배터리팩의 경우, 배터리팩을 구성하는 모든 배터리셀들의 셀 상태가 건전하고 특성이 유사하기 때문에 모든 배터리셀들이 거의 동시에 충전 및 방전되며, 이로 인해 셀 밸런싱이 거의 필요없다. 그러나, 각 배터리셀의 특성 및 팩 내에서의 위치에 따라 각 배터리셀의 열화 속도가 다르며, 이 경우 배터리셀이 충전되고 방전되는데 시간차가 발생하며 배터리셀 간의 전압 산포로 인하여 셀 밸런싱이 필요하게 된다.
배터리팩을 사용할수록 밸런싱 대상 셀의 개수는 증가하고, 밸런싱 대상 셀 개수가 증가함에 따라 셀 밸런싱에 소요되는 시간(모든 배터리셀들이 만충전되는데 소요되는 시간)도 증가하게 된다. 통상 배터리팩의 열화가 어느 정도 진행될 때까지는 밸런싱 대상 셀 개수나 셀 밸런싱 시간에 변화량이 크지 않다가 특정 열화 시점을 지나면 밸런싱 대상 셀 개수와 셀 밸런싱 시간이 급격하게 증가한다.
따라서, 이 발명에서 배터리팩의 건강상태(SOH)는 밸런싱 대상 셀 개수 및 셀 밸런싱 시간을 기반으로 연산되는 것이 바람직하다. 배터리제어부(111)는 설정된 주기마다 밸런싱 대상 셀 개수 및 셀 밸런싱 시간의 이력을 누적하여 저장하고, 저장된 이력을 기반으로 밸런싱 대상 셀 개수 및 셀 밸런싱 시간의 변화 정보를 도출하며 이를 기반으로 배터리팩의 건강상태(SOH)를 추정한다. 예컨대, 배터리제어부(111)는 이전 주기에서의 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간의 변화율 대비 현 주기에서의 밸런싱 대상 셀 개수 또는 셀 밸런싱 시간의 변화율이 급격하게 증가하면 이를 기반으로 SOH를 추정한다.
배터리제어부(111)에는 입출력보드(113), 근거리통신부(114), 웹 통신부(115)가 각각 연결되는 바, 입출력보드(113)는 관리자와의 직접적인 입출력 인터페이스를 수행하고, 근거리통신부(114)는 관리자 모바일단말(130)과 배터리제어부(111) 사이의 인터페이스를 수행하며, 웹 통신부(115)는 통신망을 통해 원격지의 관리서버(140)와 배터리제어부(111) 사이의 인터페이스를 수행한다.
입출력보드(113)는 키입력부와 디스플레이출력부를 포함하는 바, 키입력부를 통해 관리자 제어신호를 배터리제어부(111)에 송출하고, 배터리제어부(111)로부터 입력되는 배터리팩 상태 정보를 디스플레이출력부에 표시한다. 상기 키입력부는 푸시스위치로 구성되고, 상기 디스플레이출력부는 FND(Flexible Numeric Display) 및 LED(Light Emitting Diode)로 구성될 수 있다.
배터리제어부(111)는 주기적으로 측정 및 연산하여 저장부(112)에 저장된 배터리팩에 관한 정보(예컨대, 전체 배터리팩 전압, 전체 배터리팩 전류, 배터리팩 온도, 위치정보, 배터리팩을 구성하는 각 배터리셀 전압, 배터리팩 충방전횟수, 배터리팩의 충전상태(SOC), 배터리팩의 건강상태(SOH) 등)와, 관리자에 의해 설정된 셀 밸런스값 정보와, 배터리팩 고유식별번호를 함께 관리서버(140)에게 전송한다. 관리서버(140)는 배터리팩 고유식별번호와 해당 배터리팩이 설치된 차량정보와 제품사진과 근거리통신접속정보를 등록하고, 배터리제어부(111)로부터 배터리팩 고유식별번호와, 배터리팩에 관한 정보와, 셀 밸런스값을 수신하여 저장한다.
관리서버(140)는 다수의 각기 다른 차량에 장착된 배터리제어부로부터 각각의 배터리팩 고유식별정보와 함께 해당 배터리팩에 관한 정보를 수집하여 저장한다.
관리자는 모바일단말(130) 또는 PC단말을 이용하여 통신망을 통해 원격지의 관리서버(140)에 접속할 수 있다. 관리자가 관리서버(140)에 접속하면 도 2에 도시된 바와 같이 관리서버(140)에서 관리하는 전체 배터리팩 고유식별번호 리스트와 현재 선택된 배터리팩을 표시하는 아이콘, 전체 배터리팩 전압, 전체 배터리팩 전류, 배터리팩 온도, 배터리팩에 관한 정보가 업데이트된 날짜 정보가 표시되며, 선택된 배터리팩의 위치정보와 제품사진이 단말 화면에 표시된다.
관리자가 단말 화면에서 특정 배터리팩 고유식별번호를 선택 연결하면, 도 3에 도시된 바와 같이 해당 배터리팩을 구성하는 각 배터리셀 전압이 표시된다. 도시되지 않았으나, 셀 밸런스값, 배터리팩 충방전횟수, 배터리팩의 충전상태(SOC), 배터리팩의 건강상태(SOH) 등이 더 표시될 수도 있다.
모바일단말(130)의 요청시 관리서버(140)는 모바일단말(130)에게 입출력부 일체 배터리 관리 시스템(110)의 근거리통신접속정보를 알려준다. 그러면, 모바일단말(130)은 근거리통신부(114)에 근거리 통신채널을 형성하여 모바일단말(130)과 배터리제어부(111)간 통신이 이루어진다. 근거리통신부(114)는 블루투스 통신부인것이 바람직하다.
모바일단말(130)은 관리서버(140)에 접속하여 관리서버(140)에 저장되어 있던 배터리팩에 관한 정보를 수신하기도 하지만, 근거리통신부(114)를 통해 배터리제어부(111)와 통신하여 배터리제어부(111)를 제어하면서 배터리팩에 관한 정보를 실시간으로 수집하여 모니터링하고, 셀 밸런스값을 수정하기도 한다. 이때, 셀 밸런스값은 배터리팩(120)의 충전시 셀 밸런싱이 이루어지는 기준전압인 바, 셀 밸런스값이 잘못 설정되면 셀 밸런싱이 정상적으로 이루어지지 않아 배터리팩에 이상이 발생될 수 있다. 따라서, 모바일단말(130)을 이용하여 배터리팩에 관한 정보를 모니터링하다가 셀 밸런스값을 재설정하고자 할 경우, 관리자 인증이 수행되도록 한다.
관리서버(140)는 관리자별로 관리자 인증번호와 모바일단말의 UUID(Uinique User Identidfier)를 저장하고, 임의의 모바일단말로부터 관리자 인증이 요청되면 해당 관리자 인증 요청 모바일단말의 UUID 및 인증 요청용 인증번호를 입력받아 기저장된 관리자 모바일단말의 UUID 및 관리자 인증번호를 각각 비교하여 모두 일치하는 경우에 관리자 인증을 승인한다. 관리자 인증이 승인되면, 셀 밸런스값에 대한 재설정이 가능해진다. 관리자 인증 후 셀 밸런스값이 재설정되면, 셀 밸런스값이 재설정된 시간 정보 및 재설정한 관리자 정보가 저장된다.
110 : 입출력부 일체 배터리 관리 시스템 111 : 배터리제어부
112 : 저장부 113 : 입출력보드
114 : 근거리통신부 115 : 웹통신부
116 : 위치감지부 120 : 배터리팩
130 : 모바일단말 140 : 관리서버

Claims (4)

  1. 배터리팩과 연결되어 전체 배터리팩 전압, 전체 배터리팩 전류, 배터리팩 온도, 상기 배터리팩을 구성하는 각각의 배터리셀 전압, 배터리팩 충방전횟수, 상기 배터리팩의 충전상태(SOC, State of Charge), 상기 배터리팩의 건강상태(SOH, State of Health)를 포함하는 배터리팩 관련 정보를 주기적으로 측정 및 연산하여 저장부에 저장하고 관리자로부터 설정된 셀 밸런스값을 입력받아 상기 저장부에 저장하는 배터리제어부와; 상기 배터리제어부와 관리자와의 직접적인 입출력 인터페이스를 수행하는 입출력보드와; 상기 배터리제어부와 관리자의 모바일단말 사이의 인터페이스를 수행하는 근거리통신부와; 상기 배터리제어부와 원격지의 관리서버 사이의 인터페이스를 수행하는 웹 통신부를 포함하고,
    상기 배터리제어부는 설정된 주기마다 밸런싱 대상 셀 개수 및 셀 밸런싱 시간의 이력을 누적하여 저장하고, 저장된 이력을 기반으로 밸런싱 대상 셀 개수 및 셀 밸런싱 시간의 변화율로부터 상기 배터리팩의 건강상태(SOH)를 추정하는 것을 특징으로 하는 입출력부 일체 배터리 관리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리제어부는 관리자 인증이 승인 후 상기 셀 밸런스값의 재설정이 가능하도록 하고,
    상기 관리자 인증 승인은, 관리자 인증번호와 관리자 모바일단말의 UUID(Uinique User Identidfier)를 저장하고, 임의의 모바일단말로부터 관리자 인증이 요청되면 상기 관리자 인증 요청 모바일단말의 UUID 및 인증 요청용 인증번호를 입력받아 기저장된 상기 관리자 모바일단말의 UUID 및 관리자 인증번호를 각각 비교하여 모두 일치하면 관리자 인증을 승인하는 것을 특징으로 하는 입출력부 일체 배터리 관리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 근거리통신부는 블루투스 통신부인 것을 특징으로 하는 입출력부 일체 배터리 관리 시스템.
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