KR102590031B1

KR102590031B1 - 배터리 셀 유지관리 장치

Info

Publication number: KR102590031B1
Application number: KR1020210107406A
Authority: KR
Inventors: 양승학
Original assignee: 호남대학교 산학협력단
Priority date: 2021-08-13
Filing date: 2021-08-13
Publication date: 2023-10-17
Anticipated expiration: 2041-08-13
Also published as: KR20230025186A

Abstract

본 발명은 내부저항이 높은 배터리 셀을 배터리 모듈에서 분리시키고 해당 배터리 셀의 셀 전압에 대응하는 독립전원을 배터리 모듈에 연결시키는 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 유지관리 장치는 직렬 연결된 복수의 배터리 셀로 구성되는 배터리 모듈, 각각의 배터리 셀 양단에 연결되는 시험회로, 직렬 연결된 복수의 독립전원으로 구성되고 상기 배터리 모듈의 일단에 연결되는 전원팩 및 상기 시험회로를 통해 식별된 상기 배터리 셀의 내부저항의 크기에 따라 상기 배터리 셀을 상기 배터리 모듈로부터 분리하고, 상기 분리된 배터리 셀에 대응하는 독립전원을 상기 배터리 모듈에 접속시키는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 셀 유지관리 장치{APPARATUS FOR MAINTAINING BATTERY CELLS}

본 발명은 내부저항이 높은 배터리 셀을 배터리 모듈에서 분리시키고 해당 배터리 셀의 셀 전압에 대응하는 독립전원을 배터리 모듈에 연결시키는 장치에 관한 것이다.

에너지 저장 시스템(Energy Storage System, 이하 ESS)은 계통(grid)으로부터 공급된 교류 전기를 직류 전기로 변환하여 배터리에 저장하고, 필요에 따라 배터리에 저장된 전기를 부하에 제공하는 시스템이다.

ESS에 포함된 배터리는 다수의 배터리 셀을 포함하여 구성된다. 구체적으로, ESS는 배터리 랙(battery rack)을 포함하는데, 배터리 랙은 복수의 배터리 모듈(battery module)로 구성되고, 배터리 모듈은 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(battery cell)로 구성된다.

한편, 최근 ESS 화재 사고의 주 원인으로는 배터리에 국부 과열이 발생하여 화재가 시작되고, 전체 시스템으로 번지는 것으로 확인되고 있다. 예를 들어, 배터리 셀에 과전압이 인가되었을 때 음극과 양극 간에 절연이 파괴되면서 단락(short)이 발생하게 되고 이는 화재의 원인이 될 수 있다. 또한, 과전압이 인가되지 않더라도 음극과 양극을 분리하는 분리막의 손상, 양극 및 음극 소재와 극판의 불량 접합에 따른 배터리 셀의 내부저항 증가 역시 충방전시 비정상적인 열을 발생시켜 화재의 원인이 될 수 있다.

특히, 배터리 셀의 내부저항 상승은 충방전 전류에 의한 줄열(Joule's heat)을 발생시켜 배터리의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라 나아가 화재 사고로 이어질 수 있으므로, ESS의 상시 사용 중에 배터리의 건전성을 평가하기 위해서는 배터리의 내부저항을 식별하고 내부저항이 높은 배터리 셀을 전체 배터리의 구성에서 배재할 필요가 있다.

본 발명은 배터리 셀 각각의 내부저항을 식별하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 배터리 셀의 내부저항에 따라 해당 베터리 셀과 다른 배터리 셀 간의 연결상태를 제어하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 배터리 모듈에서 분리된 배터리 셀에 대응하는 독립전원을 배터리 모듈에 연결시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 유지관리 장치는 직렬 연결된 복수의 배터리 셀로 구성되는 배터리 모듈, 각각의 배터리 셀 양단에 연결되는 시험회로, 직렬 연결된 복수의 독립전원으로 구성되고 상기 배터리 모듈의 일단에 연결되는 전원팩 및 상기 시험회로를 통해 식별된 상기 배터리 셀의 내부저항의 크기에 따라 상기 배터리 셀을 상기 배터리 모듈로부터 분리하고, 상기 분리된 배터리 셀에 대응하는 독립전원을 상기 배터리 모듈에 접속시키는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 시험회로는 시험저항, 상기 시험저항과 상기 배터리 셀의 일단을 연결하는 제1 스위치, 상기 배터리 셀의 양단에 병렬 연결되는 제2 스위치, 상기 시험저항과 직렬 연결되는 전류센서 및 상기 배터리 셀의 양단과 병렬 연결되는 전압센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 시험회로와 상기 배터리 셀을 선택적으로 접속시키고, 상기 시험회로의 접속 전후로 발생하는 상기 배터리 셀 양단의 전압 변화와 상기 시험회로에 흐르는 시험전류에 기초하여 상기 배터리 셀의 내부저항을 식별하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 시험회로의 접속 전 상기 배터리 셀 양단전압과 상기 시험회로의 접속 후 상기 배터리 셀 양단전압의 차를 상기 시험전류로 나누어 상기 내부저항을 식별하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 제1 스위치를 오프 제어한 상태에서 측정된 상기 배터리 셀 양단전압과 상기 제1 스위치를 온 제어한 상태에서 측정된 상기 배터리 셀 양단전압의 차를, 상기 제1 스위치를 온 제어한 상태에서 측정된 상기 시험전류로 나누어 상기 내부저항을 식별하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 내부저항이 기준값을 초과하면 상기 배터리 모듈로부터 상기 배터리 셀을 분리하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 내부저항이 기준값을 초과하면 상기 제2 스위치를 온 제어하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 분리된 배터리 셀의 개수를 식별하고, 상기 식별된 개수에 대응하는 셀 전압을 식별하고, 상기 식별된 셀 전압에 대응하는 개수의 독립전원을 상기 배터리 모듈에 접속시키는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 복수의 독립전원 각각은 스위치를 통해 접속되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 스위치를 제어하여 상기 분리된 배터리 셀에 대응하는 독립전원을 상기 배터리 모듈에 접속시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 배터리 셀 각각의 내부저항을 식별함으로써, 각 배터리 셀의 화재 위험도를 모니터링할 수 있다.

또한, 본 발명은 내부저항이 높은 배터리 셀을 배터리 모듈로부터 분리시킴으로써 배터리 셀의 내부저항 상승으로 인한 화재 위험을 원천적으로 예방할 수 있다.

또한, 본 발명은 배터리 모듈에서 분리된 배터리 셀에 대응하는 독립전원을 배터리 모듈에 연결시킴으로써 배터리 모듈의 전체 전압을 유지할 수 있고, 이에 따라 ESS의 성능저하를 방지할 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 유지관리 장치를 도시한 도면.
도 2는 배터리 셀의 등가 회로도.
도 3은 배터리 모듈의 등가 회로도.
도 4 및 도 5는 배터리 모듈이 충전 또는 방전되는 모습을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시험회로가 배터리 셀에 연결된 모습을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시험회로가 배터리 모듈에 연결된 모습을 도시한 도면.
도 8 및 도 9는 배터리 셀이 충전 또는 방전될 때 배터리 셀의 내부저항을 식별하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 10은 배터리 모듈로부터 특정 배터리 셀의 연결을 끊는 모습을 도시한 도면.
도 11은 도 10에 도시된 회로의 등가 회로도.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원팩을 도시한 도면.
도 13은 도 12에 도시된 전원팩이 배터리 모듈에 연결되는 모습을 도시한 도면.
도 14는 배터리 모듈로부터 특정 배터리 셀이 분리되는 대신 독립전원이 배터리 모듈에 접속된 모습을 도시한 도면.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

본 명세서에서 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

또한, 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다

본 발명은 내부저항이 높은 배터리 셀을 배터리 모듈에서 분리시키고 해당 배터리 셀의 셀 전압에 대응하는 독립전원을 배터리 모듈에 연결시키는 장치에 관한 것이다. 이하, 도 1 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 유지관리 장치를 구체적으로 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 유지관리 장치를 도시한 도면이다.

도 2는 배터리 셀의 등가 회로도이고, 도 3은 배터리 모듈의 등가 회로도이다.

도 4 및 도 5는 배터리 모듈이 충전 또는 방전되는 모습을 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시험회로가 배터리 셀에 연결된 모습을 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시험회로가 배터리 모듈에 연결된 모습을 도시한 도면이다.

도 8 및 도 9는 배터리 셀이 충전 또는 방전될 때 배터리 셀의 내부저항을 식별하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 10은 배터리 모듈로부터 특정 배터리 셀의 연결을 끊는 모습을 도시한 도면이고, 도 11은 도 10에 도시된 회로의 등가 회로도이다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원팩을 도시한 도면이고, 도 13은 도 12에 도시된 전원팩이 배터리 모듈에 연결되는 모습을 도시한 도면이다.

도 14는 배터리 모듈로부터 특정 배터리 셀이 분리되는 대신 독립전원이 배터리 모듈에 접속된 모습을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 유지관리 장치(1)는 배터리 모듈(10), 시험회로(20), 전원팩(30), 프로세서(40), 그리고 프로세서(40)의 동작을 위한 메모리(미도시)를 포함할 수 있다. 다만, 도 1에 도시된 배터리 셀 유지관리 장치(1)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 1에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.

배터리 모듈(10)은 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(11)로 구성될 수 있다. 여기서 배터리 셀(11)은 이차전지에 이용되는 것으로 충방전되는 전압원(Vb)과 내부저항(Rs)으로 구성될 수 있다.

도 2를 참조하면, 배터리 셀(11)은 전압원(Vb)과 내부저항(Rs)이 직렬로 연결된 회로로 등가화될 수 있다. 이 때, 전압원(Vb)은 충방전이 가능한 회로 요소이므로 커패시터로 도시될 수도 있으며, 이하에서는 설명의 편의를 위해 배터리 셀(11)에 포함된 전압원을 셀 전압(Vb)으로 지칭하도록 한다.

이와 같은 배터리 셀(11)은 복수개가 직렬 연결되어 배터리 모듈(10)을 구성할 수 있다.

도 3을 예로 들어 설명하면, 배터리 셀(11)은 60개의 배터리 셀(11)이 직렬 연결되어 구성될 수 있다. 도 2에서 설명한 바와 같이 각각의 배터리 셀(11)은 셀 전압(Vb)과 내부저항(Rs)을 포함할 수 있다.

이와 같은 배터리 모듈(10)은 충방전회로(100)와 연결되어 충전 또는 방전될 수 있다. 보다 구체적으로, 배터리 모듈(10)은 충방전회로(100)와 연결될 수 있고, 충방전회로(100)의 전압 크기에 따라 충전 또는 방전될 수 있다.

도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 배터리 모듈(10)을 구성하는 각각의 배터리 셀(11)은 3.7[V]의 셀 전압(Vb)을 가질 수 있고, 배터리 모듈(10)은 충방전회로(100)와 연결될 수 있다. 한편, 충방전회로(100)는 충방전전압(Vs)과 충방전저항(R_L)을 포함하는데, 여기서 충방전저항(R_L)은 충방전회로(100) 내부의 저항으로, 충방전손실을 나타내기 위한 회로 요소일 수 있다.

3.7[V]의 셀 전압(Vb)을 가진 배터리 셀(11)이 60개 연결되므로 배터리 모듈(10)의 전압은 222[V]인데, 도 4에 도시된 바와 같이 충방전전압(Vs)이 배터리 모듈(10)의 전압보다 큰 228[V]인 경우 배터리 모듈(10) 쪽으로 전류가 흘러 배터리 모듈(10)이 충전될 수 있다. 반면에, 도 5에 도시된 바와 같이 충방전전압(Vs)이 배터리 모듈(10)의 전압보다 작은 216[V]인 경우 충방전회로(100) 쪽으로 전류가 흘러 배터리 모듈(10)이 방전될 수 있다.

전술한 방법에 따라 배터리 모듈(10)을 구성하는 각 배터리 셀(11)은 충방전될 수 있다. 이 때, 내부 및/또는 외부 요인으로 인해 특정 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs)이 상승하는 경우, 충방전 전류에 의한 줄열(Joule's heat)이 발생하고, 발열량이 큰 경우 해당 배터리 셀(11)에서 화재가 시작되어 배터리 모듈(10), 나아가 이를 포함하는 ESS 전체에 화재가 발생할 수 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여 시험회로(20)를 이용하여 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs)을 모니터링하고, 내부저항(Rs)이 높은 배터리 셀(11)의 연결을 끊음으로써 내부저항(Rs) 상승으로 인한 화재를 미연에 방지할 수 있다.

이하, 본 발명의 구체적인 동작에 대해서 설명하도록 한다.

시험회로(20)는 각각의 배터리 셀(11) 양단에 연결될 수 있고, 프로세서(40)는 시험회로(20)와 배터리 셀(11)을 선택적으로 접속시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 시험회로(20)는 스위치를 통해 배터리 셀(11) 양단에 연결될 수 있고, 프로세서(40)는 스위치를 제어함으로써 시험회로(20)와 배터리 셀(11)을 전기적으로 접속 또는 접속 해제시킬 수 있다.

도 6을 참조하면, 시험회로(20)는 배터리 셀(11) 양단에 연결될 수 있다. 시험회로(20)는 시험저항(Rt), 시험저항(Rt)과 배터리 셀(11)의 일단을 연결하는 제1 스위치(S1), 배터리 셀(11)의 양단에 병렬 연결되는 제2 스위치(S2), 시험저항(Rt)과 직렬 연결되는 전류센서(A) 및 배터리 셀(11)의 양단과 병렬 연결되는 전압센서(V)를 포함할 수 있다. 다만, 도 6에 도시된 시험회로(20)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 6에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.

한편, 도 6에서는 시험회로(20)가 어느 한 배터리 셀(11) 양단에 연결된 모습만을 도시하였으나 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 시험회로(20)는 배터리 모듈(10)을 구성하는 모든 배터리 셀(11) 양단에 각각 연결될 수 있다. 이에 따라, 이하에서는 주로 단일의 시험회로(20)만을 도시하여 설명하나, 후술되는 동작은 각각의 배터리 셀(11)에 연결된 모든 시험회로(20)에 적용될 수 있음은 당연하다.

프로세서(40)는 제1 및 제2 스위치(S1, S2)를 개폐하기 위한 제어 신호(Sc)를 생성할 수 있고, 제1 및 제2 스위치(S1, S2)는 해당 제어 신호(Sc)에 따라 동작할 수 있다. 구체적으로, 제1 스위치(S1)는 제1 제어 신호(Sc1)에 따라 개폐될 수 있고, 제2 스위치(S2)는 제2 제어 신호(Sc2)에 따라 개폐될 수 있다.

이를 위해, 제1 및 제2 스위치(S1, S2)는 전력 스위칭 소자로 구현될 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 스위치(S1, S2)는 IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등으로 구현될 수 있다.

한편, 전류센서(A)는 후술될 시험전류(It)를 측정하여 프로세서(40)에 제공할 수 있고, 전압센서(V)는 배터리 셀(11) 양단전압(Vt)을 측정하여 프로세서(40)에 제공할 수 있다. 프로세서(40)는 각 센서(A, V)로부터 제공된 값을 이용한 연산을 통해 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다.

이하, 프로세서(40)의 동작에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.

프로세서(40)는 시험회로(20)를 배터리 셀(11)에 선택적으로 접속시키고, 시험회로(20)의 접속 전후로 발생하는 배터리 셀(11) 양단의 전압 변화와, 시험회로(20)에 흐르는 시험전류(It)에 기초하여 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다.

도 7을 참조하면, 시험회로(20)는 제1 배터리 셀(11)에 연결될 수 있고, 프로세서(40)는 제1 스위치(S1)를 온/오프 제어하여 시험회로(20)를 제1 배터리 셀(11)에 선택적으로 접속시킬 수 있다.

시험회로(20)가 제1 배터리 셀(11)에 접속되는 경우 배터리 셀(11)을 충전 또는 방전시키는 전류의 일부는 시험회로(20)로 유입될 수 있다. 프로세서(40)는 시험회로(20)의 접속 전후로 발생하는 배터리 셀(11) 양단 전압을 측정하고, 시험회로(20)의 접속 후 시험회로(20)로 유입된 시험전류(It)를 측정하여 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다.

보다 구체적으로, 프로세서(40)는 시험회로(20)의 접속 전 배터리 셀(11) 양단전압(Vt)과 시험회로(20)의 접속 후 배터리 셀(11) 양단전압(Vt)의 차를 시험전류(It)로 나누어 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다. 이와 같은 방법으로 내부저항(Rs)을 식별할 수 있는 원리에 대해서 이하 설명하도록 하며, 아래에서는 설명의 편의를 위해 시험회로(20)의 접속 전 배터리 셀(11) 양단전압(Vt)을 오프 전압(Voff), 시험회로(20)의 접속 후 배터리 셀(11) 양단전압(Vt)을 온 전압(Von)으로 표현하도록 한다.

도 7에 도시된 배터리 모듈(10)이 충전 중일 때 도 7에 도시된 회로는 도 8과 같이 등가화될 수 있고, 도 7에 도시된 배터리 모듈(10)이 방전 중일 때 도 7에 도시된 회로는 도 9와 같이 등가화될 수 있다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 합성전압(Vc)은 충방전전압(Vs)에서, 시험회로(20)가 연결된 배터리 셀(11)을 제외한 모든 배터리 셀(11)의 셀 전압(Vb)을 뺀 값(Vs-(Vb2+Vb3+…+Vb60))으로 정의될 수 있고, 합성저항(Rc)은 시험회로(20)가 연결된 배터리 셀(11)을 제외한 모든 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs)과 충방전저항(R_L)을 더한 값(R_L+Rs2+Rs3+…+Rs60)으로 정의될 수 있다.

제1 스위치(S1)가 오프 상태일 때, 오프 전압은 아래 [수학식 1]과 같은 등식을 만족할 수 있고, 도 8에 도시된 회로는 키르히호프 법칙(Kirchhoff's law)에 따라 하기 [수학식 2]와 같은 등식을 만족할 수 있다.

한편, 제1 스위치(S1)가 온 상태일 때, 시험회로(20)에 흐르는 시험전류(It)는 아래 [수학식 3]과 같은 등식을 만족할 수 있고, 도 8에 도시된 회로는 키르히호프 법칙에 따라 하기 [수학식 4]와 같은 등식을 만족할 수 있다.

[수학식 3]에 [수학식 4]를 대입하는 경우, 하기 [수학식 5]와 같은 등식이 성립하며, 합성저항은 단일 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs1)보다 매우 크므로

가 성립할 수 있으며, 이에 따라 [수학식 5]는 [수학식 6]과 같이 근사될 수 있다.

앞서 설명한 수학식들에 의해, 프로세서(40)는 시험회로(20)의 접속 전 배터리 셀(11) 양단전압(Vt)과 시험회로(20)의 접속 후 배터리 셀(11) 양단전압(Vt)의 차를 시험전류(It)로 나누어 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다.

보다 구체적으로, 프로세서(40)는 제1 스위치(S1)를 오프 제어한 상태에서 전압센서(V)를 통해 오프 전압을 측정할 수 있다. 이어서, 프로세서(40)는 제2 스위치(S2)를 온 제어한 상태에서 전압센서(V)를 통해 온 전압을 측정할 수 있고, 전류센서(A)를 통해 시험전류(It)를 측정할 수 있다. 프로세서(40)는 [수학식 6]과 같이 오프 전압과 온 전압의 차를 시험전류(It)로 나눈 값을 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs)으로 식별할 수 있다.

프로세서(40)는 미리 설정된 시험 주기에 따라 시험회로(20)와 배터리 셀(11)을 접속시켜 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다. 여기서 미리 설정된 시험 주기는 사용자에 의해 임의로 설정될 수 있다.

시험 주기의 설정으로 인해 배터리 셀(11) 모니터링에 실시간성을 부여할 수 있다. 예를 들어, 사용자가 시험 주기를 1분으로 설정하는 경우, 프로세서(40)는 1분마다 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있고, 사용자는 1분마다 배터리 셀(11)의 이상여부를 모니터링할 수 있게 된다.

한편, 전술한 내부저항(Rs) 식별 방법은 특정 시점의 양단전압(Vt)과 시험전류(It)를 이용하므로, 내부저항(Rs) 식별에 노이즈가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 프로세서(40)는 미리 설정된 주파수에 따라 시험회로(20)와 배터리 셀(11)을 접속시키고, 배터리 셀(11) 양단전압(Vt)의 실효값(Root Mean Square; RMS)과 시험전류(It)의 실효값에 기초하여 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다.

예컨대, 프로세서(40)는 500[Hz]의 주기에 따라 제1 스위칭 소자를 온/오프 제어할 수 있다. 이 경우, 전술한 오프 전압, 온 전압 및 시험전류(It)는 모두 500[Hz]의 주파수를 갖는 교류 파형을 갖게되고, 프로세서(40)는 각 전압(V_off, V_on)의 실효값과, 시험전류(It)의 실효값을 이용하여 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(40)는 하기 [수학식 7]에 따라 내부저항(Rs)을 식별할 수 있다.

이와 같이, 실효값을 이용하여 내부저항(Rs)을 식별하는 경우 내부저항(Rs) 식별에 정확도를 증가시킬 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 배터리 셀(11) 각각의 내부저항(Rs)을 실시간으로 정확하게 식별할 수 있고, 이에 따라 사용자는 각 배터리 셀(11)의 화재 위험도를 모니터링할 수 있다.

프로세서(40)는 앞서 설명한 방법에 따라 식별된 내부저항(Rs)의 크기에 따라 배터리 셀(11)을 배터리 모듈(10)로부터 분리할 수 있다.

보다 구체적으로, 프로세서(40)는 각 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs)을 기준값과 비교할 수 있고, 비교 결과 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs)이 기준값 이하이면 해당 배터리 셀(11)과 다른 배터리 셀(11) 간의 연결을 유지할 수 있다. 반면에, 특정 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs)이 기준값을 초과하면 해당 배터리 셀(11)과 다른 배터리 셀(11) 간의 연결을 끊을 수 있다.

다시 말해, 프로세서(40)는 배터리 모듈(10)을 구성하는 복수의 배터리 셀(11) 중에서 내부저항(Rs)이 기준값을 초과하는 배터리 셀(11)을 배터리 모듈(10)로부터 분리할 수 있다. 여기서 기준값은 사용자에 의해 임의로 설정될 수 있고, 배터리 셀(11)이 인내할 수 있는 한계저항보다 낮은 값으로 설정될 수 있다.

도 10을 참조하면, 프로세서(40)는 제1 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs1)이 기준값을 초과한 것으로 판단할 수 있고, 제1 배터리 셀(11)을 제외한 나머지 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs2, Rs3,…, Rs60)은 기준값 이하라고 판단할 수 있다. 이 때, 프로세서(40)는 제1 배터리 셀(11)과 연결된 시험회로(20)의 제2 스위치(S2)를 온 제어하여 제1 배터리 셀(11)을 다른 배터리 모듈(10)로부터 분리할 수 있다.

제2 스위치(S2)가 온 제어되는 경우 제2 스위치(S2)는 바이패스(bypass) 경로를 형성할 수 있고, 제1 배터리 셀(11)에 흐르던 충방전 전류는 바이패스 경로, 즉 제2 스위치(S2)로 흐를 수 있다.

도 11을 참조하면, 제1 배터리 셀(11)에 연결된 시험회로(20)의 제2 스위치(S2)가 바이패스 경로를 형성하는 경우, 배터리 모듈(10)은 도 11에 도시된 것과 같이 연결될 수 있다. 즉, 높은 내부저항(Rs)을 갖는 제1 배터리 셀(11)은 배터리 모듈(10)로부터 분리될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 내부저항(Rs)이 높은 배터리 셀(11)을 배터리 모듈(10)로부터 분리시킴으로써 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs) 상승으로 인한 화재 위험을 원천적으로 예방할 수 있다.

앞서 설명한 방법에 따라 본 발명은 열화 가능성이 있는 배터리 셀(11)을 배터리 모듈(10)로부터 분리할 수 있다. 다만, 배터리 모듈(10)로부터 분리되는 배터리 셀(11)의 수가 증가할수록 배터리 모듈(10) 전체 전압의 크기가 작아지고, 동일한 충방전회로(100)를 이용하여 해당 배터리 모듈(10)을 충전 또는 방전시킬 때, 충방전전류가 커져 과전류로 인한 ESS 시스템 문제가 발생할 수 있다.

도 4를 예로 들어 설명하면, 배터리 모듈(10)을 구성하는 60개의 배터리 셀(11) 각각은 3.7[V]의 셀 전압(Vb)을 가질 수 있다. 전술한 프로세서(40)의 동작으로 인해 60개의 배터리 셀(11) 중 20개가 배터리 모듈(10)로부터 분리되었다고 가정하면, 배터리 모듈(10)의 전체 전압은 222[V]에서 148[V]로 낮아질 수 있다. 이 때, 228[V]의 충방전전압(Vs)을 갖는 충방전회로(100)로 배터리 모듈(10)을 충전시키는 경우, 배터리 모듈(10)과 충방전전압(Vs)의 전위차가 커지므로 과전류에 의한 충전이 이루어질 수 있고, 과전류가 지속되는 경우 ESS 전체 시스템에 문제가 발생할 수 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여 분리된 배터리 셀(11)의 셀 전압(Vb)을 보충할 수 있다. 이하, 본 발명의 전원 보충 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.

전원팩(30)은 직렬 연결된 복수의 독립전원(Vi)으로 구성되고 배터리 모듈(10)의 일단에 연결될 수 있고, 프로세서(40)는 배터리 모듈(10)과 전원팩(30)을 선택적으로 접속시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 전원팩(30)은 스위치를 통해 배터리 모듈(10)의 일단에 연결될 수 있고, 프로세서(40)는 스위치를 제어함으로써 전원팩(30)과 배터리 모듈(10)을 전기적으로 접속 또는 접속 해제시킬 수 있다.

도 12를 참조하면, 전원팩(30)을 구성하는 n개의 독립전원(Vi1, Vi2,…, Vin)은 각 독립전원(Vi) 사이에 연결된 전원스위치(Si)를 통해 접속될 수 있다. 또한, 각 독립전원(Vi)은 접지스위치(Sg)를 통해 접지될 수 있다. 여기서 각 독립전원(Vi)의 전압은 동일할 수도 있고 서로 다를 수도 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 각 독립전원(Vi)의 전압이 동일한 것으로 가정하여 설명하도록 한다.

프로세서(40)는 전원스위치(Si) 및/또는 접지스위치(Sg)를 제어하여, 배터리 모듈(10)로부터 분리된 배터리 셀(11)에 대응하는 독립전원(Vi)을 배터리 모듈(10)에 접속시킬 수 있다.

도 13을 참조하면, 배터리 모듈(10)의 일단에는 전원팩(30)이 연결될 수 있다. 프로세서(40)는 배터리 모듈(10) 종단에 연결된 배터리 접지스위치(Sm)를 오프 제어하고 전원팩(30)에 포함된 전원스위치(Si) 및 접지스위치(Sg)를 제어하여 배터리 모듈(10)과 전원팩(30)을 접속시킬 수 있다. 예컨대, 프로세서(40)는 배터리 접지스위치(Sm)를 오프 제어하고, 제1 전원스위치(Si1) 및 제1 접지스위치(Sg1)를 온 제어하고, 제2 전원스위치(Si2)를 오프 제어함으로써, 배터리 모듈(10)에 제1 독립전원(Vi1)을 접속시킬 수 있다.

프로세서(40)는 배터리 모듈(10)로부터 분리된 배터리 셀(11)의 개수를 식별하고, 식별된 개수에 대응하는 셀 전압(Vb)을 식별할 수 있다. 이어서, 프로세서(40)는 식별된 셀 전압(Vb)에 대응하는 개수의 독립전원(Vi)을 배터리 모듈(10)에 접속시킬 수 있다.

도 14를 참조하면, 배터리 모듈(10)을 구성하는 60개의 배터리 셀(11) 중에서, 두 배터리 셀(11)의 내부저항(Rs1, Rs3)은 기준값을 초과할 수 있고, 이에 따라 두 배터리 셀(11)은 배터리 모듈(10)로부터 분리될 수 있다. 이 때, 프로세서(40)는 분리된 배터리 셀(11)의 개수를 식별할 수 있다. 예컨대, 프로세서(40)는 제2 스위치(S2)를 온시키는 제2 제어신호(Sc2)를 카운팅하여 배터리 셀(11)의 개수 두 개로 식별할 수 있다.

이어서, 프로세서(40)는 식별된 개수에 대응하는 셀 전압(Vb)을 식별할 수 있다. 도 4에 도시된 예시와 같이 각 배터리 셀(11)의 셀 전압(Vb)이 3.7[V]인 경우, 프로세서(40)는 분리된 배터리 셀(11) 개수(두 개)에 대응하는 셀 전압(Vb)을 7.4[V]로 식별할 수 있다.

한편, 전원팩(30)을 구성하는 각 독립전원(Vi)의 전압 역시 3.7[V]일 수 있다. 이 때, 프로세서(40)는 앞서 식별된 셀 전압(7.4[V])에 대응하는 독립전원(Vi)의 개수를 두 개로 식별할 수 있고, 해당 개수의 독립전원(Vi)을 배터리 모듈(10)에 접속시킬 수 있다.

보다 구체적으로, 프로세서(40)는 배터리 접지스위치(Sm)를 오프 제어하고, 제1 및 제2 전원스위치(Si1, Si2)를 온 제어하고, 제1 접지스위치(Sg1)를 오프 제어하고, 제2 접지스위치(Sg2)를 온 제어하고, 제3 전원스위치(Si3)를 를 오프 제어함으로써, 제1 및 제2 독립전원(Vi1, Vi2)을 배터리 모듈(10)에 접속시킬 수 있다.

만약 앞선 가정과는 달리, 각 독립전원(Vi)의 전압이 7.4[V]인 경우, 프로세서(40)는 앞서 식별된 셀 전압(7.4[V])에 대응하는 독립전원(Vi)의 개수를 한 개로 식별하고, 제1 독립전원(Vi1)만을 배터리 모듈(10)에 접속시킬 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 배터리 모듈(10)로부터 분리된 배터리 셀(11)에 대응하는 독립전원(Vi)을 배터리 모듈(10)에 연결시킴으로써 배터리 모듈(10)의 전체 전압을 유지할 수 있고, 이를 통해 ESS의 성능저하를 방지할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims

직렬 연결된 복수의 배터리 셀로 구성되는 배터리 모듈;
각각의 배터리 셀 양단에 연결되는 시험회로;
직렬 연결되어 동일한 전압을 출력하는 복수의 독립전원으로 구성되고 상기 배터리 모듈의 일단에 연결되는 전원팩; 및
상기 배터리 셀이 충전 또는 방전 중일 때 상기 시험회로를 통해 상기 배터리 셀의 내부저항을 식별하고, 상기 내부저항의 크기에 따라 상기 배터리 셀을 상기 배터리 모듈로부터 분리하고, 상기 복수의 독립전원 중 상기 분리된 배터리 셀의 전압과 동일한 전압을 출력하는 적어도 하나의 독립전원을 상기 배터리 모듈에 접속시키는 프로세서를 포함하는
배터리 셀 유지관리 장치.
제1항에 있어서,
상기 시험회로는
시험저항,
상기 시험저항과 상기 배터리 셀의 일단을 연결하는 제1 스위치,
상기 배터리 셀의 양단에 병렬 연결되는 제2 스위치,
상기 시험저항과 직렬 연결되는 전류센서 및
상기 배터리 셀의 양단과 병렬 연결되는 전압센서를 포함하는
배터리 셀 유지관리 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 시험회로와 상기 배터리 셀을 선택적으로 접속시키고, 상기 시험회로의 접속 전후로 발생하는 상기 배터리 셀 양단의 전압 변화와 상기 시험회로에 흐르는 시험전류에 기초하여 상기 배터리 셀의 내부저항을 식별하는
배터리 셀 유지관리 장치.
제3항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 시험회로의 접속 전 상기 배터리 셀 양단전압과 상기 시험회로의 접속 후 상기 배터리 셀 양단전압의 차를 상기 시험전류로 나누어 상기 내부저항을 식별하는
배터리 셀 유지관리 장치.
제2항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 제1 스위치를 오프 제어한 상태에서 상기 전압센서에 의해 측정된 상기 배터리 셀의 양단전압과 상기 제1 스위치를 온 제어한 상태에서 상기 전압센서에 의해 측정된 상기 배터리 셀의 양단전압의 차를, 상기 제1 스위치를 온 제어한 상태에서 상기 전류센서에 의해 측정된 시험전류로 나누어 상기 내부저항을 식별하는
배터리 셀 유지관리 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 내부저항이 기준값을 초과하면 상기 배터리 모듈로부터 상기 배터리 셀을 분리하는
배터리 셀 유지관리 장치.
제2항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 내부저항이 기준값을 초과하면 상기 제2 스위치를 온 제어하는
배터리 셀 유지관리 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 분리된 배터리 셀의 개수를 식별하고, 상기 식별된 개수에 대응하는 셀 전압을 식별하고, 상기 식별된 셀 전압에 대응하는 개수의 독립전원을 상기 배터리 모듈에 접속시키는
배터리 셀 유지관리 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 독립전원 각각은 스위치를 통해 접속되는
배터리 셀 유지관리 장치.
제9항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 스위치를 제어하여 상기 분리된 배터리 셀에 대응하는 독립전원을 상기 배터리 모듈에 접속시키는
배터리 셀 유지관리 장치.