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KR101057542B1 - 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법 - Google Patents

배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법 Download PDF

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KR101057542B1
KR101057542B1 KR1020100007045A KR20100007045A KR101057542B1 KR 101057542 B1 KR101057542 B1 KR 101057542B1 KR 1020100007045 A KR1020100007045 A KR 1020100007045A KR 20100007045 A KR20100007045 A KR 20100007045A KR 101057542 B1 KR101057542 B1 KR 101057542B1
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battery
battery cells
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cell balancing
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태용준
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에스비리모티브 주식회사
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Abstract

본 발명은 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량을 이용하여 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
일례로, 복수의 배터리 셀의 셀전압 및 셀전류를 측정하는 센싱부; 상기 복수의 배터리 셀의 셀전압 및 셀전류를 이용하여 상기 복수의 배터리 셀의 SOC(State of charge)를 측정하여 충방전을 제어하도록 배터리 셀 제어신호를 보내는 MCU(Main control unit); 및 상기 배터리 셀 제어신호에 의해 배터리 셀을 셀밸런싱시키는 셀밸런싱부를 포함하고, 상기 MCU는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량을 측정하는 셀밸런싱 방전용량 측정부; 및 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량 중 최대값과 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량의 차이값을 기준값과 비교하여, 상기 복수의 배터리 셀 중 상기 차이값이 상기 기준값보다 큰 배터리 셀을 단락 배터리 셀로 판단하는 제어부를 포함하는 배터리 관리 시스템이 개시된다.

Description

배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법 {Battery management system and driving method thereof}
본 발명은 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
가솔린이나 중유를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해 발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서, 최근에는 공해 발생을 줄이기 위하여, 전기 자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차가 개발되고 있다.
전기 자동차는 배터리(Battery)에서 출력되는 전기 에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 이용하는 자동차이다. 이러한 전기 자동차는 충방전이 가능한 다수의 배터리 셀(battery cell)이 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용한다. 이에 따라, 전기 자동차는 배기 가스를 발생시키지 않으며, 낮은 소음을 낮추는데 있어 장점이 있다.
하이브리드 자동차는 내연 엔진을 이용하는 자동차와 전기 자동차의 중간 단계의 자동차로서, 두가지 이상의 동력원, 예컨데 내연 엔진 및 배터리 모터를 사용하는 자동차이다. 현재에는, 내연 엔진과 수소와 산소를 연속적으로 공급하면서 화학반응을 일으켜 직접 전기 에너지를 얻는 연료 전지를 이용하거나, 배터리와 연료 전지를 이용하는 등 혼합된 형태의 하이브리드 자동차가 개발되고 있다.
이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리 셀의 성능에 의해 직접적인 영향을 받으므로, 각 배터리 셀의 전압, 전체 배터리 셀의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 배터리 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 뿐 아니라, 각 배터리 셀 중 성능이 저하된 배터리 셀을 검출하여 배터리 셀 각각이 최대한 성능을 가지도록 하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; 이하 BMS라 함)을 요구하고 있다.
본 발명은 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량을 이용하여 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은 복수의 배터리 셀의 셀전압 및 셀전류를 측정하는 센싱부; 상기 복수의 배터리 셀의 셀전압 및 셀전류를 이용하여 상기 복수의 배터리 셀의 SOC(State of charge)를 측정하여 충방전을 제어하도록 배터리 셀 제어신호를 보내는 MCU(Main control unit); 및 상기 배터리 셀 제어신호에 의해 배터리 셀을 셀밸런싱시키는 셀밸런싱부를 포함하고, 상기 MCU는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량을 측정하는 셀밸런싱 방전용량 측정부; 및 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량 중 최대값과 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량의 차이값을 기준값과 비교하여, 상기 복수의 배터리 셀 중 상기 차이값이 상기 기준값보다 큰 배터리 셀을 단락 배터리 셀로 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 MCU에는 상기 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량 및 기준값을 저장하는 저장부가 연결될 수 있다.
상기 저장부는 상기 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량이 누적되어 저장될 수 있다.
상기 셀밸런싱부는 상기 셀밸런싱신호에 의해 해당하는 배터리 셀을 방전시킬 수 있다.
상기 MCU는 상기 단락 배터리 셀에 대한 정보를 ECU(Electric controller unit)에 전송하여, 상기 ECU가 표시 장치에 상기 배터리 셀에 대한 정보를 표시하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구동 방법은 복수의 배터리 셀 각각의 SOC를 측정하는 배터리 셀 SOC 측정 단계; 상기 복수의 배터리 셀을 제어하는 신호를 전송하는 배터리 셀 제어신호 전송 단계; 상기 배터리 셀 제어신호에 의해 배터리 셀을 셀밸런싱시키는 셀밸런싱 단계; 상기 복수의 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량 중 최대값과 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량의 차이값이 기준값 보다 큰 지 비교하는 셀밸런싱 방전용량 차이값과 기준값 비교 단계; 및 상기 복수의 배터리 셀 중에서 셀밸런싱 차이값이 기준값 보다 큰 배터리셀을 단락 배터리 셀로 판단하는 단락 배터리 셀 판단 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 셀밸런싱 방전용량 차이값과 기준값 비교 단계에서 상기 복수의 배터리 셀 각각의 방전용량은 누적될 수 있다.
상기 배터리 셀 제어신호 전송 단계는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 SOC와 평균 SOC를 비교하여 평균 SOC 보다 큰 배터리 셀의 정보를 보낼 수 있다.
상기 셀밸런싱 단계는 해당 배터리 셀을 방전시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구동 방법은 상기 단락 배터리 셀에 대한 정보를 표시하도록 하는 단락 배터리 셀 알림 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법은 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량을 이용하여 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출하여 사용자에게 알림으로써, 사용자가 단락 배터리 셀을 확인하도록 할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법은 단락으로 인해 성능이 저하된 배터리 셀의 교체를 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명이 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법은 누적된 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량을 이용하여 복수의 배터리 셀 중 지속적인 단락이 발생되는 단락 배터리 셀을 검출함으로써, 지속적인 단락에 의해 발생되는 배터리의 폭발 등을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리, BMS 및 BMS의 주변장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 MCU의 상세 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 MCU에서 측정된 복수의 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량을 표시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구동 방법에 관한 흐름도이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리, BMS 및 BMS의 주변장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 자동차 시스템은, BMS(1), 배터리(2), 전류센서(3), 냉각팬(4), 돌입 전류 방지부(5), 메인 스위치(6), ECU(Electric controller unit)(7), 인버터(8) 및 모터제너레이터(9)를 포함한다.
먼저, 상기 BMS(1)의 앞단에 연결된 주변장치부터 설명하기로 한다.
상기 배터리(2)는 서로 직렬로 연결된 복수의 서브팩(210, 220, 230, 240, 250, 260), 출력단자(271, 272) 및 서브팩(230)과 서브팩(240) 사이에 연결된 안전 스위치(273)를 포함한다.
상기 복수의 서브팩(210, 220, 230, 240, 250, 260)은 예시적으로 6 개로 표시되었으며, 제 1 서브팩(210), 제 2 서브팩(220), 제 3 서브팩(230), 제 4 서브팩(240), 제 5 서브팩(250) 및 제 6 서브팩(260)으로 구분하기로 한다. 도면에서는, 제 1 서브팩(210) 내지 제 6 서브팩(260) 각각이 서로 직렬로 연결된 8개의 충전 가능한 배터리 셀을 포함하여, 배터리(2)가 총 48개의 배터리 셀을 포함하는 것이 도시되었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 각 서브팩은 복수의 배터리 셀을 하나의 그룹으로 표시한 것에 불과한 것이고, 배터리(2)는 제 1 서브팩(210) 내지 제 6 서브팩(260)의 구분없이 48 개의 배터리 셀이 직접 연결되어 구성될 수도 있다.
상기 출력단자(271, 272)는 자동차의 인버터(8) 및 모터 제너레이터(9)와 연결되어 자동차 엔진에 전기에너지를 공급한다.
상기 안전 스위치(273)는 제 3 서브팩(230)과 제 4 서브팩(240) 사이에 연결되는 스위치로서, 배터리(2)를 교체하거나 배터리(2)에 대한 작업을 수행할 때 작업자의 안전을 위하여 수동적으로 온 오프할 수 있는 스위치이다. 본 발명의 실시예에서는 제 3 서브팩(230)과 제 4 서브팩(240) 사이에 안전 스위치(273)가 연결되나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 한편 도시하진 않았지만, 안전 스위치(273)에 직렬로 퓨즈가 연결될 수 있다. 상기 퓨즈는 배터리(2)의 단락에 의해 과전류가 배터리(2)에 전달되는 것을 방지한다. 즉 과전류가 발생하면 퓨즈는 단선되어 과전류가 배터리(2)에 전달되는 것을 차단한다.
상기 전류센서(3)는 배터리(2)의 출력전류량을 측정하여 BMS(1)의 센싱부(10)로 출력한다. 구체적으로 전류센서(3)는 홀(Hall) 소자를 이용하여 전류를 측정하고 측정된 전류에 대응되는 아날로그 전류 신호로 출력하는 Hall CT(Hall current transformer)일 수 있다. 상기 전류센서(3)는 측정된 배터리 전류에 관한 정보를 BMS(1)로 전달한다.
상기 냉각팬(4)은 BMS(1)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)의 충방전에 의해 발생할 수 있는 열을 냉각하여 온도 상승으로 인한 배터리(2)의 열화 및 충방전 효율의 저하를 방지한다.
상기 돌입 전류 방지부(5)는 배터리(2)와 인버터(8) 사이에 위치하며, 배터리(2)로부터 인버터(8)로 돌입 전류가 인가되는 것을 방지하여 돌입 전류에 의한 인버터(8)의 손상을 방지한다. 이를 위해, 상기 돌입 전류 방지부(5)는 프리차지 저항(5a), 프리차지 릴레이(5b) 및 메인 릴레이(5c)를 포함한다. 여기서, 돌입 전류는 먼저 프리차지 릴레이(5b)가 온이 되어 프리차지 저항(5a)에 의해 억제된 후 인버터(8)로 서서히 인가되며, 이후에 프리차지 릴레이(5b)가 오프되고 메인 릴레이(5c)가 온 됨으로써 배터리(2)로부터 인버터(8)로 전류가 안정적으로 인가된다.
상기 메인 스위치(6)는 과전압, 과전류, 고온 등 이상 현상이 발생하면 BMS(1) 또는 자동차의 ECU(7)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)를 온오프 한다.
상기 BMS(1)는 센싱부(10), MCU(Main control unit)(20), 내부전원 공급부(30), 셀밸런싱부(40), 저장부(50), 통신부(60), 보호회로부(70), 파워온 리셋부(80) 및 외부인터페이스(90)를 포함한다.
상기 센싱부(10)는 배터리(2)를 구성하는 복수의 배터리 셀 각각에 전기적으로 연결되어 있다. 상기 센싱부(10)는 배터리(2)의 전체 팩전류 및 전체 팩전압과, 복수의 배터리 셀 각각의 셀전압, 셀전류, 셀온도 및 주변온도를 측정하여 MCU(20)에 전달한다.
상기 MCU(20)는 센싱부(10)로부터 전달받은 배터리(2)의 전체 팩전류 및 전체 팩전압과, 복수의 배터리 셀 각각의 셀전압, 셀전류, 셀온도 및 주변온도에 대응되는 디지털 데이터에 기초하여 배터리(2)의 충전상태(state of charging, 이하 SOC 이라 함), 건강상태(state of health, 이하 SOH 이라 함) 등을 추정하여 배터리(2)의 충방전을 제어한다. 또한, 상기 MCU(20)는 복수의 배터리 셀 각각의 셀전압, 셀전류를 이용하여 복수의 배터리 셀 각각의 OCV(Open circuit voltage)를 구하고, OCV를 이용하여 복수의 배터리 셀 각각의 SOC를 측정하고, 복수의 배터리 셀 사이의 SOC 차이값을 이용하여 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출하여 단락 배터리 셀에 대한 정보를 ECU(7)로 전달한다. 여기서, 단락 배터리 셀은 내부에서 양극과 음극이 전기적으로 접촉하여 전압이 감소되는 배터리 셀을 말하며, 특히 양극 또는 음극의 활물질이 양극과 음극 사이에 개재된 절연성 세퍼레이터를 뚫어 손상시키는 경우 배터리 셀의 전압이 순간적으로 감소되는 순간적인 단락이 발생할 수 있다.
상기 내부전원 공급부(30)는 일반적으로 보조 배터리를 이용하여 BMS(1)에 전원을 공급하는 장치이다.
상기 샐밸런싱부(40)는 각 배터리 셀의 충전상태의 균형을 맞춘다. 즉, 상기 셀밸런싱부(40)는 충전상태가 비교적 높은 배터리 셀은 방전시키고 충전상태가 비교적 낮은 배터리 셀은 충전시킬 수 있다.
상기 저장부(50)는 BMS(1)의 전원이 오프될 때, 현재의 SOC, SOH 등의 데이터들을 저장한다. 또한, 상기 저장부(50)는 셀밸런싱 방전용량 측정부(23)로부터 측정된 셀밸런싱 방전용량(CB_n; n은 자연수)을 저장한다. 여기서, 상기 저장부(50)는 전기적으로 쓰고 지울 수 있는 비휘발성 저장장치로서 EEPROM일 수 있다.
상기 통신부(60)는 자동차의 동력발생장치의 제어부와 통신을 수행한다.
상기 보호회로부(70)는 펌웨어(firm ware)를 이용하여 외부의 충격, 과전류, 저전압 등으로부터 BMS(1)를 보호하기 위한 회로이다.
상기 파워온 리셋부(80)는 BMS(1)의 전원이 켜지면 전체 시스템을 리셋한다.
상기 외부 인터페이스(90)는 냉각팬(4), 메인 스위치(6) 등 BMS(1)의 주변장치들을 MCU(20)에 연결하기 위한 장치이다. 본 발명의 실시예에서는 냉각팬(4) 및 메인 스위치(6)만이 도시되었지만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 ECU(7)는 차량의 액셀러레이터(accelerator), 브레이크(break), 차량 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터제너레이터(9)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 즉 ECU(7)는 인버터(8)의 스위칭을 제어하여 모터제너레이터(9)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 또한 ECU(7)는 BMS(1)의 통신부(60)를 통하여 MCU(20)로부터 전달되는 배터리(2)의 SOC를 전달받아 배터리(2)의 SOC가 목표값(예컨대 55%)이 되도록 제어한다. 예를 들면 MCU(20)로부터 전달된 SOC가 55% 이하이면 인버터(8)의 스위치를 제어하여 전력이 배터리(2) 방향으로 출력되도록 하여 배터리(2)를 충전시키고 이때 팩전류(I)는 '+'값이 될 수 있다. 한편, SOC가 55% 이상이면 인버터(8)의 스위치를 제어하여 전력이 모터제너레이터(9) 방향으로 출력되도록 하여 배터리(2)를 방전시키고 이때 팩전류(I)는 '-'값이 될 수 있다. 이에 더하여 ECU(7)는 BMS(1)의 통신부(60)를 통하여 MCU(20)로부터 전달되는 배터리(2)의 SOH를 전달받아 자동차의 계기판(미도시) 등의 표시장치에 표시되도록 하여 사용자가 알 수 있도록 한다. 또한, ECU(7)는 MCU(20)로부터 단락 배터리 셀에 대한 정보를 수신하여 표시장치에 표시되도록 하여 사용자가 알 수 있도록 한다.
상기 인버터(8)는 ECU(7)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)가 충전 또는 방전되도록 한다.
상기 모터 제너레이터(9)는 배터리(2)의 전기에너지를 이용하여 ECU(7)로부터 전달되는 토크 정보에 기초하여 자동차를 구동한다.
도 2는 도 1의 MCU의 상세 구성을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, MCU(20)는 제어부(21), SOC 측정부(22), 셀밸런싱 방전용량 측정부(23)를 포함한다.
상기 제어부(21)는 센싱부(10)로부터 입력되는 복수의 배터리 셀 각각의 셀전압과 셀전류를 SOC 측정부(22)로 전송하여, SOC 측정부(22)가 복수의 배터리 셀 각각의 SOC를 일정 시간마다 측정하도록 한다. 상기 제어부(21)는 SOC 측정부(22)로부터 측정된 배터리 셀의 평균 SOC를 산출하고, 상기 평균 SOC와 복수의 배터리 셀 각각의 SOC를 비교한다. 그리고, 상기 제어부(21)는 평균 SOC 보다 큰 SOC를 갖는 배터리 셀의 정보를 담은 배터리 셀 제어신호를 셀밸런싱부(40)에 전달한다. 상기 배터리 셀 제어신호를 받은 셀밸런싱부(40)는 해당하는 배터리 셀의 셀밸런싱을 수행한다. 이때, 상기 셀밸런싱부(40)는 평균 SOC 보다 큰 SOC를 갖는 배터리 셀을 방전시킨다. 이러한 셀밸런싱은 여러 번 이루어질 수 있으며, 상기 셀밸런싱이 이루어지는 시점은 보통 자동차가 키 오프(key off)된 시점 또는 일시 정지된 시점일 수 있으나, 본 발명에서 그 시점을 한정하는 것은 아니다.
상기 제어부(21)는 셀밸런싱에 의해 방전되는 복수의 배터리 셀 각각의 SOC를 셀밸런싱 방전용량 측정부(23)로 전송하여, 셀밸런싱 방전용량 측정부(23)가 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량(CB_n)을 측정하도록 한다. 상기 셀밸런싱 방전용량 측정부(23)에서 측정한 데이터는 저장부(50)에 누적되어 저장된다. 상기 복수의 배터리 셀 각각의 누적된 셀밸런싱 방전용량(CB_n)은 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출하기 위한 파라미터로 이용된다.
상기 제어부(21)는 셀밸런싱 방전용량 측정부(23)에서 측정되고 저장부(50)에 누적된 셀밸런싱 방전용량(CB_n)을 참조하여, 아래의 수학식 1과 같이 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량(CB_n) 중 최대값(CB_max)과 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량(CB_n)의 차이값(CB_max - CB_n)이 기준값(REF) 보다 큰지 비교한다. 여기서, 제 1 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량은 CB_1, 제 2 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량은 CB_2로 정의될 수 있다.
Figure 112010005381215-pat00001
상기 제어부(21)는 수학식 1을 통해 복수의 배터리 셀 중 차이값(CB_max - CB_n)이 기준값(REF) 보다 큰 배터리 셀을 단락 배터리 셀로 판단한다. 그 이유는 단락 배터리 셀의 경우에는 내부 단락로 인해 지속적인 방전이 이루어지기 때문에 셀밸런싱에 의한 방전은 이루어지지 않아 단락 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량(CB_n)은 매우 작은 값을 갖게 된다. 따라서, 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량의 최대값(CB_max)과 단락 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량의 차이값은 상대적으로 다른 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량의 차이값 보다 크다.
상기 SOC 측정부(22)는 제어부(21)를 통해 센싱부(10)로부터 입력된 복수의 배터리 셀 각각의 셀전압, 셀전류를 이용하여 복수의 배터리 셀 각각의 OCV(Open circuit voitage)를 구하고, OCV를 이용하여 복수의 배터리 셀 각각의 SOC를 측정할 수 있다. 여기서, 상기 SOC 측정부(22)가 각각의 배터리 셀의 SOC를 측정하여 제어부(21)로 전송하면, 제어부(21)는 그 측정값을 저장부(50)에 저장한다. 상기 배터리 셀의 SOC를 측정하는 방법은 배터리 셀의 OCV를 이용하는 방법 외에 여러 가지 방법이 있으며, 본 발명에서 배터리 셀의 SOC 측정 방법을 한정하는 것은 아니다.
상기 셀밸런싱 방전용량 측정부(23)는 상기 셀밸런싱부(40)에 의해 셀밸런싱된 복수의 배터리 셀 각각의 SOC를 이용하여 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량(CB_n)을 측정할 수 있다. 여기서, 상기 셀밸런싱 방전용량 측정부(23)가 각각의 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량(CB_n)을 측정하여 제어부(21)로 전송하고, 제어부(21)는 그 측정값을 저장부(50)에 저장한다. 이때 상기 저장부(50)에는 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량(CB_n)이 누적되어 저장된다.
다음은 MCU(20)가 수학식 1에 의해 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출할 수 있음을 보여주는 시뮬레이션에 대해 살펴보기로 한다.
도 3은 도 2의 MCU에서 측정된 복수의 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량을 표시한 그래프이다.
도 3의 그래프는 배터리 셀별 셀밸런싱 방전용량을 나타내며, B1, B2, B3, B4, B5는 복수의 배터리 셀을 나타낸다. 여기서, 복수의 배터리 셀은 셀밸런싱이 적어도 1회 이상 수행되었다고 가정한다. 또한, 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량(CB_n)은 셀밸런싱이 수행되는 동안의 셀밸런싱 방전용량(CB_n)이 합산된 값이며, 기준값은 3Ah로 설정된다.
도 3에서, B2의 셀밸런싱 방전용량(CB_n)은 4.7Ah로 최대값(CB_max)를 나타낸다. 수학식 1에 의하면 B1의 차이값(4.7Ah-3.5Ah=1.2Ah)은 기준값(3Ah) 보다 작고, B2의 차이값(4.7Ah-4.7Ah=0Ah)도 기준값(3Ah) 보다 작으며, B3의 차이값(4.7Ah-0.5Ah=4.2Ah)은 기준값(3Ah) 보다 크고, B4의 차이값(4.7Ah-4.2Ah=0.5Ah)은 기준값(3Ah) 보다 작고, B5의 차이값(4.7Ah-4.0Ah=0.7Ah)도 기준값(3Ah) 보다 작다. 따라서, B3가 차이값(4.7Ah-0.5Ah=4.2Ah)이 기준값(3Ah) 보다 큰 배터리 셀, 즉 단락 배터리 셀임을 보여준다. 이로부터, MCU(20)는 수학식 1을 통해 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출할 수 있음을 알 수 있다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구동 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구동 방법에 관한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구동 방법은 배터리 셀 SOC 측정 단계(S1), 배터리 셀 제어신호 전송 단계(S2), 셀밸런싱 단계(S3), 셀밸런싱 방전용량 차이값과 기준값 비교 단계(S4), 단락 배터리 셀 판단 단계(S5) 및 단락 배터리 셀 알림 단계(S6)를 포함한다.
상기 배터리 셀 SOC 측정 단계(S1)에서, MCU(20)의 SOC 측정부(22)는 제어부(21)를 통해 센싱부(10)로부터 입력된 복수의 배터리 셀 각각의 셀전압, 셀전류를 이용하여 배터리 셀의 OCV(Open circuit voltage)를 구하고, OCV를 이용하여 복수의 배터리 셀 각각의 SOC를 측정한다.
상기 배터리 셀 제어신호 전송 단계(S2)에서, 상기 제어부(21)는 SOC 측정부(22)로부터 측정된 복수의 배터리 셀 각각의 SOC와 평균 SOC를 비교하여 평균 SOC 보다 큰 배터리 셀을 방전하도록 배터리 셀 제어신호를 셀밸런싱부(40)로 전달한다.
상기 셀밸런싱 단계(S3)에서 셀밸런싱부(40)는 상기 제어부(21)로부터 받은 배터리 셀 제어신호에 따라 해당하는 배터리 셀의 셀밸런싱을 수행한다. 이때, 상기 셀밸런싱부(40)에서 행해지는 셀밸런싱은 평균 SOC 보다 큰 배터리 셀을 방전하는 것이다. 상기 셀밸런싱 단계(S3)에서 방전된 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량(CB_n)은 셀밸런싱 방전용량 측정부(23)에서 측정되고 저장부(50)에 저장된다.
상기 셀밸런싱 방전용량 차이값과 기준값 비교 단계(S4)에서, 상기 제어부(21)는 저장부(50)에 누적된 셀밸런싱 방전용량(CB_n; n은 자연수)을 참조하여, 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량(CB_n) 중 최대값(CB_max)과 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량(CB_n)의 차이값(CB_max - CB_n)이 기준값(REF) 보다 큰지 비교하는 과정을 수행한다.
상기 단락 배터리 셀 판단 단계(S5)에서는, 제어부(21)가 복수의 배터리 셀 중에서 셀밸런싱 방전용량(CB_n)의 차이값(CB_max - CB_n)과 기준값(REF)의 비교 결과에 따라, 복수의 배터리 셀 중에서 차이값(CB_max - CB_n)이 기준값(REF) 보다 큰 배터리 셀을 단락 배터리 셀로 판단한다. 만약 차이값(CB_max - CB_n)이 기준값(REF) 보다 작으면 단락 배터리 셀이 없는 것으로 판단하여 상기의 단계를 반복하고, 그 반복 횟수에 따라 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량은 누적되어 저장부(50)에 저장된다. 따라서, 제어부(21)는 지속적으로 내부 단락이 발생하는 배터리 셀을 검출할 수 있게 된다.
상기 단락 배터리 셀 알림 단계(S6)에서는, MCU(20)가 단락 배터리 셀의 정보를 ECU(7)에 전송하여 표시 장치에 표시되도록 한다. 그럼, 사용자가 단락 배터리 셀의 검출 유무를 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법은 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량을 이용하여 복수의 배터리 셀 중 단락 배터리 셀을 검출하여 사용자에게 알림으로써, 사용자가 단락 배터리 셀을 확인하도록 할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법은 단락으로 인해 성능이 저하된 배터리 셀의 교체를 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명이 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법은 누적된 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량을 이용하여 복수의 배터리 셀 중 지속적인 단락이 발생되는 단락 배터리 셀을 검출함으로써, 지속적인 단락에 의해 발생되는 배터리의 폭발 등을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 배터리 관리 시스템 및 그 구동방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
1: BMS(Battery Management System) 10: 센싱부
20: MCU(Main Control unit) 30: 내부전원 공급부
40: 셀밸런싱부 50: 저장부
60: 통신부 70: 보호 회로부

Claims (10)

  1. 복수의 배터리 셀의 셀전압 및 셀전류를 측정하는 센싱부;
    상기 복수의 배터리 셀의 셀전압 및 셀전류를 이용하여 상기 복수의 배터리 셀의 SOC(State of charge)를 측정하여 충방전을 제어하도록 배터리 셀 제어신호를 보내는 MCU(Main control unit); 및
    상기 배터리 셀 제어신호에 의해 배터리 셀을 셀밸런싱시키는 셀밸런싱부를 포함하고,
    상기 MCU는
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량을 측정하는 셀밸런싱 방전용량 측정부; 및
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량 중 최대값과 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량의 차이값을 기준값과 비교하여, 상기 복수의 배터리 셀 중 상기 차이값이 상기 기준값보다 큰 배터리 셀을 단락 배터리 셀로 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 MCU에는 상기 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량 및 기준값을 저장하는 저장부가 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 저장부는 상기 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량이 누적되어 저장되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀밸런싱부는 상기 셀밸런싱신호에 의해 해당하는 배터리 셀을 방전시키는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 MCU는 상기 단락 배터리 셀에 대한 정보를 ECU(Electric controller unit)에 전송하여, 상기 ECU가 표시 장치에 상기 배터리 셀에 대한 정보를 표시하도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  6. 복수의 배터리 셀 각각의 SOC를 측정하는 배터리 셀 SOC 측정 단계;
    상기 복수의 배터리 셀을 제어하는 신호를 전송하는 배터리 셀 제어신호 전송 단계;
    상기 배터리 셀 제어신호에 의해 배터리 셀을 셀밸런싱시키는 셀밸런싱 단계;
    상기 복수의 배터리 셀의 셀밸런싱 방전용량 중 최대값과 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀밸런싱 방전용량의 차이값이 기준값 보다 큰 지 비교하는 셀밸런싱 방전용량 차이값과 기준값 비교 단계; 및
    상기 복수의 배터리 셀 중에서 셀밸런싱 차이값이 기준값 보다 큰 배터리셀을 단락 배터리 셀로 판단하는 단락 배터리 셀 판단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 셀밸런싱 방전용량 차이값과 기준값 비교 단계에서 상기 복수의 배터리 셀 각각의 방전용량은 누적되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 배터리 셀 제어신호 전송 단계는
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 SOC와 평균 SOC를 비교하여 평균 SOC 보다 큰 배터리 셀의 정보를 보내는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 셀밸런싱 단계는 해당 배터리 셀을 방전시키는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 단락 배터리 셀에 대한 정보를 표시하도록 하는 단락 배터리 셀 알림 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
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