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KR102399604B1 - 배터리 관리 장치 및 시스템 - Google Patents

배터리 관리 장치 및 시스템 Download PDF

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KR102399604B1
KR102399604B1 KR1020170108791A KR20170108791A KR102399604B1 KR 102399604 B1 KR102399604 B1 KR 102399604B1 KR 1020170108791 A KR1020170108791 A KR 1020170108791A KR 20170108791 A KR20170108791 A KR 20170108791A KR 102399604 B1 KR102399604 B1 KR 102399604B1
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KR
South Korea
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battery
bms
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controller
antenna
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김영재
전진용
성영훈
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삼성전자주식회사
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Abstract

일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 배터리 셀의 정보를 획득하여 변환하는 컨버터와, 변환된 정보의 송수신을 제어하는 컨트롤러와, 상기 컨트롤러의 명령에 응답하여 상기 변환된 정보를 인접한 배터리 셀에 대하여 송수신하는 안테나와, 상기 컨트롤러의 명령에 응답하여 상기 인접한 배터리 셀에 대하여 무선 충전 또는 무선 방전을 수행하기 위한 코일을 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 인접한 배터리 셀의 정보에 기초하여 상기 무선 충전 또는 상기 무선 방전을 명령한다.

Description

배터리 관리 장치 및 시스템{APPARATUS AND SYSTEM FOR MANAGING BATTERY}
아래 실시예들은 배터리 관리 장치 및 시스템에 관한 것이다.
환경문제와 에너지 자원 문제가 대두되면서, 가운데 전기 자동차(electric vehicle)가 미래의 운송 수단으로 각광받고 있다. 전기 자동차는 충방전이 가능한 복수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용한다.
이로 인해, 전기 자동차의 경우, 배터리 팩의 수명이 중요하다. 배터리 팩의 용량이 클수록 배터리 팩의 수명은 증가할 수 있다. 이때, 배터리 팩의 수명을 증가시키기 위해 보다 많은 배터리 셀을 배터리 팩에 탑재하는 것은 배터리 팩에 대한 비용이 증가할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 배터리 셀의 정보를 획득하여 변환하는 컨버터(converter)와, 변환된 정보의 송수신을 제어하는 컨트롤러(controller)와, 상기 컨트롤러의 명령에 응답하여 상기 변환된 정보를 송수신하는 안테나(antenna)를 포함한다.
상기 안테나는, 근거리 통신(near field communication)을 수행하기 위한 NFC 안테나로 구현될 수 있다.
상기 안테나는 상기 배터리 셀의 양쪽 면에 구현될 수 있다.
상기 배터리 셀의 정보는 상기 배터리 셀의 전압, 전류, 및 온도 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 컨버터는, 상기 배터리 셀의 정보를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 컨버터로 구현될 수 있다.
상기 장치는, 상기 컨트롤러의 명령에 응답하여 인접한 배터리 셀에 대하여 무선 충전 또는 무선 방전을 수행하기 위한 코일(coil)을 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 인접한 배터리 셀의 정보에 기초하여 상기 무선 충전 또는 상기 무선 방전을 명령할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은, 복수의 배터리와, 상기 복수의 배터리로부터 획득한 정보에 기초하여, 상기 복수의 배터리의 상태를 결정하는 제1 컨트롤러와, 상기 복수의 배터리로부터 상기 정보를 수신하고, 상기 제1 컨트롤러의 명령에 응답하여 상기 상태를 상기 복수의 배터리로 송신하는 제1 안테나를 포함하고, 상기 복수의 배터리는, 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 정보를 획득하여 변환하는 컨버터와, 변환된 정보의 송수신을 제어하는 제2 컨트롤러와, 상기 제2 컨트롤러의 명령에 응답하여 상기 변환된 정보를 송수신하는 제2 안테나를 포함하고, 상기 정보는 상기 복수의 배터리에 포함된 상기 배터리 셀의 정보를 포함한다.
상기 복수의 배터리는 직렬로 접속될 수 있다.
상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는, 근거리 통신을 수행하기 위한 NFC 안테나로 구현될 수 있다.
상기 제2 안테나는 상기 배터리 셀의 양쪽 면에 구현될 수 있다.
상기 배터리 셀의 정보는 상기 배터리 셀의 전압, 전류, 및 온도 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 컨버터는, 상기 배터리 셀의 정보를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 컨버터로 구현될 수 있다.
상기 상태는 상기 복수의 배터리의 충전 상태(state of charge(SOC)) 및 수명 상태(state of health(SOH)) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 복수의 배터리는, 상기 제2 컨트롤러의 명령에 응답하여 상기 인접한 배터리 셀에 대하여 무선 충전 또는 무선 방전을 수행하기 위한 코일(coil)을 더 포함하고, 상기 제2 컨트롤러는 상기 인접한 배터리 셀의 정보에 기초하여 상기 무선 충전 또는 상기 무선 방전을 명령할 수 있다.
상기 제1 컨트롤러는, 상기 정보에 기초하여, 상기 복수의 배터리에 대해 배터리 밸런싱(battery balancing)을 수행할 수 있다.
상기 제1 컨트롤러는, 상기 정보에 기초하여, 상기 제2 컨트롤러에 상기 무선 충전 또는 상기 무선 방전을 명령할 수 있다.
상기 제1 컨트롤러는, 상기 복수의 배터리의 충전 상태(SOC)에 기초하여, 상기 배터리 밸런싱을 수행할 수 있다.
상기 제1 컨트롤러는, 상기 충전 상태가 최소에 해당하는 적어도 하나의 배터리를 결정하고, 상기 복수의 배터리 중에서 상기 적어도 하나의 배터리를 제외한 배터리의 상기 제2 컨트롤러로, 무선 방전을 명령할 수 있다.
상기 제1 컨트롤러는, 상기 충전 상태가 최소에 해당하는 적어도 하나의 배터리를 결정하고, 상기 적어도 하나의 배터리의 상기 제2 컨트롤러로, 인접한 배터리로부터 무선 충전된 에너지의 무선 방전을 명령할 수 있다.
상기 제1 컨트롤러는, 상기 복수의 배터리의 상기 충전 상태(SOC)가 모두 일치하는 경우, 상기 배터리 밸런싱을 종료할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 시스템의 블록도의 일 예를 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 사시도를 나타낸다.
도 4a는 도 3에 도시된 제1 배터리 모듈의 사시도의 일 예를 나타낸다.
도 4b는 도 3에 도시된 제1 배터리 모듈의 사시도의 다른 예를 나타낸다.
도 5a는 도 3에 도시된 제1 배터리 모듈의 측면도의 일 예를 나타낸다.
도 5b는 도 3에 도시된 제1 배터리 모듈의 측면도의 다른 예를 나타낸다.
도 6은 도 3에 도시된 S-BMS를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 3에 도시된 M-BMS를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 1에 도시된 배터리 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면의 일 예이다.
도 9는 도 1에 도시된 배터리 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 10은 도 1에 도시된 배터리 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 11은 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 사시도를 나타낸다.
도 12a는 도 11에 도시된 제1 배터리 모듈의 사시도의 일 예를 나타낸다.
도 12b는 도 11에 도시된 제1 배터리 모듈의 사시도의 일 예를 나타낸다.
도 13은 도 11에 도시된 S-BMS를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 도 1에 도시된 배터리 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 15는 도 1에 도시된 배터리 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 개략적인 블록도를 나타내고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 시스템의 블록도의 일 예를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 시스템(battery system; 10)은 배터리 팩(battery pack; 100) 및 배터리 관리 시스템(battery management system(BMS); 200)을 포함한다.
배터리 시스템(10)은 배터리가 사용되는 모든 장치에 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 시스템(10)은 에너지 저장 시스템(energy storage system(ESS)), 전자 장치, 이동 수단 등에 구현될 수 있다. 이동 수단은 스마트 모빌리티(smart mobility), 전기 자동차(electric vehicle), 또는 하이브리드 자동차(hybrid vehicle)일 수 있다. 즉, 배터리 시스템(10)은 전자 장치, 이동 수단 등을 구성하는 요소들에 전원으로서 동작할 수 있다.
배터리 팩(100)은 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3)을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3)은 배터리로 명명될 수도 있다. 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3)은 직렬로 접속될 수 있다. 여기서, 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3) 각각은 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 배터리 셀은 직렬로 접속된 2차 전지일 수 있다.
배터리 관리 시스템(200)은 마스터 배터리 관리 장치(master battery management system(M-BMS); 220) 및 복수의 슬레이브 배터리 관리 장치(slave battery management system(S-BMS); 210-1, 210-2, 및 210-3)를 포함할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 마스터 배터리 관리 장치(220)는 M-BMS(220)로, 슬레이브 배터리 관리 장치(210-1, 210-2, 및 210-3)는 S-BMS(210-1, 210-2, 및 210-3)로 명명하여 설명한다.
배터리 팩(100)과 배터리 관리 시스템(200)은 서로 접속되어 있을 수 있다. 예를 들어, 제1 S-BMS(210-1)는 제1 배터리 모듈(110-1)과 접속되고, 제2 S-BMS(210-2)는 제2 배터리 모듈(110-2)과 접속되고, 제3 S-BMS(210-3)는 제3 배터리 모듈(110-3)과 접속될 수 있다.
배터리 관리 시스템(200)은 배터리 팩(100)의 정보를 획득할 수 있다. 배터리 팩(100)의 정보는 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3)을 구성하는 배터리 셀의 전압, 전류, 및 온도 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 S-BMS(210-1)는 제1 배터리 모듈(110-1)의 정보를 획득할 수 있다. 마찬가지로, 제2 S-BMS(210-2)는 제2 배터리 모듈(110-2)의 정보를 획득하고, 제3 S-BMS(210-3)는 제3 배터리 모듈(110-3)의 정보를 획득할 수 있다.
복수의 S-BMS(210-1, 210-2, 및 210-3)는 획득한 정보를 M-BMS(220)로 송신할 수 있다. 복수의 S-BMS(210-1, 210-2, 및 210-3) 및 M-BMS(220)는 안테나를 포함할 수 있다. 즉, 복수의 S-BMS(210-1, 210-2, 및 210-3)과 M-BMS(220)는 안테나를 사용하여 무선 통신을 수행할 수 있다.
안테나는 배터리 팩(100)의 양쪽 면에 구현될 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3) 각각은 제1 면에 안테나를 포함하고, 제2 면에도 안테나를 포함할 수 있다. 이에, 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3) 각각의 안테나는 인접한 배터리 모듈(110-1, 110-2, 또는 110-3)의 안테나와 통신할 수 있다. 안테나는 근거리 통신(near field communication)을 수행하기 위한 NFC 안테나로 구현될 수 있다.
이에, 배터리 시스템(10)은 EMC(electromagnetic compatibility) 노이즈를 효율적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 배터리 시스템(10)의 구조가 경량화 및 간소화되어 에너지 밀도가 향상되고, 제작 비용 및 유지보수 비용이 최소화될 수 있다. 배터리 시스템(10)은 유선 통신이 아닌 무선 통신을 사용함으로써 배터리 셀의 분리 및 교체가 용이하고, 확장성 및 적용 유연성이 증가할 수 있다.
M-BMS(220)는 복수의 S-BMS(210-1, 210-2, 및 210-3)로부터 획득한 배터리 팩(100)의 정보에 기초하여, 배터리 팩(100)의 상태를 결정할 수 있다. 배터리 팩(100)의 상태는 충전 상태(state of charge(SOC)), 수명 상태(state of health(SOH)), 저온 크랭킹 앰프(cold cranking amp(CCA)), 분극 저항(polarization resistance(PR)), 내부 저항(internal resistance(IR)) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, M-BMS(220)는 배터리 팩(100)을 구성하는 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3) 각각의 상태를 결정할 수 있다. M-BMS(220)는 제1 배터리 모듈(110-1)의 정보에 기초하여 제1 배터리 모듈(110-1)의 상태를 결정할 수 있다. 마찬가지로, M-BMS(220)는 제2 배터리 모듈(110-2)의 정보에 기초하여 제2 배터리 모듈(110-2)의 상태를 결정하고, 제3 배터리 모듈(110-3)의 정보에 기초하여 제3 배터리 모듈(110-3)의 상태를 결정할 수 있다. M-BMS(220)는 결정된 상태에 기초하여 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3)의 출력 전력을 제어할 수 있다.
배터리 관리 시스템(200)은 배터리 팩(100)의 정보에 기초하여 온도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 시스템(200)은 안테나를 사용하여 배터리 팩(100)의 온도를 제어할 수 있다. 이에, 배터리 시스템(10)은 저온 환경에서 이상 없이 작동할 수 있고, 수명이 길어질 수 있다.
배터리 관리 시스템(200)은 배터리 팩(100) 중에서 온도가 기준값(reference value) 이하인 배터리 모듈(100-1, 110-2, 또는 110-3)의 온도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 시스템(200)은 온도가 -5°C 이하인 배터리 모듈(100-1, 110-2, 또는 110-3)을 결정하고, 안테나를 사용하여 온도를 증가시킬 수 있다. 배터리 관리 시스템(200)은 안테나에 전압 또는 전류를 공급함으로써 온도를 증가시킬 수 있다.
또한, 배터리 관리 시스템(200)은 배터리 팩(100)의 정보에 기초하여 배터리 밸런싱(battery balancing)을 수행할 수 있다. 즉, 배터리 관리 시스템(200)은 배터리 팩(100)에 대하여 충전 또는 방전을 수행할 수 있다. 배터리 관리 시스템(200)은 무선으로 충전 또는 방전을 수행할 수 있다. 이때, 배터리 관리 시스템(200)은 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3)과 인접한 배터리 모듈(110-1, 110-2, 또는 110-3)에 대하여 무선 충전 또는 무선 방전을 수행하기 위한 코일(coil)을 포함할 수 있다.
코일은 배터리 팩(100)의 양쪽 면에 구현될 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3) 각각은 제1 면에 코일을 포함하고, 제2 면에도 코일을 포함할 수 있다. 이에, 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3) 각각의 코일은 인접한 배터리 모듈(110-1, 110-2, 또는 110-3)을 충전 또는 방전할 수 있다.
M-BMS(220)는 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3) 각각의 상태에 기초하여 복수의 S-BMS(210-1, 210-2, 및 210-3) 각각에 충전 또는 방전을 수행할 수 있다. 즉, 복수의 S-BMS(210-1, 210-2, 및 210-3) 각각은 M-BMS(220)의 명령에 응답하여 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3) 각각에 충전 또는 방전을 수행할 수 있다.
예를 들어, M-BMS(220)는 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3)의 충전 상태(SOC)에 기초하여 충전 또는 방전을 수행할 수 있다. M-BMS(220)는 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3) 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하고, 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하는 적어도 하나의 배터리 모듈(예를 들어, 110-1)을 결정할 수 있다.
M-BMS(220)는 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3) 중에서 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하지 않는 배터리 모듈(예를 들어, 110-2 및 110-3)에 무선 방전을 명령할 수 있다. 즉, M-BMS(220)는 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3) 중에서 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하는 적어도 하나의 배터리 모듈(110-1)을 제외한 배터리 모듈(110-2 및 110-3)의 S-BMS(210-2 및 210-3)로 무선 방전을 명령할 수 있다. 이에, 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하지 않는 배터리 모듈(110-2 및 110-3)은 인접한 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3)로 에너지를 방전할 수 있다. 예를 들어, 제2 배터리 모듈(110-2)은 제1 배터리 모듈(110-1) 및 제3 배터리 모듈(110-3)로 에너지를 방전하고, 제3 배터리 모듈(110-3)은 제2 배터리 모듈(110-2)로 에너지를 방전할 수 있다.
또한, M-BMS(220)는 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3) 중에서 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하는 적어도 하나의 배터리 모듈(110-1)에 무선 충전 및 무선 방전을 수행할 수 있다. 즉, M-BMS(220)는 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3) 중에서 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하는 적어도 하나의 배터리 모듈(110-1)의 S-BMS(210-1)에 무선 충전 및 무선 방전을 명령할 수 있다.
충전 상태(SOC)가 최소에 해당하는 적어도 하나의 배터리 모듈(110-1)은 인접한 배터리 모듈(110-2)로부터 에너지를 충전하고 방전할 수 있다. 예를 들어, 제1 배터리 모듈(110-1)은 인접한 제2 배터리 모듈(110-2)로부터 에너지를 수신(충전)할 수 있다. 이때, 제2 배터리 모듈(110-2)은 인접한 제3 배터리 모듈(110-3)로부터 수신한(충전한) 에너지와 자신의 에너지를 제1 배터리 모듈(110-1)로 방전할 수 있다. 제2 배터리 모듈(110-2)이 제1 배터리 모듈(110-1)로 방전하는 자신의 에너지는 현재 제2 배터리 모듈(110-2)의 충전량과 제1 배터리 모듈(110-1)의 충전량의 차이에 해당하는 에너지일 수 있다.
제1 배터리 모듈(110-1)은 S-BMS(210-1)의 명령에 응답하여, 제2 배터리 모듈(110-2)로부터 수신한(충전된) 에너지를 방전할 수 있다. 예를 들어, 제1 배터리 모듈(110-1)은 LDC(low voltage DC/DC converter)로 에너지를 방전할 수 있다. LDC는 보조 배터리를 충전하거나, 또는 저전압 부하(0.5kW 내지 3kW)에 12~14VDC의 전력을 공급할 수 있다.
M-BMS(220)는 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3)의 충전 상태(SOC)가 모두 일치하는 경우, 배터리 밸런싱을 종료할 수 있다.
이상에서는 설명의 편의를 위해 복수의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3)이 배터리 관리 시스템(200)의 외부에 있는 것으로 도시하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 배터리 관리 시스템(200)의 내부에 있는 것으로 구현될 수도 있다.
또한, 배터리 팩(100)은 세 개의 배터리 모듈(110-1, 110-2, 및 110-3)을 포함하는 것으로 도시하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 복수 개로 구현될 수 있음은 자명하다.
도 3은 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 사시도를 나타내고, 도 4a는 도 3에 도시된 제1 배터리 모듈의 사시도의 일 예를 나타내고, 도 4b는 도 3에 도시된 제1 배터리 모듈의 사시도의 다른 예를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 배터리 시스템(10)은 M-BMS(220), 제1 안테나(321 및 322), 배터리 모듈(110-1~110-n), S-BMS(210-1~210-n), 및 제2 안테나(215-1~215-2n)를 포함한다. 제1 안테나(321 및 322) 및 제2 안테나(215-1~215-2n)는 근거리 통신을 수행하는 NFC 안테나로 구현될 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하여 제1 배터리 모듈(110-1)에 대하여 설명하면, 제2 안테나(215-1)는 제1 면(111)에 구현되고, 제2 안테나(215-2)는 제2 면(112)에 구현될 수 있다. 또한, 도 4a 및 도 4b에서는 설명의 편의를 위해 제1 S-BMS(210-1)가 제1 배터리 모듈(110-1)의 측면에 위치하는 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제1 배터리 모듈(110-1)의 상단 면 또는 하단 면에 구현될 수 있다.
M-BMS(220)는 제1 안테나(321 및 322)를 통해 인접한 배터리 모듈(110-1 및 110-n)의 S-BMS(210-1 및 210-n)과 통신할 수 있다. 예를 들어, M-BMS(220)는 제1 안테나(321)를 통해 제1 S-BMS(210-1)과 통신하고, 제1 안테나(322)를 통해 제n S-BMS(210-n)과 통신할 수 있다. 이에, M-BMS(220)는 복수의 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보를 획득할 수 있다.
M-BMS(220)는 제1 안테나(321)를 통해 제1 S-BMS(210-1)에 웨이크 업(wake up) 신호를 송신할 수 있다. 제1 S-BMS(210-1)는 웨이크 업 신호를 수신하면 아이들 모드(idle mode)에서 액티브 모드(active mode)로 전환할 수 있다. 아이들 모드는 휴면 모드이고, 액티브 모드는 배터리 모듈의 정보를 획득하기 위한 모드일 수 있다.
M-BMS(220)는 제1 배터리 모듈(110-1)의 제1 S-BMS(210-1)에 배터리 모듈(110-1 및 110-n)의 개수 확인을 요청할 수 있다. 예를 들어, M-BMS(220)는 CAN(Controller Area Network) 메시지를 사용할 수 있다. 제1 S-BMS(210-1)로부터 제n S-BMS(210-n)까지 CAN 메시지가 통과하면, 제n S-BMS(210-n)는 M-BMS(220)에 배터리 모듈(110-1 및 110-n)의 개수가 n개임을 알릴 수 있다.
M-BMS(220)는 복수의 배터리 모듈(110-1~110-n)에 정보를 요청할 수 있다. 예를 들어, M-BMS(220)는 제1 배터리 모듈(110-1)의 제1 S-BMS(210-1)에 제1 배터리 모듈(110-1)의 정보를 요청할 수 있다.
제1 S-BMS(210-1)는 연결된 제1 배터리 모듈(110-1)로부터 정보를 획득할 수 있다. 정보는 전압, 전류, 및 온도 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 제1 S-BMS(210-1)는 제1 배터리 모듈(110-1)의 전압, 전류, 및 온도 중에서 적어도 하나를 획득할 수 있다.
제1 S-BMS(210-1)는 획득한 정보 및 M-BMS(220)의 요청을 제2 안테나(215-2)를 통해 제2 S-BMS(210-2)로 송신할 수 있다. 이때, 제2 S-BMS(210-2)는 제2 안테나(215-3)을 통해 제1 S-BMS(210-1)로부터 정보 및 요청을 수신할 수 있다.
제2 S-BMS(210-2)는 연결된 제2 배터리 모듈(110-2)의 전압, 전류, 및 온도 중에서 적어도 하나를 획득하여 제3 S-BMS(210-3)로 송신할 수 있다.
마찬가지로, 제n-1 S-BMS(210-n-1)는 제2 안테나(215-2n-2)를 통해 제n S-BMS(210-n)로 획득한 정보를 M-BMS(220)의 요청과 함께 송신할 수 있다. 이때, 제n S-BMS(210-n)는 제2 안테나(215-2n-1)을 통해 제n-1 S-BMS(210-n-1)로부터 정보를 수신할 수 있다.
제n S-BMS(210-n)는 획득한 복수의 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보를 M-BMS(220)로 송신할 수 있다. 예를 들어, 제n S-BMS(210-n)는 제2 안테나(215-2n)를 통해 복수의 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보를 송신할 수 있다. M-BMS(220)는 제1 안테나(322)를 통해 복수의 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보를 수신할 수 있다.
또한, M-BMS(220)는 복수의 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보에 기초하여 복수의 배터리 모듈(110-1~110-n)의 상태를 결정할 수 있다. 이때, 상태는 배터리 모듈(110-1~110-n) 각각의 충전 상태(SOC), 수명 상태(SOH), 저온 크랭킹 앰프(CCA), 분극 저항(PR), 내부 저항(IR) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
M-BMS(220)는 복수의 배터리 모듈(110-1~110-n)의 상태를 복수의 배터리 모듈(110-1~110-n)로 송신할 수 있다. 복수의 배터리 모듈(110-1~110-n) 각각은 자신의 상태를 저장할 수 있다.
도 5a는 도 3에 도시된 제1 배터리 모듈의 측면도의 일 예를 나타내고, 도 5b는 도 3에 도시된 제1 배터리 모듈의 측면도의 다른 예를 나타낸다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 배터리 셀(110-1, 110-2, 및 110-3)에는 S-BMS(210-1, 210-2, 및 210-3) 및 제2 안테나(215-2, 215-3, 215-4, 및 215-5)를 포함한다.
이때, 제2 안테나(215-2, 215-3, 215-4, 및 215-5)는 자성 시트(ferrite sheet; 214-2, 214-3, 214-4, 및 214-5) 상에 합지될 수 있다. 예를 들어, 자성 시트(214-2, 214-3, 214-4, 및 214-5)는 보호 회로 모듈(protection circuit module(PCB))를 포함하고, 제2 안테나(215-2, 215-3, 215-4, 및 215-5)는 보호 회로 모듈(PCB) 상에 형성될 수 있다. 보호 회로 모듈(PCB)은 연성인쇄회로기판(Flexible PCB(FPCB))일 수 있다.
S-BMS(210-1, 210-2, 및 210-3) 및 제2 안테나(215-2, 215-3, 215-4, 및 215-5)는 스터브(stub; 212-2, 212-3, 212-4, 및 212-5)로 접속될 수 있다. 스터브(212-2, 212-3, 212-4, 및 212-5)는 S-BMS(210-1, 210-2, 및 210-3)과 제2 안테나(215-2, 215-3, 215-4, 및 215-5) 사이에서 통신을 보조할 수 있다. 스터브(212-2, 212-3, 212-4, 및 212-5)의 최대 길이는 5~10cm이고, 신속하게 명령, 정보 등을 송수신할 수 있다.
예를 들어, 제1 S-BMS(210-1)는 스터브(212-2)를 통해 제2 안테나(215-2)를 제어할 수 있다. 제2 안테나(215-2)는 제1 S-BMS(210-1)의 명령에 응답하여 제2 안테나(215-3)로 정보를 송신할 수 있다. 제2 안테나(215-3)는 수신한 정보를 스터브(212-3)를 통해 제2 S-BMS(210-2)로 송신할 수 있다. 제2 S-BMS(210-2)는 스터브(212-4)를 통해 제2 안테나(215-4)로 정보를 송신할 수 있다.
마찬가지로, 제2 안테나(215-4)는 제2 S-BMS(210-2)의 명령에 응답하여 제2 안테나(215-5)로 정보를 송신할 수 있다. 제2 안테나(215-5)는 수신한 정보를 스터브(212-5)를 통해 제3 S-BMS(210-3)로 송신할 수 있다.
도 6은 도 3에 도시된 S-BMS를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 제1 S-BMS(210-1)은 극성을 맞추어 제1 배터리 모듈(110-1)과 접속할 수 있다. 예를 들어, 제1 S-BMS(210-1)의 +극과 제1 배터리 모듈(110-1)의 +극이 서로 접속하고, 제1 S-BMS(210-1)의 -극과 제1 배터리 모듈(110-1)의 -극이 서로 접속할 수 있다.
제1 S-BMS(210-1)는 컨트롤러(211), 컨버터(213), 제2 안테나(215-1 및 215-2), 및 무선통신회로(wireless communication circuit; 217-1 및 217-2)를 포함한다.
컨트롤러(211)는 제1 S-BMS(210-1)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(211)는 제1 배터리 모듈(110-1)의 정보를 획득하거나, 획득한 정보를 변환하거나, 변환된 정보를 송신하거나, 또는 인접한 배터리 모듈의 정보를 수신하도록 제어할 수 있다. 컨트롤러(211)는 MCU(micro controller unit)로 구현될 수 있다.
컨버터(213)는 컨트롤러(211)의 제어(명령)에 응답하여 제1 배터리 모듈(110-1)의 정보를 획득하여 변환할 수 있다. 예를 들어, 컨버터(213)는 아날로그 형태의 정보를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 컨버터(213)는 A/D 컨버터(analog to digital converter)로 구현될 수 있다.
무선 통신 회로(217-1 및 217-2)는 컨트롤러(211)의 제어(명령)에 응답하여 변환된 디지털 신호를 제2 안테나(215-1 및 215-2)로 송신할 수 있다.
제2 안테나(215-1 및 215-2)는 변환된 디지털 신호를 인접한 안테나(제1 안테나 또는 제2 안테나)로 방사할 수 있다.
도 7은 도 3에 도시된 M-BMS를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, M-BMS(220)는 컨트롤러(221), 제1 안테나(321 및 322), 및 무선통신회로(227-1 및 227-2)를 포함한다. 도 7에 도시된 제1 안테나(321 및 322) 및 무선통신회로(227-1 및 227-2)는 도 6에 도시된 제2 안테나(215-1 및 215-2) 및 무선통신회로(217-1 및 217-2)와 구성 및 동작이 실질적으로 동일할 수 있다. 이에, 제1 안테나(321 및 322), 및 무선통신회로(227-1 및 227-2)에 대한 설명은 생략한다.
컨트롤러(221)는 M-BMS(220)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 컨트롤러(221)는 MCU로 구현될 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(221)는 복수의 배터리 모듈(110-1~110-n)의 S-BMS(210-1~210-n)로 요청, 명령, 또는 정보 등의 송수신을 제어할 수 있다. 컨트롤러(221)는 복수의 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보를 요청하고 획득할 수 있다.
컨트롤러(221)는 획득한 복수의 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보에 기초하여 복수의 배터리 모듈(110-1~110-n)의 상태를 결정할 수 있다. 컨트롤러(221)는 결정된 상태를 제1 안테나(321 및 322) 및 무선통신회로(227-1 및 227-2)를 통해 S-BMS(210-1~210-n)로 송신할 수 있다. 제1 안테나(321 및 322)는 결정된 상태를 인접한 제2 안테나로 방사할 수 있다.
도 8은 도 1에 도시된 배터리 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면의 일 예이다.
도 8을 참조하면, 배터리 시스템(10)은 M-BMS(220), 제1 안테나(325), 배터리 모듈(110-1~110-n), S-BMS(210-1~210-n), 및 제2 안테나(215-1~215-2n)를 포함한다.
M-BMS(220)는 제1 안테나(325)를 통해 제1 S-BMS(210-1)에 웨이크 업 신호를 송신하고, 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보를 요청할 수 있다.
제2 안테나(215-1)를 통해 웨이크 업 신호를 수신한 제1 S-BMS(210-1)는 아이들 모드에서 액티브 모드로 전환되어, 제1 배터리 모듈(110-1)의 정보를 획득할 수 있다. 이때, 인접하여 마주보고 있는 제1 안테나(325) 및 제2 안테나(215-1)는 안테나 짝(antenna pair)으로 명명 수 있다. 제1 S-BMS(210-1)는 획득한 제1 배터리 모듈(110-1)의 정보를 제2 안테나(215-2)를 통해 제2 S-BMS(210-2)로 전송할 수 있다.
제2 S-BMS(210-2)는 제2 안테나(215-3)를 통해 제1 배터리 모듈(110-1)의 정보를 획득하면서 아이들 모드에서 액티브 모드로 전환되어, 제2 배터리 모듈(110-2)의 정보를 획득할 수 있다. 마찬가지로, 인접하여 마주보고 있는 제2 안테나(215-2) 및 제2 안테나(215-3)는 안테나 짝일 수 있다.
제n S-BMS(210-n)는 제2 안테나(215-2n-1)를 통해 배터리 모듈(110-1~110-n-1)의 정보를 획득하면서 아이들 모드에서 액티브 모드로 전환되어, 제n 배터리 모듈(110-n)의 정보를 획득할 수 있다. 제n S-BMS(210-n)는 획득한 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보를 제n-1 S-BMS(210-n-1)로 송신할 수 있다. 즉, 제n S-BMS(210-n)는 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보를 역방향으로 송신할 수 있다.
제1 S-BMS(210-1)이 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보를 획득하면, 제1 S-BMS(210-1)는 제2 안테나(215-1)를 통해 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보를 M-BMS(220)로 송신할 수 있다.
M-BMS(220)는 제1 안테나(325)를 통해 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보를 획득하여 배터리 모듈(110-1~110-n)의 상태를 결정할 수 있다. M-BMS(220)는 배터리 모듈(110-1~110-n)의 상태에 기초하여 배터리 모듈(110-1~110-n)의 출력 전력을 제어할 수 있다.
도 9는 도 1에 도시된 배터리 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 9를 참조하면, 배터리 시스템(10)은 M-BMS(220), 제1 안테나(327 및 329), 배터리 모듈(110-1~110-n), S-BMS(210-1~210-n), 및 제2 안테나(215-1~215-2n)를 포함한다.
M-BMS(220)는 제1 안테나(327)를 통해 제1 S-BMS(210-1)에 웨이크 업 신호를 송신하고, 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보를 요청할 수 있다. 제1 S-BMS(210-1)는 제1 배터리 모듈(110-1)의 정보를 획득하여 인접한 제2 S-BMS(210-2)로 송신할 수 있다.
도 8을 참조하여 설명한 것과 마찬가지 원리가 적용되어, 제n S-BMS(210-n)는 제2 안테나(215-2n-1)를 통해 배터리 모듈(110-1~110-n-1)의 정보를 획득하면서 아이들 모드에서 액티브 모드로 전환되어, 제n 배터리 모듈(110-n)의 정보를 획득할 수 있다.
제n S-BMS(210-n)는 획득한 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보를 제2 안테나(215-2n)를 통해 M-BMS(220)로 송신할 수 있다. 즉, M-BMS(220)는 제1 안테나(329)를 통해 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보를 획득하여 배터리 모듈(110-1~110-n)의 상태를 결정할 수 있다. M-BMS(220)는 배터리 모듈(110-1~110-n)의 상태에 기초하여 배터리 모듈(110-1~110-n)의 출력 전력을 제어할 수 있다.
도 10은 도 1에 도시된 배터리 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 10을 참조하면, 배터리 시스템(10)은 M-BMS(220), 제1 안테나(331 및 332), 배터리 모듈(110-1~110-m), S-BMS(210-1~210-m), 제2 안테나(215-1~215-2m), 인터페이스(400-1~400-n), 및 제3 안테나(401-1~401-2n)를 포함한다.
인터페이스(400-1~400-n)는 M-BMS(220)과 구성 및 동작이 실질적으로 동일할 수 있다. M-BMS(220)과 구성 및 동작은 도 7을 참조하여 설명했다.
제1 인터페이스(400-1)는 모듈 1을 제어할 수 있다. 모듈 1은 배터리 모듈(110-1~110-m), S-BMS(210-1~210-m), 및 제2 안테나(215-1~215-2m)를 포함할 수 있다. 제2 인터페이스(400-2)는 모듈 2를 제어하고, 제n 인터페이스(400-n)는 모듈 n을 제어할 수 있다.
제1 인터페이스(400-1)는 제3 안테나(401-1)를 통해 S-BMS(210-1~210-m)에 요청, 명령, 또는 정보 등을 송신할 수 있다. 또한, 제1 인터페이스(400-1)는 제3 안테나(401-2)를 통해 배터리 모듈(110-1~110-m)의 정보를 획득할 수 있다. 제1 인터페이스(400-1)는 제3 안테나(401-1)를 통해 M-BMS(220)로 배터리 모듈(110-1~110-m)의 정보를 송신할 수 있다.
마찬가지로, 나머지 인터페이스(400-2~400-n)도 배터리 모듈의 정보를 획득하여 M-BMS(220)로 송신할 수 있다.
이에, 모듈 내에서는 S-BMS(210-1~210-m) 간에 무선 통신을 수행하고, 모듈 밖에서는 인터페이스(400-1~400-n)와 M-BMS(220) 간에 무선 통신을 수행함으로써 정보의 송수신 속도를 향상시킬 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 사시도를 나타내고, 도 12a는 도 11에 도시된 제1 배터리 모듈의 사시도의 일 예를 나타내고, 도 12b는 도 11에 도시된 제1 배터리 모듈의 사시도의 일 예를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 배터리 시스템(10)은 M-BMS(520), 제1 안테나(521 및 522), 제1 코일(531 및 532), 배터리 모듈(110-1~110-n), S-BMS(610-1~610-n), 제2 안테나(615-1~615-2n), 및 제2 코일(613-1~613-2n)을 포함한다.
도 11에 도시된 M-BMS(520), 제1 안테나(521 및 522), 제1 코일(531 및 532), 배터리 모듈(110-1~110-n), S-BMS(610-1~610-n), 및 제2 안테나(615-1~615-2n)는 도 3에 도시된 M-BMS(220), 제1 안테나(321 및 322), 배터리 모듈(110-1~110-n), S-BMS(210-1~210-n), 및 제2 안테나(215-1~215-2n)와 구성 및 동작이 실질적으로 동일할 수 있다. 이에, 이에 대한 설명은 생략한다.
도 12a 및 도 12b를 참조하여 제1 배터리 모듈(110-1)에 대하여 설명하면, 제2 안테나(615-1)는 제1 면(111)에 구현되고, 제2 안테나(615-2)는 제2 면(112)에 구현될 수 있다. 또한, 도 12a 및 도 12b에서는 설명의 편의를 위해 제1 S-BMS(610-1)가 제1 배터리 모듈(110-1)의 측면에 위치하는 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제1 배터리 모듈(110-1)의 상단 면 또는 하단 면에 구현될 수 있다.
배터리 시스템(10)은 제1 코일(531 및 532) 및 제2 코일(613-1~613-2n)을 통해 배터리 밸런싱을 수행할 수 있다. 제1 코일(531 및 532)은 M-BMS(520)의 양쪽으로 구현될 수 있다. 제2 코일(613-1~613-2n)은 배터리 모듈(110-1~110-n)의 양쪽 면에 구현될 수 있다.
M-BMS(520)는 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보에 기초하여 무선으로 충전 또는 방전을 수행할 수 있다. 예를 들어, M-BMS(520)는 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보에 기초하여 배터리 모듈(110-1~110-n)의 상태를 결정할 수 있다. M-BMS(520)는 배터리 모듈(110-1~110-n)의 상태에 기초하여 S-BMS(610-1~610-n) 각각에 충전 또는 방전을 수행할 수 있다. S-BMS(610-1~610-n) 각각은 M-BMS(520)의 명령에 응답하여, 제2 코일(613-1~613-2n)을 사용하여 무선으로 충전 또는 방전을 수행할 수 있다.
M-BMS(520)는 배터리 모듈(110-1~110-n)의 충전 상태(SOC)에 기초하여 충전 또는 방전을 수행할 수 있다. M-BMS(520)는 배터리 모듈(110-1~110-n) 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하고, 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하는 적어도 하나의 배터리 모듈(예를 들어, 110-1)을 결정할 수 있다.
M-BMS(520)는 배터리 모듈(110-1~110-n) 중에서 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하지 않는 배터리 모듈(예를 들어, 110-2~110-n)에 무선 방전을 명령할 수 있다. 즉, M-BMS(520)는 배터리 모듈(110-1~110-n) 중에서 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하는 적어도 하나의 배터리 모듈(110-1)을 제외한 배터리 모듈(110-2~110-n)의 S-BMS(210-2~210-n)로 무선 방전을 명령할 수 있다. 이에, 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하지 않는 배터리 모듈(110-2~110-n)은 제2 코일(613-1~613-2n)을 사용하여 인접한 배터리 모듈(110-1~110-n)로 에너지를 방전할 수 있다. 배터리 모듈(110-2~110-n) 각각이 방전하는 에너지는, 배터리 모듈(110-2~110-n) 각각의 충전량과 제1 배터리 모듈(110-1)의 충전량의 차이에 해당하는 에너지일 수 있다.
또한, M-BMS(520)는 배터리 모듈(110-1~110-n) 중에서 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하는 적어도 하나의 배터리 모듈(110-1)에 무선 충전 및 무선 방전을 수행할 수 있다. 즉, M-BMS(520)는 배터리 모듈(110-1~110-n) 중에서 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하는 적어도 하나의 배터리 모듈(110-1)의 S-BMS(210-1)에 무선 충전 및 무선 방전을 명령할 수 있다. 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하는 적어도 하나의 배터리 모듈(110-1)은 제2 코일(613-1 및 613-2)을 사용하여 인접한 배터리 모듈(110-2~110-n)로부터 에너지를 충전하고 방전할 수 있다.
제1 배터리 모듈(110-1)은 S-BMS(210-1)의 명령에 응답하여, 인접한 배터리 모듈(110-2~110-n)로부터 수신한(충전된) 에너지를 방전할 수 있다. 예를 들어, 제1 배터리 모듈(110-1)은 제2 코일(613-1 및 613-2)을 사용하여 M-BMS(520) 또는 LDC로 에너지를 방전할 수 있다.
M-BMS(520) 또는 LDC는 제1 코일(531 및 532)을 사용하여 무선 충전을 수행할 수 있다. M-BMS(520) 또는 LDC는 보조 배터리를 충전하거나, 또는 저전압 부하에 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, M-BMS(520) 또는 LDC는 저전압 부하(0.5kW 내지 3kW)에 12~14VDC의 전력을 공급할 수 있다.
M-BMS(520)는 배터리 모듈(110-1~110-n)의 충전 상태(SOC)가 모두 일치하는 경우, 배터리 밸런싱을 종료할 수 있다.
도 13은 도 11에 도시된 S-BMS를 설명하기 위한 도면이다.
도 13을 참조하면, 제1 S-BMS(610-1)은 극성을 맞추어 제1 배터리 모듈(110-1)과 접속할 수 있다. 예를 들어, 제1 S-BMS(610-1)의 +극과 제1 배터리 모듈(110-1)의 +극이 서로 접속하고, 제1 S-BMS(610-1)의 -극과 제1 배터리 모듈(110-1)의 -극이 서로 접속할 수 있다.
제1 S-BMS(610-1)는 컨트롤러(611), 컨버터(612), 제2 코일(613-1 및 613-2), 선형 레귤레이터(linear regulator; 614), 제2 안테나(615-1 및 615-2), 및 집적 회로(integrated circuit(IC); 617-1 및 617-2)를 포함한다.
도 13에 도시된 컨트롤러(611), 컨버터(612), 및 제2 안테나(615-1 및 615-2)는 도 6에 도시된 컨트롤러(211), 컨버터(213), 및 제2 안테나(215-1 및 215-2)와 구성 및 동작이 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 이에 대한 설명은 생략한다.
제1 S-BMS(610-1)는 제1 배터리 모듈(110-1)의 정보를 M-BMS(520)로 송신하고, M-BMS(520)의 명령에 응답하여 배터리 밸런싱을 수행할 수 있다.
선형 레귤레이터(614)는 컨트롤러(611)로 입력되는 전압을 제어할 수 있다. 예를 들어, 선형 레귤레이터(614)는 2.5~3V의 전압을 컨트롤러(611)로 입력시킬 수 있다. 선형 레귤레이터(614)는 LDO(low drop out) 레귤레이터로 구현될 수 있다.
컨트롤러(611)는 제1 S-BMS(610-1)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(611)는 제1 배터리 모듈(110-1)의 정보를 획득하거나, 획득한 정보를 변환하거나, 변환된 정보를 송신하거나, 또는 인접한 배터리 모듈의 정보를 수신하도록 제어할 수 있다. 컨트롤러(611)는 MCU(micro controller unit)로 구현될 수 있다.
컨버터(612)는 컨트롤러(611)의 제어(명령)에 응답하여 획득한 정보를 변환할 수 있다. 예를 들어, 컨버터(612)는 획득한 정보를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
집적 회로(617-1 및 617-2)는 컨트롤러(611)의 제어(명령)에 응답하여 변환된 디지털 신호를 제2 안테나(615-1 및 615-2)로 출력할 수 있다.
제2 안테나(615-1 및 615-2)는 변환된 디지털 신호를 인접한 안테나(제1 안테나 또는 제2 안테나)로 방사할 수 있다.
또한, 집적 회로(617-1 및 617-2)는 컨트롤러(611)의 제어(명령)에 응답하여 충전 신호 또는 방전 신호를 제2 코일(613-1 및 613-2)로 출력할 수 있다.
제2 코일(613-1 및 613-2)은 제1 S-BMS(610-1)의 명령에 응답하여 인접한 배터리 모듈로 무선으로 충전 또는 방전을 수행할 수 있다.
도 14는 도 1에 도시된 배터리 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 14를 참조하면, 배터리 시스템(10)은 M-BMS(520), 제1 안테나(533), 제1 코일(523), 배터리 모듈(110-1~110-n), S-BMS(610-1~610-n), 제2 코일(613-1~613-2n), 및 제2 안테나(615-1~615-2n)를 포함한다.
도 14에 도시된 M-BMS(520), 제1 안테나(533), 배터리 모듈(110-1~110-n), S-BMS(610-1~610-n), 및 제2 안테나(615-1~615-2n)는 도 8에 도시된 M-BMS(220), 제1 안테나(325), 배터리 모듈(110-1~110-n), S-BMS(210-1~210-n), 및 제2 안테나(215-1~215-2n)와 구성 및 동작이 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 이에 대한 설명은 생략한다.
M-BMS(520)는 제1 코일(523)을 사용하여 배터리 밸런싱을 수행할 수 있다. 예를 들어, M-BMS(520)는 제1 코일(523)을 통해 에너지를 충전 또는 방전시킬 수 있다.
M-BMS(520)는 배터리 모듈(110-1~110-n)의 정보에 기초하여 배터리 모듈(110-1~110-n)의 상태를 결정할 수 있다. M-BMS(520)는 배터리 모듈(110-1~110-n)의 상태에 기초하여 배터리 밸런싱을 수행할 수 있다.
예를 들어, M-BMS(520)는 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하는 배터리 모듈(110-1~110-n 중에서 적어도 하나)을 결정할 수 있다.
M-BMS(520)는 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하지 않는 배터리 모듈(110-1~110-n 중에서 적어도 하나)의 S-BMS(610-1~610-n 중에서 적어도 하나)에게 방전을 명령할 수 있다. 즉, M-BMS(520)는 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하지 않는 배터리 모듈(110-1~110-n 중에서 적어도 하나)의 S-BMS(610-1~610-n 중에서 적어도 하나)는 충전 상태(SOC)가 최소가 될 때까지 에너지를 방전시킬 수 있다.
M-BMS(520)는 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하는 배터리 모듈(110-1~110-n 중에서 적어도 하나)의 S-BMS(610-1~610-n 중에서 적어도 하나)에게 충전 및 방전을 명령할 수 있다. 즉, 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하는 배터리 모듈(110-1~110-n 중에서 적어도 하나)의 S-BMS(610-1~610-n 중에서 적어도 하나)는 인접한 배터리 모듈(110-1~110-n)로부터 전달받은 에너지를 통과시킬 수 있다.
M-BMS(520) 또는 LDC는 제1 코일(523)을 사용하여 무선 충전을 수행할 수 있다. M-BMS(520) 또는 LDC는 보조 배터리를 충전하거나, 또는 저전압 부하에 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, M-BMS(520) 또는 LDC는 저전압 부하(0.5kW 내지 3kW)에 12~14VDC의 전력을 공급할 수 있다.
M-BMS(520)는 배터리 모듈(110-1~110-n)의 충전 상태(SOC)가 모두 일치하는 경우, 배터리 밸런싱을 종료할 수 있다.
도 15는 도 1에 도시된 배터리 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 15를 참조하면, 배터리 시스템(10)은 M-BMS(520), 제1 안테나(535 및 537), 제1 코일(525 및 527), 배터리 모듈(110-1~110-4), S-BMS(610-1~610-4), 제2 코일(613-1~613-8), 및 제2 안테나(615-1~615-8)를 포함한다.
여기서, 제1 배터리 모듈(110-1)의 충전률은 80%이고, 제2 배터리 모듈(110-2)의 충전률은 80%이고, 제3 배터리 모듈(110-3)의 충전률은 70%이고, 제4 배터리 모듈(110-4)의 충전률은 70%일 수 있다. 설명의 편의를 위해 배터리 모듈(110-1~110-4)의 충전률을 임의로 설정하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
M-BMS(520)는 제1 코일(525 및 527)을 사용하여 배터리 밸런싱을 수행할 수 있다. 예를 들어, M-BMS(520)는 제1 코일(525 및 527)을 통해 에너지를 충전 또는 방전시킬 수 있다.
M-BMS(520)는 배터리 모듈(110-1~110-4)의 정보에 기초하여, 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하는 배터리 모듈(110-3 및 110-4)을 결정할 수 있다. 충전 상태(SOC)는 충전률을 포함할 수 있다.
M-BMS(520)는 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하지 않는 배터리 모듈(110-1 및 110-2)의 S-BMS(610-1 및 613-2)에게 방전을 명령할 수 있다. 즉, M-BMS(520)는 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하지 않는 배터리 모듈(110-1 및 110-2)의 S-BMS(610-1 및 613-2)는 배터리 모듈(110-1 및 110-2)의 충전 상태(SOC)가 최소가 될 때까지 에너지를 방전시킬 수 있다. 배터리 모듈(110-1 및 110-2)는 충전률이 70%가 될 때까지 에너지를 방전시킬 수 있다.
예를 들어, 제1 배터리 모듈(110-1)은 제2 코일(613-1 및 613-2)을 통해 에너지를 방전시킬 수 있다. M-BMS(520) 또는 LDC는 제2 코일(613-1)을 통해 방전된 에너지를 제1 코일(525)을 통해 수신할 수 있다. 제2 배터리 모듈(110-2)은 제2 코일(613-2)을 통해 방전된 에너지를 제2 코일(613-3)을 통해 수신할 수 있다.
또한, 제2 배터리 모듈(110-2)은 제2 코일(613-3 및 613-4)을 통해 에너지를 방전시킬 수 있다. 즉, 제2 배터리 모듈(110-2)은 제1 배터리 모듈(110-1) 또는 제3 배터리 모듈(110-3)로 에너지를 방전시킬 수 있다.
M-BMS(520)는 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하는 배터리 모듈(110-3 및 110-4)의 S-BMS(610-3 및 613-4)에게 충전 및 방전을 명령할 수 있다. 즉, 충전 상태(SOC)가 최소에 해당하는 배터리 모듈(110-3 및 110-4)의 S-BMS(610-3 및 613-4)는 인접한 배터리 모듈(110-1 및 110-2)로부터 전달받은 에너지를 통과시킬 수 있다.
제3 배터리 모듈(110-3) 및 제4 배터리 모듈(110-4)은 제1 배터리 모듈(110-1) 및 제2 배터리 모듈(110-2)로부터 수신한 에너지를 통과시킬 수 있다. 제4 배터리 모듈(110-4)은 제2 코일(613-7 및 613-8)을 통해 에너지를 방전시킬 수 있다. M-BMS(520) 또는 LDC는 제2 코일(613-8)을 통해 방전된 에너지를 제1 코일(527)을 통해 수신할 수 있다.
M-BMS(520) 또는 LDC는 제1 코일(525 및 527)로부터 충전된 에너지를 사용하여 보조 배터리를 충전하거나, 또는 저전압 부하에 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, M-BMS(520) 또는 LDC는 저전압 부하(0.5kW 내지 3kW)에 12~14VDC의 전력을 공급할 수 있다.
M-BMS(520)는 배터리 모듈(110-1~110-4)의 충전 상태(SOC)가 모두 일치하는 경우, 배터리 밸런싱을 종료할 수 있다.
도 15에서는 설명의 편의를 위해 배터리 모듈(110-1~110-4)이 네 개인 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 복수 개로 구현될 수 있다. 이에, S-BMS(610-1~610-4), 제2 코일(613-1~613-8), 및 제2 안테나(615-1~615-8)의 개수 또한 배터리 모듈(110-1~110-4)의 개수에 따라 변할 수 있음은 자명하다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (18)

  1. 배터리 셀의 정보를 획득하여 변환하는 컨버터(converter);
    변환된 정보의 송수신을 제어하는 컨트롤러(controller);
    상기 컨트롤러의 명령에 응답하여 상기 변환된 정보를 인접한 배터리 셀에 대하여 송수신하는 안테나(antenna); 및
    상기 컨트롤러의 명령에 응답하여 상기 인접한 배터리 셀에 대하여 무선 충전 또는 무선 방전을 수행하기 위한 코일(coil)
    을 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 인접한 배터리 셀의 정보에 기초하여 상기 무선 충전 또는 상기 무선 방전을 명령하는 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안테나는,
    근거리 통신(near field communication)을 수행하기 위한 NFC 안테나로 구현되는
    배터리 관리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안테나는 상기 배터리 셀의 양쪽 면에 구현되는 배터리 관리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 정보는 상기 배터리 셀의 전압, 전류, 및 온도 중에서 적어도 하나를 포함하는
    배터리 관리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    상기 배터리 셀의 정보를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 컨버터로 구현되는
    배터리 관리 장치.
  6. 복수의 배터리;
    상기 복수의 배터리로부터 획득한 정보에 기초하여, 상기 복수의 배터리의 상태를 결정하는 제1 컨트롤러; 및
    상기 복수의 배터리로부터 상기 정보를 수신하고, 상기 제1 컨트롤러의 명령에 응답하여 상기 상태를 상기 복수의 배터리로 송신하는 제1 안테나
    를 포함하고,
    상기 복수의 배터리는,
    배터리 셀;
    상기 배터리 셀의 정보를 획득하여 변환하는 컨버터;
    변환된 정보의 송수신을 제어하는 제2 컨트롤러;
    상기 제2 컨트롤러의 명령에 응답하여 상기 변환된 정보를 인접한 배터리 셀에 대하여 송수신하는 제2 안테나; 및
    상기 제2 컨트롤러의 명령에 응답하여 상기 인접한 배터리 셀에 대하여 무선 충전 또는 무선 방전을 수행하기 위한 코일
    를 포함하고,
    상기 제2 컨트롤러는 상기 인접한 배터리 셀의 정보에 기초하여 상기 무선 충전 또는 상기 무선 방전을 명령하고,
    상기 정보는 상기 복수의 배터리에 포함된 상기 배터리 셀의 정보를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 배터리는 직렬로 접속된 배터리 관리 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는,
    근거리 통신을 수행하기 위한 NFC 안테나로 구현되는
    배터리 관리 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제2 안테나는 상기 배터리 셀의 양쪽 면에 구현되는 배터리 관리 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 정보는 상기 배터리 셀의 전압, 전류, 및 온도 중에서 적어도 하나를 포함하는
    배터리 관리 시스템.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    상기 배터리 셀의 정보를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 컨버터로 구현되는
    배터리 관리 시스템.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 상태는 상기 복수의 배터리의 충전 상태(state of charge(SOC)) 및 수명 상태(state of health(SOH)) 중에서 적어도 하나를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 제1 컨트롤러는,
    상기 정보에 기초하여, 상기 복수의 배터리에 대해 배터리 밸런싱(battery balancing)을 수행하는 배터리 관리 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 컨트롤러는,
    상기 정보에 기초하여, 상기 제2 컨트롤러에 상기 무선 충전 또는 상기 무선 방전을 명령하는 배터리 관리 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 컨트롤러는,
    상기 복수의 배터리의 충전 상태(SOC)에 기초하여, 상기 배터리 밸런싱을 수행하는 배터리 관리 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 컨트롤러는,
    상기 충전 상태가 최소에 해당하는 적어도 하나의 배터리를 결정하고,
    상기 복수의 배터리 중에서 상기 적어도 하나의 배터리를 제외한 배터리의 상기 제2 컨트롤러로, 무선 방전을 명령하는 배터리 관리 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1 컨트롤러는,
    상기 충전 상태가 최소에 해당하는 적어도 하나의 배터리를 결정하고,
    상기 적어도 하나의 배터리의 상기 제2 컨트롤러로, 인접한 배터리로부터 무선 충전된 에너지의 무선 방전을 명령하는 배터리 관리 시스템.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제1 컨트롤러는,
    상기 복수의 배터리의 상기 충전 상태(SOC)가 모두 일치하는 경우, 상기 배터리 밸런싱을 종료하는 배터리 관리 시스템.
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