KR20130112739A - 배터리 팩, 배터리 팩의 전압 측정 방법 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템 - Google Patents

배터리 팩, 배터리 팩의 전압 측정 방법 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 팩의 전압 측정 방법 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 상기 배터리의 제1 전압을 획득하여 상기 제1 전압으로부터 제2 전압을 생성하여 출력하는 분배 회로; 상기 배터리와 상기 분배 회로 사이에 연결되며, 제어 신호에 기초하여 상기 배터리를 상기 분배 회로와 전기적으로 절연하는 절연 회로; 상기 분배 회로에 연결되며, 상기 제어 신호를 생성하는 절연 회로 제어부 및 상기 제2 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 측정부를 포함하는 배터리 관리부; 를 포함하는 배터리 시스템이 제공된다.

Description

배터리 팩, 배터리 팩의 전압 측정 방법 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템{BATTERY PACK, METHOD OF MEASURING VOLTAGE OF THE BATTERY PACK, AND ENERGY STORAGE SYSTEM INCLUDING THE BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩의 전압 측정 방법 및 이를 포함하는 에너지 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. 에너지 저장 시스템은 이러한 신재생 에너지, 전력을 저장한 배터리, 그리고 기존의 계통 전력을 연계시키는 시스템으로서, 오늘날의 환경 변화에 맞추어 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
이러한 에너지 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 배터리 팩의 전체 전압 측정을 수행할 수 있는 배터리 팩의 전압 측정 방법 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 상기 배터리의 제1 전압을 획득하여 상기 제1 전압으로부터 제2 전압을 생성하여 출력하는 분배 회로; 상기 배터리와 상기 분배 회로 사이에 연결되며, 제어 신호에 기초하여 상기 배터리를 상기 분배 회로와 전기적으로 절연하는 절연 회로; 상기 분배 회로에 연결되며, 상기 제어 신호를 생성하는 절연 회로 제어부 및 상기 제2 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 측정부를 포함하는 배터리 관리부; 를 포함하는 배터리 시스템이 제공된다.
본 발명에 있어서, 상기 배터리 관리부는; 배터리 상태 정보를 생성하기 위하여 상기 배터리의 상태를 모니터링하는 모니터링부; 상기 배터리 상태 정보를 획득하고, 상기 배터리 상태 정보에 기초하여 상기 제어 신호를 선택적으로 제공하기 위하여 상기 절연 회로 제어부를 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 절연 회로는 상기 제어 신호가 제공되지 않을 때 상기 배터리와 상기 분배 회로를 절연하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 모니터링부는 상기 배터리의 충방전율을 모니터링하고, 상기 충방전율을 제어부로 전달하며, 상기 제어부는 상기 충방전율이 충방전율 기준값보다 클 때, 상기 제어 신호가 제공되지 않는 시간보다 짧은 시간동안 상기 제어 신호를 제공하도록 상기 절연 회로 제어부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 모니터링부는 상기 배터리의 노이즈 신호를 모니터링하고, 상기 노이즈 신호로부터 노이즈 정보를 생성하여 상기 제어부로 전달하며, 상기 제어부는 상기 노이즈 정보가 노이즈 기준값보다 클 때, 상기 제어 신호가 제공되지 않는 시간보다 짧은 시간동안 상기 제어 신호를 제공하도록 상기 절연 회로 제어부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 배터리 관리부는 상기 제2 전압으로부터 상기 제1 전압을 계산하는 전압 계산부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 분배 회로와 상기 배터리 관리부에 연결되어, 상기 제2 전압을 충전하는 것을 특징으로 하는 커패시터; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 배터리는 제1 배터리 단자 및 제2 배터리 단자를 더 포함하고, 상기 분배 회로는 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자를 더 포함하며, 상기 절연 회로는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하고, 상기 제1 스위치는 상기 제1 배터리 단자와 상기 제1 입력 단자를 상기 제어 신호에 기초하여 연결하며, 상기 제2 스위치는 상기 제2 배터리 단자와 상기 제2 입력 단자를 상기 제어 신호에 기초하여 연결하고, 적어도 하나 이상의 상기 배터리 셀이 상기 제1 배터리 단자와 제2 배터리 단자에 연결되며, 상기 분배 회로는 상기 제1 입력 단자와 제2 입력 단자 사이에 연결되고 상기 제1 전압을 제2 전압으로 분배하기 위한 복수개의 분배 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 복수개의 분배 소자는 제1 분배 소자를 포함하고, 상기 측정부는 상기 제1 분배 소자에 연결되고 상기 제1 분배 소자에 인가되는 전압을 측정하여 상기 제2 전압을 획득하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 복수개의 분배 소자는 저항인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 복수개의 분배 소자는 트랜지스터인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치는 포토-모스 릴레이(Photo-Mos Relay)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 전압은 상기 배터리의 전체 전압이고, 상기 제2 전압은 상기 제1 전압을 자연수로 나눈 값인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 전압은 순간적인 전압인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 제어부; 및 상기 전력 제어부에 연결되는 배터리 시스템; 을 포함하는 에너지 저장 시스템에 있어서, 상기 배터리 시스템은; 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 상기 배터리의 전압을 획득하여 분배 전압을 생성하고 출력하는 분배 회로; 상기 배터리와 상기 분배 회로 사이에 연결되고 제어 신호에 기초하여 상기 배터리와 상기 분배 회로를 절연하는 절연 회로; 상기 분배 회로에 연결되며, 배터리의 상태에 기초한 제어 신호를 생성하고 상기 분배 전압을 획득하여 전체 전압을 계산하기 위하여 상기 배터리의 상태를 모니터링하는 배터리 관리부;를 포함하며, 상기 에너지 저장 시스템은 발전 시스템 혹은 계통이 생산한 에너지를 상기 배터리에 저장하고, 배터리의 전력을 부하 혹은 계통에 공급하고, 상기 전력 제어부는 상기 발전 시스템, 계통, 혹은 배터리의 전력을 변환하는, 에너지 저장 시스템이 제공된다.
본 발명에 있어서, 상기 배터리 관리부는 충방전율을 모니터링하여 상기 충방전율이 충방전율 기준값보다 클 때, 상기 분배 회로와 상기 배터리를 연결하기 위해 상기 제어 신호가 제공되지 않는 시간보다 짧은 시간동안 상기 제어 신호를 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 노이즈 신호를 모니터링하여 상기 노이즈 신호가 노이즈 기준값보다 클때, 상기 분배 회로와 상기 배터리를 연결하기 위해 상기 제어 신호가 제공되지 않는 시간보다 짧은 시간동안 상기 제어 신호를 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 분배 전압은 순간적인 전압값인 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명의 실시 예들에 의하면, 효율적으로 배터리 팩의 전체 전압 측정을 수행할 수 있는 배터리 팩의 전압 측정 방법 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는데 있다.
도 1는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 높은 충방전율로 배터리의 충방전이 일어날 경우 전압의 변화 추이를 나타내는 그래프이다.
도 4는 전압 분배 회로에서 전체 전압에 대한 분배 전압을 구하는 예시를 나타낸 도면이다.
도 5는 BMS의 내부 구성을 블록도로 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템이 동작하는 순서를 나타낸 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이러한 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시예로부터 다른 실시예로 변경되어 구현될 수 있다. 또한, 각각의 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 여러 실시예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.첨부된 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템(1)을 나타내는 블록도이다.
도 1를 참조하면, 본 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2), 계통(3)과 연계하여 부하(4)에 전력을 공급한다.
발전 시스템(2)은 에너지원을 이용하여 전력을 생산하는 시스템이다. 발전 시스템(2)은 생산한 전력을 에너지 저장 시스템(1)에 공급한다. 발전 시스템(2)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로 발전 시스템(2)은 상기 언급한 종류에 한정되는 것은 아니다. 태양열이나 지열 등, 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전 시스템을 모두 포함할 수 있다.
계통(3)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비한다. 계통(3)은 정상 상태인 경우, 에너지 저장 시스템(1)으로 전력을 공급하여 부하(4) 및/또는 배터리(10)에 전력이 공급되도록 하고, 에너지 저장 시스템(1)으로부터 전력을 공급받는다. 계통(3)이 비정상 상태인 경우, 계통(3)으로부터 에너지 저장 시스템(1)으로의 전력 공급은 중단되고, 에너지 저장 시스템(1)으로부터 계통(3)으로의 전력 공급 또한 중단된다.
부하(4)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력, 배터리(10)에 저장된 전력, 또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 소비한다. 가정이나 공장 등이 부하(4)의 일 예일 수 있다.
에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 배터리(10)에 저장하고, 생산한 전력을 계통(3)에 공급할 수 있다. 또한 에너지 저장 시스템(1)은 배터리(10)에 저장된 전력을 계통(3)에 공급하거나, 계통(3)으로부터 공급된 전력을 배터리(10)에 저장할 수 있다. 또한, 에너지 저장 시스템(1)은 계통(3)이 비정상 상태일 경우, 예를 들면 정전이 발생한 경우에는 UPS(Uninterruptible Power Supply) 동작을 수행하여 부하(4)에 전력을 공급할 수 있다. 또한 에너지 저장 시스템(1)은 계통(3)이 정상인 상태에서도 발전 시스템(2)이 생산한 전력이나 배터리(10)에 저장되어 있는 전력을 부하(4)로 공급할 수 있다.
에너지 저장 시스템(1)은 전력 변환을 제어하는 전력 제어부(Power Control System, 이하 'PCS'라 함)(200), 제1 스위치(250), 제2 스위치(260), 배터리 관리부(Battery Management System: 이하 'BMS'라 함)(70), 배터리(10)를 포함한다.
PCS(200)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리(10)의 전력을 적절한 전력으로 변환하여 필요한 곳에 공급한다. PCS(200)는 전력 변환부(210), DC 링크부(220), 인버터(230), 컨버터(240), 통합 제어기(270)를 포함한다.
전력 변환부(210)는 발전 시스템(2)과 DC 링크부(220) 사이에 연결된다. 전력 변환부(210)는 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 DC 링크부(220)로 전달하며, 이때 출력 전압을 직류 링크 전압으로 변환한다. 특히, 발전 시스템(2)이 태양광으로 전력을 생산하는 경우, 전력 변환부(210)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.
직류 링크 전압은 발전 시스템(2) 또는 계통(3)에서의 순시 전압 강하, 부하(4)에서의 피크 부하 발생 등으로 인하여 그 크기가 불안정해 지는 경우가 있다. 그러나 직류 링크 전압은 컨버터(240) 및 인버터(230)의 정상 동작을 위하여 안정화될 필요가 있다. DC 링크부(220)는 직류 링크 전압의 안정화를 위해 예를 들면, 대용량 커패시터 등을 구비할 수 있으며, DC 링크부(220)는 전력 변환부(210)와 인버터(230) 사이에 연결되어 직류 링크 전압을 일정하게 유지시킨다.
인버터(230)는 DC 링크부(220)와 제1 스위치(250) 사이에 연결되는 전력 변환기이다. 인버터(230)는 방전 모드에서 발전 시스템(2) 및/또는 배터리(10)로부터 출력된 직류 링크 전압을 계통(3)의 교류 전압으로 변환하여 출력하는 인버터를 포함할 수 있다. 또한, 인버터(230)는 충전 모드에서 계통(3)의 전력을 배터리(10)에 저장하기 위하여, 계통(3)의 교류 전압을 정류하고 직류 링크 전압으로 변환하여 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다. 인버터(230)는 양방향 인버터 혹은 복수의 인버팅 회로를 포함하는 구성일 수 있다.
인버터(230)는 계통(3)으로 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 또한 인버터(230)는 무효 전력의 발생을 억제하기 위하여 인버터(230)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(3)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로를 포함할 수 있다. 그 밖에, 인버터(230)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다.
컨버터(240)는 DC 링크부(220)와 배터리(10) 사이에 연결되는 전력 변환기이다. 컨버터(240)는 방전 모드에서 배터리(10)에 저장된 전력을 인버터(230)에서 요구하는 전압 레벨 즉, 직류 링크 전압으로 DC-DC 변환하여 출력하는 컨버터를 포함한다. 또한, 컨버터(240)는 충전 모드에서 전력 변환부(210)에서 출력되는 전력이나 인버터(230)에서 출력되는 전력의 전압을 배터리(10)에서 요구하는 전압 레벨, 즉 충전 전압으로 DC-DC 변환하는 컨버터를 포함한다. 컨버터(240)는 양방향 컨버터 혹은 복수의 컨버팅 회로를 포함하는 구성일 수 있다.
통합 제어기(270)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리(10), 및 부하(4)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과에 따라서 전력 변환부(210), 인버터(230), 컨버터(240), 제1 스위치(250), 제2 스위치(260), 및 BMS(70)를 제어한다. 통합 제어기(270)가 모니터링 하는 사항은 계통(3)에 정전이 발생하였는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력이 생산되는지 여부를 포함할 수 있다. 또한 통합 제어기(270)는 발전 시스템(2)의 전력 생산량, 배터리(10)의 충전 상태, 부하(4)의 전력 소비량, 시간 등을 모니터링 할 수 있다.
제1 스위치(250) 및 제2 스위치(260)는 인버터(230)와 계통(3) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어기(270)의 제어에 따라서 on/off 동작을 수행하여 발전 시스템(2)과 계통(3) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 제1 스위치(250)와 제2 스위치(260)는 발전 시스템(2), 계통(3), 및 배터리(10)의 상태에 따라서 on/off가 결정될 수 있다. 예를 들어, 부하(4)에서 요구되는 전력량이 큰 경우, 제1 스위치(250) 및 제2 스위치(260)를 모두 on 상태로 하여 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리(10)의 전력을 부하(4)에 공급한다. 반면에, 계통(3)에서 정전이 발생한 경우, 제2 스위치(260)를 off 상태로 하고 제1 스위치(250)를 on 상태로 한다. 이로 인하여 발전 시스템(2) 또는 배터리(10)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.
BMS(70)는 배터리(10)에 연결되며, 통합 제어기(270)의 제어에 따라 배터리(10)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. BMS(70)는 배터리(10)를 보호하기 위하여, 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, BMS(70)는 배터리(10)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 모니터링하고, 모니터링 결과를 통합 제어기(270)에 인가할 수 있다.
배터리(10)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(10)는 에너지 저장 시스템(1)에서 요구되는 전력 용량, 설계 조건 등에 따라서 개수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 부하(4)의 소비 전력이 큰 경우에는 복수의 배터리(10)를 구비할 수 있으며, 부하(4)의 소비 전력이 작은 경우에는 하나의 배터리(10)만을 구비할 수도 있을 것이다.
한편, 배터리(10) 및 BMS(70)를 포함하는 배터리 시스템(100)은 도 2에서 설명하는 배터리 시스템(100)들이 사용될 수 있다.
BMS(70)는 배터리(10)에 연결되며, 통합 제어기(270)의 제어에 따라 배터리(10)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. BMS(70)는 배터리(10)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(70)는 배터리(10)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 모니터링하고, 모니터링 결과를 통합 제어기(270)에 전송할 수 있다. 특히 본 실시 예에 따른 BMS(70)는 충방전율(c-rate)이 기준값보다 높은 경우에도 높은 정확도로 전압을 측정할 수 있으며, 구체적인 전압 측정 방법에 대하여는 도 2 내지 도 5에서 자세히 설명하도록 한다.
본 명세서에서, 충방전율이란 방전 또는 충전 전류를 단위를 뺀 전지의 정격용량 값으로 나눈 값을 의미하는 것으로, 충방전율 C rate(A) = 충방전 전류(A) / 정격 용량 값 의 식으로 나타낼 수 있다. 충방전율이 특정 기준값보다 높은 경우 배터리(10) 전압의 변동 폭이 크다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템(100)을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 배터리 시스템(100)은 배터리(10), 절연 회로(20), 분배 회로(30)를 포함한다.
배터리(10)는 충전에 의하여 외부로부터 공급된 전력을 저장하고, 방전에 의하여 저장한 전력을 외부로 공급한다.
배터리(10)는 직렬, 또는 직렬 및 병렬로 연결된 복수의 배터리 모듈(11a~11z)들을 포함할 수 있다. 또한 복수의 배터리 모듈(11a~11z)들 각각은 적어도 하나의 배터리 셀(12)을 포함할 수 있다. 배터리 모듈(11a~11z)에 복수의 배터리 셀(12)들이 포함되는 경우, 배터리 모듈(11a~11z) 내의 배터리 셀(12)들은 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다. 배터리 셀(12)은 충전가능한 이차 전지이다. 본 발명의 실시 예들에서는 배터리 모듈(11a~11z)들 및 배터리 셀(12)들이 직렬로 연결된 경우에 대하여만 설명하도록 한다. 그러나 이는 설명의 편의를 위한 것으로 도면에 도시된 구성에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명은 배터리(10)를 구성하는 배터리 모듈(11a~11z)의 개수와, 하나의 배터리 모듈(11a~11z)을 구성하는 배터리 셀(12)의 개수에 제한되지 않는다.
도 2를 참조하면, 배터리(10)는 양단이 PCS(200)와 연결된 것을 알 수 있다. 배터리(10)와 PCS(200) 사이에는 콘덴서(201)가 연결되어 있을 수 있다. 또한, 배터리(10)의 양단은 스위치와 같은 절연 소자를 포함하는 절연 회로(20)와 전기적으로 연결될 수 있다. 절연 회로(20)는 배터리(10)의 양단과 분배 회로(30)의 양단을 절연하는 제1 절연 스위치(20a) 및 제2 절연 스위치(20b)를 포함할 수 있다. 배터리(10)는 절연 회로(20)가 온(on)으로 동작하는 경우 분배 회로(30)와 연결된다.
절연 회로(20)는 배터리(10)와 후술할 분배 회로(30) 사이의 전류 전달 경로이다. 절연 회로(20)는 BMS(70)의 제어 신호에 따라 배터리(10)의 전압을 측정하고자 할 때는 배터리(10)와 분배 회로(30) 사이에 전류가 통하도록 하고, 전압을 측정하지 않는 경우에는 배터리(10)와 분배 회로(30) 사이를 절연하여, 시스템에 흐르는 전류 값이 큰 경우에도 BMS(70)로 잡음 신호가 전달되지 않도록 할 수 있다.
예를 들어, 배터리(10)의 전압을 측정하기 위해 분배 회로(30)를 본 발명의 일 실시예와 같은 중간의 절연 회로(20) 없이 바로 배터리(10)에 연결하는 경우, 높은 전류값 혹은 잡음 신호에 의해 배터리(10)의 전압 측정 결과가 달라질 수 있다. 통상적인, 그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템에서는 높은 충방전율(c-rate)로 배터리(10)의 충방전이 이루어지기 때문이다.
즉, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 배터리(10)는 PCS(200)에 연결되어 있으므로 PCS(200)에서 발생하는 잡음 신호가 배터리(10)에 영향을 주거나, 혹은 배터리(10)에 큰 값의 전류가 흐름에 따라 배터리(10) 자체의 전압 외에도 잡음 신호가 측정될 수 있다. 이와 같이, 잡음 신호가 측정되는 것을 방지하기 위하여 절연 회로(20)를 배터리(10)와 분배 회로(30) 사이에 설치함으로써 배터리(10)와 BMS(70)의 측정부(74)를 전기적으로 절연할 수 있도록 있고, 잡음 신호를 제거한 배터리(10)의 전압을 측정할 수 있다.
도 3은 높은 충방전율로 배터리의 충방전이 일어날 경우 전압의 변화 추이를 나타내는 그래프이다.
도 3과 같이 급격한 전압의 변화가 관찰되는 경우, 도 3의 sensing point 부분의 전압을 측정하고자 할 때 기존의 전압 측정 방식에서는 전압의 변동으로 인하여 정확한 값을 측정하는 것이 어려웠으며 측정값의 정확도도 낮다는 문제점이 존재하였다. 그러나 본 발명의 일 실시예와 같이 배터리(10)의 전압을 측정하기 위해 절연 회로(20)를 구비하면 절연 소자를 순간적으로 제어함으로써 순간적인 배터리(10)의 전압값을 측정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라 절연 회로(20)를 이용하여 센싱된 전압값은 높은 신뢰도 및 정확도를 가진다.
절연 회로(20)로는 스위칭 역할을 하는 절연 소자를 포함한다. 절연 소자는, 예를 들어, 일반적인 스위치 소자에서 레벨 시프트(level shift) 회로, 광 아이솔레이터(optical isolator) 등 다양한 회로가 사용될 수 있다. 보다 구체적으로는, 옵토커플러(optocoupler), 포토모스릴레이(photomos relay) 또는 포토커플러(photo coupler) 등의 무접점 릴레이가 절연 회로 내에서 배터리(10)와 분배 회로(30)를 절연하기 위해 사용될 수 있다. 절연 소자들은 온/오프 제어 가능한 소자로 구현된다.
분배 회로(30)는 배터리 전체 전압을 일정 비율로 분배하여 측정하기 위해 사용되는 회로이다. 본 발명의 일 실시예에서, BMS(70)가 고전압 배터리 시스템을 제어하려면 전체 배터리 전압을 측정할 필요가 있다. 일반적인 배터리 시스템은 측정하고자 하는 배터리 팩 혹은 배터리 시스템의 전체 전압이 고전압이다. 따라서, 배터리(10) 전체의 전압을 측정하려면 높은 한계치를 가지는 측정 기기를 구비해야 한다. 그 대신, 본 발명의 일 실시예에서는 전체 전압을 일정 비율로 분배한 값을 측정한 후, 측정된 전압에 일정 비율을 다시 곱하여 전체 전압을 계산하는 방식을 사용한다.
예를 들어, 분배 회로(30)는 전체 배터리(10)의 전압을 N으로 나누어, 나누어진 전압값을 측정한 BMS(70)가 획득한 전압값에 N을 곱하여 전체 전압값을 계산하도록 할 수 있다. N은 자연수일 수 있으며, 분배 회로(30)의 구성에 따라 결정되며 BMS(70)는 N값을 저장하고 있을 수 있다.
분배 회로(30)는 저항소자(R1, R2,..., Rk) 혹은 트랜지스터로 구성될 수 있다. 비록 도 2에서는 저항만으로 전압 분배 회로(30)를 구성하였지만, 반드시 이와 같은 종류 및 소자의 개수에 한정되지는 않는다. 또한, BMS(70)에서 측정하는 분배 전압은 반드시 저항 하나에 인가되는 전압일 필요는 없고, BMS(70)의 필요에 따라 전체 배터리(10)의 전압을 일정 비율로 분배하고 있는 복수개의 저항 혹은 트랜지스터에 인가되는 분배 전압일 수 있다.
도 2에서 보는 바와 같이, 분배 회로(30)의 양단은 절연 회로(20)가 전기적으로 연결되고, 분배 회로(30) 내의 저항 소자(Rk)의 양단에 전압 측정용 커패시터(41)가 연결된다. BMS(70)는 전압 측정용 커패시터(41)를 이용하여 분배 회로(30)에서 저항 등의 분배 소자에 의해 분배된 전압을 측정한다.
도 4는 전압 분배 회로에서 전체 전압에 대한 분배 전압을 구하는 예시를 나타낸 도면이다.
도 4는 저항(R11, R12, R13) 혹은 트랜지스터(N1, N2, N3)를 3개씩 사용하여 전체 전압 VCC를 분압하는 경우를 나타낸 도면이다. 본 발명의 다른 실시예에서 저항(R11, R12, R13) 혹은 트랜지스터(N1, N2, N3)의 개수 및 연결상태는 변형될 수 있다.
도 4의 좌측의 그림에서 볼 수 있는 바와 같이, 전압 분배 회로가 저항(R11, R12, R13)으로 이루어진 경우에 분배 전압 out1의 값은 로 형성된다. 또한, 도 4의 우측의 그림에서 볼 수 있는 바와 같이, 전압 분배 회로가 NMOS 트랜지스터로 이루어진 경우에는 분배 전압 out2의 값은 NMOS 트랜지스터(N1, N2, N3)의 턴온저항값의 비에 의해 전압 분배되어 의 값을 가진다.
다시 도 2를 참조하면, BMS(70)는 배터리(10)의 충전 및 방전 제어, 배터리(10)에 포함된 배터리 셀(12)의 밸런싱 제어 등의 기능을 수행한다. 또한 BMS(70)는 배터리 셀(12)들 사이의 전압, 배터리(10)의 온도, 충전 전류 또는 방전 전류 등을 모니터링하고, 모니터링 결과로부터 배터리(10)의 만충전 용량(Full Charge Capacity)을 판단한다.
BMS(70)는 전원 단자(VCC), 그라운드 단자(VSS), 전압 측정 단자(Vn), 절연 회로 제어 단자(SC)를 포함할 수 있다.
전원 단자(VDD)와 그라운드 단자(VSS)에는 전원 전압과 그라운드 전압이 각각 인가된다.
전압 측정 단자(Vn)는 배터리(10)가 포함하는 각각의 배터리 셀(12) 및 각각의 배터리 셀(12)의 전압을 합한 전체 배터리(10)의 전압을 일정 비율로 분배한 분배 저항 값을 측정한다. 즉, 전압 측정 단자(Vn)는 분배 회로(30) 중 전체 전압을 일정 비율로 분배하는 소자에 연결되며, 도 2에서는 저항 Rk에 인가되는 전압을 측정할 수 있도록 전압 측정 단자(Vn)가 저항 Rk 상단에 위치하는 노드에 연결된다.
또한, 절연 회로 제어 단자(SC)는 절연 회로(20)의 절연 소자를 제어하는 신호를 송출한다. 절연 소자를 제어하는 신호는 배터리(10)와 분배 회로(30)를 절연함으로써, PCS(200)에서 발생하는 잡음 신호가 BMS(70)에 영향을 끼치는 것을 방지하고 충방전률이 높은 경우에도 순간적인 전압을 정확히 측정할 수 있게 한다.
도 5는 BMS(70)의 내부 구성을 블록도로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, BMS(70)는 모니터링부(71), 제어부(72), 절연 회로 제어부(73), 측정부(74), 전체 전압 계산부(75)를 포함할 수 있다.
모니터링부(71)는 배터리(10)의 상태를 모니터링한다. 모니터링부(71)는 배터리(10)의 온도, 전압, 전류 등을 측정하고 이를 이용하여 저장 가능한에너지 양이나 모터로 전달할 수 있는 에너지 양을 계산(추정)할 수 있다. 측정된 값은 제어부(72)에 SOC(State of Charge), SOH(State of Health), 가용 방전 전력, 충전 가능 전력 등의 값으로 전달된다. 도 3에서 살펴본 바와 같이, 배터리(10)는 높은 충방전율의 영향으로 전압값의 변화 폭이 크므로 적절한 타이밍에 전압을 측정하는 것이 중요하다. 따라서, 모니터링부(71)는 배터리(10)의 상태를 모니터하여 제어부(72)에 전달하는 역할을 한다.
제어부(72)는 전체 BMS(70)의 동작을 제어하는 역할을 한다. 제어부는 모니터링부(71)와 통신하여 현재 배터리(10)의 상태를 판단하고, 절연 회로 제어부(73), 측정부(74), 전체 전압 계산부(75)가 각 역할을 수행할 수 있도록 명령 신호를 송출하는 역할을 한다.
절연 회로 제어부(73)는 제어부의 신호에 따라 절연 회로(20)내 소자들의 온/오프를 결정한다. 상술한 바와 같이, 절연 회로(20)가 온될 경우에는 배터리(10)와 분배 회로(30)가 연결되어 BMS(70)는 분배 전압을 측정할 수 있다. 이와는 반대로, 절연 회로(20)가 오프될 경우에는 배터리(10)와 분배 회로(30) 사이가 절연되므로 분배 회로(30)의 소자에 전압이 인가되지 않고, 측정부(74)는 전압값을 측정할 수 없다.
보다 상세하게, 절연 회로 제어부(73)는 본 발명의 배터리 시스템에서 전압값의 변동이 큰 경우에 발생하는 잡음 신호가 BMS(70)의 전압 측정에 영향을 미치지 않도록 절연 소자를 제어하는 신호를 생성할 수 있다. 또한, 절연 회로 제어부(73)는 본 발명의 배터리 시스템(100)에서 충방전율이 높은 경우에도 정확한 측정이 가능하도록 짧은 시간 동안만 절연 소자를 온시키는 명령을 생성할 수도 있다. 절연 소자가 온되는 시간은 전압 측정용 커패시터(41)의 용량에 좌우될 수 있으며, 예를 들어 100us가 될 수 잇다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(72)는 충방전율이 기설정된 충방전율 기준값보다 클 때, 제어 신호가 제공되지 않는 시간보다 짧은 시간동안 제어 신호를 제공하도록 절연 회로 제어부(73)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(72)는 배터리(10)의 노이즈 신호가 기설정된 노이즈 기준값보다 클 때, 제어 신호가 제공되지 않는 시간보다 짧은 시간동안 제어 신호를 제공하도록 절연 회로 제어부(73)를 제어할 수 있다.
측정부(74)는 분배 회로(30)에서 저항(Rk)의 양단에 걸린 분배 전압을 측정한다. 도 2를 참조하여 측정부(74)가 전압을 측정하는 방법을 설명하면, 먼저 절연 회로(20)가 온 되었을 때, 저항(Rk)에는 전체 배터리(10)의 일정 부분 전압이 걸리게 된다. 그 후, 전압 측정용 커패시터(41)에는 분배 저항(Rk)의 전압이 충전되고, 측정부(74)는 전압 측정용 커패시터(41)에 충전된 전압값을 측정한다.
다음으로, 전체 전압 계산부(75)는 측정부(74)에서 측정한 분배 전압을 토대로 배터리(10)의 전체 전압을 계산한다. 다시 도 4를 참조하면, 저항 소자로 분배 회로(30)를 구성한 경우와 트랜지스터 소자로 분배 회로(30)를 구성한 경우의 분배 전압을 각각 out1, out2라 할 때 전체 전압 VDD는 각각 VDD= (R11+R12+R13)/R13*out1, VDD=(RN1+RN2+RN3)/RN3*out2 로 나타낼 수 있다. 즉, 전체 전압 계산부(75)는 측정된 분배 전압으로부터 소자의 특성을 고려하여 전체 전압값을 계산할 수 있다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템이 동작하는 순서를 나타낸 순서도이다.
도 6을 참조하면, 먼저 전체 배터리 모듈의 전압을 분배하기 위한 분배 소자들을 배터리부에 연결하고, 배터리(10)와 분배 회로(30) 사이를 절연할 수 잇는 절연 회로(20)를 연결한다(S1).
다음으로, BMS(70)의 모니터링부(71)가 배터리 상태를 모니터링한다(S2). 모니터링부(71)의 배터리(10)의 상태, 절연 회로(20)의 온/오프 여부, PCS(200)에서 유입되는 잡음 신호의 유무 등을 모니터링한다.
다음으로, BMS(70)의 제어부(72)가 절연 회로 제어부(73)에 절연 회로를 온/오프시키는 명령을 전송하면, 절연 회로 제어부(73)는 절연 회로(20)가 스위칭 소자를 온/오프하는 신호를 송출한다(S3).
다음으로, BMS(70)의 측정부(74)는 분배 저항(Rk)에 인가된 전압으로 전압 측정용 커패시터(41)가 충전되면, 전압 측정용 커패시터(41)의 충전 전압을 측정하여 분배 저항(Rk)에 걸린 분배 전압이 얼마인지를 측정한다(S4).
마지막으로, 측정된 분배 전압을 이용하여 전체 전압을 계산한다(S5).
이와 같은 방법으로, 본 발명의 배터리 팩의 전압 측정 방법은 절연 회로(20)를 이용해 높은 충방전율로 인한 급격한 전압 변화 및 잡음 신호의 영향을 최소화하여 효율적으로 전압을 측정할 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항과 한정된 실시예 및 도면에 의하여 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정과 변경을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1: 에너지 저장 시스템 2: 발전 시스템
3.: 계통 4: 부하
10: 배터리 11: 배터리 모듈
12: 배터리 셀 20: 절연 회로
30: 분배 회로 41: 전압 측정용 콘덴서
50: 양극 단자 51: 음극 단자
70: BMS 71: 모니터링부
72: 제어부 73: 절연 회로 제어부
74: 측정부 75: 전체 전압 계산부
100: 배터리 시스템 200: PCS
201: 콘덴서 210: 전력 변환부
220: DC 링크부 230: 인버터
240: 컨버터 250: 제1 스위치
260: 제2 스위치 270: 통합 제어기

Claims (17)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리;
    상기 배터리의 제1 전압을 획득하여 상기 제1 전압으로부터 제2 전압을 생성하여 출력하는 분배 회로;
    상기 배터리와 상기 분배 회로 사이에 연결되며, 제어 신호에 기초하여 상기 배터리를 상기 분배 회로와 전기적으로 절연하는 절연 회로;
    상기 분배 회로에 연결되며, 상기 제어 신호를 생성하는 절연 회로 제어부 및 상기 제2 전압을 측정하는 측정부를 포함하는 배터리 관리부;
    를 포함하는 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는;
    배터리 상태 정보를 생성하기 위하여 상기 배터리의 상태를 모니터링하는 모니터링부;
    상기 배터리 상태 정보를 획득하고, 상기 배터리 상태 정보에 기초하여 상기 제어 신호를 선택적으로 제공하기 위하여 상기 절연 회로 제어부를 제어하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 절연 회로는 상기 제어 신호가 제공되지 않을 때 상기 배터리와 상기 분배 회로를 절연하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모니터링부는 상기 배터리의 충방전율을 모니터링하고, 상기 충방전율을 제어부로 전달하며,
    상기 제어부는 상기 충방전율이 충방전율 기준값보다 클 때, 상기 제어 신호가 제공되지 않는 시간보다 짧은 시간동안 상기 제어 신호를 제공하도록 상기 절연 회로 제어부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 모니터링부는 상기 배터리의 노이즈 신호를 모니터링하고, 상기 노이즈 신호로부터 노이즈 정보를 생성하여 상기 제어부로 전달하며,
    상기 제어부는 상기 노이즈 정보가 노이즈 기준값보다 클 때, 상기 제어 신호가 제공되지 않는 시간보다 짧은 시간동안 상기 제어 신호를 제공하도록 상기 절연 회로 제어부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 제2 전압으로부터 상기 제1 전압을 계산하는 전압 계산부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분배 회로와 상기 배터리 관리부에 연결되어, 상기 제2 전압을 충전하는 것을 특징으로 하는 커패시터;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 제1 배터리 단자 및 제2 배터리 단자를 더 포함하고,
    상기 분배 회로는 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자를 더 포함하며,
    상기 절연 회로는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하고,
    상기 제1 스위치는 상기 제1 배터리 단자와 상기 제1 입력 단자를 상기 제어 신호에 기초하여 연결하며,
    상기 제2 스위치는 상기 제2 배터리 단자와 상기 제2 입력 단자를 상기 제어 신호에 기초하여 연결하고,
    적어도 하나 이상의 상기 배터리 셀이 상기 제1 배터리 단자와 제2 배터리 단자 사이에 연결되며,
    상기 분배 회로는 상기 제1 입력 단자와 제2 입력 단자 사이에 연결되고 상기 제1 전압을 제2 전압으로 분배하기 위한 복수개의 분배 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수개의 분배 소자는 제1 분배 소자를 포함하고,
    상기 측정부는 상기 제1 분배 소자에 연결되고 상기 제1 분배 소자에 인가되는 전압을 측정하여 상기 제2 전압을 획득하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수개의 분배 소자는 저항인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 복수개의 분배 소자는 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 스위치 및 제2 스위치는 포토-모스 릴레이(Photo-Mos Relay)인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전압은 상기 배터리의 전체 전압이고, 상기 제2 전압은 상기 제1 전압을 자연수로 나눈 값인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전압은 순간적인 전압인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  14. 전력 제어부; 및
    상기 전력 제어부에 연결되는 배터리 시스템; 을 포함하는 에너지 저장 시스템에 있어서,
    상기 배터리 시스템은;
    적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 상기 배터리의 전압을 획득하여 분배 전압을 생성하고 출력하는 분배 회로; 상기 배터리와 상기 분배 회로 사이에 연결되고 제어 신호에 기초하여 상기 배터리와 상기 분배 회로를 절연하는 절연 회로; 상기 분배 회로에 연결되며, 배터리의 상태에 기초한 제어 신호를 생성하고 상기 분배 전압을 획득하여 전체 전압을 계산하고 상기 배터리의 상태를 모니터링하는 배터리 관리부;를 포함하며,
    상기 에너지 저장 시스템은 발전 시스템 혹은 계통이 생산한 에너지를 상기 배터리에 저장하고 상기 배터리의 전력을 부하 혹은 계통에 공급하며,
    상기 전력 제어부는 상기 발전 시스템, 계통, 혹은 배터리의 전력을 변환하는,
    에너지 저장 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 충방전율을 모니터링하여 상기 충방전율이 충방전율 기준값보다 클 때, 상기 분배 회로와 상기 배터리를 연결하기 위해 상기 제어 신호가 제공되지 않는 시간보다 짧은 시간동안 상기 제어 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 노이즈 신호를 모니터링하여 상기 노이즈 신호가 노이즈 기준값보다 클때, 상기 분배 회로와 상기 배터리를 연결하기 위해 상기 제어 신호가 제공되지 않는 시간보다 짧은 시간동안 상기 제어 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 분배 전압은 순간적인 전압값인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
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