KR20210055312A - 배터리팩의 보호 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리팩의 직병렬 연결되는 단위 이차전지 셀별 전압 변화 추이를 전압 파형의 기울기 변화를 기반으로 정밀 추적하여 이상이 관측되는 단위 이차전지 셀의 발생 시 보호 동작이 실시됨과 함께 해당 사실을 사용자에게 경고하고, 보호 동작은 해당 배터리팩 전체의 전압이 정상 범위에 있더라도 실시하게 되는 배터리팩의 보호 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 배터리팩의 보호 방법은, 배터리팩의 직병렬 연결된 단위 이차전지 셀(cell)별 전압 변화가 개별적으로 관측되는 단계와, 상기 단위 이차전지 셀 중 사전에 설정된 이상 상태에 해당되는 단위 이차전지 셀의 관측 시 보호 동작이 실시되는 단계를 포함하고, 또한 상기 이상 상태에 해당되는 상기 단위 이차전지 셀의 관측 시 해당 사실을 사용자에게 경고하는 단계를 더 포함하여 구성된다.

Description

배터리팩의 보호 방법 및 이를 위한 장치{Protecting method for battery pack and apparatus thereof}
본 발명은 배터리팩의 직병렬 연결되는 단위 이차전지 셀별 전압 변화 추이를 전압 파형의 기울기 변화를 기반으로 정밀 추적하여 이상이 관측되는 단위 이차전지 셀의 발생 시 보호 동작이 실시됨과 함께 해당 사실을 사용자에게 경고하고, 보호 동작은 해당 배터리팩 전체의 전압이 정상 범위에 있더라도 실시하게 되는 배터리팩의 보호 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높은 동시에 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle)나 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
이차전지는 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다. 일 예로서, 리튬 폴리머 이차전지의 경우 약 3.0V∼4.2V의 동작 전압을 가진다.
따라서 전기 자동차 등에 적용되는 고출력 배터리팩을 얻기 위해 복수의 단위 이차전지 셀(cell)을 직병렬 연결하여 배터리팩을 구성한다.
그리고 이러한 배터리팩은 모터 등의 구동부하에 대한 전력 공급 제어, 전류 또는 전압 등의 전기적 특성값 측정, 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge)의 추정 등을 위한 알고리즘이 적용되어 이차전지의 상태를 모니터링하고 제어하는 BMS(Battery Management System)를 포함하여 구성된다.
리튬 계열 배터리팩을 예로 부연 설명하면, 리튬 계열 배터릭팩 사용 시 리튬 자체의 불안정성을 제거하기 위해 배터리 보호모듈(PCM) 또는 BMS를 부착하여 사용하게 된다.
그러나 복수의 단위 이차전지 셀이 직병렬 연결되어 구성되는 배터리팩의 경우, 그 구조적인 특성상 배터리팩이 정상적으로 동작하는 상황에서는 별다른 보호 동작이 실시되지 않고, 비정상적인 동작을 나타내는 임계값 초과 시에만 보호 동작이 실시됨에 따라, 배터리팩에 대한 보호 기능이 지나치게 수동적인 방식으로 진행되는 측면이 있었다.
다시 말해 배터리팩에 대한 기존 보호 방식의 경우, 배터리팩 전체의 동작을 기준으로 보호 조건이 발생된 경우에 한해 사후 처리 방식으로 진행되고, 따라서 그 효율성의 측면에서 한계가 있었다.
한국 등록특허 제10-0823188호(2008.04.18.공고), “배터리 관리 시스템 및 그의 고장셀 검출 방법” 한국 공개특허 제10-2015-0145517호(2015.12.30.공개), “전지팩 정보 검출 방법 및 이를 포함하는 전지팩 정보 검출 시스템”
본 발명의 실시 예는 배터리팩의 직병렬 연결되는 단위 이차전지 셀별 전압 변화 추이를 전압 파형의 기울기 변화를 기반으로 정밀 추적하여 이상이 관측되는 단위 이차전지 셀의 발생 시 보호 동작이 실시됨과 함께 해당 사실을 사용자에게 경고하고, 보호 동작은 해당 배터리팩 전체의 전압이 정상 범위에 있더라도 실시하는 배터리팩의 보호 방법 및 이를 위한 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시 예는 배터리팩 전체의 전압이 정상 범위에 있더라도, 일부 단위 이차전지 셀에 이상이 발생한 경우 이를 사전에 발견 및 조치할 수 있게 함으로써, 해당 배터리팩이 폭발 내지 발화 등의 사고로 진행되는 현상이 사전에 차단될 수 있도록 하는 배터리팩의 보호 방법 및 이를 위한 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 방법은, 배터리팩의 직병렬 연결된 단위 이차전지 셀(cell)별 전압 변화가 개별적으로 관측되는 단계와, 상기 단위 이차전지 셀 중 사전에 설정된 이상 상태에 해당되는 단위 이차전지 셀의 관측 시 보호 동작이 실시되는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 방법은, 상기 이상 상태에 해당되는 상기 단위 이차전지 셀의 관측 시 해당 사실을 사용자에게 경고하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 이상 상태의 판단 기준은 상기 단위 이차전지 셀별 전압 파형의 기울기를 따르는 것일 수 있다.
또한, 상기 이상 상태의 판단은, 전압 파형의 기울기 변화가 다른 단위 이차전지 셀들의 기울기 변화와 다르게 나타나는 특정의 단위 이차전지 셀을 이상 상태로 판단하거나, 전압 강하 또는 상승률에 따른 기울기 변화가 사전에 설정된 정상 레벨보다 큰 단위 이차전지 셀을 이상 상태로 판단하는 방식일 수 있다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 장치는, 배터리팩의 직병렬 연결된 단위 이차전지 셀(cell)들의 전압 변화를 개별적으로 관측하는 셀 모니터링부와, 상기 단위 이차전지 셀들의 이상을 판단하기 위한 이상 판별 조건이 사전에 설정되어 상기 셀 모니터링부의 관측 정보 및 기설정된 상기 이상 판별 조건을 기반으로 상기 단위 이차전지 셀들의 이상 여부를 개별적으로 판별하는 프로세서 및 상기 프로세서의 이상 판단에 따른 제어신호에 따라 보호 처리 동작을 수행하는 보호 처리부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 장치는, 상기 프로세서의 이상 판단을 통한 제어신호에 따라 작동하여 상기 배터리팩의 이상 상태를 사용자에게 알리는 경고부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 프로세서의 상기 이상 판별 조건은, 상기 단위 이차전지 셀별 전압 파형의 기울기 변화에 따른 그래프 모양을 상호 비교하는 방식이거나, 전압 강하 또는 상승률에 대한 사전 설정된 정상 레벨을 기준으로 전압 강하 또는 상승률이 상기 정상 레벨보다 크게 나타나는 단위 이차전지 셀을 이상 상태로 판단하는 방식일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 배터리팩의 직병렬 연결되는 단위 이차전지 셀별 전압 변화 추이가 전압 파형의 기울기 변화를 기반으로 정밀 추적되어 이상이 관측되는 단위 이차전지 셀의 발생 시 보호 동작이 실시됨과 함께 해당 사실이 사용자에게 경고될 수 있고, 보호 동작은 해당 배터리팩 전체의 전압이 정상 범위에 있더라도 실시됨에 따라, 해당 배터리팩의 문제 발생 소지가 미연에 차단될 수 있게 된다.
또한, 배터리팩 전체의 전압이 정상 범위에 있더라도, 일부 단위 이차전지 셀에 이상이 발생한 경우 이를 사전에 발견 및 조치하게 됨으로써, 해당 배터리팩이 폭발 내지 발화 등의 사고로 진행되는 현상이 사전에 차단될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 방법을 예시한 플로우챠트
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 방법에서 배터리팩의 단위 이차전지 셀별 관측되는 전압 파형이 정상 상태인 경우를 예시한 도면
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 방법에서 배터리팩의 단위 이차전지 셀 중 이상 전압 파형이 관측되는 상태를 예시한 도면
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 장치를 예시한 구성도
이하의 본 발명에 관한 상세한 설명들은 본 발명이 실시될 수 있는 실시 예이고 해당 실시 예의 예시로써 도시된 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명의 실시에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 기재된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.
따라서 후술되는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
발명에서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “…부”,　＂…모듈“ 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 방법 및 이를 위한 장치에 대해 설명한다.
먼저, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 방법을 예시한 플로우챠트이다.
도시된 바와 같이, 단계(S110)에서, 배터리팩의 직병렬 연결된 단위 이차전지 셀(cell)별 전압 변화가 개별적으로 관측된다.
단계(S120)에서, 상기 단위 이차전지 셀 중 사전에 설정된 이상 상태에 해당되는 단위 이차전지 셀의 관측 시 보호 동작이 실시된다.
여기서, 상기 이상 상태의 판단 기준은 상기 단위 이차전지 셀별 전압 파형의 기울기를 따르는 것일 수 있다. 예로써, 전압 파형의 기울기 변화가 다른 단위 이차전지 셀들의 기울기 변화와 다르게 나타나는 특정의 단위 이차전지 셀을 이상 상태로 판단하거나, 전압 강하 또는 상승률에 따른 기울기 변화가 사전에 설정된 정상 레벨보다 큰 단위 이차전지 셀을 이상 상태로 판단하는 방식이 사용될 수 있다.
부연 설명하면, 다수의 단위 이차전지 셀이 직병렬 연결된 구조의 배터리팩은 그 제작 조건 또는 사용 조건에 따라 일부 단위 이차전지 셀에 대한 용접 부위가 떨어질 수 있고, 이로 인해 상호 연결 상태가 유지되는 단위 이차전지 셀에만 충전 및 방전이 이루어지게 되면서, 연결이 끊긴 단위 이차전지 셀의 경우 전압 강하 또는 상승률이 정상 상태인 경우보다 크게 나타나게 된다.
또한, 이와 다른 예로써, 진동 등으로 인해 버스바에 접점 불량이 발생된 단위 이차전지 셀의 경우, 충/방전 온도에 따라 해당 단위 이차전지 셀의 전극 및 버스바가 붙었다 떨어지기를 반복하게 되고, 이에 따라 해당 단위 이차전지 셀의 전압이 출렁이게 된다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 방법에서 배터리팩의 단위 이차전지 셀별 관측되는 전압 파형이 정상 상태인 경우를 예시한 도면이다.
그리고 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 방법에서 배터리팩의 단위 이차전지 셀 중 이상 전압 파형이 관측되는 상태를 예시한 도면이다.
즉, 도 3의 경우 ①번 및 ③번 단위 이차전지 셀의 전압 파형이 이상 상태로 관측되는 상태를 예시한 것이며, 도 4의 경우 ②번,③번 및 ⑤번 단위 이차전지 셀의 전압 파형이 이상 상태로 관측되고 있는 예를 나타낸 것이다.
본 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 방법은 이러한 단위 이차전지 셀별 전압 파형의 기울기와 그 변화를 정밀하게 추적하고, 이를 통해 다른 단위 이차전지 셀들에 비해 다른 기울기의 전압 파형이 관측되는 단위 이차전지 셀을 발견 시, 해당 배터리팩 전체의 전압은 정상 범위에 있더라도 보호 동작이 실시되게 하는 것이다.
그리고 전기 자동차 내지 하이브리드 자동차 등의 경우, 해당 차량의 실제 환경에서는 지속 충전, 지속 방전의 조건이 아니므로, 전류값과 연계하여 기울기 모양을 판단하게 된다.
다시 도 1로 돌아가서, 단계(S130)에서, 상술한 이상 상태에 해당되는 단위 이차전지 셀의 관측 시 해당 사실을 사용자에게 경고하는 단계가 진행될 수 있다.
다음은 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 장치를 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 장치를 예시한 구성도이다.
설명에 앞서, 본 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 장치는 상술한 도 1 내지 도 4에 따른 배터리팩의 보호 방법을 수행하기 위한 장치에 해당되며, 이를 기능 중심으로 구분한 구성이고, 세부 구성은 공개된 기술들을 통해 여러 다양한 형태로 구현될 수 있음을 밝혀 둔다.
도시된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 장치는 셀 모니터링부(100), 프로세서(200) 및 보호 처리부(300)를 포함하여 구성된다. 또한, 본 실시 예에 따른 배터리팩의 보호 장치는 경고부(400)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
셀 모니터링부(100)는 배터리팩(10)의 직병렬 연결된 단위 이차전지 셀(11)들의 전압 변화를 개별적으로 관측하는 기능을 한다.
프로세서(200)는 단위 이차전지 셀(11)들의 이상을 판단하기 위한 이상 판별 조건이 사전에 설정되어 셀 모니터링부(100)의 관측 정보 및 기설정된 상기 이상 판별 조건을 기반으로 단위 이차전지 셀(11)들의 이상 여부를 개별적으로 판별한다. 여기서, 프로세서(200)의 상기 이상 판별 조건은, 단위 이차전지 셀(11)별 전압 파형의 기울기 변화에 따른 그래프 모양을 상호 비교하는 방식이거나, 전압 강하 또는 상승률에 대한 사전 설정된 정상 레벨을 기준으로 전압 강하 또는 상승률이 상기 정상 레벨보다 크게 나타나는 단위 이차전지 셀(11)을 이상 상태로 판단하는 방식이 사용될 수 있다.
보호 처리부(300)는 프로세서의 이상 판단에 따른 제어신호에 따라 보호 처리 동작을 수행한다.
경고부(400)는 프로세서의 이상 판단을 통한 제어신호에 따라 작동하여 배터리팩(10)의 이상 상태를 사용자에게 알리는 기능을 한다.
상술한 도 1 내지 도 5를 참조한 설명을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리팩의 보호 방법 및 이를 위한 장치는, 배터리팩의 직병렬 연결되는 단위 이차전지 셀별 전압 변화 추이가 전압 파형의 기울기 변화를 기반으로 정밀 추적되어 이상이 관측되는 단위 이차전지 셀의 발생 시 보호 동작이 실시됨과 함께 해당 사실이 사용자에게 경고될 수 있게 하고, 이때 보호 동작은 해당 배터리팩 전체의 전압이 정상 범위에 있더라도 실시되므로, 해당 배터리팩의 문제 발생 소지가 미연에 차단될 수 있게 한다.
또한, 배터리팩 전체의 전압이 정상 범위에 있더라도, 일부 단위 이차전지 셀에 이상이 발생한 경우 이를 사전에 발견 및 조치할 수 있게 함으로써, 해당 배터리팩이 폭발 내지 발화 등의 사고로 진행되는 현상이 사전에 차단될 수 있게 한다.
이상과 같이 본 설명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정하여 저서는 안되며, 후술되는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적인 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 배터리팩 11 : 단위 이차전지 셀
100 : 셀 모니터링부 200 : 프로세서
300 : 보호 처리부 400 : 경고부

Claims (7)

  1. 배터리팩의 직병렬 연결된 단위 이차전지 셀(cell)별 전압 변화가 개별적으로 관측되는 단계;
    상기 단위 이차전지 셀 중 사전에 설정된 이상 상태에 해당되는 단위 이차전지 셀의 관측 시 보호 동작이 실시되는 단계를 포함하는 배터리팩의 보호 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이상 상태에 해당되는 상기 단위 이차전지 셀의 관측 시 해당 사실을 사용자에게 경고하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리팩의 보호 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이상 상태의 판단 기준은 상기 단위 이차전지 셀별 전압 파형의 기울기를 따르는 것을 특징으로 하는 배터리팩의 보호 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 이상 상태의 판단은, 전압 파형의 기울기 변화가 다른 단위 이차전지 셀들의 기울기 변화와 다르게 나타나는 특정의 단위 이차전지 셀을 이상 상태로 판단하거나, 전압 강하 또는 상승률에 따른 기울기 변화가 사전에 설정된 정상 레벨보다 큰 단위 이차전지 셀을 이상 상태로 판단하는 방식인 것을 특징으로 하는 배터리팩의 보호 방법.
  5. 배터리팩의 직병렬 연결된 단위 이차전지 셀(cell)들의 전압 변화를 개별적으로 관측하는 셀 모니터링부;
    상기 단위 이차전지 셀들의 이상을 판단하기 위한 이상 판별 조건이 사전에 설정되어 상기 셀 모니터링부의 관측 정보 및 기설정된 상기 이상 판별 조건을 기반으로 상기 단위 이차전지 셀들의 이상 여부를 개별적으로 판별하는 프로세서; 및
    상기 프로세서의 이상 판단에 따른 제어신호에 따라 보호 처리 동작을 수행하는 보호 처리부를 포함하는 배터리팩의 보호 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 프로세서의 이상 판단을 통한 제어신호에 따라 작동하여 상기 배터리팩의 이상 상태를 사용자에게 알리는 경고부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리팩의 보호 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 프로세서의 상기 이상 판별 조건은, 상기 단위 이차전지 셀별 전압 파형의 기울기 변화에 따른 그래프 모양을 상호 비교하는 방식이거나, 전압 강하 또는 상승률에 대한 사전 설정된 정상 레벨을 기준으로 전압 강하 또는 상승률이 상기 정상 레벨보다 크게 나타나는 단위 이차전지 셀을 이상 상태로 판단하는 방식인 것을 특징으로 하는 배터리팩의 보호 장치.
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