KR20240001366A - 배터리 스와핑 시스템 및 이의 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시에 따른 배터리 스와핑 시스템은, 대상 배터리 팩의 대상 SOC(state of charge)를 획득하여 타겟 SOC와 비교하는 메인 컨트롤러, 상기 대상 SOC가 상기 타겟 SOC를 초과할 경우, 상기 대상 배터리 팩으로부터 전력을 수신하여 저장하는 보조 배터리 팩, 및 상기 대상 SOC와 상기 타겟 SOC가 서로 일치하는 경우, 상기 대상 배터리 팩에 대한 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 장치를 포함할 수 있다.

Description

배터리 스와핑 시스템 및 이의 동작 방법{BATTERY SWAPPING SYSTEM AND METHOD OF OPERATING THE SAME}
본 문서에 개시된 실시예들은 배터리 교체 서비스를 제공하는 배터리 스와핑 시스템 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
최근 이차 전지에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이차 전지는 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 배터리, Ni/MH 배터리 등과 최근의 리튬 이온 배터리를 모두 포함할 수 있다. 리튬 이온 배터리는 종래의 Ni/Cd 배터리, Ni/MH 배터리 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다, 또한, 리튬 이온 배터리는 소형, 경량으로 제작할 수 있어 이동 기기의 전원으로 사용되며, 최근에는 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
배터리의 상태를 분석하고, 시간에 따른 배터리의 동작 특성을 검출하기 위해 전기 화학 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy)을 사용할 수 있다. 전기 화학 임피던스 분광은 배터리가 포함하는 전극에서 화학 반응을 일으킬 때 전기 전달을 방해하는 요소인 임피던스를 신속하고 정확하게 검출할 수 있다. 배터리의 임피던스를 검출함으로써 배터리의 상태를 신속하게 평가하고, 평가를 바탕으로 배터리의 품질 검사, 잔여 수명 예측 및 배터리 상태에 따른 충전 방식 최적화 등을 수행할 수 있다.
한편, 전기 자동차 등의 대용량 배터리를 사용하는 전동식 이동 수단에 대한 관심과 수요가 증가하면서, 수명이 다한 배터리를 짧은 시간 내에 자동적으로 교체해주는 서비스가 주목받고 있다.
본 문서에 개시된 실시예들의 일 목적은 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 배터리 스와핑 시스템 및 이의 동작 방법을 제공하는데 일 목적이 있다.
본 문서에 개시된 실시예들의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스와핑 시스템은, 대상 배터리 팩의 대상 SOC(state of charge)를 획득하여 타겟 SOC와 비교하는 메인 컨트롤러, 상기 대상 SOC가 상기 타겟 SOC를 초과할 경우, 상기 대상 배터리 팩으로부터 전력을 수신하여 저장하는 보조 배터리 팩, 및 상기 대상 SOC와 상기 타겟 SOC가 서로 일치하는 경우, 상기 대상 배터리 팩에 대한 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스와핑 시스템의 동작 방법은, 대상 배터리 팩의 대상 SOC(state of charge)를 획득하는 단계, 상기 대상 SOC와 타겟 SOC를 비교하는 단계, 상기 대상 SOC가 상기 타겟 SOC를 초과할 경우, 상기 대상 배터리 팩으로부터 보조 배터리 팩으로 전력을 전달하여 상기 보조 배터리 팩에 전력을 저장하는 단계, 및 상기 대상 SOC와 상기 타겟 SOC가 서로 일치하는 경우, 상기 대상 배터리 팩에 대한 임피던스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 스와핑 시스템 및 이의 동작 방법에 의하면, 배터리 팩의 SOC를 타겟 SOC에 맞추기 위해 사용자가 외부에서 배터리를 소모하여야 하는 시간과 노력을 들이지 않고, BSS 자체적으로 배터리 팩의 SOC를 타겟 SOC로 자동적으로 설정하여 배터리 교체 서비스를 제공할 수 있다.
또한, 배터리 팩의 SOC가 타겟 SOC보다 클 경우 잉여 전력을 낭비하지 않고 BSS 내에 추가된 배터리를 활용하여 잉여 전력을 저장하고, 배터리 팩의 충전에 우선적으로 사용함으로써 전력 효율을 높일 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 BSS 및 배터리 스테이션을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BSS의 동작 방법의 일 예를 나타낸 흐름도이다.
도 4는 도 3에 도시된 S180 단계를 보다 상세히 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 동작 방법을 수행하기 위한 컴퓨팅 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
이하, 본 문서에 개시된 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 문서에 개시된 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 문서에 개시된 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 문서에 개시된 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 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 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템(battery management system, 10)은 배터리 스와핑 시스템(BSS; battery swapping system, 100) 및 배터리 스테이션(battery station, 200을 포함할 수 있다. 배터리 관리 시스템(10)은 배터리의 분석, 평가, 충전, 교체 등의 배터리에 대한 전반적인 관리 서비스를 제공할 수 있으며, 본 개시에서는 배터리 교체 서비스를 중심으로 배터리 관리 시스템(100)의 기능을 설명하기로 한다.
배터리 교체 서비스는 서비스 대상이 되는 배터리 팩(50)의 상태를 분석하고, 분석 결과에 따라 배터리 팩(50)을 다른 배터리 팩으로 교체하는 서비스를 의미할 수 있다. 이러한 교체는 관리자 및/또는 사용자의 설정에 의해 자동적으로 수행될 수 있다. 여기서, 배터리 팩(50)은 대상 장치(예를 들어, EV(electrical vehicle), 전동 스쿠터, 전동 자전거 등의 전동식 이동 수단)에 장착되어 대상 장치의 구동을 위한 전원을 공급하는 장치로서, 전력을 저장하는 배터리와 배터리의 동작을 제어하는 BMS(battery management system)를 포함할 수 있다. 배터리는 BMS의 제어에 따라 전력을 저장하는 적어도 하나의 배터리 셀을 포함할 수 있다. BMS는 배터리의 충전 및 방전을 제어할 수 있고, 일 실시예에 따라 외부의 요청에 따라 배터리의 상태 분석의 기초가 되는 데이터를 수집하여 외부로 전달할 수 있다.
BSS(100)는 배터리 스테이션(200)에 위치하여 BSS(100)에 접속되는 배터리 팩(50)에 대해 상태 분석을 진행하고, 상태 분석의 결과에 따라 배터리 팩(50)을 다른 배터리 팩으로 교체하거나 재사용(즉, 교체하지 않음) 수 있다. BSS(100)는 배터리 팩(50)에 대한 상태 분석 및/또는 배터리 팩(50)의 교체 필요 여부에 대한 판단을 자체적으로 수행할 수도 있으나, 다른 실시예에 따라 적어도 일부의 동작은 네트워크(network)로 연결되는 서버(예컨대, 클라우드 서버)와 연계하여 수행될 수 있다. 일 예로, BSS(100)는 클라우드 서버로 배터리 팩의 교체 필요 여부에 대한 판단의 기초가 되는 정보(예컨대, 후술할 EIS 정보)를 전송하고, 클라우드 서버가 수신된 정보를 기초로 배터리 팩의 교체 필요 여부에 대해 판단하여 배터리 팩의 교체 필요 여부에 대한 정보를 BSS(100)로 전송할 수 있다.
배터리 스테이션(200)은 배터리 팩(50)을 수용하여 BSS(100)의 제어에 따라 배터리 팩(50)을 물리적으로 제어할 수 있다. 일 실시예에 따라, 배터리 스테이션(200)은 BSS(100)의 제어에 따라 대상 장치에 장착된 배터리 팩(50)을 분리하여 BSS(100)에 접속시킨 후, 배터리 팩(50)을 대신하여 다른 배터리 팩을 대상 장치에 장착하고 배터리 팩(50)을 배터리 스테이션(200) 내에 미리 정해진 보관 영역으로 이동시키거나(즉, 교체), BSS(100)의 제어에 따라 배터리 팩(50)을 다시 대상 장치에 장착할 수 있다(즉, 재사용). 보관 영역은 교체 대상으로 분류된 배터리 팩(50)을 임시 보관하기 위한 영역일 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 BSS(100) 및 배터리 스테이션(200)을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, BSS(100)는 메인 컨트롤러(main controller, 110), EIS(electrochemical impedance spectroscopy) 장치(120), EIS 장치 연결부(125), 스테이션 컨트롤러(station controller, 130), 보조 배터리 팩(supplemental batter pack, 140), 제1 차저(first charger, 150) 및 제2 차저(second charger, 160)를 포함할 수 있다. 도 2에서는 배터리 교체 서비스를 받기 위한 두 개의 배터리 팩들(210, 220)이 BSS(100)에 접속되는 경우를 예시적으로 도시하고 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고 BSS(100)에는 배터리 교체 서비스를 받기 위한 임의의 개수(예컨대, 3개 이상)의 배터리 팩들이 연결될 수 있다. 이때, 배터리 팩들(210, 220) 이외의 배터리 팩은 배터리 팩들(210, 220)에 상응하는 연결 구조를 통해 BSS(100)에 연결될 수 있다.
메인 컨트롤러(110)는 BSS(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있고, 구체적으로 EIS 장치(120), EIS 장치 연결부(125), 스테이션 컨트롤러(130), 보조 배터리 팩(140) 및 제1 및 제2 차저(150, 160) 각각의 동작을 제어할 수 있다. 또한, 메인 컨트롤러(110)는 BSS(100)에 연결된 제1 배터리 팩(210) 및 제2 배터리 팩(220) 각각의 SOC(state of charge) 정보를 해당 배터리 팩으로부터 수신할 수 있다. 여기서, SOC 정보는 해당 배터리 팩의 현재 SOC를 나타내며, SOC는 해당 배터리 팩에 포함된 배터리의 충전 상태 즉 잔존 용량 비율을 의미할 수 있다. 해당 배터리 팩의 BMS는 배터리의 현재 사용 가능한 용량을 배터리의 전체 용량으로 나누어 잔존 용량 비율을 산출할 수 있다. 일 예로, 잔존 용량 비율은 백분율로 산출될 수 있다. 다른 실시예에 따라, 메인 컨트롤러(110)는 해당 배터리 팩의 BMS로부터 SOC 정보를 수신하지 않고 직접 해당 배터리 팩의 배터리에 대한 잔존 용량 비율을 산출하여 SOC 정보를 획득할 수도 있다.
또한, 메인 컨트롤러(110)는 EIS 장치(120)가 생성하는 EIS 정보를 기초로 배터리 팩(210, 220)에 대한 상태 분석을 수행할 수 있고, 상태 분석 결과를 기초로 배터리 팩(210, 220)의 교체 필요 여부에 대해 판단할 수 있다. EIS 정보는 전기 화학 임피던스 분광법을 이용하여 배터리 팩(210, 220)의 배터리의 열화 상태 및 성능을 추정한 결과를 나타내는 정보일 수 있다. 예를 들어, EIS 정보를 기초로 수행된 상태 분석 결과 배터리 팩(210, 220)의 배터리의 열화 상태 및 성능이 기준 수준 미만일 경우, 메인 컨트롤러(110)는 배터리 팩(210, 220)의 교체가 필요하다고 판단할 수 있다. 반대로 EIS 정보를 기초로 수행된 상태 분석 결과 배터리 팩(210, 220)의 배터리의 열화 상태 및 성능이 기준 수준 이상일 경우, 메인 컨트롤러(110)는 배터리 팩(210, 220)의 교체가 필요하지 않다고 판단할 수 있다. 본 개시에서는 EIS 정보를 기반으로 배터리 팩(210, 220)의 교체 필요 여부를 판단하는 방식에 대해 설명하나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고 메인 컨트롤러(110)는 EIS 정보 이외의 추가적인 적어도 하나의 정보(예컨대, SOH(state of health) 등)를 더 이용하여 배터리 팩(210, 220)의 교체 필요 여부를 판단할 수 있다.
만일 배터리 팩(210, 220)의 교체가 필요한 경우, 메인 컨트롤러(110)는 배터리 팩(210, 220)을 보관 영역으로 이동시키고 새로운 배터리 팩을 대상 장치에 장착하도록 스테이션 컨트롤러(130)를 제어할 수 있다.
만일 배터리 팩(210, 220)의 교체가 필요하지 않은 경우, 메인 컨트롤러(110)는 배터리 팩(210, 220)을 다시 대상 장치에 장착하도록 스테이션 컨트롤러(130)를 제어할 수 있다.
EIS 장치(120)는 배터리 팩(210, 220)의 배터리에 대한 임피던스를 측정하고, 측정된 임피던스에 기초하여 배터리의 임피던스 스팩트럼을 연산하고, 연산된 배터리의 임피던스 스팩트럼을 배터리의 등가 회로 모델과 비교함으로써 배터리의 열화 상태 및 성능을 추정하여 EIS 정보를 생성할 수 있다. 일 실시예에 따라, 배터리에 대한 임피던스를 측정하는 방식은 배터리에 입력 교류 전압을 주파수를 가변하면서 인가하고 배터리로부터 수신되는 출력 교류 전압을 분석하여 임피던스를 산출하는 방식일 수 있다. 비록 도 2에는 EIS 장치(120)와 배터리 팩(210, 220) 간에 연결되는 신호 선은 하나로 도시되어 있으나, 임피던스 측정을 위해 복수의 신호 선들(입력 전원 라인, 출력 전원 라인, 제어 신호 라인 등)을 포함하는 개념일 수 있다.
EIS 장치(120)는 임피던스 측정 장치로도 불릴 수 있다. 또한, EIS 장치(120)가 배터리 팩(210, 220)의 배터리에 대한 EIS 정보를 생성하는 동작은 EIS 측정 동작으로 정의될 수 있다.
EIS 장치 연결부(125)는 메인 컨트롤러(110)의 제어에 따라 EIS 장치(120)와 배터리 팩(210, 220) 간의 전기적인 접속 또는 분리를 수행할 수 있다. 일 실시예에 따라, EIS 장치 연결부(125)는 EIS 장치(120)와 배터리 팩(210) 사이에 접속되어 EIS 장치(120)와 배터리 팩(210)을 서로 전기적으로 접속시키거나 분리시키는 제3 스위치(SW3), 및 EIS 장치(120)와 배터리 팩(220) 사이에 접속되어 EIS 장치(120)와 배터리 팩(220)을 서로 전기적으로 접속시키거나 분리시키는 제4 스위치(SW4)를 포함할 수 있다.
스테이션 컨트롤러(130)는 메인 컨트롤러(110)의 제어에 따라 배터리 스테이션(200)을 제어하여 배터리 스테이션(200)에 수용된 배터리 팩들(210, 220) 각각의 전기적인 접속 및 분리, 그리고 배터리 스테이션(200) 내에 미리 구획된 영역들 간의 이동을 제어할 수 있다. 일 예로, 미리 구획된 영역들 간의 이동은 미리 구획된 영역들 사이에 설치된 게이트(gate)의 개방(open) 또는 폐쇄(closed)를 통해 제어될 수 있으며, 스테이션 컨트롤러(130)는 배터리 스테이션(200)의 복수의 게이트들 각각에 대한 제어를 통해 배터리 팩들(210, 220) 각각의 이동을 제어할 수 있다. 스테이션 컨트롤러(130)는 메인 컨트롤러(110)의 배터리 팩들(210, 220) 각각의 교체 필요 여부에 대한 판단 결과에 따라 배터리 팩들(210, 220) 각각의 교체 또는 재사용을 위한 물리적인 제어를 수행할 수 있다.
보조 배터리 팩(140)은 배터리(145) 및 배터리 연결부(147)를 포함할 수 있다. 보조 배터리 팩(140)은 배터리 팩들(210, 220) 각각에 상응하는 내부 구성을 포함할 수 있으며, 이에 따라 배터리(145)의 동작을 제어하는 BMS(미도시)를 포함할 수 있다. 배터리 연결부(147)는 BMS의 일부로 구현될 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고 BMS와는 독립된 구성일 수도 있다.
배터리(145)는 배터리 팩들(210, 220) 각각에 접속되어, 배터리 팩들(210, 220) 각각을 방전시키기 위해 배터리 팩들(210, 220) 각각으로부터 전력을 수신하여 저장할 수도 있고, 배터리 팩들(210, 220) 각각을 충전시키기 위해 배터리 팩들(210, 220) 각각으로 저장된 전력을 전달할 수 있다. 배터리 팩들(210, 220) 각각에 접속된 배터리(145)의 충전 동작 및 방전 동작은 배터리 팩들(210, 220) 각각의 SOC를 타겟 SOC와 일치시키기 위해 수행될 수 있다. 즉, 배터리 팩의 SOC가 타겟 SOC보다 높을 경우, 배터리 팩의 배터리로부터 배터리(145)로 전력이 전달될 수 있다. 또한, 배터리 팩의 SOC가 타겟 SOC보다 낮을 경우, 배터리(145)로부터 배터리 팩의 배터리로 전력이 전달될 수 있다. 이러한 배터리(145)의 충전 동작 및 방전 동작은 메인 컨트롤러(110)가 배터리(145)의 SOC 정보에 기초하여 동적으로 제어할 수 있다.
한편, 어느 하나의 배터리 팩(예컨대, 210)을 방전시키기 위해 배터리 팩(210)으로부터 수신되어 저장된 배터리(145)의 전력은, 다른 배터리(예컨대, 220)를 충전시키기 위해 배터리 팩(220)으로 전달될 수 있다.
EIS 장치(120)가 배터리 팩에 대해 정확한 EIS 정보를 획득하기 위해서는 배터리 팩이 특정한 타겟 SOC를 가질 것이 요구될 수 있다. 즉, EIS 정보는 배터리 팩의 SOC에 의존하여 달라질 수 있어 EIS 정보가 배터리의 열화 상태 및 성능을 정확히 나타내기 위해서는 배터리 팩의 SOC가 미리 정해진 타겟 SOC와 일치하는 조건 하에서 배터리 팩에 대한 임피던스 측정 및 EIS 정보의 생성이 이루어져야 한다. 예를 들어, 타겟 SOC는 50% 일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
배터리 연결부(147)는 메인 컨트롤러(110)의 제어에 따라 배터리(145)와 배터리 팩(210, 220) 간의 전기적인 접속 또는 분리를 수행할 수 있다. 일 실시예에 따라, 배터리 연결부(147)는 배터리(145)와 배터리 팩(210) 사이에 접속되어 배터리(145)와 배터리 팩(210)을 서로 전기적으로 접속시키거나 분리시키는 제1 스위치(SW1), 및 배터리(145)와 배터리 팩(220) 사이에 접속되어 배터리(145)와 배터리 팩(220)을 서로 전기적으로 접속시키거나 분리시키는 제2 스위치(SW2)를 포함할 수 있다.
제1 차저(150)는 메인 컨트롤러(110)의 제어에 따라 제1 배터리 팩(210)을 충전할 수 있다. 제1 차저(150)는 외부의 상용 전원으로부터 전원을 공급받아 제1 배터리 팩(210)이 수신할 수 있는 전원 형태로 변환하여 제1 배터리 팩(210)으로 전원을 공급할 수 있다. 일 실시예에 따라, 제1 차저(150)는 제1 배터리 팩(210)의 SOC가 100%가 될 때까지 전원을 공급하여 제1 배터리 팩(210)을 완충시킬 수 있다.
제2 차저(160)는 메인 컨트롤러(110)의 제어에 따라 제2 배터리 팩(220)을 충전할 수 있다. 제2 차저(160)는 외부의 상용 전원으로부터 전원을 공급받아 제2 배터리 팩(220)이 수신할 수 있는 전원 형태로 변환하여 제2 배터리 팩(220)으로 전원을 공급할 수 있다. 일 실시예에 따라, 제2 차저(160)는 제2 배터리 팩(220)의 SOC가 100%가 될 때까지 전원을 공급하여 제2 배터리 팩(220)을 완충시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BSS(100)의 동작 방법의 일 예를 나타낸 흐름도이다. 도 4는 도 3에 도시된 S180 단계를 보다 상세히 나타낸 흐름도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 대상 배터리 팩의 교체 또는 재사용 여부를 판단하기 이전에 대상 배터리 팩에 대한 EIS 측정 및 충전을 수행하는 동작에 대한 흐름도가 도시되어 있다. 여기서, 대상 배터리 팩은 배터리 교체 서비스의 대상이 되는 배터리 팩을 의미할 수 있고, 예를 들어 대상 배터리 팩은 도 2의 제1 배터리 팩(210) 또는 제2 배터리 팩(220)에 해당할 수 있다.
메인 컨트롤러(110)는 대상 배터리 팩의 대상 SOC를 획득하고, 대상 배터리 팩의 대상 SOC와 타겟 SOC를 서로 비교할 수 있다(S100).
만일 대상 배터리 팩의 대상 SOC와 타겟 SOC가 서로 일치할 경우(S100의 일치), 바로 S125 단계가 수행될 수 있다. 여기서, 일치는 완전히 물리적으로 일치하는 경우뿐 아니라 타겟 SOC를 중심으로 일정 범위 이내에 대상 배터리 팩의 대상 SOC가 포함되는 경우도 포함되는 개념일 수 있다. 마찬가지로 초과는 타겟 SOC보다 소정의 수치만큼 큰 상한치보다 큰 경우를 의미할 수 있고, 미만은 타겟 SOC보다 소정의 수치만큼 작은 하한치보다 작은 경우를 의미할 수 있다. 일 실시예에 따라, 일정 범위는 하한치 이상이고 상한치 이하인 범위일 수 있다.
만일 대상 배터리 팩의 대상 SOC가 타겟 SOC를 초과할 경우(S100의 초과), 메인 컨트롤러(110)는 보조 배터리 팩(140)을 제어하여 대상 배터리 팩으로부터 보조 배터리 팩(140)으로 전력을 전달함으로써 보조 배터리 팩(140)을 충전할 수 있다. 예를 들어, 대상 배터리 팩이 제1 배터리 팩(210)일 경우 메인 컨트롤러(110)는 제1 스위치(SW1)를 단락시켜 보조 배터리 팩(140)을 충전할 수 있다.
메인 컨트롤러(110)는 다시 대상 배터리 팩의 대상 SOC를 획득하고, 대상 배터리 팩의 대상 SOC와 타겟 SOC가 서로 일치하는지 판단할 수 있다(S120). 일 실시예에 따라, S120 단계는 미리 정해진 주기에 따라 수행될 수 있다.
만일 대상 배터리 팩의 대상 SOC와 타겟 SOC가 서로 일치하지 않을 경우(S120의 No), 다시 S110 단계 및 S120 단계가 반복적으로 수행될 수 있다.
만일 대상 배터리 팩의 대상 SOC와 타겟 SOC가 서로 일치할 경우(S120의 Yes), 메인 컨트롤러(110)는 보조 배터리 팩(140)을 제어하여 대상 배터리 팩과 보조 배터리 팩(140)을 전기적으로 분리하여 전력 전달을 차단함으로써 보조 배터리 팩(140)의 충전을 중단할 수 있다. 예를 들어, 대상 배터리 팩이 제1 배터리 팩(210)일 경우 메인 컨트롤러(110)는 제1 스위치(SW1)를 개방시킬 수 있다.
대상 배터리 팩의 대상 SOC와 타겟 SOC가 서로 일치된 상태에서 대상 배터리 팩에 대한 EIS 측정은 즉시 수행되지 않고, 대상 배터리 팩에 전기적으로 접속된 전원 공급 장치(즉, 보조 배터리 팩 또는 대상 차저)를 대상 배터리 팩으로부터 전기적으로 분리하고, 미리 설정된 유휴 시간이 경과할 때까지 대기한 뒤 수행될 수 있다(S125).
메인 컨트롤러(110)는 대상 SOC와 타겟 SOC가 서로 일치함을 확인한 시점으로부터 미리 설정된 유휴 시간이 경과하였음이 확인되면, 메인 컨트롤러(110)는 EIS 장치(120)가 대상 배터리 팩에 대한 EIS 측정을 수행하도록 EIS 장치(120)를 제어할 수 있다. 또한, EIS 측정을 위해, 메인 컨트롤러(110)는 EIS 장치 연결부(125)를 제어하여 EIS 장치(120)와 대상 배터리 팩을 전기적으로 접속시킬 수 있다. 예를 들어, 대상 배터리 팩이 제1 배터리 팩(210)일 경우 메인 컨트롤러(110)는 제3 스위치(SW1)를 단락시켜 EIS 장치(120)와 제1 배터리 팩(210)을 전기적으로 접속시킬 수 있다.
EIS 장치(120)는 대상 배터리 팩에 대한 EIS 측정을 수행하여 EIS 정보를 생성할 수 있다(S130). EIS 장치(120)는 대상 배터리 팩에 대한 EIS 정보를 메인 컨트롤러(110)로 전달하고, 메인 컨트롤러(110)는 EIS 정보를 기초로 상태 분석을 수행하고, 상태 분석 결과 대상 배터리 팩의 배터리의 열화 상태 및 성능을 평가하여 대상 배터리 팩의 교체 필요 여부를 판단할 수 있다. 대상 배터리 팩의 교체 필요 여부에 대한 판단 결과에 따라, S170 단계 이후 메인 컨트롤러(110)는 스테이션 컨트롤러(130)를 통해 대상 배터리 팩의 교체 또는 재사용을 위한 동작을 수행할 수 있다.
한편, EIS 측정이 완료됨에 따라, 메인 컨트롤러(110)는 EIS 장치 연결부(125)를 제어하여 EIS 장치(120)와 대상 배터리 팩을 전기적으로 분리시킬 수 있다. 예를 들어, 대상 배터리 팩이 제1 배터리 팩(210)일 경우 메인 컨트롤러(110)는 제3 스위치(SW1)를 개방시켜 EIS 장치(120)와 제1 배터리 팩(210)을 전기적으로 분리시킬 수 있다.
이후, 메인 컨트롤러(110)는 보조 배터리 팩(140)의 방전 여부를 판단할 수 있다(S140). 비록 S110 단계에서 보조 배터리 팩(140)에 대한 충전이 수행되긴 하였으나, 앞서 설명된 바와 같이 보조 배터리 팩(140)에 접속될 수 있는 배터리 팩이 대상 배터리 팩 이외에 적어도 하나의 배터리 팩이 더 존재할 수 있고, 추후 설명되는 바와 같이 보조 배터리 팩(140)에 저장된 전력이 적어도 하나의 배터리 팩으로 전달되어 보조 배터리 팩(140)이 방전될 수 있으므로, S140 단계가 필요할 수 있다.
만일 보조 배터리 팩(140)이 방전되지 않았을 경우(S140의 No), 메인 컨트롤러(110)는 보조 배터리 팩(140)을 제어하여 보조 배터리 팩(140)으로부터 대상 배터리 팩으로 전력을 전달함으로써 대상 배터리 팩을 충전할 수 있다(S150). 예를 들어, 대상 배터리 팩이 제1 배터리 팩(210)일 경우 메인 컨트롤러(110)는 제1 스위치(SW1)를 단락시켜 대상 배터리 팩을 충전할 수 있다.
만일 보조 배터리 팩(140)이 방전되었을 경우(S140의 Yes), 메인 컨트롤러(110)는 대상 배터리 팩에 대응하는 차저(이하 대상 차저)를 제어하여 대상 차저로부터 대상 배터리 팩으로 전력을 전달함으로써 대상 배터리 팩을 충전할 수 있다(S160). 이때, 보조 배터리 팩(140)의 방전 이전에 S150 단계가 수행된 경우, 즉 보조 배터리 팩(140)과 대상 배터리 팩이 전기적으로 접속되어 있는 경우, S160 단계 수행 이전에 메인 컨트롤러(110)는 보조 배터리 팩(140)과 대상 배터리 팩을 전기적으로 분리시킬 수 있다.
예를 들어, 대상 배터리 팩이 제1 배터리 팩(210)일 경우 메인 컨트롤러(110)는 제1 차저(150)가 대상 배터리 팩을 충전하도록 제어할 수 있다.
메인 컨트롤러(110)는 대상 배터리 팩의 대상 SOC를 획득하여 대상 배터리 팩이 완충되었는지 여부를 판단할 수 있다(S170). 일 실시예에 따라, S170 단계는 미리 정해진 주기에 따라 수행될 수 있다.
만일 대상 배터리 팩이 완충되었을 경우(S170의 Yes), 메인 컨트롤러(110)는 현재 수행 중인 충전을 중단하도록 보조 배터리 팩(140) 또는 대상 차저를 제어하고, 스테이션 컨트롤러(130)를 통해 대상 배터리 팩의 교체 또는 재사용을 위한 동작을 수행할 수 있다.
만일 대상 배터리 팩이 완충되지 않았을 경우(S170의 No), 다시 S140 단계가 수행될 수 있다.
위의 동작에 의하면, 우선적으로 메인 컨트롤러(110)는 보조 배터리 팩(140)으로부터 대상 배터리 팩으로 전력을 전달함으로써 대상 배터리 팩을 충전하되, 보조 배터리 팩(140)이 방전된 경우 대상 차저로부터 대상 배터리 팩으로 전력을 전달함으로써 대상 배터리 팩을 완충될때까지 충전할 수 있다.
한편, 만일 대상 배터리 팩의 대상 SOC가 타겟 SOC 미만일 경우(S100의 미만), 메인 컨트롤러(110)는 보조 배터리 팩(140) 또는 대상 차저의 전력을 이용하여 대상 배터리 팩을 충전할 수 있다(S180).
도 4에서, S180 단계는 S182, S184 및 S186의 세부 단계들로 구성될 수 있다.
메인 컨트롤러(110)는 보조 배터리 팩(140)의 방전 여부를 판단할 수 있다(S182). 비록 S182 단계 이전에 보조 배터리 팩(140)에 대한 충전이 수행되지 않았으나, 앞서 설명된 바와 같이 보조 배터리 팩(140)에 접속될 수 있는 배터리 팩이 대상 배터리 팩 이외에 적어도 하나의 배터리 팩이 더 존재할 수 있고, 적어도 하나의 배터리 팩으로부터 보조 배터리 팩(140)으로 전력이 전달되어 보조 배터리 팩(140)이 충전될 수 있으므로, S182 단계가 필요할 수 있다.
만일 보조 배터리 팩(140)이 방전되지 않았을 경우(S182의 No), 메인 컨트롤러(110)는 보조 배터리 팩(140)을 제어하여 보조 배터리 팩(140)으로부터 대상 배터리 팩으로 전력을 전달함으로써 대상 배터리 팩을 충전할 수 있다(S184). 예를 들어, 대상 배터리 팩이 제1 배터리 팩(210)일 경우 메인 컨트롤러(110)는 제1 스위치(SW1)를 단락시켜 대상 배터리 팩을 충전할 수 있다.
만일 보조 배터리 팩(140)이 방전되었을 경우(S182의 Yes), 메인 컨트롤러(110)는 대상 배터리 팩에 대응하는 대상 차저를 제어하여 대상 차저로부터 대상 배터리 팩으로 전력을 전달함으로써 대상 배터리 팩을 충전할 수 있다(S186). 이때, 보조 배터리 팩(140)의 방전 이전에 S184 단계가 수행된 경우, 즉 보조 배터리 팩(140)과 대상 배터리 팩이 전기적으로 접속되어 있는 경우, S186 단계 수행 이전에 메인 컨트롤러(110)는 보조 배터리 팩(140)과 대상 배터리 팩을 전기적으로 분리시킬 수 있다.
예를 들어, 대상 배터리 팩이 제1 배터리 팩(210)일 경우 메인 컨트롤러(110)는 제1 차저(150)가 대상 배터리 팩을 충전하도록 제어할 수 있다.
이후, 메인 컨트롤러(110)는 다시 대상 배터리 팩의 대상 SOC를 획득하고, 대상 배터리 팩의 대상 SOC와 타겟 SOC가 서로 일치하는지 판단할 수 있다(S120). 일 실시예에 따라, S120 단계는 미리 정해진 주기에 따라 수행될 수 있다.
또한, 대상 배터리 팩의 대상 SOC와 타겟 SOC가 서로 일치하지 않을 경우, 다시 S180 단계가 다시 수행될 수 있고, S180 및 S120 단계는 대상 배터리 팩의 대상 SOC와 타겟 SOC가 서로 일치할 때까지 반복 수행될 수 있다.
위의 동작에 의하면, 대상 배터리 팩의 대상 SOC가 타겟 SOC보다 작은 상황에서, 우선적으로 메인 컨트롤러(110)는 보조 배터리 팩(140)으로부터 대상 배터리 팩으로 전력을 전달함으로써 대상 배터리 팩을 충전하되, 보조 배터리 팩(140)이 방전된 경우 대상 차저로부터 대상 배터리 팩으로 전력을 전달함으로써 대상 배터리 팩의 대상 SOC와 타겟 SOC가 서로 일치할 때까지 충전할 수 있다.
본 개시에 의하면, 배터리 팩의 SOC를 타겟 SOC에 맞추기 위해 사용자가 외부에서 배터리를 소모하여야 하는 시간과 노력을 들이지 않고, BSS(100) 자체적으로 배터리 팩의 SOC를 타겟 SOC로 자동적으로 설정하여 배터리 교체 서비스를 제공할 수 있다.
또한, 배터리 팩의 SOC가 타겟 SOC보다 클 경우 잉여 전력을 낭비하지 않고 BSS(100) 내에 추가된 배터리를 활용하여 잉여 전력을 저장하고, 배터리 팩의 충전에 우선적으로 사용함으로써 전력 효율을 높일 수 있다.
도 5는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 동작 방법을 수행하기 위한 컴퓨팅 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 컴퓨팅 시스템(1000)은 MCU(1010), 메모리(1020), 입출력 I/F(1030) 및 통신 I/F(1040)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 앞서 설명한 배터리 관리 시스템(10) 또는 배터리 스왑 시스템(100)의 동작을 수행하기 위한 시스템일 수 있다.
MCU(1020)는 메모리(1020)에 저장되어 있는 각종 프로그램을 실행하는 프로세서일 수 있다.
예를 들어, MCU(1020)는 메인 컨트롤러(110)가 배터리 관리 시스템(10)을 관리 및 제어하는데 필요한 각종 데이터 및/또는 신호를 처리하는 프로세서일 수 있다
메모리(1020)는 배터리 관리 시스템(10)을 관리 및 제어하는데 필요한 각종 프로그램 및/또는 데이터를 저장할 수 있다. 메모리(1020)는 필요에 따라서 복수 개 마련될 수 있다.
메모리(1020)는 휘발성 메모리일 수도 있으며 비휘발성 메모리일 수 있다. 휘발성 메모리로서의 메모리(1020)는 RAM, DRAM, SRAM 등이 사용될 수 있다. 비휘발성 메모리로서의 메모리(1020)는 ROM, PROM, EAROM, EPROM, EEPROM, 플래시 메모리 등이 사용될 수 있다. 상기 열거한 메모리(1020)들의 예를 단지 예시일 뿐이며 이들 예로 한정되는 것은 아니다.
입출력 I/F(1030)는, 키보드, 마우스, 터치 패널 등의 입력 장치(미도시)와 디스플레이(미도시) 등의 출력 장치와 MCU(1010) 사이를 연결하여 데이터를 송수신할 수 있도록 하는 인터페이스를 제공할 수 있다.
통신 I/F(1040)는 서버를 비롯한 외부 구성과 각종 데이터를 송수신할 수 있는 구성으로서, 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있는 각종 장치일 수 있다.
이와 같이, 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 메모리(1020)에 기록되고, MCU(1010)에 의해 실행 및 처리됨으로써, 상기 도1 내지 도 4의 각 동작들을 수행하는 모듈로서 구현될 수도 있다.
이상의 설명은 본 문서에 개시된 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 문서에 개시된 실시예들의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 문서에 개시된 실시예들은 본 문서에 개시된 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 문서에 개시된 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 문서에 개시된 기술 사상의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 문서의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 대상 배터리 팩의 대상 SOC(state of charge)를 획득하여 타겟 SOC와 비교하는 메인 컨트롤러;
    상기 대상 SOC가 상기 타겟 SOC를 초과할 경우, 상기 대상 배터리 팩으로부터 전력을 수신하여 저장하는 보조 배터리 팩; 및
    상기 대상 SOC와 상기 타겟 SOC가 서로 일치하는 경우, 상기 대상 배터리 팩에 대한 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 장치를 포함하는 배터리 스와핑 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대상 SOC가 상기 타겟 SOC 미만인 경우, 상기 보조 배터리 팩은 상기 대상 배터리 팩으로 전력을 전달하는 배터리 스와핑 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보조 배터리 팩이 방전된 경우, 상기 대상 배터리 팩을 충전하는 대상 차저를 더 포함하는 배터리 스와핑 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보조 배터리 팩은 상기 대상 배터리 팩으로부터 전력을 수신하여 저장한 뒤, 다른 배터리 팩으로 저장된 전력을 전달하는 배터리 스와핑 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 대상 배터리 팩에 대한 임피던스의 측정이 완료되면, 상기 보조 배터리 팩은 상기 대상 배터리 팩으로 전력을 전달하는 배터리 스와핑 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보조 배터리 팩이 방전된 경우, 상기 대상 배터리 팩이 완충될 때까지 상기 대상 배터리 팩을 충전하는 대상 차저를 더 포함하는 배터리 스와핑 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 측정 장치는 상기 대상 배터리 팩에 대해 측정된 임피던스를 기초로 전기 화학 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy; EIS)을 이용하여 상기 대상 배터리 팩에 포함된 배터리의 열화 상태 및 성능을 추정한 결과를 나타내는 EIS 정보를 생성하는 배터리 스와핑 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 메인 컨트롤러는 상기 EIS 정보를 기초로 상기 대상 배터리 팩의 교체 필요 여부를 판단하는 배터리 스와핑 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 메인 컨트롤러는 클라우드 서버로 상기 EIS 정보를 전송하고, 상기 EIS 정보를 기초로 판단된 상기 대상 배터리 팩의 교체 필요 여부에 대한 정보를 수신하는 배터리 스와핑 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 대상 배터리 팩의 교체 필요 여부에 대한 판단 결과에 따라, 상기 대상 배터리 팩의 교체 또는 재사용을 위한 물리적인 제어를 수행하는 스테이션 컨트롤러를 더 포함하는 배터리 스와핑 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 대상 SOC와 상기 타겟 SOC가 서로 일치함을 확인한 시점으로부터 미리 정해진 유휴 시간이 경과하였음이 확인되면, 상기 메인 컨트롤러는 상기 대상 배터리 팩에 대한 상기 임피던스를 측정하도록 상기 임피던스 측정 장치를 제어하는 배터리 스와핑 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 보조 배터리 팩은 상기 대상 배터리 팩을 포함하는 복수의 배터리 팩들과 전기적으로 접속 가능한 배터리 스와핑 시스템.
  13. 대상 배터리 팩의 대상 SOC(state of charge)를 획득하는 단계;
    상기 대상 SOC와 타겟 SOC를 비교하는 단계;
    상기 대상 SOC가 상기 타겟 SOC를 초과할 경우, 상기 대상 배터리 팩으로부터 보조 배터리 팩으로 전력을 전달하여 상기 보조 배터리 팩에 전력을 저장하는 단계; 및
    상기 대상 SOC와 상기 타겟 SOC가 서로 일치하는 경우, 상기 대상 배터리 팩에 대한 임피던스를 측정하는 단계를 포함하는 배터리 스와핑 시스템의 동작 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 대상 SOC가 상기 타겟 SOC 미만일 경우, 상기 대상 배터리 팩에 대응하는 대상 차저에 우선하여 상기 보조 배터리 팩에 저장된 전력을 이용하여 상기 대상 배터리 팩을 충전하는 배터리 스와핑 시스템의 동작 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 대상 배터리 팩에 대한 임피던스의 측정이 완료되면, 상기 대상 배터리 팩에 대응하는 대상 차저에 우선하여 상기 보조 배터리 팩에 저장된 전력을 이용하여 상기 대상 배터리 팩을 충전하는 배터리 스와핑 시스템의 동작 방법.
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