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KR-20260060985-A - BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND BATTERY MANAGEMENT METHOD

KR20260060985AKR 20260060985 AKR20260060985 AKR 20260060985AKR-20260060985-A

Abstract

배터리 관리 시스템 및 배터리 관리 방법이 제공된다. 상기 배터리 관리 시스템은, 배터리 팩의 팩 상태를 모니터링하도록 제공되는 마스터 감시 회로 및 상기 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 모듈의 모듈 상태를 모니터링하도록 제공되는 슬레이브 감시 회로를 포함한다. 상기 마스터 감시 회로는, 상기 마스터 감시 회로와 상기 슬레이브 감시 회로 간의 통신 상태를 확인하도록 구성된다. 상기 마스터 감시 회로는, 상기 확인된 통신 상태가 통신 불가 상태인 경우, 상기 팩 상태를 나타내는 팩 상태 정보를 기초로, 상기 배터리 팩을 진단하도록 구성된다.

Inventors

  • 신현주
  • 유태경
  • 이승현
  • 이호준

Assignees

  • 주식회사 엘지에너지솔루션

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20250429
Priority Date
20241025

Claims (16)

  1. 배터리 팩의 팩 상태를 모니터링하도록 제공되는 마스터 감시 회로; 및 상기 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 모듈의 모듈 상태를 모니터링하도록 제공되는 슬레이브 감시 회로를 포함하고, 상기 마스터 감시 회로는, 상기 마스터 감시 회로와 상기 슬레이브 감시 회로 간의 통신 상태를 확인하고, 상기 확인된 통신 상태가 통신 불가 상태인 경우, 상기 팩 상태를 나타내는 팩 상태 정보를 기초로, 상기 배터리 팩을 진단하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마스터 감시 회로는, 상기 팩 상태 정보에 기초하는 팩 이상 레벨이 제1 임계 레벨 이상인 것에 응답하여, 상기 배터리 팩이 위험 상태인 것으로 진단하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 마스터 감시 회로는, 상기 슬레이브 감시 회로와의 통신 두절 시간을 기초로, 상기 제1 임계 레벨을 결정하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 마스터 감시 회로는, 상기 팩 상태 정보에 기초하는 복수의 팩 상태 지표를 개별적으로 복수의 팩 진단 기준과 비교하여, 상기 팩 이상 레벨을 결정하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 복수의 팩 상태 지표 각각은, 팩 절연 저항, 팩 전압, 또는 상기 팩 절연 저항과 상기 팩 전압 중의 적어도 하나로부터 도출되는 값인, 배터리 관리 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 마스터 감시 회로는, 상기 팩 상태 정보에 따른 팩 이상 레벨이 제1 임계 레벨 이상이고, 상기 슬레이브 감시 회로와의 통신 두절 시간이 임계 시간 이상인 것에 응답하여, 상기 배터리 팩이 위험 상태인 것으로 진단하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 마스터 감시 회로는, 상기 확인된 통신 상태가 통신 가능 상태인 경우, 상기 팩 상태 정보 및 상기 모듈 상태 정보를 기초로, 상기 배터리 팩을 진단하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 마스터 감시 회로는, 상기 확인된 통신 상태가 통신 가능 상태인 경우, 상기 팩 상태 정보에 따른 팩 이상 레벨 및 상기 모듈 상태 정보에 따른 모듈 이상 레벨의 합계가 제2 임계 레벨 이상인 것에 응답하여, 상기 배터리 팩이 위험 상태인 것으로 진단하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 마스터 감시 회로는, 상기 모듈 상태 정보에 기초하는 복수의 모듈 상태 지표를 개별적으로 복수의 모듈 진단 기준과 비교하여, 상기 모듈 이상 레벨을 결정하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 복수의 모듈 상태 지표 각각은, 상기 복수의 배터리 모듈 중 적어도 한 배터리 모듈의 셀 전압 편차, 셀 전압, 모듈 온도 또는 상기 셀 전압 편차, 상기 셀 전압 및 상기 모듈 온도 중의 적어도 하나로부터 도출되는 값인, 배터리 관리 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 마스터 감시 회로는, 상기 슬레이브 감시 회로와의 통신 두절 시간이 소정의 래칭 시간 이하인 것에 응답하여, 상기 마스터 감시 회로에 기억된 이전의 모듈 이상 레벨을 독출하고, 상기 팩 상태 정보에 따른 팩 이상 레벨 및 상기 이전의 모듈 이상 레벨의 합계가 제2 임계 레벨 이상인 것에 응답하여, 상기 배터리 팩이 위험 상태인 것으로 진단하도록 구성되는, 배터리 관리 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 시스템을 포함하는 전기 차량.
  13. 마스터 감시 회로가, 상기 마스터 감시 회로와 슬레이브 감시 회로 간의 통신 상태를 확인하는 단계로서, 상기 마스터 감시 회로는 배터리 팩의 팩 상태를 모니터링하도록 제공된 것이고, 상기 슬레이브 감시 회로는 상기 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 모듈의 모듈 상태를 모니터링하도록 제공된 것인 단계; 및 상기 마스터 감시 회로가, 상기 확인된 통신 상태가 통신 불가 상태인 경우, 상기 팩 상태를 나타내는 팩 상태 정보를 기초로, 상기 배터리 팩을 진단하는 단계; 를 포함하는, 배터리 관리 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 배터리 팩을 진단하는 단계는, 상기 팩 상태 정보에 따른 팩 이상 레벨이 제1 임계 레벨 이상인 것에 응답하여, 상기 배터리 팩이 위험 상태인 것으로 진단하는 단계; 를 포함하는, 배터리 관리 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 배터리 팩을 진단하는 단계는, 상기 슬레이브 감시 회로와의 통신 상태가 정상인 경우, 상기 팩 상태 정보에 따른 팩 이상 레벨 및 상기 모듈 상태 정보에 따른 모듈 이상 레벨의 합계가 제2 임계 레벨 이상인 것에 응답하여, 상기 배터리 팩이 위험 상태인 것으로 진단하는 단계; 를 포함하는, 배터리 관리 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 배터리 팩을 진단하는 단계는, 상기 슬레이브 감시 회로와의 통신 두절 시간이 소정의 래칭 시간 이하인 것에 응답하여, 상기 마스터 감시 회로에 기억된 이전의 모듈 이상 레벨을 독출하는 단계; 및 상기 팩 상태 정보에 따른 팩 이상 레벨 및 상기 이전의 모듈 이상 레벨의 합계가 제2 임계 레벨 이상인 것에 응답하여, 상기 배터리 팩이 위험 상태인 것으로 진단하는 단계; 를 포함하는, 배터리 관리 방법.

Description

배터리 관리 시스템 및 배터리 관리 방법{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND BATTERY MANAGEMENT METHOD} 본 발명은 열 폭주 위험을 초래할 수 있는 배터리 팩의 이상을 진단하는 기술에 관한 것이다. 본 출원은 2024년 10월 25일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2024-0147819호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다. 최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 차량, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다. 최근에는 고용량 및 고전압의 요구에 맞춰, 배터리 팩은 복수의 배터리 모듈을 포함하도록 제조되며, 각 배터리 모듈은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함한다. 이러한 계층적 구조(즉, 셀-모듈-팩)를 갖는 배터리 팩을 효율적으로 관리하기 위한 목적으로, 마스터(마스터 감시 회로)-슬레이브(슬레이브 감시 회로)로 2원화된 구조를 갖는 배터리 관리 시스템 또한 널리 이용되고 있다. 상세하게는, 슬레이브는 배터리 모듈별로 모듈 상태에 관한 정보를 획득하는 구성이며, 마스터는 슬레이브로부터 배터리 모듈별 모듈 상태 정보를 수집하고, 이에 기초하여 배터리 팩의 이상을 진단할 수 있다. 그런데, 슬레이브가 오동작하거나 슬레이브가 정상이더라도 슬레이브와 마스터 간의 통신 상태가 비정상이라면, 마스터는 배터리 모듈별 모듈 상태를 확인할 수 없어 배터리 팩의 이상을 제대로 검출해낼 수가 없다. 종래에는 온도에 관련된 단일의 진단 기준 또는 단일의 이상 지표를 이용하여 배터리 팩의 열 폭주 위험을 진단하는 방식이 주로 이용되고 있다. 그러나, 배터리 팩의 열 폭주 위험과 관련된 이상 징후는, 단지 몇몇 배터리 셀이나 배터리 모듈의 온도의 비정상적인 거동으로만 발현되는 것은 아니며, 온도 외의 다른 타입의 파라미터(예, 셀 전압, 모듈 온도, 팩 절연 저항)의 비정상적인 거동으로 발현되기도 한다. 따라서, 종래의 방식으로는 배터리 팩의 이상을 신속하고 정밀하게 진단해내기 어렵다. 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다. 도 1은 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈, 슬레이브 감시 회로 및 마스터 감시 회로 간의 결합 관계를 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 도 3은 본 발명에 따른 배터리 관리 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다. 도 4는 도 3의 단계 S320에 포함될 수 있는 하위 루틴 세트의 일 예를 나타낸 순서도이다. 도 5는 도 4에 따른 하위 루틴 세트를 설명하는 데에 참조되는 타이밍 챠트이다. 도 6은 도 3의 단계 S320에 포함될 수 있는 하위 루틴 세트의 다른 예를 나타낸 순서도이다. 도 7은 도 6에 따른 하위 루틴 세트를 설명하는 데에 참조되는 타이밍 챠트이다. 도 8은 도 3의 단계 S320에 포함될 수 있는 하위 루틴 세트의 또 다른 예를 나타낸 순서도이다. 도 9는 도 8에 따른 하위 루틴 세트를 설명하는 데에 참조되는 타이밍 챠트이다. 도 10은 도 3의 단계 S320에 포함될 수 있는 하위 루틴 세트의 또 다른 예를 나타낸 순서도이다. 도 11은 도 10에 따른 하위 루틴 세트를 설명하는 데에 참조되는 타이밍 챠트이다. 도 12는 도 3의 단계 S320에 포함될 수 있는 하위 루틴 세트의 또 다른 예를 나타낸 순서도이다. 도 13은 도 12에 따른 하위 루틴 세트를 설명하는 데에 참조되는 타이밍 챠트이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다. 명세서 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 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 도 1은 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈, 슬레이브 감시부 및 마스터 감시 회로 간의 결합 관계를 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 도 1을 참조하면, 배터리 시스템(1)은, 배터리 팩(10), 시스템 컨트롤러(2), 전력 변환기(30) 및 전기 부하(40)를 포함한다. 배터리 시스템(1)은 주변 기기(50)를 더 포함할 수 있다. 배터리 시스템(1)은, 예컨대 전기 차량 등과 같이, 배터리 팩(10)이 전력원으로 사용되는 전기 시스템이라면 특별히 제한되지 않는다. 시스템 컨트롤러(2)(예, ECU: Electronic Control Unit)는, 배터리 시스템(1)에 마련된 시동 버튼(미도시)이 사용자에 의해 ON-위치로 전환된 것에 응답하여, 키-온 신호를 배터리 관리 시스템(100)에게 전송하도록 구성된다. 시스템 컨트롤러(2)는, 시동 버튼이 사용자에 의해 OFF-위치로 전환된 것에 응답하여, 키-오프 신호를 배터리 관리 시스템(100)에게 전송하도록 구성된다. 배터리 팩(10)은, 복수의 배터리 모듈(BM1~BMm, m은 2 이상의 자연수)을 포함한다. 배터리 팩(10)은, 릴레이(20), 전류 센서(A) 및 배터리 관리 시스템(100)을 더 포함할 수 있다. 배터리 팩(10) 내에서, 복수의 배터리 모듈(BM1~BMm)은 전기적으로 직렬, 병렬 또는 직병렬 혼합으로 연결될 수 있다. 이하에선, 복수의 배터리 모듈(BM1~BMm)에 공통된 설명을 함에 있어서, 배터리 모듈에 부호 'BM' 또는 'BMi'을 부여하기로 한다. i는 m 이하의 자연수이다. 배터리 모듈(BMi)은, 적어도 하나의 배터리 셀(BC)을 포함하며, '셀 유닛', '셀 그룹', '셀 어레이', '셀 어셈블리' 등의 다른 용어로 호칭될 수 있다. 도 2에서는, 배터리 모듈(BMi)에 배터리 셀(BC)이 복수 개 포함되는 것으로 예시하였다. 복수의 배터리 셀(BC)은, 서로 동일한 전기화학적 사양을 가지도록 제공된 것일 수 있다. 배터리 모듈(BMi)에 포함된 복수의 배터리 셀(BC)은 전기적으로 직렬, 병렬 또는 직병렬 혼합으로 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 배터리 모듈(BM1~BMm) 각각은 그에 포함된 배터리 셀(BC)이 수납되는 별도의 모듈 케이스를 구비할 수 있다. 이 경우, 복수의 배터리 모듈(BM1~BMm)은 각각의 모듈 케이스에 의해 서로 물리적으로 구분될 수 있고, 배터리 팩(10)의 팩 케이스에 개별적으로 수납되거나 분리될 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 배터리 모듈(BM1~BMm) 각각은 별도의 팩 케이스없이 배터리 팩(10)의 팩 케이스에 직접 수납될 수 있다. 즉, 복수의 배터리 모듈(BM1~BMm) 각각은, 배터리 팩(10)의 레이아웃, 배터리 관리 시스템(100)과의 회로적 결선, 복수의 모듈 감시부(SM1~SMm) 각각의 감시 범위 등을 고려하여, 배터리 팩(10)에 직접 수납된 배터리 셀들(BC)이 하나씩 또는 둘 이상씩 임의로 또는 특정 기준에 따라 그룹화된 것일 수 있다. 이 경우, 모듈 케이스가 생략된 채로 배터리 셀들(BC)이 팩 케이스에 직접 수납된다는 측면에서, 배터리 팩(10)은 셀투팩(Cell To Pack; CTP)의 구조를 가질 수 있다. 리튬 이온 셀을 비롯하여 반복적인 충방전이 가능한 전기화학 소자라면, 배터리 셀(BC)의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 배터리 셀(BC)의 양극 활물질로는, 예컨대 LiNi8/10Co1/10Mn1/10O2 등의 리튬 금속 복합 산화물이 이용될 수 있다. 배터리 셀(BC)의 음극 활물질로는, 예컨대 탄소계 재료(예, 흑연)가 이용될 수 있다. 이하에서는, 복수의 배터리 셀(BC1~BCN)에 공통된 내용을 설명함에서 있어서, 배터리 셀에 대해 부호 'BC'를 부여하기로 한다. 릴레이(20)는, 배터리 팩(10) 및 전력 변환기(30)를 연결하는 전력 경로를 통해, 배터리 팩(10)에 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 도 1에서는, 릴레이(20)가 배터리 팩(1)의 플러스 팩 단자와 제1 전력 단자(P+) 사이에 설치된 것으로 예시되어 있다. 물론, 릴레이(20)는 배터리 팩(1)의 마이너스 팩 단자와 제2 전력 단자(P-) 사이에 설치