KR100669434B1 - 이차 전지 모듈 제어방법 - Google Patents

이차 전지 모듈 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 컷오프상태에서 회복되는 시점에서 회복 조건을 달리 설정해줌으로서 전지 모듈이 충분히 안정적인 전압으로 회복될 수 있도록, 이차 전지 모듈의 릴레이를 제어하는 방법에 있어서, 릴레이가 오프된 상태에서 단위 전지의 전압이 컷오프 전압 이내의 범위에서 설정되는 회복전압 범위이내인 경우 릴레이를 온시키는 이차 전지 모듈 제어방법을 제공한다.
전지모듈, BMS, 컷오프전압, 회복전압

Description

이차 전지 모듈 제어방법{METHOD FOR CONTROLLING SECONDARY BATTERY MODULE}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 도시한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈 제어 과정을 도시한 순서도이다.
본 발명은 이차 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지 모듈의 컷오프 전압에 따른 전지 관리를 보다 안정적으로 운용할 수 있도록 된 이차 전지 모듈의 제어방법에 관한 것이다.
최근들어 고에너지 밀도의 비수전해해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지를 복수개 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.
이와같이 하나의 대용량 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 전지모듈이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위전지라 칭한다)로 이루어진다.
상기한 전지모듈 특히, HEV용 이차 전지 모듈의 경우 수 개에서 많게는 수십 개의 단위전지가 충전과 방전을 번갈아가면서 수행하게 됨에 따라 이러한 충방전 등을 제어하여 전지 모듈이 적정한 동작 상태로 유지하도록 관리할 필요성이 있다.
예컨대 전지 모듈 충전의 경우 전지 모듈을 이루는 각 단위전지는 여러 차례 반복 충전하여 사용하는 동안 서로 다른 에너지 수준으로 충전되고 방전된다. 일단, 다수의 단위전지를 직렬로 연결하여 사용한 후에 즉, 서로 다른 에너지 수준으로 방전된 후에, 다시 충전하면, 충전된 단위전지의 에너지 수준 역시 서로 다르게 형성된다. 이런 상태에서 충전과 방전이 수차례 반복되면 하나의 그룹을 이루는 단위전지 중 몇 개는 과방전이 되어 사용말 전위가 0V이하가 된다. 이 상태에서 사용자가 계속 단위전지를 방전시킨다든지 계속 사용하게 되면, 이런 단위전지들은 전위가 바뀌는 이른바 '전지 역전 현상(Battery Reversal)'이 나타난다.
이와 같이 에너지 수준이 서로 다른 단위전지들이 직렬로 연결되어 충전될 경우, 낮은 에너지 수준의 단위전지들이 충전 상태에 도달하기 전에 비교적 높은 에너지 수준의 다른 단위전지가 충전 완료 신호를 보내어 충전기는 충전을 완료하게 된다. 또한, 과방전된 단위전지를 포함하는 경우에서는, 과방전된 단위전지가 완전 충전 상태가 되기 전에 다른 단위전지는 과충전 상태에 도달하게 된다. 즉, 다수의 단위전지 중 일부 단위전지는 불완전 충전 - 과방전 또는 전지 역전을 반복하게 되며, 나머지 단위전지는 완전 충전 또는 과충전 - 불완전 방전을 반복하게 되어 결국 단위전지들은 손상을 받는다.
따라서, 통상 이차 전지 모듈은 단위전지의 손상을 줄이기 위하여 각 단위 전지의 상태를 관리하기 위한 제어부(BMS;Battery Management System)가 구비되며 이와 더불어 전지 모듈이 이상시 전류를 차단하기 위한 릴레이가 설치된다.
이에 상기 BMS는 전지 모듈 내의 각 단위 전지의 전압을 검출하여 해당 단위 전지의 전압이 기준값인 컷오프 전압(cut-off voltage) 이상이거나 이하인 경우에 릴레이를 차단 작동하여 전지 모듈의 전류를 차단하고 해당 단위 전지를 회복시키게 된다.
여기서 종래 상기 컷오프 전압은 2.8V보다 작거나 4.3V보다 큰 경우로 설정되는 데 각 단위 전지가 상기 컷오프 전압 이내로 회복하는 과정에서 2.8V이상이거나 4.3V이하가 되는 경우 바로 릴레이가 온 됨으로써 전지 모듈이 충분히 회복할수 있는 여유가 주어지지 못하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 제반 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 컷오프상태에서 회복되는 시점에서 회복 조건을 달리 설정해줌으로서 전지 모듈이 충분히 안정적인 전압으로 회복될 수 있도록 된 이차 전지 모듈의 제어방법을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 이차 전지 모듈의 릴레이를 제어하는 방법에 있어서, 릴레이가 오프된 상태에서 단위 전지의 전압이 컷오프 전압 이내의 범위에서 설정되는 회복전압 범위이내인 경우 릴레이를 온시키는 구조로 되어 있다.
이를 위해 본 발명은 이차 전지 모듈의 릴레이를 제어하는 방법에 있어서, 상기 전지 모듈의 각 단위 전지가 기 설정된 회복 전압 이내인가를 단위 전지 순서대로 확인하는 루핑 단계와,
상기 루핑 단계를 거쳐 상기 회복 전압 이내로 확인된 단위 전지의 개수에 따라 릴레이 온/오프를 결정하는 결정단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 루핑 단계는
이차 전지 모듈의 각 단위 전지 순서대로 단위 전지의 전압이 컷오프 전압 범위 이내인가를 확인하는 단계와,
상기 단위 전지의 전압이 컷오프 전압 범위보다 높거나 낮은 경우 릴레이의 오프상태를 유지하는 단계,
상기 단위 전지의 전압이 컷오프 전압 범위 이내인 경우 상기 단위 전지의 전압이 회복전압 이내인지를 확인하는 단계,
상기 단위 전지의 전압이 회복전압 이내인 경우 단위 전지의 개수를 카운팅하는 단계,
상기 과정을 반복하여 전지 모듈에 설치된 모든 단위 전지가 상기 과정을 거쳤는지를 확인하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 결정 단계가
상기 측정된 전압이 회복 전압 이내인 단위 전지의 개수가 전지 모듈의 단위 전지 개수와 동일한지 여부를 확인하는 단계,
상기 측정된 전압이 회복 전압 이내인 단위 전지의 개수가 전지 모듈의 단위 전지 개수와 같지 않은 경우 릴레이의 컷오프 상태를 유지하는 단계,
상기 측정된 전압이 회복 전압 이내인 단위 전지의 개수가 전지 모듈의 단위 전지 개수와 동일한 경우 릴레이를 온 시키는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 릴레를 오프시키기 위한 컷오프 전압은 4.3V보다 크거나 2.8V보다 작은 범위로 설정됨이 바람직하다.
또한, 상기 릴레이를 온시키기 위한 회복 전압은 3.0V보다 크거나 4.1V보다 작은 범위로 설정됨이 바람직하다.
여기서 상기와 같은 이차 전지 모듈은 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 개략적인 구성도이다.
상기한 도면을 참조하여 먼저 본 실시예에 따른 이차 전지 모듈(10)을 살펴 보면 이차 전지 모듈(10)은 대용량의 전지 모듈로서 다수 개의 단위 전지(11)가 일정 간격을 두고 연속적으로 배열되어 이루어지는 적어도 하나 이상의 전지 집합체와, 상기 전지 집합체가 내부에 배치되고 냉각매체가 유통되는 하우징(13), 상기 전지 집합체의 각 단위 전지(11)를 관리하는 BMS(20), 상기 전지 집합체의 출력라인 상에 설치되고 상기 BMS(20)의 신호에 따라 상기 전지 집합체로 흐르는 전류를 온/오프시키기 위한 릴레이(30)를 포함한다.
상기 각 단위 전지(11)는 세퍼레이터를 사이에 두고 이의 양측에 양극판과 음극판이 배치되는 전극 조립체를 구비하여, 기설정된 양의 전력을 충,방전시키는 통상적인 구조의 이차전지로서 구성된다. 상기 전지 집합체는 언급한 바와 같이 단위 전지(11)가 일정 간격으로 배치되어 하나의 열을 이룬 구조를 의미하는 것으로 정의한다.
본 실시예에 따르면, 상기 전지 집합체는 각각의 단위 전지(11)들이 대략 사각형(본 실시예에서는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 가로 폭이 넓은 직사각형)의 외형을 가지면서 직립되게 배열되어 이루어지는 것이 바람직하다.
물론 상기 단위 전지는 상기와 같이 각형으로 이루어진 구조 이외에 원통형 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 전지 집합체는 각 단위 전지(11) 사이 및 최 외측의 단위 전지(11)에 전지 격벽(12)을 설치하고 있는 바, 이 전지 격벽(12)은 각 단위 전지(11)의 간격을 일정하게 유지시키면서 온도 제어용 공기를 유통시키고, 각 단위 전지(11)의 측면을 지지하는 기능을 하게 된다.
한편, 상기 BMS(20)는 전지 모듈(10)내의 각 단위 전지의 온도, 전류, 전압값을 검출하고 이를 관리하게 되며 본 실시예에 따라 내부에는 컷오프 전압과 회복 전압의 기준 범위에 대한 프로텍션 알고리즘이 내장되어 있어서 상기 각 단위 전지(11)의 전압값에 따라 릴레이를 제어작동하게 된다.
상기 릴레이(21)는 상기 전지 모듈(10)의 출측에 설치되어 BMS(20)의 신호에 따라 온/오프되어 전지 모듈로 흐르는 전류를 연결 또는 차단하게 된다.
이하, 상기 BMS(20)에 내장된 알고리즘을 통해 상기 전지 모듈(10)의 컷오프 회복 과정에 대해 도 2를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈 제어 과정을 도시한 순서도이다.
상기한 도면에 의하면 이차 전지 모듈의 릴레이 오프 상태를 회복하기 위해서 루핑단계를 통해 각 단위 전지의 전압 상태가 컷오프 전압 범위와 회복 전압 범위 이내인지를 순서적으로 판단하게 된다.
이를 좀더 상세하게 살펴보면 상기 루핑 단계(S100 ~ S150)는
먼저, 루핑작업이 개시되어 이차 전지 모듈의 각 단위 전지 순서대로 단위 전지의 전압이 컷오프 전압 범위 이내인가를 확인하는 과정을 거치게 된다.(S100 ~ S110)
본 실시예에서는 전지 모듈 내에 단위 전지가 40개 적층된 경우에 대해 살펴보도록 한다.
이때, 상기 컷오프 전압 범위는 4.3V보다 크거나 2.8V보다 작은 범위로 설정 된다.
따라서 상기 단위 전지의 전압값이 상기 컷오프 전압 범위를 벗어나게 되면 예컨대 2.7V인 경우에는 상기 단위 전지는 VF값을 부여받게 되고 루핑단계를 벗어나게 된다.(S120) 그리고 상기 BMS는 전지 모듈에 대해 릴레이 오프 상태를 그대로 유지하게 된다.(S170)
여기서 상기 VF는 컷오프 전압 범위를 벗어난 전압값이라는 의미를 가지는 것으로 정의한다.
한편, 상기 단위 전지의 전압이 컷오프 전압 범위 이내인 경우에는 상기 단위 전지의 전압이 회복전압 이내인지를 확인하는 과정을 거치게 된다.(S130)
이때, 상기 회복 전압은 3.0V보다 크거나 4.1V보다 작은 범위로 설정된다.
상기 단위 전지의 전압값이 회복 전압 이내인 경우에는 상기 단위 전지는 VP값을 부여받게 되고 BMS(20)는 VP값을 부여받은 단위 전지의 개수를 카운팅하게 된다.(S140)
여기서 상기 VP는 회복 전압 범위 이내의 전압값이라는 의미를 갖는 것으로 정의한다.
상기와 같은 과정은 이차 전지 모듈의 모든 단위 전지에 대해 순서적으로 행해지게 되며 40번째 단위 전지가 상기 과정을 마치게 되면 다음 공정으로 넘어가 릴레이를 온 또는 오프할 것인가를 결정하게 된다.(S150)
상기 루핑과정을 거치면서 최종적으로 40개의 단위 전지 중 단위 전지의 전압값이 회복 전압 범위 이내인 단위 전지의 개수가 카운팅되며, 상기 BMS는 상기 카운팅된 단위 전지의 개수가 전지 모듈을 이루는 단위 전지 전체 개수와 동일한지 여부를 확인하게 된다.(S160)
상기 카운팅된 단위 전지의 개수가 전지 모듈을 이루는 단위 전지 전체 개수와 같지 않은 경우에는 릴레이의 컷오프 상태를 그대로 유지하게 된다.(S170)
그리고 상기 카운팅된 단위 전지의 개수가 전지 모듈을 이루는 단위 전지의 전체 개수와 동일한 경우에는 릴레이를 온 시키게 된다.(S180)
이와같이 최종적으로 릴레이 오프 상태 유지되거나 릴레이가 온 여부가 결정되면 상기 BMS는 각 단위 전지의 전압 측정 작업을 계속 수행하게 된다.(S190)
상기한 본 발명의 전지 모듈은 고출력/대용량을 요구받는 HEV용 전지로서 효과적으로 사용될 수 있으나, 반드시 그 용도가 HEV용으로만 한정되는 것은 아니다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 컷오프 전압 상태인 전지에 대해 회복 조건을 별도로 부여함으로써 전지가 충분히 회복된 상태에서 전지 모듈이 작동되어 전지 모듈의 안정성을 높일 수 있게 된다.

Claims (9)

  1. 이차 전지 모듈의 릴레이를 제어하는 방법에 있어서,
    컷오프(cut-off) 전압 범위 내에서 릴레이를 오프(off)시키고,
    릴레이가 오프(off)된 상태에서 단위 전지의 전압이 컷오프 전압을 벗어난 범위에서 설정되는 회복전압 범위 이내인 경우 릴레이를 온(on)시키는 이차 전지 모듈 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 컷오프 전압은 4.3V보다 크거나 2.8V보다 작은 범위로 설정되는 이차 전지 모듈 제어방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 회복 전압은 3.0V보다 크거나 4.1V보다 작은 범위로 설정되는 이차 전지 모듈 제어방법.
  4. 이차 전지 모듈의 릴레이를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 전지 모듈의 각 단위 전지가 기 설정된 회복 전압 이내인가를 단위 전지 순서대로 확인하는 루핑 단계와,
    상기 루핑 단계를 거쳐 상기 회복 전압 이내로 확인된 단위 전지의 개수에 따라 릴레이 온/오프를 결정하는 결정단계
    를 포함하는 이차 전지 모듈 제어방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 루핑 단계는
    이차 전지 모듈의 각 단위 전지 순서대로 단위 전지의 전압이 컷오프 전압 범위 이내인가를 확인하는 단계와,
    상기 단위 전지의 전압이 컷오프 전압 범위보다 높거나 낮은 경우 릴레이의 오프상태를 유지하는 단계,
    상기 단위 전지의 전압이 컷오프 전압 범위 이내인 경우 상기 단위 전지의 전압이 회복전압 이내인지를 확인하는 단계,
    상기 단위 전지의 전압이 회복전압 이내인 경우 단위 전지의 개수를 카운팅하는 단계,
    상기 과정을 반복하여 전지 모듈에 설치된 모든 단위 전지가 상기 과정을 거쳤는지를 확인하는 단계
    를 포함하는 이차 전지 모듈 제어방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 결정 단계는
    상기 측정된 전압이 회복 전압 이내인 단위 전지의 개수가 전지 모듈의 단위 전지 개수와 동일한지 여부를 확인하는 단계,
    상기 측정된 전압이 회복 전압 이내인 단위 전지의 개수가 전지 모듈의 단위 전지 개수와 같지 않은 경우 릴레이의 컷오프 상태를 유지하는 단계,
    상기 측정된 전압이 회복 전압 이내인 단위 전지의 개수가 전지 모듈의 단위 전지 개수와 동일한 경우 릴레이를 온 시키는 단계
    를 포함하는 이차 전지 모듈 제어방법.
  7. 제 4 항에 있어서, 릴레이 오프 상태 유지되거나 릴레이가 온 여부가 결정되면 각 단위 전지의 전압 측정 작업을 계속 수행하는 단계를 포함하는 이차 전지 모듈 제어방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 컷오프 전압은 4.3V보다 크거나 2.8V보다 작은 범위로 설정되는 이차 전지 모듈 제어방법.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 회복 전압은 3.0V보다 크거나 4.1V보다 작은 범위로 설정되는 이차 전지 모듈 제어방법.
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