KR101097272B1 - 배터리 팩 및 이를 구비하는 전기 이동수단 - Google Patents

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양종운
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Abstract

본 발명은 배터리 팩 및 이를 구비하는 전기 이동수단에 대한 것으로, 적어도 하나의 고용량 배터리 셀을 포함하는 제1 배터리 셀 그룹과, 제1 배터리 셀 그룹과 병렬 연결되며, 적어도 하나의 고출력 배터리 셀을 포함하는 제2 배터리 셀 그룹을 포함하는 배터리 팩으로서, 고출력 배터리 셀은 고용량 배터리 셀보다 출력 전류가 큰 특성을 가지며, 고용량 배터리 셀은 고출력 배터리 셀보다 많은 양의 전기 에너지를 저장하는 특성을 가지며, 배터리 팩은 동작 모드로서, 제1 배터리 셀 그룹에 저장된 전기 에너지를 출력하는 고용량 모드와, 제2 배터리 셀 그룹에 저장된 전기 에너지를 출력하는 고출력 모드와, 제1 배터리 셀 그룹 또는 제2 배터리 셀 그룹을 충전하는 상호 충전 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.

Description

배터리 팩 및 이를 구비하는 전기 이동수단{Battery pack and electric transfer means including same}
본 발명은 배터리 팩 및 이를 구비하는 전기 이동수단에 대한 것이다.
휴대용 전자기기, 예를 들어 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등이 널리 사용됨에 따라서 이들 휴대용 전자기기를 동작시키기 위한 전원을 공급하는 배터리에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다.
배터리는 배터리 셀과 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하는 보호회로를 포함하는 배터리 팩 형태로 제공되며, 배터리 셀의 종류에 따라서 리튬 이온(Li-ion) 배터리, 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 배터리 등으로 분류할 수 있다. 이러한 배터리 셀은 재충전이 가능한 이차전지로서 재충전하여 사용할 수 있다.
한편, 최근 환경 오염이 심해짐에 따라서 녹색기술에 대한 관심이 증가하고 있으며, 정부에서는 녹색기술을 신성장동력산업의 하나로 지정하였다. 녹색기술에 대한 관심의 증가로 전기 자전거가 새로운 관심사로 자리잡게 되었다.
전기 자전거는 모터로 바퀴를 회전시켜서 운행할 수 있는 자전거이다. 모터는 배터리로부터 전기를 공급받아 구동되기 때문에 배터리의 용량이 매우 중요하다. 최근 이차 전지 관련 기술의 발달로 배터리의 용량이 충분히 증가하였으며, 자전거 도로 확충 등 전기 자전거와 관련된 제반 사항이 변화하여 전기 자전거의 보급이 활발해지고 있다.
본 발명의 실시 예들이 해결하고자 하는 과제는 배터리 팩에 저장된 전기 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 배터리 팩 및 이를 구비하는 전기 이동수단을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 실시 예의 일 측면에 따르면, 적어도 하나의 고용량 배터리 셀을 포함하는 제1 배터리 셀 그룹과 제1 배터리 셀 그룹과 병렬 연결되며, 적어도 하나의 고출력 배터리 셀을 포함하는 제2 배터리 셀 그룹을 포함하는 배터리 팩으로서, 고출력 배터리 셀은 고용량 배터리 셀보다 출력 전류가 큰 특성을 가지며, 고용량 배터리 셀은 고출력 배터리 셀보다 많은 양의 전기 에너지를 저장하는 특성을 가지며, 배터리 팩은 동작 모드로서, 제1 배터리 셀 그룹에 저장된 전기 에너지를 출력하는 고용량 모드와, 제2 배터리 셀 그룹에 저장된 전기 에너지를 출력하는 고출력 모드와, 제1 배터리 셀 그룹 또는 제2 배터리 셀 그룹을 충전하는 상호 충전 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
이러한 본 실시 예의 다른 특징에 의하면, 상호 충전 모드에서, 제1 배터리 셀 그룹 및 제2 배터리 셀 그룹 상호간에 충전할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 제1 배터리 셀 그룹 및 제2 배터리 셀 그룹의 충전 상태를 판단하는 배터리 관리부를 더 포함할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 제1 배터리 셀 그룹 또는 제2 배터리 셀 그룹의 충전 상태가 충전 기준치 이하일 때에 제1 배터리 셀 그룹 또는 제2 배터리 셀 그룹을 충전할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 제1 배터리 셀 그룹 및 제2 배터리 셀 그룹 사이에 연결되는 충전 회로부를 더 포함할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 충전 회로부는, 제2 배터리 셀 그룹의 전류 흐름을 제어하는 제1 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 충전 회로부는, 제1 배터리 셀 그룹의 전류 흐름을 제어하는 제2 스위칭 소자를 더 포함할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 상호 충전 모드는 제1 배터리 셀 그룹 또는 제2 배터리 셀 그룹에 저장된 전기 에너지가 외부로 출력되지 않는 때에 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 실시 예의 다른 측면에 따르면, 바퀴와, 바퀴를 구동하는 전기 모터와, 전기 모터에 전기 에너지를 공급하는 배터리 팩을 포함하는 전기 이동수단으로서, 배터리 팩은, 적어도 하나의 고용량 배터리 셀을 포함하는 제1 배터리 셀 그룹과, 제1 배터리 셀 그룹과 병렬 연결되며, 적어도 하나의 고출력 배터리 셀을 포함하는 제2 배터리 셀 그룹을 포함하며, 고출력 배터리 셀은 고용량 배터리 셀보다 출력 전류가 큰 특성을 가지며, 고용량 배터리 셀은 고출력 배터리 셀보다 많은 양의 전기 에너지를 저장하는 특성을 가지며, 배터리 팩은 동작 모드로서, 제1 배터리 셀 그룹에 저장된 전기 에너지를 출력하는 고용량 모드와, 제2 배터리 셀 그룹에 저장된 전기 에너지를 출력하는 고출력 모드와, 제1 배터리 셀 그룹 또는 제2 배터리 셀 그룹을 충전하는 상호 충전 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이동수단을 제공한다.
이러한 본 실시 예의 다른 특징에 의하면, 전기 이동수단은 동작 모드로서, 배터리 팩에 저장된 전기 에너지를 사용하여 바퀴를 구동하는 오토 모드와, 배터리 팩에 저장된 전기 에너지 및 사용자로부터 인가되는 토크를 사용하여 바퀴를 구동하는 어시스트 모드와, 사용자로부터 인가되는 토크만을 사용하여 바퀴를 구동하는 수동 모드를 포함할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리 팩은 전기 이동수단의 수동 모드에서 상호 충전 모드를 수행할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 상호 충전 모드에서, 배터리 팩은 제1 배터리 셀 그룹 및 제2 배터리 셀 그룹 상호간에 충전할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리 팩은 제1 배터리 셀 그룹 및 제2 배터리 셀 그룹의 충전 상태를 판단하는 배터리 관리부를 더 포함할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리 팩은 제1 배터리 셀 그룹 또는 제2 배터리 셀 그룹의 충전 상태가 충전 기준치 이하일 때에 제1 배터리 셀 그룹 또는 제2 배터리 셀 그룹을 충전할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 팩 및 이를 구비하는 전기 이동수단에 의하여 배터리 팩에 저장된 전기 에너지를 효율적으로 사용할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 상호 충전 모드의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 이동수단을 나타내는 블록도이다.
도 6은 도 5의 전기 이동수단의 일례로 전기 자전거를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 수 있다. 또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(1)을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시 예에 따른 배터리 팩(1)은 고용량 배터리 셀 그룹(10), 고출력 배터리 셀 그룹(11), 단자부(12), 충전 회로부(13), 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System, 이하 'BMS'라고 함)(14), 충전제어 스위치(15), 방전제어 스위치(16)를 포함한다.
고용량 배터리 셀 그룹(10)은 하나 또는 2 이상의 고용량 배터리 셀(10a)을 포함할 수 있다. 고용량 배터리 셀 그룹(10)은 일 단자가 충전 회로부(13)와 연결되며, 다른 하나의 단자가 충전제어 스위치(15) 및 방전제어 스위치(16)를 통하여 단자부(12)와 연결된다. 고용량 배터리 셀(10a)은 후술할 고출력 배터리 셀(10b)에 비하여 상대적으로 많은 양의 전기 에너지를 저장하며, 고출력 배터리 셀(10b)에 비하여 상대적으로 작은 전류 출력값을 갖는다. 고용량 배터리 셀(10a)은 양극, 음극, 세퍼레이터 등을 포함할 수 있으며, 충전하여 사용하는 것이 가능한 이차 전지이다. 특히, 고용량 배터리 셀(10a)은 양극 활물질로서 리튬·니켈계 복합산화물 등이 사용될 수 있으며, 음극 활물질로서 흑연계 탄소 재료 등을 사용할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로 고용량 배터리 셀(10a)의 양극 활물질 및 음극 활물질은 상기 예에 한정되는 것은 아니다.
고출력 배터리 셀 그룹(11)은 고용량 배터리 셀 그룹(10)과 병렬로 연결되며, 하나 또는 2 이상의 고출력 배터리 셀(11a)을 포함할 수 있다. 고출력 배터리 셀 그룹(11)은 일 단자가 충전 회로부(13)와 연결되며, 다른 하나의 단자가 충전제어 스위치(15) 및 방전제어 스위치(16)를 통하여 단자부(12)와 연결된다. 고출력 배터리 셀(10b)은 고용량 배터리 셀(10a)에 비하여 상대적으로 큰 전류 출력값을 가지며, 고용량 배터리 셀(10b)에 비하여 상대적으로 적은 양의 전기 에너지를 저장한다. 고출력 배터리 셀(11a)은 양극, 음극, 세퍼레이터 등을 포함할 수 있으며, 충전하여 사용하는 것이 가능한 이차 전지이다. 특히, 고출력 배터리 셀(11a)은 양극 활물질로서 리튬·망간계 복합산화물 등이 사용될 수 있으며, 음극 활물질로서 비정질계 탄소 재료 등을 사용할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로 고출력 배터리 셀(11a)의 양극 활물질 및 음극 활물질은 상기 예에 한정되는 것은 아니다.
고용량 배터리 셀 그룹(10) 및 고출력 배터리 셀 그룹(11)은 배터리 팩(1)이 외부 장치와 연결되면, 충전 또는 방전을 수행한다. 특히, 외부 장치가 배터리 팩(1)에 저장된 전기 에너지를 사용하는 장치인 경우, 고용량 배터리 셀 그룹(10) 또는 고출력 배터리 셀 그룹(11) 중 어느 하나의 배터리 셀 그룹을 선택하거나, 혹은 양 배터리 셀 그룹(10,11)을 모두 사용하여 방전을 수행할 수 있을 것이다.
단자부(12)는 충전장치 또는 외부 기기와 연결되는 부분이다. 외부 기기란 휴대폰, 노트북, 전기 자전거 등 배터리 팩(1)의 전기 에너지를 사용하는 부하를 말한다. 단자부(12)는 양극 단자(12a)와 음극 단자(12b)를 구비한다. 단자부(12)에 충전장치가 연결되는 경우, 양극 단자(12a)를 통하여 전류가 유입되고, 음극 단자(12b)를 통하여 전류가 나가 충전이 이루어진다. 반대로 단자부(12)에 외부 기기가 연결되는 경우, 양극 단자(12a)를 통하여 전류가 나가고, 음극 단자(12b)를 통하여 전류가 유입되어 방전이 이루어진다.
한편, 본 실시 예에 따른 배터리 팩(1)에서는 고용량 배터리 셀 그룹(10) 및 고출력 배터리 셀 그룹(11) 상호간에 충전 및 방전이 수행될 수 있다. 이를 위하여 고용량 배터리 셀 그룹(10)과 고출력 배터리 셀 그룹(11) 사이에 연결되는 충전 회로부(13)를 구비한다. 충전 회로부(13)는 BMS(14)의 제어에 따라서 고용량 배터리 셀 그룹(10)에 저장된 전기 에너지를 사용하여 고출력 배터리 셀 그룹(11)의 고출력 배터리 셀(11a)들을 충전할 수 있다. 혹은 충전 회로부(13)는 반대로 BMS(14)의 제어에 따라서 고출력 배터리 셀 그룹(11)에 저장된 전기 에너지를 사용하여 고용량 배터리 셀 그룹(10)의 고용량 배터리 셀(10a)들을 충전할 수도 있다.
충전 회로부(13)는 고용량 배터리 셀 그룹(10)과 고출력 배터리 셀 그룹(11) 사이의 전류의 흐름을 제어하기 위하여 제1 스위칭 소자(SW11)를 포함할 수 있다. 제1 스위칭 소자(SW11)는 제1 전극이 고용량 배터리 셀 그룹(10)의 일 전극에 연결되고, 제2 전극이 고출력 배터리 셀 그룹(11)의 일 전극에 연결된다. 제1 스위칭 소자(SW11)의 제어 전극에는 BMS(14)로부터의 제어신호가 인가되어 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류의 흐름을 제어할 수 있다.
제1 스위칭 소자(SW11)는 NMOS 트랜지스터일 수 있으며, 제1 스위칭 소자(SW11)의 제어 전극은 게이트 전극일 수 있다. 또한 제1 전극 및 제2 전극은 각각 소스 전극과 드레인 전극일 수 있으며, 혹은 그 반대일 수도 있다. 본 실시 예에서는 제1 스위칭 소자(SW11)가 NMOS 트랜지스터인 경우를 예로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 고용량 배터리 셀 그룹(10)과 고출력 배터리 셀 그룹(11) 사이의 전류 흐름을 제어할 수 있는 스위칭 소자라면 모두 사용 가능할 것이다. 또한 본 실시 예에 따른 충전 회로부(13)는 평상시에는 제1 스위칭 소자(SW11)를 오프시켜 고용량 배터리 셀 그룹(10)의 전기 에너지를 공급하고, 고출력이 필요한 경우에는 제1 스위칭 소자(SW11)를 온 시켜 고용량 배터리 셀 그룹(10)과 고출력 배터리 셀 그룹(11)의 전기 에너지가 동시에 공급되도록 구성하였으며, 이는 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니다.
BMS(14)는 배터리 팩(1) 전체의 동작을 제어하며, 배터리 셀 그룹들(10,11)의 충전 및 방전을 위한 전반적인 제어를 수행한다. BMS(14)는 배터리 셀 그룹들(10,11)의 충전/방전 상태, 배터리 팩(1) 내부의 전류 흐름 상태 등을 감지하고, 감지 결과에 따라서 충전제어 신호, 방전제어 신호 등을 생성한다. BMS(14)는 생성한 충전제어 신호 및 방전제어 신호를 각각 충전제어 단자(CHG), 방전제어 단자(DCG)를 통하여 외부로 출력한다.
BMS(14)의 VCC 단자는 고용량 배터리 셀 그룹(10)의 양 단자 사이에 직렬 연결된 저항 R11과 커패시터 C1 사이의 노드와 연결되며, VSS 단자는 고용량 배터리 셀 그룹(10)의 일 단자에 연결된다. 또한 BMS(14)의 V2 단자는 고출력 배터리 셀 그룹(11)의 일 단자와 연결된다. VCC 단자를 통하여 인가받는 전압은 BMS(14)의 전원으로 사용될 수 있다. BMS(14)는 VCC 단자를 통하여 인가되는 전압을 통하여 고용량 배터리 셀 그룹(10)의 전압을 측정할 수 있으며, V2 단자를 통하여 인가되는 전압을 통하여 고출력 배터리 셀 그룹(11)의 전압을 측정할 수 있다. 또한 BMS(14)의 ID 단자는 저항 R12과 연결되며, ID 단자를 통하여 배터리 팩(1) 내에 과전류가 흐르는지 여부를 감지한다. BMS(14)의 입력 단자 및 출력 단자들은 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 본 실시 예에서는 BMS(14)에서 배터리 팩(1)의 내부 상태를 감지하는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 아날로그 프론트 엔드(Analog Front End)에서 배터리 셀 그룹들(10,11)의 전압을 감지하여 디지털 신호를 출력하고, BMS(14)에서는 아날로그 프론트 엔드에서 출력된 디지털 신호를 사용하여 배터리 팩(1)의 동작을 제어할 수도 있을 것이다.
한편, 본 실시 예에 따른 BMS(14)는 배터리 팩(1)의 동작 모드로서 고용량 모드, 고출력 모드, 상호 충전 모드, 휴지 모드, 일반 충전 모드 등으로 제어할 수 있다.
고용량 모드는 고용량 배터리 셀 그룹(10)에 저장된 전기 에너지를 외부 장치로 출력하는 동작 모드이다. 고용량 모드는 외부 장치가 비교적 작은 전류를 필요로 할 때 적용될 수 있다. 예를 들어, 전기 자전거가 평지에서 이동할 때, BMS(14)는 고용량 모드로 배터리 팩(1)을 제어하고, 고용량 배터리 셀 그룹(10)에 저장된 전기 에너지를 전기 자전거에 공급한다.
고출력 모드는 고출력 배터리 셀 그룹(11)에 저장된 전기 에너지를 외부 장치로 출력하는 동작 모드이다. 고출력 모드는 외부 장치가 비교적 큰 전류를 필요로 할 때 적용될 수 있다. 예를 들어, 전기 자전거가 정지상태에서 출발하거나 언덕을 올라갈 때, BMS(14)는 고출력 모드로 배터리 팩(1)을 제어하고, 고출력 배터리 셀 그룹(11)에 저장된 전기 에너지를 전기 자전거에 공급한다.
상호 충전 모드는 배터리 팩(1)으로부터 외부 장치로 전기 에너지가 출력되지 않는 경우에 고용량 배터리 셀 그룹(10)과 고출력 배터리 셀 그룹(11) 상호간에 전기 에너지를 교환하는 동작 모드이다. 상호 충전 모드에서는 BMS(14)가 고용량 배터리 셀 그룹(10) 및 고출력 배터리 셀 그룹(11)의 충전 상태를 감지한 결과에 따라서 충전 회로부(13)를 제어한다. 구체적으로, BMS(14)는 고용량 배터리 셀 그룹(10)과 고출력 배터리 셀 그룹(11)의 충전상태(SOC:State of Charge)가 기준치 이하인지를 판단하고, 적어도 어느 하나의 배터리 셀 그룹의 충전상태가 기준치 이하일 때, 상호 충전 모드를 수행한다. 이차 전지의 경우, 충전 및 방전 횟수가 증가함에 따라서 그 감소될 수 있으므로 충전상태가 기준치 이하인 경우에만 상호 충전 모드가 동작하도록 할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀 그룹이 만충전 상태와 비교하여 95% 이하일 때에만 상호 충전 모드가 동작하도록 할 수 있다.
이때, 고용량 배터리 셀 그룹(10)과 고출력 배터리 셀 그룹(11)의 전압을 측정하여, 측정된 전압이 높은 쪽의 배터리 셀 그룹에서 측정된 전압이 낮은 쪽의 배터리 셀 그룹으로 전기 에너지를 공급한다. 본 실시 예의 경우, 고용량 배터리 셀 그룹(10)과 고출력 배터리 셀 그룹(11) 중 적어도 어느 하나의 충전상태가 기준치 이하인 경우, BMS(14)는 O1 단자를 통하여 충전 회로부(13)에 하이 레벨의 신호를 인가하여 제1 스위칭 소자(SW11)를 온 시킨다. 이로 인하여 전압이 높은 쪽의 배터리 셀 그룹에서 전압이 낮은 쪽의 배터리 셀 그룹으로 전류가 흘러 고용량 배터리 셀 그룹(10)과 고출력 배터리 셀 그룹(11) 상호간에 전기 에너지를 교환할 수 있게 된다.
물론, 고용량 배터리 셀 그룹(10) 및 고출력 배터리 셀 그룹(11)의 충전상태가 모두 기준치를 초과하고 외부 장치로 전기 에너지를 공급할 필요가 없는 경우에는 배터리 팩(1)은 충전 및 방전 동작을 전혀 수행하지 않는 휴지 모드로 동작할 수 있다. 혹은 단자부(12)에 충전기기가 연결된 경우에는 고용량 배터리 셀 그룹(10) 및 고출력 배터리 셀 그룹(11) 모두 충전 동작을 수행하는 일반 충전 모드로 동작할 수도 있을 것이다.
충전제어 스위치(15)와 방전제어 스위치(16) 각각은 FET와 기생 다이오드로 이루어진다. 즉, 충전제어 스위치(15)는 FET11과 D11로 이루어지며, 방전제어 스위치(16)는 FET12와 D12로 이루어진다. 충전제어 스위치(15)의 전계효과 트랜지스터(FET11)의 소스와 드레인 사이의 접속방향은 방전제어 스위치(16)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)의 소스와 드레인 사이의 접속 방향과 반대방향으로 설정한다. 이러한 구성으로 충전제어 스위치(15)의 전계 효과 트랜지스터(FET11)는 배터리 셀 그룹들(10,11)로부터 단자부(12)로의 전류 흐름을 제한하도록 접속되는 한편, 방전제어 스위치(16)의 전계 효과 트랜지스터(FET12)는 단자부(12)로부터 배터리 셀 그룹들(10,11)로의 전류 흐름을 제한하도록 접속된다. 여기서, 충전제어 스위치(15) 및 방전제어 스위치(16)의 전계 효과 트랜지스터(FET11, FET12)는 스위칭 소자이며, 본 발명의 기술적 범위는 여기에 한정되지 않고 다른 종류의 스위칭 기능을 수행하는 전기소자가 사용될 수 있다. 또한, 충전제어 스위치(15) 및 방전제어 스위치(16)에 포함된 기생 다이오드(D11,D12)는 전류가 제한되는 방향에 반대방향으로 전류가 흐르도록 구성한다.
상기와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩(1)은 고용량 배터리 셀 그룹(10)과 고출력 배터리 셀 그룹(11)을 모두 구비하여 외부 장치로부터의 요구에 따라서 선택적으로 전류 출력을 조절할 수 있으며, 동시에 고용량 배터리 셀 그룹(10)과 고출력 배터리 셀 그룹(11) 상호간에 전기 에너지의 교환이 가능하여, 효율적인 전기 에너지 공급이 가능하게 된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩(2)을 나타내는 도면이다. 본 실시 예에 따른 배터리 팩(2)은 도 1의 배터리 팩(1)과 유사한 구성 및 기능을 가지므로 차이점에 대하여만 설명하도록 한다.
도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 배터리 팩(2)은 고용량 배터리 셀 그룹(20), 고출력 배터리 셀 그룹(21), 단자부(22), 충전 회로부(23), BMS(24), 충전제어 스위치(25), 방전제어 스위치(26)를 포함한다.
본 실시 예에 따른 충전 회로부(23)는 BMS(24)의 제어에 따라서 고용량 배터리 셀 그룹(20)에 저장된 전기 에너지를 사용하여 고출력 배터리 셀 그룹(11)의 고출력 배터리 셀(21a)들을 충전할 수 있다. 혹은 충전 회로부(23)는 반대로 BMS(24)의 제어에 따라서 고출력 배터리 셀 그룹(21)에 저장된 전기 에너지를 사용하여 고용량 배터리 셀 그룹(20)의 고용량 배터리 셀(20a)들을 충전할 수도 있다.
충전 회로부(23)는 고용량 배터리 셀 그룹(20)과 고출력 배터리 셀 그룹(21) 사이의 전류의 흐름을 제어하기 위하여 충전 회로부(23)는 제1 스위칭 소자(SW21) 및 제2 스위칭 소자(SW22)를 포함할 수 있다.
제1 스위칭 소자(SW21)는 제1 전극이 고용량 배터리 셀 그룹(20)의 일 전극에 연결되고, 제2 전극이 양극 단자(22a)와 연결된다. 제2 스위칭 소자(SW22)는 제1 전극이 고출력 배터리 셀 그룹(21)의 일 전극에 연결되고, 제2 전극이 양극 단자(22a)와 연결된다. 제1 스위칭 소자(SW21) 및 제2 스위칭 소자(SW22)의 제어 전극에는 BMS(24)로부터의 제어신호가 인가되어 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류의 흐름을 제어할 수 있다.
제1 스위칭 소자(SW21) 및 제2 스위칭 소자(SW22)는 NMOS 트랜지스터일 수 있으며, 제어 전극은 게이트 전극일 수 있다. 또한 제1 전극 및 제2 전극은 각각 소스 전극과 드레인 전극일 수 있으며, 혹은 그 반대일 수도 있다. 본 실시 예에서는 제1 스위칭 소자(SW21) 및 제2 스위칭 소자(SW22)가 NMOS 트랜지스터인 경우를 예로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 고용량 배터리 셀 그룹(20)과 고출력 배터리 셀 그룹(21) 사이의 전류 흐름을 제어할 수 있는 스위칭 소자라면 모두 사용 가능할 것이다.
한편, 본 실시 예의 경우, BMS(24)는 고용량 모드에서 O1 단자를 통하여 제어신호를 충전 회로부(23)의 제1 스위칭 소자(SW21)에 인가하고, 이로 인하여 제1 스위칭 소자(SW21)를 온 시켜서 외부 장치로 고용량 배터리 셀 그룹(20)의 전기 에너지를 공급한다.
반면에 BMS(24)는 고출력 모드에서 O2 단자를 통하여 제어신호를 충전 회로부(23)의 제2 스위칭 소자(SW22)에 인가하고, 이로 인하여 제2 스위칭 소자(SW22)를 온 시켜서 외부 장치로 고출력 배터리 셀 그룹(21)의 전기 에너지를 공급한다.
또한 BMS(24)는 상호 충전 모드에서 고용량 배터리 셀 그룹(20) 및 고출력 배터리 셀 그룹(21)의 충전 상태를 감지한 결과에 따라서 충전 회로부(23)를 제어한다. 구체적으로, BMS(24)는 고용량 배터리 셀 그룹(20)과 고출력 배터리 셀 그룹(21)의 충전상태가 기준치 이하인지를 판단하고, 적어도 어느 하나의 배터리 셀 그룹의 충전상태가 기준치 이하일 때, 충전 회로부(23)의 제1 스위칭 소자(SW21) 및 제2 스위칭 소자(SW22)를 동시에 온 시켜 고용량 배터리 셀 그룹(20)과 고출력 배터리 셀 그룹(21) 상호간에 전기 에너지를 교환할 수 있게 한다.
상기와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩(2)은 고용량 배터리 셀 그룹(20)과 고출력 배터리 셀 그룹(21)을 모두 구비하여 외부 장치로부터의 요구에 따라서 선택적으로 전류 출력을 조절할 수 있으며, 동시에 고용량 배터리 셀 그룹(20)과 고출력 배터리 셀 그룹(21) 상호간에 전기 에너지의 교환이 가능하여, 효율적인 전기 에너지 공급이 가능하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(1,2)의 제어 방법을 나타내는 흐름도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(1,2)의 상호 충전 모드의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
먼저 도 3을 참조하면, BMS(14,24)는 배터리 팩(1,2)에서 외부로 전기 에너지를 출력하는 판단한다(S1). 그리고 외부로 전기 에너지가 출력되는 경우에는 고출력을 필요로 하는 경우인지를 판단한다(S2). 예를 들어, 전기 자전거가 평지를 이동하는지, 언덕을 오르고 있는지 등을 판단한다.
S2 단계에서 고출력이 필요하지 않다고 판단한 경우, BMS(14,24)는 고용량 배터리 셀 그룹(10,20)에 저장된 전기 에너지가 외부 장치로 출력되도록 고용량 모드로 동작한다(S4). 반면에 S2 단계에서 고출력이 필요하다고 판단한 경우, BMS(14,24)는 고출력 배터리 셀 그룹(11,21)에 저장된 전기 에너지가 외부 장치로 출력되도록 고출력 모드로 동작한다(S4). 그리고 BMS(14,24)는 배터리 팩(1,2)이 전기 에너지를 외부로 출력하는지를 반복해서 판단한다.
한편 S1 단계에서 배터리 팩(1,2)에서 외부로 전기 에너지가 출력되지 않는다고 판단한 경우, BMS(14,24)는 고용량 배터리 셀 그룹(10,20) 및 고출력 배터리 셀 그룹(11,21)의 충전상태(SOC)를 판단한다(S5). 그리고 고용량 배터리 셀 그룹(10,20)의 충전상태 SOC1 또는 고출력 배터리 셀 그룹(11,21)의 충전상태 SOC2가 기준치(ref) 이하인지를 판단한다(S6).
적어도 어느 하나의 배터리 셀 그룹의 충전상태가 기준치 이하인 경우, BMS(14,24)는 상호 충전 모드를 수행하며(S7), 고용량 배터리 셀 그룹(10,20) 및 고출력 배터리 셀 그룹(11,21)의 충전상태가 모두 기준치를 초과한 경우에는 상호 충전 모드를 수행하지 않고 다시 S1 단계로 돌아간다. 이 경우, 배터리 셀 그룹들이 모두 충분히 충전되어 있기 때문에 추가적인 충전 동작을 수행할 필요가 없기 때문이다.
이하, 상호 충전 모드에 대하여 좀더 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 4를 참조하면, 도 3의 S7 단계에서 상호 충전 모드로 진입하면, BMS(14,24)는 SOC1과 SOC2의 크기를 비교한다(S71,S72). SOC1이 SOC2보다 큰 경우, 상대적으로 고출력 배터리 셀 그룹(11,21)을 충전할 필요가 있으므로 고용량 배터리 셀 그룹(10,20)의 전기 에너지로 고출력 배터리 셀 그룹(11,21)을 충전한다(S73). 반대로 SOC2가 SOC1보다 큰 경우, 상대적으로 고용량 배터리 셀 그룹(10,20)을 충전할 필요가 있으므로 고출력 배터리 셀 그룹(11,21)의 전기 에너지로 고용량 배터리 셀 그룹(10,20)을 충전한다(S74). 한편, SOC1 및 SOC2의 크기가 동일한 경우에는 SOC1 및 SOC2가 기준치 이하라고 하여도 어느 한쪽으로 전기 에너지를 공급하는 것이 바람직하지 않을 수 있다. 따라서 OC1 및 SOC2의 크기가 동일한 경우에는 상호 충전 모드를 수행하지 않고 다시 S1 단계로 돌아간다.
상기와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩(1,2)의 제어방법에 의하여 고용량 모드, 고출력 모드, 상호 충전 모드를 수행하여 효율적인 전기 에너지 공급이 가능하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 이동수단(100)을 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시 예에 따른 전기 이동수단(100)은 배터리 팩(1,2), 바퀴(110), 전기 모터(120), 드라이버(130), 페달(140), 제어부(150), 조작부(160), 디스플레이부(170)를 포함할 수 있다.
배터리 팩(1,2)은 도 1 또는 도 2에서 설명한 배터리 팩(1,2)이 사용될 수 있으며, 자세한 설명은 생략하도록 한다.
바퀴(110)는 전기 모터(120) 또는 페달(140)로부터 전달받은 동력을 사용하여 전기 이동수단(100)을 이동시킨다.
전기 모터(120)는 드라이버(130)의 구동신호에 따라서 바퀴(110)를 회전시켜 앞으로 나아가게 한다. 전기 모터(120)는 배터리 팩(1,2)으로부터 전기 에너지를 공급받아 구동된다. 전기 모터(120)는 바퀴(110)와 직접 연결되어 바퀴(110)를 동작시킬 수 있다. 또는 전기 모터(120)는 체인이나 기어의 연결을 통하여 바퀴(110)를 동작시킬 수도 있다.
드라이버(130)는 제어부(150)로부터 제어신호를 수신하고, 전기 모터(120)를 구동하기 위한 구동신호를 생성하여 전기 모터(120)에 인가한다. 구동신호는 전기 이동수단(100)의 동작 모드에 따라서 서로 상이할 수 있다.
페달(140)은 사용자로부터 인가된 힘을 바퀴(110)에 전달하는 수단이다. 페달(140)에 의하여 인가되는 토크는 바퀴(110)에 전달되어 전기 이동수단(100)을 앞으로 나아가게 한다.
제어부(150)는 전기 이동수단(100)의 전체적인 동작을 제어한다. 제어부(150)는 배터리 팩(1,2)으로부터 잔량 정보를 수신하여 디스플레이부(170)에서 수신한 정보를 디스플레이하도록 할 수 있다.
한편, 전기 이동수단(100)은 복수의 동작 모드들을 구비하며, 이들 동작 모드들 중 어느 하나의 동작 모드로 동작할 수 있다. 예를 들어, 전기 이동수단(100)은 배터리 팩(1,2)에 저장된 전기 에너지만을 사용하여 바퀴(110)를 구동하는 오토 모드와, 배터리 팩(1,2)에 저장된 전기 에너지 및 사용자로부터 인가되는 토크를 사용하여 바퀴(110)를 구동하는 어시스트 모드를 포함할 수 있다. 또한, 전기 이동수단(100)은 사용자로부터 인가되는 토크만을 사용하여 바퀴(110)를 구동하는 수동 모드를 포함할 수 있다.
배터리 팩(1,2)은 전기 이동수단(100)으로 전기 에너지를 출력하지 않는 경우에 상호 충전 모드를 수행할 수 있다. 따라서 본 실시 예의 경우 전기 이동수단(100)이 수동 모드일 때 배터리 팩(1,2)은 상호 충전 모드를 수행할 수 있다.
한편, 전기 이동수단(100)은 동일한 동작 모드 내에서도 주행 상태에 따라서 필요로하는 전류량에 차이가 발생한다.
주행 상태 방전 전류(A) 방전 출력(W)
출발 15~20 360~480
평지 주행 5~10 130~260
오르막 주행 13 325
내리막 주행 8 210
[표 1]은 전기 이동수단(100)의 다양한 주행 상태에 따른 필요 전류량 및 전력량을 나타내는 표이다.
[표 1]을 살펴보면, 내리막 주행 또는 평지 주행일 경우에는 출발시 또는 오르막 주행일 때보다 상대적으로 작은 방전 전류 및 방전 출력을 필요로 한다. 따라서 전기 이동수단(100)이 내리막 또는 평지를 주행할 경우에는 배터리 팩(1,2)이 고용량 모드로 동작하며, 고용량 배터리 셀 그룹(10,20)에 저장된 전기 에너지를 출력하여 전기 이동수단(100)을 구동한다. 반면에 전기 이동수단(100)이 오르막을 주행할 경우 또는 정지상태에서 출발할 경우에는 배터리 팩(1,2)이 고출력 모드로 동작하며, 고출력 배터리 셀 그룹(11,21)에 저장된 전기 에너지를 출력하여 전기 이동수단(100)을 구동한다.
조작부(160)는 사용자의 입력에 따라서 조작신호를 제어부(150)에 인가한다. 사용자는 조작부(160)를 사용하여 각종 명령신호를 인가하거나 동작 모드를 선택할 수 있다.
디스플레이부(170)는 제어부(150)로부터 전송받은 각종 정보를 사용자에게 표시한다. 예를 들어, 디스플레이부(170)는 배터리 팩(1,2)의 잔량 정보나 동작 모드 정보 등을 디스플레이할 수 있다. 디스플레이부(170)는 LCD(Liquid Crystal Display)나 OLED(Organic Light Emitting Display)등의 디스플레이 패널 및 그 드라이버를 포함할 수 있다.
도 6은 도 5의 전기 이동수단(100)의 일례로 전기 자전거를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 프레임(180)은 전기 자전거에 설치된 각 부분을 지지하여 전체 골격으로서의 기능을 수행하며, 사용자의 무게가 바퀴(110)에 균등하게 가해지도록 한다.
프레임(180)에는 바퀴(110), 배터리 팩(1,2), 전기 모터(120), 페달(140), 제어부(150), 디스플레이부(170), 안장(181), 핸들(182) 등이 설치된다.
바퀴(110)는 앞바퀴(111)와 뒷바퀴(112)를 포함할 수 있다. 바퀴(110)의 개수는 이에 한정되는 것은 아니며, 3개 또는 그 이상의 바퀴를 포함할 수도 있을 것이다.
안장(181)은 전기 자전거에 사용자가 탑승할 수 있도록 하며, 핸들(182)은 사용자가 전기 자전거의 주행 방향을 결정하고 신체를 지탱할 수 있게 한다.
한편, 프레임(180)의 일부에는 제어부(150)와 디스플레이부(170)가 일체로 형성되어 설치될 수 있으며, 조작부(160) 또한 함께 설치될 수 있다.
본 실시 예에서는 전기 이동수단(100)으로서 전기 자전거를 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 전기 이동수단(100)은 하이브리드 자동차 등 전기 에너지를 사용하여 동작하는 이동수단이라면 모두 적용 가능할 것이다.
상기와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 이동수단(100)은 고용량 배터리 셀 그룹(10,20)과 고출력 배터리 셀 그룹(11,21)을 모두 구비하는 배터리 팩(1,2)을 사용하여 전기 이동수단(100)의 동작 상태에 따라서 적절한 출력 전류를 공급받을 수 있으며, 동시에 고용량 배터리 셀 그룹(10,20)과 고출력 배터리 셀 그룹(11,21) 상호간에 전기 에너지의 교환이 가능하여 배터리 팩(1,2)에 저장된 전기 에너지를 효율적으로 사용할 수 있게 된다.
이상에서 언급된 본 실시 예들 및 그 변형 예들에 따른 제어방법을 배터리 팩(1,2) 또는 전기 이동수단(100)에서 실행시키기 위한 프로그램은 기록매체에 저장될 수 있다. 여기서 기록매체라 함은 예컨대 프로세서가 읽을 수 있는 매체로서 반도체 기록매체(예컨대, Flash memory)를 사용할 수 있다. 상기 매체는 프로세서에 의해 판독 가능하며, 상기 프로세서에서 실행될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1,2 배터리 팩 10,20 고용량 배터리 셀 그룹
11,21 고출력 배터리 셀 그룹 12,22 단자부
13,23 충전 회로부 14,24 BMS
15,25 충전제어 스위치 16,26 방전제어 스위치
100 전기 이동수단 110 바퀴
120 전기모터 130 드라이버
140 페달 150 제어부
160 조작부 170 디스플레이부
180 프레임 181 안장
182 핸들

Claims (14)

  1. 적어도 하나의 고용량 배터리 셀을 포함하는 제1 배터리 셀 그룹; 및
    상기 제1 배터리 셀 그룹과 병렬 연결되며, 적어도 하나의 고출력 배터리 셀을 포함하는 제2 배터리 셀 그룹;을 포함하는 배터리 팩으로서,
    상기 고출력 배터리 셀은 상기 고용량 배터리 셀보다 출력 전류가 큰 특성을 가지며,
    상기 고용량 배터리 셀은 상기 고출력 배터리 셀보다 많은 양의 전기 에너지를 저장하는 특성을 가지며,
    상기 배터리 팩은 동작 모드로서,
    상기 제1 배터리 셀 그룹에 저장된 전기 에너지를 출력하는 고용량 모드;
    상기 제2 배터리 셀 그룹에 저장된 전기 에너지를 출력하는 고출력 모드; 및
    상기 제1 배터리 셀 그룹 또는 상기 제2 배터리 셀 그룹을 충전하는 상호 충전 모드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상호 충전 모드에서,
    상기 제1 배터리 셀 그룹 및 상기 제2 배터리 셀 그룹 상호간에 충전이 가능한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 배터리 셀 그룹 및 상기 제2 배터리 셀 그룹의 충전 상태를 판단하는 배터리 관리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 배터리 셀 그룹 또는 상기 제2 배터리 셀 그룹의 충전 상태가 충전 기준치 이하일 때에 상기 제1 배터리 셀 그룹 또는 상기 제2 배터리 셀 그룹을 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 배터리 셀 그룹 및 상기 제2 배터리 셀 그룹 사이에 연결되는 충전 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 충전 회로부는,
    상기 제2 배터리 셀 그룹의 전류 흐름을 제어하는 제1 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 충전 회로부는,
    상기 제1 배터리 셀 그룹의 전류 흐름을 제어하는 제2 스위칭 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상호 충전 모드는 상기 제1 배터리 셀 그룹 또는 상기 제2 배터리 셀 그룹에 저장된 전기 에너지가 외부로 출력되지 않는 때에 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 바퀴;
    상기 바퀴를 구동하는 전기 모터; 및
    상기 전기 모터에 전기 에너지를 공급하는 배터리 팩;을 포함하는 전기 이동수단으로서,
    상기 배터리 팩은,
    적어도 하나의 고용량 배터리 셀을 포함하는 제1 배터리 셀 그룹; 및
    상기 제1 배터리 셀 그룹과 병렬 연결되며, 적어도 하나의 고출력 배터리 셀을 포함하는 제2 배터리 셀 그룹;을 포함하며,
    상기 고출력 배터리 셀은 상기 고용량 배터리 셀보다 출력 전류가 큰 특성을 가지며,
    상기 고용량 배터리 셀은 상기 고출력 배터리 셀보다 많은 양의 전기 에너지를 저장하는 특성을 가지며,
    상기 배터리 팩은 동작 모드로서,
    상기 제1 배터리 셀 그룹에 저장된 전기 에너지를 출력하는 고용량 모드;
    상기 제2 배터리 셀 그룹에 저장된 전기 에너지를 출력하는 고출력 모드; 및
    상기 제1 배터리 셀 그룹 또는 상기 제2 배터리 셀 그룹을 충전하는 상호 충전 모드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이동수단.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전기 이동수단은 동작 모드로서,
    상기 배터리 팩에 저장된 전기 에너지를 사용하여 상기 바퀴를 구동하는 오토 모드;
    상기 배터리 팩에 저장된 전기 에너지 및 사용자로부터 인가되는 토크를 사용하여 상기 바퀴를 구동하는 어시스트 모드; 및
    상기 사용자로부터 인가되는 토크만을 사용하여 상기 바퀴를 구동하는 수동 모드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이동수단.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 상기 전기 이동수단의 수동 모드에서 상기 상호 충전 모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 전기 이동수단.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 상호 충전 모드에서,
    상기 배터리 팩은 상기 제1 배터리 셀 그룹 및 상기 제2 배터리 셀 그룹 상호간에 충전이 가능한 것을 특징으로 하는 전기 이동수단.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 상기 제1 배터리 셀 그룹 및 상기 제2 배터리 셀 그룹의 충전 상태를 판단하는 배터리 관리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 이동수단.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 상기 제1 배터리 셀 그룹 또는 상기 제2 배터리 셀 그룹의 충전 상태가 충전 기준치 이하일 때에 상기 제1 배터리 셀 그룹 또는 상기 제2 배터리 셀 그룹을 충전하는 것을 특징으로 하는 전기 이동수단.
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