KR101269372B1 - 배터리 장치 - Google Patents

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Abstract

차량의 배터리 장치는 다수의 전지 셀들, 제1 전압 라인, 제2 전압 라인들 및 선택 회로를 포함한다. 제1 전압 라인은 전지 셀들을 직렬 연결하여 제1 전압을 출력한다. 제2 전압 라인들은 전지 셀들 중 서로 다른 적어도 두 개의 전지 셀들을 직렬 연결하여 제1 전압보다 낮은 제2 전압을 출력한다. 선택 회로는 다수의 제2 전압 라인들과 연결되며, 제2 전압 라인들 중 적어도 하나를 직렬 연결한다. 차량의 배터리 장치는 별도의 컨버터 없이 다양한 크기의 전압을 출력할 수 있으며, 별도의 전압 변환이 불필요하므로 전압 변환에 따른 에너지 손실을 줄일 수 있다.

Description

배터리 장치{A battery device}
본 발명은 배터리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 차량에 사용되는 배터리 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전기 차량은 배터리를 구동원으로 하여 작동한다. 상기 배터리는 단일 채널의 전압을 공급한다. 즉, 상기 배터리는 높은 전압으로 전기 차량의 구동을 위해 모터를 작동시킨다. 상기 전기 차량에서 저전압에 의해 구동하는 작동 부품을 위해 저전압 배터리가 별도로 필요하다. 또한, 상기 저전압 배터리를 충전하기 위해 상기 배터리와 상기 저전압 배터리 사이에 DC/DC 컨버터가 필요하다. 선행특허문헌으로는 한국공개특허 제10-2011-0012214호(2011.02.09. 공개)가 있다.
상기 DC/DC 컨버터를 별도 ECU로 구성해야 하므로 이를 패키징하기 위해 추가 비용이 발생한다. 또한, 상기 배터리의 외부에서 전압 변환 과정을 거치므로, 에너지의 손실이 발생할 수 있다.
본 발명은 다양한 크기의 전압을 출력할 수 있는 배터리 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 배터리 장치는 다수의 전지 셀들과, 상기 전지 셀들을 직렬 연결하여 제1 전압을 출력하는 제1 전압 라인과, 상기 전지 셀들 중 서로 다른 적어도 두 개의 전지 셀들을 직렬 연결하여 상기 제1 전압보다 낮은 제2 전압을 출력하는 다수의 제2 전압 라인들 및 상기 다수의 제2 전압 라인들과 연결되며, 상기 제2 전압 라인들 중 적어도 하나를 직렬 연결하는 선택 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 배터리 장치는 각각의 상기 제2 전압 라인과 연결된 전지 셀들과 연결되어 상기 전지 셀들의 잔류 용량을 감지하는 감지 회로들 및 상기 감지 회로들 및 상기 선택 회로와 연결되며, 상기 감지 회로들의 감지 결과에 따라 상기 선택 회로에서 직렬 연결할 제2 전압 라인들을 선택하는 제어 회로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 배터리 장치는 상기 선택 회로와 연결되며, 상기 제1 전압 라인과 상기 제2 전압 라인들을 절연하기 위한 갈바닉 절연 회로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 제1 전압 라인은 차량을 구동하기 위한 모터와 연결되며, 상기 제2 전압 라인들은 상기 차량의 전기 구동 부품들과 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 장치는 내부에서 다양한 전압을 출력할 수 있으므로, 별도의 전압 변환 과정이 불필요하므로 전압 변환에 따른 에너지 손실을 줄일 수 있다. 또한, 상기 별도의 전압 변환을 위해 DC/DC 컨버터 등이 불필요하므로, 패키징 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 장치를 포함하는 차량 구동 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 배터리 장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 상기 배터리 장치(100)는 다수의 전지 셀(110)들, 제1 전압 라인(120), 제2 전압 라인(130)들, 선택 회로(140), 절연 회로(150), 연결 회로(160), 감지 회로(170) 및 제어 회로(180)를 포함한다.
상기 전지 셀(110)들은 각각 일정한 전압을 갖는다. 예를 들면, 상기 전지 셀(110)은 리튬-이온 이차전지 셀 또는 리튬-폴리머 이차전지 셀 등의 통상적인 이차전지 셀이거나, 연료전지 셀(fuel cell)일 수 있다.
상기 제1 전압 라인(120)은 상기 전지 셀(110)들을 직렬로 연결한다. 따라서, 상기 제1 전압 라인(120)은 상대적으로 높은 제1 전압을 출력할 수 있다. 상기 제1 전압은 상기 전지 셀(110)들의 전압을 합한 것과 같을 수 있다.
상기 제2 전압 라인(130)들은 상기 전지 셀(110)들 중 서로 다른 적어도 두 개의 전지 셀(110)들을 직렬 연결한다. 상기 제2 전압 라인(130)들과 직렬로 연결되는 전지 셀(110)들의 개수는 두 개 이상이면 다양하게 조절될 수 있다. 각각의 제2 전압 라인(130)과 직렬 연결되는 전지 셀(110)들의 개수는 서로 같은 것이 바람직하지만, 서로 다를 수도 있다.
즉, 서로 다른 적어도 두 개의 전지 셀(110)들이 상기 제2 전압 라인(130)들의 개수와 동일한 개수의 팩(pack)들을 이루고, 상기 제2 전압 라인(130)들은 상기 팩들과 개별적으로 직렬 연결될 수 있다. 상기 팩을 이루는 전지 셀(110)들의 개수는 다양하게 조절될 수 있다. 또한, 각 팩에 포함되는 전지 셀(110)들의 개수는 동일한 것이 바람직하지만, 다를 수도 있다.
상기 제2 전압 라인(130)들은 상대적으로 낮은 제2 전압을 각각 출력할 수 있다. 상기 제2 전압은 각 팩에 포함된 전지 셀(110)들의 전압을 합한 것과 같을 수 있다.
상기 선택 회로(140)는 상기 제2 전압 라인(130)들과 연결된다. 상기 선택 회로(140)는 상기 제2 전압 라인(130)들 중 적어도 하나를 직렬 연결할 수 있다.
일 예로, 상기 선택 회로(140)가 하나의 제2 전압 라인(130)을 직렬 연결하는 경우, 상기 선택 회로(140)를 통해 상기 제2 전압과 동일한 전압을 출력할 수 있다. 이때, 상기 선택 회로(140)를 통해 출력되는 전압은 상기 선택 회로(140)에서 선택한 제2 전압 라인(130)의 제2 전압과 동일하다.
각각의 제2 전압 라인(130)과 직렬 연결되는 전지 셀(110)들의 개수가 서로 같은 경우, 상기 선택되는 제2 전압 라인(130)에 상관없이 상기 선택 회로(140)의 출력 전압은 일정하다. 각각의 제2 전압 라인(130)과 직렬 연결되는 전지 셀(110)들의 개수는 다른 경우, 상기 선택되는 제2 전압 라인(130)에 따라 상기 선택 회로(140)의 출력 전압이 달라질 수 있다.
다른 예로, 상기 선택 회로(140)가 둘 이상의 제2 전압 라인(130)을 직렬 연결하는 경우, 상기 선택 회로(140)를 통해 상기 제2 전압보다 높은 전압을 출력할 수 있다. 이때, 상기 선택 회로(140)를 통해 출력되는 전압은 상기 선택 회로(140)에서 선택한 제2 전압 라인(130)들의 제2 전압을 합한 전압과 동일하다.
각각의 제2 전압 라인(130)과 직렬 연결되는 전지 셀(110)들의 개수가 서로 같은 경우, 상기 선택되는 제2 전압 라인(130)들에 상관없이 상기 선택 회로(140)의 출력 전압은 일정하다. 각각의 제2 전압 라인(130)과 직렬 연결되는 전지 셀(110)들의 개수는 다른 경우, 상기 선택되는 제2 전압 라인(130)들에 따라 상기 선택 회로(140)의 출력 전압이 달라질 수 있다.
상기 선택 회로(140)가 선택하는 상기 제2 전압 라인(130)들의 개수나 종류에 따라 상기 선택 회로(140)를 통해 출력되는 전압을 다양하게 조절할 수 있다.
한편, 상기 선택 회로(140)가 상기 제2 전압 라인(130)들 모두를 직렬 연결하는 경우, 상기 선택 회로(140)를 통해 출력되는 전압이 상기 제1 출력 전압과 동일해진다. 상기 전지 셀(110)들로부터 동일한 전압을 두 번 출력할 필요가 없으므로, 상기 선택 회로(140)가 상기 제2 전압 라인(130)들 모두를 직렬 연결하지는 않는 것이 바람직하다.
상기 절연 회로(150)는 상기 선택 회로(140)와 연결되며, 상기 제1 전압 라인(120)과 상기 제2 전압 라인(130)들을 절연한다. 구체적으로, 상기 절연 회로(150)는 상기 제1 전압 라인(120)과 상기 제2 전압 라인(130)들 사이에 갈바닉 장벽을 형성한다. 일 예로, 상기 갈바닉 장벽은 자기저항 기술을 사용해서 형성될 수 있다.
상기 연결 회로(160)는 상기 제1 전압 라인(120)의 양단에 각각 연결되는 고전압 플러스 단자(161)와 고전압 마이너스 단자(162), 상기 절연 회로(150)를 통해 상기 제2 전압 라인(130)들과 연결되는 저전압 플러스 단자(163) 및 저전압 마이너스 단자(164)를 포함한다.
또한, 상기 연결 회로(160)는 상기 고전압 플러스 단자(161)와 연결되는 제1 전압 라인(120)의 단부와 연결되는 프리차지(pre-charge) 단자(165)를 더 포함한다. 저항을 포함하는 상기 프리차지 단자(165)를 상기 고전압 플러스 단자(161)보다 먼저 외부와 접속한 후, 상기 프리차지 단자(165)의 접속을 끊고 상기 고전압 플러스 단자(161)를 외부와 연결한다. 따라서, 상기 고전압 플러스 단자(161)가 바로 외부와 연결될 때 상기 전지 셀(110)을 포함하는 배터리 장치(100)에 가해지는 충격을 방지하여 상기 배터리 장치(100)를 보호할 수 있다.
상기 고전압 플러스 단자(161), 고전압 마이너스 단자(162), 저전압 플러스 단자(163) 및 프리차지 단자(165)는 각각 스위치를 포함할 수 있다.
상기 감지 회로(170)들은 각각의 상기 제2 전압 라인(130)과 연결된 전지 셀(110)들과 연결된다. 즉, 상기 감지 회로(170)들은 상기 전지 셀(110)들로 이루어진 상기 팩들과 각각 연결될 수 있다. 상기 감지 회로(170)들은 상기 전지 셀(110)들의 잔류 용량을 감지한다. 따라서, 상기 감지 회로(170)들은 상기 전지 셀(110)을 포함하는 각 팩들의 잔류 용량도 감지할 수 있다.
상기 제어 회로(180)는 제어 라인(182)을 통해 상기 감지 회로(170)들 및 상기 선택 회로(140)와 연결된다. 한편, 상기 감지 회로(170)들은 별도로 구성되지 않고 상기 제어 회로(180)의 일부로 포함되어 구성될 수 있다.
상기 제어 회로(180)는 상기 감지 회로(170)의 감지 결과를 통해 각 전지 셀(110)의 잔류 용량 또는 각 팩의 잔류 용량을 전달받는다. 각 전지 셀(110)의 잔류 용량 또는 각 팩의 잔류 용량이 낮거나 없는 경우 상기 배터리 장치(100)가 에너지를 제대로 공급할 수 없다. 상기 제어 회로(180)는 상기 감지 회로(170)의 감지 결과를 이용하여 잔류 용량이 충분한 많은 전지 셀(110)들 또는 팩들을 확인한다. 이후, 상기 제어 회로(180)는 상기 잔류 용량이 충분한 많은 전지 셀(110)들을 포함된 팩들은 연결된 제2 전압 라인(130)들을 선택할 수 있다. 상기 제어 회로(180)에서 선택된 적어도 하나의 제2 전압 라인(130)들은 상기 선택 회로(140)에서 직렬 연결된다.
상기 제어 회로(180)에서 선택되는 제2 전압 라인(130)들의 개수는 필요한 저전압을 출력 크기에 따라 달라진다. 상대적으로 낮은 저전압의 출력이 필요한 경우, 상기 제어 회로(180)에서 선택되는 제2 전압 라인(130)들의 개수는 줄어든다. 상대적으로 높은 저전압의 출력이 필요한 경우, 상기 제어 회로(180)에서 선택되는 제2 전압 라인(130)들의 개수는 늘어난다.
한편, 상기 제어 회로(180)는 상기 제어 라인(182)을 통해 상기 절연 회로(150) 및 상기 연결 회로(160)와 연결될 수도 있다.
상기 제어 회로(180)는 상기 절연 회로(150)를 제어하여 상기 제1 전압 라인(120)과 상기 제2 전압 라인(130)들 사이에 갈바닉 장벽을 형성하거나 해제할 수 있다. 또한, 상기 제어 회로(180)는 상기 연결 회로(160)에서 고전압 플러스 단자(161)와 프리 차지 단자(165)의 스위치를 조절하여 외부 연결시 상기 배터리 장치(100)에 가해지는 외부 충격을 방지할 수 있다.
한편, 상기 선택 회로(140) 및 상기 선택 회로(140)와 연결되는 단자를 추가하는 경우, 상기 배터리 장치(100)는 더 많은 종류의 전압을 출력할 수 있다.
상기와 같이 배터리 장치(100)는 제1 전압 라인(120), 제2 전압 라인(130)들 및 선택 회로(140)를 이용하여 서로 다른 전압을 출력할 수 있다. 또한, 상기 배터리 장치(100)는 상기 제어 회로(180)를 이용하여 상기 선택 회로(140)에서 선택되는 제2 전압 라인(130)들의 종류와 개수를 조절하여 출력되는 전압의 크기를 조절할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 장치를 포함하는 차량 구동 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2를 참조하면, 상기 차량 구동 시스템(200)은 배터리 장치(210), 제1 전압 회로(220) 및 제2 전압 회로(230)를 포함한다.
상기 배터리 장치(210)는 다수의 전지 셀들을 포함하며, 서로 다른 적어도 두 개의 전압을 출력한다. 상기 배터리 장치(210)에 대한 구체적인 설명은 도 1을 참조한 배터리 장치(100)와 실질적으로 동일하므로 생략한다.
상기 배터리 장치(210)는 세 개 이상의 서로 다른 크기의 전압을 출력할 수 있지만, 이하에서는 상기 배터리 장치(210)가 서로 다른 크기의 두 전압을 출력하는 것을 기준으로 설명하다.
상기 제1 전압 회로(220)는 상기 배터리 장치(210)에서 출력되는 전압 중 높은 고전압과 연결된다. 상기 제1 전압 회로(220)에 인터버(222) 및 모터(224)가 연결될 수 있다. 또한, 상기 제1 전압 회로(220)에 제1 ECU(226) 및 제2 ECU(228)가 추가로 연결될 수 있다.
상기 인버터(222)는 상기 고전압에 의해 작동하며, 전력제어를 위한 전력 반도체 스위치 모듈, 이를 제어하고 구동하기 위한 구동 및 제어 회로부, 상기 모터(224) 제어를 위한 전류센서, 리플 전류를 감당하기 위한 DC-Link 콘덴서 및 보호/인터페이스 회로 등을 포함할 수 있다.
상기 모터(224)는 상기 배터리 장치(210)의 고전압에 의해 작동하며, 차량을 구동시키기 위한 구동력을 제공한다.
상기 제1 ECU(226) 및 제2 ECU(228)는 상기 배터리 장치(210)에서 출력되는 고전압과 연결된다. 상기 제1 ECU(226) 및 제2 ECU(228)는 고전압을 요하는 부품이다.
상기 제2 전압 회로(230)는 상기 배터리 장치(210)에서 출력되는 전압 중 낮은 저전압과 연결된다. 상기 제2 전압 회로(230)에는 전기 구동 부품(232)들이 병렬 연결된다.
상기 전기 구동 부품(232)들은 낮은 전압에 의해 구동된다. 상기 전기 구동 부품(232)의 예로는 ECU들, 램프, 도어, 윈도우 등을 들 수 있다. 상기 ECU들은 상기 램프, 도어, 윈도우 등에 제공되는 전기를 제어하고, 상기 램프, 도어, 윈도우 등은 상기 ECU들에서 제어된 전기에 의해 작동한다.
상기 차량 구동 시스템(200)은 상기 배터리 장치(210)에서 서로 다른 크기를 갖는 전압들을 출력할 수 있다. 따라서, 상기 차량 구동 시스템(200)은 별도의 전압 변환 과정이 불필요하므로 전압 변환에 따른 에너지 손실을 줄일 수 있다. 또한, 상기 차량 구동 시스템(200)은 상기 별도의 전압 변환을 위해 DC/DC 컨버터 등이 불필요하므로, 패키징 비용 및 시스템 구성 비용을 줄일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 장치는 내부에서 다양한 크기의 전압을 출력할 수 있다. 따라서, 별도의 전압 변환 과정이 불필요하므로 전압 변환에 따른 에너지 손실을 줄일 수 있다.
상기 배터리 장치를 포함하는 차량 구동 시스템은 별도의 전압 변환을 위해 DC/DC 컨버터 등이 불필요하므로, 구성 비용 및 패키징 비용을 줄일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 배터리 장치 110 : 전지 셀
120 : 제1 전압 라인 130 : 제2 전압 라인
140 : 선택 회로 150 : 절연 회로
160 : 연결 회로 170 : 감지 회로
180 : 제어 회로

Claims (4)

  1. 다수의 전지 셀들;
    상기 전지 셀들을 직렬 연결하여 제1 전압을 출력하는 제1 전압 라인;
    상기 전지 셀들 중 서로 다른 적어도 두 개의 전지 셀들을 직렬 연결하여 상기 제1 전압보다 낮은 제2 전압을 출력하는 다수의 제2 전압 라인들;
    상기 다수의 제2 전압 라인들과 연결되며, 상기 제2 전압 라인들 중 적어도 하나를 직렬 연결하는 선택 회로;
    각각의 상기 제2 전압 라인과 연결된 전지 셀들과 연결되어 상기 전지 셀들의 잔류 용량을 감지하는 감지 회로들; 및
    상기 감지 회로들 및 상기 선택 회로와 연결되며, 상기 감지 회로들의 감지 결과에 따라 상기 선택 회로에서 직렬 연결할 제2 전압 라인들을 선택하는 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 선택 회로와 연결되며, 상기 제1 전압 라인과 상기 제2 전압 라인들을 절연하기 위한 갈바닉 절연 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 전압 라인은 차량을 구동하기 위한 모터와 연결되며, 상기 제2 전압 라인들은 상기 차량의 전기 구동 부품들과 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
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