KR101438706B1 - 배터리 팩과 그의 충전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기자동차, 무정전전원장치(UPS; Uninterrupted power supply), 스마트 그리드(Smart grid)용 전원장치 등 대용량의 전원을 공급하는 장치에 이용될 수 있는 대용량의 배터리 팩과 그의 충전방법을 개시한다.
본 발명의 배터리 팩은 일정한 간격으로 서로 마주하여 쌍을 이루는 가이드 홈들이 제공되며 수납공간을 구비한 케이스, 가이드 홈에 끼워지는 다수의 트레이, 트레이에 각각 제공되는 배터리 셀 어셈블리, 배터리 셀 어셈블리를 충전하며 배터리 셀 어셈블리에 일대일 대응되는 수로 트레이에 각각 제공되는 셀 충전기, 셀 충전기에 일대일 대응되는 수로 트레이에 제공되며 셀 충전기를 제어하는 셀 컨트롤러, 배터리 셀 어셈블리에 일대일 대응되는 수로 트레이에 제공되어 배터리 셀 어셈블리의 온도를 감지하는 온도 센서를 포함하며, 트레이에는 배터리 셀 어셈블리의 양극을 연결하는 제1 연결부재, 제1 연결부재와 일정한 간격을 유지하여 배치되며 배터리 셀 어셈블리의 음극을 연결하는 제2 연결부재가 제공되고, 배터리 셀 어셈블리는 제1 연결부재와 제2 연결부재에 병렬로 결합되는 다수의 단위 셀로 이루어진다.

Description

배터리 팩과 그의 충전방법{Battery pack for large energy storage system and method to charge the same}
본 발명은 전기자동차, 무정전전원장치(UPS; Uninterrupted power supply), 스마트 그리드(Smart grid)용 전원장치 등 대용량의 전원을 공급하는 장치에 이용될 수 있는 대용량의 배터리 팩과 그의 충전방법에 관한 것이다.
일반적으로 대용량 충전용 배터리(Battery)는 전기자동차(Electric Vehicle)의 구동원으로 사용될 수 있으며, 또한 상용 전원에서 일어날 수 있는 전원 장애를 극복하여 안정된 전력을 공급하는 무정전전원장치로도 이용될 수 있다. 그리고 이러한 충전용 배터리는 스마트 그리드용 전원장치로도 이용될 수 있다.
충전용 배터리는 용량에 따라 여러 개의 배터리 셀(Battery cell)을 일체로 연결한 배터리 팩(Battery pack) 형태로 이루어져 있다. 이러한 배터리 팩은 한 개의 충전기로 충전을 하고 셀의 편차를 수동적으로 관리하기 때문에 셀들의 충전 편차에 의해 배터리 팩의 수명이 단축될 수 있고 장기간 운영하는 경우 유지 보수가 어려운 문제점이 있다.
특히, 각국의 위험물에 관한 운송규정은 규정된 용량을 초과한 배터리 셀(Battery cell) 또는 배터리 팩을 위험물로 분류할 수 있다. 따라서 종래의 배터리 셀 또는 배터리 팩은 운송할 때 특수포장을 해야 하므로 운송 비용이 증대되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 다수의 소용량 단위 셀(Cell)을 병렬로 연결하여 배터리 모듈을 제작하고, 배터리 모듈을 케이스에 일정한 간격으로 조립하여 대용량의 배터리 팩을 용이하게 제조할 수 있을 뿐만 아니라 유지 보수가 용이한 대용량의 배터리 팩과 그의 충전방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 배터리 모듈을 이루는 단위셀의 용량을 최소화하여 운송비용을 줄이고 생산성을 향상시킬 수 있는 대용량의 배터리 팩과 그의 충전방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 소용량의 단위셀들이 이루는 배터리 모듈의 셀 밸런싱을 용이하게 하여 성능저하와 수명단축을 방지하는 대용량의 배터리 팩과 그의 충전방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 급속 충전을 통해 상품성을 증대시키는 대용량의 배터리 팩과 그의 충전방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다양한 장치에 용이하게 연결할 수 있어 설계를 변경하지 않고도 적용범위를 넓혀 범용적으로 사용할 수 있는 대용량의 배터리 팩과 그의 충전방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일정한 간격으로 서로 마주하여 쌍을 이루는 가이드 홈들이 제공되며 수납공간을 구비한 케이스, 상기 가이드 홈에 끼워지는 다수의 트레이, 상기 트레이에 각각 제공되는 배터리 셀 어셈블리, 상기 배터리 셀 어셈블리를 충전하며 상기 배터리 셀 어셈블리에 일대일 대응되는 수로 상기 트레이에 각각 제공되는 셀 충전기, 상기 셀 충전기에 일대일 대응되는 수로 상기 트레이에 제공되며 상기 셀 충전기를 제어하는 셀 컨트롤러, 상기 배터리 셀 어셈블리에 일대일 대응되는 수로 상기 트레이에 제공되어 상기 배터리 셀 어셈블리의 온도를 감지하는 온도 센서를 포함하며, 상기 트레이에는 상기 배터리 셀 어셈블리의 양극을 연결하는 제1 연결부재, 상기 제1 연결부재와 일정한 간격을 유지하여 배치되며 상기 배터리 셀 어셈블리의 음극을 연결하는 제2 연결부재가 제공되고, 상기 배터리 셀 어셈블리는 상기 제1 연결부재와 상기 제2 연결부재에 병렬로 결합되는 다수의 단위 셀로 이루어지는 배터리 팩을 제공한다.
상기 제1 연결부재에는 일정한 간격으로 제1 보조연결부재가 연결되고, 상기 제2 연결부재에는 상기 제1 보조 연결부재와 대응하는 위치에 배치되어 제2 보조연결부재가 연결되며, 다수의 상기 단위 셀은 상기 제1 보조연결부재와 상기 제2 보조연결부재 사이에 체결부재로 결합되는 것이 바람직하다.
상기 제1 연결부재와 상기 제2 연결부재는 일부가 상기 트레이 외측으로 돌출되며 돌출된 부분에 터미널 연결구멍이 제공될 수 있다.
상기 제1 보조연결부재와 상기 제2 보조연결부재는 각각 상기 제1 연결부재와 상기 제2 연결부재 측에 근접할수록 표면적이 넓어지는 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 단위 셀은 원통형 또는 평판형으로 이루어진 몸체부, 상기 몸체부의 사이드 측에 결합되는 단위 셀 연결터미널이 제공되고, 상기 단위 셀 연결터미널에는 각각 체결공이 제공되는 것이 바람직하다.
상기 제1 연결부재와 제2 연결부재는 상기 셀 충전기와 충전용 연결부재에 의해 각각 연결되는 것이 바람직하다.
상기 트레이에는 양사이드 측에 상기 가이드 홈에 끼워지는 연장부가 제공되는 것이 바람직하다.
상기 케이스에는 상기 트레이가 또 다른 체결부재로 결합되는 것이 바람직하다.
상기 셀 컨트롤러에는 메인 컨트롤러와 연결되어 데이터를 주고 받을 수 있는 통신 커넥터, 그리고 상기 셀 충전기에 전원을 공급하기 위해 외부의 전원을 공급받는 전원 커넥터가 제공되는 것이 바람직하다.
상기 제1 연결부재와 상기 제2 연결부재에는 양방향 DC/DC 컨버터와 양방향 DC/AC 인버터가 연결되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 배터리 팩을 충전하는 방법에 있어서, 양방향 DC/AC 인버터와 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 배터리 팩을 급속 충전하는 1차 충전단계, 그리고 상기 1차 충전단계 후에 각각의 트레이에 제공된 셀 충전기를 통해 상기 단위셀을 충전하는 2차 충전단계를 포함하는 배터리 팩의 충전방법을 제공한다.
상기 1차 충전단계는 각 단위셀의 전체 용량의 90%~ 98%의 범위로 충전하는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명은 소용량의 단위 셀(Cell)을 다수로 병렬 연결하여 배터리 모듈을 제작하고, 배터리 모듈을 케이스에 일정한 간격으로 조립하여 대용량의 배터리 팩을 용이하게 제조하여 생산성을 증대시킬 수 있고 동시에 유지보수 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 배터리 모듈을 이루는 단위 셀의 용량을 위험물 취급 기준 이하로 만들어 일반 화물과 같이 운송할 수 있도록 하여 운송 등의 비용을 줄이는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 외부의 충전장치를 이용하여 1차로 급속충전을 하고, 배터리 모듈의 내부에 제공된 셀 충전기를 통해 2차로 충전을 수행하여 충전 속도를 높여 상품성을 향상시키는 것은 물론 배터리 모듈의 셀 밸런싱을 용이하게 하여 성능저하와 수명단축을 방지하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 제1 연결부재와 제2 연결부재의 선단부에 터미널 연결구멍이 제공되어 다양한 장치에 용이하게 연결할 수 있어 설계를 변경하지 않고도 적용범위를 넓혀 범용적으로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 다수의 배터리 모듈(Battery module)이 케이스에 결합된 배터리 팩(Battery pack)의 일 예시를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예의 일예시로 배터리 셀 어셈블리(Battery cell assembly)를 포함한 배터리 모듈(Battery module)을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 주요 부분을 상세하게 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 배터리 셀 어셈블리를 구성하는 단위 셀의 일예시를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 배터리 모듈을 도식화한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 배터리 팩 및 충전 방전 시스템을 도식화한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예의 다른 예시로 배터리 셀 어셈블리를 포함한 배터리 모듈을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예의 또 다른 예시로 배터리 셀 어셈블리를 포함한 배터리 모듈을 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 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. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 사시도, 배터리 팩(1, Battery pack)을 도시하고 있다. 그리고 도 2는 배터리 팩(1)을 이루는 배터리 모듈(2, Battery module) 중의 하나를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예의 설명에서 전원을 공급할 수 있는 기본적인 단위를 이루는 것을 배터리 모듈(2, Battery module, 도 1과 도 2에 도시하고 있음)이라 하고, 이러한 배터리 모듈(2)이 케이스(3, 도 1에 도시하고 있음)에 분해 및 조립이 가능한 상태로 일정한 간격을 이루며 결합된 상태의 것을 배터리 팩(1, Battery pack)이라고 한다.
본 발명의 실시예에서 배터리 모듈(2)은 각각 일 예시로 도 2, 도 7 그리고 도8에 도시하고 있으며, 이러한 배터리 모듈(2)이 케이스(3)에 각각 끼워져 배터리 팩(1)을 이룰 수 있다.
한편, 배터리 모듈(2)은 트레이(5), 배터리 셀 어셈블리(7), 셀 충전기(9), 셀 컨트롤러(11), 히팅 매트(도시생략), 그리고 온도 센서(15)를 하나의 세트로 포함할 수 있다.
그리고 본 발명의 실시예는 배터리 모듈(2)들을 나사 등의 체결부재(도시생략)를 이용하여 작업자가 쉽게 케이스(3)에 고정할 수 있고 필요에 따라 케이스(3)에서 배터리 모듈(2)들을 쉽게 탈거할 수 있는 구조로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 본 발명의 실시예의 설명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
케이스(3)는 내부에 상술한 배터리 모듈(2)들이 수용될 수 있는 수납공간이 제공된다. 그리고 케이스(3)에는 서로 마주하는 양측면에 다수의 가이드 홈(3b)들이 제공된다.
케이스(3)의 내면 양측에서 서로 마주하는 위치에 제공되는 가이드 홈(3b)들에는 트레이(5)가 일정한 간격으로 끼워질 수 있다. 가이드 홈(3b)들은 같은 간격을 이루며 일정한 방향으로 배치된다. 이러한 가이드 홈(3b)들에 끼워진 트레이(5)들은 일정한 방향을 따라 다수로 적층된 형태로 배치된다.
트레이(5)들은 양 사이드측에 상술한 가이드 홈(3b)에 끼워지는 연장부(5a)들이 제공된다. 즉, 연장부(5a)들이 케이스(3)에 제공된 가이드 홈(3b)에 끼워지는 것이다. 그리고 트레이(5)들은 케이스(3)에 별도의 나사 등의 체결부재에 의하여 견고하게 고정될 수 있다.
트레이(5)들이 케이스(3)에 나사 등의 체결부재로 결합되는 결합구조는, 배터리 모듈(2)이 불량이거나 수명이 다한 경우 나사 등의 체결부재를 탈거하여 쉽게 케이스(3)에 분리하고 다시 새로운 배터리 모듈(2)을 케이스(3)에 결합할 수 있도록 하기 위한 것이다.
이와 같이 나사 등의 체결부재(16)에 의하여 트레이(3)들과 케이스(3)들이 결합되는 것에 의해 배터리 팩(1)의 유지 보수를 편리하게 하고 배터리 팩(1)의 수명을 연장시킬 수 있다.
트레이(5)들에는 배터리 셀 어셈블리(7)의 양극을 연결하는 제1 연결부재(17), 이 제1 연결부재(17)와 일정한 간격을 유지하여 배치되며 배터리 셀 어셈블리(7)의 음극을 연결하는 제2 연결부재(19)가 제공될 수 있다.
제1 연결부재(17)와 제2 연결부재(19)는 서로 일정한 간격을 유지하여 배치되며 띠형태로 이루어지는 도전성 플레이트일 수 있다.
제1 연결부재(17)와 제2 연결부재(19)는 일부(선단부)가 트레이(5) 외측으로 돌출되며 돌출된 부분에 터미널 연결구멍(17a, 19a)이 제공되는 것이 바람직하다.
터미널 연결구멍(17a, 19a)은 원형의 구멍으로 이루어질 수 있으며 배터리 모듈(2)을 연결할 때 사용할 수 있으며, 배터리 팩(1)의 용량에 따라 크기와 모양을 다양하게 구현할 수 있다.
그리고 제1 연결부재(17)에는 일정한 간격으로 제1 보조연결부재(21)가 연결되고, 제2 연결부재(19)에는 제1 보조 연결부재(21)와 대응하는 위치에 배치되어 제2 보조연결부재(23)가 연결될 수 있다. 즉, 제1 보조연결부재(21)와 제2 보조연결부재(23)는 제1 연결부재(17) 및 제2 연결부재(19)와 마찬가지로 도전체로 이루어지고 띠 형태로 이루어지는 도전성 플레이트로 이루어질 수 있다.
그리고 제1 보조연결부재(21)는 제1 연결부재(17)에 나사 등의 체결부재로 고정될 수 있다. 또한, 제2 보조연결부재(23)도 제2 연결부재(19)에 나사 등의 체결부재로 고정 결합될 수 있다.
한편, 제1 보조연결부재(21)와 제2 보조연결부재(23)는 각각 제1 연결부재(17)와 제2 연결부재(19) 측에 근접할수록 표면적이 넓어지거나 또는 폭이 넓어지는 모양으로 이루어지는 것이 바람직하다(도 3에 도시하고 있음). 이러한 제1 보조연결부재(21)와 제2 보조연결부재(23)의 형상은 배터리 셀 어셈블리(7)의 전류 용량이 증가하여도 전류의 흐름을 원활하게 하기 위한 것이다. 특히, 이러한 제1 보조연결부재(21)와 제2 보조연결부재(23)의 형상은 전류의 흐름을 원활하게 하면서도 그 무게를 줄여 더욱 컴팩트한 배터리 모듈(2)을 제작할 수 있다.
트레이(5)들에는 배터리 셀 어셈블리(7)가 제공된다. 배터리 셀 어셈블리(7)는 소용량으로 이루어지는 다수의 단위셀(25)로 이루어지는 것이 바람직하다.
단위셀(25)은, 도 4에 도시하고 있는 바와 같이, 몸체부(25a)와 단위셀 연결터미널(25b)을 포함할 수 있다. 몸체부(25a)는 원통형으로 이루어질 수 있다.
단위셀 연결터미널(25b)은 몸체부(25a)의 사이드 측에 스폿 용접 등에 의해 결합될 수 있다. 단위셀 연결터미널(25b)에는 체결공(25c)이 제공된다.
이러한 단위셀(25)은 단위셀 연결터미널(25b)의 양극이 제1 보조연결부재(21)에 나사 등의 체결부재로 결합되고, 단위셀 연결터미널(25b)의 음극이 제2 보조연결부재(23)에 또 다른 나사 등의 체결부재로 결합된다.
이때 단위셀(25)이 제1 보조연결부재(21)와 제2 보조연결부재(23)에 병렬로 결합되는 것이 바람직하다. 이러한 단위셀(25)은 위험물 운송 규정에 위험물로 취급되지 않는 정도의 소용량이 하나의 셀로 이루어지는 것이 바람직하다.
이러한 단위셀(25)은 수십개 또는 수백개가 병렬로 연결되어 하나의 배터리 모듈(2)을 이룰 수 있다.
한편, 단위셀(25)의 몸체부(25a)의 형상은 상술한 예와 같이 원통형으로 이루어진 예에 한정되는 것은 아니며, 도 7에 도시하고 있는 바와 같이, 파우치 타입(몸체부가 평판 모양으로 이루어진 형태)으로 이루어질 수도 있다. 이와 같이 본 발명의 실시예의 다른 예시의 단위셀(27)은 설계조건 등에 따라 다양한 모양과 형태로 이루어질 수 있음을 보여준다.
상술한 셀 충전기(9)는 배터리 셀 어셈블리(7)와 일대일 대응으로 트레이(5)에 배치된다. 그리고 셀 충전기(9)는 제1 연결부재(17)와 제2 연결부재(19)에 충전용 연결부재(29, 31)로 연결된다. 셀 충전기(9)는 배터리 셀 어셈블리(7)를 충전할 수 있다.
셀 충전기(9)는 트레이(5)에 인쇄회로기판이 설치되고, 인쇄회로기판 위에 결합될 수 있다. 충전용 연결부재(29, 31)는 인쇄회로기판을 통해서 셀 충전기(9)에 연결될 수 있다.
또한, 인쇄회로기판에는 셀 컨트롤러(11)가 설치될 수 있다. 셀 컨트롤러(11)는 충전에 관련된 셀 충전기(9)를 제어할 수 있다. 셀 컨트롤러(11)는 셀 충전기(9)에 일대일 대응되어 트레이(5)에 배치되는 것이 바람직하다. 그리고 셀 컨트롤러(11)에는 통신 커넥터(33)와 전원 커넥터(35)가 연결될 수 있다.
즉, 인쇄회로기판에 통신 커넥터(33)와 전원 커넥터(35)가 설치되고 이들은 셀 컨트롤러(11)와 전선 등으로 연결될 수 있다.
셀 컨트롤러(11)는 통신 커넥터(33)를 통해 배터리 모듈(2)의 외부에 배치되는 비엠에스(BMS, Battery Management System, 도시생략) 또는 메인 컨트롤러(도시생략)와 데이터를 주고 받을 수 있다. 그리고 전원 커넥터(35)는 셀 충전기(9)에 전원을 공급하기 위해 외부의 전원장치와 연결될 수 있다.
한편, 제1 연결부재(17)와 제2 연결부재(19)에는 배터리 모듈(2)의 외부에 설치되는 양방향 DC/DC 컨버터(37)와 양방향 DC/AC 인버터(39)가 연결될 수 있다(도 6 참조).
한편, 온도 센서(15)는 배터리 셀 어셈블리(7)에 일대일 대응되는 수 또는 다수로 트레이(5)에 제공되어 배터리 셀 어셈블리(7)의 온도를 감지하여 셀 컨트롤러(11)를 통해 배터리 매니지먼트 시스템(Battery management system)에 제공된 메인 컨트롤러(도시생략)에 전송할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면으로, 다수의 배터리 모듈(2)이 연결된 배터리 팩(1)의 주요부를 도시한 블록도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 배터리 모듈(2)들은 서로 전기적으로 연결되고 양방향 DC/DC컨버터(37)와 양방향 DC/AC인버터(39)에 연결된다.
메인 컨트롤러는 배터리 팩(1)에서 나오는 전류를 감지하는 전류 감지기(41, 43), 배터리 팩(1)에서 나오는 전원을 차단하는 제1 스위치(45), 그리고 배터리 모듈 전원을 차단하는 제2 스위치(46)가 전기적으로 연결될 수 있다(도 6 참조).
제1 스위치(45)와 제2 스위치(46)는 대 전력 제어가 가능한 릴레이, 또는 마그네틱 접점 스위치, 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT; Insulated gate bipolar transistor), 또는 파워 FET를 여러개 병렬로 연결하여 사용하는 등 전력 제어에 적합한 소자를 사용하는 것이 바람직하다.
메인 컨트롤러는, 셀 컨트롤러(11)들로부터 배터리 셀 어셈블리(7)들의 충전 상태에 관한 정보를 입력받아 각각의 셀 충전기(9)들을 제어할 수 있다. 또한, 메인 컨트롤러는 온도 센서(15)들에서 측정된 값의 신호를 전송 받아 배터리 셀 어셈블리(7)의 온도를 조절하는 히팅 매트(도시생략) 또는 쿨링 팬(도시생략)을 제어할 수 있다. 메인 컨트롤러는 상술한 전류 감지기(41, 43)의 입력 신호에 따라 제1 스위치(45)를 제어할 수 있다. 메인 컨트롤러는 셀 컨트롤러(11)들에서 전송된 신호에 따라 배터리 셀 어셈블리(7)들의 용량을 확인하여 부적합한 배터리 셀 어셈블리(7)들을 판정하는 셀 그레이딩(Cell grading)을 수행할 수 있다. 메인 컨트롤러는 셀 컨트롤러(11)에서 보내온 배터리 셀 어셈블리(7)들에 관련된 데이터 및 이와 관련되어 처리된 데이터를 외장 메모리에 전송하거나 외부의 컴퓨터와 통신할 수 있다.
이와 같이 이루어지는 본 발명의 실시예의 배터리 셀 어셈블리(7), 배터리 모듈(2), 그리고 배터리 팩의 조립 과정 및 배터리 셀 어셈블리(7)의 충전 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 작업자는 단위셀(25)의 양측에 제공된 단위셀 연결터미널(25b)을 제1 보조연결부재(21)와 제2 보조연결부재(23)에 나란하게 배치하고 나사 등의 체결부재를 이용하여 단위셀 연결터미널(25b)을 제1 보조연결부재(21)와 제2 보조연결부재(23)에 고정 결합한다. 이러한 단위셀(25)은 운반시 위험물로 분류되지 않는 정도의 용량을 가지는 것이 바람직하며, 수십개에서 수백개가 하나의 트레이(5)에 설치될 수 있다. 이러한 단위셀(25)들은 병렬로 연결되는 것이 바람직하다.
그리고 작업자는 배터리 셀 어셈블리(7)가 포함된 배터리 모듈(2)들을 케이스(3)에 제공된 가이드 홈(3b)들에 삽입하고, 나사 등의 체결부재를 이용하여 케이스(3)에 배터리 모듈(2)들을 결합한다.
즉, 작업자는 배터리 모듈(2)을 구성하고 있는 트레이(5)의 양단에 제공된 연장부(5a)들을 가이드 홈(3b)들에 끼워 넣는다. 그리고 작업자는 나사 등의 체결부재들로 케이스(3)에 트레이(5)들을 결합한다. 이와 같이 배터리 모듈(2)을 순차적으로 케이스(3)에 끼워 체결부재들에 의하여 고정되도록 함으로써 어셈블리 형태로 배터리 팩(1)이 제조될 수 있다.
이러한 배터리 팩(1)은 필요한 전원의 용량에 따라 배터리 모듈(2)의 수를 다르게 연결하여 배터리 팩(1)의 용량을 필요에 따라 적정하게 조절하여 제작할 수 있다.
그리고 본 발명의 실시예의 급속충전과정을 설명하면 다음과 같다.
양방향 DC/AC 인버터(39)와 양방향 DC/DC 컨버터(37), 그리고 제1 스위치(45)를 배터리 팩(1)에 연결하여 1차로 급속 충전을 수행한다. 이때 전류는 양방향 DC/AC 인버터(39)와 양방향 DC/DC 컨버터(37)를 통해 공급되어 배터리 팩(1)을 급속으로 충전할 수 있다.
이러한 1차 충전단계는 각 단위셀(25)의 전체 용량의 90%~ 98%의 범위로 충전하는 것이 바람직하다. 각 단위셀(25)의 충전상태가 다를 수 있으므로 각 단위셀(25)의 전체 용량의 약 95%정도 충전하는 것이 더욱 바람직하다.
이와 같이 급속 충전이 이루어진 후에는 각각의 트레이(5)에 제공된 셀 충전기(9)를 통해 각각 단위셀(25)을 2차로 충전한다.
셀 충전기(9)에 공급되는 전류는 제2 스위치(46)를 통해 공급된다. 비엠에스(BMS)는 전류감지기(43)를 통해 얻어진 정보로 배터리 팩(1)의 충전 상태를 파악하고 제1 스위치(45)와 제2 스위치(46)를 제어하여 급속 충전 또는 셀 충전기(9)를 이용한 2차 충전을 실시한다. 예를 들어 1차 급속 충전을 할 때는 제1 스위치(45)를 연결하고 제2 스위치(46)를 차단하고 2차 충전을 할 때는 제2 스위치 (46)를 연결하고 제1 스위치(45)를 차단한다.
그러면 1차 충전단계에서 급속 충전이 이루어지고 2차 충전단계에서 각 단위셀(25)의 개별 충전이 이루어지면서 동시에 셀 밸런싱(Cell balancing)이 이루어진다. 따라서 본 발명의 실시예의 충전 방법은 별도의 셀 밸런싱 과정을 필요로 하지 않으므로 더욱 충전시간을 줄일 수 있으며 동시에 각각의 단위셀(25)들이 만충전에 가깝게 충전될 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예는 배터리 팩(1)의 성능저하를 방지하고 수명의 증대시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 배터리 모듈(2)을 개별적으로 교환할 수 있을 뿐만 아니라 배터리 셀 어셈블리(7)를 이루는 단위셀(25)들을 개별적으로 쉽게 교환할 수 있어 전체 배터리 팩(1)의 유지 보수 작업을 쉽게 하면서 전체적인 배터리 팩의 수명을 증대시킬 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예의 급속 충전 방법은 배터리 팩(1)의 상품성을 더욱 증대시키는 이점이 있다. 특히, 본 발명은 단위셀(25)의 용량을 최소화시킬 수 있어 위험물 이송에 관한 법규를 만족할 수 있고 일반 화물 운송과 같이 운송할 수 있어 운송 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
이상을 통해 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.
1. 배터리 팩, 2. 배터리 모듈,
3. 케이스, 3b. 가이드 홈, 5. 트레이, 5a. 연장부,
7. 배터리 셀 어셈블리, 9. 셀 충전기,
11. 셀 컨트롤러, 15. 온도 센서,
17. 제1 연결부재, 17a. 터미널 연결구멍,
19. 제2 연결부재, 19a. 터미널 연결구멍,
21. 제1 보조연결부재, 23. 제2 보조연결부재,
25, 27. 단위셀, 25a. 몸체부, 25b. 단위셀 연결터미널, 25c. 체결공,
29, 31. 충전용 연결부재, 33. 통신 커넥터,
35. 전원 커넥터, 37. 양방향 DC/DC 컨버터
39. 양방향 DC/AC 인버터, 41,43. 전류 감지기,
45. 제1 스위치, 46. 제2 스위치,

Claims (12)

  1. 일정한 간격으로 서로 마주하여 쌍을 이루는 가이드 홈들이 제공되며 수납공간을 구비한 케이스,
    상기 가이드 홈에 끼워지는 다수의 트레이,
    상기 트레이에 각각 제공되는 배터리 셀 어셈블리,
    상기 배터리 셀 어셈블리를 충전하며 상기 배터리 셀 어셈블리에 일대일 대응되는 수로 상기 트레이에 각각 제공되는 셀 충전기,
    상기 셀 충전기에 일대일 대응되는 수로 상기 트레이에 제공되며 상기 셀 충전기를 제어하는 셀 컨트롤러,
    상기 배터리 셀 어셈블리에 일대일 대응되는 수로 상기 트레이에 제공되어 상기 배터리 셀 어셈블리의 온도를 감지하는 온도 센서를 포함하며,
    상기 트레이에는
    상기 배터리 셀 어셈블리의 양극을 연결하는 제1 연결부재,
    상기 제1 연결부재와 일정한 간격을 유지하여 배치되며 상기 배터리 셀 어셈블리의 음극을 연결하는 제2 연결부재가 제공되고,
    상기 배터리 셀 어셈블리는
    상기 제1 연결부재와 상기 제2 연결부재에 병렬로 결합되는 다수의 단위 셀로 이루어지며,
    상기 셀 컨트롤러에는
    메인 컨트롤러와 연결되어 데이터를 주고 받을 수 있는 통신 커넥터가 제공되고,
    상기 셀 충전기에는
    외부의 전원을 공급받는 전원 커넥터가 제공되는 배터리 팩.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 연결부재에는
    일정한 간격으로 제1 보조연결부재가 연결되고,
    상기 제2 연결부재에는
    상기 제1 보조 연결부재와 대응하는 위치에 배치되어 제2 보조연결부재가 연결되며,
    다수의 상기 단위셀은
    상기 제1 보조연결부재와 상기 제2 보조연결부재 사이에 체결부재로 결합되는 배터리 팩.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 연결부재와 상기 제2 연결부재는
    일부가 상기 트레이 외측으로 돌출되며 돌출된 부분에 터미널 연결구멍이 제공되는 배터리 팩.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 보조연결부재와 상기 제2 보조연결부재는
    각각 상기 제1 연결부재와 상기 제2 연결부재 측에 근접할수록 표면적이 넓어지는 배터리 팩.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위셀은
    원통형 또는 평판형으로 이루어진 몸체부,
    상기 몸체부의 사이드 측에 결합되는 단위셀 연결터미널이 제공되고,
    상기 단위셀 연결터미널에는 각각 체결공이 제공되는 배터리 팩.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 연결부재와 제2 연결부재는
    상기 셀 충전기와 충전용 연결부재에 의해 각각 연결되는 배터리 팩.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 트레이에는
    양사이드 측에 상기 가이드 홈에 끼워지는 연장부가 제공되는 배터리 팩.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스에는
    상기 트레이가 또 다른 체결부재로 결합되는 배터리 팩.
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 연결부재와 상기 제2 연결부재에는
    양방향 DC/DC 컨버터와 양방향 DC/AC 인버터가 연결되는 배터리 팩.
  11. 청구항 1에 기재된 배터리 팩을 충전하는 방법에 있어서,
    양방향 DC/AC 인버터와 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 배터리 팩을 급속 충전하는 1차 충전단계, 그리고
    상기 1차 충전단계 후에 각각의 트레이에 제공된 셀 충전기를 통해 상기 단위셀을 충전하는 2차 충전단계
    를 포함하는 배터리 팩의 충전방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 1차 충전단계는
    각 단위셀의 전체 용량의 90%~ 98%의 범위로 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전방법.
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