KR101474392B1 - 확장형 배터리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 확장형 배터리 장치는 외부 장치가 착탈 가능하게 전기적으로 접속되며 상기 외부 장치로 전원이 공급되는 메인 출력단자; 보조 배터리 장치의 출력단자가 착탈 가능하게 전기적으로 접속되며, 상기 보조 배터리 장치의 전원이 자체 메인 배터리의 전원과 전기적으로 병렬 연결되도록 상기 메인 출력단자와 연결되는 연결단자; 및 상기 메인 배터리의 전원 또는 상기 보조 배터리 장치의 전원이 상기 메인 출력단자를 통하여 상기 외부 장치로 공급되도록 제어하는 BMU모듈을 포함하여 구성된다.
상기 본 발명에 의하면 배터리 기기의 장치 확장성을 용이하게 구현할 수 있음은 물론, 배터리 및 보조 배터리 사용을 더욱 사용자 지향적이고 실현할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

Description

확장형 배터리 장치{Apparatus of secondary battery with extensible function}

본 발명은 배터리 장치에 관한 것으로서, 외부 장치에 전력을 공급하는 개별 이차전지 배터리를 전기적 및 회로적으로 추가 연결가능하도록 구성하여 휴대 전원의 확장이 용이하게 실현될 수 있도록 구현된 확장형 배터리 장치에 관한 것이다.

제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 전기적 전력에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle) 등에 응용 적응되고 있음은 물론, 노트북, 휴대폰 등과 같은 개인 휴대 장치의 전기 구동원으로 보편적으로 사용되고 있다.

상기 이차전지는 내부 구성요소의 전기 화학적 반응에 의하여 외부에서 공급되는 상용 전원 등과 같은 전력원에 의하여 충전을 받게 되며, 충전된 이차전지는 방전을 통하여 노트북 등과 같은 외부 장치에 필요한 전력을 공급하게 된다.

이러한 원리에 의하여 구동되는 이차전지(배터리)는 충전량이 모두 소진되고 추가적으로 충전되지 않은 한 전력원으로서 구동할 수 없게 되므로 배터리의 용량 등과 같은 파라미터에 의하여 함수적으로 제한되는 범위에서만 사용이 가능하게 된다.

전기 차량 등에서의 배터리는 물리적 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 충전하는 메카니즘이 적용되므로 상기 제한된 사용에 따른 제약이 크지 않을 수 있으나, 개인 휴대 기기 등에 사용되는 배터리는 이와 같은 이유로 휴대성에 제약되어 주기적으로 충전이 수행되어야 한다.

특히 노트북 등과 같이 단위 시간 사용 전력이 높은 기기 등에서는 만충전을 수행하였다고 하여도 사용되는 단위 시간당 전력에 반비례하여 사용할 수 있는 시간이 그만큼 제한되게 된다.

그러므로 배터리 구동에 의하여 노트북 등을 사용하는 유저가 배터리 잔존량에 대한 체크를 간과하여 적절한 시기에 필요한 시간 동안 충전을 수행하지 않으면, 사용 도중 노트북 사용이 유지되지 못하는 문제가 발생될 수 있으며, 또한, 노트북 등을 장시간 사용하고자 하는 유저는 불가피하게 유선 전력원 기기를 함께 구비하여야 하는 불편함이 초래되기도 한다.

유저에 따라서 표준 또는 대용량 배터리를 추가적으로 구비하여 사용하는 경우도 있으나, 이러한 배터리는 단일 제품으로 단독으로 사용되도록 제조되어 있어 현재 배터리에 의한 잔존량이 완료되거나 완료가 예상되는 경우, 장착된 배터리의 결합을 해제하고 다시 새로운 배터리를 재장착하여야만 한다. 상기 과정에서의 초래되는 사용자의 불편함은 물론, 이 과정에서 노트북 등으로 진행 중이던 작업을 중단하여야 하는 문제가 필연적으로 발생할 수 있게 된다.

본 발명은 상기와 같은 배경에서 이러한 문제점을 해소하기 위한 안출된 것으로서, 개별 이차전지 배터리 장치를 용이하게 전기적으로 추가 연결가능하도록 구성함으로써 이차전지 배터리에 대한 휴대 전원의 확장성이 용이하게 구현될 수 있도록 하는 확장형 배터리 장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 확장형 배터리 장치는 외부 장치가 착탈 가능하게 전기적으로 접속되며 상기 외부 장치로 전원이 공급되는 메인 출력단자; 보조 배터리 장치의 출력단자가 착탈 가능하게 전기적으로 접속되며, 상기 보조 배터리 장치의 전원이 자체 메인 배터리의 전원과 전기적으로 병렬 연결되도록 상기 메인 출력단자와 연결되는 연결단자; 및 상기 메인 배터리의 전원 또는 상기 보조 배터리 장치의 전원이 상기 메인 출력단자를 통하여 상기 외부 장치로 공급되도록 제어하는 BMU모듈을 포함하여 구성된다.

여기에서, 상기 본 발명의 BMU모듈은 상기 연결단자에 전기적으로 연결되며, 상기 연결단자에 접속된 상기 보조 배터리 장치의 출력단자로부터 상기 보조 배터리 장치의 충전량인 제1충전량을 측정하는 제1측정부를 포함하도록 구성될 수 있다.

더욱 바람직한 실시형태의 구현을 위하여 본 발명의 BMU모듈은 상기 메인 배터리의 충전량인 제2충전량을 측정하는 제2측정부; 및 상기 제1충전량과 제2충전량의 차이가 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우 상기 보조 배터리 장치의 충전량과 상기 메인 배터리의 충전량을 평활화시키는 제어부를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 확장형 배터리 장치는 배터리의 잔존량을 표시하는 표시부를 더 포함하고, 상기 BMU모듈은 상기 제1충전량과 상기 제2충전량의 합산된 값이 상기 배터리의 잔존량으로 상기 표시부에 표시되도록 제어하는 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.

더욱 바람직한 실시형태의 구현을 위하여 상기 BMU모듈은 상기 연결단자에 접속된 상기 보조 배터리 장치를 방전시켜 상기 메인 배터리가 충전되도록 제어할 수 있으며, 또한, 상기 BMU모듈은 사용자 입력 수단으로부터 신호가 입력되는 경우에 한해 상기 연결단자에 접속된 상기 보조 배터리 장치를 방전시켜 상기 메인 배터리가 충전되도록 제어하는 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.

상기 본 발명은 이차전지 배터리의 휴대 전원으로서의 한계를 용이하게 확장시킬 수 있다는 효과를 제공할 수 있어 더욱 사용자 편의성을 높일 수 있는 배터리 장치를 제공할 수 있다.

또한, 배터리의 잔존량을 부가된 배터리의 잔존량 등을 합산시켜 사용자에게 인터페이싱함으로써 사용 가능한 잔존량 정보를 더욱 사용자 지향적으로 제공할 수 있으며, 배터리가 부가되는 경우 배터리들의 충전량을 균일화 내지 평활화(equalization)시켜 전기 화학적 반응에 의한 이차전지 배터리의 정상 구동을 더욱 보호하고 배터리 동작을 더욱 안정적으로 운용할 수 있다.

또한, 실시형태에 따라 보조 배터리의 전원을 메인 배터리로 이동시킴으로써 메인 배터리의 활용도를 높여 사용자 편의성을 더욱 개선시킬 수 있다.

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 발명의 바람직한 실시예에 의한 확장형 배터리 장치의 구성을 도시한 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 확장형 배터리 장치의 배선 구조를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 확장형 배터리 장치의 결합 관계를 도시한 사시도이다.

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 해석되어야만 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.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 확장형 배터리 장치(100)의 구성을 도시한 블록도이다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 확장형 배터리 장치(100)는 메인 출력 단자(110), 연결 단자(120), BMU(Battery Management Unit)모듈(130), 표시부(140) 및 사용자 입력수단(150)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 메인 출력 단자(110)는 통상의 배터리에 구비되어 있는 구성으로서 전력을 컴퓨터 등과 같은 외부 장치(300)로 제공하는 출력 인터페이스에 해당하는 구성이다. 상기 메인 출력단자는 외부 장치와 착탈 가능한 형태로 즉, 끼움 결합식 또는 외부 장치의 인터페이스 단자와 상응하는 요철 형상의 구조 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 확장형 배터리 장치(100)는 도 3 등에 도시된 바와 같이 메인이 되는 배터리 장치와 물리적으로 구분되는 보조 배터리 장치(200)가 결합되는 구성을 가지는데, 이를 위하여 본 발명의 확장형 배터리 장치(100)는 상기 보조 배터리 장치(200)의 출력단자 내지 출력 인터페이스(210)가 착탈 가능하게 전기적으로 접속되는 연결 인터페이스(연결 단자)(120)가 구비된다.

보조 배터리 장치(200)의 전원이 메인 출력 단자(110)를 통하여 외부 장치(300)로 공급되도록 하기 위하여 상기 보조 배터리 장치(200)의 전원은 배터리 장치(100)의 자체에 구비된 메인 배터리(10)와 병렬 연결되도록 구성된다.

이를 위하여 상기 보조 배터리 장치(200)의 출력단자(210)와 전기적으로 접속되는 상기 연결단자(120)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 보조 배터리 장치(200)의 전원이 자체 메인 배터리(10)의 전원과 전기적으로 병렬 연결될 수 있도록 상기 메인 출력단자(110)와 연결된다.

이와 같이 메인 배터리 장치(100)에 보조 배터리 장치(200)가 결합되면, 본 발명의 BMU모듈(130)은 도 2에 도시된 각각의 제어소자(50)의 온오프(ON/OFF) 등을 제어하여 메인 배터리의 전원 또는 상기 보조 배터리 팩의 전원이 상기 메인 출력단자를 통하여 상기 외부 장치로 공급되도록 제어하게 된다. 상기 제어소자(50)는 제어 신호가 입력되는 경우 온/오프(ON/OFF)를 스위칭을 수행하는 릴레이 소자를 포함하여 구성된다.

이로써 본 발명의 확장형 배터리 장치(100)는 자체 전원뿐만 아니라 추가 결합된 다른 배터리 장치(200)의 전원도 함께 이용하여 외부 장치(300)의 전원으로 활용할 수 있게 되며, 간이하고 편리한 방법으로 이차 전지 배터리의 사용 시간을 증진시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 BMU모듈(130)은 추가되는 보조 배터리 장치(200)가 접속되는 상기 연결단자(120)에 전기적으로 연결되며, 상기 연결단자(120)에 접속된 상기 보조 배터리 장치(200)의 출력단자(210)로부터 상기 보조 배터리 장치(200)의 충전량인 제1충전량을 측정하는 제1측정부(131)를 포함할 수 있다.

상기 제1측정부(131)의 구성을 통하여 본 발명의 확장형 배터리 장치(100)는 추가되는 보조 배터리 장치(200)에 대한 전기적 특성값 특히, 충전량 등을 측정하고 이를 배터리 충전 또는 방전, 온/오프 스위칭 등의 다양한 배터리 제어에 활용하여 안정적이고 안정적인 배터리 운용을 도모할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

통상적으로 충전량은 이차전지의 전기 화학적 반응에 의하여 외부 전원으로부터 공급된 전원 즉, 충전된(charged) 정도 내지 크기를 의미하는 것으로서, 충전이 전혀 이루어지지 않은 완전 방전의 상태를 하한으로, 만충전(full charge)의 상태를 상한으로 하여 % 수치 등으로 나타내는 SOC(State Of Charge)로 대표될 수 있다.

본 발명을 설명함에 있어 상기 충전량은, 상기 SOC를 포함하여, 상기 SOC, 배터리 용량, 충전 용량 내지 방전 용량, 쿨롬 효율(coulombic efficiency) 등에 대한 파라미터를 이용한 다양한 수학적 함수 관계에 의하여 정의될 수 있으며, 외부 전원으로부터 공급되었거나 이를 이용하여 이차전지가 외부 기기 등으로 공급할 수 있는 전원의 크기 등을 의미하는 것으로 당업계에서 적용될 수 있는 다양한 용어를 포함할 수 있음은 자명하다.

한편, 서로 다른 충전량을 가지고 있는 배터리가 결합되는 경우, 상이한 충전량에 의한 전기적 동작 특성에 따라 각 배터리의 구동 능력이 제한될 수 있다. 즉, 하나의 배터리가 다른 배터리보다 낮은 충전상태를 가지게 되는 경우 낮은 충전상태에 의한 배터리의 영향으로 실제 방전할 수 있는 양만큼 방전되지 못하는 특성이 발생될 수 있다.

그러므로 본원발명에서 제안하는 바와 같이 복수 개의 배터리가 결합되는 경우 각 배터리의 충전량을 균일화 내지 평활화(equalization)한 후 전원으로 이용하는 것이 더욱 바람직하다.

이러한 배터리의 동작 특성을 충분히 반영시키기 위하여, 본 발명의 상기 BMU모듈(130)의 제2측정부(133)는 상기 자체에 구비되는 메인 배터리(10)의 충전량인 제2충전량을 측정하고 측정된 제2충전량에 대한 정보를 BMU모듈(130)의 제어부(135)로 전송한다.

상기 제어부(135)는 상기 전송된 제2충전량 및 앞서 설명된 제1측정부(131)로부터 전송된 보조 배터리 장치(200)의 충전량인 제1충전량 정보를 상호 비교하여 오차 범위 등이 반영되어 설정된 기준 범위 내에서 동일한지 여부를 판단한다. 만약 동일성에서 벗어나는 경우 상기 BMU모듈의 제어부(135)는 상기 보조 배터리 장치의 충전량과 상기 메인 배터리의 충전량이 평활화되도록 제어한다.

상기 충전량을 평활화시키는 메커니즘은 하나의 배터리에서 보유된 충전량을 방류 내지 소모시키는 작업인 버킹(bucking) 또는 션팅(shunting)을 수행하거나 다른 셀로 충전량을 이동시키는 셔플링(shuffling) 프로세싱을 수행하여 이루어질 수 있으며, 스위치된 커패시터가 사용되거나 트랜스포머 와인딩(transformer windings)에 기초된 에너지 변환방법 등이 채용될 수 있음은 물론이다.

또한, 본 발명의 더욱 바람직한 실시예의 구현을 위하여 본 발명의 배터리 장치(100)는 배터리의 잔존량을 표시하는 표시부(140)를 더 포함할 수 있다. 상기 표시부(140)는 LED 등을 이용하여 잔존량의 정도를 표시할 수 있도록 구성할 수 있으며, 온(ON)되는 LED의 개수 등을 조정함으로써 사용자 등에게 현재 상태의 충전 정도를 알릴 수 있도록 구성될 수 있다.

이 때, 상기 본 발명의 BMU모듈(130)은 보조 배터리 장치(200)가 추가되는 경우 상기 보조 배터리 장치(200)의 현재 충전량인 제1충전량과 자체에 구비된 메인 배터리(10)의 충전량인 제2충전량을 합산 연산하고, 상기 표시부(140)에 표시되는 배터리 사용 잔존량이 상기 합산된 값에 상응하는 값으로 표시되도록 제어함으로써 보조 배터리가 추가되는 경우 사용자에게 장래 사용 가능 정도를 인지할 수 있도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

한편, 보조 배터리 장치(200)가 메인 배터리 장치(100)에 추가 결합된 상태로 피씨, 노트북 등의 외부 장치(300)를 구동할 수도 있으나, 이 경우 장치 기기의 부피가 커져 휴대성에 저해가 될 수 있음은 물론, 외부 공급 전원을 이용하여 충전 등을 수행하는데 불편함이 초래될 수 있다.

이를 위하여 본 발명의 상기 BMU모듈(130)은 상기 제어소자(50) 등의 온오프 구동 및 앞서 기술된 에너지 이전에 대한 프로세싱 등을 수행하여 상기 연결단자(120)에 접속된 상기 보조 배터리 장치(200)를 방전시키고 방전에 의하여 공급되는 전력을 자체 구비된 상기 메인 배터리(10)에 공급되도록 즉, 상기 메인 배터리(10)가 충전되도록 제어한다.

이와 같이 보조 배터리 장치(200)의 전원이 메인 배터리(10)로 이동되면, 상기 보조 배터리 장치(200)의 결합을 해제하여도 상대적으로 연장된 시간 동안 메인 배터리(10)를 구동할 수 있어 배터리 운용을 위한 장치 확장성을 편의하게 수행할 수 있음과 동시에 보조 배터리 장치(200) 만을 다시 상용 전원 등에 연결시켜 충전을 다시 수행한 후 메인 배터리 장치(100)에 접속을 반복할 수 있는 등 배터리 장치 등의 활용도를 더욱 높일 수 있게 된다.

이 경우, 사용자의 편의성을 더욱 향상시키기 위하여 보조 배터리 장치(200)가 추가되는 경우 앞서 설명된 바와 같이 전원으로서 기능하게 하거나, 메인 배터리(10)와의 평활화를 수행하면서 전원으로 기능하도록 하여 전원 구동의 안전성이 더욱 확보될 수 있도록 제어하고, 장치 외부에 노출된 스위치와 같은 소정의 입력 수단(150)으로부터 사용자가 신호를 입력시키는 경우에 한해 보조 배터리 장치의 전원이 메인 배터리에 충전되도록 선택적으로 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 구성을 통하여 외부 장치 사용 상태, 배터리 활용도 또는 외부 상용 전원 공급 환경 등 다양한 외적 환경 요인을 감안하여 추가 배터리 장치의 운용을 사용자가 선택적으로 적용할 수 있는 장치를 구현할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명을 설명함에 있어, 상기 본 발명에 의한 확장형 배터리 장치(100) 등의 각 구성요소는 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.

즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되어 수행되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관히 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.

또한, 본 발명의 설명에 있어 제1, 제2 등과 같은 표현은 상호 간의 각 구성을 상대적으로 구분하기 위하여 사용되는 도구적 개념의 용어일 뿐, 특정의 순서, 우선순위, 중요성 등을 객관적이고 물리적으로 구분하기 위하여 사용된 용어가 아님은 자명하다.

10: 메인 배터리 50: 제어소자
100: 확장형 배터리 장치 110: 메인 출력 단자
120: 연결단자 130: BMU모듈
140: 표시부 150 : 입력수단
200: 보조 배터리 장치

Claims (6)

1. 외부 장치가 착탈 가능하게 전기적으로 접속되며 상기 외부 장치로 전원이 공급되는 메인 출력단자;
   보조 배터리 장치의 출력단자가 착탈 가능하게 전기적으로 접속되며, 상기 보조 배터리 장치의 전원이 자체 메인 배터리의 전원과 전기적으로 병렬 연결되도록 상기 메인 출력단자와 연결되는 연결단자; 및
   상기 메인 배터리의 전원 또는 상기 보조 배터리 장치의 전원이 상기 메인 출력단자를 통하여 상기 외부 장치로 공급되도록 제어하는 BMU모듈을 포함하고,
   상기 BMU모듈은,
   상기 연결단자에 전기적으로 연결되며, 상기 연결단자에 접속된 상기 보조 배터리 장치의 출력단자로부터 상기 보조 배터리 장치의 충전량인 제1충전량을 측정하는 제1측정부;
   상기 메인 배터리의 충전량인 제2충전량을 측정하는 제2측정부; 및
   상기 제1충전량과 제2충전량의 차이가 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우 상기 보조 배터리 장치의 충전량과 상기 메인 배터리의 충전량을 평활화시키는 제어부를 포함하고,
   사용자 입력 수단으로부터 신호가 입력되는 경우에 한해 상기 연결단자에 접속된 상기 보조 배터리 장치를 방전시켜 상기 메인 배터리가 충전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 확장형 배터리 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   배터리의 잔존량을 표시하는 표시부를 더 포함하고,
   상기 BMU모듈은,
   상기 제1충전량과 상기 제2충전량의 합산된 값이 상기 배터리의 잔존량으로 상기 표시부에 표시되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 확장형 배터리 장치.
5. 삭제
6. 삭제

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