KR101508664B1 - 배터리 팩, 이를 포함하는 배터리 장치 및 셀 밸런싱 방법 - Google Patents

배터리 팩, 이를 포함하는 배터리 장치 및 셀 밸런싱 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 팩, 이를 위한 배터리 장치 및 셀 밸런싱 방법을 제시한다.
본 기술의 일 실시예에 의한 배터리 팩은 복수의 전지 셀을 포함하는 셀 모듈 및 셀 모듈의 일측에 설치되며, 복수의 전지 셀 각각에 접속되는 코일이 적층 형성되는 코일부를 포함할 수 있다.

Description

배터리 팩, 이를 포함하는 배터리 장치 및 셀 밸런싱 방법{Battery Pack, Battery Apparatus and Cell Balancing Method Therefor}
본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배터리 팩, 이를 포함하는 배터리 장치 및 셀 밸런싱 방법에 관한 것이다.
전기 자동차는 하이브리드 방식인 HEV(Hybrid Electric Vehicle)를 시작으로 PHEV(Plug in Hybrid Electric Vehicle), EV(Electric Vehicle)로 발전하고 있다. 그리고, 동력원인 배터리의 개발 및 관리가 전기 자동차 시장의 주요 관심 사항이며, 배터리 업체들은 앞 다투어 신 기술을 선점하기 위해 총력을 다하고 있다.
한편, 최근에는 전기의 생산, 운반, 소비 과정에 정보통신 기술을 접목하여 공급자와 소비자가 서로 상호작용함으로써 효율성을 높인 지능형 전력망 시스템인 스마트 그리드(smart grid)에 대한 관심이 높아지고 있다.
전기 자동차나 스마트 그리드 등은 대용량 에너지 저장장치를 이용하며, 복수(10~1000개)의 셀을 연결한 배터리 팩을 동력원으로 사용한다. 대용량 배터리는 여러 개의 셀로 이루어지기 때문에 셀 간의 특성차와 온도차로 인해 셀 간에 충전량의 불균형이 생기게 된다. 이러한 충전량의 불균형은 전체 배터리 성능에 악영향을 미치며, 이를 해결하기 위해 충전량이 높은 셀에서 낮은 셀로 전력을 이동시켜 줄 필요가 있다. 이러한 전력 이동 기법을 적극적 셀 밸런싱(active cell balancing)이라고 한다.
현재 사용되고 있는 셀 밸런싱 기법은 유선 방식이다. 즉, 유선을 통해 한 셀에서 다른 셀로 배터리 콘트롤러에서 제어하는 스위치를 통해 전력을 전송한다. 하지만 유선 방식 셀 밸런싱은 셀이 수십 개 이상으로 많아질 경우, 와이어와 스위치의 연결이 매우 복잡해지게 되며, 제작과정에 많은 수작업이 필요하게 되어 제작비용이 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 대용량 배터리 장치의 셀 밸런싱을 위한 보다 개선된 기술이 절실히 요구된다.
본 발명의 실시예는 무선 방식으로 셀간 전하량을 밸런싱할 수 있는 배터리 팩, 이를 포함하는 배터리 장치 및 셀 밸런싱 방법을 제공한다.
본 기술의 일 실시예에 의한 배터리 팩은 복수의 전지 셀을 포함하는 셀 모듈; 및 상기 셀 모듈의 일측에 설치되며, 상기 복수의 전지 셀 각각에 접속되는 코일이 적층 형성되는 코일부;를 포함할 수 있다.
한편, 본 기술의 일 실시예에 의한 배터리 장치는 복수의 전지 셀을 포함하는 셀 모듈; 상기 셀 모듈의 일측에 설치되며, 상기 복수의 전지 셀 각각에 접속되는 코일이 적층 형성되는 코일부; 및 상기 복수의 전지 셀 각각의 전하량에 기초하여 송신 셀 및 적어도 하나의 수신 셀을 선택하고, 상기 송신 셀에 접속된 코일 및 상기 적어도 하나의 수신 셀에 각각 접속된 코일 간에 유도 전류를 형성하는 배터리 관리 시스템;을 포함할 수 있다.
다른 한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 셀 밸런싱 방법은 복수의 전지 셀을 포함하는 셀 모듈, 상기 셀 모듈의 일측에 설치되며 상기 복수의 전지 셀 각각에 접속되는 코일이 적층 형성되는 코일부, 및 상기 코일의 일측에 접속되는 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 장치의 셀 밸런싱 방법으로서, 상기 배터리 관리 시스템이 상기 셀 모듈에 포함된 각 전지 셀의 전하량을 측정하는 단계; 상기 배터리 관리 시스템이 상기 전하량 측정 결과에 기초하여, 송신 셀 및 적어도 하나의 수신 셀을 결정하는 단계; 및 상기 배터리 관리 시스템이 상기 송신 셀에 접속된 코일 및 상기 적어도 하나의 수신 셀에 접속된 코일이 자기 유도를 일으키도록 전류 경로를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 기술에 의하면 단위 셀에 연결된 코일을 통해 무선방식으로 셀 밸런싱을 수행할 수 있어 셀들을 연결하기 위한 스위치 네트워크의 복잡도를 낮출 수 있다.
또한, 새로운 셀을 설치할 때 기존 배터리 팩에 코일만 추가하면 되므로 시스템 확장성이 우수하여, 다양한 크기의 배터리 생산에 용이하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 장치의 구성도,
도 2는 도 1에 도시한 경로 제어부의 구성 및 이를 이용한 셀 밸런싱 개념을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 셀 밸런싱 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 장치(10)는 배터리 팩(100) 및 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)(200)을 포함할 수 있다.
배터리 팩(100)은 복수의 전지 셀이 배열된 셀 모듈(110) 및 각각의 셀에 접속되는 복수의 코일이 설치되는 코일부(120)을 포함한다.
각 셀의 케이스는 알루미늄과 같은 금속이나 합성수지 같은 재질로 만들어 진다. 또한 그 외형은 통상 박스 형태와 같은 직육면체로 이루어지고, 대용량 에너지 저장장치로 동작하기 위하여 복수의 셀들이 지정된 거리 이격된 상태로 세워져서 설치된다. 셀은 예를 들어 리튬이온 배터리일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
코일부(120)는 특히 셀 모듈(110)의 한 면, 바람직하게는 밑면에 설치될 수 있으며, 각 셀에 접속되는 코일들을 겹겹이 쌓아 설치할 수 있다. 즉, 각 셀에 코일을 연결함에 의해 자기유도를 통한 무선 전력 전송이 가능하게 된다. 자기유도 방식으로 무선 전력 전송이 가능하기 위해서는 코일 간의 거리가 수 cm미만으로 가까워야 한다. 따라서, 코일들을 가깝게 설치하기 위해 셀 모듈(110)의 어느 한 면에 각각의 코일이 적층된 코일부(120)를 설치함으로써 전력 전송 효율을 높일 수 있다.
배터리 관리 시스템(200)은 컨트롤러(210), 셀 관리부(220), 전압 센서(230-0~230-n), 셀 선택부(240) 및 경로 제어부(250-0~250-n)를 포함할 수 있다.
배터리 관리 시스템(200)은 배터리의 상태를 모니터링하여 최적의 조건에서 유지, 사용할 수 있도록 배터리의 과충전, 과방전을 방지하는 기본 기능뿐 아니라 에너지 저장 입출력, 전력 제어, 셀 밸런싱 기능 등을 수행하는 등 배터리 장치(10)를 자동으로 관리한다. 또한, 배터리의 교체 시기를 예측하며 문제의 배터리를 사전에 발견하는 등의 기능을 수행하는 시스템으로, 도 1에는 셀 밸런싱에 필요한 구성 요소만을 선택적으로 도시하였다.
아울러, 셀 밸런싱은 일반적으로 배터리 장치가 충전도 방전도 하지 않는 휴지기에 수행될 수 있다.
보다 구체적으로, 셀 관리부(220)는 셀 모듈(110)에 포함된 각 셀의 식별자(ID)를 저장 및 관리한다. 전압 센서(230-0~230-n)는 각 셀의 충전량을 측정하여 컨트롤러(210)로 제공한다.
컨트롤러(210)는 전압 센서(230-0~230-n)로부터 수신한 각 셀의 충전량에 따라 셀 밸런싱이 필요한지의 여부를 판단한다. 그리고, 셀 선택부(240)는 각 셀의 충전량을 기초로 하여 어느 하나의 송신 셀 및 적어도 하나의 수신 셀을 선택한다.
여기에서, 송신 셀은 충전량 즉, 전하량이 가장 많은 셀이 될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 수신 셀은 충전량이 가장 적은 셀부터 지정된 개수로 선택된다.
경로 제어부(250-0~250-n)는 셀 선택부(240)에서 송수신 셀이 선택됨에 따라 컨트롤러(210)에 의해 스위칭하여, 송신 셀과 수신 셀 간의 자기 유도를 일으키기 위한 전류 경로를 형성한다. 이에 의해, 송신 셀에 연결된 코일이 1차 코일로 작용하고 수신 셀에 연결된 2차 코일로 작용하여 셀 간의 전하량 밸런싱이 이루어진다.
도 2는 도 1에 도시한 경로 제어부의 구성 및 이를 이용한 셀 밸런싱 개념을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 경로 제어부(250)는 셀(C)의 제 1 전극(예를 들어, 음의 전극)에 접속되는 제 1 스위치(SW1), 제 1 스위치(SW1)에 접속되는 DC-to-AC 변환기(251), DC-to-AC 변환기(251)에 접속되며, 제 1 스위치(SW1)와 연동하여 온/오프되는 제 3 스위치(SW3), 셀(C)의 제 1 전극에 제 1 스위치(SW1)와 병렬로 접속되는 제 2 스위치(SW2), 제 2 스위치(SW2)에 접속되는 AC-to-DC 변환기(253) 및 AC-to-DC 변환기(253)에 접속되며, 제 2 스위치(SW2)와 연동하여 온/오프되는 제 4 스위치(SW4)를 포함한다. 아울러, 제 3 스위치(SW3) 및 제 4 스위치(SW4)는 일측이 공통 접속된다.
한편, 코일(L)은 일측이 셀(C)의 제 2 전극(예를 들어, 양의 전극)에 접속되고, 타측이 제 3 스위치(SW3) 및 제 4 스위치(SW4)의 공통 접속단에 접속되도록 구성할 수 있다.
각 셀은 기본적으로 DC 전력을 사용하므로, 전력을 보내는 송신 셀의 경우 이를 AC로 변환해주기 위해 제 1 스위치(SW1) 및 제 3 스위치(SW3)가 온 상태로 천이한다. 아울러, 전력을 받는 수신 셀은 코일(L)을 통해 수신한 AC 전류를 DC 전류로 변환하여야 하므로 제 2 스위치(SW2) 및 제 4 스위치(SW4)가 온 상태로 천이한다.
따라서, 어느 하나의 셀이 송신 셀로 선택되면, 제 1 스위치(SW1) 및 제 3 스위치(SW3)가 온 상태로 천이하고 해당 송신 셀로부터 방전되는 전하가 DC-to-AC 변환기(251)에 의해 AC로 변환되고 코일에 유도 전류가 형성된다. 또한, 수신 셀로 선택된 셀에 접속된 경로 제어부는 제 2 스위치(SW2) 및 제 4 스위치(SW4)가 온 상태로 천이, 송신 셀에 접속된 코일의 유도 전류가 수신 셀에 접속된 코일로 유도되고, AC-to-DC 변환기(253)에 의해 DC로 변환되어 수신 셀로의 충전이 이루어진다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 셀 밸런싱 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 배터리 관리 시스템(300)의 전압 센서(230-0~230-n)는 컨트롤러(210)의 제어에 따라 셀 모듈(110)에 포함된 각 셀의 전하량을 측정한다(S10). 컨트롤러(210)는 전압 센서(230-0~230-n)의 측정 결과를 셀 선택부(240)로 제공하며, 이에 따라 셀 선택부(240)에서 하나의 송신 셀 및 적어도 하나의 수신 셀이 결정된다(S20). 여기에서, 송신 셀은 전하량이 가장 많은 셀로 결정될 수 있고, 수신 셀은 전하량이 가장 적은 셀부터 지정된 개수로 선택될 수 있다.
이후, 컨트롤러(210)는 셀 선택부(240)에서 선택된 송신 셀의 경로 제어부 및 수신 셀의 경로 제어부에 구비된 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)를 제어하여 전류 경로를 형성한다(S30).
이에 따라, 송신 셀의 코일이 1차 코일로 작용하고 수신 셀의 코일이 2차 코일로 작용하여 셀 밸런싱이 수행되게 된다(S40).
기존의 유선방식 셀 밸런싱은 하나의 셀에서 또 다른 하나의 셀로만 스위치 구조를 통해 전력을 전송할 수 있다. 이와 달리, 본 발명에 의한 무선방식 셀 밸런싱 기법은 하나의 셀에서 여러 개의 다른 셀로 전력을 전송할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 의한 셀 밸런싱 기법은 코일들이 가까운 거리에 형성되어 있기 때문에, 자기유도 방식을 통해 매우 높은 전송 효율를 가질 수 있는 이점이 있다. 아울러, 충전량이 많은 하나의 셀에서 충전량이 적은 여러 셀로 동시에 전력 전송을 할 수 있어 셀 밸런싱 시간을 단축시킬 수 있는 이점 또한 제공한다.
본 발명은 어떤 면에서는 유선과 무선 전력 방식의 절충형이라 할 수 있다. 다만, 유선 방식과 비교할 때 셀과 셀들을 연결하는 복잡한 스위치 네트워크는 필요하지 않으며, 단지 코일 간에 자기유도 현상을 일으키기 위한 최소한의 스위치만을 필요로할 뿐이라는 점에서 개선된 효과를 갖는다.
나아가, 새로운 셀을 설치할 경우 기존 배터리에 코일만 한 층 더 설치하면 되기 때문에 다양한 크기의 배터리를 용이하게 생산할 수 있는 등, 확장성(scalable)이 우수한 장점이 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 배터리 장치
100 : 배터리 팩
110 : 셀 모듈
120 : 코일부
200 : 배터리 관리 시스템
210 : 컨트롤러
220 : 셀 관리부
230 : 전압 센서
240 : 셀 선택부
250 : 경로 제어부

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 복수의 전지 셀을 포함하는 셀 모듈;
    상기 셀 모듈의 일측에 설치되며, 상기 복수의 전지 셀 각각에 접속되는 코일이 적층 형성되며, 상기 적층된 코일 간에 무선 전력 전송이 가능한 코일부; 및
    상기 복수의 전지 셀 각각의 전하량에 기초하여 송신 셀 및 적어도 하나의 수신 셀을 선택하고, 상기 송신 셀에 접속된 코일 및 상기 적어도 하나의 수신 셀에 각각 접속된 코일 간에 유도 전류를 형성하여 상기 송신 셀에 접속된 코일 및 상기 적어도 하나의 수신 셀에 각각 접속된 코일 간에 무선 전력 전송이 이루어지도록 하는 배터리 관리 시스템;
    을 포함하는 배터리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은, 상기 복수의 전지 셀 각각의 식별자를 관리하는 셀 관리부;
    상기 복수의 전지 셀 각각의 충전량을 측정하는 전압 센서;
    셀 밸런싱이 필요한 경우, 상기 전압 센서의 측정 결과에 기초하여 송신 셀 및 적어도 하나의 수신 셀을 선택하는 셀 선택부; 및
    각각의 전지 셀 및 상기 전지 셀에 접속된 코일 사이에 각각 접속되며, 상기 송신 셀에 접속된 코일 및 상기 적어도 하나의 수신 셀에 접속된 코일이 자기 유도를 일으키도록 전류 경로를 형성하는 경로 제어부;
    를 포함하는 배터리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 셀 선택부는 충전량이 가장 많은 셀을 상기 송신 셀로 선택하는 배터리 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 셀 선택부는 충전량이 가장 적은 셀부터 지정된 개수만큼 상기 수신 셀을 선택하는 배터리 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 경로 제어부는, 전지 셀의 제 1 전극에 접속되는 제 1 스위치;
    상기 제 1 스위치에 접속되는 DC-to-AC 변환기;
    상기 DC-to-AC 변환기에 접속되며, 상기 제 1 스위치와 연동하여 온 또는 오프되는 제 3 스위치;
    상기 전지 셀의 제 1 전극에 상기 제 1 스위치와 병렬로 접속되는 제 2 스위치;
    상기 제 2 스위치에 접속되는 AC-to-DC 변환기; 및
    상기 AC-to-DC 변환기에 접속되고, 상기 제 2 스위치와 연동하여 온 또는 오프되며, 일단이 상기 제 3 스위치와 공통 접속되는 제 4 스위치;
    를 포함하는 배터리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전지 셀에 접속되는 코일은 일측이 상기 전지 셀의 제 2 전극에 접속되고, 타측이 상기 제 3 스위치 및 상기 제 4 스위치의 공통 접속단에 접속되는 배터리 장치.
  10. 복수의 전지 셀을 포함하는 셀 모듈, 상기 셀 모듈의 일측에 설치되며 상기 복수의 전지 셀 각각에 접속되는 코일이 적층 형성되며, 상기 적층된 코일 간에 무선 전력 전송이 가능한 코일부, 및 상기 코일의 일측에 접속되는 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 장치의 셀 밸런싱 방법으로서,
    상기 배터리 관리 시스템이 상기 셀 모듈에 포함된 각 전지 셀의 전하량을 측정하는 단계;
    상기 배터리 관리 시스템이 상기 전하량 측정 결과에 기초하여, 송신 셀 및 적어도 하나의 수신 셀을 결정하는 단계; 및
    상기 배터리 관리 시스템이 상기 송신 셀에 접속된 코일 및 상기 적어도 하나의 수신 셀에 접속된 코일이 자기 유도를 일으키도록 전류 경로를 형성하여 상기 송신 셀에 접속된 코일 및 상기 적어도 하나의 수신 셀에 각각 접속된 코일 간에 무선 전력 전송이 이루어지도록 하는 단계;
    를 포함하는 셀 밸런싱 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 송신 셀을 선택하는 단계는 전하량이 가장 많은 셀을 선택하는 단계인 셀 밸런싱 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 수신 셀을 선택하는 단계는 전하량이 가장 적은 셀부터 지정된 개수만큼 상기 전지 셀을 선택하는 단계인 셀 밸런싱 방법.
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