KR101639885B1 - 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

배터리의 상태에 따라 다양한 모드로 동작하면서 배터리를 보호하고 배터리의 성능과 수명을 향상시킬 수 있는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치가 개시된다. 상기 배터리 보조 장치는, 배터리의 양단 전압을 검출하는 배터리 전압 검출부; 상기 배터리에서 출력되거나 배터리로 입력되는 전류를 검출하는 배터리 전류 검출부; 상기 배터리의 방전 전력을 외부로 제공하고 외부로부터 배터리의 충전 전력을 제공받는 외부 연결 단자의 양단 전압을 검출하는 외부 전압 검출부; 상기 배터리의 양단 및 상기 외부 연결 단자의 양단 사이에 연결되며, 상기 배터리의 단자와 상기 외부 연결 단자 사이의 전기적 연결 상태를 운전 모드에 따라 결정하는 복수의 스위치를 포함하는 전력 변환부; 및 상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값, 상기 배터리 전류 검출부에서 검출된 전류값 및 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값 중 적어도 일부에 따라 상기 운전 모드를 결정하고 상기 운전 모드에 따라 상기 복수의 스위치의 개방/단락 상태를 결정하는 스위치 제어부를 포함한다.

Description

정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩{CONSTANT VOLTAGE SOURCE BATTERY ASSIST DEVICE AND BATTERY PACK COMRISING THE SAME}
본 발명은 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리의 상태에 따라 다양한 모드로 동작하면서 배터리를 보호하고 배터리의 성능과 수명을 향상시킬 수 있는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
일반적으로 에너지 저장 장치(Energy Storage System)에서 배터리(Battery)는 계통의 전원이 살아있는 동안에는 전기 에너지를 충전하여 두었다가, 계통의 전원이 공급되지 못하는 상황이 발생하였을 때 방전함으로써 안정된 전원을 계속적으로 공급하는 기능을 한다.
기본적으로 배터리는 직류의 전압원으로 동작한다. 실제로 배터리를 충방전 운전하는 경우 전압은 배터리의 충전상태(SOC: state of charge)에 따라 달라진다. 도 1은 일반적인 리튬-이온 배터리의 충방전 상태에 따른 개방 회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)를 도시한 그래프이다. 도 1의 그래프에서 가로축은 배터리의 충전 상태를 나타내며 세로축은 배터리의 개방 회로 전압을 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리를 충전 운전하는 경우 배터리 전압은 상승하며, 반대로 방전하는 경우 배터리 전압은 하강한다. 배터리를 지나치게 충전하면 배터리 단자 전압이 허용한계를 넘게 되고 분극현상에 의하여 배터리의 소손이나 열화가 발생하며, 심하면 폭발 및 화재의 사고로 진행된다. 반대로 배터리를 지나치게 방전하여 배터리의 단자전압이 허용값 이하로 떨어지는 경우도 배터리는 수명 및 안전에 심각한 영향을 받게 된다. 또한 충전 및 방전 운전시 지나치게 큰 전류가 흘러도 배터리는 위험한 상황에 놓일 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리를 충전 및 방전 운전하는 경우 배터리 전압이 상승 및 하강하는데, 배터리가 완전히 방전되었을 때(완방전 시) 단자전압은 통상적으로 배터리가 완전히 충전 되었을 때(만충전 시)에 비하여 약 70%까지 떨어진다.
이와 같이, 배터리는 충전 및 방전 운전 중에 매우 큰 전압 변동이 발생하며, 과충전 또는 과방전에 따라 사고가 발생하거나 수명 및 안전에 큰 영향을 받을 수 있기 때문에 적절한 관리가 요구된다.
(특허번호 0001) KR 2012-0147717 A
따라서, 본 발명은 배터리의 충전 상태에 따라 다양한 모드로 동작하면서 사고를 예방하고 배터리의 성능과 수명을 향상시킬 수 있는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
배터리의 양단 전압을 검출하는 배터리 전압 검출부;
상기 배터리에서 출력되거나 배터리로 입력되는 전류를 검출하는 배터리 전류 검출부;
상기 배터리의 방전 전력을 외부로 제공하고 외부로부터 배터리의 충전 전력을 제공받는 외부 연결 단자의 양단 전압을 검출하는 외부 전압 검출부;
상기 배터리의 양단 및 상기 외부 연결 단자의 양단 사이에 연결되며, 상기 배터리의 단자와 상기 외부 연결 단자 사이의 전기적 연결 상태를 운전 모드에 따라 결정하는 복수의 스위치를 포함하는 전력 변환부; 및
상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값, 상기 배터리 전류 검출부에서 검출된 전류값 및 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값 중 적어도 일부에 따라 상기 운전 모드를 결정하고 상기 운전 모드에 따라 상기 복수의 스위치(S1, S2, S3)의 개방/단락 상태를 결정하는 스위치 제어부
를 포함하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전력 변환부는, 상기 배터리의 일단에 연결된 일단을 갖는 제1 스위치; 상기 제1 스위치의 타단에 연결된 일단을 갖는 인덕터; 상기 제1 스위치의 일단과 상기 배터리의 타단 사이에 연결된 캐패시터; 상기 인덕터의 타단과 상기 외부 연결 단자의 일단에 각각 연결된 양단을 갖는 제2 스위치; 및 상기 인덕터의 타단과 상기 배터리의 타단에 각각 양단이 연결된 제3 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 운전 모드가 상기 배터리를 충전하는 충전 운전 모드인 경우, 상기 스위치 제어부는, 상기 제1 스위치를 지속적으로 단락 상태가 되도록 결정하고, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값과 상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값에 따른 듀티비로 상기 제2 스위치를 PWM 제어하며, 상기 제3 스위치를 지속적으로 개방 상태가 되도록 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제3 스위치는, 상기 인덕터의 타단에 연결된 캐소드와 상기 배터리의 타단에 연결된 애노드를 갖는 내부 다이오드를 포함하는 MOSFET으로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 운전 모드가 상기 배터리가 전력을 방출하는 방전 운전 모드인 경우, 상기 스위치 제어부는, 상기 제1 스위치를 지속적으로 단락 상태가 되도록 결정하고, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값과 상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값에 따른 듀티비로 상기 제3 스위치를 PWM 제어하며, 상기 제2 스위치를 지속적으로 개방 상태가 되도록 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 스위치는, 상기 인덕터의 타단에 연결된 애노드와 상기 외부 연결 단자의 일단에 캐소드가 연결된 캐소드를 갖는 내부 다이오드를 포함하는 MOSFET으로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위치 제어부는, 상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값이 사전 설정된 한계 고전압 이상이 되는 경우, 상기 제1 스위치를 단락 상태로 결정하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 개방 상태로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위치 제어부는, 상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값이 사전 설정된 한계 저전압 이하가 되는 경우, 상기 제1 스위치를 단락 상태로 결정하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 단락 상태로 결정하여, 상기 배터리를 아이솔레이션 시키고 상기 외부 연결 단자 양단을 바이패스 시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위치 제어부는, 상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값이 사전 설정된 한계 저전압 이하가 되는 경우, 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 개방 상태로 결정하여, 상기 배터리를 아이솔레이션 시키고 상기 외부 연결 단자 양단을 개방 상태가 되게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 외부 연결 단자에 흐르는 전류를 검출하는 외부 전류 검출부를 더 포함할 수 있다. 이 실시형태에서, 상기 스위치 제어부는, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값과 상기 외부 전류 검출부에서 검출된 전류값과, 상기 외부 연결 단자의 전압에 대해 사전 설정된 한계 고전압과 상기 외부 연결 단자의 전압에 대해 사전 설정된 한계 저전압과, 상기 한계 고전압 및 상기 한계 저전압 사이에서 사전 설정된 방전 전압 및 충전 전압-상기 방전 전압은 상기 충전 전압 보다 낮게 설정됨-에 따라 히스테리시스 제어를 통해 배터리의 충전 및 방전 운전을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 한계 저전압은 상기 배터리의 충전 종지 전압 보다 높게 사전 설정되며, 상기 한계 고전압은 상기 배터리의 방전 종지 전압보다 낮게 사전 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위치 제어부는, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값이 상기 한계 저전압 및 상기 방전 전압 사이의 값인 경우, 상기 배터리가 방전되는 방전 운전 모드로 상기 복수의 스위치를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위치 제어부는, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값이 상기 충전 전압 및 상기 한계 고전압 사이의 값인 경우, 상기 배터리가 충전되는 충전 운전 모드로 상기 복수의 스위치를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위치 제어부는, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값이 상기 방전 전압 및 상기 충전 전압 사이의 값이고, 상기 외부 전류 검출부에서 검출된 전류가 상기 외부로 출력되는 전류인 경우, 상기 배터리가 방전되는 방전 운전 모드로 상기 복수의 스위치를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위치 제어부는, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값이 상기 방전 전압 및 상기 충전 전압 사이의 값이고, 상기 외부 전류 검출부에서 검출된 전류가 상기 외부로부터 입력되는 전류인 경우, 상기 배터리가 충전되는 충전 운전 모드로 상기 복수의 스위치를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 다양한 실시형태의 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명에 따르면, 배터리의 양단 전압을 외부 연결 단자의 전압보다 항상 낮은 값으로 유지하고 외부 연결 단자 전압을 일정 범위 내에 일정하게 정전압 특성을 갖도록 유지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 배터리의 양단 전압을 감시하여 과충전 또는 과방전을 예방할 수 있으며, 배터리가 외부 회로에 연결되어 사용되는 중에도 배터리에 문제가 발생하였을 때 외부 회로의 운전을 중단 없이 지속되게 할 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 배터리의 성능과 수명을 향상시킬 수 있으며, 배터리가 적용되는 장치의 운전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 리튬-이온 배터리의 충전 상태에 따른 개방 회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 충전운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 방전운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 충전 종지 운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 방전 종지 운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면으로서, (a)는 바이패스 출력형 방전 종지 운전 모드의 회로 상태를 도시하며 (b)는 개방 출력형 방전 종지 운전 모드를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 스위치 제어부에 설치되는 히스테리시스 제어 함수의 일례를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치가 적용될 수 있는 일반적인 배터리 에너지 저장 장치의 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치가 적용된 배터리 팩을 상호 직렬 연결하여 구성한 배터리 에너지 저장 시스템을 도시한 회로도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치가 적용된 배터리 팩을 직/병렬 혼용 연결하여 구성한 배터리 에너지 저장 시스템을 도시한 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치를 도시한 회로도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 보조 장치(20)는 배터리(10)의 양단에 직접 연결되어 배터리(10)로 외부의 직류 전압을 제공하거나 배터리(10)의 출력 전압을 외부로 제공할 수 있다. 즉, 배터리(10)는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하여 배터리 셀 각각의 전압을 합산한 크기의 전압을 제공하는 직류 전원이 될 수 있으며, 배터리 보조 장치(20)는 배터리(10)로 입력되거나 배터리(10)에서 출력되는 전력을 변환하거나 차단하여 배터리(10)를 보호하는 기능을 갖는 회로 구성으로 볼 수 있다.
배터리(10)와 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치(20)와 포함하도록 모듈화 한 구성을 배터리 팩(1)이라 할 수 있다. 즉, 배터리 팩(1)은 배터리(10)와 그에 연결된 배터리 보조 장치(20)를 하나의 모듈 형태로 제공하는 구조로 이해될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이, 배터리(10)는 상호 직렬로 접속된 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 배터리(10) 내에 상호 직렬 연결된 배터리 셀들은 시간이 경과하면서 내부저항, 충방전용량 등의 편차가 발생하는 문제를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 충전 시 충전용량이 감소한 일부 셀이 조기에 과충전 상태에 이르러 과열되면 전체 배터리가 화재 및 폭발의 위험한 상황에 빠지게 된다. 또한, 일부 배터리 셀 들의 내부저항이 증가하게 되면 충전 시 충분히 충전되지 않았음에도 불구하고 배터리 전체의 전압이 높이 상승함으로써 충전이 중단되어 전체 배터리가 충분히 충전되지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 다수의 배터리 셀을 직렬 연결하여 구현된 배터리의 셀 불평형 문제를 해결하기 위하여 통상적으로 배터리 셀에 셀평형회로(Cell balancing circuit)를 부착하여 준다. 셀평형회로에는 수동형(Passive) 방식과 능동형(Active) 방식이 있다. 수동형 방식은 과층전된 셀의 전하를 저항을 통하여 소비시킴으로써 셀간의 평형을 맞추어주는 방식이고, 능동형 방식은 부족충전된 셀에 더 많은 전류를 공급하여 셀 간의 평형을 맞추어 주는 방식이다. 에너지 저장 장치와 같이 용량이 상대적으로 큰 배터리를 사용하는 경우 능동형 방식을 채용하는 것이 바람직하지만 전력변환기의 부피와 중량이 증가하고 가격이 상승한다는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 배터리(10)는 셀 불평형의 문제가 발생되지 않는 개수(예를 들어, 3 개 내외)의 배터리 셀을 포함하도록 구현할 수 있다. 이 경우, 추가적인 셀 평형회로가 필요하지 않으므로 배터리 관리를 위한 추가 회로에 소요되는 비용을 절감할 수 있다. 대신, 에너지 저장 시스템은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원형 배터리 충방전 회로를 포함하는 배터리 팩을 필요한 개수만큼 직렬 및/또는 병렬 연결하는 구조로 구현함으로써 필요한 용량의 전력 저장 및 공급이 이루어지게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치(20)는 배터리(10) 연결단(21)의 출력 전압(VBATT), 출력 전류(ibatt) 및 외부 연결단(25)의 전압(VO)을 검출하고 그에 따라 적절하게 스위칭 소자들을 제어하여 배터리 상태에 따라 다양한 모드로 동작한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치(20)는 배터리(10)의 양단에 연결된 배터리 연결 단자(21)와 배터리(10)의 양단 전압을 검출하는 배터리 전압 검출부(22)와, 배터리(10)에서 출력되거나 배터리로 입력되는 전류를 검출하는 배터리 전류 검출부(23)와, 결정된 운전 모드에 따라 단락/개방이 제어되는 복수의 스위치(S1, S2, S3)와 캐패시터(CI, CO)와, 인덕터(Lf)와, 외부의 부하측과 연결되어 배터리(10)의 방전 전력을 부하측으로 제공하고 외부로부터 배터리(10)의 충전 전력을 제공받는 외부 연결 단자(25)와, 외부 연결 단자(25)의 양단 전압을 검출하는 외부 전압 검출부(24)와, 배터리 전압 검출부(22), 배터리 전류 검출부(23), 외부 전압 검출부(24)에서 검출된 전압/전류값 또는 외부 입력에 따라 운전 모드를 결정하고 운전 모드에 따른 복수의 스위치(S1, S2, S3)의 상태를 결정하는 스위치 제어부(26)와, 스위치 제어부(26)에 의해 결정된 상태에 따라 복수의 스위치(S1, S2, S3)를 작동시키는 스위치 구동부(27)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리 전압 검출부(22)는 배터리(10)의 양단이 연결된 배터리 연결 단자 사이에 연결되어 배터리(10)의 양단 전압(VBATT)의 크기를 검출한다. 배터리 전압 검출부(22)는 당 기술분야에 알려진 다양한 전압 검출 센서로 구현될 수 있다.
배터리 전류 검출부(23)는 배터리(10)의 양단이 연결된 배터리 연결 단자 중 하나에 연결되어 배터리(10)로부터 제공되는 전류 또는 배터리(10)로 제공되는 전류(iBATT)의 크기를 검출한다. 도 2에 도시된 실시형태에서는 배터리(10)의 (-)단에 연결된 단자에 배터리 전류 검출부(23)가 연결된 일례를 도시하고 있으나, 배터리(10)의 (+)단에 연결된 단자에 연결될 수도 있다. 배터리 전류 검출부(23)는 당 기술분야에 알려진 다양한 전류 검출 센서로 구현될 수 있다.
복수의 스위치(S1, S2, S3)와 캐패시터(CI) 및 인덕터(Lf)는 배터리(10)와 외부 연결 단자(25) 사이에 연결되어, 복수의 스위치(S1, S2, S3)의 개방/단락 상태에 따라 배터리 전력을 전압 변환하여 외부 연결 단자로 제공하거나 외부 연결 단자의 전력을 전압 변환하여 배터리로 제공하는 전력 변환부를 구성할 수 있다.
복수의 스위치(S1, S2, S3)는 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)를 포함할 수 있다. 제1 스위치(S1)는 배터리(10)의 일단((+) 단자)에 일단이 연결되고, 그 타단은 캐패시터(CI)와 인덕터(Lf)의 공통 연결단에 연결될 수 있다.
제1 스위치(S1)은 배터리 연결단자(21)와 외부 연결 단자(25) 사이의 전기적 연결 상태를 단락 또는 개방 상태로 결정하기 위한 스위치이다.
제2 스위치(S2)는 배터리(10)가 충전 상태일 때 외부 연결 단자(25)의 양단에 인가된 전압을 감압하여 배터리(10)로 제공하도록 PWM 제어될 수 있다. 또한, 제2 스위치(S2)는 운전 모드에 따라 다른 스위치의 동작과 연계하여 외부 연결 단자(25)의 양단 연결 상태를 단락 상태로 만들어 외부 연결 단자(25)의 양단이 바이패스 상태가 되도록 결정하거나 외부 연결 단자(25)가 개방상태가 되게 할 수 있다.
캐패시터(CI, CO)와, 인덕터(Lf)는 배터리(10)의 충전 또는 방전 동작 시 교류 성분을 제거하는 필터로서 작용할 수 있다. 특히, 인덕터(Lf)는 제2 스위치(S2) 또는 제3 스위치(S3)가 PWM 제어를 통해 감압 컨버터 또는 승압 컨버터로 동작하는 경우 에너지를 저장하는 초크 코일의 역할을 할 수 있다. 제2 스위치(S2)는 인덕터(Lf)의 타단과 외부 연결 단자(26)의 일단((+) 단자) 사이에 그 양단이 연결될 수 있다.
제3 스위치(S3) 배터리(10)가 방전 상태일 때 PWM 제어되어 배터리(10) 전압을 승압하여 외부 연결 단자(26)로 제공할 수 있다. 또한, 제3 스위치(S3)는 운전 모드에 따라 다른 스위치의 동작과 연계하여 외부 연결 단자(26)의 양단이 바이패스 상태가 되도록 결정할 수 있다. 제3 스위치(S3)는 인덕터(Lf)의 타단과 배터리(10)의 타단에 각각 양단이 연결될 수 있다.
외부 전압 검출부(24)는 외부로부터 직류 전력을 제공받거나 배터리의 직류 전력이 외부로 출력되는 외부 연결 단자(25)의 양단 전압(VO)의 크기를 검출한다. 배터리 전압 검출부(22)와 유사하게 외부 전압 검출부(24)는 당 기술분야에 알려진 다양한 전압 검출 센서로 구현될 수 있다.
스위치 제어부(26)는 배터리 전압 검출부(22), 배터리 전류 검출부(23), 외부 전압 검출부(24)에서 검출된 전압/전류값 또는 외부 입력에 따라 동작 모드를 결정하고 그에 따라 복수의 스위치(S1, S2, S3)의 상태를 결정할 수 있다. 예를 들어, 스위치 제어부(26)는 사전 프로그램된 제어 알고리즘을 이용하여 배터리 전압 검출부(22), 배터리 전류 검출부(23), 외부 전압 검출부(24)에서 검출된 전압/전류값에 따라 복수의 스위치(S1, S2, S3)의 상태를 결정할 수 있다. 또한, 스위치 제어부(26)는 도시하지 않았지만 외부의 사용자로부터 제어 명령을 입력 받을 수 있는 제어 명령 입력 단자를 가질 수 있으며, 이 제어 명령 입력 단자로 입력 받은 사용자의 제어 명령에 따라 스위치 복수의 스위치(S1, S2, S3)의 상태를 결정할 수 있다. 스위치 제어부(26)는 스위치를 제어하기 위한 제어 알고리즘을 프로그램할 수 있는 마이크로프로세서 등으로 구현될 수 있다.
스위치 구동부(27)는 스위치 제어부(26)의 제어 명령에 따라 복수의 스위치(S1, S2, S3)의 동작을 제어할 수 있다. 특히, 스위치 구동부(27)는 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)를 PWM 구동할 수 있는 PWM 구동 IC로 구현될 수 있다.
이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원형 배터리 충방전 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩의 작용 효과에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 충전운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 충전운전 모드시, 스위치 제어부(26)는 제1 스위치(S1)을 지속적으로 단락 상태가 되도록 결정하고, 외부 연결 단자(25)의 양단 전압(VO)과 배터리(10)의 전압 크기(VBATT)에 따라 적절한 듀티비를 갖고 단락/개방을 반복할 수 있도록 제2 스위치(S2)의 단락/개방 상태를 결정한다. 또한, 스위치 제어부(26)는 제3 스위치(S3)가 지속적으로 개방 상태가 되도록 결정한다.
스위치 제어부(26)의 결정에 따라 스위치 구동부(27)는 제1 스위치(S1)가 단락 상태를 유지하고 제2 스위치(S2)가 단락/개방을 반복하는 PWM 스위칭을 수행하도록 PWM 스위칭 신호를 제2 스위치(S2)에 인가하며, 제3 스위치(S3)가 개방 상태를 유지하도록 함으로써 배터리(10)의 충전전류(ibatt)와 충전전압(VBATT)을 제어한다.
즉, 충전운전 모드시, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치(20)는, 제1 스위치(S1)을 단락 상태로 설정하고 제2 스위치(S2)를 PWM 스위칭 제어하며 제3 스위치(S3)를 개방 상태로 설정함으로써, 인덕터(Lf)와, 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)로 구성된 회로가 외부 연결 단자(25)로부터 제공되는 전압을 감압하여 배터리(10) 측으로 제공하는 벅 컨버터(Buck Converter)를 구성하게 한다.
특히, 제3 스위치(S3)는 내부 다이오드(31)를 포함하는 MOSFET을 적용하고, MOSFET의 드레인을 외부 연결 단자(25)의 (+)극 측에 연결하고 소스를 외부 연결 단자(25)의 (-)극 측에 연결되게 함으로써 개방 상태를 유지할 때 내부 다이오드의 캐소드가 외부 연결 단자(25)의 (+)극 측에 연결되고 애노드가 외부 연결 단자(25)의 (-)극 측에 연결되도록 회로를 구성할 수 있다. 이러한 구성을 통해 충전운전 모드 시 초크코일의 역할을 하는 인덕터(Lf)와, 개방 상태의 제3 스위치(S3)의 내부 다이오드 및 PWM 스위칭되는 제2 스위치(S2)를 포함하는 벅 컨버터가 구현될 수 있다.
이와 같이, 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는, 충전 모드 동작 시 배터리 양단 전압(VBATT)이 외부에서 제공되는 충전 전압(VO)보다 항상 낮은 상태 유지할 수 있게 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 방전운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 방전운전 모드시, 스위치 제어부(27)는 제1 스위치(S1)을 지속적으로 단락 상태가 되도록 결정하고, 외부 연결 단자(26)의 양단 전압(VO)과 배터리(10)의 전압에 따라 듀티비를 결정하여 이 듀티비를 갖는 단락/개방을 반복하도록 제3 스위치(S3)의 단락/개방 상태를 결정한다. 또한, 스위치 제어부(27)는 제2 스위치(S3)가 지속적으로 개방 상태가 되도록 결정한다.
스위치 제어부(26)의 결정에 따라 스위치 구동부(27)는 제1 스위치(S1)가 단락 상태를 유지하고 제3 스위치(S3)가 단락/개방을 반복하는 PWM 스위칭을 수행하도록 PWM 스위칭 신호를 제3 스위치(S3)에 인가하며, 제2 스위치(S2)가 개방 상태를 유지하도록 함으로써 외부 연결 단자(25)를 통해 출력되는 전력의 전압(VO) 및 전류(iO)를 제어한다.
즉, 방전운전 모드시, 본 발명의 일 실시형태에 따른 충방전 회로(20)는, 제3 스위치(S3)를 PWM 스위칭 제어하고 제2 스위치(S2)를 개방 상태로 설정함으로써, 인덕터(Lf)와, 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)로 구성된 회로가 배터리(10)의 전압(VBATT)을 승압하여 외부 연결 단자(25)를 통해 출력하는 부스트 컨버터를 구성하게 한다.
특히, 제2 스위치(S2)는 내부 다이오드(32)를 포함하는 MOSFET을 적용하고, MOSFET의 드레인을 외부 연결 단자(25)의 (+)극에 연결하고 소스를 인덕터(Lf)에 연결되게 함으로써 개방 상태를 유지할 때 내부 다이오드의 캐소드가 외부 연결 단자(25)의 (+)극에 연결되고 애노드가 인덕터(Lf)에 연결되도록 회로를 구성할 수 있다. 이러한 구성을 통해 방전운전 모드 시 초크코일의 역할을 하는 인덕터(Lf)와, 개방 상태의 제2 스위치(S2)의 내부 다이오드 및 PWM 스위칭되는 제3 스위치(S3)를 포함하는 부스트 컨버터가 구현될 수 있다.
이와 같이, 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는, 배터리의 방전운전 모드 시 배터리(10) 양단전압(VBATT)보다 외부와 연결되는 외부 연결 단자의 전압(VO)이 항상 높게 유지하도록 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 충전 종지 운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면이다.
예를 들어, 리튬 이온 배터리의 경우 충전 운전 중에 배터리의 양단전압이 4.2 V를 초과하지 않도록 하여야 한다. 이러한 전압 한계값을 충전 종지 전압이라고 한다. 충전 중에 배터리의 단자전압이 과도하게 상승하면 분극 현상에 의하여 배터리가 소손되거나 열화되는 문제가 발생할 뿐만 아니라 심한 경우 화재 및 폭발사고로 진행될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는 배터리(10) 충전시 배터리(10)의 양단 전압(VBATT)을 검출하여 감시하고, 배터리(10) 양단 전압(VBATT)이 상승하여 충전 종지 전압 또는 임의로 설정된 한계 고전압에 이르면, 스위치 제어부(26)는 제1 스위치(S1)만 단락 상태로 설정하고, 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)는 모두 개방 상태가 되도록 설정함으로써, 배터리(10)를 더 이상 충전시키지 않고 방전이 가능한 대기 상태로 유지할 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 것과 같은 충전 종지 운전 모드에서는 제3 스위치(S3)를 PWM 스위칭만 하게 되면 즉시 방전 운전이 가능하게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 방전 종지 운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면으로서, (a)는 바이패스 출력형 방전 종지 운전 모드의 회로 상태를 도시하며 (b)는 개방 출력형 방전 종지 운전 모드를 도시한다.
전술한 충전 운전과는 반대로, 방전 운전 중에 배터리가 과방전되어 허용값 이하로 낮아져도 소손과 열화의 문제가 발생한다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리의 경우 3.6[V] 미만이 되면 방전을 종지하여야 한다. 이러한 전압 한계값을 방전 종지 전압이라고 한다. 이러한 상태에 이르면 과방전에 따른 소손을 막기 위하여 배터리를 회로로부터 분리하여야 한다.
도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 바이패스 출력형 방전 종지 운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면이다. 도 6의 (a)에 도시된 것과 같이, 배터리(10) 양단 전압(VBATT)이 방전 종지 전압 또는 사전에 임의로 설정된 한계 저전압이 되면 스위치 제어부(26)는 제1 스위치(S1)를 개방 상태가 되도록 설정하여 배터리(10)를 전기적으로 아이솔레이션 시키고, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)를 모두 단락 상태가 되도록 설정하여 바이패스 출력형 방전 종지 운전 모드를 실행할 수 있다. 이에 따라, 배터리(10)에 의한 방전이 중지되며, 이 상태에서 배터리(10)를 임의로 제거 및 삽입이 가능하게 된다. 그리고 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 외부 연결 단자(25)는 상호 단락 되어 전원 전압이 존재하지 않는 것처럼 동작할 수 있다.
이러한 바이패스 출력형 방전 종지 운전 모드는, 배터리를 이용한 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System: BESS) 등에서 복수의 배터리를 상호 직렬 연결하여 운전하는 경우 전체 시스템의 운전을 중단하지 않은 상태에서 문제가 발생한 배터리의 교체 및 점검을 가능하게 한다.
도 6의 (b)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 개방 출력형 방전 종지 운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면이다. 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 개방 출력형 방전 종지 운전모드에서 스위치 제어부(26)는 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)를 모두 개방 상태가 되도록 설정한다. 이에 따라, 개방 출력형 방지 종전 운전 모드에서 배터리(10)는 아이솔레이션 되어 더 이상 방전하지 않게 되며, 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3) 각각의 내부 다이오드(32, 31)에 의해 배터리 보조 장치의 외부 연결 단자(25)는 역바이어스로 접속된 개방 상태가 된다. 이러한 개방 출력형 방지 종전 운전 모드는 즉시 충전 운전으로 전환이 가능한 대기 상태로서, 제2 스위치(S2)만 PWM 스위칭 하면 즉시 충전 운전이 가능하다. 도 6의 (a)에 도시된 바이패스 출력형 방전 종지 운전 모드와 마찬가지로, 개방 출력형 방전 종지 운전 모드에서 배터리(10)는 전기적으로 아이솔레이션된 상태이므로 임의로 제거 및 삽입이 가능한 상태가 된다.
이러한 개방 출력형 방전 종지 운전은, 배터리를 이용한 에너지 저장 시스템 등에서 복수의 배터리를 상호 병렬 연결하여 운전하는 경우 전체 시스템의 운전을 중단하지 않은 상태에서 문제가 발생한 배터리의 교체 및 점검을 가능하게 한다.
이상과 같은 운전 모드의 선택은 스위치 제어부(26)에 통신선 등을 통해 연결되어 외부로부터 운전 모드 선택에 대한 명령을 제공하는 호스트 컴퓨터의 명령을 통해 이루어지거나, 스위치 제어부(26)에 설치된 제어 소프트웨어에 의한 히스테리시스 제어 함수에 따라 이루어질 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 스위치 제어부에 설치되는 히스테리시스 제어 함수의 일례를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하여, 스위치 제어부(26)에서 이루어지는 히스테리시스 제어에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 스위치 제어부(26)에 의한 히스테리시스 제어는 외부 연결 단자(25)의 전압(VO)과 전류(IO)에 제어 조건이 결정될 수 있다. 한계 저전압(VLow)은 배터리(10)의 충전 종지 전압 보다 높게 사전 설정될 수 있으며, 한계 고전압(VHigh)은 배터리(10)의 방전 종지 전압보다 낮게 사전 설정될 수 있다. 또한, 한계 저전압(VLow)과 한계 고전압(VHigh) 사이에서 방전 전압(VDischarge) 및 충전 전압(VCharge)이 설정될 수 있으며, 방전 전압(VDischarge)은 충전 전압(VCharge) 보다 낮게 설정될 수 있다.
외부 연결 단자(25)의 전압(VO)이 한계 저전압(VLow)보다 낮거나 한계 고전압 (VHigh)보다 높은 경우는 정상적인 운전이 되지 않을 수 있는 영역이므로, 외부 연결 단자(25)의 전압(VO)이 한계 저전압(VLow)과 한계 고전압(VHigh) 사이에 있도록, 외부 연결 단자(25)에 연결되는 외부 회로의 전압 운전 범위를 설계한다.
외부 회로의 전압이 VLow < VO < VDischarge 의 조건에 있으면 스위치 제어부(26)는 방전 운전 모드로 동작하도록 스위치 제어부(26)가 스위치(S1 내지 S3)의 상태를 설정한다. 또한, 외부 회로의 전압이 VCharge < VO < VHigh 의 조건에 있으면 스위치 제어부(26)는 충전 운전 모드로 동작하도록 스위치 제어부(26)가 스위치(S1 내지 S3)의 상태를 설정한다.
외부 회로의 전압이 VDischarge < VO < VCharge 및 IO > 0 조건에 있으면 스위치 제어부(26)는 방전 운전 모드로 동작하도록 스위치 제어부(26)가 스위치(S1 내지 S3)의 상태를 설정한다. 또한, 외부 회로의 전압이 VDischarge < VO < VCharge 및 IO < 0 조건에 있으면 스위치 제어부(26)는 충전 운전 모드로 동작하도록 스위치 제어부(26)가 스위치(S1 내지 S3)의 상태를 설정한다.
이러한 제어를 통하여 외부 연결 단자(25)의 전압은 설정된 VDischarge < VO < VCharge 사이에서 안정되게 동작하게 되며, 사용자는 배터리의 동작을 인식하지 않아도 마치 단자전압이 거의 일정한 정전압 특성을 갖는 배터리를 사용하는 것과 같은 효과를 가질 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 적용예를 설명한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는 다양한 산업적 용도에 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는 단일의 배터리 팩 단위로 사용될 수도 있고 여러 개의 배터리 팩을 직렬접속 하거나 병렬접속 또는 직/병렬 혼용 접속하여 사용할 수 있다. 어떠한 접속 방식을 적용하더라도 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치가 적용된 배터리 팩은 정상상태에서 출력단 전압이 사전 설정된 범위(도 7의 VDischarge < VO < VCharge) 사이에서 유지된 상태에서 배터리를 충전 또는 방전할 수 있다. 또한 과충전 및 과방전, 과전류 등의 위험한 상태에 이르면 자동적으로 내부의 배터리를 보호할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치가 적용될 수 있는 일반적인 배터리 에너지 저장 장치의 회로도이다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는 도 8에 도시된 것과 같은 배터리 에너지 저장 시스템(BESS; battery energy storage system)에 적용될 수 있다.
도 8을 참조하면, 일반적인 배터리 에너지 저장 시스템은, 배터리(41)와 DC 링크(42)와 DC 링크(42)를 통해 배터리(41)와 연결되는 양방향 PWM 인버터(43)와, 필터부(44)와, 매칭 트랜스포머(45)와 AC 출력단(46)을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 일반적인 배터리 에너지 저장 시스템에서, 방전 시에는 DC 링크(42)를 통해 양방향 PWM 인버터(43)가 배터리(41)의 직류 전력을 입력 받고, 양방향 PWM 인버터(43)는 스위치(SW1 내지 SW4)의 PWM 구동을 통해 입력 받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력한다. 양방향 PWM 인버터(43)에서 출력된 교류 전력은 필터(44)를 거쳐 매칭 트랜스포머(45)에 의해 변압된 후 교류 입출력단(46)을 통해 출력된다. 교류 입출력단(46)은 계통이나 교류 부하에 연결되어 배터리의 전력이 계통이나 부하로 제공될 수 있다.
또한, 충전 시에는 계통 전원이 교류 입출력단(46)을 통해 입력되어 매칭 트랜스포머(45)에 의해 변압된 후 필터(44)를 거쳐 양방향 PWM 인버터(43)로 입력된다. 양방향 PWM 인버터(43)는 스위치(SW1 내지 SW4)의 PWM 구동을 통해 입력 받은 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 출력하며, 양방향 PWM 인버터(43)에서 출력되는 직류 전력은 DC 링크(42)를 통해 배터리(41)로 입력되어 배터리(41)가 충전된다.
도 8에 도시된 것과 같이, 배터리(41)는 복수의 배터리 셀들이 직렬 연결되어 하나의 구조를 형성하는 단일 배터리 팩의 형태로 구현될 수 있으나, 배터리 셀들간의 불평형 문제를 해소하기 위해 복수의 배터리 팩을 원하는 직류 출력을 구현할 수 있는 개수로 직렬, 병렬 또는 직/병렬 혼용의 연결 구조로 연결하여 사용할 수 있다. 이 경우 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 셀 간 불평형을 발생시키지 않는 개수로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는 배터리와 함께 배터리 팩을 구성하는 요소로서 단일 배터리 팩 또는 다수의 배터리 팩이 적용되는 배터리 에너지 저장 시스템에 모두 적용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치가 적용된 배터리 팩을 상호 직렬 연결하여 구성한 배터리 에너지 저장 시스템을 도시한 회로도이다.
도 9를 참조하면, n 개의 배터리 팩(1-1 내지 1-n) 각각은 배터리(10-1 내지 10-n)와 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치(20-1 내지 20-n)을 포함할 수 있다. 배터리 팩(1-1 내지 1-n) 각각의 출력단(즉, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 외부 연결 단자)은 상호 직렬 연결되고 이 직렬 연결된 구조가 배터리 에너지 저장 시스템의 DC 링크(42)에 연결된다.
특히, 도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치를 적용하여 구현한 고장 감내 운전의 일례를 도시한 것으로, 배터리 팩(1-2)의 배터리(10-2)가 고장 등의 이유로 사용이 불가한 경우 그에 연결된 배터리 보조 장치(20-2)를 도 6의 (a)와 같은 “바이패스 출력형 방전 종지 운전 모드”로 운전함으로써 나머지 배터리 팩을 활용하여 배터리 에너지 저장 시스템의 운전을 중단 없이 계속할 수 있으며, 배터리(10-2)의 수리 및 교체가 가능하게 된다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치가 적용된 배터리 팩을 직/병렬 혼용 연결하여 구성한 배터리 에너지 저장 시스템을 도시한 회로도이다.
도 10은 총 2n 개의 배터리 팩(1-11 내지 1-n, 1-21 내지 1-2n)이 에너지 저장을 위해 마련된 적용예이다. 도 10의 예는, 복수의 배터리 팩(1-11 내지 1-1n)은 상호 직렬 연결되고 복수의 배터리 팩(1-11 내지 1-1n) 각각에 복수의 배터리 팩(1-21 내지 1-2n)이 각각 병렬 연결된 연결 구조를 갖는다. 복수의 배터리 팩(1-11 내지 1-n, 1-21 내지 1-2n) 각각은 배터리(10-11 내지 10-1n, 10-21 내지 10-2n)와 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치(20-11 내지 20-1n, 20-21 내지 20-2n)을 포함할 수 있다. 이와 같이 복수의 배터리 팩(1-11 내지 1-n, 1-21 내지 1-2n)이 직/병렬 혼용으로 연결된 연결 구조가 배터리 에너지 저장 시스템의 DC 링크(42)에 연결된다.
특히, 도 10는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치를 적용하여 구현한 고장 감내 운전의 일례를 도시한 것으로, 배터리 팩(1-22)의 배터리(10-22)가 고장 등의 이유로 사용이 불가한 경우 그에 연결된 배터리 보조 장치(20-22)를 도 6의 (b)와 같은 “개방 출력형 방전 종지 운전 모드”로 운전함으로써 나머지 배터리 팩을 활용하여 배터리 에너지 저장 시스템의 운전을 중단 없이 계속할 수 있으며, 배터리(10-22)의 수리 및 교체가 가능하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는, 배터리의 양단 전압을 외부 연결 단자의 전압보다 항상 낮은 값으로 유지하고 외부 연결 단자 전압을 일정 범위 내에 일정하게 정전압 특성을 갖도록 유지할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는, 배터리의 양단 전압을 감시하여 과충전 또는 과방전을 예방할 수 있으며, 배터리가 외부 회로에 연결되어 사용되는 중에도 배터리에 문제가 발생하였을 때 외부 회로의 운전을 중단 없이 지속되게 할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 배터리 20: 배터리 보조 장치
21: 배터리 연결 단자 22: 배터리 전압 검출부
23: 배터리 전류 검출부 24: 외부 전압 검출부
25: 외부 전류 검출부 26: 외부 연결 단자
27: 스위치 제어부 28: 스위치 구동부
31, 32: 내부 다이오드 S1-S3: 스위치
CI: 캐패시터 Lf: 인덕터

Claims (16)

  1. 배터리의 양단 전압을 검출하는 배터리 전압 검출부;
    상기 배터리에서 출력되거나 배터리로 입력되는 전류를 검출하는 배터리 전류 검출부;
    상기 배터리의 방전 전력을 외부로 제공하고 외부로부터 배터리의 충전 전력을 제공받는 외부 연결 단자의 양단 전압을 검출하는 외부 전압 검출부;
    상기 배터리의 양단 및 상기 외부 연결 단자의 양단 사이에 각각 연결되는 복수의 스위치를 포함하는 전력 변환부; 및
    상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값, 상기 배터리 전류 검출부에서 검출된 전류값 및 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값 중 적어도 일부에 따라, 충전 운전 모드, 방전 운전 모드, 충전 종지 운전 모드 및 방전 종지 운전 모드를 포함하는 운전 모드들 중 어느 하나로 운전 모드를 결정하고 상기 운전 모드에 따라 상기 복수의 스위치의 개방/단락 상태를 결정하는 스위치 제어부
    를 포함하되,
    상기 운전 모드 결정을 통해 상기 외부 연결 단자의 양단 전압을 정전압으로 유지하며,
    상기 전력 변환부는,
    상기 배터리의 일단에 연결된 일단을 갖는 제1 스위치;
    상기 제1 스위치의 타단에 연결된 일단을 갖는 인덕터;
    상기 제1 스위치의 일단과 상기 배터리의 타단 사이에 연결된 캐패시터;
    상기 인덕터의 타단과 상기 외부 연결 단자의 일단에 각각 연결된 양단을 갖는 제2 스위치; 및
    상기 인덕터의 타단과 상기 배터리의 타단에 각각 양단이 연결된 제3 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 운전 모드가 상기 배터리를 충전하는 충전 운전 모드인 경우,
    상기 스위치 제어부는, 상기 제1 스위치를 지속적으로 단락 상태가 되도록 결정하고, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값과 상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값에 따른 듀티비로 상기 제2 스위치를 PWM 제어하며, 상기 제3 스위치를 지속적으로 개방 상태가 되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제3 스위치는,
    상기 인덕터의 타단에 연결된 캐소드와 상기 배터리의 타단에 연결된 애노드를 갖는 내부 다이오드를 포함하는 MOSFET인 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 운전 모드가 상기 배터리가 전력을 방출하는 방전 운전 모드인 경우,
    상기 스위치 제어부는, 상기 제1 스위치를 지속적으로 단락 상태가 되도록 결정하고, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값과 상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값에 따른 듀티비로 상기 제3 스위치를 PWM 제어하며, 상기 제2 스위치를 지속적으로 개방 상태가 되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 스위치는,
    상기 인덕터의 타단에 연결된 애노드와 상기 외부 연결 단자의 일단에 캐소드가 연결된 캐소드를 갖는 내부 다이오드를 포함하는 MOSFET인 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
    상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값이 사전 설정된 한계 고전압 이상이 되는 경우, 상기 제1 스위치를 단락 상태로 결정하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 개방 상태로 결정하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
    상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값이 사전 설정된 한계 저전압 이하가 되는 경우, 상기 제1 스위치를 단락 상태로 결정하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 단락 상태로 결정하여, 상기 배터리를 아이솔레이션 시키고 상기 외부 연결 단자 양단을 바이패스 시키는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
    상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값이 사전 설정된 한계 저전압 이하가 되는 경우, 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 개방 상태로 결정하여, 상기 배터리를 아이솔레이션 시키고 상기 외부 연결 단자 양단을 개방 상태가 되게 하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 외부 연결 단자에 흐르는 전류를 검출하는 외부 전류 검출부를 더 포함하며,
    상기 스위치 제어부는, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값과 상기 외부 전류 검출부에서 검출된 전류값과, 상기 외부 연결 단자의 전압에 대해 사전 설정된 한계 고전압과 상기 외부 연결 단자의 전압에 대해 사전 설정된 한계 저전압과, 상기 한계 고전압 및 상기 한계 저전압 사이에서 사전 설정된 방전 전압 및 충전 전압-상기 방전 전압은 상기 충전 전압 보다 낮게 설정됨-에 따라 히스테리시스 제어를 통해 배터리의 충전 및 방전 운전을 제어하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 한계 저전압은 상기 배터리의 충전 종지 전압 보다 높게 사전 설정되며, 상기 한계 고전압은 상기 배터리의 방전 종지 전압보다 낮게 사전 설정되는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
    상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값이 상기 한계 저전압 및 상기 방전 전압 사이의 값인 경우, 상기 배터리가 방전되는 방전 운전 모드로 상기 복수의 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
    상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값이 상기 충전 전압 및 상기 한계 고전압 사이의 값인 경우, 상기 배터리가 충전되는 충전 운전 모드로 상기 복수의 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.
  14. 제10항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
    상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값이 상기 방전 전압 및 상기 충전 전압 사이의 값이고, 상기 외부 전류 검출부에서 검출된 전류가 상기 외부로 출력되는 전류인 경우, 상기 배터리가 방전되는 방전 운전 모드로 상기 복수의 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.
  15. 제10항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
    상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값이 상기 방전 전압 및 상기 충전 전압 사이의 값이고, 상기 외부 전류 검출부에서 검출된 전류가 상기 외부로부터 입력되는 전류인 경우, 상기 배터리가 충전되는 충전 운전 모드로 상기 복수의 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.
  16. 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 및
    제1항의 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치
    를 포함하는 배터리 팩.
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