KR101855451B1 - 셀 밸런싱 기능이 있는 셀 모듈을 갖는 배터리팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신재생 에너지 저장용 배터리의 기능을 향상시키고 또한 배터리의 생산원가를 절감 할 수 있는 셀 밸런싱 기능이 있는 셀 모듈을 개시한다. 본 발명의 셀 밸런싱 기능이 있는 셀 모듈은, 셀 충전기 제어기가 외부의 명령을 받아 DC/DC 컨버터 셀 충전기를 구동하여 셀의 전압, 전류, 온도 정보를 측정하여 외부에 보내주고, 외부의 명령을 받아 DC/DC 컨버터 셀 충전기를 구동하여 셀을 CC/CV 방식으로 충전하는 셀 밸런싱 기능이 있다. 이와 같은 본 발명의 실시예에서는 전압이 높을 셀을 방전 하지 않고 전압이 낮은 셀을 CC/CV 방식으로 충전하여 셀 편차를 해소할 수 있다.

Description

셀 밸런싱 기능이 있는 셀 모듈을 갖는 배터리팩{Battery Pack having Cell module with cell balancing function}
본 발명은 신재생 에너지 저장용 배터리의 기능을 향상시키고 또한 배터리의 생산원가를 절감 할 수 있는 셀 밸런싱 기능이 있는 셀 모듈 및 그를 갖는 배터리팩에 관한 것이다.
지구온난화, 화석연료의 고갈 등의 문제로 대체 에너지의 발굴에 많은 관심이 모아지고 있는 가운데 신재생 에너지의 활용도를 높일 수 있는 에너지 저장 용 배터리 개발에 많은 투자가 이루어지고 있다. 미래 대체 에너지원으로 떠오르고 있는 신재생 에너지의 보급을 확대하기 위해서는 이 신재생 에너지를 저장 할 수 있는 배터리의 성능 개선 및 가격 인하가 필요하다.
태양광 발전전력이나 풍력 발전 전력을 저장 하였다가 필요할 때 사용을 할 수 있는 배터리를 구성하는데 있어 필수적인 기술이 셀 밸런싱 기술이다. 셀 밸런싱 기술이 우수하면 배터리의 성능이 개선되고 수명이 연장되며 또한 배터리의 제조원가가 절감된다. 그 이유는 셀 밸런싱 기능이 우수하면 배터리를 만 충전 할 수 있어 에너지 저장의 가용 용량이 증가하고, 셀 밸런싱을 잘 할 수 있으면 배터리를 구성하는 셀 (Cell, 전지) 들의 편차를 관리할 수 있어 셀들을 과전압 충전으로부터 보호를 할 수 있어 셀의 수명이 연장되며, 또한 셀 편차를 수용할 수 있는 셀 밸런싱 기술을 적용하면 셀의 제조 공정에서 셀 선별 공정을 단순화 할 수 있어 셀의 제조 원가가 절감된다.
셀 밸런싱 기술에는 패시브 방식과 액티브 방식이 있다. 패시브 방식은 전압이 높은 셀을 저항을 통해 방전하여 전압을 낮추어 셀 편차를 해소하는 방법이다. 이때 방전하는 에너지는 저항에서 열로 소비해 버린다.
액티브 방식은 전압이 높은 셀을 방전하여 전압이 낮은 셀로 이동 시켜 셀 간의 편차를 해소 하는 방법이다.
패시브 방식은 회로가 간단하고 비용이 저렴하다는 장점이 있어 현재 대부분의 에너지 저장용 배터리에는 패시브 방식이 사용된다.
액티브 방식은 방전 에너지를 재 활용하고 셀 밸런싱 시 열의 발생이 적다는 장점이 있지만 셀 밸런싱 성능이 패시브 방식과 비교해 크기게 개선되지 않으며 회로가 복잡하며 가격이 비싸 현재 거의 사용되지 않는다.
기존의 방식에서는 전압이 높은 셀을 방전하여 셀 편차를 해소 한다는 공통점이 있다.
따라서, 셀 편차를 해소하고 배터리를 만 충전 할 수 있도록 하는 것이 매우 중요한 실정이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전압이 높을 셀을 방전하지 않고 셀 편차를 해소함으로써 배터리를 만 충전 할 수 있도록 하여 에너지 저장 용량을 최대한 사용할 수 있도록 하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 셀들을 CC/CV 방식으로 충전하여 셀들을 과전압 충전으로 부터 보호하여 배터리의 수명을 연장시키는데 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전압이 셀 편차를 효과적으로 관리할 수 있도록 하여 셀의 제조 공정에서 셀 선별 공정을 단순화시킴으로서 셀의 제조원가를 줄이는데 있다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징에 따른 셀모듈은,
온도 센서가 내장되는 충전 가능한 셀;
상기 셀을 충전하는 DC/DC 컨버터 셀 충전기;
외부와 통신을 하기 위한 통신 모듈;
상기 DC/DC 컨버터 셀 충전기를 구동하여 상기 셀의 전압, 전류, 온도 정보를 측정하여 상기 통신모듈을 통하여 외부의 외부에 송신하고, 상기 통신 모듈을 통해 외부의 명령을 받아 상기 DC/DC 컨버터 셀 충전기를 구동하여 상기 셀을 CC/CV 방식으로 충전하는 셀 충전기 제어기를 포함한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따른 셀모듈은,
온도 센서가 내장되는 충전 가능한 셀;
상기 셀을 충전하는 DC/DC 컨버터 셀 충전기;
외부와 무선 통신을 하기 위한 무선 통신 모듈;
상기 DC/DC 컨버터 셀 충전기를 구동하여 상기 셀의 전압, 전류, 온도 정보를 측정하여 상기 무선 통신 모듈을 통하여 외부의 외부에 송신하고, 상기 무선 통신 모듈을 통해 외부의 명령을 받아 상기 DC/DC 컨버터 셀 충전기를 구동하여 상기 셀을 CC/CV 방식으로 충전하는 셀 충전기 제어기를 포함한다.
상기 무선 통신 모듈은 안테나를 더 포함한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징에 따른 셀모듈 및 그를 갖는 배터리팩은,
복수개의 셀 모듈을 포함하고,
상기 셀 모듈 각각은,
온도 센서가 내장되는 충전 가능한 셀;
상기 셀을 충전하는 DC/DC 컨버터 셀 충전기;
외부와 통신을 하기 위한 통신 모듈;
상기 DC/DC 컨버터 셀 충전기를 구동하여 상기 셀의 전압, 전류, 온도 정보를 측정하여 상기 통신모듈을 통하여 외부의 외부에 송신하고, 상기 통신 모듈을 통해 외부의 명령을 받아 상기 DC/DC 컨버터 셀 충전기를 구동하여 상기 셀을 CC/CV 방식으로 충전하는 셀 충전기 제어기를 포함하고,
상기 각 셀모듈의 각 셀은 다른 셀모듈의 셀과 직렬연결되고,
통신 커넥터에 상기 각 셀모듈의 셀모듈 통신 커넥터가 연결되고,
전원 공급 커넥터에 셀충전 제어기의 전원 공급 커넥터가 연결되는 것을 특징으로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따른 셀모듈을 갖는 배터리팩은,
복수개의 셀 모듈을 포함하고,
상기 셀 모듈 각각은,
온도 센서가 내장되는 충전 가능한 셀;
상기 셀을 충전하는 DC/DC 컨버터 셀 충전기;
외부와 무선 통신을 하기 위한 무선 통신 모듈;
상기 DC/DC 컨버터 셀 충전기를 구동하여 상기 셀의 전압, 전류, 온도 정보를 측정하여 상기 무선 통신 모듈을 통하여 외부의 외부에 송신하고, 상기 무선 통신 모듈을 통해 외부의 명령을 받아 상기 DC/DC 컨버터 셀 충전기를 구동하여 상기 셀을 CC/CV 방식으로 충전하는 셀 충전기 제어기를 포함하고,
상기 각 셀모듈의 각 셀은 다른 셀모듈의 셀과 직렬연결되고,
전원 공급 커넥터에 셀충전 제어기의 전원 공급 커넥터가 연결되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명의 실시예에서는 전압이 높을 셀을 방전 하지 않고 전압이 낮은 셀을 CC/CV 방식으로 충전하여 셀 편차를 해소할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 전압이 높을 셀을 방전하지 않고 셀 편차를 해소 함으로 배터리를 만 충전 할 수 있어 에너지 저장 용량을 최대한 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 셀들을 CC/CV 방식으로 충전하여 셀들을 과전압 충전으로 부터 보호하여 배터리의 수명이 연장된다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 전압이 낮은 셀들을 CC/CV 방식으로 충전 함으로 셀 편차를 효과적으로 관리할 수 있어 셀의 제조 공정에서 셀 선별 공정을 단순화 할 수 있어 셀의 제조원가를 절감 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 셀 모듈의 예시를 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 셀 모듈의 예시이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 셀 모듈을 갖는 배터리 팩의 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 셀 모듈을 갖는 배터리팩의 예를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 다른 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 부여하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 셀 모듈의 예시를 도시한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예의 셀 모듈은 CC/CV 충전기 기능을 갖춘 DC/DC 컨버터, 마이크로 프로세서 기반의 셀 충전기 제어기, 통신 모듈 그리고 셀로 구성되어 있다.
도 1에 셀 모듈 회로도를 예시하였다.
DC/DC 컨버터 셀 충전기(110)는 모듈을 구성하는 셀의 전압을 설정된 전압으로 변환하는 역할을 한다.
따라서 이 DC/DC 컨버터 셀 충전기(110)의 출력은 입력 전압에 관계없이 다시 말해 셀의 전압에 관계없이 설정된 전압을 출력한다.
또한 이 DC/DC 컨버터 셀 충전기(110)는 CC/CV (constant current / constant voltage, 정전류/정전압) 충전 기능을 가지고 있어 셀 모듈의 셀을 셀 전압에 관계없이 CC/CV 방식으로 충전 할 수 있다.
셀 충전기 제어기(130)는 마이크로 프로세서로 구성되어 있으며 외부의 명령을 받아 DC/DC 컨버터 셀 충전기 내부의 CC/CV 충전기(110)를 제어하여 셀을 CC/CV 방식으로 충전한다.
또한, 셀 충전기 제어기(130)는 DC/DC 컨버터 셀 충전기(110)에 내장되어 있는 회로 및 마이크로프로세서에 내장되어 있는 ADC를 이용하여 셀의 전압, 전류 및 온도를 측정하고 이 값을 외부에 전달한다.
또한, 셀 충전기 제어기(130)는 전압이 높을 셀을 방전 하지 않고 전압이 낮은 셀을 CC/CV 방식으로 충전하여 셀 편차를 해소하고, 배터리를 만 충전 한다. 이에 따라 에너지 저장 용량을 최대한 사용할 수 있다.
또한, 셀 충전기 제어기(130)는 셀들을 CC/CV 방식으로 충전하여 셀들을 과전압 충전으로 부터 보호하여 배터리의 수명을 연장한다.
또한, 셀 충전기 제어기(130)는 전압이 낮은 셀들을 CC/CV 방식으로 충전함으로써 셀 편차를 효과적으로 관리하여 셀의 제조 공정에서 셀 선별 공정을 단순화하고, 셀의 제조원가를 절감한다.
그리고 DC/DC 컨버터 셀 충전기(110)가 셀의 전압, 전류 및 온도를 측정 하는 방법은 일반적으로 널리 알려진 기술로 여기에서는 이에 대한 구체적인 기술을 생략한다.
통신 모듈(140)은 외부와 셀 모듈(100)의 셀 충전기 제어기(130)와의 통신을 담당한다.
셀 충전기 제어기(130)는 외부에서 공급하는 전원으로 구동한다. 따라서 외부에서 전원을 공급하지 않으면 셀 모듈의 셀 충전기 제어기(130)는 동작을 하지 않으며 이때 셀 모듈의 소비전력은 없다.
셀 모듈(100)에는 셀 모듈에 내장되어 있는 셀의 음극과 양극을 연결 할 수 있는 단자(121, 122), 셀 충전 제어기에 전원을 공급 할 수 있는 커넥터(131) 그리고 셀 모듈과 외부와의 통신을 위한 커넥터(141)가 구비되어 있다
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 셀 모듈의 예시이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 셀 모듈(101)은 도 1의 제1 실시예와 유사한 구조와 기능을 가지고 있으나 통신 모듈(140)이 무선 통신 모듈(150)이라는 점이 다르다.
제1 실시예서는 도 1에 있는 셀 모듈 통신 커넥터(141)가 없고 대신 안테나(151)가 추가로 구비된다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 셀 모듈을 갖는 배터리 팩의 예를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 실시예에 따른 셀 모듈을 갖는 배터리 팩(1000)은 도 1의 셀 모듈(100)을 사용하여 구성한 배터리 팩을 예시한다.
도 3에서는 셀 모듈(100) N개를 직렬로 연결하여 구성한 배터리 팩(1000)을 예시한다.
셀 모듈(100)들은 필요에 따라 병렬 또는 직렬 병렬을 혼합하여 배터리팩(1000)를 구성 할 수 도 있다.
도 3와 같이 셀 모듈(100)들을 연결하여 배터리 팩(1000)을 구성하고 배터리 팩의 양극 및 음극 단자(1140, 1130)를 통해 배터리를 충전 또는 방전 할 수 있다.
셀 모듈(100)들의 셀 충전기 제어기(130)는 셀의 전압을 측정하여 이 셀 전압 정보를 통신 모듈(140)을 통해 외부로 전달한다.
이 정보를 받은 외부의 BMS (battery management system, 배터리 관리 시스템) 또는 외부 장비는 다른 셀 모듈들로 부터 보내온 셀 전압정보들을 비교하여 다른 셀 모듈의 전압 보다 전압이 낮은 셀 모듈이 있을 경우 해당 셀 모듈에 명령을 전달하여 해당 셀 모듈의 셀을 CC/CV 방식으로 충전 하도록 명령을 준다.
CC/CV 로 셀을 충전 하라는 명령을 받은 셀 충전기 제어기(130)는 DC/DC 컨버터 셀 충전기(110)를 구동하여 셀을 설정된 전압으로 CC/CV 방식으로 충전 하며 이러한 과정을 통하여 배터리를 구성 하고 있는 셀들의 편차를 해소하여 셀 밸런싱 기능을 수행한다.
배터리 팩(1000)에는 셀 모듈들의 셀 충전기 제어기(130)에 전원을 공급하는 커넥터(1110)가 있어 이를 통해 셀 모듈(100)의 셀 충전기 제어기(130)들에 전원을 공급한다. 배터리 팩(1000)에는 배터리 팩(1000)과 외부 장비와의 통신을 위한 커넥터(1120)가 구비되어 있다.
이와 같은 본 발명의 제1 실시예의 배터리 팩(1000)은 도 1의 셀 모듈(100)들을 사용하여 도 3과 같이 배터리 팩(1000)을 구성하고, 셀 모듈(100)들의 셀 충전기 제어기(130)들이 외부의 명령을 받아 DC/DC 컨버터 셀 충전기(110)를 구동하여 셀의 전압, 전류, 온도를 측정하여 외부에 보내주고, 셀 모듈(100)들은 외부의 명령을 받아 DC/DC 컨버터 셀 충전기(110)를 구동하여 필요한 셀들을 CC/CV 방식으로 충전하는 방식으로 셀 밸런싱 기능을 수행한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 셀 모듈을 갖는 배터리팩의 예를 나타낸 도면이다.
도 4의 제2 실시예에 따른 배터리 팩(1001)은 도 3과 유사하나 도 3이 유선 통신을 통해 외부와 통신하는 것에 비해 도 4에서는 무선 통신을 통해 외부와 통신을 한다.
이러한 제2 실시예의 배터리 팩(1001)은 도 2의 무선통신 셀 모듈(101)들을 사용하여 도 4와 같이 무선통신을 하는 배터리 팩(1001)을 구성하고, 셀 모듈(101)들의 셀 충전기 제어기(130)들이 외부의 명령을 받아 DC/DC 컨버터 셀 충전기(110)를 구동하여 셀의 전압, 전류, 온도 정보를 측정하여 외부에 보내주고, 셀 모듈(101)들은 외부의 명령을 받아 DC/DC 컨버터 셀 충전기(110)를 구동하여 필요한 셀들을 CC/CV 방식으로 충전하는 방식으로 셀 밸런싱 기능을 수행하는 셀 밸런싱 기능이 있는 셀 모듈을 제공한다.
이와 같은 본 발명의 실시예에서는 전압이 높을 셀을 방전 하지 않고 전압이 낮은 셀을 CC/CV 방식으로 충전하여 셀 편차를 해소할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 전압이 높을 셀을 방전하지 않고 셀 편차를 해소 함으로 배터리를 만 충전 할 수 있어 에너지 저장 용량을 최대한 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 셀들을 CC/CV 방식으로 충전하여 셀들을 과전압 충전으로 부터 보호하여 배터리의 수명이 연장된다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 전압이 낮은 셀들을 CC/CV 방식으로 충전 함으로 셀 편차를 효과적으로 관리할 수 있어 셀의 제조 공정에서 셀 선별 공정을 단순화 할 수 있어 셀의 제조원가를 절감 할 수 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.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 복수개의 셀 모듈을 포함하고,
    상기 셀 모듈 각각은,
    온도 센서가 내장되는 충전 가능한 셀;
    상기 셀을 충전하는 DC/DC 컨버터 셀 충전기;
    외부와 통신을 하기 위한 통신 모듈;
    상기 DC/DC 컨버터 셀 충전기를 구동하여 상기 셀의 전압, 전류, 온도 정보를 측정하여 상기 통신모듈을 통하여 외부에 송신하고, 상기 통신 모듈을 통해 외부의 명령을 받아 상기 DC/DC 컨버터 셀 충전기를 구동하여 상기 셀을 CC/CV 방식으로 충전하는 셀 충전기 제어기를 포함하고,
    상기 각 셀모듈의 각 셀은 다른 셀모듈의 셀과 직렬연결되고,
    통신 커넥터에 상기 각 셀모듈의 셀모듈 통신 커넥터가 연결되고,
    전원 공급 커넥터에 셀충전 제어기의 전원 공급 커넥터가 연결되는 것을 특징으로 하고,
    상기 셀 충전기 제어기는 전압이 높을 셀을 방전 하지 않고 전압이 낮은 셀을 CC/CV 방식으로 충전하여 셀 편차를 해소하며,
    상기 셀 충전기 제어기는 상기 셀의 전압을 측정하여 측정된 셀 전압 정보를 상기 통신 모듈을 통해 외부로 전달하고,
    상기 셀 전압 정보를 받은 외부의 BMS (battery management system, 배터리 관리 시스템) 또는 외부 장비는 다른 셀 모듈들로 부터 보내온 셀 전압정보들을 비교하여 다른 셀 모듈의 전압 보다 전압이 낮은 셀 모듈이 있을 경우 해당 셀 모듈에 명령을 전달하여 해당 셀 모듈의 셀을 CC/CV 방식으로 충전 하도록 명령을 하는 것을 특징으로 하는
    배터리팩.
  5. 복수개의 셀 모듈을 포함하고,
    상기 셀 모듈 각각은,
    온도 센서가 내장되는 충전 가능한 셀;
    상기 셀을 충전하는 DC/DC 컨버터 셀 충전기;
    외부와 무선 통신을 하기 위한 무선 통신 모듈;
    상기 DC/DC 컨버터 셀 충전기를 구동하여 상기 셀의 전압, 전류, 온도 정보를 측정하여 상기 무선 통신 모듈을 통하여 외부에 송신하고, 상기 무선 통신 모듈을 통해 외부의 명령을 받아 상기 DC/DC 컨버터 셀 충전기를 구동하여 상기 셀을 CC/CV 방식으로 충전하는 셀 충전기 제어기를 포함하고,
    상기 각 셀모듈의 각 셀은 다른 셀모듈의 셀과 직렬연결되고,
    전원 공급 커넥터에 셀충전 제어기의 전원 공급 커넥터가 연결되는 것을 특징으로 하고,
    상기 셀 충전기 제어기는 전압이 높을 셀을 방전 하지 않고 전압이 낮은 셀을 CC/CV 방식으로 충전하여 셀 편차를 해소하며,
    상기 셀 충전기 제어기는 상기 셀의 전압을 측정하여 측정된 셀 전압 정보를 상기 무선 통신 모듈을 통해 외부로 전달하고,
    상기 셀 전압 정보를 받은 외부의 BMS (battery management system, 배터리 관리 시스템) 또는 외부 장비는 다른 셀 모듈들로 부터 보내온 셀 전압정보들을 비교하여 다른 셀 모듈의 전압 보다 전압이 낮은 셀 모듈이 있을 경우 해당 셀 모듈에 명령을 전달하여 해당 셀 모듈의 셀을 CC/CV 방식으로 충전 하도록 명령을 하는 것을 특징으로 하는
    배터리팩.
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