KR101975395B1

KR101975395B1 - 배터리 팩 및 이의 제어 방법

Info

Publication number: KR101975395B1
Application number: KR1020120095006A
Authority: KR
Inventors: 김봉영
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2019-05-07
Also published as: US20140062387A1; CN103683370A; US9184615B2; KR20140028531A; CN103683370B

Abstract

본 발명은 충전 시간을 단축시킬 수 있는 배터리 팩 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 배터리 및 단자 사이의 대전류 경로 상에 구비된 제1 스위칭부, 배터리 및 단자 사이의 대전류 경로 상에 구비되고 제1 스위칭부와 직렬 연결된 제2 스위칭부, 대전류 경로의 적어도 일부와 병렬로 연결된 바이패스 경로 상에 구비되고 바이패스 경로 상에서 전류의 흐름을 스위칭하는 제3 스위칭부 및 배터리의 충전구간을 분할하고, 분할된 충전 구간에 따라 제1 스위칭부, 제2 스위칭부 또는 제3 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하여 배터리를 충전하는 제어부를 포함한다.

Description

배터리 팩 및 이의 제어 방법{Battery pack, and controlling method of the same}

본 발명은 배터리 팩 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.

이차 전지는 셀룰러 폰(Cellular phone), 노트북 컴퓨터, 캠코더, PDA(personal digital assistants) 등 휴대용 전자기기의 개발로 활발히 연구되고 있다.

이러한 이차 전지는 배터리와 충/방전 회로를 포함하는 배터리 팩 형태로 제작되고 있으며, 배터리 팩에 설치되는 외부 단자를 통해 외부 전원 또는 외부 부하에 의한 배터리의 충전 또는 방전이 이루어지고 있다. 즉, 외부 단자를 통해 배터리 팩이 외부 전원과 연결되면, 외부 단자와 충/방전 회로를 통해 공급되는 외부 전원에 의해 배터리가 충전된다. 또한, 외부 단자를 통해 배터리 팩에 외부 부하(load)가 연결되면, 배터리의 전원이 충/방전 회로와 외부 단자를 통해 외부 부하에 공급되는 방전 동작이 일어난다. 이 때, 충/방전 회로는 외부 단자와 배터리 사이에서 배터리의 충/방전을 제어한다.

일반적으로 배터리의 충전은 배터리의 전압이 일정 전압까지 도달할 때까지 최대 충전 전류로 배터리를 충전하다가, 배터리의 전압이 일정 전압에 도달하게 되면 충전 전류를 서서히 감소시키는 방식으로 이루어지고 있다.

일본 공개특허 공보 제2008-288046호

본 발명이 해결하고자 하는 기술적인 과제는 충전 시간을 단축시킬 수 있는 배터리 팩 및 이의 제어 방법을 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제를 해결하기 위한 일 실시 예에 따른 배터리 팩은 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 상기 배터리 및 단자 사이의 대전류 경로 상에 구비된 제1 스위칭부; 상기 배터리 및 단자 사이의 대전류 경로 상에 구비되고, 상기 제1 스위칭부와 직렬 연결된 제2 스위칭부; 상기 대전류 경로의 적어도 일부와 병렬로 연결된 바이패스 경로 상에 구비되고, 상기 바이패스 경로 상에서 전류의 흐름을 스위칭하는 제3 스위칭부; 및 상기 배터리의 충전구간을 분할하고, 분할된 충전 구간에 따라 상기 제1 스위칭부, 상기 제2 스위칭부 또는 상기 제3 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하여 상기 배터리를 충전하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 스위칭부 또는 제2 스위칭부는, 상기 배터리를 충전하거나 방전하는 충전 제어 스위칭부 또는 방전 제어 스위칭부인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제3 스위칭부는, 프리차지 스위칭부인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 프리차지 스위칭부와 직렬로 접속된 전류 제한 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 복수개의 충전구간을 상기 배터리의 상대적인 잔존용량(relative sate of charge) 비율에 따라 분할하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 배터리의 충전구간 중 제1 구간에서는 상기 제1 및 제2 스위칭부를 턴 온 시키고, 상기 제3 스위칭부를 턴 오프 시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 구간에서는 제1 충전 전류가 상기 대전류 경로를 통하여 상기 배터리에 충전되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 배터리의 충전구간 중 제2 구간에서는 상기 제1 스위칭부를 턴 오프 시키고, 상기 제2 및 제3 스위칭부를 턴 온 시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제2 구간에서는 제1 충전 전류 보다 작은 제2 충전 전류가 상기 바이패스 경로를 통하여 상기 배터리에 충전되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 배터리의 충전구간 중 제3 구간에서는 상기 제1 및 제2 스위칭부를 턴 온 시키고, 상기 제3 스위칭부를 턴 오프 시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제3 구간에서는 상기 제1 충전 전류가 상기 대전류 경로를 통하여 상기 배터리에 충전되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 구간은 정전류/정전압 충전 모드 구간 중 정전류 충전구간인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제2 구간은 정전류/정전압 충전 모드 구간 중 정전류 충전구간이거나, 정전류 충전구간 및 정전압 충전구간을 포함하는 구간인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제3 구간은 정전류/정전압 충전 모드 구간 중 정전압 충전구간인 것을 특징으로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제를 해결하기 위한 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어 방법은 배터리 및 단자 사이의 대전류 경로 상에 직렬로 연결된 제1 스위칭부 및 제2 스위칭부와, 상기 대전류 경로의 적어도 일부와 병렬로 연결된 바이패스 경로 상에 구비되고, 상기 바이패스 경로 상에서 전류의 흐름을 스위칭하는 제3 스위칭부를 포함하는 배터리 팩의 제어 방법으로서, 상기 배터리 충전구간을 복수개의 구간으로 분할하는 단계; 상기 배터리의 제1 충전구간에서 상기 제1 및 제2 스위칭부를 턴 온 시키고, 상기 제3 스위칭부를 턴 오프시켜 상기 배터리를 충전하는 단계; 상기 배터리의 제2 충전구간에서 상기 제1 스위칭부를 턴 오프 시키고, 상기 제2 및 제3 스위칭부를 턴 온 시켜 상기 배터리를 충전하는 단계; 및 상기 배터리의 제3 충전구간에서 상기 제1 및 제2 스위칭부를 턴 온 시키고, 상기 제3 스위칭부를 턴 오프시켜 상기 배터리를 충전하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 복수개의 충전구간을 상기 배터리의 상대적인 잔존용량(relative sate of charge) 비율에 따라 분할하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 배터리의 제1 충전구간에서 제1 충전 전류가 상기 배터리에 충전되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 배터리의 제2 충전구간에서 상기 제1 충전 전류 보다 작은 제2 충전 전류가 상기 배터리에 충전되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 배터리의 제3 충전구간에서 상기 제1 충전 전류가 상기 배터리에 충전되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 배터리는 정전류/정전압 충전모드로 충전되며, 상기 제1 구간은 정전류 충전모드 구간이고, 상기 제2 구간은 정전류 충전모드 구간이거나, 정전류 충전모드 구간 및 정전압 충전모드 구간이며, 상기 제3 구간은 정전압 충전모드 구간인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 배터리 충전 구간을 나누어 각 구간마다 다른 충전 전류로 배터리를 충전시킴으로써 충전 시간을 단축시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리의 충전 곡선 그래프 이다.
도 3은 도 1에 도시된 프리차지 종료 후 본 충전 시 배터리의 충전구간 분할을 설명하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 배터리 충전 구간에 따른 배터리 팩의 동작을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어 방법을 나타내는 흐름도 이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 배터리 팩(1)은 배터리(10), 대전류 경로(20), 충전 제어 스위치(21), 방전 제어 스위치(22), 바이패스 경로(30), 프리 차지 스위치(31), 프리차지 저항(R1), 배터리 관리부(battery management system, 이하 BMS라고 한다)(40), 퓨즈(50), 퓨즈 차단 스위치(60) 및 단자부(70)를 포함할 수 있다.

배터리(10)는 배터리 팩(1)이 장착되는 전자기기에 저장된 전력을 공급한다. 또한 충전기가 배터리 팩(1)에 연결되는 경우, 배터리(10)는 외부 전력에 의하여 충전될 수 있다. 배터리(10)는 적어도 하나 이상의 배터리 셀(11)을 포함할 수 있다. 배터리 셀(11)은 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등의 충전 가능한 이차 전지일 수 있다.

대전류 경로(20)는 배터리(10)와 단자부(70) 사이에 충전 및 방전 전류가 흐르는 경로이다. 대전류 경로(20)는 양극 단자(71)와 배터리(10)의 양극, 음극 단자(72)와 배터리(10)의 음극 사이에 형성되는 경로이다. 대전류 경로(20)에는 비교적 큰 전류가 흐른다.

충방전 제어 스위치(21,22)는 대전류 경로(20) 상에 형성되어 충전 전류 및 방전 전류의 흐름을 제어하는 스위치이다. 충전 제어 스위치(21)는 충전 전류를 차단하고, 방전 제어 스위치(22)는 방전 전류를 차단한다.

충전 제어 스위치(21)는 전계 효과 트랜지스터 FET1과 기생 다이오드 D1을 포함한다. FET1은 양극 단자(71)로부터 배터리(10) 또는 배터리(10)로부터 음극 단자(72)로의 전류 흐름을 제한하도록 접속된다. 즉, FET1을 사용하여 충전 전류가 흐르는 것을 차단한다. 이때 기생 다이오드 D1을 통하여 방전 전류가 흐를 수 있도록 FET1을 형성한다.

방전 제어 스위치(22)는 전계 효과 트랜지스터 FET2와 기생 다이오드 D2를 포함한다. FET2는 음극 단자(72)로부터 배터리(10) 또는 배터리(10)로부터 양극 단자(71)로의 전류 흐름을 제한하도록 접속된다. 즉 FET2를 사용하여 방전 전류가 흐르는 것을 차단한다. 이때 기생 다이오드 D2를 통하여 충전 전류가 흐를 수 있도록 FET2를 형성한다. FET2의 소스 전극과 드레인 전극의 접속 방향은 FET1의 소스 전극과 드레인 전극의 접속 방향과 반대이다.

바이패스 경로(30)는 대전류 경로(20)의 적어도 일부와 병렬로 연결되어, 배터리(10)를 프리차지(precharge) 하는 경로이다. 배터리(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 정전류/정전압(CC-CV) 모드에 의해 충전을 진행한다. 즉, 충전 초기에는 충전전류를 일정하게 유지하여 충전을 진행하다가, 충전 레벨이 어느 정도 올라가면 충전전압을 일정하게 유지하여 충전을 진행한다. 그런데, 배터리(10)가 만방전 상태에서 충전 제어 스위치(21) 및 방전 제어 스위치(22)를 턴 온 하여 충전을 시작하게 되면, 배터리(10)에 필요 이상의 과도 충전 전류가 흐르게 되어 배터리(10)가 손상되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 만방전 상태에 있는 배터리(10)의 충전을 진행할 때, 배터리(10)의 충전 잔량 레벨을 정확히 측정하여 전압 레벨이 현저하게 낮은 경우, 바이패스 경로(30)를 통하여 낮은 전류로 배터리(10)의 프리차지를 진행한 후 본 충전을 진행하도록 한다. 여기서, 본 충전이라 함은 후술하는 제1 내지 제3 구간의 추전일 수 있다.

프리차지 제어 스위치(31)는 바이패스 경로(30) 상에 형성되어, 배터리(10)의 프리차지를 제어하는 스위치이다. 프리차지 제어 스위치(31)는 전계효과 트랜지스터 FET3으로 구성되어, 배터리(10)의 만 방전 상태에서 정전류 모드 충전 시작 시에 턴 온 되어, 배터리(10)에 필요 이상의 과도 충전 전류가 배터리(10)로 유입되는 것을 방지한다. 즉, 만방전 상태의 배터리(10)에 대한 충전이 시작되면, 충전 제어 스위치(21) 및 방전 제어 스위치(22)는 턴 오프 되고, 프리차지 제어 스위치(31)는 턴 온 된다. 이때 대전류 경로(20)를 통해 유입되는 충전 전류는 다이오드(D2)를 통해 바이패스 경로(30)로 흐르게되고, 프리차지 저항 R1에 따라 충전 전류가 조절(예를 들어, 30mA)되어 배터리(10)의 본 충전 전에 프리차지를 수행한다.프리차지 저항 R1은 프리차지 제어 스위치(31)와 함께 바이패스 경로(30) 상에 형성되며, 온도가 일정 수준 이상으로 상승할 때 저항값이 증가하여 전류를 억제하여 수용 가능한 수준으로 전류를 제어할 수 있도록 한다.

본 실시 예에서 충전 제어 스위치(21), 방전 제어 스위치(22) 및 프리 차지 스위치(31)는 스위칭 소자로서, 전계 효과 트랜지스터에 한정되는 것은 아니며, 스위칭 기능을 수행하는 다양한 소자가 사용될 수 있다.

BMS(40)는 배터리(10)의 충전 및 방전 제어, 프리차지 제어, 배터리(10)에 포함된 배터리 셀(11)의 밸런싱 제어 기능을 수행한다. BMS(40)는 전원 단자(VDD), 그라운드 단자(VSS), 충전 제어 단자(CHG), 방전 제어 단자(DCG), 프리차지 제어 단자(PC), 퓨즈 제어 단자(FC) 등을 포함할 수 있다.

전원 단자(VDD)와 그라운드 단자(VSS)단자에는 전원 전압과 그라운드 전압이 각각 인가된다. 충전 제어 단자(CHG)와 방전 제어 단자(DCG)는 배터리 팩(1)에 이상이 있는 경우, 충전 제어 스위치(22)의 동작을 제어하는 충전 제어 신호 또는 방전 제어 스위치(23)의 동작을 제어하는 방전 제어 신호를 출력한다. 프리차지 제어 단자(PC)는 배터리(10)로 과전류가 유입되거나, 배터리(10)의 충전 레벨이 현격하게 떨어진 경우 프리차지 제어 스위치(31)의 동작을 제어하는 스위칭 제어 신호를 출력한다.

BMS(40)는 배터리(10)의 충전 상태 또는 방전 상태, 배터리 팩(1) 내부의 전류 흐름 상태 등을 모니터링 한다. 또한 BMS(40)는 배터리 셀(11)들 사이의 중간 전압을 측정할 수 있다. BMS(40)는 모니터링 또는 측정 결과에 따라서 배터리 셀(11)의 셀 밸런싱, 배터리(10)의 충전 및 방전을 제어한다. 도 1에서는 도시하지 않았으나, BMS(40)는 중간 전압을 측정하거나, 충전 상태나 방전 상태 도는 전류의 흐름을 모니터링 하기 위한 단자들을 더 구비할 수 있을 것이다.

본 실시 예에서는 BMS(40)가 배터리 팩(1) 내의 각 구성을 모두 제어하는 것으로 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 배터리(10)의 상태를 모니터링 하고, 충전 제어 스위치(21) 및 방전 제어 스위치(22)의 동작을 제어하는 아날로그 프론트 엔드(미도시)를 더 포함하고, BMS(40)가 아날로그 프론트 엔드를 제어하도록 구성할 수도 있다.

퓨즈(50)는 대전류 경로(20) 상의 충방전 제어 스위치(21,22)와 단자부(70) 사이에 형성된다. 퓨즈(50)는 배터리(10)에 이상이 있는 경우 차단되어 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르지 못하도록 한다. 퓨즈(50)에 포함되어 있는 저항 R2는 대전류 경로와 그라운드 사이에 연결된다. 저항 R2를 통하여 일정 크기 이상의 전류가 흐르면 저항 R2에서 발생하는 열에 의하여 퓨즈(50)가 녹아 전류의 흐름을 차단하게 된다.

배터리 팩(1)에 이상이 발생한 경우, 먼저 충방전 제어 스위치(21,22)를 사용하여 충전 전류 또는 방전 전류의 흐름을 차단한다. 그러나 충방전 제어 스위치(21,22)를 제어하였음에도 불구하고 배터리 팩(1)에서 발생한 이상이 해소되지 않는 경우, 퓨즈(50)를 차단하여 전류의 흐름을 영구히 차단한다.

퓨즈 차단 스위치(60)는 퓨즈(50)에 포함된 저항 R2에 전류가 흐르게 하여 퓨즈(50)가 차단되도록 한다. 퓨즈 차단 스위치(60)는 퓨즈(50)와 그라운드 사이에 형성되며, BMS(40)로부터 제1 차단 신호를 인가 받아 온 상태가 되며, 이로 인하여 저항 R2에 전류가 흐르게 한다. 퓨즈 차단 스위치(60)는 전계 효과 트랜지스터 FET4와 기생 다이오드 D4를 포함할 수 있다.

단자부(70)는 배터리 팩(1)과 외부 장치를 연결한다. 여기서 외부 장치는 전자기기 혹은 충전기일 수 있다. 단자부(70)는 양극 단자(71)와 음극 단자(72)를 포함한다. 양극 단자(71)로는 충전 전류가 유입되고 방전 전류가 나간다. 반대로 음극 단자(72)로는 충전 전류가 나가고 방전 전류가 유입된다. 도시하지는 않았으나 단자부(70)는 외부 장치로 데이터를 전송하거나 외부 장치로부터 제어신호를 수신하기 위한 단자를 더 포함할 수 있을 것이다.

본 실시 예에서 BMS(40)는 배터리(10) 충전을 위해 충전 제어 스위치(21) 방전 제어 스위치(22) 및 프리차지 제어 스위치(31)를 각각 제어하여 배터리(10)가 빠른 속도로 충전될 수 있도록 한다.

이를 위해 BMS(40)는 정전류/정전압(CC-CV) 모드에 의한 배터리(10) 충전 구간을 복수 개 예를 들어, 제1 구간, 제2 구간 및 제3 구간으로 분할하고, 각 구간별로 다른 충전 전류가 배터리(10)에 충전되도록 하고, 이를 위해 충전 제어 스위치(21) 방전 제어 스위치(22) 및 프리차지 제어 스위치(31)의 스위칭 동작을 제어한다.

도 3은 프리차지 종료 후 본 충전 시, 배터리(10)의 충전 구간 분할을 설명하는 도면이다. 도 3을 참조하면, 배터리(10)의 충전 구간 분할 기준은 배터리(10)의 상대적인 잔존용량(relative sate of charge, 이하 RSOC라고 한다) 비율이 된다. 예를 들어, 배터리(10)의 RSOC 비율이 0%-50%인 구간을 제1 구간이라고 하고, 배터리(10)의 RSOC 비율이 51%-90%인 구간을 제2 구간이라고 하며, 배터리(10)의 RSOC 비율이 91%-100%인 구간을 제3 구간이라고 할 수 있다. 이와 같이 배터리(10)의 충전 구간 분할로, 제1 구간은 정전류(CC) 모드 구간에 위치하고, 제3 구간은 정전압(CV) 모드 구간에 위치함을 알 수 있다. 이에 반해, 제2 구간은 정전류 모드 구간에 위치할 수 있고, 또는 정전류 모드 및 정전압 모드 구간에 위치할 수 있다.

본 실시 예에서는 배터리(10) 충전구간은 제1-제3 구간으로 분할하고, 3개의 스위치 즉, 충전 제어 스위치(21) 방전 제어 스위치(22) 및 프리차지 제어 스위치(31) 제어를 통해 , 제1 구간에서는 제1 충전 전류에 의한 충전을 수행하고, 제2 구간에서는 제1 전류 보다 낮은 제2 충전 전류에 의한 충전을 수행하고, 제3 구간에서는 제1 충전 전류에 의한 충전을 수행한다. 여기서 제1 충전 구간 및 제2 충전 구간은 정전류 구간일 수 있고, 제3 충전 구간은 정전압 충전 구간일 수 있다.본 실시 예에서는 충전구간의 분할 개수와 스위치의 개수는 동일한데, 도 1에 도시된 바와 같이 3개의 충전 구간과 3개의 스위치로 국한되지 않고, 더 확장이 가능하다.

BMS(40)는 ROSC의 비율을 측정하여, 50% 이하인 경우, 제1 구간임을 인식하고, 배터리 충전을 수행한다. BMS(40)는 제1 구간에서 충전 제어 스위치(21) 및 방전 제어 스위치(22)를 턴 온 시키고, 프리차지 제어 스위치(31)를 턴 오프 시킨다. 본 실시 예에서는 배터리 팩(1)이 정상 동작하고 있다는 가정하에 BMS(40)는 퓨즈 차단 스위치(60)를 턴 오프 시킨다. 도 4a에는 제1 구간에서 배터리 팩(1)의 동작을 나타내는 도면이다. 도 4a를 참조하면, BMS(40)가 충전 제어 단자(CHG)를 통하여 충전 제어 스위치(21)를 턴 온 시키고, 방전 제어 단자(DCG)를 통하여 방전 제어 스위치(22)를 턴 온 시키고, 프리차지 제어 단자(PC)를 통하여 프리차지 제어 스위치(31)를 턴 오프 시키고, 퓨즈 제어 단자(FC)를 통하여 퓨즈 차단 스위치(60)를 턴 오프 시킨다. 이와 같은 동작에 의하여, 단자부(70)로부터 대전류 경로(20)를 통하여 충전 전류가 배터리(10)로 유입된다이때 배터리(10)에는 제1 충전 전류가 유입되며, 제1 충전 전류는 셀 조합 사양에서 보증하는 최대 충전 전류 예를 들어, 1C에 해당하는 충전 전류가 배터리(10)에 유입된다..

제1 충전 전류에 의해 배터리(10)가 충전되어 ROSC의 비율이 50%를 초과하면, BMS(40)는 제2 구간임을 인식하고 배터리 충전을 계속 진행한다. BMS(40)는 제2 구간에서 충전 제어 스위치(21) 및 퓨즈 차단 스위치(60)를 턴 오프하고, 방전 제어 스위치(22) 및 프리차지 제어 스위치(31)를 턴 온 시키고, 프리차지 제어 스위치(31)를 턴 오프 시킨다. 도 4b는 제2 구간에서 배터리 팩(1)의 동작을 나타내는 도면이다. 도 4b를 참조하면, BMS(40)가 충전 제어 단자(CHG)를 통하여 충전 제어 스위치(21)를 턴 오프 시키고, 방전 제어 단자(DCG)를 통하여 방전 제어 스위치(22)를 턴 온 시키고, 프리차지 제어 단자(PC)를 통하여 프리차지 제어 스위치(31)를 턴 온 시키고, 퓨즈 제어 단자(FC)를 통하여 퓨즈 차단 스위치(60)를 턴 오프 시킨다. 이와 같은 동작에 의하여, 단자부(70)로부터 바이패스 경로(30)를 통하여 충전 전류가 배터리(10)로 유입된다. 이때 배터리(10)에는 제1 충전 전류보다 작은 제2 충전 전류가 유입되며, 제2 충전 전류는 셀 조합 사양에서 보증하는 표준 충전 전류 예를 들어, 0.5C에 해당하는 전류가 배터리(10)로 유입된다.제2 충전 전류에 의해 배터리(10)가 충전되어 ROSC의 비율이 90%를 초과하면, BMS(40)는 제3 구간임을 인식하고 배터리 충전을 계속 진행한다. BMS(40)는 제3 구간에서 충전 제어 스위치(21) 및 방전 제어 스위치(22)를 턴 온 시키고, 프리차지 제어 스위치(31) 및 퓨즈 차단 스위치(60)를 턴 오프 시킨다. 제3 구간의 충전은 제1 구간의 충전과 동일한 방식으로 진행되므로, 상세한 설명을 생략하기로 한다. 앞서 개시된 바와 같이 제3 구간은 정전압 모드 충전 구간이므로 제1 충전 전류가 유입된다 하더라도 배터리 충전(10)에 이상이 발생하지 않는다.

이와 같이, 배터리 충전 구간을 제1 구간 내지 제3 구간으로 나누고, 제1 구간에서는 상대적으로 더 높은 제1 충전 전류로 먼저 배터리(10)를 충전하고, 제2 구간에서는 제1 충전 전류보다 낮은 제2 충전 전류로 배터리(10)를 충전함으로써, 충전 시간이 현저히 감소될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어 방법을 나타내는 흐름도 이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어 방법은 도 1에 도시된 바와 같은 주변 구성 요소들의 도움을 받아 BMS(40) 내부에서 수행될 수 있다. 이하의 설명에서, 도 1 내지 도 4에 대한 설명과 중복되는 부분은 그 설명을 생략하기로 한다.

도 5를 참조하면, BMS(40)는 배터리(10)의 충전 구간을 복수개의 구간으로 분할하는 단계(S10)를 수행한다. BMS(40)는 배터리(10)의 RSOC 비율을 기준으로 배터리(10)의 충전구간을 복수 개로 분할한다. 예를 들어, 배터리(10)의 RSOC 비율이 0%-50%인 구간을 제1 구간으로 분할하고, 배터리(10)의 RSOC 비율이 51%-90%인 구간을 제2 구간으로 분할하며, 배터리(10)의 RSOC 비율이 91%-100%인 구간을 제3 구간으로 분할할 수 있다.

이후, BMS(40)는 ROSC의 비율을 측정하여, 50% 이하인 경우, 제1 구간임을 인식하고, BMS(40)는 제1 구간에서 충전 제어 스위치(21) 및 방전 제어 스위치(22)를 턴 온 시키고, 프리차지 제어 스위치(31)를 턴 오프시켜 배터리(10)를 충전하는 단계(S20)를 수행한다. 여기서, 배터리 팩(1)이 정상 동작 상태임을 감안하여 퓨즈 차단 스위치(60)는 항상 턴 오프 상태라고 가정한다. 이와 같은 스위칭 제어 동작에 의하여, 단자부(70)로부터 대전류 경로(20)를 통하여 제1 충전 전류가 배터리(10)로 유입된다. 제1 충전 전류에 의해 배터리(10)가 충전되어 ROSC의 비율이 50%를 초과하면, BMS(40)는 제2 구간임을 인식하고, 충전 제어 스위치(21)를 턴 오프하고, 방전 제어 스위치(22) 및 프리차지 제어 스위치(31)를 턴 온 시키고, 프리차지 제어 스위치(31)를 턴 오프시켜 배터리(10)를 충전하는 단계(S30)를 수행한다. 이와 같은 스위칭 제어 동작에 의하여, 단자부(70)로부터 바이패스 경로(30)를 통하여 제2 충전 전류가 배터리(10)로 유입된다.

제2 충전 전류에 의해 배터리(10)가 충전되어 ROSC의 비율이 90%를 초과하면, BMS(40)는 제3 구간임을 인식하고 BMS(40)는 제1 구간에서 충전 제어 스위치(21) 및 방전 제어 스위치(22)를 턴 온 시키고, 프리차지 제어 스위치(31)를 턴 오프시켜 배터리(10)를 충전하는 단계(S40)를 수행한다. 이와 같은 스위칭 제어 동작에 의하여, 단자부(70)로부터 대전류 경로(20)를 통하여 제1 충전 전류가 배터리(10)로 유입된다. 앞서 개시된 바와 같이 제3 구간은 정전압 모드 충전 구간이므로 제1 충전 전류가 유입된다 하더라도 배터리 충전(10)에 이상이 발생하지 않는다.

이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시 예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.

1 배터리 팩 10 배터리
11 배터리 셀 20 대전류 경로
21 충전 제어 스위치 22 방전 제어 스위치
30 바이패스 경로 31 프리차지 제어 스위치
R1 프리차지 저항 40 배터리 관리부
50 퓨즈 60 퓨즈 차단 스위치
70 단자부

Claims

적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리;
상기 배터리 및 단자 사이의 대전류 경로 상에 구비된 제1 스위칭부;
상기 대전류 경로 상에 구비되고, 상기 제1 스위칭부와 직렬 연결된 제2 스위칭부;
상기 대전류 경로 상의 상기 제1 스위칭부와 병렬로 연결된 바이패스 경로 상에 구비되고, 상기 바이패스 경로 상에서 전류의 흐름을 스위칭하는 제3 스위칭부; 및
상기 배터리의 충전구간을 상기 배터리의 상대적인 잔존용량(relative sate of charge, RSOC) 비율에 따라 제1 구간 및 제2 구간을 포함하는 복수의 구간으로 구분하여 정의하고, 상기 복수의 구간에 따라 상기 제1 스위칭부, 상기 제2 스위칭부, 및 상기 제3 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하여 상기 배터리를 충전하는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 배터리의 RSOC 비율이 상기 제1 구간에 해당하는 경우, 상기 대전류 경로를 통해 상기 배터리를 충전하고,
상기 제1 구간에 따라 충전되는 상기 배터리의 RSOC 비율이 상기 제2 구간에 해당하게 되면, 상기 바이패스 경로를 통해 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 1항에 있어서,
상기 제1 스위칭부는 상기 배터리의 충전을 제어하기 위한 충전 제어 스위칭부이고,
상기 제2 스위칭부는 상기 배터리의 방전을 제어하기 위한 방전 제어 스위칭부인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 1항에 있어서,
상기 제3 스위칭부는 프리차지 스위칭부인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 3항에 있어서,
상기 프리차지 스위칭부와 직렬로 접속된 전류 제한 저항을 더 포함하고,
상기 전류 제한 저항은 온도가 상승할수록 저항값이 증가하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 배터리의 RSOC 비율이 제1 기준값 이하인 경우, 상기 제1 구간에 따라 상기 제1 및 제2 스위칭부를 턴 온 시키고 상기 제3 스위칭부를 턴 오프 시켜 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 6항에 있어서,
상기 제어부는 상기 배터리의 RSOC 비율이 상기 제1 기준값을 초과하고 상기 제1 기준값보다 큰 제2 기준값 이하인 경우, 상기 제2 구간에 따라 상기 제1 스위칭부를 턴 오프 시키고 상기 제2 및 제3 스위칭부를 턴 온 시켜 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 1항에 있어서,
상기 제1 구간에서는 제1 충전 전류가 상기 대전류 경로를 통하여 상기 배터리에 충전되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 8항에 있어서,
상기 제2 구간에서는 상기 제1 충전 전류보다 작은 제2 충전 전류가 상기 바이패스 경로를 통하여 상기 배터리에 충전되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 1항에 있어서,
상기 제1 구간은 상기 배터리를 정전류 충전 모드로 충전하는 구간인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 2항에 있어서,
상기 제2 구간은 상기 배터리를 정전류 충전 모드로 충전하는 구간이거나, 상기 배터리를 정전류 충전 모드로 충전하다가 충전 모드가 정전압 충전 모드로 변경되어 충전하는 구간인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 7항에 있어서,
상기 복수의 구간은 제3 구간을 포함하고,
상기 제어부는 상기 배터리의 RSOC 비율이 상기 제2 기준값을 초과하는 경우, 상기 제3 구간에 따라 상기 제1 및 제2 스위칭부를 턴 온 시키고 상기 제3 스위칭부를 턴 오프 시켜 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 12항에 있어서,
상기 제3 구간은 상기 배터리를 정전압 충전 모드로 충전하는 구간인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
삭제
배터리 및 단자 사이의 대전류 경로 상에 직렬로 연결된 제1 스위칭부 및 제2 스위칭부와, 상기 대전류 경로의 적어도 일부와 병렬로 연결된 바이패스 경로 상에 구비되고, 상기 바이패스 경로 상에서 전류의 흐름을 스위칭하는 제3 스위칭부를 포함하는 배터리 팩의 제어 방법으로서,
상기 배터리의 충전구간을 상기 배터리의 상대적인 잔존용량(relative state of charge, RSOC) 비율에 따라 제1 구간, 제2 구간 및 제3 구간으로 분할하는 단계;
상기 배터리의 RSOC 비율이 제1 기준값 이하인 경우, 상기 제1 구간에 따라 상기 제1 및 제2 스위칭부를 턴 온 시키고 상기 제3 스위칭부를 턴 오프시켜 상기 배터리를 충전하는 단계;
상기 배터리의 RSOC 비율이 상기 제1 기준값을 초과하고 상기 제1 기준값보다 큰 제2 기준값 이하인 경우, 상기 제2 구간에 따라 상기 제1 스위칭부를 턴 오프 시키고 상기 제2 및 제3 스위칭부를 턴 온 시켜 상기 배터리를 충전하는 단계; 및
상기 배터리의 RSOC 비율이 상기 제2 기준값을 초과하는 경우, 상기 제3 구간에 따라 상기 제1 및 제2 스위칭부를 턴 온 시키고 상기 제3 스위칭부를 턴 오프시켜 상기 배터리를 충전하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어 방법.
삭제
제 15항에 있어서,
상기 제1 구간에서 제1 충전 전류가 상기 배터리에 충전되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어 방법.
제 17항에 있어서,
상기 제2 구간에서 상기 제1 충전 전류보다 작은 제2 충전 전류가 상기 배터리에 충전되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어 방법.
제 15항에 있어서,
상기 제1 구간은 상기 배터리를 정전류 충전 모드로 충전하는 구간이고,
상기 제2 구간은 상기 배터리를 정전류 충전 모드로 충전하는 구간이고,
상기 제3 구간은 상기 배터리를 정전압 충전 모드로 충전하는 구간인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어 방법.
제 15항에 있어서,
상기 제1 구간은 상기 배터리를 정전류 충전 모드로 충전하는 구간이고,
상기 제2 구간은 상기 배터리를 정전류 충전 모드로 충전하다가 충전 모드가 정전압 충전 모드로 변경되어 충전하는 구간이고,
상기 제3 구간은 상기 배터리를 정전압 충전 모드로 충전하는 구간인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어 방법.