KR102102720B1 - 배터리 관리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 배터리 관리 장치에 있어서, 교류(AC) 전원으로부터 복수의 배터리를 충전하기 위하여 직류전원을 공급하는 충전기(30); 상기 충전기(30)의 출력 직류(DC) 전압을 n개(여기서 n은 2이상의 자연수)로 분압(分壓)시키는 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n); 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n)의 모든 분압(分壓) 전압을 일정하게 유지시키는 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n); 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n)의 출력과 연결되어 있는 제1 내지 제n 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n); 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n)는 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n)의 전압을 검출하기 위한 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로의 상측저항(113-1 내지 113-n), 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로의 하측저항(114-1 내지 114-n); 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로의 상측저항(113-1 내지 113-n) 및 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로의 하측저항(114-1 내지 114-n)의 접점과 연결된 제1 내지 제n 분압 밸런스 스위치(111-1 내지 111-n)를 포함하는 배터리 관리 장치를 제안한다.

Description

배터리 관리 장치{Battery Management Apparatus}
본 발명은 직렬 및 병렬로 배치된 복수의 배터리 셀의 충전 또는 방전 전압을 균일하게 하는 배터리 관리 장치에 관한 것이다. 무엇보다, 직렬 및 병렬로 배치된 복수의 배터리 셀에서 충전 또는 방전 전압의 균형이 맞지 않으면, 특정(特定) 배터리 셀의 과충전 또는 과방전으로 인하여 상기 특정(特定) 배터리 셀에서 열의 발생, 배터리 부풀림 현상 및 배터리 폭발의 문제점이 발생될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 이러한 현상을 방지하기 위한 배터리 관리 장치에 관한 것이다.
기존의 배터리 관리 장치에 관하여 다음과 같은 선행기술 문헌이 존재한다.
관련된 선행문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-1720960호, 공고일 2017. 03. 29.(이하 [특허문헌1]이라함)에서는 밸런싱(Balancing) 전류 가변 배터리 팩 균등 충전 장치 및 방법을 공개하고 있다. 상기 [특허문헌1]에서는 배터리 셀간 전압차에 따라서 밸런싱 전류를 가변하여 조절하며, 배터리 팩의 균등 충전을 위하여 충전기, 전압감시부, 밸런싱부 및 전압감시부에 의해 측정된 셀 전압을 입력받아 배터리 셀 및 밸런싱 전류량을 결정하고, 밸런싱 트랜지스터의 고장 여부를 진단하는 통합제어부를 포함하는 배터리 팩 균등 충전 장치 및 방법을 제안하였다.
또한, 대한민국 등록특허공보 제10-1865969호, 공고일 2018. 06. 11.(이하 [특허문헌2]이라함)에서는 배터리 전압 밸런싱(Balancing) 장치 밍 방법을 공개하고 있다. 상기 [특허문헌2]에서는 복수의 배터리(100)에 각각 병렬연결된 복수의 제1 커패시터; 상기 제1 커패시터와 스위칭기구를 통해 연결되어 각각의 제1 커패시터와 선택적으로 병렬연결되는 방전부; 상기 방전부와 병렬연결된 제2 커패시터 및 전압측정회로로 구성된 측정부; 상대적으로 전압이 높은 배터리를 소모저항과 연결되어 전압을 밸런싱하는 제어부를 제안하였다.
또한, 대한민국 등록특허공보 제10-1326802호, 공고일 2013. 11. 11.(이하 [특허문헌3]이하람)에서는 차량 배터리의 전압 밸런싱(Balancing) 회로를 공개하고 있다. 상기 [특허문헌3]에서는 셀 전지 모듈을 포함하는 차량 배터리의 전압 밸런싱 회로에서 상기 셀 전지 모듈의 평균전압을 출력하는 평균전압 측정회로; 상기 해당 셀 전지를 밸런싱하는 밸런싱 회로; 상기 셀 전지 모듈의 평균전압을 비교하는 비교기; 상기 해당 셀 전지의 한쪽 단자와 연결되는 입력단자 및 밸런싱 저항을 통해 다른쪽 단자와 연결되는 스위칭 소자를 포함하는 차량 배터리의 전압 밸런싱 회로를 제안하였다.
상기 [특허문헌1] 내지 [특허문헌3]에서는 배터리의 직렬연결에서 배터리의 전압 검출에 의해서 배터리 사이의 전압 밸런싱(Balancing)이 되지만, 배터리 병렬연결까지도 전압 밸런싱(Balancing)이 원활하지 않다는 문제점이 있었다.
[특허문헌1] 대한민국 등록특허공보 제10-1720960호, 공고일 2017. 03. 29. [특허문헌2] 대한민국 등록특허공보 제10-1865969호, 공고일 2018. 06. 11. [특허문헌3] 대한민국 등록특허공보 제10-1326802호, 공고일 2013. 11. 11.
본 발명에서 제안하는 배터리 관리 장치는 다음을 해결하려고 한다. 첫째, 직렬 및 병렬로 배치된 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 과충전(過充電)의 현상이 발생하지 않으며, 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 충전 전압을 일정(一定)하게 되며, 둘째, 직렬 및 병렬로 배치된 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 과방전(過妨電)의 현상이 발생하지 않으며, 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 방전 전압을 일정(一定)하게 된다. 셋째, 특정(特定) 개별 배터리의 전압을 직접 검출하는 방법이 아니며, 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 전압을 검출하면서, 상기 개별 배터리 셀의 충전 또는 방전 전압을 균일하게 하는 배터리 관리 장치를 제안하며, 넷째, 이를 통하여 (特定) 배터리의 열의 발생하는 경우, 방열 제어부(101) 및 냉각판(Cooling Plate)(103)을 통하여 배터리의 열을 냉각시킴을 통하여 배터리 부풀림 현상 및 배터리 폭발의 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 배터리 관리 장치를 제공하고자 한다.
본 발명에서는 복수의 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n)에 전압을 균일하게 인가하는 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n)를 첫 번째 기술적 특징으로 하며, 복수의 배터리 셀(11 내지 15)과 각각 직렬로 연결된 복수의 스위치부(21 내지 25)를 두 번째 기술적 특징으로 하며, 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)을 냉각시키기 위한 방열 제어부(101), 열전도 파이프(102) 및 냉각판(Cooling Plate)(103)을 세 번째 기술적 특징으로 한다. 상기 복수의 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n)의 게이트 단자를 중심으로 상기 복수의 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n)의 전압을 검출하는 전압검출 저항(113-1 내지 113-n/ 114-1 내지 114-n)이 위치하며, 상기 복수의 스위치부(21 내지 25)의 게이트 단자를 중심으로 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 전압을 검출하는 전압검출 저항(81 내지 90)이 위치한다.
(1) 상기 복수의 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n) 및 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 충전 시, 상기 특정(特定) 배터리 셀의 전압이 높은 경우, 즉 과충전(過充電) 상태인 경우, 상기 전압검출 저항은 상대적으로 (+)방향으로 낮은 전압이 인가되므로, 특정(特定) 스위치부의 스위치가 차단(Off)되어 특정(特定) 배터리 셀의 충전(充電)은 덜 이루어지며, 상기 특정(特定) 스위치부의 스위치를 제외한 나머지 스위치는 상대적으로 (+)방향으로 높은 전압이 인가되므로 도통(On)된다. 특히 배터리 셀의 전압이 가장 낮은 특정(特定) 배터리 셀과 연결된 스위치의 듀티(Duty)가 가장 많이 도통(On)되는 것을 기술적 특징으로 한다. 이를 통하여 상기 복수의 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n) 및 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 충전 시, 전체적으로 균일하게 충전되는 것을 본 발명에서 과제의 해결수단으로 한다.
(2) 상기 복수의 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n) 및 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 방전 시, 상기 특정(特定) 배터리 셀의 전압이 낮은 경우, 즉 과방전(過妨電) 상태인 경우, 상기 전압검출 저항은 상대적으로 (-)방향으로 높은 전압이 인가되므로, 특정(特定) 스위치부의 스위치가 차단(Off)되어 특정(特定) 배터리 셀의 방전(妨電)은 되지 않으며, 상기 특정(特定) 스위치부의 스위치를 제외한 나머지 스위치는 상대적으로 (-)방향으로 낮은 전압이 인가되므로 도통(On)되므로 방전(妨電)된다. 이를 통하여 상기 복수의 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n) 및 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 방전 시, 전체적으로 균일하게 방전되는 것을 본 발명에서 과제의 해결수단으로 한다.
본 발명에서 제안하는 배터리 관리 장치는 첫째, 복수의 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n) 및 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 과충전(過充電)의 현상이 발생하지 않으며, 상기 복수의 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n) 및 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 충전 전압이 일정(一定)하게 되며, 둘째, 복수의 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n) 및 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 과방전(過妨電)의 현상이 발생하지 않으며, 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 방전 전압이 일정(一定)하게 된다. 셋째, 특정(特定) 개별 배터리의 전압을 직접 검출하는 방법이 아니며, 복수의 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n) 및 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 전압을 검출하면서, 상기 개별 배터리 셀의 충전 또는 방전 전압을 균일하게 하는 배터리 관리 장치를 제안한다. 넷째, 이를 통하여 (特定) 배터리의 열이 발생하는 경우, 방열 제어부(101) 및 냉각판(Cooling Plate)(103)을 통하여 배터리의 열을 냉각시킴을 통하여 배터리 부풀림 현상 및 배터리 폭발의 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 매우 상승된 효과가 있다.
도 1은 18650 리튬-이온 배터리를 사용한 에너지 저장 장치
도 2는 본 발명에서 제안하는 적층형(Stack Type) 에너지 저장 장치
도 3은 본 발명에서 제안하는 배터리 관리 장치
도 4는 본 발명에서 제안하는 배터리 관리 장치 및 온도제어 장치
도 5는 과충전 제어 스위치(26)를 제어하기 위한 세부 제어회로
도 6은 과방전 제어 스위치(27) 및 제1 내지 제5 스위치부(21 내지 25)를 제어하기 위한 세부 제어회로
도 7은 본 발명에서 제안하는 배터리 관리 장치를 위한 인쇄 배선 회로 기판(Printed Circuit Board) 패턴
도 8은 본 발명에서 과충전 및 과방전 제어 스위치(26,27) 및 제1 내지 제5 스위치부(21 내지 25)의 세부적인 스펙(Spec.)
도 9는 본 발명에서 제안하는 배터리 셀의 온도제어 장치(평면도)
도 10은 본 발명에서 제안하는 배터리 셀의 온도제어 장치(사시도)
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 18650 리튬-이온 배터리를 사용한 에너지 저장 장치를 나타낸다. 18650 리튬-이온 배터리는 직경이 18[mm]이고 길이가 65[mm]인 원통형의 표준형 리튬-이온 배터리이다. 상기 18650 리튬-이온 배터리를 사용한 에너지 저장 장치는 제1 내지 제3 배터리 셀(11 내지 13)로 구성되거나, 제1 내지 제4 배터리 셀(11 내지 14)로 구성되거나, 제1 내지 제5 배터리 셀(11 내지 15)로 구성되거나, 제1 내지 제6 배터리 셀(11 내지 16)로 구성되는 등으로 배터리 셀을 확장시킬 수 있다. 특히 배터리 셀(11 내지 16) 내부의 18650 리튬-이온 배터리는 직렬로 연결되어 있으며, 각 배터리 셀(11 내지 16)은 서로 병렬로 연결되어 있는 것이 특징이다.
특히 18650 리튬-이온 배터리를 사용한 에너지 저장 장치는 셀 밸런스 회로(20)[일명 배터리 관리 시스템(BMS:Battery Management System)]가 없이 충전하는 경우, 내부 임피던스(Impedance)가 상이(相異)한 특정(特定) 배터리 셀(11 내지 15) 또는 특정(特定) 18650 리튬-이온 배터리에서 과충전(過充電) 및 과방전(過妨電) 현상이 발생하며, 이로 인하여 특정(特定) 배터리 셀(11 내지 15) 또는 특정(特定) 18650 리튬-이온 배터리에서 열의 발생, 배터리 부풀림 현상 및 배터리 폭발의 문제점이 발생할 수 있다.
따라서 18650 리튬-이온 배터리를 사용한 에너지 저장 장치에서 셀 밸런스 회로(20)[일명 배터리 관리 시스템(BMS:Battery Management System)]는 필수적이다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 적층형(Stack Type) 에너지 저장 장치를 나타낸다.
상기 적층형(Stack Type) 에너지 저장 장치는 교류(AC) 플러그(40)로부터 교류(AC) 전원을 공급받으며, 충전기(30)는 적층형(Stack Type) 에너지 저장 장치에 원하는 직류(DC) 전원을 출력하고 있으며, 에너지 저장 장치의 적층형 케이스(Case)(180)의 복수의 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-12)을 충전시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에너지 저장 장치의 적층형 케이스(Case)(180)는 상측(上側)방향 및 좌우(左右)방향으로 확장이 가능하며, 에너니 저장 장치의 전기 충전용량을 확장시킬 수 있는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 배터리 관리 장치를 나타낸다.
제안된 배터리 관리 장치는 제1 내지 제n 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n)을 충전하기 위한 배터리 관리 장치이다.
상기 제1 내지 제n 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n)에 전기적 연결을 위한 제1 내지 제n 접속단자(31-1 내지 31-n)이 배치되어 있어며, 상기 제1 내지 제n 접속단자(31-1 내지 31-n)는 각각 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n)가 배치되어 있다. 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n)는 교류(AC) 플러그(40)로부터 전기(電氣)에너지를 공급받아 직류(DC) 전원을 출력하는 충전기(30)가 배치되어 있으며, 상기 충전기(30)에서 출력되는 직류(DC) 전원을 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n)에 의해서 분압시킨다. 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n)는 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n)의 전압을 센싱하는 분압 밸런스 회로의 상측저항(113) 및 분압 밸런스 회로의 하측저항(114)이 배치되어 있으며, 상기 분압 밸런스 회로의 상측저항(113) 및 분압 밸런스 회로의 하측저항(114)의 접점은 분압 밸런스 스위치(111)의 게이트(Gate) 단자에 연결되어 있다.
본 발명에서 제안하는 배터리 관리 장치는 상기 제1 내지 제n 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n)에 공급되는 전압을 일정(一定)하게 하기위하여 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n)가 배치되어 있다. 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n)는 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n)의 전압을 센싱하여, 제1 내지 제n 분압 밸런스 스위치(111-1 내지 111-n)의 온(on) 시간을 제어하는 것을 기술적 특징으로 한다.
무엇보다, 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 스위치(111-1 내지 111-n)는 P형(P-Type) MOSFET로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 P형(P-Type) MOSFET는 게이트(Gate) 전압이 영(Zero)에 가까우면 턴온(Turn-on)되며, 상기 게이트(Gate) 전압이 일정(一定) 전압 이상이며, 상기 P형(P-Type) MOSFET는 턴오프(Turn-off)가 되는 것을 기술적 특징으로 한다.
따라서 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n)에서 특정(特定) 분압 밸런스 커패시터의 전압이 높은 경우, 이에 대응되는 특정(特定) 분압 밸런스 스위치의 게이트(Gate) 전압은 상승하게 되며, 상기 특정(特定) 분압 밸런스 스위치의 듀티(Duty)는 점차 줄어들게 된다.
반대로, 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n)에서 특정(特定) 분압 밸런스 커패시터의 전압이 낮은 경우, 이에 대응되는 특정(特定) 분압 밸런스 스위치의 게이트(Gate) 전압은 감소하게 되며, 상기 특정(特定) 분압 밸런스 스위치의 듀티(Duty)는 점차 증가하게 된다.
이를 통하여 상기 제1 내지 제n 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n)에 인가되는 전압이 균일하게 하는 것을 본 발명에서 제안하는 배터리 관리 장치의 가장 크게 향상된 효과라고 할 수 있다.
도 4는 본 발명에서 제안하는 배터리 관리 장치 및 온도제어 장치를 나타낸다.
제안하는 배터리 관리 장치는 n개의 18650 리튬-이온 배터리가 직렬로 연결되어 배터리 셀을 형성하게 된다. 무엇보다 상기 배터리 셀의 (-)측에 스위치부(21 내지 25)가 연결되는 것을 가장 큰 기술적 특징으로 한다.
보다 구체적으로 제1 배터리 셀(11)은 n개의 18650 배터리로 구성된다. (+) 직류전원에서 (-) 직류전원 방향으로 제1 배터리 셀에 제1,2,3,...,(n-1),n의 18650 배터리(11-1,11-2,11-3,...,11-(n-1),11-n)가 연결되어 있다. 여기서 n은 2이상의 임의이 자연수이다. 또한, 상기 제1 배터리 셀(11)과 병렬로 제2 배터리 셀(12)은 n개의 18650 배터리로 구성되며, ((+) 직류전원에서 (-) 직류전원 방향으로 제2 배터리 셀에 제1,2,3,...,(n-1),n의 18650 배터리(12-1,12-2,12-3,...,12-(n-1),12-n)가 연결되어 있다. 또한, 상기 제1,2 배터리 셀(11,12)과 모두 병렬로 각각 n개의 18650 배터리로 구성된 제3,4,5 배터리 셀(13,14,15) 등이 연결될 수 있다. 상기 배터리 셀에서 상기 18650 배터리를 직렬로 연결하는 경우 전압이 증가하며, 상기 배터리 셀의 병렬로 연결하는 경우 전류가 증가된다.
본 발명에서 가장 큰 기술적 특징은 n개의 18650 리튬-이온 배터리가 직렬로 연결되어 배터리 셀에서 상기 배터리 셀의 (-)측에 스위치부(21 내지 25)의 소스(Source) 단자가 연결되어 있다. 본 발명의 배터리 셀은 (+) 직류전원에 n개의 18650 리튬-이온 배터리가 직렬로 연결되어 배터리 셀(11 내지 15)이 연결되어 있으며, 상기 배터리 셀(11 내지 15)의 (-)측에 스위치부(21 내지 25)의 소스(Source) 단자가 연결되어 있다. 상기 스위치부(21 내지 25)의 드레인(Drain) 단자에 (-) 직류전원이 연결되어 있다. 상기 스위치부(21 내지 25)의 역병렬 다이오드(21-2 내지 25-2)는 상기 배터리 셀(11 내지 15)의 (-)측에서 (-) 직류전원으로 애노드(Anode)에서 캐소드(Cathode)가 연결되는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한 상기 스위치부(21 내지 25)의 게이트 단자에는 상측저항(81,83,85,87,89) 및 하측저항(82,84,86,88,90)이 배치되어 있으며, 상기 상측저항(81,83,85,87,89)은 제1 게이트 단자(G1)와 상기 스위치부(21 내지 25)의 게이트 단자에 연결되어 있으며, 상기 하측저항(82,84,86,88,90)은 상기 스위치부(21 내지 25)의 게이트 단자와 상기 배터리 셀의 (-)측에 연결되는 것을 가장 큰 기술적 특징으로 한다.
상기 복수의 스위치부(21 내지 25)의 게이트 단자를 중심으로 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 전압을 검출하는 상기 상측저항(81,83,85,87,89) 및 상기 하측저항(82,84,86,88,90)으로 구성된 전압검출 저항(81 내지 90)이 위치한다. 상기 전압검출 저항(81 내지 90)은 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 전압을 실시간으로 검출한다. 특히 특정(特定) 스위치부의 게이트 단자에는 특정(特定) 배터리 셀의 전압을 검출하는 저항이 위치한다.
(1) 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 충전 시, 상기 특정(特定) 배터리 셀의 전압이 높은 경우, 즉 과충전(過充電) 상태인 경우, 상기 전압검출 저항(81 내지 90)은 상대적으로 (+)방향으로 낮은 전압이 인가되므로, 상기 특정(特定) 스위치부의 스위치가 차단(Off)되어 특정(特定) 배터리 셀의 충전(充電)은 덜 이루어지며, 상기 특정(特定) 스위치부의 스위치를 제외한 나머지 스위치(21-1 내지 25-1)는 상대적으로 (+)방향으로 높은 전압이 인가되므로 도통(On)된다. 특히 배터리 셀의 전압이 가장 낮은 특정(特定) 배터리 셀과 연결된 스위치의 듀티(Duty)가 가장 많이 도통(On)되는 것을 기술적 특징으로 한다. 이를 통하여 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 충전 시, 전체적으로 균일하게 충전되는 것을 본 발명에서 기술적 특징으로 한다.
(2) 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 방전 시, 상기 특정(特定) 배터리 셀의 전압이 낮은 경우, 즉 과방전(過妨電) 상태인 경우, 상기 전압검출 저항(81 내지 90)은 상대적으로 (-)방향으로 높은 전압이 인가되므로, 상기 특정(特定) 스위치부의 스위치가 차단(Off)되어 특정(特定) 배터리 셀의 방전(妨電)은 안되며, 상기 특정(特定) 스위치부의 스위치를 제외한 나머지 스위치(21-1 내지 25-1)는 상대적으로 (-)방향으로 낮은 전압이 인가되므로 도통(On)되므로 방전되는 것을 기술적 특징으로 한다. 이를 통하여 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 방전 시, 전체적으로 균일하게 방전되는 것을 본 발명에서 기술적 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하는 배터리 관리 장치는 (-) 직류전원에 과충전 제어 스위치(26)와 과방전 제어 스위치(27)가 직렬로 배치되어 있다. 상기 과충전 제어 스위치(26)의 드레인(Drain) 단자와 과방전 제어 스위치(27)의 드레인(Drain) 단자가 서로 연결되어 있다. 상기 과충전 제어 스위치(26)는 상기 배터리 셀(11 내지 15)의 과충전(過充電)을 직접적으로 제어하며, 상기 과방전 제어 스위치(27)는 상기 배터리 셀(11 내지 15)의 과방전(過妨電)을 직접적으로 제어하는 것을 특징으로 한다. 과충전 제어 스위치(26), 과방전 제어 스위치(27) 및 스위치부(21 내지 25)는 셀 밸런스 제어기(50)에 의해서 직접적으로 제어된다.
본 발명에서 제안하는 배터리 관리 장치는 교류(AC) 플러그(40)에서 교류(AC) 전원을 공급받으며, 충전기(30)의 출력이 접속단자(31)에 의해서 상기 배터리 관리 장치에 공급된다. 상기 접속단자(31)에서 주 전압은 (+) 직류전원과 (-) 직류전원 사이에 인가되어 상기 n개의 18650 리튬-이온 배터리가 직렬로 연결되어 배터리 셀을 충전시킨다. 또한 제1 다이오드(D1)를 통하여 Vcc(+)[(+) 제어전원]와 Vcc(-)[(-) 제어전원]를 공급하며, 셀 밸런스 제어기(50)를 구동시킨다. 특히 Vcc(+)[(+) 제어전원]와 Vcc(-)[(-) 제어전원]는 뱅크 커패시터(51)에 의해서 안정화 된다.
또한, 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 발생하는 열을 직접적으로 저감시키기 위하여 상기 셀 밸런스 제어기(50)는 방열 제어부(101)과 통신하게 된다. 상기 방열 제어부(101)는 열전도 파이프(102)를 통하여 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 발생하는 열을 냉각판(Cooling Plate)(103)을 통해서 직접적으로 저감시키는 것을 가장 큰 기술적 특징으로 한다.
상기 방열 제어부(101)에서는 상기 열전도 파이프(102) 및 상기 냉각판(Cooling Plate)(103)에 흐르는 냉매(冷媒)의 흐름을 제어한다. 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 발생되는 열은 냉매(冷媒)를 통하여 방열 제어부(101)로 이동하며, 상기 방열 제어부(101)의 일측(一側)에 위치하는 방열판(Heatsink)(104)을 통해서 방출되는 것을 기술적 특징으로 한다.
상기 방열 제어부(101)은 냉매(冷媒)의 온도를 실시간으로 검출함을 통하여, 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 발생하는 열의 상태를 검출하는 것을 기술적 특징으로 한다. 무엇보다 상기 냉매(冷媒)는 디메틸(Dimethyl) 실리콘오일 또는 메틸페닐(Methylphenyl) 실리콘오일에 탄소나노(Carbon nano)의 입자를 충전시키는 것을 가장 큰 기술적 특징으로 한다.
본 발명에서 냉매(冷媒)로 사용되는 디메틸(Dimethyl) 실리콘오일 또는 메틸페닐(Methylphenyl) 실리콘오일은 다음과 같은 특징이 있다.
1) 식물계 오일에 비교하여 온도에 따른 점도변화가 작다
2) 디메틸(Dimethyl) 실리콘오일 또는 메틸페닐(Methylphenyl) 실리콘오일은 모두 공기 중 산화에 대하여 매우 안정하다. (디메틸(Dimethyl) 실리콘오일은 150도 이하에서는 거의 산화되지 않으며, 180도 이상에서 산화되며, 메틸페닐(Methylphenyl) 실리콘오일은 250도 이상에서 산화가 발생한다.)
3) 극저온(영하 수십도)에서도 유동성을 유지할 수 있다. 디메틸(Dimethyl) 실리콘오일은 영하 -40 내지 -50도에서도 유동성이 유지되며, 메틸페닐(Methylphenyl) 실리콘오일은 영하 -70도에서도 유동성이 유지된다.
4) 디메틸(Dimethyl) 실리콘오일 또는 메틸페닐(Methylphenyl) 실리콘오일은 화학적 안정성,윤활성이 우수하다.
본 발명에서 상기 냉매(冷媒)에 열전도성을 더욱 높이기 위하여 탄소나노(Carbon nano)의 입자를 충진시키는 것을 기술적 특징으로 하며, 이를 통하여 열 전도성이 더욱 우수하며, 영하 영하 -40 내지 -50도에서 영상 150도까지 안정적으로 열을 유동시킬 수 있는 것을 가장 큰 기술적 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 냉각판(Cooling Plate)(103)은 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15) 사이사이에 위치하며 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 열을 직접적으로 감소시키는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 5는 과충전 제어 스위치(26)를 제어하기 위한 세부 제어회로를 나타낸다.
상기 과충전 제어 스위치(26)를 제어하기 위한 세부 제어회로(60)의 구성은 Vcc(+)[(+) 제어전원]와 Vcc(-)[(-) 제어전원]을 분압하는 제24,25 저항(R24,R25)을 통하여 기준전압을 생성한다. 상기 제24 저항(R24)은 가변저항으로서 기준전압을 가변시킨다. 상기 제24,25 저항(R24,R25)을 통하여 생성된 기준전압은 제1 P형 트랜지스터(61)의 베이스(Base) 단자에 인가되며, 상기 제1 P형 트랜지스터(61)의 이미터(Emitter) 단자에는 제너 다이오드(64)가 연결되어 있다. 또한 상기 제1 P형 트랜지스터(61)의 콜렉터(Collector) 단자는 제2 N형 트랜지스터(62)의 베이스(Base)단자와 연결되어 있다.
과충전(過充電) 상태가 아닌 일반적인 충전상태에서는 제1 게이트 단자(G1)는 Vcc(+)[(+) 제어전원]에 의해서 과충전 제어 스위치(26)는 턴온(Turn on)상태가 유지된다. 하지만, 과충전(過充電)에서는 Vcc(+)[(+) 제어전원]의 전압이 증가되며, 이로 인하여 제너 다이오드(64)가 도통되며, 제1 P형 트랜지스터(61)는 동작한다. 이로 인하여 제1 게이트 단자(G1)는 0(Zero) 전압이 인가되어 제1 게이트 단자(G1)는 0(Zero) 전압이 인가되기에 과충전 제어 스위치(26)는 턴오프(Trun off)상태가 되므로, 상기 배터리 셀(11 내지 15)의 과충전(過充電)을 방지할 수 있는 것을 기술적 특징으로 한다. 또한 과충전 제어 스위치(26)는 턴오프(Trun off)상태에서는 제1 LED(63)이 발광(發光)하며, 과충전(過充電) 방지가 됨을 확인할 수 있다.
본 발명에서 과충전 제어 스위치(26)를 제어하기 위한 세부 제어회로(60)는 제1 P형 트랜지스터(61) 및 제2 N형 트랜지스터(62)의 동작에 의해서 과충전(過充電)을 방지할 수 있다.
도 6은 과방전 제어 스위치(27) 및 제1 내지 제5 스위치부(21 내지 25)를 제어하기 위한 세부 제어회로를 나타낸다. 상기 과방전 제어 스위치(27) 및 제1 내지 제5 스위치부(21 내지 25)는
제어전압(Vcont)이 제3 N형 트랜지스터(71)의 베이스(Base) 단자에 입력되며, 상기 제3 N형 트랜지스터(71)의 콜렉터(Collector) 단자는 제4 N형 트랜지스터(72)의 베이스(Base) 단자에 입력되는 것을 기술적 특징으로 한다.
과방전(過妨電) 상태가 아닌 일반적인 방전상태에서는 Vcc(+)[(+) 제어전원]에 의해서 과방전 제어 스위치(27)는 턴온(Turn on)상태가 유지된다. 하지만, 과방전(過妨電) 상태가 검출되는 경우 제어전압(Vcont)이 제3 N형 트랜지스터(71)의 베이스(Base) 단자에 입력된다 동시에 제4 N형 트랜지스터(72)는 도통하게 되므로 제2 게이트 단자(G2)는 0(Zero) 전압이 인가되기에 과방전 제어 스위치(27)는 턴오프(Trun off)상태가 되며, 동시에 제1 내지 제5 스위치부(21 내지 25)는 모두 턴오프(Trun off)상태가 된다. 이를 통하여 과방전(過妨電)이 근본적으로 발생하지 않는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에서 과방전 제어 스위치(27) 및 제1 내지 제5 스위치부(21 내지 25)를 제어하기 위한 세부 제어회로 제3 N형 트랜지스터(71) 및 제4 N형 트랜지스터(72)의 동작에 의해서 과방전(過妨電)을 방지할 수 있다. 또한 과방전 제어 스위치(27)는 턴오프(Trun off)상태에서는 제2 LED(73)이 발광(發光)하며, 과방전(過妨電) 방지가 됨을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명에서 제안하는 배터리 관리 장치를 위한 인쇄 배선 회로 기판(Printed Circuit Board) 패턴을 나타내며, 도 8은 본 발명에서 과충전 및 과방전 제어 스위치(26,27) 및 제1 내지 제5 스위치부(21 내지 25)의 세부적인 스펙(Spec.)을 나타낸다.
본 발명에서 사용하는 과충전 및 과방전 제어 스위치(26,27) 및 제1 내지 제5 스위치부(21 내지 25)는 TO-220 타입(TYPE)에 MOSFET이며 무엇보다 스위치의 드레인(Drain) 및 소스(Source)사이의 내부 저항(RDS)이 12[미리옴] 및 24[미리옴]으로 매우 작은 것을 특징으로 한다. 이는 드레인(Drain) 및 소스(Source)사이에 위치하는 역병렬 다이오드의 전압강하가 1.3[V] 내지 1.8[V]이다. 따라서 스위치가 턴온(Turn on) 상태에서 소스(Source)에서 드레인(Drain) 방향으로 전류가 흐르는 경우, 역병렬 다이오드를 통하여 흐르기 보다는 스위치의 드레인(Drain) 및 소스(Source)사이의 내부 저항(RDS)으로 흐르게 된다.
따라서 본 발명에서 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 충전 시, 상기 특정(特定) 배터리 셀의 전압이 높은 경우, 즉 과충전(過充電) 상태인 경우, 상기 전압검출 저항(81 내지 90)은 상대적으로 (+)방향으로 낮은 전압이 인가되므로, 상기 특정(特定) 스위치부의 스위치가 차단(Off)되어 특정(特定) 배터리 셀의 충전(充電)은 덜 이루어지며, 상기 특정(特定) 스위치부의 스위치를 제외한 나머지 스위치(21-1 내지 25-1)는 상대적으로 (+)방향으로 높은 전압이 인가되므로 도통(On)된다. 특히 배터리 셀의 전압이 가장 낮은 특정(特定) 배터리 셀과 연결된 스위치의 듀티(Duty)가 가장 많이 도통(On)된다. 결국 충전시 전압이 상대적으로 높은 특정(特定) 배터리 셀은 스위치가 차단(Off)되며, 역병렬 다이오드를 통하여 충전이 되며, 전압이 상대적으로 낮은 배터리 셀은 스위치가 도통(On)되어, 스위치를 통하여 충전이 된다. 따라서 스위치의 드레인(Drain) 및 소스(Source)사이의 내부 저항(RDS)[12[미리옴] 및 24[미리옴]]으로 생기는 임피던스(Impedance)가 역병렬 다이오드의 전압강하[1.3[V] 내지 1.8[V]]로 생기는 임피던스(Impedance) 보다 작으며, 이를 제어함을 통하여 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 충전 시, 전체적으로 균일하게 충전시키는 것을 가장 큰 기술적 특징으로 한다.
도 9는 본 발명에서 제안하는 배터리 셀의 온도제어 장치(평면도)를 나타내며, 도 10은 본 발명에서 제안하는 배터리 셀의 온도제어 장치(사시도)를 나타낸다.
상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 제1 배터리 셀(11)과 제2 배터리 셀(12) 사이에 냉각판(Cooling Plate)(103)이 배치되며, 제2 배터리 셀(12)과 제3 배터리 셀(13) 사이에 냉각판(Cooling Plate)(103)이 배치되며, 제3 배터리 셀(13)과 제4 배터리 셀(14) 사이에 냉각판(Cooling Plate)(103)이 배치되며, 제4 배터리 셀(14)과 제5 배터리 셀(15) 사이에 냉각판(Cooling Plate)(103)이 배치되는 것을 기술적 특징으로 한다.
따라서 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15) 사이사이에 냉각판(Cooling Plate)(103)이 배치되는 것을 특징으로 한다.
방열 제어부(101)는 열전도 파이프(102)를 통하여 냉각판(Cooling Plate)(103)에 냉매(冷媒)를 공급하며, 상기 냉매(冷媒)는 디메틸(Dimethyl) 실리콘오일 또는 메틸페닐(Methylphenyl) 실리콘오일에 열전도성을 더욱 높이기 위하여 탄소나노(Carbon nano)의 입자를 충진시키는 것을 가장 큰 기술적 특징으로 한다.
따라서 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 발생되는 열은 냉매(冷媒)를 통하여 방열 제어부(101)로 이동하며, 상기 방열 제어부(101)의 일측(一側)에 위치하는 방열판(Heatsink)(104)을 통해서 방출되는 것을 기술적 특징으로 한다.
상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 일정(一定) 이상이 열이 발생하는 경우, 상기 방열 제어부(101)는 첫째, 상기 냉매(冷媒)의 순환을 가속화시킴을 통하여 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 온도를 감소시키며, 둘째, 상기 방열 제어부(101)는 상기 셀 밸런스 제어기(50)과 통신하여 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 전압을 감소시키도록 제어하는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에서 냉매(冷媒)로 사용되는 디메틸(Dimethyl) 실리콘오일 또는 메틸페닐(Methylphenyl) 실리콘오일은 다음과 같은 특징이 있다.
1) 식물계 오일에 비교하여 온도에 따른 점도변화가 작다
2) 디메틸(Dimethyl) 실리콘오일 또는 메틸페닐(Methylphenyl) 실리콘오일은 모두 공기중 산화에 대하여 매우 안정하다. (디메틸(Dimethyl) 실리콘오일은 150도 이하에서는 거의 산화되지 않으며, 180도 이상에서 산화되며, 메틸페닐(Methylphenyl) 실리콘오일은 250도 이상에서 산화가 발생한다.)
3) 극저온(영하 수십도)에서도 유동성을 유지할 수 있다. 디메틸(Dimethyl) 실리콘오일은 영하 -40 내지 -50도에서도 유동성이 유지되며, 메틸페닐(Methylphenyl) 실리콘오일은 영하 -70도에서도 유동성이 유지된다.
4) 디메틸(Dimethyl) 실리콘오일 또는 메틸페닐(Methylphenyl) 실리콘오일은 화학적 안정성,윤활성이 우수하다.
본 발명에서 상기 냉매(冷媒)에 열전도성을 더욱 높이기 위하여 탄소나노(Carbon nano)의 입자를 충진시키는 것을 기술적 특징으로 하며, 이를 통하여 열 전도성이 더욱 우수하며, 영하 영하 -40 내지 -50도에서 영상 150도까지 안정적으로 열을 유동시킬 수 있는 것을 가장 큰 기술적 특징으로 한다.
본 발명에서는 배터리 관리 장치에 있어서, 교류(AC) 전원으로부터 복수의 배터리를 충전하기 위하여 직류전원을 공급하는 충전기(30); 상기 충전기(30)의 출력 직류(DC) 전압을 n개(여기서 n은 2이상의 자연수)로 분압(分壓)시키는 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n); 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n)의 모든 분압(分壓) 전압을 일정하게 유지시키는 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n); 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n)의 출력과 연결되어 있는 제1 내지 제n 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n); 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n)는 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n)의 전압을 검출하기 위한 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로의 상측저항(113-1 내지 113-n), 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로의 하측저항(114-1 내지 114-n); 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로의 상측저항(113-1 내지 113-n) 및 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로의 하측저항(114-1 내지 114-n)의 접점과 연결된 제1 내지 제n 분압 밸런스 스위치(111-1 내지 111-n)를 포함하며; 상기 제1 내지 제n 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n)은 서로 직렬(直列)로 연결되어 있으며; 상기 제1 내지 제n 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n) 내부의 제1 내지 K 배터리 셀(11 내지 k)(여기서 k는 2이상의 자연수)은 서로 병렬(竝列)로 연결되어 있으며; 상기 복수의 배터리에서 출력전압을 높이기 위해서는 제1 내지 제n 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n)의 직렬(直列)연결 수를 증가시키며; 상기 복수의 배터리에서 출력전류를 높이기 위해서는 상기 제1 내지 K 배터리 셀(11 내지 k)의 병렬(竝列)연결 수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치를 제안하고자 한다.
또한, 본 발명에서는 배터리 관리 장치에 있어서, 제1 내지 제n 접속단자(31-1 내지 31-n)의 (+) 출력단자에 (+) 직류전원에 n개(여기서 n은 2이상의 자연수)의 원통형 리튬-이온 배터리가 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀(11 내지 15); 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 (-)측과 소스(Source) 단자가 연결되며, 상기 제1 내지 제n 접속단자(31-1 내지 31-n)의 (-) 직류전원에 드레인(Drain) 단자가 연결된 스위치부(21 내지 25); 상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 (-)측에서 상기 제1 내지 제n 접속단자(31-1 내지 31-n)의 (-) 직류전원의 방향으로 애노드(Anode)에서 캐소드(Cathode)가 연결된 역병렬 다이오드(21-2 내지 25-2)를 포함하는 배터리 관리 장치를 제안하고자 한다.
본 발명은 이 분야의 통상의 지식을 가진자가 다양한 변형에 의하여 배터리 관리 장치에 적용시킬 수 있으며, 기술적으로 용이하게 변형시키는 기술의 범주도 본 특허의 권리범위에 속하는 것으로 인정해야 할 것이다.
11 : 제1 배터리 셀
11-1 : 제1 배터리 셀에 제1의 18650 배터리
11-2 : 제1 배터리 셀에 제2의 18650 배터리
11-3 : 제1 배터리 셀에 제3의 18650 배터리
11-4 : 제1 배터리 셀에 제4의 18650 배터리
11-5 : 제1 배터리 셀에 제5의 18650 배터리
11-6 : 제1 배터리 셀에 제6의 18650 배터리
11-7 : 제1 배터리 셀에 제7의 18650 배터리
11-8 : 제1 배터리 셀에 제8의 18650 배터리
11-9 : 제1 배터리 셀에 제9의 18650 배터리
11-10 : 제1 배터리 셀에 제10의 18650 배터리
11-11 : 제1 배터리 셀에 제11의 18650 배터리
11-12 : 제1 배터리 셀에 제12의 18650 배터리
11-(n-1) : 제1 배터리 셀에 제(n-1)의 18650 배터리
11-n : 제1 배터리 셀에 제n의 18650 배터리
12 : 제2 배터리 셀
12-1 : 제2 배터리 셀에 제1의 18650 배터리
12-2 : 제2 배터리 셀에 제2의 18650 배터리
12-3 : 제2 배터리 셀에 제3의 18650 배터리
12-4 : 제2 배터리 셀에 제4의 18650 배터리
12-5 : 제2 배터리 셀에 제5의 18650 배터리
12-6 : 제2 배터리 셀에 제6의 18650 배터리
12-7 : 제2 배터리 셀에 제7의 18650 배터리
12-8 : 제2 배터리 셀에 제8의 18650 배터리
12-9 : 제2 배터리 셀에 제9의 18650 배터리
12-10 : 제2 배터리 셀에 제10의 18650 배터리
12-11 : 제2 배터리 셀에 제11의 18650 배터리
12-12 : 제2 배터리 셀에 제12의 18650 배터리
12-(n-1) : 제2 배터리 셀에 제(n-1)의 18650 배터리
12-n : 제2 배터리 셀에 제n의 18650 배터리
13 : 제3 배터리 셀
13-1 : 제3 배터리 셀에 제1의 18650 배터리
13-2 : 제3 배터리 셀에 제2의 18650 배터리
13-3 : 제3 배터리 셀에 제3의 18650 배터리
13-4 : 제3 배터리 셀에 제4의 18650 배터리
13-5 : 제3 배터리 셀에 제5의 18650 배터리
13-6 : 제3 배터리 셀에 제6의 18650 배터리
13-7 : 제3 배터리 셀에 제7의 18650 배터리
13-8 : 제3 배터리 셀에 제8의 18650 배터리
13-9 : 제3 배터리 셀에 제9의 18650 배터리
13-10 : 제3 배터리 셀에 제10의 18650 배터리
13-11 : 제3 배터리 셀에 제11의 18650 배터리
13-12 : 제3 배터리 셀에 제12의 18650 배터리
13-(n-1) : 제3 배터리 셀에 제(n-1)의 18650 배터리
13-n : 제3 배터리 셀에 제n의 18650 배터리
14 : 제4 배터리 셀
14-1 : 제4 배터리 셀에 제1의 18650 배터리
14-2 : 제4 배터리 셀에 제2의 18650 배터리
14-3 : 제4 배터리 셀에 제3의 18650 배터리
14-4 : 제4 배터리 셀에 제4의 18650 배터리
14-5 : 제4 배터리 셀에 제5의 18650 배터리
14-6 : 제4 배터리 셀에 제6의 18650 배터리
14-7 : 제4 배터리 셀에 제7의 18650 배터리
14-8 : 제4 배터리 셀에 제8의 18650 배터리
14-9 : 제4 배터리 셀에 제9의 18650 배터리
14-10 : 제4 배터리 셀에 제10의 18650 배터리
14-11 : 제4 배터리 셀에 제11의 18650 배터리
14-12 : 제4 배터리 셀에 제12의 18650 배터리
14-(n-1) : 제4 배터리 셀에 제(n-1)의 18650 배터리
14-n : 제4 배터리 셀에 제n의 18650 배터리
15 : 제5 배터리 셀
15-1 : 제5 배터리 셀에 제1의 18650 배터리
15-2 : 제5 배터리 셀에 제2의 18650 배터리
15-3 : 제5 배터리 셀에 제3의 18650 배터리
15-4 : 제5 배터리 셀에 제4의 18650 배터리
15-5 : 제5 배터리 셀에 제5의 18650 배터리
15-6 : 제5 배터리 셀에 제6의 18650 배터리
15-7 : 제5 배터리 셀에 제7의 18650 배터리
15-8 : 제5 배터리 셀에 제8의 18650 배터리
15-9 : 제5 배터리 셀에 제9의 18650 배터리
15-10 : 제5 배터리 셀에 제10의 18650 배터리
15-11 : 제5 배터리 셀에 제11의 18650 배터리
15-12 : 제5 배터리 셀에 제12의 18650 배터리
15-(n-1) : 제5 배터리 셀에 제(n-1)의 18650 배터리
15-n : 제5 배터리 셀에 제n의 18650 배터리
16 : 제6 배터리 셀
16-1 : 제6 배터리 셀에 제1의 18650 배터리
16-2 : 제6 배터리 셀에 제2의 18650 배터리
16-3 : 제6 배터리 셀에 제3의 18650 배터리
16-4 : 제6 배터리 셀에 제4의 18650 배터리
16-5 : 제6 배터리 셀에 제5의 18650 배터리
16-6 : 제6 배터리 셀에 제6의 18650 배터리
16-7 : 제6 배터리 셀에 제7의 18650 배터리
16-8 : 제6 배터리 셀에 제8의 18650 배터리
16-9 : 제6 배터리 셀에 제9의 18650 배터리
16-10 : 제6 배터리 셀에 제10의 18650 배터리
16-11 : 제6 배터리 셀에 제11의 18650 배터리
16-12 : 제6 배터리 셀에 제12의 18650 배터리
16-(n-1) : 제6 배터리 셀에 제(n-1)의 18650 배터리
16-n : 제6 배터리 셀에 제n의 18650 배터리
K : 제K 배터리 셀
K-1 : 제K 배터리 셀에 제1의 18650 배터리
K-2 : 제K 배터리 셀에 제2의 18650 배터리
K-3 : 제K 배터리 셀에 제3의 18650 배터리
K-4 : 제K 배터리 셀에 제4의 18650 배터리
K-5 : 제K 배터리 셀에 제5의 18650 배터리
K-6 : 제K 배터리 셀에 제6의 18650 배터리
K-7 : 제K 배터리 셀에 제7의 18650 배터리
K-8 : 제K 배터리 셀에 제8의 18650 배터리
K-9 : 제K 배터리 셀에 제9의 18650 배터리
K-10 : 제K 배터리 셀에 제10의 18650 배터리
K-11 : 제K 배터리 셀에 제11의 18650 배터리
K-12 : 제K 배터리 셀에 제12의 18650 배터리
K-(n-1) : 제K 배터리 셀에 제(n-1)의 18650 배터리
K-n : 제K 배터리 셀에 제n의 18650 배터리
20 : 셀 밸런스 회로
21 내지 25 : 스위치부
21-1 내지 25-1 : 스위치
21-2 내지 25-2 : 역병렬 다이오드
21 : 제1 스위치부
21-1 : 제1 스위치
21-2 : 제1 역병렬 다이오드
22 : 제2 스위치부
22-1 : 제2 스위치
22-2 : 제2 역병렬 다이오드
23 : 제3 스위치부
23-1 : 제3 스위치
23-2 : 제3 역병렬 다이오드
24 : 제4 스위치부
24-1 : 제4 스위치
24-2 : 제4 역병렬 다이오드
25 : 제5 스위치부
25-1 : 제5 스위치
25-2 : 제5 역병렬 다이오드
26 : 과충전 제어 스위치
27 : 과방전 제어 스위치
30 : 충전기
31 : 접속단자
31-1 : 제1 접속단자
31-2 : 제2 접속단자
31-3 : 제3 접속단자
31-4 : 제4 접속단자
31-(n-1) : 제(n-1) 접속단자
31-n : 제n 접속단자
40 : 교류(AC) 플러그
50 : 셀 밸런스 제어기
51 : 뱅크 커패시터
60 : 과충전 제어 스위치를 제어하기 위한 세부 제어회로
61 : 제1 P형 트랜지스터
62 : 제2 N형 트랜지스터
63 : 제1 LED
64 : 제너 다이오드
70 : 과방전 제어 스위치 및 제1 내지 제5 스위치부를 제어하기 위한 세부 제어회로
71 : 제3 N형 트랜지스터
72 : 제4 N형 트랜지스터
73 : 제2 LED
81 : 제1 배터리 셀의 상측저항
82 : 제1 배터리 셀의 하측저항
83 : 제2 배터리 셀의 상측저항
84 : 제2 배터리 셀의 하측저항
85 : 제3 배터리 셀의 상측저항
86 : 제3 배터리 셀의 하측저항
87 : 제4 배터리 셀의 상측저항
88 : 제4 배터리 셀의 하측저항
89 : 제4 배터리 셀의 상측저항
90 : 제4 배터리 셀의 하측저항
101 : 방열 제어부
102 : 열전도 파이프
103 : 냉각판(Cooling Plate)
104 : 방열판(Heatsink)
110 : 분압 밸런스 회로
110-1 : 제1 분압 밸런스 회로
110-2 : 제2 분압 밸런스 회로
110-3 : 제3 분압 밸런스 회로
110-4 : 제4 분압 밸런스 회로
110-(n-1) : 제(n-1) 분압 밸런스 회로
110-n : 제n 분압 밸런스 회로
111 : 분압 밸런스 스위치
111-1 : 제1 분압 밸런스 스위치
111-2 : 제2 분압 밸런스 스위치
111-3 : 제3 분압 밸런스 스위치
111-4 : 제4 분압 밸런스 스위치
111-(n-1) : 제(n-1) 분압 밸런스 스위치
111-n : 제n 분압 밸런스 스위치
112 : 분압 밸런스 역병렬 다이오드
112-1 : 제1 분압 밸런스 역병렬 다이오드
112-2 : 제2 분압 밸런스 역병렬 다이오드
112-3 : 제3 분압 밸런스 역병렬 다이오드
112-4 : 제4 분압 밸런스 역병렬 다이오드
112-(n-1) : 제(n-1) 분압 밸런스 역병렬 다이오드
112-n : 제n 분압 밸런스 역병렬 다이오드
113 : 분압 밸런스 회로의 상측저항
113-1 : 제1 분압 밸런스 회로의 상측저항
113-2 : 제2 분압 밸런스 회로의 상측저항
113-3 : 제3 분압 밸런스 회로의 상측저항
113-4 : 제4 분압 밸런스 회로의 상측저항
113-(n-1) : 제(n-1) 분압 밸런스 회로의 상측저항
113-n : 제n 분압 밸런스 회로의 상측저항
114 : 분압 밸런스 회로의 하측저항
114-1 : 제1 분압 밸런스 회로의 하측저항
114-2 : 제2 분압 밸런스 회로의 하측저항
114-3 : 제3 분압 밸런스 회로의 하측저항
114-4 : 제4 분압 밸런스 회로의 하측저항
114-(n-1) : 제(n-1) 분압 밸런스 회로의 하측저항
114-n : 제n 분압 밸런스 회로의 하측저항
115 : 분압 밸런스 커패시터
115-1 : 제1 분압 밸런스 커패시터
115-2 : 제2 분압 밸런스 커패시터
115-3 : 제3 분압 밸런스 커패시터
115-4 : 제4 분압 밸런스 커패시터
115-(n-1) : 제(n-1) 분압 밸런스 커패시터
115-n : 제n 분압 밸런스 커패시터
150 : 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)
150-1 : 제1 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)
150-2 : 제2 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)
150-3 : 제3 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)
150-4 : 제4 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)
150-5 : 제5 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)
150-6 : 제6 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)
150-7 : 제7 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)
150-8 : 제8 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)
150-9 : 제9 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)
150-10 : 제10 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)
150-11 : 제11 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)
150-12 : 제12 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)
150-(n-1) : 제(n-1) 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)
150-n : 제n 18650 리튬-이온 배터리 팩(Pack)
180 : 에너지 저장 장치의 적층형 케이스(Case)
D : 드레인(Drain)
D1 : 제1 다이오드
D2 : 제2 다이오드
C1 : 제1 커패시터
C2 : 제2 커패시터
C21 : 제21 커패시터
ID : 스위치 허용 전류
R1 : 제1 저항
R2 : 제2 저항
R3 : 제3 저항
R4 : 제4 저항
R5 : 제5 저항
R21 : 제21 저항
R22 : 제22 저항
R23 : 제23 저항
R24 : 제24 저항
R25 : 제25 저항
R31 : 제31 저항
R32 : 제32 저항
R33 : 제33 저항
R34 : 제34 저항
R35 : 제35 저항
RDS : 드레인-소스 저항
S : 소오스(Source)
G : 게이트(Gate)
G1 : 제1 게이트 단자
G2 : 제2 게이트 단자
Vcc(+) : (+) 제어전원
Vcc(-) : (-) 제어전원
Vcont : 제어전압
VDSS : 스위치 허용 내압
VDS : 역병렬 다이오드 전압강하
(+) : (+) 직류전원
(-) : (-) 직류전원

Claims (12)

  1. 배터리 관리 장치에 있어서,
    교류(AC) 전원으로부터 복수의 배터리를 충전하기 위하여 직류전원을 공급하는 충전기(30);
    상기 충전기(30)의 출력 직류(DC) 전압을 n개(여기서 n은 2이상의 자연수)로 분압(分壓)시키는 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n);
    상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n)의 모든 분압(分壓) 전압을 일정하게 유지시키는 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n);
    상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n)의 출력과 연결되어 있는 제1 내지 제n 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n);
    상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n)는 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n)의 전압을 검출하기 위한 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로의 상측저항(113-1 내지 113-n), 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로의 하측저항(114-1 내지 114-n);
    상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로의 상측저항(113-1 내지 113-n) 및 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로의 하측저항(114-1 내지 114-n)의 접점과 연결된 제1 내지 제n 분압 밸런스 스위치(111-1 내지 111-n)를 포함하며,
    상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 스위치(111-1 내지 111-n)는 P형(P-Type) 반도체이고, 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n)에서 특정(特定) 분압 밸런스 커패시터의 전압이 상대적으로 높은 경우, 이에 대응되는 특정(特定) 분압 밸런스 스위치의 게이트(Gate) 전압은 상승하게 되어 상기 특정(特定) 분압 밸런스 스위치의 듀티(Duty)가 점차 줄어드는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치
  2. 배터리 관리 장치에 있어서,
    교류(AC) 전원으로부터 복수의 배터리를 충전하기 위하여 직류전원을 공급하는 충전기(30);
    상기 충전기(30)의 출력 직류(DC) 전압을 n개(여기서 n은 2이상의 자연수)로 분압(分壓)시키는 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n);
    상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n)의 모든 분압(分壓) 전압을 일정하게 유지시키는 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n);
    상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n)의 출력과 연결되어 있는 제1 내지 제n 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n);
    상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n)는 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n)의 전압을 검출하기 위한 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로의 상측저항(113-1 내지 113-n), 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로의 하측저항(114-1 내지 114-n);
    상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로의 상측저항(113-1 내지 113-n) 및 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로의 하측저항(114-1 내지 114-n)의 접점과 연결된 제1 내지 제n 분압 밸런스 스위치(111-1 내지 111-n)를 포함하며;
    상기 제1 내지 제n 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n)은 서로 직렬(直列)로 연결되어 있으며;
    상기 제1 내지 제n 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n) 내부의 제1 내지 K 배터리 셀(11 내지 k)(여기서 k는 2이상의 자연수)은 서로 병렬(竝列)로 연결되어 있으며;
    상기 복수의 배터리에서 출력전압을 높이기 위해서는 제1 내지 제n 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n)의 직렬(直列)연결 수를 증가시키며;
    상기 복수의 배터리에서 출력전류를 높이기 위해서는 상기 제1 내지 K 배터리 셀(11 내지 k)의 병렬(竝列)연결 수를 증가시키며,
    상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 스위치(111-1 내지 111-n)는 P형(P-Type) 반도체이고, 상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 커패시터(115-1 내지 115-n)에서 특정(特定) 분압 밸런스 커패시터의 전압이 상대적으로 높은 경우, 이에 대응되는 특정(特定) 분압 밸런스 스위치의 게이트(Gate) 전압이 상승하게 되어 상기 특정(特定) 분압 밸런스 스위치의 듀티(Duty)가 점차 줄어드는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치
  3. 청구항 제1항 또는 청구항 제2항에 있어서
    상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 회로(110-1 내지 110-n)의 출력과 제1 내지 제n 리튬-이온 배터리 팩(Pack)(150-1 내지 150-n)을 전기적으로 연결하기 위한 제1 내지 제n 접속단자(31-1 내지 31-n)를 포함하는 배터리 관리 장치
  4. 청구항 제1항 또는 청구항 제2항에 있어서
    상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 스위치(111-1 내지 111-n)는 P형(P-Type) MOSFET인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치
  5. 청구항 제4항에 있어서
    상기 제1 내지 제n 분압 밸런스 스위치(111-1 내지 111-n)에서 드레인(D)에서 소스(S) 방향으로 제1 내지 제n 분압 밸런스 역병렬 다이오드(112-1 내지 112-n)가 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치
  6. 삭제
  7. 배터리 관리 장치에 있어서,
    제1 내지 제n 접속단자(31-1 내지 31-n)의 (+) 출력단자에 (+) 직류전원에 n개(여기서 n은 2이상의 자연수)의 원통형 리튬-이온 배터리가 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀(11 내지 15);
    상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 (-)측과 소스(Source) 단자가 연결되며, 상기 제1 내지 제n 접속단자(31-1 내지 31-n)의 (-) 직류전원에 드레인(Drain) 단자가 연결된 스위치부(21 내지 25);
    상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)의 (-)측에서 상기 제1 내지 제n 접속단자(31-1 내지 31-n)의 (-) 직류전원의 방향으로 애노드(Anode)에서 캐소드(Cathode)가 연결된 역병렬 다이오드(21-2 내지 25-2)를 포함하는 배터리 관리 장치
  8. 청구항 제7항에 있어서,
    상기 제1 내지 제n 접속단자(31-1 내지 31-n)의 (-) 직류전원에는 과충전(過充電)을 직접적으로 제어하기 위한 과충전 제어 스위치(26) 및 과방전(過妨電)을 직접적으로 제어하기 위한 과방전 제어 스위치(27)가 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치
  9. 청구항 제8항에 있어서,
    상기 과충전 제어 스위치(26)의 드레인(Drain) 단자와 과방전 제어 스위치(27)의 드레인(Drain) 단자가 직접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치
  10. 청구항 제7항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 제1 배터리 셀(11)과 제2 배터리 셀(12) 사이에 냉각판(Cooling Plate)(103)이 배치되며;
    제2 배터리 셀(12)과 제3 배터리 셀(13) 사이에 냉각판(Cooling Plate)(103)이 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치
  11. 청구항 제10항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 발생하는 열을 직접적으로 냉각하기 위하여
    방열 제어부(101)는 열전도 파이프(102)를 통하여 상기 냉각판(Cooling Plate)(103)에 냉매(冷媒)의 흐름을 제어하며;
    상기 복수의 배터리 셀(11 내지 15)에서 발생되는 열은 냉매(冷媒)를 통하여 방열 제어부(101)로 이동하며;
    상기 방열 제어부(101)의 일측(一側)에 위치하는 방열판(Heatsink)(104)을 통해서 방출되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치
  12. 청구항 제11항에 있어서,
    상기 냉매(冷媒)는 디메틸(Dimethyl) 실리콘오일 또는 메틸페닐(Methylphenyl) 실리콘오일에 열전도성을 더욱 높이기 위하여 탄소나노(Carbon nano)의 입자를 충진시키는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치
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