KR102192188B1 - 과충전 방지 장치 및 방법 - Google Patents

과충전 방지 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102192188B1
KR102192188B1 KR1020170049372A KR20170049372A KR102192188B1 KR 102192188 B1 KR102192188 B1 KR 102192188B1 KR 1020170049372 A KR1020170049372 A KR 1020170049372A KR 20170049372 A KR20170049372 A KR 20170049372A KR 102192188 B1 KR102192188 B1 KR 102192188B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cell stack
bypass
cell
cell stacks
path
Prior art date
Application number
KR1020170049372A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180116707A (ko
Inventor
이재찬
김수령
김현식
송현진
이원태
최양림
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020170049372A priority Critical patent/KR102192188B1/ko
Priority to EP18787678.4A priority patent/EP3525314B1/en
Priority to CN201880004064.5A priority patent/CN110062994B/zh
Priority to US16/340,265 priority patent/US11165262B2/en
Priority to JP2019529262A priority patent/JP7001229B2/ja
Priority to PCT/KR2018/001819 priority patent/WO2018194249A1/ko
Publication of KR20180116707A publication Critical patent/KR20180116707A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102192188B1 publication Critical patent/KR102192188B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H02J7/0026—
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00308—Overvoltage protection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/441—Methods for charging or discharging for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/00032—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries characterised by data exchange
    • H02J7/00036—Charger exchanging data with battery
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00302—Overcharge protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0031—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using battery or load disconnect circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/0048—Detection of remaining charge capacity or state of charge [SOC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Abstract

배터리팩에 포함되는 복수의 셀 스택 각각을 과충전으로부터 보호하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 일 측면에 따른 과충전 방지 장치는, 대전류 경로 내에서 서로 직렬 연결된 복수의 셀 스택의 과충전을 방지하기 위한 것이다. 상기 과충전 방지 장치는, 상기 각 셀 스택의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 나타내는 제1 모니터링 신호를 생성하는 전압 측정부; 상기 각 셀 스택에게 바이패스 경로를 선택적으로 제공하도록 구성된 전류 조정부; 상기 전압 측정부 및 상기 전류 조정부와 통신 가능하게 연결되는 컨트롤러;를 포함한다. 상기 컨트롤러는, 상기 전압 측정부로부터의 제1 모니터링 신호를 기초로, 상기 전류 조정부를 제어한다.

Description

과충전 방지 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PREVENTING OVERCHARGE}
본 발명은 과충전 방지 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리팩에 포함되는 복수의 셀 스택 각각을 과충전으로부터 보호하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
전기 자동차 등에 탑재되는 배터리 팩은 서로 직렬 또는 병렬로 연결되는 복수의 셀 스택을 포함하는 것이 일반적이다. 이때, 각 셀 스택은, 하나 또는 서로 직렬 접속된 둘 이상의 전지 셀을 포함한다.
이러한 배터리 팩에 포함된 각각의 셀 스택의 상태는 BMS(Battery Management System)가 탑재된 컨트롤러에 의해 모니터링된다. 컨트롤러는 각 셀 스택으로부터 모니터링된 상태를 기초로, 밸런싱 동작, 냉각 동작, 충전 동작, 방전 동작 등을 제어하기 위한 신호를 출력할 수 있다.
배터리 팩에 충전 전류가 공급됨에 따라, 각 셀 스택의 전압은 점차적으로 상승하여 과충전될 수 있다. 과충전으로 인해 셀 스택이 폭발하는 등의 위험 상황이 발생할 수 있는바, 과충전을 방지하기 위한 종래기술로서 특허문헌 1이 존재한다. 특허문헌 1에 따른 배터리 팩은 상기 셀 스택에 대응하는 배터리 및 전류 차단 장치를 포함하며, 배터리에 과전압이 발생하는 경우 전류 차단 장치가 배터리를 대전류 경로로부터 전기적으로 분리한다.
그런데, 배터리의 과충전 시에 단순히 배터리를 대전류 경로로부터 전기적으로 분리해버릴 경우, 주요한 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차에 탑재되는 배터리 팩의 배터리가 대전류 경로로부터 전기적으로 분리될 경우, 전기 자동차가 갑자기 정지하게 되는 위험이 있다.
특허문헌 1: 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0017043호(공개일자: 2014년 2월 11일)
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리팩에 포함된 일부 셀 스택이 과충전된 경우, 충전 전류가 과충전된 일부 셀 스택을 바이패스하여 나머지 셀 스택으로 공급될 수 있도록 하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다양한 실시예는 다음과 같다.
본 발명의 일 측면에 따른 과충전 방지 장치는, 대전류 경로 내에서 서로 직렬 연결된 복수의 셀 스택의 과충전을 방지하기 위한 것이다. 상기 과충전 방지 장치는, 상기 각 셀 스택의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 나타내는 제1 모니터링 신호를 생성하는 전압 측정부; 상기 각 셀 스택에게 바이패스 경로를 선택적으로 제공하도록 구성된 전류 조정부; 상기 전압 측정부 및 상기 전류 조정부와 통신 가능하게 연결되는 컨트롤러;를 포함한다. 상기 컨트롤러는, 상기 전압 측정부로부터의 제1 모니터링 신호를 기초로, 상기 전류 조정부를 제어한다.
또한, 상기 컨트롤러는, 상기 전압 측정부로부터의 제1 모니터링 신호를 기초로, 상기 복수의 셀 스택 중 과충전된 셀 스택이 있는지 판정하고, 과충전된 셀 스택이 있는 경우, 과충전된 셀 스택에게 바이패스 경로를 제공하도록 상기 전류 조정부를 제어할 수 있다.
또한, 상기 전류 조정부는, 복수의 바이패스 회로;를 포함한다. 상기 각 바이패스 회로는, 상기 각 셀 스택에 병렬 접속된 복수의 바이패스 스위치;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 컨트롤러는, 상기 전압 측정부로부터의 제1 모니터링 신호를 기초로, 상기 복수의 셀 스택 중 과충전된 셀 스택이 있는지 판정하고, 과충전된 셀 스택이 있는 경우, 상기 과충전된 셀 스택에 병렬 접속된 복수의 바이패스 스위치 중 적어도 하나를 온 상태로 제어할 수 있다.
또한, 상기 각 셀 스택에 공급되는 충전 전류를 측정하고, 측정된 충전 전류를 나타내는 제2 모니터링 신호를 생성하는 전류 측정부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 컨트롤러는, 상기 전압 측정부로부터의 제1 모니터링 신호 및 상기 전류 측정부로부터의 제2 모니터링 신호를 기초로, 상기 복수의 셀 스택 중 적어도 하나의 내부 저항값을 산출할 수 있다.
또한, 상기 컨트롤러는, 상기 과충전된 셀 스택에 병렬 접속된 복수의 바이패스 스위치 중, 상기 과충전된 셀 스택의 내부 저항값에 대응하는 개수의 바이패스 스위치를 온 상태로 제어하고, 나머지 바이패스 스위치를 오프 상태로 제어할 수 있다.
또한, 상기 각 셀 스택을 냉각하도록 구성된 냉각부;를 더 포함할 수 있다. 상기 냉각부는, 각각 상기 각 셀 스택에게 제공된 바이패스 경로를 통해 공급되는 충전 전류에 의해 동작하여, 상기 각 셀 스택을 냉각하는 복수의 냉각 소자;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 각 냉각 소자는, 흡열 파트 및 방열 파트를 가지고, 상기 흡열 파트가 상기 방열 파트보다 상기 각 셀 스택에 인접하도록 배치된 펠티어 소자일 수 있다.
또한, 상기 전압 측정부는, 각각 상기 각 셀 스택에 병렬 접속된 복수의 전압 센서;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리팩은, 상기 과충전 방지 장치; 및 서로 직렬 연결되는 복수의 셀 스택;을 포함한다. 상기 과충전 방지 장치는, 상기 각 셀 스택에 대한 과충전 방지 동작을 수행한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 배터리팩에 포함된 복수의 셀 스택 중에서 일부가 과충전된 경우, 충전 전류의 적어도 일부가 과충전된 각 셀 스택을 바이패스하여 나머지 셀 스택으로 공급될 수 있다. 따라서, 일부 셀 스택이 과충전 상태에 이르더라도, 과충전되지 않은 나머지 셀 스택을 계속적으로 충전할 수 있다.
또한, 배터리팩에 포함된 복수의 셀 스택 중, 과충전된 셀 스택을 대전류 경로로부터 전기적으로 분리할 수 있다. 이때, 대전류 경로로부터 전기적으로 분리된 각 셀 스택을 대신하여 대전류 경로를 구성하는 바이패스 경로가 배터리팩 내에 제공된다. 따라서, 일부 셀 스택이 대전류 경로로부터 전기적으로 분리되더라도, 과충전되지 않은 나머지 셀 스택을 충방전할 수 있다.
또한, 대전류 경로로부터 전기적으로 분리된 각 셀 스택을 대신하여 대전류 경로를 구성하는 각 바이패스 경로의 저항값을 조절할 수 있다. 이 경우, 각 바이패스 경로의 저항값이 대전류 경로로부터 전기적으로 분리된 각 셀 스택의 내부 저항값에 따라 조절됨으로써, 대전류 경로에 전기적으로 접속된 채로 남아있는 각 셀 스택에게 과전류가 공급되지 않도록 할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리팩의 일 구현예를 보여준다.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 바이패스 회로의 서로 다른 구현예를 보여주는 도면이다.
도 5 내지 도 7은 도 2에 도시된 구현예에 따른 과충전 방지 장치의 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 8 및 도 9는 도 1에 도시된 배터리팩의 서로 다른 구현예를 보여준다.
도 10 내지 도 13은 도 9에 도시된 구현예에 따른 과충전 방지 장치의 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 14 내지 도 16은 도 1에 도시된 배터리팩의 서로 다른 구현예를 보여준다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 과충전 방지 방법을 보여주는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "접속"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 접속"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 접속"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩(1)의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리팩(1)은 배터리 모듈(10) 및 과충전 방지 장치(100)를 포함한다. 배터리 모듈(10)은, 복수의 셀 스택(20)을 포함한다. 과충전 방지 장치(100)는, 기본적으로 전압 측정부(110), 전류 조정부(120) 및 컨트롤러(170)를 포함하고, 선택적으로 단로부(140), 전류 측정부(150) 및 냉각부(160) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 또한, 과충전 방지 장치(100)가 단로부(140)를 포함하는 경우, 방전 유도부(180)가 추가될 수 있다.
복수의 셀 스택(20)은, 서로 직렬 접속되고, 배터리팩(1)의 두 전원 단자 사이의 대전류 경로 상에 설치된다.
전압 측정부(110)는, 각 셀 스택(20)의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 나타내는 제1 모니터링 신호를 생성한다. 전압 측정부(110)에 의해 생성된 제1 모니터링 신호는, 컨트롤러(170)에게 전송된다.
전류 조정부(120)는, 각 셀 스택(20)에 병렬 접속되는 바이패스 경로를 선택적으로 제공하도록 구성된다. 즉, 전류 조정부(120)는 복수의 셀 스택(20)에게 개별적으로 바이패스 경로를 제공할 수 있다. 즉, 전류 조정부(120)는 일부의 셀 스택(20)에게만 바이패스 경로를 제공하고 나머지 셀 스택(20)에게는 바이패스 경로를 제공하지 않을 수 있다.
각 바이패스 경로를 통해 충전 전류의 일부 또는 전부가 흐르게 된다. 따라서, 배터리팩(1)에 충전 전류가 공급되는 동안에, 바이패스 경로가 제공된 셀 스택(20)의 충전은 중지되거나 매우 느리게 진행된다.
또한, 전류 조정부(120)는, 각 바이패스 경로의 저항값을 조절할 수 있다. 이에 따라, 각 바이패스 경로를 통해 흐르는 전류는, 각 바이패스 경로의 저항값에 따라 조절된다. 예컨대, 바이패스 경로의 저항값이 증가할수록 그 바이패스 경로를 통해 흐르는 충전 전류는 줄어들 수 있다.
단로부(140)는, 각 셀 스택(20)을 배터리팩(1)으로부터 선택적으로 분리하도록 구성된다. 즉, 단로부(140)는, 대전류 경로로부터 각 스택(20)을 전기적으로 분리한다. 컨트롤러(170)에 의해, 전류 조정부(120)와 단로부(140)는 연동하여 동작할 수 있다. 예컨데, 단로부(140)에 의해 대전류 경로로부터 어느 한 셀 스택(20)이 분리된 경우, 전류 조정부(120)는 분리된 셀 스택(20)에게만 바이패스 경로를 제공할 수 있다. 분리된 셀 스택(20)에게 제공된 바이패스 경로는, 분리된 셀 스택(20)을 대신하여 대전류 경로를 구성하게 된다.
전류 측정부(150)는, 각 셀 스택(20)에 공급되는 충전 전류를 측정하고, 측정된 충전 전류를 나타내는 제2 모니터링 신호를 생성한다. 전류 측정부(150)에 의해 생성된 제2 모니터링 신호는, 컨트롤러(170)에게 전송된다. 전류 측정부(150)는, 대전류 경로에 설치되는 션트 저항을 포함하고, 충전 전류에 의해 션트 저항에 발생한 전압으로부터 충전 전류를 측정할 수 있다.
냉각부(160)는, 복수의 셀 스택(20)을 개별적으로 냉각하도록 구성된다. 보다 상세히는, 냉각부(160)는 각 셀 스택(20)에 제공된 바이패스 경로를 통해 흐르는 충전 전류에 의해 적어도 부분적으로 활성화된다. 활성화된 냉각부(160)는 소정 범위의 영역을 냉각한다.
방전 유도부(180)는, 배터리팩(1)의 두 전원 단자를 통해 충전 전류가 공급되는 동안, 단로부(140)에 의해 대전류 경로로부터 전기적으로 분리되어 있는 각 셀 스택(20)에게 방전 경로를 제공하도록 구성된다. 방전 유도부(140)는, 단로부(140)에 의해 제공되는 바이패스 경로를 통해 흐르는 충전 전류에 응답하여 자연적으로 활성화되도록 구성될 수 있다.
컨트롤러(170)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 컨트롤러(170)는, 전류 조정부(120), 전압 측정부(110), 전류 측정부(150) 및/또는 냉각부(160)와 통신 가능하게 연결되어, 이들의 동작을 전반적으로 제어한다. 여기서, 서로 다른 두 구성요소가 통신 가능하게 연결된다는 것은, 어느 한 구성요소가 다른 구성요소에게 신호나 데이터를 전송할 수 있도록 유선 및/또는 무선을 통해 연결된다는 것일 의미할 수 있다.
컨트롤러(170)는, 복수의 셀 스택(20)에 대한 과충전 방지 동작을 실행하도록 구성된다. 특히, 컨트롤러(170)는, 전압 측정부(110)로부터의 제1 모니터링 신호 및/또는 전류 측정부(150)로부터의 제2 모니터링 신호를 기초로, 전류 조정부(120)를 제어한다. 컨트롤러(170)로부터의 제어 신호에 따라, 전류 조정부(120)는 각 셀 스택(20)에게 바이패스 경로를 제공하거나, 기 제공된 바이패스 경로를 차단할 수 있다. 또한, 컨트롤러(170)는, 적어도 하나의 셀 스택(20)에게 제공되는 바이패스 경로 각각의 저항값을 소정 범위 내에서 조절하도록, 전류 조정부(120)를 제어할 수 있다.
이하에서는, 이해를 돕기 위해, 서로 직렬 접속되는 3개의 셀 스택(20-1~20-3)이 배터리팩(1)에 포함되는 것으로 가정한다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리팩(1)의 일 구현예를 보여준다.
배터리팩(1)에 포함된 복수의 셀 스택(20)은 배터리팩(1)의 두 전원 단자(+,-) 사이의 대전류 경로에 설치된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 각 셀 스택(20)은, 적어도 하나의 배터리 셀(21)을 포함한다. 각 셀 스택(20)에 복수의 배터리 셀(21)이 포함된 경우, 직렬 또는 병렬 접속될 수 있다. 또한, 각 셀 스택(20)은, 이에 포함되는 각 배터리 셀(21)을 적어도 부분적으로 커버하는 구조를 가지는 케이스(22)를 포함할 수 있다. 케이스(22)는, 효율적인 열 방출을 위해 금속 재질로 이루어질 수 있다.
전압 측정부(110)는, 복수의 전압 센서(111)를 포함할 수 있다. 전압 센서(111)의 개수는 셀 스택(20)의 개수와 동일할 수 있다. 이 경우, 각 셀 스택(20)마다 전압 센서(111)가 제공될 수 있다. 즉, 전압 센서(111)는 셀 스택(20)에 일대일로 대응할 수 있다.
각 전압 센서(111)는, 각 셀 스택(20)에 병렬 접속된다. 즉, 제1 전압 센서(111-1), 제2 전압 센서(111-2) 및 제3 전압 센서(111-3) 각각은, 제1 셀 스택(20-1), 제2 셀 스택(20-2) 및 제3 셀 스택(20-3)에 병렬 접속된다. 각 전압 센서(111)는, 그것에 병렬 접속된 어느 한 셀 스택(20)의 전압을 측정한다. 복수의 전압 센서(111)에 의해 측정된 각 셀 스택(20)의 전압을 나타내는 제1 모니터링 신호는 컨트롤러(170)에게 전송된다.
전류 조정부(120)는, 복수의 바이패스 회로(130-1~130-3)를 포함할 수 있다. 바이패스 회로(130)의 개수는 셀 스택(20)의 개수와 동일할 수 있다. 이 경우, 각 셀 스택(20)마다 바이패스 회로(130)가 하나씩 제공될 수 있다. 즉, 바이패스 회로(130)와 셀 스택(20)은 일대일로 대응할 수 있다.
각 바이패스 회로(130)는, 각 셀 스택(20)에 병렬 접속될 수 있다. 즉, 제1 바이패스 회로(130-1), 제2 바이패스 회로(130-2) 및 제3 바이패스 회로(130-3) 각각은, 제1 셀 스택(20-1), 제2 셀 스택(20-2) 및 제3 셀 스택(20-3)에 병렬 접속될 수 있다.
복수의 바이패스 회로(130-1~130-3) 중 적어도 하나가 컨트롤러(170)에 의해 활성화된 경우, 활성화된 바이패스 회로(130)는, 그것에 병렬 접속된 셀 스택(20)에게 바이패스 경로를 제공한다.
컨트롤러(170)는, 전압 측정부(110)로부터의 제1 모니터링 신호를 기초로, 복수의 셀 스택(20-1~20-3) 중 과충전된 것이 있는지 판정한다. 또한, 컨트롤러(170)는, 전압 측정부(110)로부터의 제1 모니터링 신호를 기초로, 과충전된 셀 스택의 개수를 산출할 수 있다. 이를 위해, 컨트롤러(170)는 각 셀 스택(20)으로부터 측정된 전압을 제1 기준 전압 및/또는 제2 기준 전압과 비교한다. 이때, 제2 기준 전압은 제1 기준 전압보다 높다.
제1 기준 전압과 제2 기준 전압 각각은, 각 셀 스택(20)의 과충전 여부를 판정하기 위한 기준으로 활용된다. 즉, 컨트롤러(170)는, 제1 기준 전압과 같거나 더 높은 전압까지 충전된 셀 스택(20)은 과충전 상태에 있는 것으로 판정한다. 또한, 컨트롤러(170)는, 제1 기준 전압과 같거나 더 높으면서 제2 기준 전압보다는 낮은 전압까지 충전된 셀 스택(20)에게는 충전 전류의 일부만이 공급되도록 전류 조정부(120)를 제어한다. 이하에서는, 제1 기준 전압과 같거나 더 높으면서 제2 기준 전압보다는 낮은 전압까지 충전된 상태를 제1 과충전 상태라고 하겠다.
또한, 컨트롤러(170)는, 제2 기준 전압과 같거나 더 높은 전압까지 충전된 셀 스택(20)에게는 충전 전류가 공급되지 않도록 전류 조정부(120) 및 단로부(140)를 제어한다. 이하에서는, 제2 기준 전압과 같거나 더 높은 전압까지 충전된 상태를 제2 과충전 상태라고 하겠다.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 바이패스 회로(130)의 서로 다른 구현예를 보여주는 도면이다.
먼저 도 3을 참조하면, 도 1에 도시된 각 바이패스 회로(130)는, 하나 또는 서로 병렬 접속되는 둘 이상의 바이패스 스위치(131)를 포함할 수 있다. 각 바이패스 스위치(131)는, 릴레이나 MOSFET 등과 같이 외부로부터의 신호에 응답하여 온오프 제어 가능한 것이라면 무방하다.
도 3에는 3개의 바이패스 스위치(131-1~131-3)가 각 바이패스 회로(130)에 포함되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 예시에 불과하고, 2개 또는 4개 이상의 바이패스 스위치(131)가 각 바이패스 회로(130)에 포함될 수 있다. 각 바이패스 회로(130)에 포함된 적어도 하나의 바이패스 스위치(131)가 온 상태로 된 경우, 각 바이패스 회로(130)에 병렬 접속된 셀 스택(20)에게 바이패스 경로가 제공된다.
각 바이패스 스위치(131)는 온 상태에서 소정의 저항값을 가질 수 있다. 이때, 각 바이패스 회로(130)에 포함되는 복수의 바이패스 스위치(131-1~131-3)의 저항값은, 서로 같거나 다를 수 있다. 각 바이패스 스위치(131)의 온오프 조합에 따라, 바이패스 경로의 저항값이 조절된다.
가령, 제1 내지 제3 바이패스 스위치(131-1~131-3)가 서로 동일한 저항값 R을 가진다고 해보자. 만약, 제1 내지 제3 바이패스 스위치(131-1~131-3) 중 어느 하나만이 온 상태이면서 나머지는 오프 상태인 동안, 셀 스택(20)에서 제공되는 바이패스 경로의 저항값은 R이다. 만약, 제1 내지 제3 바이패스 스위치(131-1~131-3) 중 어느 둘만이 온 상태이면서 나머지는 오프 상태인 동안, 제1 스택(20)에서 제공되는 바이패스 경로의 저항값은 R/2이다. 만약, 제1 내지 제3 바이패스 스위치(131-1~131-3) 모두 온 상태인 동안, 셀 스택(20)에게 제공되는 바이패스 경로의 저항값은 R/3이다. 즉, 각 바이패스 회로(130) 내에서 온 상태가 되는 바이패스 스위치(131)의 개수가 증가할수록, 그에 병렬 접속되는 셀 스택(20)에게 제공되는 바이패스 경로의 저항값은 감소한다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 도 3과 비교할 때, 각 바이패스 회로(130)는 하나 또는 둘 이상의 바이패스 저항(132)을 더 포함할 수 있다. 각 바이패스 저항(132)은, 복수의 바이패스 스위치(131-1~131-3) 중 어느 하나에 직렬 접속된다. 즉, 각 바이패스 회로(130) 내에서, 하나의 바이패스 스위치(131)와 하나의 바이패스 저항(132)이 직렬 접속될 수 있다. 이때, 각 바이패스 회로(130)에 포함되는 둘 이상의 바이패스 저항(132)의 저항값은 서로 같거나 다를 수 있다.
가령, 제1 셀 스택(20-1)에 대응하는 제1 바이패스 회로(130-1)에 포함된 제1 내지 제3 바이패스 스위치(131-1~131-3)가 서로 동일한 저항값 R을 가지고, 제1 바이패스 저항(132-1), 제2 바이패스 저항(132-2) 및 제3 바이패스 저항(132-3) 각각의 저항값은 R1, R2, R3이며, R1 < R2 < R3라고 해보자. 만약, 제1 바이패스 회로(130-1)에 포함된 제1 바이패스 스위치(131-1)만이 온 상태인 경우, 제1 셀 스택(20-1)에게 제공되는 바이패스 경로의 저항값은 R+R1이다. 만약, 제1 바이패스 회로(130-1)에 포함된 제1 및 제2 바이패스 스위치(131-1, 131-2)만이 온 상태인 동안, 제1 셀 스택(20-1)에게 제공되는 바이패스 경로의 저항값은 (R+R1)과 (R+R2)의 합성에 의해 {(R+R1)×(R+R2)}/{(2×R)+R1+R2}이 된다.
한편, 도 3 및 도 4을 참조하여 기 설명된 각 바이패스 회로(130)는 도 5 내지 도 12를 참조하여 후술할 실시예들에 따른 과충전 방지 장치(100)에게 적용될 수 있다.
도 5 내지 도 7은 도 2에 도시된 구현예에 따른 과충전 방지 장치의 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 설명의 편의를 위해, 각 바이패스 회로(130)는 도 3과 같이 구성되고, 모든 바이패스 스위치(131)의 저항값은 R로 동일한 것으로 가정한다.
먼저 도 5는 제1 내지 제3 셀 스택(20-1~20-3)이 모두 과충전되지 않은 경우의 동작을 예시한다. 이 경우, 컨트롤러(170)는, 제1 내지 제3 바이패스 회로(130-1~130-3)의 모든 바이패스 스위치(131)를 오프시키도록 전류 조정부(120)를 제어한다. 이에 따라, 배터리팩(1) 내에는 단 하나의 바이패스 경로도 존재하지 않게 되므로, 충전 전류는 각 셀 스택(20)에게 순차적으로 공급된다.
다음으로, 도 6은 제1 내지 제3 셀 스택(20) 중 제1 셀 스택(20-1)만이 제1 과충전 상태인 경우의 동작을 예시한다. 이 경우, 제1 셀 스택(20-1)에 공급되는 충전 전류를 낮춰줘야할 필요가 있다. 이를 위해, 컨트롤러(170)는 제2 및 제3 바이패스 회로(130-2, 130-3)의 모든 바이패스 스위치(131)를 오프 상태로 제어한다. 이와 함께, 컨트롤러(170)는 제1 바이패스 회로(130-1)에 하나 이상의 바이패스 스위치(131)는 온 상태로 제어한다.
만약, 제1 바이패스 회로(130)의 어느 한 바이패스 스위치(131-1)만이 온 상태로 제어된 경우, 제1 바이패스 회로(130-1)가 제1 셀 스택(20-1)에게 제공하는 바이패스 경로의 저항값은 R이 된다. 이에 따라, 배터리팩(1)의 전원 단자(+,-)를 통해 공급되는 충전 전류의 일부는 제1 셀 스택(20-1)을 통해 제2 및 제3 셀 스택(20-2, 20-3)에게 공급되고, 나머지 충전 전류는 제1 셀 스택(20-1)에게 제공된 바이패스 경로 통해 제2 및 제3 셀 스택(20-2, 20-3)에게 공급된다. 결과적으로, 제1 셀 스택(20-1)은 제2 및 제3 셀 스택(20-2, 20-3)보다 더디게 충전된다.
이어서, 도 7은 제1 셀 스택(20-1)이 제2 과충전 상태이면서 제2 셀 스택(20-2)이 제1 과충전 상태가 된 경우의 동작을 예시한다. 이 경우, 제3 바이패스 회로(130-3)의 모든 바이패스 스위치(131-1~131-3)는 컨트롤러(170)에 의해 오프 상태로 유지된다. 반면, 컨트롤러(170)는, 제2 바이패스 회로(130-2)에 포함된 하나 이상의 바이패스 스위치(131)를 온 상태로 제어한다. 이와 함께, 컨트롤러(170)는, 제1 바이패스 회로(130-1)에 의해 제1 셀 스택(20-1)에 제공되는 바이패스 경로의 저항값이 R보다 작아지도록 제어한다.
예컨대, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 바이패스 회로(130-2)에 포함된 하나의 바이패스 스위치(131-1)만이 온 상태가 되고, 제1 바이패스 회로(130-1)에 포함된 두 바이패스 스위치(131-1, 131-2)만이 온 상태가 될 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 바이패스 회로(130-1, 130-2)에 의해 제공되는 두 바이패스 경로의 저항값은 각각 R/2과 R이 되고, 배터리팩(1)으로 공급되는 충전 전류의 적어도 일부는 두 바이패스 경로를 순차적으로 거쳐 제3 셀 스택(20-3)에게 공급된다. 결과적으로, 제1 및 제2 셀 스택(20-1, 20-2)은 제3 셀 스택(20-3)보다 더디게 충전된다.
도 6과 비교할 때, 제1 셀 스택(20-1)에게 제공되는 바이패스 경로의 저항값이 R에서 R/2로 낮아진바, 제1 셀 스택(20-1)에게 공급되는 충전 전류는 도 6에서보다 낮아진다.
도 8은 도 1에 도시된 배터리팩(1)의 다른 구현예를 보여준다. 도 2에 도시된 구현예와 비교할 때, 도 8에 도시된 구현예에 따른 과충전 방지 장치(100)는, 단로부(140)를 더 포함하는 점만이 상이하다. 따라서, 동일한 구성 요소에 대하여는 동일한 참조 부호를 부여하고, 각각에 대한 반복적인 설명은 생략한다.
도 1 및 도 8을 참조하면, 단로부(140)는, 복수의 단로 스위치(141)를 포함할 수 있다. 단로 스위치(141)의 개수는 셀 스택(20)의 개수와 동일할 수 있다. 각 단로 스위치(141)는, 릴레이나 MOSFET 등과 같이 외부로부터의 신호에 응답하여 온오프 제어 가능한 것이라면 무방하다. 각 단로 스위치(141)는, 각 셀 스택(20)에 직렬 접속되고, 컨트롤러(170)에 의해 온오프가 제어된다. 하나의 셀 스택(20)과 하나의 단로 스위치(141)가 직렬 접속된 회로는, 각 바이패스 회로(130)에 병렬 접속된다.
일 예로, 도 8과 같이, 제1 단로 스위치(141)는 제1 셀 스택(20-1)에 직렬 접속되고, 제1 셀 스택(20-1)과 제1 단로 스위치(141)는 제1 바이패스 회로(130)에 병렬 접속된다.
도 9는 도 1에 도시된 배터리팩(1)의 다른 구현예를 보여주고, 도 10 내지 도 13은 도 9에 도시된 구현예에 따른 과충전 방지 장치의 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 설명의 편의를 위해, 각 바이패스 회로(130)는 도 3과 같이 구성되며, 모든 바이패스 스위치(131)의 저항값은 R로 동일한 것으로 가정한다. 도 8에 도시된 구현예와 비교할 때, 도 9에 도시된 구현예에 따른 과충전 방지 장치(100)는, 전류 측정부(150)를 더 포함하는 점만이 상이하다. 따라서, 동일한 구성 요소에 대하여는 동일한 참조 부호를 부여하고, 각각에 대한 반복적인 설명은 생략한다.
컨트롤러(170)는, 제2 과충전 상태로 판정된 각 셀 스택(20)에 직렬 접속된 단로 스위치(141)를 오프 상태로 제어한다. 반대로, 컨트롤러(170)는, 제2 과충전 상태로 판정되지 않은 각 셀 스택(20)에 직렬 접속된 단로 스위치(141)는 온 상태로 제어한다. 오프 상태를 가지는 단로 스위치(141)에 직렬 접속된 셀 스택(20) 즉, 제2 과충전 상태의 셀 스택(20)은 대전류 경로로부터 전기적으로 완전히 분리된다.
도 9를 참조하면, 전류 측정부(150)는, 대전류 경로 상에 설치되고, 컨트롤러(170)와 통신 가능하게 연결된다. 전류 측정부(150)는, 충전 전류의 크기를 측정하고, 측정된 충전 전류를 나타내는 제2 모니터링 신호를 생성한다. 제2 모니터링 신호는 컨트롤러(170)에게 전송된다.
컨트롤러(170)는, 전압 측정부(110)로부터의 제1 모니터링 신호 및 전류 측정부(150)로부터의 제2 모니터링 신호를 기초로, 복수의 셀 스택(20) 중 적어도 하나의 내부 저항값을 산출한다. 바람직하게는, 컨트롤러(170)는, 각 셀 스택(20)이 과충전되지 않은 상태인 동안에, 각 셀 스택(20)의 내부 저항값을 산출하는 것이 좋다. 또한, 컨트롤러(170)는, 각 셀 스택(20)의 내부 저항값을 주기적으로 업데이트한다. 내부 저항값을 산출하는 기법은 널리 공지된 것인바, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
또한, 컨트롤러(170)는, 제2 과충전 상태인 각 셀 스택(20)에 병렬 접속된 복수의 바이패스 스위치(131-1~131-3) 중에서, 제2 과충전 상태인 셀 스택(20)의 내부 저항값에 대응하는 개수의 바이패스 스위치(131)만을 온 상태로 제어한다.
먼저 도 10은 제1 내지 제3 셀 스택(20)이 모두 과충전되지 않은 경우의 동작을 예시한다. 이 경우, 컨트롤러(170)는, 제1 내지 제3 바이패스 회로(130)의 모든 바이패스 스위치(131)를 오프시키도록 전류 조정부(120)를 제어한다. 이와 함께, 컨트롤러(170)는, 단로부(140)에 포함된 모든 단로 스위치(141)를 온시키도록 단로부(140)를 제어한다. 이에 따라, 배터리팩(1) 내에 단 하나의 바이패스 경로도 제공되지 않으면서 단 하나의 셀 스택(20)도 대전류 경로로부터 전기적으로 분리되지 않으므로, 충전 전류의 전부는 각 셀 스택(20)에게 순차적으로 공급된다.
한편, 제1 내지 제3 셀 스택(20) 중 적어도 하나가 제2 과충전 상태로 판정된 경우, 컨트롤러(170)는 제2 과충전 상태인 각 셀 스택(20)의 내부 저항값을 기초로, 제2 과충전 상태인 각 셀 스택(20)에 병렬 접속된 바이패스 회로(130)를 제어한다.
도 11은 제1 셀 스택(20-1)만이 제2 과충전 상태로 판정되고, 제2 및 제3 셀 스택(20-2, 20-3)은 제1 및 제2 과충전 상태로 판정되지 않은 경우의 동작을 예시한다. 컨트롤러(170)는 제1 단로 스위치(141-1)를 오프 상태로 제어하고, 제2 및 제3 단로 스위치(141-2, 141-3)는 온 상태로 제어한다. 이에 따라, 제1 셀 스택(20-1)만이 대전류 경로로부터 전기적으로 완전히 분리된다. 즉, 제1 셀 스택(20-1)에는 충전 전류가 전혀 공급되지 않는다.
이와 함께, 컨트롤러(170)는 가장 최근에 산출된 제1 셀 스택(20-1)의 내부 저항을 기초로 제1 바이패스 회로(130-1)에 포함된 하나 이상의 바이패스 스위치(131)를 온 상태로 제어한다. 이때, 컨트롤러(170)는, 제1 셀 스택(20-1)의 내부 저항값이 클수록 온 상태로 제어할 바이패스 스위치(131)의 개수를 감소시킬 수 있다.
가령, Ra < Rb 라고 해보자. 만약, 제1 셀 스택(20-1)의 내부 저항값이 Ra보다 작으면, 컨트롤러(170)는 도 11에 도시된 바와 같이 제1 바이패스 회로(130-1)에 포함된 모든 바이패스 스위치(131-1~131-3)를 온 상태로 제어한다. 이 경우, 제1 바이패스 경로의 저항값은 R/3이 된다. 만약, 제1 셀 스택(20-1)의 내부 저항값이 Ra보다 크고 Rb보다 작으면, 컨트롤러(170)는 제1 바이패스 회로(130-1)에 포함된 어느 두 바이패스 스위치(예, 131-1, 131-2)를 온 상태로 제어하고, 나머지 한 바이패스 스위치(예, 131-3)는 오프 상태로 제어한다. 이 경우, 제1 셀 스택(20-1)에 제공되는 바이패스 경로의 저항값은 R/2이 된다. 만약, 제1 셀 스택(20-1)의 내부 저항값이 Rb보다 크면, 컨트롤러(170)는 제1 바이패스 회로(130-1)에 포함된 하나의 바이패스 스위치(예, 131-1)만을 온 상태로 제어하고, 나머지 바이패스 스위치(예, 131-2, 131-3)는 오프 상태로 제어한다. 이 경우, 제1 바이패스 경로의 저항값은 R이 된다.
즉, 컨트롤러(170)는, 제2 과충전 상태를 가지는 각 셀 스택(20)의 저항값이 증가할수록, 제2 과충전 상태를 가지는 각 셀 스택(20)에 제공되는 바이패스 경로의 저항값을 증가시킴으로써, 과충전되지 않은 나머지 셀 스택(20)에 공급되는 충전 전류의 크기를 낮출 수 있다.
도 12는 제1 셀 스택(20-1)이 제2 과충전 상태로 판정되고, 제2 셀 스택(20-2)은 제1 과충전 상태로 판정되며, 제3 셀 스택(20-3)은 과충전되지 않은 경우를 예시한다. 설명의 편의를 위해, 제1 셀 스택(20-1)의 내부 저항값이 Rb보다 커진 것으로 가정한다.
컨트롤러(170)는, Rb보다 큰 내부 저항값을 가지는 제1 셀 스택(20-1)에게 제공되는 바이패스 경로의 저항값이 제1 셀 스택(20-1)의 내부 저항값에 가장 근접해지도록, 제1 바이패스 회로(131-1)의 어느 한 바이패스 스위치(예, 131-1)만을 온 상태로 제어한다.
또한, 컨트롤러(170)는, 충전 전류의 일부만이 제2 셀 스택(20-2)에게 공급되도록, 제2 바이패스 회로(131-2)의 하나 이상의 바이패스 스위치(예, 131-1)를 온 상태로 제어한다.
이에 따라, 충전 전류의 일부는 제2 및 제3 셀 스택(20-2, 20-3)을 통해 흐르고, 나머지 충전 전류는 제1 및 제2 셀 스택(20-1, 20-2)에게 제공된 두 바이패스 경로를 통해 흐르게 된다.
한편, 복수의 셀 스택이 직렬 접속되어 있으므로, 일부 셀 스택(20)이 대전류 경로로부터 전기적으로 완전히 분리되면, 나머지 셀 스택(20)으로 충전 전류가 집중될 수 있다. 예컨대, 제2 기준 전압이 21V이고, 제1 내지 제3 셀 스택(20-1~20-3)의 전압이 각각 22V, 20V, 18V로 측정된다면, 제1 셀 스택(20-1)이 제2 과충전 상태가 판정됨에 따라, 대전류 경로로부터 전기적으로 분리된다. 이 경우, 제1 셀 스택(20-1)의 전압 22V에 대응하는만큼 충전 전류의 급작스런 상승이 순간적으로 야기되어, 제2 및 제3 셀 스택(20-2, 20-3)가 손상될 수 있다.
따라서, 과충전 방지 장치(100)는, 제2 과충전 상태가 아닌 각 셀 스택(20)에게 규정값을 넘어서는 충전 전류가 공급되지 않도록 동작할 필요가 있다.
도 13은 제1 및 제2 셀 스택(20-1, 20-2)이 제2 과충전 상태로 판정되고, 제3 셀 스택(20-3)은 제2 과충전 상태로 판정되지 않은 경우의 동작을 예시한다. 이때, 제3 셀 스택(20-3)은 제1 과충전 상태이거나 과충전되지 않은 상태일 수 있다.
컨트롤러(170)는, 전류 측정부(150)로부터의 제2 모니터링 신호를 기초로, 제2 과충전 상태인 제1 및 제2 셀 스택(20-1, 20-2)을 대전류 경로로부터 전기적으로 분리할 경우, 제2 과충전 상태가 아닌 제3 셀 스택(20-3)으로 공급될 충전 전류의 최소치를 예측할 수 있다. 여기서, 제3 셀 스택(20-3)으로 공급될 충전 전류의 최소치는, 제1 및 제2 셀 스택(20-1, 20-2)에 제공되는 바이패스 경로 각각의 저항값이 최대치로 조절된 동안에 흐르게 되는 전류의 크기에 대응한다.
만약, 제2 과충전 상태가 아닌 제3 셀 스택(20-3)으로 공급될 충전 전류의 최소치가 규정값을 초과하는 것으로 예측된 경우, 컨트롤러(170)는, 제1 및 제2 단로 스위치(141-1, 141-2)는 물론 제3 단로 스위치(141-3)까지도 오프 상태로 제어할 수 있다. 이와 함께, 컨트롤러(170)는, 제1 내지 제3 바이패스 회로(130-1~130-3)에 포함된 모든 바이패스 스위치(131)를 오프 상태로 제어한다.
이에 따라, 도 13과 같이, 제1 및 제2 셀 스택(20-1, 20-2)은 물론 제3 셀 스택(20-3)까지도 대전류 경로로부터 전기적으로 완전히 분리되면서 단 하나의 바이패스 경로도 제공되지 않는다. 즉, 배터리팩(1) 내에서 충전 전류가 차단된다.
도 14는 도 1에 도시된 배터리팩(1)의 다른 구현예를 보여준다. 도 14에 도시된 구현예에 따른 과충전 방지 장치(100)는, 도 2, 도 8 또는 도 9에 도시된 구현예에 냉각부(160)가 더 포함된 것일 수 있다. 냉각부(160)는 배터리팩(1)에 포함된 하나 또는 둘 이상의 셀 스택(20)을 동시에 또는 개별적으로 냉각하도록 구성된다. 기 설명된 동일한 구성 요소에 대하여는 동일한 참조 부호를 부여하고, 각각에 대한 반복적인 설명은 생략한다.
도 14에 도시된 구현예는, 도 8에 도시된 구현예에 냉각부(160)가 추가된 과충전 방지 장치(100)를 예시한다.
냉각부(160)는 복수의 냉각 소자(161)를 포함한다. 각 냉각 소자(161)는, 각 바이패스 회로(130)에 직렬 접속된다. 상세히는, 하나의 바이패스 회로(130)와 하나의 냉각 소자(161)가 직렬 접속된 회로는, 각 셀 스택(20)에 병렬 접속된다. 또는, 하나의 바이패스 회로(130)와 하나의 냉각 소자(161)가 직렬 접속된 회로는, 하나의 셀 스택(20)과 하나의 단로 스위치(141)가 직렬 접속된 회로에 병렬 접속된다. 이에 따라, 각 냉각 소자(161)는, 각 바이패스 경로의 일부분을 구성하고, 충전 전류에 의해 동작한다.
바람직하게는, 냉각 소자(161)는 펠티어 소자다. 도 14를 참조하면, 각 펠티어 소자(161)는, 흡열 파트(162) 및 방열 파트(163)를 가진다. 펠티어 효과가 발생되는 동안, 흡열 파트(162)로 흡수된 열은 방열 파트(163)를 통해 빠져나간다. 따라서, 각 셀 스택(20)의 냉각을 위해, 각 펠티어 소자의 흡열 파트(162)는 방열 파트(163)보다 각 셀 스택(20)에 인접하게 배치될 수 있다. 예컨대, 각 펠티어 소자의 흡열 파트(162)는 각 셀 스택(20)의 케이스(22)에 적어도 부분적으로 접촉될 수 있다.
일반적으로, 셀 스택(20)의 전압과 온도는 대략 비례한다.
각 바이패스 경로는 과충전된 셀 스택(20)에게만 제공되고, 각 펠티어 소자(161)는 자신이 설치된 바이패스 경로를 통해 충전 전류가 흐르는 경우에만 펠티어 효과를 발생시킨다. 따라서, 각 펠티어 소자(161)의 흡열 파트(162)가 과충전된 셀 스택(20)으로부터 열을 흡수하므로, 과충전된 셀 스택(20)의 발열을 억제할 수 있다.
한편, 냉각 소자(161)가 펠티어 소자로 한정되는 것은 아니며, 냉각팬 등으로 대체될 수도 있다. 냉각 소자(161)가 냉각팬인 경우, 냉각팬은 자신이 설치된 바이패스 경로를 통해 공급되는 충전 전류를 이용하여 회전 동작함으로써, 공기와 같은 냉각 매체를 각 셀 스택(20)에게 제공할 수 있다.
한편, 배터리팩(1)에 충전 전원이 접속되지 않는 동안, 컨트롤러(170)는 제1 모니터링 신호를 기초로 각 바이패스 회로(130)를 선택적으로 제어하여, 과충전된 각 셀 스택(20)의 SOC를 낮춤으로써, 복수의 셀 스택(20) 간의 전압 편차를 완화할 수 있다. 즉, 전류 조정부(120)는 복수의 셀 스택(20)을 위한 전압 밸런싱 동작을 수행할 수도 있다.
도 15는 도 1에 도시된 배터리팩(1)의 다른 구현예를 보여준다. 도 15에 도시된 구현예에 따른 과충전 방지 장치(100)는, 도 8, 도 9 또는 도 14에 도시된 구현예에 복수의 전자기 컨택터(181)가 더 포함된 것일 수 있다. 복수의 전자기 컨택터(181)는, 방전 유도부(180)에 포함되는 것이다.
도 15에 도시된 구현예는, 도 8에 도시된 구현예에 복수의 전자기 컨택터(181)가 추가된 과충전 방지 장치(100)를 예시한다. 바람직하게는, 하나의 전자기 컨택터(181)가 하나의 셀 스택(20)에 대응하도록, 전자기 컨택터(181)의 개수는 셀 스택(20)의 개수와 동일할 수 있다. 즉, 제1 전자기 컨택터(181-1)는 제1 셀 스택(20-1)에 대응하고, 제2 전자기 컨택터(181-2)는 제2 셀 스택(20-2)에 대응하며, 제3 전자기 컨택터(181-3)는 제3 셀 스택(20-3)에 대응한다.
구체적으로, 제1 전자기 컨택터(181-1)는 제1 셀 스택(20-1)이 대전류 경로로부터 전기적으로 분리되어 있는 기간 동안 적어도 일시적으로 제1 셀 스택(20-1)에게 방전 경로를 제공한다. 또한, 제2 전자기 컨택터(181-2)는 제2 셀 스택(20-2)이 대전류 경로로부터 전기적으로 분리되어 있는 기간 동안 적어도 일시적으로 제2 셀 스택(20-2)에게 방전 경로를 제공한다. 또한, 제3 전자기 컨택터(181-3)는 제1 셀 스택(20-3)이 대전류 경로로부터 전기적으로 분리되어 있는 기간 동안 적어도 일시적으로 제1 셀 스택(20-3)에게 방전 경로를 제공한다.
각 전자기 컨택터(181)는, 코일(182)과 접점(183)을 포함한다. 접점(183)은, 소정의 저항값을 가지고 어느 한 셀 스택(20)에 병렬 접속 가능하도록 구성된다.
구체적으로, 각 코일(182)은, 어느 한 셀 스택(20)에 대응하는 바이패스 경로에 설치된다. 즉, 각 코일(182)은, 각 바이패스 회로(130)에 직렬 접속된다. 각 코일(182)은, 자신이 설치된 바이패스 경로를 통해 충전 전류가 흐르는 동안 활성화되어, 자기력을 발생시킨다. 바이패스 경로를 통해 흐르는 충전 전류의 크기가 높을수록, 그 바이패스 경로에 설치된 코일(182)이 발생시키는 자기력도 커진다.
각 접점(183)의 일단은 각 셀 스택(20)의 제1 전극(예, 양극)에 접속되고, 타단은 각 셀 스택(20)의 제2 전극(예, 음극)에 접속될 수 있다. 접점(183)은, 평상시(즉, 코일(182)로부터의 자기력의 레벨이 소정치 미만일 때)에는 오프 상태를 가진다.
각 코일(182)에서 발생하는 자기력이 소정 레벨 이상이 되면, 접점(183)은 코일(182)의 자기력에 의해 온 상태로 전환된다. 온 상태로 전환된 접점(183)에 병렬 접속된 셀 스택(20)에게는 방전 경로가 제공된다.
이해를 돕기 위해, 도 11과 같이 제1 내지 제3 셀 스택(20-1~20-3) 중에서 제1 셀 스택(20-1)만이 제2 과충전 상태가 된 경우를 기준으로 전자기 컨택터(181)의 동작을 설명해보겠다.
대전류 경로로부터 제1 셀 스택(20-1)이 전기적으로 분리되면, 충전 전류의 전부가 제1 바이패스 회로(130-1)와 제1 전자기 컨택터(181)의 코일(182)을 통해 흐르게 된다. 이에 따라, 제1 전자기 컨택터(181)의 접점(183)을 온 상태로 전환시키기에 충분한 자기력이 제1 전자기 컨택터(181)의 코일(182)로부터 발생한다.
반면, 제2 바이패스 회로(130-2)를 통해서는 충전 전류의 일부만이 흐르고, 제3 바이패스 회로(130-3)에는 충전 전류가 흐르지 않으므로, 제 제2 및 제3 전자기 컨택터(181) 각각의 접점(183)을 온 상태로 전환시키기에 충분한 자기력이 2 및 제3 전자기 컨택터(181) 각각의 코일(182)로부터 발생하지 않는다. 이에 따라, 제2 전자기 컨택터(181)의 접점(183)과 제3 전자기 컨택터(181)의 접점(183)은 오프 상태로 유지된다.
온 상태로 전환된 제1 전자기 컨택터(181)의 접점(183)에 의해 제1 셀 스택(20-1)에게 방전 경로가 제공된다. 반면, 제2 및 제3 셀 스택(20-2, 20-3)에게는 방전 경로가 제공되지 않는다.
결과적으로, 충전 전류의 전부가 제1 바이패스 회로(130-1)와 제1 전자기 컨택터(181)의 코일(182)을 통해 흐르는 동안, 제1 셀 스택(20-1)에 저장된 전기 에너지가 제1 전자기 컨택터(181)의 접점(183)에 의해 소모됨으로써, 제1 셀 스택(20-1)의 전압이 서서히 하강하여 어느 정도의 시간이 흐르면 제2 과충전 상태로부터 탈출할 수 있다. 즉, 제1 셀 스택(20-1)의 방전과 제2 및 제3 셀 스택(20-2, 20-3)이 충전이 동시에 이루어질 수 있다.
도 15의 구현예에 따르면, 복수의 셀 스택(20) 중 대전류 경로로부터 전기적으로 분리된 각 셀 스택(20)에게 제공되는 방전 경로와 바이패스 경로는 복수의 전자기 컨택터(181)에 의해 상호 완벽히 절연(isolate)된다. 따라서, 대전류 경로로부터 전기적으로 분리된 각 셀 스택(20)의 방전 과정과 대전류 경로로부터 전기적으로 분리되지 않은 각 셀 스택(20)의 충전 과정이 서로 독립적으로 동시에 이루어질 수 있다.
도 16은 도 1에 도시된 배터리팩(1)의 다른 구현예를 보여준다. 도 16에 도시된 구현예에 따른 과충전 방지 장치(100)는, 도 8, 도 9 또는 도 14에 도시된 구현예에 복수의 옵토 커플러(185)가 더 포함된 것일 수 있다. 복수의 옵토 커플러(185)는, 방전 유도부(180)에 포함되는 것이다.
도 16에 도시된 구현예는, 도 8에 도시된 구현예에 복수의 옵토 커플러(185)가 추가된 과충전 방지 장치(100)를 예시한다. 바람직하게는, 하나의 옵토 커플러(185)가 하나의 셀 스택(20)에 대응하도록, 옵토 커플러(185)의 개수는 셀 스택(20)의 개수와 동일할 수 있다. 즉, 제1 옵토 커플러(185-1)는 제1 셀 스택(20-1)에 대응하고, 제2 옵토 커플러(185-2)는 제2 셀 스택(20-2)에 대응하며, 제3 옵토 커플러(185-3)는 제3 셀 스택(20-3)에 대응한다.
구체적으로, 제1 옵토 커플러(185-1)는 제1 셀 스택(20-1)이 대전류 경로로부터 전기적으로 분리되어 있는 기간 동안 적어도 일시적으로 제1 셀 스택(20-1)에게 방전 경로를 제공한다. 또한, 제2 옵토 커플러(185-2)는 제2 셀 스택(20-2)이 대전류 경로로부터 전기적으로 분리되어 있는 기간 동안 적어도 일시적으로 제2 셀 스택(20-2)에게 방전 경로를 제공한다. 또한, 제3 옵토 커플러(185-3)는 제1 셀 스택(20-3)이 대전류 경로로부터 전기적으로 분리되어 있는 기간 동안 적어도 일시적으로 제1 셀 스택(20-3)에게 방전 경로를 제공한다.
각 옵토 커플러(185)는, 발광 소자(186)와 광검출 소자(187)를 포함한다. 광검출 소자(187)로서는, 포토다이오드나 포토트랜지스터가 사용될 수 있다. 발광 소자(186)로서는, 갈륨, 비소 또는 발광 다이오드가 사용될 수 있다. 도 15의 구현예와 비교할 때, 광검출 소자(187)는 접점(183)을 대체하고, 발광 소자(186)는 코일(182)을 대체한다.
구체적으로, 각 발광 소자(186)는, 어느 한 셀 스택(20)에 대응하는 바이패스 경로에 설치된다. 즉, 각 발광 소자(186)는, 각 바이패스 회로(130)에 직렬 접속된다. 각 발광 소자(186)는, 자신이 설치된 바이패스 경로를 통해 충전 전류가 흐르는 동안 활성화되어, 광신호를 출력한다. 바이패스 경로를 통해 흐르는 충전 전류의 크기가 높을수록, 그 바이패스 경로에 설치된 발광 소자(186)로부터 출력되는 광신호의 레벨도 커진다.
광검출 소자(187)는, 소정의 저항값을 가지고 어느 한 셀 스택(20)에 병렬 접속 가능하도록 구성된다. 각 광검출 소자(187)의 일단은 각 셀 스택(20)의 제1 전극(예, 양극)에 접속되고, 타단은 각 셀 스택(20)의 제2 전극(예, 음극)에 접속될 수 있다. 광검출 소자(187)는, 평상시(즉, 발광 소자(186)로부터의 광신호의 레벨이 소정치 미만일 때)에는 오프 상태를 가진다.
각 발광 소자(186)가 출력하는 광신호의 레벨이 소정치 이상이 되면, 광검출 소자(187)는 발광 소자(186)의 광신호에 응답하여 온 상태로 전환된다. 온 상태로 전환된 광검출 소자(187)에 병렬 접속된 셀 스택(20)에게는 방전 경로가 제공된다.
이해를 돕기 위해, 도 11과 같이 제1 내지 제3 셀 스택(20-1~20-3) 중에서 제1 셀 스택(20-1)만이 제2 과충전 상태가 된 경우를 기준으로 옵토 커플러(185)의 동작을 설명해보겠다.
대전류 경로로부터 제1 셀 스택(20-1)이 전기적으로 분리되면, 충전 전류의 전부가 제1 바이패스 회로(130-1)와 제1 옵토 커플러(185)의 발광 소자(186)를 통해 흐르게 된다. 이에 따라, 제1 옵토 커플러(185)의 광검출 소자(187)를 온 상태로 전환시키기에 충분한 레벨의 광신호가 제1 옵토 커플러(185)의 발광 소자(186)로부터 출력된다.
반면, 제2 바이패스 회로(130-2)를 통해서는 충전 전류의 일부만이 흐르고, 제3 바이패스 회로(130-3)에는 충전 전류가 흐르지 않으므로, 제2 및 제3 옵토 커플러(185) 각각의 광검출 소자(187)를 온 상태로 전환시키기에 충분한 레벨을 가지는 광신호가 제2 및 제3 옵토 커플러(185) 각각의 발광 소자(186)로부터 출력되지 않는다. 이에 따라, 제2 옵토 커플러(185)의 광검출 소자(187)와 제3 옵토 커플러(185)의 광검출 소자(187)는 오프 상태로 유지된다.
온 상태로 전환된 제1 옵토 커플러(185)의 광검출 소자(187)에 의해 제1 셀 스택(20-1)에게 방전 경로가 제공된다. 반면, 제2 및 제3 셀 스택(20-2, 20-3)에게는 방전 경로가 제공되지 않는다.
결과적으로, 충전 전류의 전부가 제1 바이패스 회로(130-1)와 제1 옵토 커플러(185)의 발광 소자(186)를 통해 흐르는 동안, 제1 셀 스택(20-1)에 저장된 전기 에너지가 제1 옵토 커플러(185)의 광검출 소자(187)에 의해 소모됨으로써, 제1 셀 스택(20-1)의 전압이 서서히 하강하여 어느 정도의 시간이 흐르면 제2 과충전 상태로부터 탈출할 수 있다. 즉, 제1 셀 스택(20-1)의 방전과 제2 및 제3 셀 스택(20-2, 20-3)이 충전이 동시에 이루어질 수 있다.
도 16의 구현예에 따르면, 복수의 셀 스택(20) 중 대전류 경로로부터 전기적으로 분리된 각 셀 스택(20)에게 제공되는 방전 경로와 바이패스 경로는 복수의 옵토 커플러(185)에 의해 상호 완벽히 절연(isolate)된다. 따라서, 도 15의 구현예와 마찬가지로, 대전류 경로로부터 전기적으로 분리된 각 셀 스택(20)의 방전 과정과 대전류 경로로부터 전기적으로 분리되지 않은 각 셀 스택(20)의 충전 과정이 서로 독립적으로 동시에 이루어질 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 과충전 방지 방법을 보여주는 순서도이다.
도 17을 참조하면, 단계 S171에서, 컨트롤러(170)는, 각 셀 스택(20)의 전압을 나타내는 제1 모니터링 신호를 수신한다. 컨트롤러(170)에 의해 수신되는 제1 모니터링 신호는, 전압 측정부(120)로부터 출력된 것이다.
단계 S172에서, 컨트롤러(170)는, 제1 모니터링 신호를 기초로, 배터리팩(1) 내에 과충전된 셀 스택이 존재하는지 판정한다. 단계 152의 결과가 "YES"인 경우, 단계 S173이 진행된다. 반면, 단계 S172의 결과가 "NO"인 경우, 단계 S171로 회귀할 수 있다.
단계 S173에서, 컨트롤러(170)는, 과충전된 셀 스택에 병렬 접속된 복수의 바이패스 스위치 중 적어도 하나를 온 상태로 제어하여, 과충전된 셀 스택에게 바이패스 경로를 제공한다. 이때, 컨트롤러(170)는, 과충전된 셀 스택에 병렬 접속된 복수의 바이패스 스위치 중에서, 과충전된 셀 스택의 내부 저항값에 대응하는 개수만을 온 상태로 제어하고 나머지는 오프 상태로 제어할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
1: 배터리팩
10: 배터리 모듈
20: 셀 스택
21: 배터리 셀
100: 과충전 방지 장치
110: 전압 측정부
111: 전압 센서
120: 전류 조정부
130: 바이패스 회로
131: 바이패스 스위치
140: 단로부
141: 단로 스위치
150: 전류 측정부
160: 냉각부
161: 냉각 소자
170: 컨트롤러

Claims (11)

  1. 대전류 경로 내에서 서로 직렬 연결된 복수의 셀 스택의 과충전을 방지하기 위한 장치에 있어서,
    상기 각 셀 스택의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 나타내는 제1 모니터링 신호를 생성하는 전압 측정부;
    상기 대전류 경로를 통해 흐르는 충전 전류를 측정하고, 측정된 충전 전류를 나타내는 제2 모니터링 신호를 생성하는 전류 측정부;
    상기 각 셀 스택에게 바이패스 경로를 선택적으로 제공하도록 구성된 전류 조정부;
    상기 전압 측정부 및 상기 전류 조정부와 통신 가능하게 연결되는 컨트롤러;를 포함하되,
    상기 전류 조정부는, 상기 복수의 셀 스택에 일대일로 대응하는 복수의 바이패스 회로를 포함하고,
    상기 각 바이패스 회로는, 상기 각 셀 스택에 병렬 접속된 복수의 바이패스 스위치를 포함하고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 모니터링 신호 및 상기 제2 모니터링 신호를 기초로, 상기 각 셀 스택의 내부 저항값을 산출하고,
    상기 제1 모니터링 신호를 기초로, 상기 복수의 셀 스택 중 과충전된 셀 스택이 있는지 판정하고,
    과충전된 셀 스택이 있는 경우, 상기 과충전된 셀 스택에 병렬 접속된 복수의 바이패스 스위치 중, 상기 과충전된 셀 스택의 내부 저항값에 대응하는 개수의 바이패스 스위치를 온 상태로 제어하고, 나머지 바이패스 스위치를 오프 상태로 제어하는 과충전 방지 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 각 셀 스택을 냉각하도록 구성된 냉각부;를 더 포함하되,
    상기 냉각부는,
    각각 상기 각 셀 스택에게 제공된 바이패스 경로를 통해 공급되는 충전 전류에 의해 동작하여, 상기 각 셀 스택을 냉각하는 복수의 냉각 소자;
    를 포함하는 과충전 방지 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 각 냉각 소자는,
    흡열 파트 및 방열 파트를 가지고, 상기 흡열 파트가 상기 방열 파트보다 상기 각 셀 스택에 인접하도록 배치된 펠티어 소자인 과충전 방지 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전압 측정부는,
    각각 상기 각 셀 스택에 병렬 접속된 복수의 전압 센서;
    를 포함하는 과충전 방지 장치.
  11. 제1항 및 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 과충전 방지 장치; 및
    서로 직렬 연결되는 복수의 셀 스택;을 포함하고,
    상기 과충전 방지 장치는, 상기 각 셀 스택에 대한 과충전 방지 동작을 수행하는 배터리 팩.
KR1020170049372A 2017-04-17 2017-04-17 과충전 방지 장치 및 방법 KR102192188B1 (ko)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170049372A KR102192188B1 (ko) 2017-04-17 2017-04-17 과충전 방지 장치 및 방법
EP18787678.4A EP3525314B1 (en) 2017-04-17 2018-02-12 Apparatus and method for preventing overcharge
CN201880004064.5A CN110062994B (zh) 2017-04-17 2018-02-12 用于防止过充电的装置和方法
US16/340,265 US11165262B2 (en) 2017-04-17 2018-02-12 Apparatus and method for preventing overcharge
JP2019529262A JP7001229B2 (ja) 2017-04-17 2018-02-12 過充電防止装置及び方法
PCT/KR2018/001819 WO2018194249A1 (ko) 2017-04-17 2018-02-12 과충전 방지 장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170049372A KR102192188B1 (ko) 2017-04-17 2017-04-17 과충전 방지 장치 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180116707A KR20180116707A (ko) 2018-10-25
KR102192188B1 true KR102192188B1 (ko) 2020-12-16

Family

ID=63856638

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170049372A KR102192188B1 (ko) 2017-04-17 2017-04-17 과충전 방지 장치 및 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11165262B2 (ko)
EP (1) EP3525314B1 (ko)
JP (1) JP7001229B2 (ko)
KR (1) KR102192188B1 (ko)
CN (1) CN110062994B (ko)
WO (1) WO2018194249A1 (ko)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102236384B1 (ko) 2017-10-27 2021-04-05 주식회사 엘지화학 배터리 밸런싱을 위한 장치 및 그것을 포함하는 배터리팩
KR102256094B1 (ko) * 2017-11-28 2021-05-25 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 팩
US11025072B2 (en) * 2018-10-17 2021-06-01 Ess Tech, Inc. System and method for operating an electrical energy storage system
KR102394741B1 (ko) * 2018-11-29 2022-05-06 주식회사 엘지에너지솔루션 열 방출이 개선된 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
KR102394742B1 (ko) * 2018-11-29 2022-05-06 주식회사 엘지에너지솔루션 열 방출이 개선된 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
JP7096193B2 (ja) * 2019-04-04 2022-07-05 矢崎総業株式会社 電池制御ユニット及び電池システム
WO2020215154A1 (en) 2019-04-23 2020-10-29 Dpm Technologies Inc. Fault tolerant rotating electric machine
DK201970832A1 (en) * 2019-12-23 2021-07-26 Kk Wind Solutions As Monitoring system for an energy storage
KR20210098738A (ko) * 2020-02-03 2021-08-11 주식회사 엘지화학 배터리 랙의 개별 방전 시스템 및 방법
DE102021200924A1 (de) 2021-02-02 2022-08-04 Inform Gmbh Entwicklung Und Konstruktion Schaltungsanordnung und elektrischer Energiespeicher
CA3217299A1 (en) * 2021-05-04 2022-11-10 Tung Nguyen Battery control systems and methods
CN117337545A (zh) 2021-05-13 2024-01-02 Exro技术公司 驱动多相电机的线圈的方法及装置
KR102369224B1 (ko) * 2021-07-16 2022-03-18 주식회사 모큐라텍 배터리 관리 시스템 및 그 동작방법
DE102022110861B3 (de) 2022-05-03 2023-08-03 SWJ Germany GmbH Schaltungsanordnung, elektrischer Energiespeicher, Verwendung einer Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung
KR20230167855A (ko) * 2022-06-03 2023-12-12 삼성전자주식회사 전자 장치 및 배터리 제어 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101584322B1 (ko) * 2014-07-23 2016-01-13 티에스 주식회사 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩을 구비한 차량 구동 시스템
KR101707150B1 (ko) 2015-11-04 2017-02-16 국민대학교산학협력단 배터리 팩의 셀 밸런싱 장치 및 셀 밸런싱 방법

Family Cites Families (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6316917B1 (en) 1999-03-09 2001-11-13 Asahi Glass Company, Limited Apparatus having plural electric double layer capacitors and method for adjusting voltages of the capacitors
JP3669234B2 (ja) * 1999-11-15 2005-07-06 新神戸電機株式会社 組電池の充電制御装置
JP2001339803A (ja) 2000-05-24 2001-12-07 Fuji Heavy Ind Ltd ハイブリッド電気自動車の充電装置
CN1165103C (zh) * 2002-01-07 2004-09-01 北京航空航天大学 一种串联电池组自动均衡充电装置
CN1332490C (zh) * 2002-12-06 2007-08-15 长沙交通学院 半导体制冷式均衡充电方法及装置
JP3872057B2 (ja) 2003-12-24 2007-01-24 三菱電機株式会社 バッテリ装置の過電圧保護回路
KR20060078967A (ko) 2004-12-31 2006-07-05 주식회사 엠피에스 직렬 연결된 2차 조합전지의 밸런스 충전 제어 방법
DE102006016138B4 (de) 2006-04-06 2014-11-20 Robert Bosch Gmbh Hybridantrieb mit Notstartmöglichkeit
JP2007305451A (ja) 2006-05-12 2007-11-22 Nec Tokin Corp 過充電保護機能付き二次電池パック
US7352155B2 (en) * 2006-06-12 2008-04-01 O2Micro International Ltd. Apparatus and method for detecting battery pack voltage
JP2008010295A (ja) 2006-06-29 2008-01-17 Hokuriku Electric Power Co Inc:The 二次電池の保温方法及び保温装置
JP2008123868A (ja) 2006-11-13 2008-05-29 Gs Yuasa Corporation:Kk 二次電池のセル電圧バランス装置
US9270133B2 (en) 2007-04-02 2016-02-23 Linear Technology Corporation Monitoring cells in energy storage system
JP2008288109A (ja) 2007-05-18 2008-11-27 Nissan Motor Co Ltd 電池制御システムおよび電池制御システムの制御方法
JP5279261B2 (ja) 2007-12-27 2013-09-04 三洋電機株式会社 充電状態均等化装置及びこれを具えた組電池システム
JP5439000B2 (ja) 2009-03-19 2014-03-12 株式会社東芝 組電池システム及び組電池の保護装置
JP5853696B2 (ja) 2009-08-05 2016-02-09 株式会社Ｇｓユアサ 電池システム
JP2011101517A (ja) 2009-11-06 2011-05-19 Sanyo Electric Co Ltd パック電池
KR101073196B1 (ko) 2009-12-09 2011-10-12 주식회사 엘지화학 배터리 팩 충전 장치 및 방법
JP6030817B2 (ja) * 2010-06-04 2016-11-24 エスアイアイ・セミコンダクタ株式会社 バッテリ状態監視回路およびバッテリ装置
KR101578867B1 (ko) * 2010-09-02 2015-12-18 주식회사 그린파워셋 균형 충전 회로를 포함하는 배터리 충전회로
KR101279410B1 (ko) 2010-12-28 2013-06-27 주식회사 엘지화학 배터리 시스템 관리 장치 및 방법
CN202111481U (zh) * 2011-04-21 2012-01-11 无锡市凌翔电气驱动技术有限公司 一种动力锂离子电池的主动均衡系统
JP2012244812A (ja) 2011-05-20 2012-12-10 Toyota Industries Corp ２次電池の端子間電圧均等化装置及び均等化方法
KR20130006077A (ko) 2011-07-08 2013-01-16 삼성전기주식회사 전기에너지 저장장치, 그의 전압균등화 모듈 및 전압균등화 방법
KR101317270B1 (ko) 2012-01-02 2013-10-14 ㈜태양기술 충전지 강제 방전장치
JP2013146159A (ja) 2012-01-16 2013-07-25 Ntt Facilities Inc 組電池の充電制御システムおよび充電制御方法
KR20140017043A (ko) 2012-07-24 2014-02-11 삼성에스디아이 주식회사 전류차단장치와 이를 구비하는 배터리 팩
JP2015056928A (ja) * 2013-09-10 2015-03-23 株式会社東芝 過充電保護装置
CN103715735B (zh) * 2013-11-25 2016-06-29 贺焕林 蓄电池组充放电循环投切冗余控制方法及其装置
JP2015119605A (ja) 2013-12-20 2015-06-25 オートモーティブエナジーサプライ株式会社 電池間電圧バランス補正回路
KR102372817B1 (ko) 2014-12-30 2022-03-14 에이치그린파워 주식회사 배터리 모듈간 전위차를 이용한 과충전 방지 장치 및 방법
EP3118965B1 (en) 2015-07-15 2019-10-30 Hyundai Motor Company Apparatus for controlling supply of power of battery
KR101724877B1 (ko) 2015-07-21 2017-04-07 현대자동차주식회사 차량의 릴레이 제어 장치 및 방법
KR101829709B1 (ko) 2015-10-27 2018-02-19 한국과학기술원 유연 열전소자 및 이의 제조방법
KR102258826B1 (ko) * 2017-04-25 2021-06-07 주식회사 엘지에너지솔루션 과충전 방지 장치 및 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101584322B1 (ko) * 2014-07-23 2016-01-13 티에스 주식회사 공냉식 냉각 기반의 밀폐형 배터리팩을 구비한 차량 구동 시스템
KR101707150B1 (ko) 2015-11-04 2017-02-16 국민대학교산학협력단 배터리 팩의 셀 밸런싱 장치 및 셀 밸런싱 방법

Also Published As

Publication number Publication date
EP3525314A4 (en) 2019-10-30
US20200044459A1 (en) 2020-02-06
JP7001229B2 (ja) 2022-01-19
EP3525314B1 (en) 2022-04-06
JP2020502969A (ja) 2020-01-23
CN110062994B (zh) 2023-01-06
KR20180116707A (ko) 2018-10-25
US11165262B2 (en) 2021-11-02
EP3525314A1 (en) 2019-08-14
CN110062994A (zh) 2019-07-26
WO2018194249A1 (ko) 2018-10-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102192188B1 (ko) 과충전 방지 장치 및 방법
US9130383B2 (en) Charging/discharging control device, battery pack, electrical equipment, and charging/discharging control method
EP2572400B1 (en) Battery cell charge equalization
KR101440888B1 (ko) 배터리 보호 회로
JP5082011B2 (ja) 電池電源装置、及び電池電源システム
US20160105054A1 (en) High-current battery management system
KR102390394B1 (ko) 메인 배터리와 서브 배터리를 제어하기 위한 장치 및 방법
KR102258826B1 (ko) 과충전 방지 장치 및 방법
KR101058682B1 (ko) 배터리 팩의 충방전 전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치와 이를 포함하는 배터리 팩 및 멀티 배터리 팩 시스템
US10298030B2 (en) Battery pack
US11502351B2 (en) Battery pack and control method thereof
JP2009117262A (ja) パック電池
CN111095719B (zh) 蓄电池装置
KR102268681B1 (ko) 과전압 방지 장치 및 방법
KR102268682B1 (ko) 과전압 방지 장치 및 방법
KR20150050227A (ko) 배터리 팩 관리 장치 및 방법
KR101578707B1 (ko) 배터리 팩 및 이의 제어 방법
KR20170094689A (ko) 배터리 팩 관리 장치 및 관리 방법
KR20180061706A (ko) 병렬 연결된 Pack의 능동 제어를 통한 수명향상 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant