KR102296132B1 - 배터리 팩 및 그의 구동방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구동의 안정성을 확보할 수 있도록 한 배터리 팩에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 의한 배터리 팩은 충전 가능한 배터리와; 상기 배터리의 양극과 접속되는 양극단자 및 음극과 접속되는 음극단자를 포함하는 제 1단자부와; 상기 배터리의 양극과 상기 양극단자 사이에 위치되는 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치와; 상기 제 1단자부의 전압을 측정하여 상기 제 1단자부의 전압이 미리 설정된 기준전원 이상의 전압으로 설정되는 경우 상기 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치가 정상적으로 구동되도록 제어하며, 그 외의 경우에 상기 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치를 턴-오프 상태로 제어하는 보호부를 구비한다.

Description

배터리 팩 및 그의 구동방법{Battery Pack and Driving Method Thereof}
본 발명은 배터리 팩 및 그의 구동방법에 관한 것으로, 특히 구동의 안정성을 확보할 수 있도록 한 배터리 팩 및 그의 구동방법에 관한 것이다.
환경 파괴, 자원 고갈 등이 문제되면서 전력을 저장하고, 저장된 전력을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 이와 함께 발전 과정에서 공해를 유발하지 않는 신재생 에너지에 대한 관심도 높아지고 있다. 에너지 저장 시스템은 이러한 신재생 에너지, 전력을 저장한 배터리, 그리고 기존의 계통 전력을 연계시키는 시스템으로서, 오늘날의 환경 변화에 맞추어 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
이러한 에너지 저장 시스템에 있어서, 배터리의 효율적 관리가 중요한 요소 중 하나이다. 배터리는 충전, 방전, 셀 밸런싱 등 다양한 사항에 대하여 관리를 하여야 한다. 배터리를 효율적으로 관리함으로 인하여 배터리의 수명을 늘릴 수 있으며, 부하에 안정적으로 전력을 제공할 수 있게 된다.
배터리는 충전 및 방전을 제어하는 스위치들과 함께 배터리 팩 형태로 제공되며, 배터리를 효율적으로 그리고 안정하게 충전 및 방전하기 위하여 다양한 방법이 제안되고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 구동의 안정성을 확보할 수 있도록 한 배터리 팩 및 그의 구동방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 의한 배터리 팩은 충전 가능한 배터리와; 상기 배터리의 양극과 접속되는 양극단자 및 음극과 접속되는 음극단자를 포함하는 제 1단자부와; 상기 배터리의 양극과 상기 양극단자 사이에 위치되는 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치와; 상기 제 1단자부의 전압을 측정하여 상기 제 1단자부의 전압이 미리 설정된 기준전원 이상의 전압으로 설정되는 경우 상기 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치가 정상적으로 구동되도록 제어하며, 그 외의 경우에 상기 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치를 턴-오프 상태로 제어하는 보호부를 구비한다.
실시 예에 의한, 상기 보호부는 상기 양극단자의 전압과 상기 기준전원의 전압을 비교한다.
실시 예에 의한, 상기 충전 제어 스위치의 턴-온 및 턴-오프를 제어하는 충전 제어부와, 상기 방전 제어 스위치의 턴-온 및 턴-오프를 제어하는 방전 제어부와, 상기 충전 제어부 및 방전 제어부를 제어하기 위한 배터리 관리부를 더 구비한다.
실시 예에 의한, 상기 보호부는 상기 양극단자의 전압과 상기 기준전원의 전압을 비교하기 위한 비교기를 구비하며, 상기 배터리 관리부는 상기 비교기의 비교결과에 대응하여 상기 충전 제어부 및 방전 제어부를 제어한다.
실시 예에 의한, 상기 보호부는 상기 양극단자의 전압과 상기 기준전원의 전압을 비교하며, 상기 양극단자의 전압이 상기 기준전원 이상의 전압으로 설정되는 경우 제어신호를 생성하는 비교기와; 상기 충전 제어부 및 방전 제어부 각각에 접속되며, 상기 제어신호가 공급될 때 상기 충전 제어부 및 방전 제어부를 상기 배터리 관리부와 전기적으로 접속시키고 그 외의 경우에는 상기 충전 제어부 및 방전 제어부를 상기 배터리 관리부와 전기적으로 차단하기 위한 제어기를 구비한다.
실시 예에 의한, 상기 보호부는 상기 양극단자의 전압과 상기 기준전원의 전압을 비교하며, 상기 양극단자의 전압이 상기 기준전원 이상의 전압으로 설정되는 경우 제어신호를 생성하는 비교기와; 상기 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치 각각에 접속되며 상기 제어신호가 공급될 때 상기 충전 제어 스위치를 상기 충전 제어부, 상기 방전 제어 스위치를 상기 방전 제어부에 접속시키기 위한 제어기를 구비한다.
실시 예에 의한, 상기 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치와 병렬로 접속되며, 상기 제 1단자부로 전류를 공급하기 위한 선충전부를 더 구비한다.
실시 예에 의한, 상기 선충전부는 상기 제 1단자부로 전류가 공급될 때 턴-온되는 선충전 스위치들과, 상기 선충전 스위치들과 상기 양극단자 사이에 접속되는 제 1저항을 구비한다.
실시 예에 의한, 상기 제 1단자부는 외부의 제 2단자부와 접속되며, 상기 제 2단자부는; 상기 양극단자와 접속되는 제 1단자와, 상기 음극단자와 접속되는 제 2단자와, 상기 제 1단자 및 제 2단자 사이에 접속되는 제 1커패시터를 구비한다.
실시 예에 의한, 상기 선충전부는 상기 제 1커패시터를 상기 기준전원 이상의 전압으로 선충전한다.
실시 예에 의한, 상기 기준전원이 전압은 상기 제 1커패시터에 충전될 수 있는 최대 전압을 i(i는 자연수)로 설정하는 경우, i/2이상의 전압으로 설정된다.
본 발명의 실시예에 의한 배터리의 양극과 접속되는 양극단자 및 음극과 접속되는 음극단자를 포함하는 제 1단자부와, 상기 배터리의 양극과 상기 양극단자 사이에 위치되는 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치를 포함하는 배터리 팩의 구동방법에 있어서, 상기 제 1단자부의 전압을 감지하는 단계와, 상기 제 1단자부의 전압이 미리 설정된 기준전원보다 낮은 전압으로 설정되는 경우 상기 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치를 턴-오프 상태로 유지하는 단계를 포함한다.
실시 예에 의한, 상기 제 1단자부의 전압을 감지하는 단계는 상기 양극단자에 인가된 전압과 상기 기준전원의 전압을 비교하는 단계이다.
본 발명의 실시예에 의한 배터리 팩 및 그의 구동방법에 의하면 제 1단자부의 전압을 체크하고, 체크된 전압이 기준전원 이상인 경우에 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치를 정상적으로 구동한다. 즉, 본원 발명에서는 제 1단자부의 전압에 대응하여 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치의 구동을 제어함으로써 급격한 전류에 의하여 스위치들이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 에너지 저장 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 의한 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 보호부의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 2실시예에 의한 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 보호부의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 3실시예에 의한 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 보호부의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제 4실시예에 의한 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예가 첨부된 도 1 내지 도 8을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 에너지 저장 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2) 및 계통(3)과 연계하여 부하(4)에 전력을 공급한다.
발전 시스템(2)은 에너지원을 이용하여 전력을 생성하는 시스템이다. 발전 시스템(2)은 생산한 전력을 에너지 저장 시스템(1)으로 공급한다. 발전 시스템(2)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템일 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것으로, 발전 시스템(2)은 이에 한정되지 않는다. 일례로, 발전 시스템(2)은 태양열이나 지열 등, 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생성하는 발전 시스템을 모두 포함할 수 있다. 특히, 태양광을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 태양 전지는, 각 가정 또는 공장 등에 설치가 용이하여 에너지 저장 시스템(1)을 적용하기에 적합하다.
계통(3)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 포함한다. 계통(3)은 정상 상태인 경우, 에너지 저장 시스템(1)으로 전력을 공급하여 부하(4) 및/또는 배터리 팩(20)에 전력이 공급되도록 하고, 에너지 저장 시스템(1)으로부터 전력을 공급받는다. 계통(3)이 비정상 상태인 경우, 계통(3)으로부터 에너지 저장 시스템(1)으로의 전력 공급은 중단되고, 에너지 저장 시스템(1)으로부터 계통(3)으로의 전력 공급 또한 중단된다.
부하(4)는 발전 시스템(2)에서 생성된 전력, 배터리 팩(20)에 저장된 전력, 또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 소비한다. 일례로, 가정이나 공장 등이 부하(4)로 설정될 수 있다.
에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2)에서 생성한 전력을 배터리 팩(20)에 저장하고, 생산한 전력을 계통(3)으로 공급할 수 있다. 또한, 에너지 저장 시스템(1)은 배터리 팩(20)에 저장된 전력을 계통(3)으로 공급하거나, 계통(3)으로부터 공급된 전력을 배터리 팩(20)에 저장할 수도 있다. 이를 위하여, 에너지 저장 시스템(1)은 전력 변환을 제어하는 전력 변환 시스템(Power Conversion System : 이하 "PCS"라 하기로 함)(10), 배터리 팩(20), 제 1스위치(30) 및 제 2스위치(40)를 구비한다.
PCS(10)는 발전 시스템(2), 계통(3) 및 배터리 팩(20)의 전력을 적절한 전력으로 변환하여 필요한 곳에 공급한다. 이를 위하여, PCS(10)는 전력 변환부(11), DC 링크부(12), 인버터(13), 컨버터(14) 및 통합 제어기(15)를 구비한다.
전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)과 DC 링크부(12) 사이에 위치된 전력 변환 장치이다. 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)에서 생성된 전력을 DC 링크부(12)로 전달하며, 이때 출력 전압을 직류 링크 전압으로 변환한다.
전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)의 종류에 따라서 컨버터, 정류회로 등의 전력 변환 회로로 구성될 수 있다. 또한, 전력 변환부(11)는 생성하는 전력이 직류인 경우, 직류를 직류로 변환하기 위한 컨버터로 설정될 수 있다. 그리고, 전력 변환부(11)는 생성하는 전력이 교류인 경우, 교류를 직류로 변환하기 위한 전류회로로 설정될 수 있다. 특히, 발전 시스템(2)이 태양광 발전 시스템인 경우, 전력 변환부(11)는 일사량, 온도 등의 변화에 따라서 발전 시스템(2)에서 생산하는 전력을 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수생하는 MPPT 컨버터를 포함할 수 있다.
DC 링크부(12)는 전력 변환부(11)와 인버터(13) 사이에 연결되어 직류 링크 전압을 일정하게 유지한다. 일례로, DC 링크부(12)로서 대용량 커패시터 등이 사용될 수 있다.
인버터(13)는 DC 링크부(12)와 제 1스위치(30) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 방전 모드로 구동시 인버터(13)는 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 팩(20)으로부터 출력된 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 또한, 충전 모드로 구동시 인버터(13)는 계통(3)으로부터 교류 전압을 직류 링크 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 이와 같은 인버터(13)는 교류 전압에서 고주파를 제거하기 위한 필터, 위상 동기화를 위한 위상 동기 루프(PLL) 등을 포함할 수 있다.
컨버터(14)는 DC 링크부(12)와 배터리 팩(20) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 방전 모드로 구동시 컨버터(14)는 배터리 팩(20)에 저장된 전력을 인버터(13)에서 요구하는 직류 링크 전압으로 DC-DC 변환하여 출력한다. 충전 모드로 구동시 컨버터(14)는 전력 변환부(11) 또는 인버터(13)에서 출력되는 전력의 전압을 배터리 팩(20)에 저장할 수 있는 전압(즉, 충전전압)으로 DC-DC 변환하여 출력한다.
통합 제어기(15)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리 팩(20) 및 부하(4) 등의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과 및 미리 설정되어 있는 알고리즘 등에 따라서 전력 변환부(11), DC 링크부(12), 인버터(13), 컨버터(14), 배터리 팩(20), 제 1스위치(30) 및 제 2스위치(40)의 동작을 제어한다.
제 1스위치(30) 및 제 2스위치(40)는 인버터(13)와 계통(3) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어기(15)의 제어에 따라서 온(on)/오프(off) 동작을 수행하면서 발전 시스템(2)과 계통(3) 사이의 전류 흐름을 제어한다. 제 1스위치(30) 및 제 2스위치(40)는 발전 시스템(2), 계통(3) 및 배터리 팩(20)의 상태에 따라서 온/오프가 결정될 수 있다.
구체적으로, 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 팩(20)의 전력을 부하(40)로 공급하는 경우 또는 계통(3)의 전력을 배터리 팩(20)으로 공급하는 경우 제 1스위치(30)가 온 상태로 설정된다. 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 팩(20)의 전력을 계통(3)으로 공급하는 경우 또는 계통(3)의 전력을 부하(4) 및/또는 배터리 팩(20)으로 공급하는 경우 제 2스위치(40)가 온 상태로 설정된다. 제 1스위치(30) 및 제 2스위치(40)는 큰 전류에 견딜 수 있는 릴레이(relay) 등의 스위칭 장치가 사용될 수 있다.
배터리 팩(20)은 발전 시스템(2) 및/또는 계통(3)의 전력을 공급받아 저장하고, 부하(4) 또는 계통(3)에 저장된 전력을 공급한다.
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 의한 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1실시예에 의한 배터리 팩은 배터리(100), 충전 제어 스위치(120), 방전 제어 스위치(130), 충전 제어부(140), 방전 제어부(150), 배터리 관리부(Battery Management System : 이하 "BMS"라 하기로 함)(160), 보호부(170) 및 제 1단자부(200)를 구비한다.
배터리(100)는 제 1단자부(200)를 경유하여 PCS(10)로 저장된 전력을 공급한다. 또한, 배터리(100)는 PCS(10)로부터 제 1단자부(200)를 경유하여 공급되는 외부 전류에 의하여 충전된다. 이와 같은 배터리(100)는 적어도 하나의 셀(111)을 포함하도록 구성된다. 배터리 셀(111)은 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH : nikel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithum ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithum polymer battery) 등의 충전 가능한 이차 전지일 수 있다.
충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)는 충전전류 및 방전전류의 흐름을 제어한다. 충전 제어 스위치(120)는 충전 전류의 흐름을 제어하며, 방전 제어 스위치(130)는 방전 전류의 흐름을 제어한다.
충전 제어 스위치(120)는 제 1전계 효과 트랜지스터(FET1) 및 제 1기생 다이오드(D1)를 포함한다. 제 1전계 효과 트랜지스터(FET1)는 충전 제어부(140)의 제어에 대응하여 제 1단자부(200)로부터 배터리(100)로의 전류 흐름을 제한한다. 즉, 충전 제어부(140)는 제 1전계 효과 트랜지스터(FET1)의 턴-온 및 턴-오프를 제어하면서 충전전류의 흐름을 제어할 수 있다. 제 1기생 다이오드(D1)는 배터리(100)로부터 제 1단자부(200)로 방전 전류가 흐를 수 있도록 접속된다.
방전 제어 스위치(130)는 제 2전계 효과 트랜지스터(FET2) 및 제 2기생 다이오드(D2)를 포함한다. 제 2전계 효과 트랜지스터(FET2)는 방전 제어부(150)의 제어에 대응하여 배터리(100)로부터 제 1단자부(200)로의 전류 흐름을 제한한다. 즉, 방전 제어부(150)는 제 2전계 효과 트랜지스터(FET2)의 턴-온 및 턴-오프를 제어하면서 방전전류의 흐름을 제어할 수 있다. 제 2기생 다이오드(D2)는 제 1단자부(200)로부터 배터리(100)로 충전 전류가 흐를 수 있도록 접속된다.
충전 제어부(140)는 BMS(160)의 제어에 대응하여 충전 제어 스위치(120)의 턴-온 및 턴-오프를 제어한다. 이와 같은 충전 제어부(140)는 배터리(100)의 충전시에 충전 제어 스위치(120)를 턴-온 상태로 설정한다.
방전 제어부(150)는 BMS(160)의 제어에 대응하여 방전 제어 스위치(130)의 턴-온 및 턴-오프를 제어한다. 이와 같은 방전 제어부(150)는 배터리(100)의 방전시에 방전 제어 스위치(130)를 턴-온 상태로 설정한다.
BMS(160)는 배터리 셀(111)의 밸런싱 제어 등의 기능을 수행한다. 그리고, BMS(160)는 충전 제어부(140) 및 방전 제어부(150)를 제어하면서 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)의 턴-온 및 턴-오프를 제어한다. 여기서, BMS(160)는 보호부(170)로부터 제어신호(CS)가 입력될 때 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)가 정상적으로 구동되도록 제어하며, 제어신호(CS)가 입력되지 않을 때 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)가 턴-오프 되도록 제어한다.
제 1단자부(200)는 배터리 팩을 외부 장치를 연결한다. 일례로, 제 1단자부(200)는 제 2단자부(210)와 전기적으로 접속될 수 있다. 여기서, 제 2단자부(210)는 PCS(10), 일례로 컨버터(14)의 단자부로 설정될 수 있다. 제 1단자부(200)는 제 2단자부(210)를 경유하여 PCS(10)와 전기적으로 접속된다.
이를 위하여, 제 1단자부(200)는 양극단자(202) 및 음극단자(204)를 포함한다. 양극단자(202)는 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)를 경유하여 배터리(100)의 양극에 접속된다. 음극단자(204)는 배터리(100)의 음극에 접속된다.
제 1단자부(200)와 접속되는 제 2단자부(210)는 제 1단자부(200)의 양극단자(202)에 접속되는 제 1단자(212)와, 음극단자(204)와 접속되는 제 2단자(214)를 구비한다. 그리고, 제 2단자부(210)는 제 1단자(212)와 제 2단자(214) 사이에 접속되는 제 1커패시터(C1)를 구비한다. 제 1커패시터(C1)는 배터리 팩 및/또는 PCS로부터 공급되는 전원에 의하여 소정의 전압을 충전한다.
보호부(170)는 제 1단자부(200)에 인가된 전압과 기준전원(Vref)의 전압을 비교하고, 비교 결과에 대응하여 제어신호(CS)를 생성한다.
상세히 설명하면, 보호부(170)는 양극단자(202)에 인가되는 전압(즉, 양극단자(202) 및 음극단자(204) 사이의 전압)과 기준전원(Vref)의 전압을 비교하고, 양극단자(202)의 전압이 기준전원(Vref)의 전압보다 높거나 같은 경우 제어신호(CS)를 생성하고, 그 외의 경우에는 제어신호(CS)를 생성하지 않는다. 여기서, 제어신호(CS)가 생성된다는 것은 보호부(170)에서 특정 전압, 예를 들면 하이전압이 출력됨을 의미한다. 그리고, 제어신호(CS)가 생성되지 않는다는 것은 특정 전압의 반대전압, 예를 들면 보호부(170)에서 로우전압이 출력됨을 의미한다.
BMS(160)는 보호부(170)로부터 제어신호(CS)가 입력되지 않는 경우 충전 제어부(140) 및 방전 제어부(150)를 제어하여 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)를 턴-오프 상태로 설정한다. 그리고, BMS(160)는 보호부(170)로부터 제어신호(CS)가 입력되는 경우 충전 제어 스위치(130) 또는 방전 제어 스위치(130)가 정상적으로 구동될 수 있도록 충전 제어부(140) 및 방전 제어부(150)를 제어한다.
즉, 상술한 본원 발명에서는 양극단자(202)의 전압이 기준전원(Vref) 이상의 전압으로 설정되는 경우 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)를 정상적으로 제어하고, 그 외의 경우에는 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)를 턴-오프 상태로 설정한다.
상세히 설명하면, 제 1단자부(200) 및 제 2단자부(210)가 접속되는 경우 양극단자(202)로는 제 1커패시터(C1)에 저장된 전압이 공급된다. 여기서, 제 1커패시터(C1)에 높은 전압(일례로, 기준전원(Vref) 이상의 전압)이 충전되어 있는 경우 충전 제어 스위치(120) 또는 방전 제어 스위치(130)가 턴-온되더라도 순간 전류량이 급격히 증가하지 않는다.
하지만, 제 1커패시터(C1)에 낮은 전압(일례로, 기준전원(Vref) 미만의 전압)이 충전되어 있는 경우 충전 제어 스위치(120) 또는 방전 제어 스위치(130)의 턴-온에 대응하여 전류량이 급격히 증가하고, 이에 따라 충전 제어 스위치(120) 또는 방전 제어 스위치(130)가 파손될 수 있다. 따라서, 본원 발명에서는 보호부(170)를 이용하여 제 1단자부(200)의 전압을 측정하고, 측정 결과에 대응하여 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)의 동작을 제어함으로써 안정성을 확보할 수 있다.
한편, 본원 발명에서 기준전원(Vref)의 전압은 제 1커패시터(C1)에 충전될 수 있는 최대 전압을 i(i는 자연수)로 설정하는 경우, i/2 이상의 전압으로 설정될 수 있다. 일례로, 제 1커패시터(C1)에 충전될 수 있는 최대 전압이 48V로 설정되는 경우, 기준전원(Vref)의 전압은 24V 이상의 전압, 예를 들면 26V로 설정될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 보호부의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 보호부(170)는 비교기(172)를 구비한다. 비교기(172)는 양극단자(202)의 전압과 기준전원(Vref)의 전압을 비교하고, 양극단자(202)의 전압이 기준전원(Vref) 이상의 전압으로 설정되는 경우 제어신호를 생성하고 그 외의 경우에는 제어신호(CS)를 생성하지 않는다.
도 4는 본 발명의 제 2실시예에 의한 배터리 팩을 나타내는 도면이다. 도 4를 설명할 때 도 2와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 할당함과 아울러 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 2실시예에 의한 배터리 팩은 제 1단자부(200)의 전압을 측정하고, 측정된 전압에 대응하여 충전 제어부(140) 및 방전 제어부(150)를 BMS(160)와 선택적으로 접속시키기 위한 보호부(170')를 구비한다.
보호부(170')는 양극단자(202)의 전압과 기준전원(Vref)의 전압을 비교하고, 기준전원(Vref)의 전압이 양극단자(202)의 전압보다 높으면 충전 제어부(140) 및 방전 제어부(150)를 BMS(160)와 전기적으로 차단한다. 또한, 보호부(170')는 양극단자(202)의 전압과 기준전원(Vref)의 전압을 비교하고, 양극단자(202)의 전압이 기준전원(Vref) 이상으로 설정되는 경우 충전 제어부(140) 및 방전 제어부(150)를 BMS(160)와 전기적으로 접속시킨다
BMS(160)와 충전 제어부(140) 및 방전 제어부(150)가 전기적으로 접속되면 BNS(160)의 신호에 대응하여 충전 제어부(140) 및 방전 제어부(150)가 정상적으로 구동되고, 이에 따라 충전 제어부(140) 및 방전 제어부(150)의 제어에 대응하여 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)가 턴-온 또는 턴-오프될 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 보호부의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 보호부(170')는 비교기(174) 및 제어기들(176)을 구비한다.
비교기(174)는 양극단자(202)의 전압과 기준전원(Vref)의 전압을 비교한다. 여기서, 비교기(174)는 양극단자(202)의 전압이 기준전원(Vref)의 전압 이상으로 설정되는 경우 하이전압(즉, 제어신호(CS))를 출력하고, 그 외의 경우에 로우전압을 출력한다.
제어기(176)는 충전 제어부(140) 및 방전 제어부(150) 각각에 접속되도록 설치된다. 제어기(176)는 비교기(174)로부터 제어신호(CS)가 공급되는 경우 BMS(160)를 충전 제어부(140) 및 방전 제어부(150)와 접속시킨다. 그리고, 제어기(176)는 비교기(174)로부터 제어신호(CS)가 공급되지 않는 경우 BMS(160)를 충전 제어부(140) 및 방전 제어부(150)와 전기적으로 차단한다. 제어기(176)는 스위칭소자로 형성되거나, 앤드 게이트와 같은 논리 게이트로 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 3실시예에 의한 배터리 팩을 나타내는 도면이다. 도 6을 설명할 때 도 2와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 할당함과 아울러 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제 3실시예에 의한 배터리 팩은 제 1단자부(200)의 전압을 측정하고, 측정된 전압에 대응하여 충전 제어부(140)를 충전 제어 스위치(120), 방전 제어부(150)를 방전 제어 스위치(130)와 선택적으로 접속시키기 위한 보호부(170'')를 구비한다.
보호부(170'')는 양극단자(202)의 전압과 기준전원(Vref)의 전압을 비교하고, 기준전원(Vref)의 전압이 양극단자(202)의 전압보다 높으면 충전 제어부(140) 및 방전 제어부(150)를 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)와 전기적으로 차단한다. 그리고, 보호부(170'')는 양극단자(202)이 전압이 기준전원(Vref)의 전압 이상으로 설정되는 충전 제어부(140)를 충전 제어 스위치(120), 방전 제어부(150)를 방전 제어 스위치(130)와 전기적으로 접속시킨다.
충전 제어 스위치(120)가 충전 제어부(140)와 접속되고, 방전 제어 스위치(130)가 방전 제어부(150)와 접속되면, 충전 제어부(140) 및 방전 제어부(150)의 제어에 대응하여 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)가 정상적으로 구동된다.
도 7은 도 6에 도시된 보호부의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 보호부(170'')는 비교기(175) 및 제어기들(177)을 구비한다.
비교기(175)는 양극단자(202)의 전압과 기준전원(Vref)의 전압을 비교한다. 여기서, 비교기(175)는 양극단자(202)의 전압이 기준전원(Vref)의 전압 이상으로 설정되는 경우 하이전압(즉, 제어신호(CS))를 출력하고, 그 외의 경우에는 로우전압을 출력한다.
제어기(177)는 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130) 각각에 접속되도록 설치된다. 이와 같은 제어기(177)는 비교기(175)로부터 제어신호(CS)가 공급되는 경우 충전 제어부(140) 및 방전 제어부(150) 각각을 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)에 접속시킨다. 그리고, 제어기(177) 각각은 비교기(175)로부터 제어신호(CS)가 공급되지 않는 경우 충전 제어부(140) 및 방전 제어부(150)를 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)와 전기적으로 차단한다. 여기서, 제어기(177)는 스위칭소자로 형성되거나, 앤드 게이트와 같은 논리 게이트로 형성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 4실시예에 의한 배터리 팩을 나타내는 도면이다. 도 8을 설명할 때 도 2와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 할당함과 아울러 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제 4실시예에 의한 배터리 팩은 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)와 병렬로 접속되는 선충전부(180)를 구비한다.
선충전부(180)는 배터리(100)에 저장된 전압을 이용하여 제 1커패시터(C1)를 선충전한다. 일례로, 제 1단자부(200) 및 제 2단자부(210)가 접속되는 경우 선충전부(180)는 배터리(100)의 전압에 대응하여 소정의 전류를 제 1단자부(200)로 공급한다. 그러면, 제 1단자부(200)로부터 공급된 전류에 대응하여 제 1커패시터(C1)가 선충전될 수 있다.
선충전부(180)를 이용하여 제 1커패시터(C1)를 선충전하는 경우 급격한 전류에 의하여 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)가 파손될 확률을 낮출 수 있다. 또한, 본원 발명에서는 보호부(170)를 이용하여 제 1단자부(200)의 전압을 감지하고, 감지결과에 대응하여 충전 제어 스위치(120) 및 방전 제어 스위치(130)의 동작여부를 제어하기 때문에 구동의 안정성을 확보할 수 있다.
선충전부(180)는 배터리(100)와 양극단자(202) 사이에 직렬로 접속되는 스위칭부(190) 및 저항(R1)을 구비한다.
스위칭부(190)는 제 1선충전 스위치 및 제 2선충전 스위치를 구비한다. 제 1선충전 스위치는 제 3전계 효과 트랜지스터(FET3) 및 제 3기생 다이오드(D3)를 포함한다. 제 3전계 효과 트랜지스터(FET3)는 BMS(160)의 제어에 의하여 턴-온된다. 제 3기생 다이오드(D3)는 배터리(100)로부터 양극단자(202)로 전류가 흐를 수 있도록 접속된다.
제 2선충전 스위치는 제 4전계 효과 트랜지스터(FET4) 및 제 4기생 다이오드(D4)를 포함한다. 제 4전계 효과 트랜지스터(FET4)는 BMS(160)의 제어에 대응하여 제 3전계 효과 트랜지스터(FET3)와 동시에 턴-온 및 턴-오프된다. 제 4기생 다이오드(D4)는 양극단자(202)로부터 배터리(100)로 전류가 흐를 수 있도록 접속된다.
저항(R1)은 스위칭부(190)와 양극단자(202) 사이에 접속된다. 이와 같은 저항(R1)은 전류의 흐름을 제한하여 제 1선충전 스위치 및 제 2선충전 스위치가 파손되는 것을 방지한다. 한편, 도 8에 도시된 선충전부(180)는 도 4 및 도 6에 도시된 본원 발명의 실시예에 의한 배터리 팩에 모두 적용될 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 에너지 저장 시스템 2 : 발전 시스템
3 : 계통 4 : 부하
10 : PCS 11 : 전력 변환부
12 : DC 링크부 13 : 인버터
14 : 컨버터 15 : 통합 제어기
20 : 배터리 팩 30,40 : 스위치
100 : 배터리 111 : 셀
120 : 충전 제어 스위치 130 : 방전 제어 스위치
140 : 충전 제어부 150 : 방전 제어부
160 : BMS 170 : 보호부
172,174,175 : 비교기 176,177 : 제어기
180 : 선충전부 190 : 스위칭부
200, 210 : 단자부 202 : 양극단자
204 : 음극단자 212,214 : 단자

Claims (13)

  1. 충전 가능한 배터리와;
    상기 배터리의 양극과 접속되는 양극단자 및 음극과 접속되는 음극단자를 포함하는 제 1단자부와;
    상기 배터리의 양극과 상기 양극단자 사이에 위치되는 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치와;
    상기 제 1단자부의 전압을 측정하여 상기 제 1단자부의 전압이 미리 설정된 기준전원 이상의 전압으로 설정되는 경우 상기 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치가 정상적으로 구동되도록 제어하며, 그 외의 경우에 상기 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치를 턴-오프 상태로 제어하는 보호부를 구비하며,
    상기 충전 제어 스위치의 턴-온 및 턴-오프를 제어하는 충전 제어부와,
    상기 방전 제어 스위치의 턴-온 및 턴-오프를 제어하는 방전 제어부와,
    상기 보호부의 제어신호에 따라 충전 제어부 및 방전 제어부를 제어하기 위한 배터리 관리부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 보호부는 상기 양극단자의 전압과 상기 기준전원의 전압을 비교하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 보호부는 상기 양극단자의 전압과 상기 기준전원의 전압을 비교하기 위한 비교기를 구비하며,
    상기 배터리 관리부는 상기 비교기의 비교결과에 대응하여 상기 충전 제어부 및 방전 제어부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 보호부는
    상기 양극단자의 전압과 상기 기준전원의 전압을 비교하며, 상기 양극단자의 전압이 상기 기준전원 이상의 전압으로 설정되는 경우 제어신호를 생성하는 비교기와;
    상기 충전 제어부 및 방전 제어부 각각에 접속되며, 상기 제어신호가 공급될 때 상기 충전 제어부 및 방전 제어부를 상기 배터리 관리부와 전기적으로 접속시키고 그 외의 경우에는 상기 충전 제어부 및 방전 제어부를 상기 배터리 관리부와 전기적으로 차단하기 위한 제어기를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 보호부는
    상기 양극단자의 전압과 상기 기준전원의 전압을 비교하며, 상기 양극단자의 전압이 상기 기준전원 이상의 전압으로 설정되는 경우 제어신호를 생성하는 비교기와;
    상기 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치 각각에 접속되며 상기 제어신호가 공급될 때 상기 충전 제어 스위치를 상기 충전 제어부, 상기 방전 제어 스위치를 상기 방전 제어부에 접속시키기 위한 제어기를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치와 병렬로 접속되며, 상기 제 1단자부로 전류를 공급하기 위한 선충전부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 선충전부는
    상기 제 1단자부로 전류가 공급될 때 턴-온되는 선충전 스위치들과,
    상기 선충전 스위치들과 상기 양극단자 사이에 접속되는 제 1저항을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1단자부는 외부의 제 2단자부와 접속되며, 상기 제 2단자부는;
    상기 양극단자와 접속되는 제 1단자와,
    상기 음극단자와 접속되는 제 2단자와,
    상기 제 1단자 및 제 2단자 사이에 접속되는 제 1커패시터를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 선충전부는 상기 제 1커패시터를 상기 기준전원 이상의 전압으로 선충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 기준전원이 전압은 상기 제 1커패시터에 충전될 수 있는 최대 전압을 i(i는 자연수)로 설정하는 경우, i/2이상의 전압으로 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 배터리의 양극과 접속되는 양극단자 및 음극과 접속되는 음극단자를 포함하는 제 1단자부와, 상기 배터리의 양극과 상기 양극단자 사이에 위치되는 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치와, 상기 제 1단자부의 전압과 미리 설정된 기준전원의 전압과의 비교에 따라 제어신호를 출력하는 보호부와, 충전 제어 스위치의 턴-온 및 턴-오프를 제어하는 충전 제어부와, 방전 제어 스위치의 턴-온 및 턴-오프를 제어하는 방전 제어부와, 보호부의 제어신호에 따라 충전 제어부 및 방전 제어부를 제어하기 위한 배터리 관리부를 포함하는 배터리 팩의 구동방법에 있어서,
    상기 제 1단자부의 전압을 감지하는 단계와,
    상기 제 1단자부의 전압이 미리 설정된 기준전원보다 낮은 전압으로 설정되는 경우 상기 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치를 턴-오프 상태로 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 구동방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제 1단자부의 전압을 감지하는 단계는
    상기 양극단자에 인가된 전압과 상기 기준전원의 전압을 비교하는 단계인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 구동방법.
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