KR102332292B1 - 다중의 출력 전압을 갖는 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중의 출력 전압을 갖는 배터리 팩에 관한 것으로, 외부 전원 연결부; 입력부; 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈을 충전하기 위한 충전 모듈; 전압 레귤레이터; DC-DC 변환기; 출력 전압의 변화를 감지하는 감지회로; 방전 소자; 및 디스플레이부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다중의 출력 전압을 갖는 배터리 팩 {Battery pack having multiple output voltage}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중의 출력 전압을 갖는 배터리 팩에 관한 발명이다.
최근 들어 전기 자동차, 드론, 1인용 전동 모빌리티 등 배터리 팩을 이용한 다양한 모바일 장비들이 상용화되고 있다. 이렇듯 배터리 팩의 사용 분야가 늘어나면서 배터리 팩에서 출력해야 하는 전압 또한 다양해 지고 있다. 예를 들어, 전기 자동차에 사용되는 배터리 팩은 48V의 출력 전압을 요구하고, 전동 모빌리티에서 이용되는 배터리 팩은 12V의 출력 전압을 요구할 수 있으며, 드론에서는 4.8V의 출력 전압을 요구할 수 있다.
한편, 다중의 출력 전압을 갖는 배터리 팩은 출력 전압을 조절하기 위해서 출력전압조절부, 피드백 저항부, 스위칭부, 전압 레귤레이터 등을 포함할 수 있다.
또한, 배터리 팩은 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있고, 복수의 배터리 셀은 필요에 따라서 그 개수를 조절할 수 있다. 나아가, 복수의 배터리 셀은 독립 모듈 형태로 구성되어 배터리 팩의 제어부로부터 탈부착될 수도 있다.
종래기술로는, 한국공개특허 제10-2015-0080079호인 "배터리팩의 출력전압 자동제어회로", 한국공개특허 제10-2013-0035490호인 "레귤레이터 출력전압 제어 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩", 한국공개특허 제10-2020-0100009호인 "계기판을 통해 배터리 운영 제어 및 제어기의 출력 선정이 가능한 멀티 배터리 운영 시스템", 한국공개특허 제10-2018-0080938호인 "배터리 팩으로부터 출력 전력을 제어하는 회로 및 배터리 팩" 등이 개시된다.
한국공개특허 제10-2015-0080079호 한국공개특허 제10-2013-0035490호 한국공개특허 제10-2020-0100009호 한국공개특허 제10-2018-0080938호
이에. 본 발명의 기술적인 과제는 자유롭게 출력 전압을 제어할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 배터리 팩은 목표하는 출력 전압을 기준으로 ±1%의 범위의 전압 오차를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 배터리 팩 외부에서 전압을 설정하기 위한 전압 입력부를 제공하고, 현재 출력 전압을 배터리 팩 외부에서 확인할 수 있는 디스플레이부를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 배터리 팩은:
상기 배터리 셀을 충전하기 위해 외부 전원을 연결하기 위한 외부 전원 연결부; 상기 배터리 팩의 소정의 출력 값을 입력하기 위한 전압 입력부; 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 상기 전원 연결부에서 인가된 외부 전원을 상기 배터리 셀에 공급하기 위한 충전 모듈로서, 메인 스위치와 서브 스위치를 포함하는, 충전 모듈; 배터리 모듈에서 출력되는 전압을 소정의 전압으로 조절하기 위한 전압 레귤레이터; 상기 배터리 셀의 입력 전압 값과 출력 전압 값을 변환하기 위한 DC-DC 변환기; 출력 전압의 변화를 감지하는 감지회로; 방전 소자; 및 상기 배터리 팩의 출력 전압을 표시하기 위한 디스플레이부;를 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 배터리 팩은, 배터리 팩의 출력 전압 값을 입력받아서, 배터리 팩의 출력 전압을 입력된 소정의 전압 값으로 제공하는 배터리 팩을 제공한다.
도 1은 본 발명의 배터리 팩 외형의 대략적인 사시도이다.
도 2는 배터리 수납부를 도시한다.
도 3는 본 발명의 세부 구성도이다.
도 4는 본원의 패터리 팩을 구현하기 위한 일 실시예의 개략도이다.
도 5 내지 도 7은 각각 본 발명의 일 실시예를 도시한다.
도 8는 본 발명의 일 실시예의 구체적인 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는 데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다.
본 발명의 실시 예를 설명하면서, 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려졌고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다.
이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다.
그러나 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시 예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시 예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시 예에서의 각각의 구성 요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.
본 명세서에 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위하여 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의하여야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 배터리 팩 외형의 대략적인 사시도이다.
본 발명의 외형은 각각의 배터리 셀을 충전하기 위한 외부 전원을 연결하기 위한 전원 연결부, 소망하는 출력 전압을 입력하기 위한 입력부, 패터리 팩의 출력 전압을 표시하기 위한 디스플레이부를 포함한다.
도 2는 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 수납할 수 있는 배터리 수납부를 도시한다.
도 3은 본 발명의 전체 회로 구성도이다. 본 발명의 배터리 팩은 배터리 모듈을 포함할 수 있으며, 상기 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀로 구성될 수 있다. 본 발명은 다중의 출력 전압을 갖는 배터리 팩에 관한 것으로, 외부 전원 연결부; 입력부; 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈을 충전하기 위한 충전 모듈; 전압 레귤레이터; DC-DC 변환기; 출력 전압의 변화를 감지하는 감지회로; 방전 소자; 및 디스플레이부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 외부 전원 연결부는 본원의 상기 배터리 팩을 외부 전원에 연결하기 위한 전기적인 연결 수단이며, 상기 입력부는 사용자 입력 수단으로서, 사용자가 소정의 출력 전압을 설정할 수 있도록 다이얼 또는 버튼 방식으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있으며, 배터리 모듈의 전원을 모듈 외부로 출력하기 위한 예를 들어 4개의 단자를 포함할 수 있다. 상기 4개의 단자는 양극 단자, 음극 단자, 접지 단자 및 상태 단자 일 수 있다. 상기 양극 단자 및 음극 단자는 상기 배터리 모듈을 전기적으로 연결하기 위한 연결 단자일 수 있고, 상기 접지 단자는 전기적으로 GND에 해당하는 외부 접지 단자에 연결될 수 있다. 또한, 상기 상태 단자는 'BATTERY_ENABLE1', 'BATTERY_ENABLE2', 'BATTERY_ENABLE3', 'BATTERY_DISABLE'의 4개의 값을 나타낼 수 있으며, 'BATTERY_ENABLE1'은 상기 배터리 모듈에 포함되어 있는 배터리 셀이 모두 정상 동작하고 있음을 나타낼 수 있으며, 'BATTERY_ENABLE2'은 상기 배터리 모듈에 포함되어 있는 배터리 셀이 80%이상 정상 동작하고 있음을 나타낼 수 있으며, 'BATTERY_ENABLE3'은 상기 배터리 모듈에 포함되어 있는 배터리 셀이 60%이상 정상 동작하고 있음을 나타낼 수 있다. 마지막으로, 'BATTERY_DISABLE'은 상기 배터리 모듈에 포함되어 있는 배터리 셀이 60%미만으로 정상 동작하고 있음을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 팩은 상기 외부 전원 연결부로부터 인가된 전원을 상기 배터리 모듈로 제공하기 위한 충전 모듈을 포함할 수 있다. 또한, 상기 충전 모듈은 메인 스위치와 복수의 서브 스위치를 포함할 수 있으며, 상기 메인 스위치는 충전 모듈 전체에 전원을 공급할 수 있으며, 상기 복수의 서브 스위치는 각각의 배터리 셀에 전원을 공급할 수 있다. 상기 서브 스위치는 상기 배터리 셀마다 일대일 관계로 배치될 수도 있고, 복수의 배터리 셀마다 한개의 서브 스위치가 배치될 수도 있다.
또한, 본원의 배터리 팩은 복수의 전압 레귤레이터를 포함할 수 있으며, 상기 전압 레귤레이터는 리니어 레귤레이터(linear regulator), 스위칭 레귤레이터(switching regulator) 또는 LDO 레귤레이터(low dropout regulator) 중 하나일 수 있다. 상기 전압 레귤레이터는 배터리 모듈에서 출력된 전압을 사용자가 입력부를 통하여 입력한 소정의 전압으로 조절하는 기능을 수행한다. 통상적으로 전압 레귤레이터는 연결되는 있는 부하의 종류에 따라 일정한 전압을 제공하여야 하지만, 부하의 종류에 따라 필요한 전압을 선택적으로 제공하기 위하여 복수의 전압 레귤레이터는 복수의 스위치에 의하여 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 상기 전압 레귤레이터는 전압 변환 과정에서 발생할 수 있는 열을 식히기 위하여 방열판이나 히트 파이프(heat pipe)를 더 포함할 수 있으며, 상기 방열판 또는 히트 파이프는 상기 배터리 팩의 외장 케이스에 기계적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 방열판 또는 히트 파이프의 일부가 연장되어 열전도성 금속, 플라스틱 또는 고분자를 이용하여 외장 케이스에 부착될 수 있다. 부가적으로, 상기 방열판 또는 히트 파이프는 모터로 구동되는 전용 쿨링 팬(cooling fan)을 더 포함할 수도 있다.
또한, 본원의 배터리 팩은 전압 레귤레이터의 출력 전압을 원하는 출력 전압으로 보다 정확하게 맞추기 위하여 DC-DC 변환기를 더 포함할 수 있다. DC-DC 변환기는 리니어 레귤레이터 또는 스위칭 레귤레이터로 구성될 수 있으며, 배터리 모듈에서 출력되는 전압을 소정의 전압으로 변환하기 위한 상기 복수의 레귤레이터와는 상이한 레귤레이터로 구성될 수 있다. 또한, 상기 DC-DC 변환기는 프로그램 가능한 저항을 포함하여 그 출력 전압을 조절할 수 있는 DC-DC 변환기일 수 있으며, 그 전압 변환 범위는 5V 내지 60V일 수 있다.
또한, 본원의 배터리 팩은 상기 배터리 팩이 외부 부하에 연결되었을 때 출력 전압의 변화를 감시하여 소정의 출력 전압을 유지하기 위해 출력 전압을 감지하기 위한 감지회로를 포함할 수 있다. 상기 감지회로는 현재 출력되고 있는 출력 전압을 측정하여 전압레규레이터 및 DC-DC 변환기의 전압 변환률을 조정할 수 있다. 또한, 상기 감지회로는 상기 배터리 모듈의 상태 단자의 값에 경보 신호를 디스플레이부에 출력할 수 있다. 일 실시양태에서, 상기 배터리 모듈의 상태 단자의 값이 'BATTERY_ENABLE1', 'BATTERY_ENABLE2' 또는 'BATTERY_ENABLE3'일 때는 상기 디스플레이부에 배터리 상태를 정상으로 표시할 수 있고, 상기 배터리 모듈의 상태 단자의 값이 'BATTERY_DISABLE'일 때 상기 디스플레이부에 배터리 상태를 비정상으로 표시할 수 있다. 다른 실시양태에서는, 상기 배터리 모듈의 상태 단자의 값이 'BATTERY_ENABLE1' 또는 'BATTERY_ENABLE2'일 때는 상기 디스플레이부에 배터리 상태를 정상으로 표시할 수 있고, 상기 배터리 모듈의 상태 단자의 값이 'BATTERY_ENABLE3' 또는 'BATTERY_DISABLE'일 때 상기 디스플레이부에 배터리 상태를 비정상으로 표시할 수 있다. 또 다른 실시양태에서는, 상기 배터리 모듈의 상태 단자의 값이 'BATTERY_ENABLE1'일 때는 상기 디스플레이부에 배터리 상태를 정상으로 표시할 수 있고, 상기 배터리 모듈의 상태 단자의 값이 'BATTERY_ENABLE2', 'BATTERY_ENABLE3' 또는 'BATTERY_DISABLE'일 때 상기 디스플레이부에 배터리 상태를 비정상으로 표시할 수 있다. 또한, 상기 감지회로는 복수의 스위치를 조절하여, 본원의 배터리 팩의 전체 출력 전압이 사용자가 설정한 소정의 전압 이상일 때 상기 전체 출력 전압과 사용자가 설정한 소정의 전압 간의 차이가 이하에서 서술하는 방전소자에 인가되도록 할 수 있다.
또한, 본원의 배터리 팩은 방전소자를 포함하며, 상기 감지회로에서 감시된 전압이 소정의 입계치 이상으로 올라가는 경우 상기 방전소자에 연결되어 있는 스위치를 턴 온시켜 전류가 방전소자로 흐를 수 있도록 구성될 수 있다. 또한, DC-DC 변환기의 출력 전압이 사용자가 설정한 전압 이상인 경우, DC-DC 변환기의 출력 전압과 사용자가 설정한 전압과의 차이만큼의 전압을 상기 방전소자에 전류가 흐르도록 함으로써 방전하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 방전소자는 단일 저항, 직렬로 연결되는 복수개의 저항, 병렬로 연결되는 복수개의 저항, 또는 직렬 및 병렬을 조합하여 구성되는 복수개의 저항으로 구성될 수 있으며, 상기의 저항을 필요에 따라 개별적으로 연결할 수 있도록 제어 가능한 스위치를 포함할 수 있다. 상기 방전소자는 불필요한 전류를 방전시키기 위한 소자로서 소자 구동시 열을 발생시키므로, 상기 열로부터 상기 소자를 보호하기 위한 방열판이나 히트 파이트(heat pipe)를 더 포함할 수 있다.
도 4는 본원의 패터리 팩을 구현하기 위한 일 실시예의 개략도로서, n개의 레귤레이터를 포함하는 일 실시예를 도시한다.
도 5 내지 도 7은 각각 본 발명의 일 실시예를 도시하면, 예시적으로 12V, 20V, 48V를 출력하는 실시예를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예의 구체적인 사시도를 도시하며, 외부 전원 연결부, 출력 전압 입력부, 제어 회로부, 배터리 모듈, 디스플레이부를 포함한다.

Claims (5)

  1. 다중의 출력 전압을 갖는 배터리 팩에 있어서,
    외부 전원 연결부;
    사용자가 소정의 출력 전압을 설정하는 입력부;
    복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈을 충전하기 위한 충전 모듈;
    상기 배터리 모듈에서 출력된 전압을 제1 전압으로 변환하는 복수의 전압 레귤레이터;
    상기 복수의 전압 레귤레이터에 의해 변환된 상기 제1 전압을 배터리 팩의 전체 출력 전압으로 변환하는 DC-DC 변환기;
    상기 배터리 팩의 전체 출력 전압의 변화를 감지하여, 상기 전압 레귤레이터 및 상기 DC-DC 변환기의 증폭률을 조절하는 감지회로;
    상기 DC-DC 변환기의 출력 전압이 사용자가 설정한 전압 이상인 경우, DC-DC 변환기의 출력 전압과 상기 사용자가 설정한 전압과의 차이만큼의 전압을 방전하도록 전류가 흐르는 방전 소자; 및
    현재 출력 전압을 배터리 팩의 외부에 표시하는 디스플레이부;를 포함하며,
    상기 복수의 전압 레귤레이터는 복수의 스위치에 의하여 직렬 또는 병렬로 연결되어 상기 제1 전압을 출력하는,
    배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력부는 다이얼 또는 버튼 방식으로 구성되는,
    배터리 팩.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 배터리 수납부에 수납되고, 상기 배터리 수납부는 상기 배터리 팩으로부터 착탈 가능한,
    배터리 팩.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 모듈은 메인 스위치와 복수의 서브 스위치를 포함하고, 상기 메인 스위치는 상기 충전 모듈 전체에 공급되는 전원을 스위칭하고, 상기 복수의 서브 스위치는 상기 배터리 셀에 공급되는 전원을 각각 스위칭하는,
    배터리 팩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 전체 출력 전압은 사용자가 입력부를 이용하여 입력한 소정의 전압과 동일한,
    배터리 팩.
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