KR102335019B1 - 배터리 팩 및 배터리 팩의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

배터리 팩 및 배터리 팩의 제어방법에 관한 것이다. 복수의 팩 단자 사이에 연결되는 적어도 하나의 셀 모듈을 포함하는 배터리 팩은, 상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되는 적어도 하나의 열전소자, 상기 적어도 하나의 열전소자로 구동전압으로 공급하는 열전소자 전원공급회로, 및 충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제1 범위를 벗어나면, 충전기로부터 열전소자 구동용으로 인가되는 제1 전압을 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동전압으로 전달하도록 상기 열전소자 전원공급회로를 제어하는 제어기를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 전압은 상기 충전기에서 충전용으로 인가되는 제2 전압과 상이할 수 있다.

Description

배터리 팩 및 배터리 팩의 제어방법{BATTERY PACK AND CONTROL METHOD THEREOF}
실시 예들은 배터리 팩 및 배터리 팩의 제어방법에 관한 것이다.
최근 전동 자전거, 전동 휠체어, 전동 골프카트, 전동 지게차 등 경전기 이동수단(light electric vehicle, LEV)에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 LEV에 탑재되는 배터리 팩은, 고전압 전기 에너지를 공급하기 위해 서로 직렬 또는 병렬 연결되는 복수의 배터리 모듈을 포함하며, 각 배터리 모듈은 서로 직렬 또는 병렬 연결되는 복수의 셀을 포함하도록 구성된다. 또한, 배터리 팩에는 각 셀 또는 배터리 모듈의 전압, 온도, 충방전 전류 등을 상시 검출하여 배터리 팩의 이상 시 배터리 팩을 보호하기 위한 배터리 관리 시스템(Battery Managemnet System, BMS)이 탑재된다.
주로 옥외(Outdoor)에서 구동되는 LEV 제품의 특성 상, LEV에 탑재되는 배터리 팩은, 저온 또는 고온 환경에서의 동작 신뢰성 확보가 가능하고, 1C-rate 이상의 급속 충전이 가능해야 한다. 따라서, LEV에 탑재되는 배터리 팩은, 저온 또는 고온 환경에서 배터리 팩의 동작 신뢰성을 확보하고, 급속 충전 시 발열로부터 배터리 팩을 보호하기 위한 열관리 시스템을 필요로 한다.
실시 예를 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는 저온/고온 환경 또는 급속 충전 시 배터리 팩의 동작 신뢰성을 확보할 수 있는 배터리 팩 및 배터리 팩의 제어방법을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위한 일 실시 예에 따른 복수의 팩 단자 사이에 연결되는 적어도 하나의 셀 모듈을 포함하는 배터리 팩은, 상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되는 적어도 하나의 열전소자, 상기 적어도 하나의 열전소자로 구동전압으로 공급하는 열전소자 전원공급회로, 및 충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제1 범위를 벗어나면, 충전기로부터 열전소자 구동용으로 인가되는 제1 전압을 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동전압으로 전달하도록 상기 열전소자 전원공급회로를 제어하는 제어기를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 전압은 상기 충전기에서 충전용으로 인가되는 제2 전압과 상이할 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 배터리 팩에서, 상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 상기 제1 범위를 벗어나면, 상기 충전기로 상기 제1 전압의 공급을 요청할 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 배터리 팩에서, 상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동 중 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제2 범위 이내가 되면, 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동을 중지시키고, 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 충전을 위해 상기 충전기로 상기 제2 전압의 공급을 요청할 수 있다. 여기서, 상기 제2 범위는 상기 제1 범위 이내일 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 배터리 팩에서, 상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 포함된 상태정보를 상기 충전기로 전송할 수 있다. 또한, 상기 충전기는, 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 상기 제1 범위를 벗어나면 상기 배터리 팩으로 상기 제1 전압을 공급할 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 배터리 팩에서, 상기 충전기는, 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동 중 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제2 범위 이내가 되면, 상기 제1 전압의 공급을 중지하고 상기 배터리 팩으로 상기 제2 전압을 공급할 수 있다. 또한, 상기 제어기는, 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동 중 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 상기 제2 범위 이내가 되면, 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동을 중지시킬 수 있다. 여기서, 상기 제2 범위는 상기 제1 범위 이내일 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 배터리 팩에서, 상기 열전소자 전원공급회로는, 상기 복수의 팩 단자를 통해 상기 충전기로부터 상기 제1 전압을 입력받을 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 배터리 팩에서, 상기 열전소자 전원공급회로는, 상기 충전기로부터 상기 제2 전압이 입력되는 상기 복수의 팩 단자와는 별도의 입력단자들을 통해, 상기 충전기로부터 상기 제1 전압을 입력받을 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 배터리 팩은, 상기 복수의 팩 단자 중 어느 하나와 상기 적어도 하나의 셀 모듈 사이에 연결되어 충방전 전류의 흐름을 제어하는 메인 스위치를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 적어도 하나의 열전소자가 구동되는 동안 상기 메인 스위치를 오프 상태로 제어할 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 배터리 팩은, 상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되어, 상기 적어도 하나의 열전소자에 공급되는 전류의 방향을 제어하는 제어회로를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어기는, 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도에 따라 상기 적어도 하나의 열전소자에 공급되는 전류의 방향을 설정하도록 상기 제어회로를 제어할 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 배터리 팩에서, 상기 제어기는, 방전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제3 범위를 벗어나면, 상기 배터리 팩의 내부전압을 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동전압으로 전달하도록 상기 열전소자 전원공급회로를 제어할 수 있다.
다른 실시 예에 따른 복수의 팩 단자 사이에 연결되는 적어도 하나의 셀 모듈을 포함하는 배터리 팩은, 상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되는 적어도 하나의 열전소자, 상기 복수의 팩 단자를 통해 입력되는 전압을 변환하여, 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동전압으로 전달하는 전압 변환기를 포함하는 열전소자 전원공급회로, 및 충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제1 범위를 벗어나면, 상기 적어도 하나의 열전소자로 구동전압을 전달하도록 상기 전압 변환기를 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
상기 다른 실시 예에 따른 배터리 팩에서, 상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 상기 제1 범위를 벗어나면, 상기 충전기로 열전소자 구동용 전력공급을 요청할 수 있다.
상기 다른 실시 예에 따른 배터리 팩에서, 상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 포함된 상태정보를 상기 충전기로 전송할 수 있다. 또한, 상기 충전기는, 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 상기 제1 범위를 벗어나면 상기 배터리 팩으로 열전소자 구동용 전압을 공급할 수 있다.
상기 다른 실시 예에 따른 배터리 팩은, 상기 복수의 팩 단자 중 어느 하나와 상기 적어도 하나의 셀 모듈 사이에 연결되어 충방전 전류의 흐름을 제어하는 메인 스위치를 더 포함하며, 상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 충전기로부터 상기 열전소자 구동용 전압이 공급되는 동안 상기 메인 스위치를 오프 상태로 제어할 수 있다.
상기 다른 실시 예에 따른 배터리 팩에서, 상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되어, 상기 적어도 하나의 열전소자에 공급되는 전류의 방향을 제어하는 제어회로를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어기는, 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도에 따라 상기 적어도 하나의 열전소자에 공급되는 전류의 방향을 설정하도록 상기 제어회로를 제어할 수 있다.
상기 다른 실시 예에 따른 배터리 팩에서, 상기 제어기는, 방전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제3 범위를 벗어나면, 상기 배터리 팩의 내부전압을 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동전압으로 전달하도록 상기 열전소자 전원공급회로를 제어할 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 복수의 팩 단자 사이에 연결되는 적어도 하나의 셀 모듈을 포함하는 배터리 팩은, 상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되는 적어도 하나의 열전소자, 상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되어, 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동을 제어하는 적어도 하나의 열전소자 구동기, 상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되어, 대응하는 셀 모듈에 포함된 이차전지 셀의 양단전압을 변환하여 대응하는 열전소자의 구동전압으로 출력하는 적어도 하나의 전압 변환기, 및 충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제1 범위를 벗어나면, 충전기로 열전소자 구동용 전력공급 요청을 전달하고, 상기 적어도 하나의 열전소자로 구동전압이 전달되도록 상기 열전소자 구동기 및 상기 전압 변환기를 제어하는 제어기를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 열전소자 구동용 전력공급 요청에 응답하여 상기 충전기로부터 공급되는 전류는, 상기 적어도 하나의 열전소자의 소비전류에 대응할 수 있다.
상기 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩에서, 상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 중에 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제2 범위 이내가 되면, 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동을 중지시키도록, 상기 열전소자 구동기 및 상기 전압 변환기를 제어할 수 있다. 여기서, 상기 제2 범위는 상기 제1 범위 이내일 수 있다.
상기 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩은, 상기 복수의 팩 단자 중 어느 하나와 상기 적어도 하나의 셀 모듈 사이에 연결되어 충방전 전류의 흐름을 제어하는 메인 스위치를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 동안 상기 메인 스위치를 온 상태로 제어할 수 있다.
상기 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩에서, 상기 제어기는, 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도에 따라 상기 적어도 하나의 열전소자에 공급되는 전류의 방향을 조절하도록 상기 적어도 하나의 열전소자 구동기를 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따른 복수의 팩 단자 사이에 연결되는 적어도 하나의 셀 모듈을 포함하는 배터리 팩의 제어방법은, 충전모드에서 상기 셀 모듈의 온도가 제1 범위를 벗어나면, 상기 복수의 팩 단자와 상기 적어도 하나의 셀 모듈 사이의 전류 경로를 차단하는 단계, 충전기로부터 열전소자 구동용으로 인가되는 제1 전압으로, 상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되는 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 단계, 상기 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 중에 상기 적어도 하나의 셀 모들의 온도가 제2 범위 이내가 되면, 상기 전류 경로를 연결하는 단계, 상기 충전기로부터 충전용으로 인가되는 제2 전압으로, 상기 적어도 하나의 셀 모듈을 충전하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 전압은 상기 제2 전압과 상이할 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 제어방법에서, 상기 제1 및 제2 전압은, 상기 복수의 팩 단자를 통해 입력될 수 있다.
상기 일 실시 예에 따른 제어방법에서, 상기 제2 전압은, 상기 복수의 팩 단자를 통해 입력되고, 상기 제1 전압은, 상기 복수의 팩 단자와는 별도의 입력단자들을 통해 입력될 수 있다.
다른 실시 예에 따른 복수의 팩 단자 사이에 연결되는 적어도 하나의 셀 모듈을 포함하는 배터리 팩의 제어방법은, 충전모드에서 상기 셀 모듈의 온도가 제1 범위를 벗어나면, 상기 복수의 팩 단자와 상기 적어도 하나의 셀 모듈 사이의 전류 경로를 차단하는 단계, 상기 충전기로 열전소자 구동용 전력공급을 요청하는 단계, 상기 충전기로부터 공급되는 전압을 강하한 전압으로 상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되는 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 단계, 상기 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 중에 상기 적어도 하나의 셀 모들의온도가 제2 범위 이내가 되면, 상기 전류 경로를 연결하는 단계, 및 상기 충전기로부터 공급되는 전압으로 상기 적어도 하나의 셀 모듈을 충전하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 복수의 팩 단자 사이에 연결되는 적어도 하나의 셀 모듈을 포함하는 배터리 팩의 제어방법은, 충전모드에서 상기 셀 모듈의 온도가 제1 범위를 벗어나면, 상기 충전기로 열전소자 구동용 전력공급을 요청하는 단계, 상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치된 적어도 하나의 열전소자로 대응하는 셀 모듈에 포함된 이차전지 셀을 통해 전압을 각각 공급하여, 상기 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 단계, 상기 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 중에 상기 적어도 하나의 셀 모들의 온도가 제2 범위 이내가 되면, 상기 충전기로부터 공급되는 전압으로 상기 적어도 하나의 셀 모듈을 충전하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 동안 상기 충전기로부터 공급되는 전류는, 상기 적어도 하나의 열전소자의 소비전류에 대응할 수 있다.
실시 예들에 따르면, 저온 환경에서의 배터리 팩의 충전 효율을 높일 수 있다.
또한, 저온 환경 및 고온 환경에서의 배터리 팩의 동작 신뢰성을 높일 수 있어, 저온 및 고온 환경에 노출이 빈번한 아웃도어(outdoor) 제품에 탑재되어 사용이 가능하다.
도 1은 제1 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것으로서, 충전기와 연결된 상태의 배터리 팩을 도시한 것이다.
도 2a 및 2b는 제1 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 제2 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 제2 실시 예에 따른 충전기의 배터리 팩 충전방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 제3 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것으로서, 충전기와 연결된 상태의 배터리 팩을 도시한 것이다.
도 6은 제3 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 제4 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은 제5 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것으로서, 충전기와 연결된 상태의 배터리 팩을 도시한 것이다.
도 9는 제5 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 10은 제6 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 11은 제6 실시 예에 따른 충전기의 배터리 팩 충전방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 12는 제7 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 여러 실시 예들에 대하여 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 실시 예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.
실시 예들을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 붙이도록 한다. 따라서 이전 도면에 사용된 구성요소의 참조 번호를 다음 도면에서 사용할 수 있다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 실시 예들은 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께 및 영역을 과장하여 나타낼 수 있다.
2개의 구성요소를 전기적으로 연결한다는 것은 2개의 구성요소를 직접(directly) 연결할 경우뿐만 아니라, 2개의 구성요소 사이에 다른 구성요소를 거쳐서 연결하는 경우도 포함한다. 다른 구성요소는 스위치, 저항, 커패시터 등을 포함할 수 있다. 실시 예들을 설명함에 있어서 연결한다는 표현은, 직접 연결한다는 표현이 없는 경우에는, 전기적으로 연결한다는 것을 의미한다.
이하, 필요한 도면들을 참조하여 실시 예들에 따른 배터리 팩 및 배터리 팩의 제어 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 제1 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것으로서, 충전기와 연결된 상태의 배터리 팩을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시 예에 따른 배터리 팩(1a)은 복수의 팩 단자(P+, P-), 복수의 셀 모듈(10), 및 배터리 관리 시스템(BMS: battery management system) 모듈(20)을 포함할 수 있다.
복수의 셀 모듈(10)은 팩 단자들(P+, P-) 사이에 전기적으로 직렬 또는 병렬 연결되며, 팩 단자들(P+, P-)을 통해 외부의 충전기(5)로부터 전력을 공급 받거나, 외부의 부하(미도시)로 전력을 공급할 수 있다. 도 1에서는 복수의 셀 모듈(10)이 복수의 팩 단자(P+, P-) 사이에 서로 직렬 연결되는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 이는 하나의 실시 예를 설명하기 위한 것으로서 팩 단자들(P+, P-) 사이에서의 복수의 셀 모듈(10)의 연결 구조는 다양한 변형이 가능하다.
각 셀 모듈(10)은 이차전지 셀(C), 열전소자(11), 및 셀 모듈 제어회로(12)를 포함할 수 있다.
이차전지 셀(C)은 셀 모듈(10)의 케이스(미도시) 내부에 배치되며, 전극 단자들(B+, B-)을 통해 이웃하는 셀 모듈 또는 팩 단자(P+, P-)와 전기적으로 연결될 수 있다.
열전소자(11)는 셀 모듈(10)의 케이스 외부에 배치되며, 셀 모듈 제어회로(12)의 제어에 의해 셀 모듈(10)을 가열하거나 냉각할 수 있다. 열전소자(11)는 두 개의 서로 다른 금속 도선을 접합하여 전류를 흘렸을 때 접합부에서 줄 열 외에 전류에 비례한 열의 발생 또는 흡수가 일어나는 펠티에 효과를 이용한 펠티에 소자로서, 전류의 방향에 따라 발열 또는 흡열하여 셀 모듈(10)을 가열하거나 냉각할 수 있다. 한편, 도 1에서는 각 셀 모듈(10)이 하나의 열전소자(11)를 포함하는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 이는 하나의 실시 예를 설명하기 위한 것으로서 각 셀 모듈(10)에 포함되는 열전소자(11)의 개수는 필요에 따라 변경이 가능하다.
셀 모듈 제어회로(12)는 제어기(21)의 제어신호에 기초하여 열전소자(11)의 구동을 제어할 수 있다. 즉, 셀 모듈 제어회로(12)는 제어기(21)로부터 수신되는 제어신호에 기초하여 열전소자(11)로 구동전력을 공급하거나 구동전력을 차단하여 열전소자(11)를 활성화 또는 비활성화시킬 수 있다. 또한, 셀 모듈 제어회로(12)는 제어기(21)로부터 수신되는 제어신호에 기초하여 열전소자(11)로 인가되는 전류의 방향을 조절하여, 열전소자(11)의　발열 또는 흡열을 제어할 수 있다. 셀 모듈 제어회로(12)로부터 각 열전소자(11)로 공급되는 구동전력은 후술하는 BMS 모듈(20) 내 열전소자 전원공급회로(23)에 의해 공급될 수 있다.
셀 모듈 제어회로(12)는 열전소자(11)의 구동 외에도 이차전지 셀(C)의 셀 전압을 검출하거나, 온도 센서(미도시)를 통해 셀 모듈(10)의 온도를 검출할 수도 있다.
BMS 모듈(20)은 배터리 팩(1a)의 입출력 제어, 보호 동작, 충전기(5)와의 통신 등을 수행할 수 있다.
BMS 모듈(20)은 복수의 팩 단자들(P+, P-) 중 어느 하나와 복수의 셀 모듈(10) 사이에 연결되는 메인 스위치(22)와, 메인 스위치(22)의 구동을 제어하는 제어기(21)를 포함할 수 있다.
제어기(21)는 각 셀 모듈(10)의 셀 모듈 제어회로(12)로부터 셀 전압, 온도 등의 정보들을 수집하고, 이에 기초하여 각 이차전지 셀(C)의 충전 상태(SOC: state of charge)를 획득할 수있다. 또한, 제어기(21)는 충전기(5) 또는 부하와 배터리 팩(1a)의 연결 여부를 검출하거나, 충전기(5) 또는 부하와 배터리 팩(1a) 사이의 충방전 전류를 검출할 수도 있다.
제어기(21)는 충전기(5)와 CAN(control area network) 통신 등을 통해 각종 정보, 제어 신호 등을 송수신할 수 있다. 예를 들어, 제어기(21)는 각 셀 모듈(10) 또는 배터리 팩(1a)에 대해 획득된 상태정보들(각 셀 모듈(10)의 셀 전압, 온도, 및 SOC, 배터리 팩(1a)의 충방전 전류 등)을 충전기(5)로 전달할 수 있다.
제어기(21)는 메인 스위치(22)의 온(on)/오프(off)를 제어하여 충전기(5) 또는 부하(미도시)와 배터리 팩(1a) 사이에 전류 경로(이하, '대전류 경로'라 명명하여 사용함)를 연결하거나 차단할 수 있다. 본 문서에서, 스위치를 온 시키는 것은 스위치를 닫힘(close) 또는 도통 상태로 제어하는 것을 의미하며, 스위치를 오프 시키는 것은 스위치를 열림(open) 또는 비도통 상태로 제어하는 것을 의미한다.
제어기(21)는 배터리 팩(1a)에 충전기(5) 또는 부하(미도시)가 연결되면, 충전기(5)로부터 공급되는 충전 전류를 셀 모듈(10)들로 전달하거나, 셀 모듈(10)들로부터 공급되는 방전 전류를 부하로 전달하기 위해 메인 스위치(22)를 온 상태로 제어할 수 있다. 이에 따라, 충전기(5) 또는 부하(미도시)와 배터리 팩(1a) 사이에 전류 경로(이하, '대전류 경로'라 명명하여 사용함)가 형성되어, 충전기(5) 또는 부하(미도시)와 배터리 팩(1a) 사이에 충전 전류 또는 방전 전류가 흐를 수 있다. 또한, 제어기(21)는 배터리 팩(1a)에 대해 획득한 각종 상태 정보(충방전 전류, 각 셀 모듈(10)의 전압, 온도, SOC 등)에 기초하여 각 셀 모듈(10)의 과전압, 과전류, 내부단락 등 보호 동작이 필요한 상황을 검출하고, 이러한 상황에서 메인 스위치(22)를 오프 상태로 제어하여 팩 단자들(P+, P-)과 셀 모듈(10)들 사이의 전기적인　연결을 차단할 수 있다.
BMS 모듈(20)은 각 셀 모듈(10)에 배치된 열전소자(11)의 구동전력 공급을 제어하기 위해, 열전소자 전원공급회로(23)를 더 포함할 수 있다. 열전소자 전원공급회로(23)는 충전기(5)로부터 공급되는 전압(DC1)과 배터리 팩(1a) 내부로부터 공급되는 전압(DC2)(예를 들어, BMS 모듈(20) 내부로부터 공급되는 전압) 중 어느 하나를 각 셀 모듈(10)의 셀 모듈 제어회로(12)로 전달할 수 있다.
열전소자 전원공급회로(23)는 충전모드에서 열전소자(11)의 구동이 필요한 경우에는 충전기(5)로부터 공급되는 전압(DC1)을 셀 모듈 제어회로(12)로 전달할 수 있다.
열전소자 전원공급회로(23)는 방전모드에서 열전소자(11)의 구동이 필요한 경우에는 배터리 팩(1a)의 내부 전압(DC2)을 셀 모듈 제어회로(12)로 전달할 수 있다. 여기서, 배터리 팩(1a)의 내부 전압(DC2)은 복수의 셀 모듈(10)에 의해 공급되는 전압을 강하시킨 전압이거나, 배터리 팩(1a)을 구성하는 셀 모듈(10)들 중 일부에 의해 공급되는 전압이거나, 별도의 저전압 배터리 모듈(미도시)에 의해 공급되는 전압일 수 있다.
열전소자 전원공급회로(23)는 팩 단자(P+)에 전기적으로 연결되어 충전기(5)로부터 공급된 전압(DC1)이 입력되는 제1 입력단자, 배터리 팩(1a) 내부 전압(DC2)이 입력되는 제2 입력단자, 그리고 셀 모듈 제어회로(13)로 전압을 출력하는 출력단자를 포함하는 스위치(231), 예를 들어, SPDT(Single Pole Double Through) 스위치를 포함할 수 있다.
제어기(21)는 열전소자(11)의 구동이 필요한 경우, 열전소자 전원공급회로(23)를 활성화시켜 셀 모듈 제어회로(12)들로 열전소자(11) 구동용 전력이 공급되도록 제어할 수 있다. 즉, 제어기(21)는 충전기(5)로부터 공급되는 전압(DC1)과 배터리 팩(1a) 내부로부터 공급되는 전압(DC2) 중 어느 하나를 각 셀 모듈(10)의 셀 모듈 제어회로(12)로 전달하도록 열전소자 전원공급회로(23)를 제어할 수 있다. 또한, 제어기(21)는 열전소자(11)의 구동이 필요한 경우, 가열과 냉각 중 필요한 동작에 따라서 열전소자(11)에 공급되는 전류의 방향을 지시하는 제어신호를 셀 모듈 제어회로(12)로 전달할 수 있다.
제어기(21)는 열전소자(11)의 구동 중에는 충방전이 이루어지지 않도록, 메인 스위치(22)를 오프시킬 수 있다.
한편, 도 1에서는 열전소자 전원공급회로(23)가 BMS 모듈(20) 내에 포함되는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 이는 하나의 실시 예를 설명하기 위한 것으로서 열전소자 전원공급회로(23)는 BMS 모듈(20)과 별도로 존재할 수도 있다.
도 2a 및 2b는 제1 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법을 개략적으로 도시한 것이다. 도 2a 및 도 2b의 제어방법은 도 1의 배터리 팩(1a)에 의해 수행될 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 배터기 팩(1a)의 제어기(21)는 배터리 팩(1a)이 웨이크업됨에 따라(S100), 배터리 팩(1a)의 현재 동작모드가 충전모드인지 판단한다(S101). 그리고, 배터리 팩(1a)의 현재 동작모드가 충전모드인 경우, 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위 이내인지를 판단한다(S102).
상기 S102 단계에서, 제1 범위는 셀 모듈(10)들이 정상적으로 충전될 수 있는 온도 범위를 나타내는 것이며, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들에 대해 검출한 온도 정보들 중 대표 값(예를 들어, 평균값, 최소값, 최대값 등)을 제1 범위와 비교할 수 있다. 예를 들어, 제1 범위는 0°C 내지 45°C로 정의될 수 있다.
상기 S102 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위 이내이면, 메인 스위치(22)를 온 상태로 제어하여 대전류 경로를 연결하고(S109), 충전기(5)로 충전용 전력 공급을 요청한다(S110). 이를 수신한 충전기(5)는 충전용 전압을 배터리 팩(1a)으로 공급하고, 충전기(5)로부터 공급된 전력에 의해 셀 모듈(10)들의 정상 충전 동작이 수행된다(S111). 여기서, 메인 스위치(22)가 이미 온 상태이면, S109 단계는 생략될 수도 있다.
반면에, 상기 S102 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위를 벗어난 것으로 판단되면, 열전소자 구동모드에 진입한다(S103). 또한, 제어기(21)는 열전소자 구동모드로 동작하는 동안 충전이 이루어지는 것을 차단하기 위해 메인 스위치(22)를 오프 상태로 제어하여 대전류 경로를 차단한다(S104). 여기서, 메인 스위치(22)가 이미 오프 상태이면, S104 단계는 생략될 수도 있다.
또한, 제어기(21)는 열전소자 구동모드로 진입함에 따라, CAN 통신 등을 통해 충전기(5)로 열전소자(11) 구동용 전력 공급을 요청한다(S105). 이를 수신한 충전기(5)는 열전소자(11) 구동용 전압(DC1)을 배터리 팩(1a)으로 출력하고, 열전소자 전원공급회로(23)는 제어기(21)의 제어에 따라 충전기(5)로부터 인가된 전압(DC1)을 열전소자(11)들로 전달하여 열전소자(11)들을 구동시킨다(S106). 여기서, 충전기(5)로부터 열전소자(11) 구동을 위해 인가되는 전압(DC1)은, 충전기(5)로부터 셀 모듈(10)들의 충전을 위해 인가되는 전압에 비해 낮은 전압일 수 있다.
상기 S106 단계에서, 제어기(21)는 충전기(5)로부터 인가된 열전소자 구동용 전압이 열전소자 전원공급회로(23) 및 셀 모듈 제어회로(12)들을 통해 각 열전소자(11)로 전달되도록, 열전소자 전원공급회로(23) 내 스위치(231) 및 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어할 수 있다. 또한, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들의 온도에 따라 냉각과 과열 중 어느 것이 필요한지를 판단하고, 판단 결과에 따라서 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)에 공급되는 전류의 방향을 제어할 수 있다.
상기 S106 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)들이 교대로 동작하도록 제어할 수도 있다. 배터리 팩(1a) 내에 배치된 열전소자(11)의 개수가 많을 경우, 열전소자(11)들을 구동하기 위해 큰 전류를 필요로 한다. 따라서, 제어기(21)는 열전소자(11)들을 복수의 그룹(예를 들어, 홀수(odd) 및 짝수(even) 그룹)으로 구분하고, 각 그룹들이 교번 동작하도록 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어함으로써 열전소자(11)들의 구동을 위해 한 번에 소모되는 전류량을 저감시킬 수 있다.
이후, 제어기(21)는 열전소자(11)들의 구동으로 셀 모듈(10)들의 온도가 제2 범위 이내가 되면(S107), 열전소자 전원공급회로(23) 및 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)들의 구동을 중지시킨다(S108). 또한, 메인 스위치(22)를 온 시켜 대전류 경로를 연결하고(S109), CAN 통신 등을 통해 충전기(5)로 충전용 전력 공급을 요청한다(S110). 이를 수신한 충전기(5)는 충전용 전압을 배터리 팩(1a)으로 출력하고, 충전기(5)로부터 인가된 전력에 의해 셀 모듈(10)들의 정상 충전 동작이 수행된다(S111).
상기 S107 단계에서, 제2 범위는 제1 범위 이내로 설정되며, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들에 대해 검출한 온도 정보들 중 대표 값(예를 들어, 평균값, 최소값, 최대값 등)을 제2 범위와 비교할 수 있다. 예를 들어, 제2 범위는 5°C내지 40°C로 정의될 수 있다.
한편, 상기 S101 단계에서, 배터리 팩(1a)의 현재 동작모드가 충전모드가 아니면, 제어기(21)는 배터리 팩(1a)의 현재 동작모드가 방전모드인지 판단한다(S112). 그리고, 배터리 팩(1a)의 현재 동작모드가 방전모드인 경우, 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제3 범위 이내인지를 판단한다(S113).
상기 S113 단계에서, 제3 범위는 셀 모듈(10)들이 정상적으로 동작될 수 있는 온도 범위를 나타내는 것이며, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들에 대해 검출한 온도 정보들 중 대표 값(예를 들어, 평균값, 최소값, 최대값 등)을 제3 범위와 비교할 수 있다. 예를 들어, 제3 범위는 -20°C내지 60°C로 정의될 수 있다.
상기 S113 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제3 범위 이내이면, 메인 스위치(22)를 온 상태로 제어하여 대전류 경로를 연결하고(S119), 이에 따라 팩 단자(P+, P-)들을 통해 배터리 팩(1a)으로부터 외부 부하로 전력이 공급되어 셀 모듈(10)들의 정상 방전 동작이 수행된다(S120). 여기서, 메인 스위치(22)가 이미 온 상태이면, S119 단계는 생략될 수도 있다
반면에, 상기 S113 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제3 범위를 벗어난 것으로 판단되면, 열전소자(11)의 구동이 필요한 것으로 판단하여 열전소자 구동모드에 진입한다(S114). 또한, 제어기(21)는 열전소자 구동모드로 동작하는 동안 방전을 차단하기 위해, 메인 스위치(22)를 오프 상태로 제어하여 대전류 경로를 차단한다(S115). 여기서, 메인 스위치(22)가 이미 오프 상태이면, S115 단계는 생략될 수도 있다.
또한, 제어기(21)는 열전소자 구동모드로 진입함에 따라, 배터리 팩(1a)의 내부 전압(DC2)으로 열전소자(11)들을 구동한다(S116).
상기 S116 단계에서, 제어기(21)는 배터리 팩(1a) 내부에서 공급되는 전압이 열전소자 전원공급회로(23) 및 셀 모듈 제어회로(12)들을 통해 각 열전소자(11)로 전달되도록, 열전소자 전원공급회로(23) 내 스위치(231) 및 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어할 수 있다. 또한, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들의 온도에 따라 냉각과 과열 중 어느 것이 필요한지를 판단하고, 판단 결과에 따라서 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)에 공급되는 전류의 방향을 제어할 수 있다.
상기 S116 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)들이 교대로 동작하도록 제어할 수도 있다. 즉, 제어기(21)는 열전소자(11)들을 복수의 그룹(예를 들어, 홀수(odd) 및 짝수(even) 그룹)으로 그룹핑하고, 각 그룹들이 교번 동작하도록 셀 모듈(12)들을 제어함으로써 열전소자(11)들의 구동을 위해 한 번에 소모되는 전류량을 저감시킬 수 있다.
제어기(21)는 열전소자(11)들의 구동으로 셀 모듈(10)들의 온도가 제4 범위 이내가 되면(S117), 열전소자 전원공급회로(23) 및 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)들의 구동을 중지시키고(S118), 메인 스위치(22)를 온 시켜 대전류 경로를 연결한다(S119). 이에 따라 팩 단자(P+, P-)들을 통해 배터리 팩(1a)으로부터 외부 부하로 전력이 공급되어 셀 모듈(10)들의 정상 방전 동작이 수행된다(S120).
상기 S117 단계에서, 제4 범위는 제3 범위 이내로 설정되며, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들에 대해 검출한 온도 정보들 중 대표 값(예를 들어, 평균값, 최소값, 최대값 등)을 제4 범위와 비교할 수 있다. 예를 들어, 제4 범위는 -15°C내지 55°C로 정의될 수 있다.
한편, 상기 S112 단계에서, 배터리 팩(1a)의 현재 동작모드가 방전모드도 아닌 경우, 배터리 팩(1a)은 대기모드로 동작한다(S121).
전술한 제1 실시 예에서는 충전모드에서 배터리 팩(1a) 내 제어기(21)가 셀 모듈(10)의 온도에 기초하여 열전소자(11)의 구동 여부를 판단하고, 충전기(5)는 배터리 팩(1a)의 요청에 의해 열전소자(11) 구동용 전력을 공급하였으나, 배터리 팩(1a)이 아닌 충전기(5)가 배터리 팩(1a) 내 열전소자의 구동 여부를 판단할 수도 있다.
도 3은 제2 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법을 개략적으로 도시한 것이고, 도 4는 제2 실시 예에 따른 충전기의 배터리 팩 충전방법을 개략적으로 도시한 것으로서, 도 1의 충전기에서 열전소자의 구동 여부를 결정하는 경우를 도시한 것이다. 도 3의 제어방법 및 도 4의 배터리 팩 충전방법은 각각 도 1의 배터리 팩(1a) 및 충전기(5)에 의해 수행될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 배터기 팩(1a)의 제어기(21)는 배터리 팩(1a)이 웨이크업됨에 따라(S200), 배터리 팩(1a)의 현재 동작모드가 충전모드인지 판단한다(S201). 그리고, 배터리 팩(1a)의 현재 동작모드가 충전모드인 경우, CAN 통신 등을 통해 충전기(5)로 셀 모듈(10)들의 상태정보(셀 전압, 온도 등)를 전송한다(S202).
충전기(5)는 배터리 팩(1a)으로부터 셀 모듈(10)들의 상태정보를 수신함에 따라(S220), 이를 토대로 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위 이내인지를 판단한다(S221). 그리고, 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위를 벗어난 것으로 판단되면, 열전소자 구동모드에 진입하여(S222) 배터리 팩(1a)으로 열전소자(11) 구동용 전압(DC1)을 공급한다(S223). 반면에, 상기 S221 단계에서, 충전기(5)는 셀 모듈(10)들의 온도가 제1 범위 이내로 판단되면, 열전소자(11)의 구동 없이 바로 배터리 팩(1a)으로 충전용 전압을 공급한다(S227).
상기 S221 단계에서, 제1 범위는 셀 모듈(10)들이 정상적으로 충전될 수 있는 온도 범위를 나타내는 것이며, 충전기(5)는 셀 모듈(10)들에 대해 검출한 온도 정보들 중 대표 값(예를 들어, 평균값, 최소값, 최대값 등)을 제1 범위와 비교할 수 있다. 예를 들어, 제1 범위는 0°C내지 45°C로 정의될 수 있다.
상기 S223 단계 및 S227 단계에서, 충전기(5)가 열전소자(11) 구동을 위해 공급하는 전압(DC1)은, 충전기(5)가 셀 모듈(10)들의 충전을 위해 공급하는 전압에 비해 낮은 전압일 수 있다.
배터리 팩(1a)의 제어기(21)는 충전기(5)가 열전소자 구동모드로 동작하는 경우(S203), 충전을 차단하기 위해 메인 스위치(22)를 오프 상태로 제어하여 대전류 경로를 차단한다(S204). 또한, 열전소자 전원공급회로(23)는 제어기(21)의 제어에 따라 충전기(5)로부터 공급된 열전소자 구동용 전압(DC1)을 열전소자(11)들로 전달하여 열전소자(11)들을 구동시킨다(S205). 여기서, 메인 스위치(22)가 이미 오프 상태이면, S204 단계는 생략될 수도 있다.
상기 S203 단계에서, 배터리 팩(1a)의 제어기(21)는 CAN 통신 등을 통해 충전기(5)로부터 수신되는 정보에 기초하여, 충전기(5)가 열전소자 구동모드로 동작함을 인지할 수 있다.
상기 S205 단계에서, 제어기(21)는 충전기(5)로부터 공급된 열전소자 구동용 전압이 열전소자 전원공급회로(23) 및 셀 모듈 제어회로(12)들을 통해 각 열전소자(11)로 전달되도록, 열전소자 전원공급회로(23) 내 스위치(231) 및 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어할 수 있다. 또한, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들의 온도에 따라 냉각과 과열 중 어느 것이 필요한지를 판단하고, 판단 결과에 따라서 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)에 공급되는 전류의 방향을 제어할 수 있다.
상기 S205 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)들이 교대로 동작하도록 제어할 수도 있다. 배터리 팩(1a) 내에 배치된 열전소자(11)의 개수가 많을 경우, 열전소자(11)들을 구동하기 위해 큰 전류를 필요로 한다. 따라서, 제어기(21)는 열전소자(11)들을 복수의 그룹(예를 들어, 홀수(odd) 및 짝수(even) 그룹)으로 그룹핑하고, 각 그룹들이 교번 동작하도록 셀 모듈(12)들을 제어함으로써 열전소자(11)들의 구동을 위해 한 번에 소모되는 전류량을 저감시킬 수 있다.
한편, 배터리 팩(1a)의 제어기(21)는 열전소자를 구동하는 동안 셀 모듈(10)들의 상태정보를 지속적으로 수집하고, 이를 충전기(5)로 전송한다(S206).
충전기(5)는 열전소자 구동모드로 동작 중 배터리 팩(1a)으로부터 셀 모듈(10)들의 상태정보를 수신하며(S224), 이를 토대로 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제2 범위 이내인지를 판단한다(S225). 그리고, 셀 모듈(10)들의 온도가 제2 범위 이내가 되면, 열전소자 구동모드를 해제하고(S226), 배터리 팩(1a)으로 충전용 전압을 공급한다(S227).
상기 S225 단계에서, 제2 범위는 제1 범위 이내로 설정되며, 충전기(5)는 셀 모듈(10)들에 대해 검출한 온도 정보들 중 대표 값(예를 들어, 평균값, 최소값, 최대값 등)을 제2 범위와 비교할 수 있다. 예를 들어, 제2 범위는 5°C내지 40°C로 정의될 수 있다.
배터리 팩(1a)의 제어기(21)는 충전기(5)가 열전소자 구동모드를 해제하면(S207), 열전소자 전원공급회로(23) 및 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)들의 구동을 중지시킨다(S208). 또한, 메인 스위치(22)를 온 시켜 대전류 경로를 연결한다(S209). 이에 따라 충전기(5)로부터 공급된 충전용 전압에 의해 셀 모듈(10)들의 정상 충전 동작이 수행된다(S210).
상기 S207 단계에서, 배터리 팩(1a)의 제어기(21)는 CAN 통신 등을 통해 충전기(5)로부터 수신되는 정보에 기초하여, 충전기(5)가 열전소자 구동모드를 해제함을 인지할 수 있다.
한편, 제2 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법에서, 배터리 팩(1a)이 방전모드로 동작 시에는 전술한 도 2b를 참조하여 설명한 제어방법과 동일한 방법으로 열전소자(11)의 구동 또는 방전이 이루어진다. 따라서, 중복되는 설명을 피하기 위해 제2 실시 예에 따른 배터리 팩(1a)의 제어방법에서 배터리 팩(1a)이 방전모드로 동작 시의 제어방법에 대해서는 설명을 생략한다.
전술한 제1 및 제2 실시 예에서는 충전기(5)로부터 공급되는 전압이 별도의 변환 없이 열전소자(11) 구동 전압으로 전달되는 경우를 설명하였으나, 충전기(5)로부터 공급된 전압은 전압 변환을 통해 강하된 후 열전소자(11)의 구동 전압으로 전달될 수도 있다.
도 5는 제3 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것으로서, 충전기와 연결된 상태의 배터리 팩을 도시한 것이다. 아래에서는, 중복되는 설명을 피하기 위해, 제3 실시 예에 따른 배터리 팩(1b)의 구성요소들 중 도 1의 배터리 팩(1a)의 구성요소들과 동일 또는 유사한 구성요소들에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 5를 참조하면, 제3 실시 예에 따른 배터리 팩(1b)에서 BMS 모듈(20)의 열전소자 전원공급회로(23)는 전압 변환기(232)를 더 포함할 수 있다.
전압 변환기(232)는 팩 단자들(P+, P-)과 전기적으로 연결되며, 팩 단자들(P+, P-)을 통해 충전기(5)의 전압(DC1)이 입력되면, 이를 강하하여 열전소자 구동용 전압(DC1')을 출력할 수 있다.
스위치(231)는 충전기(5)의 전압(DC1)의 전압(DC1)이 전압 변환기(232)에 의해 강하된 후 입력되는 제1 입력단자와, 배터리 팩(1b)의 내부 전압(DC2)이 입력되는 제2 입력단자, 그리고 셀 모듈 제어회로(13)로 전압을 출력하는 출력단자를 포함하며, 제어기(21)의 제어에 따라 전압 변환기(232)의 출력 전압(DC1')과 배터리 팩(1b)의 내부 전압(DC2) 중 하나를 선택하여 출력할 수 있다.
이에 따라, 열전소자 전원공급회로(23)는 충전모드에서는 충전기(5)의 전압(DC1)을 강하한 뒤 셀 모듈 제어회로(12)로 전달하고, 방전모드에서는 배터리 팩(1b) 내부 전압(DC2)을 셀 모듈 제어회로(12)로 전달할 수 있다.
배터리 팩(1b)의 내부 전압(DC2)은 복수의 셀 모듈(10)에 의해 공급되는 전압을 강하시킨 전압이거나, 배터리 팩(1b)을 구성하는 셀 모듈(10)들 중 일부에 의해 공급되는 전압이거나, 별도의 저전압 배터리 모듈(미도시)에 의해 공급되는 전압일 수 있다.
도 6은 제3 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법을 개략적으로 도시한 것이다. 도 6의 제어방법은 도 5에 도시된 배터리 팩(1b)에 의해 수행될 수 있다. 아래에서는, 중복되는 설명을 피하기 위해, 제3 실시 예에 따른 제어방법의 각 단계들 중 도 2a의 제어방법의 각 단계들과 동일 또는 유사한 단계들에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 6을 참조하면, 배터기 팩(1b)의 제어기(21)는 배터리 팩(1b)이 웨이크업됨에 따라(S300), 배터리 팩(1b)의 현재 동작모드가 충전모드인지 판단한다(S301). 그리고, 배터리 팩(1b)의 현재 동작모드가 충전모드인 경우, 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위 이내인지를 판단한다(S302).
상기 S302 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위 이내이면, 메인 스위치(22)를 온 상태로 제어하여 대전류 경로를 연결하고(S309), 충전기(5)로 충전용 전력 공급을 요청한다(S310). 이를 수신한 충전기(5)는 충전용 전압을 배터리 팩(1b)으로 공급하고, 충전기(5)로부터 공급된 전력에 의해 셀 모듈(10)들의 정상 충전 동작이 수행된다(S311). 여기서, 메인 스위치(22)가 이미 온 상태이면, S309 단계는 생략될 수도 있다.
반면에, 상기 S302 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위를 벗어난 것으로 판단되면, 열전소자 구동모드에 진입한다(S303). 또한, 제어기(21)는 열전소자 구동모드로 동작하는 동안 충전이 이루어지는 것을 차단하기 위해 메인 스위치(22)를 오프 상태로 제어하여 대전류 경로를 차단한다(S304). 여기서, 메인 스위치(22)가 이미 오프 상태이면, S304 단계는 생략될 수도 있다.
또한, 제어기(21)는 열전소자 구동모드로 진입함에 따라, CAN 통신 등을 통해 충전기(5)로 열전소자(11) 구동용 전력 공급을 요청한다(S305). 이를 수신한 충전기(5)는 열전소자(11) 구동용 전압(DC1)을 배터리 팩(1b)으로 출력하고, 열전소자 전원공급회로(23)는 전압 변환기(232)를 통해 충전기(5)로부터 인가된 전압(DC1)을 강하한 뒤 열전소자(11)들로 전달하여 열전소자(11)들을 구동시킨다(S306). 여기서, 충전기(5)로부터 열전소자(11) 구동을 위해 인가되는 전압(DC1)은, 충전기(5)로부터 셀 모듈(10)들의 충전을 위해 인가되는 전압과 동일하거나 낮은 전압일 수 있다.
상기 S306 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)들이 교대로 동작하도록 제어할 수도 있다. 배터리 팩(1b) 내에 배치된 열전소자(11)의 개수가 많을 경우, 열전소자(11)들을 구동하기 위해 큰 전류를 필요로 한다. 따라서, 제어기(21)는 열전소자(11)들을 복수의 그룹(예를 들어, 홀수(odd) 및 짝수(even) 그룹)으로 구분하고, 각 그룹들이 교번 동작하도록 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어함으로써 열전소자(11)들의 구동을 위해 한 번에 소모되는 전류량을 저감시킬 수 있다.
이후, 제어기(21)는 열전소자(11)들의 구동으로 셀 모듈(10)들의 온도가 제2 범위 이내가 되면(S307), 열전소자 전원공급회로(23) 및 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)들의 구동을 중지시킨다(S308). 또한, 메인 스위치(22)를 온 시켜 대전류 경로를 연결하고(S309), CAN 통신 등을 통해 충전기(5)로 충전용 전력 공급을 요청한다(S310). 이를 수신한 충전기(5)는 충전용 전압을 배터리 팩(1b)으로 출력하고, 충전기(5)로부터 인가된 전력에 의해 셀 모듈(10)들의 정상 충전 동작이 수행된다(S311).
한편, 제3 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법에서, 배터리 팩(1b)이 방전모드로 동작 시에는 전술한 도 2b를 참조하여 설명한 제어방법과 동일한 방법으로 열전소자(11)의 구동 또는 셀 모듈(10)들의 방전이 이루어진다. 따라서, 중복되는 설명을 피하기 위해 제3 실시 예에 따른 배터리 팩(1b)의 제어방법에서 배터리 팩(1b)이 방전모드로 동작 시의 제어방법에 대해서는 설명을 생략한다.
전술한 제3 실시 예에서는 충전모드에서 배터리 팩(1b) 내 제어기(21)가 셀 모듈(10)의 온도에 기초하여 열전소자(11)의 구동 여부를 판단하고, 충전기(5)는 배터리 팩(1c)의 요청에 의해 열전소자(11) 구동용 전력을 공급하였으나, 배터리 팩(1b)이 아닌 충전기(5)가 배터리 팩(1b) 내 열전소자의 구동 여부를 판단할 수도 있다.
도 7은 제4 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법을 개략적으로 도시한 것으로서, 도 5의 충전기에서 열전소자의 구동 여부를 결정하는 경우를 도시한 것이다. 도 7의 제어방법은 도 5의 배터리 팩(1b)에 의해 수행될 수 있다.
한편, 제4 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법에서, 배터리 팩(1b)이 방전모드로 동작 시에는 전술한 도 2b를 참조하여 설명한 제어방법과 동일한 방법으로 열전소자(11)의 구동 또는 방전이 이루어진다. 따라서, 중복되는 설명을 피하기 위해 제4 실시 예에 따른 배터리 팩(1b)의 제어방법에서 배터리 팩(1b)이 방전모드로 동작 시의 제어방법에 대해서는 설명을 생략한다.
또한, 제4 실시 예에 따르면, 충전기(5)의 배터리 팩 충전방법은 전술한 도 4를 참조하여 설명한 배터리 팩 충전방법과 동일한 방법으로 이루어진다. 따라서, 중복되는 설명을 피하기 위해 제4 실시 예에 따른 배터리 팩(1b)의 제어방법을 설명하는 과정에서, 충전기(5)의 동작에 대해서는 도 4를 참조하여 설명한다.
도 7을 참조하면, 배터기 팩(1b)의 제어기(21)는 배터리 팩(1b)이 웨이크업됨에 따라(S400), 배터리 팩(1b)의 현재 동작모드가 충전모드인지 판단한다(S401). 그리고, 배터리 팩(1b)의 현재 동작모드가 충전모드인 경우, CAN 통신 등을 통해 충전기(5)로 셀 모듈(10)들의 상태정보(셀 전압, 온도 등)를 전송한다(S402).
충전기(5)는 배터리 팩(1b)으로부터 셀 모듈(10)들의 상태정보를 수신함에 따라(도 4의 S220 참조), 이를 토대로 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위 이내인지를 판단한다(도 4의 S221 참조). 그리고, 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위를 벗어난 것으로 판단되면, 열전소자 구동모드에 진입하여(도 4의 S222 참조) 배터리 팩(1b)으로 열전소자(11) 구동용 전압(DC1)을 공급한다(도 4의 S223 참조). 반면에, 충전기(5)는 셀 모듈(10)들의 온도가 제1 범위 이내로 판단되면, 열전소자(11)의 구동 없이 바로 배터리 팩(1b)으로 충전용 전압을 공급한다(도 4의 S227 참조). 충전기(5)가 열전소자(11) 구동을 위해 공급하는 전압(DC1)은, 충전기(5)가 셀 모듈(10)들의 충전을 위해 공급하는 전압과 동일하거나 낮은 전압일 수 있다.
배터리 팩(1b)의 제어기(21)는 충전기(5)가 열전소자 구동모드로 동작하는 경우(S403), 충전을 차단하기 위해 메인 스위치(22)를 오프 상태로 제어하여 대전류 경로를 차단한다(S404). 또한, 열전소자 전원공급회로(23)는 제어기(21)의 제어에 따라 충전기(5)로부터 공급된 열전소자 구동용 전압(DC1)을 강하한 뒤 열전소자(11)들로 전달하여 열전소자(11)들을 구동시킨다(S405). 여기서, 메인 스위치(22)가 이미 오프 상태이면, S404 단계는 생략될 수도 있다.
상기 S405 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)들이 교대로 동작하도록 제어할 수도 있다. 배터리 팩(1b) 내에 배치된 열전소자(11)의 개수가 많을 경우, 열전소자(11)들을 구동하기 위해 큰 전류를 필요로 한다. 따라서, 제어기(21)는 열전소자(11)들을 복수의 그룹(예를 들어, 홀수(odd) 및 짝수(even) 그룹)으로 그룹핑하고, 각 그룹들이 교번 동작하도록 셀 모듈(12)들을 제어함으로써 열전소자(11)들의 구동을 위해 한 번에 소모되는 전류량을 저감시킬 수 있다.
한편, 배터리 팩(1b)의 제어기(21)는 열전소자를 구동하는 동안 셀 모듈(10)들의 상태정보를 지속적으로 수집하고, 이를 충전기(5)로 전송한다(S406).
충전기(5)는 열전소자 구동모드로 동작 중 배터리 팩(1b)으로부터 셀 모듈(10)들의 상태정보를 수신하며(도 4의 S224 참조), 이를 토대로 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제2 범위 이내인지를 판단한다(도 4의 S225 참조). 그리고, 셀 모듈(10)들의 온도가 제2 범위 이내가 되면, 열전소자 구동모드를 해제하고(도 4의 S226 참조), 배터리 팩(1a)으로 충전용 전압을 공급한다(도 4의 S227 참조).
배터리 팩(1b)의 제어기(21)는 충전기(5)가 열전소자 구동모드를 해제하면(S407), 열전소자 전원공급회로(23) 및 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)들의 구동을 중지시킨다(S408). 또한, 메인 스위치(22)를 온 시켜 대전류 경로를 연결한다(S409). 이에 따라 충전기(5)로부터 공급된 충전용 전압에 의해 셀 모듈(10)들의 정상 충전 동작이 수행된다(S410).
전술한 제1 내지 제4 실시 예에서는 배터리 팩(1a, 1b)이 팩 단자들(P+, P-)을 통해 충전기(5)로부터 열전소자 구동용 전력을 공급받는 경우를 설명하였으나, 배터리 팩은 별도의 DC 입력단자들을 통해 충전기(5)로부터 열전소자 구동용 전력을 공급받을 수도 있다.
도 8은 제5 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것으로서, 충전기와 연결된 상태의 배터리 팩을 도시한 것이다. 아래에서는, 중복되는 설명을 피하기 위해, 제5 실시 예에 따른 배터리 팩(1c)의 구성요소들 중 도 1의 배터리 팩(1a)의 구성요소들과 동일 또는 유사한 구성요소들에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 8를 참조하면, 제5 실시 예에 따른 배터리 팩(1c)은 팩 단자들(P+, P-) 외에 별도의 DC 입력단자들(DC+, DC-)을 더 포함하며, DC 입력단자들(DC+, DC-)을 통해 충전기(5)로부터 열전소자(11) 구동용 전압을 입력 받을 수 있다.
열전소자 전원공급회로(23)는 팩 단자(P+)가 아닌 DC 입력단자(DC+)에 전기적으로 연결되어 충전기(5)로부터 공급된 전압(DC3)이 입력되는 제1 입력단자, 배터리 팩(1a) 내부 전압(DC2)이 입력되는 제2 입력단자, 그리고 셀 모듈 제어회로(13)로 전압을 출력하는 출력단자를 포함하는 스위치(231), 예를 들어, SPDT 스위치를 포함할 수 있다.
스위치(231)는 충전모드에서 열전소자(11)의 구동이 필요한 경우에는 DC 입력단자(DC+)를 통해 충전기(5)로부터 공급되는 전압(DC3)을 셀 모듈 제어회로(12)로 전달할 수 있다. 또한, 스위치(231)는 방전모드에서 열전소자(11)의 구동이 필요한 경우에는 배터리 팩(1c)의 내부 전압(DC2)을 셀 모듈 제어회로(12)로 전달할 수 있다. 여기서, DC 입력단자들(DC+, DC-)을 통해 충전기(5)로부터 입력되는 전압은, 팩 단자들(P+, P-)을 통해 충전기(5)로부터 인가되는 전압보다 낮은 전압일 수 있다.
도 9는 제5 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법을 개략적으로 도시한 것이다. 도 9의 제어방법은 도 8에 도시된 배터리 팩(1c)에 의해 수행될 수 있다. 아래에서는, 중복되는 설명을 피하기 위해, 제5 실시 예에 따른 제어방법의 각 단계들 중 도 2a의 제어방법의 각 단계들과 동일 또는 유사한 단계들에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 9를 참조하면, 배터기 팩(1c)의 제어기(21)는 배터리 팩(1c)이 웨이크업됨에 따라(S500), 배터리 팩(1c)의 현재 동작모드가 충전모드인지 판단한다(S501). 그리고, 배터리 팩(1b)의 현재 동작모드가 충전모드인 경우, 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위 이내인지를 판단한다(S502).
상기 S502 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위 이내이면, 메인 스위치(22)를 온 상태로 제어하여 대전류 경로를 연결하고(S509), 충전기(5)로 충전용 전력 공급을 요청한다(S510). 이를 수신한 충전기(5)는 충전용 전압을 배터리 팩(1b)으로 공급하고, 팩 단자들(P+, P-)들을 통해 충전기(5)로부터 공급된 전압에 의해 셀 모듈(10)들의 충전이 수행된다(S511). 여기서, 메인 스위치(22)가 이미 온 상태이면, S509 단계는 생략될 수도 있다.
반면에, 상기 S502 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위를 벗어난 것으로 판단되면, 열전소자 구동모드에 진입한다(S503). 또한, 제어기(21)는 열전소자 구동모드로 동작하는 동안 충전이 이루어지는 것을 차단하기 위해 메인 스위치(22)를 오프 상태로 제어하여 대전류 경로를 차단한다(S504). 여기서, 메인 스위치(22)가 이미 오프 상태이면, S504 단계는 생략될 수도 있다.
또한, 제어기(21)는 열전소자 구동모드로 진입함에 따라, CAN 통신 등을 통해 충전기(5)로 열전소자(11) 구동용 전력 공급을 요청한다(S505). 이를 수신한 충전기(5)는 충전용 출력단자들(미도시)과는 별도의 DC 출력단자들(미도시)을 통해 열전소자(11) 구동용 전압(DC3)을 배터리 팩(1c)으로 출력한다. 충전기(5)의 별도 DC 출력단자들을 통해 출력된 열전소자(11) 구동용 전압(DC3)은 배터리 팩(1c)의 DC 입력단자들(DC+, DC-)을 통해 열전소자 전원공급회로(23)로 전달되고, 열전소자 전원공급회로(23)는 이 전압(DC3)을 열전소자(11)들로 전달하여 열전소자(11)들을 구동시킨다(S506). 여기서, 별도의 DC 입력단자들(DC+, DC-)을 통해 충전기(5)로부터 입력되는 전압(DC3)은, 충전기(5)로부터 셀 모듈(10)들의 충전을 위해 팩 단자들(P+, P-)을 통해 입력되는 전압보다 낮은 전압일 수 있다.
상기 S506 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)들이 교대로 동작하도록 제어할 수도 있다. 배터리 팩(1b) 내에 배치된 열전소자(11)의 개수가 많을 경우, 열전소자(11)들을 구동하기 위해 큰 전류를 필요로 한다. 따라서, 제어기(21)는 열전소자(11)들을 복수의 그룹(예를 들어, 홀수(odd) 및 짝수(even) 그룹)으로 구분하고, 각 그룹들이 교번 동작하도록 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어함으로써 열전소자(11)들의 구동을 위해 한 번에 소모되는 전류량을 저감시킬 수 있다.
이후, 제어기(21)는 열전소자(11)들의 구동으로 셀 모듈(10)들의 온도가 제2 범위 이내가 되면(S507), 열전소자 전원공급회로(23) 및 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)들의 구동을 중지시킨다(S508). 또한, 메인 스위치(22)를 온 시켜 대전류 경로를 연결하고(S509), CAN 통신 등을 통해 충전기(5)로 충전용 전력 공급을 요청한다(S510). 이를 수신한 충전기(5)는 충전용 출력단자들을 통해 충전용 전압을 배터리 팩(1b)으로 출력하고, 팩 단자들(P+, P-)을 통해 충전기(5)로부터 공급된 전압에 의해 셀 모듈(10)들이 충전된다(S511).
한편, 제5 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법에서, 배터리 팩(1b)이 방전모드로 동작 시에는 전술한 도 2b를 참조하여 설명한 제어방법과 동일한 방법으로 열전소자(11)의 구동 또는 셀 모듈(10)들의 방전이 이루어진다. 따라서, 중복되는 설명을 피하기 위해 제5 실시 예에 따른 배터리 팩(1c)의 제어방법에서 배터리 팩(1c)이 방전모드로 동작 시의 제어방법에 대해서는 설명을 생략한다.
전술한 제5 실시 예에서는 충전모드에서 배터리 팩(1c) 내 제어기(21)가 셀 모듈(10)의 온도에 기초하여 열전소자(11)의 구동 여부를 판단하고, 충전기(5)는 배터리 팩(1c)의 요청에 의해 열전소자(11) 구동용 전력을 공급하였으나, 배터리 팩(1c)이 아닌 충전기(5)가 배터리 팩(1c) 내 열전소자의 구동 여부를 판단할 수도 있다.
도 10은 제6 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법을 개략적으로 도시한 것이고, 도 11은 제6 실시 예에 따른 충전기의 배터리 팩 충전방법을 개략적으로 도시한 것으로서, 도 8의 충전기에서 열전소자의 구동 여부를 판단하는 경우를 도시한 것이다. 도 10의 제어방법 및 도 11의 배터리 팩 충전방법은 각각 도 8의 배터리 팩(1c) 및 충전기(5)에 의해 수행될 수 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 배터기 팩(1c)의 제어기(21)는 배터리 팩(1c)이 웨이크업됨에 따라(S600), 배터리 팩(1c)의 현재 동작모드가 충전모드인지 판단한다(S601). 그리고, 배터리 팩(1c)의 현재 동작모드가 충전모드인 경우, CAN 통신 등을 통해 충전기(5)로 셀 모듈(10)들의 상태정보(셀 전압, 온도 등)를 전송한다(S602).
충전기(5)는 배터리 팩(1c)으로부터 셀 모듈(10)들의 상태정보를 수신함에 따라(S620), 이를 토대로 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위 이내인지를 판단한다(S621). 그리고, 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위를 벗어난 것으로 판단되면, 열전소자 구동모드에 진입하여(S622) 별도의 DC 출력단자들을 통해 배터리 팩(1c)으로 열전소자(11) 구동용 전압(DC3)을 공급한다(S623). 반면에, 상기 S621 단계에서, 충전기(5)는 셀 모듈(10)들의 온도가 제1 범위 이내로 판단되면, 열전소자(11)의 구동 없이 충전용 출력단자들을 통해 배터리 팩(1c)으로 충전용 전압을 공급한다(S627).
상기 S623 단계 및 S627 단계에서, 충전기(5)가 열전소자(11) 구동을 위해 DC 출력단자들로 출력하는 전압(DC3)은, 충전기(5)가 셀 모듈(10)들의 충전을 위해 충전용 출력단자들을 통해 출력하는 전압에 비해 낮은 전압일 수 있다.
배터리 팩(1c)의 제어기(21)는 충전기(5)가 열전소자 구동모드로 동작하는 경우(S603), 충전을 차단하기 위해 메인 스위치(22)를 오프 상태로 제어하여 대전류 경로를 차단한다(S604). 또한, 열전소자 전원공급회로(23)는 제어기(21)의 제어에 따라 DC 입력단자들(DC+, DC-)을 통해 충전기(5)로부터 입력된 열전소자 구동용 전압(DC3)을 열전소자(11)들로 전달하여 열전소자(11)들을 구동시킨다(S605). 여기서, 메인 스위치(22)가 이미 오프 상태이면, S604 단계는 생략될 수도 있다.
상기 S603 단계에서, 배터리 팩(1c)의 제어기(21)는 CAN 통신 등을 통해 충전기(5)로부터 수신되는 정보에 기초하여, 충전기(5)가 열전소자 구동모드로 동작함을 인지할 수 있다.
상기 S605 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)들이 교대로 동작하도록 제어할 수도 있다. 배터리 팩(1c) 내에 배치된 열전소자(11)의 개수가 많을 경우, 열전소자(11)들을 구동하기 위해 큰 전류를 필요로 한다. 따라서, 제어기(21)는 열전소자(11)들을 복수의 그룹(예를 들어, 홀수(odd) 및 짝수(even) 그룹)으로 그룹핑하고, 각 그룹들이 교번 동작하도록 셀 모듈(12)들을 제어함으로써 열전소자(11)들의 구동을 위해 한 번에 소모되는 전류량을 저감시킬 수 있다.
한편, 배터리 팩(1c)의 제어기(21)는 열전소자를 구동하는 동안 셀 모듈(10)들의 상태정보를 지속적으로 수집하고, 이를 충전기(5)로 전송한다(S606).
충전기(5)는 열전소자 구동모드로 동작 중 배터리 팩(1c)으로부터 셀 모듈(10)들의 상태정보를 수신하며(S624), 이를 토대로 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제2 범위 이내인지를 판단한다(S625). 그리고, 셀 모듈(10)들의 온도가 제2 범위 이내가 되면, DC 출력단자들을 통한 열전소자(11) 구동용 전압 출력을 중단하여 열전소자 구동모드를 해제하고(S626), 충전용 출력단자들을 통해 배터리 팩(1c)으로 충전용 전압을 출력한다(S627).
배터리 팩(1c)의 제어기(21)는 충전기(5)가 열전소자 구동모드를 해제하면(S607), 열전소자 전원공급회로(23) 및 셀 모듈 제어회로(12)들을 제어하여 열전소자(11)들의 구동을 중지시킨다(S608). 또한, 메인 스위치(22)를 온 시켜 대전류 경로를 연결한다(S609). 이에 따라 팩 단자들(P+, P-)을 통해 충전기(5)로부터 공급된 충전용 전압에 의해 셀 모듈(10)들의 충전이 수행된다(S610).
상기 S607 단계에서, 배터리 팩(1c)의 제어기(21)는 CAN 통신 등을 통해 충전기(5)로부터 수신되는 정보에 기초하여, 충전기(5)가 열전소자 구동모드를 해제함을 인지할 수 있다.
한편, 제6 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법에서, 배터리 팩(1c)이 방전모드로 동작 시에는 전술한 도 2b를 참조하여 설명한 제어방법과 동일한 방법으로 열전소자(11)의 구동 또는 방전이 이루어진다. 따라서, 중복되는 설명을 피하기 위해 제6 실시 예에 따른 배터리 팩(1c)의 제어방법에서 배터리 팩(1c)이 방전모드로 동작 시의 제어방법에 대해서는 설명을 생략한다.
전술한 제1 내지 제6 실시 예에서는 열전소자(11)가 충전기(5) 또는 배터리 팩(1a, 1b, 1c) 내부 전압에 의해 구동되는 경우를 설명하였으나, 열전소자(11)는 자신이 설치된 셀 모듈(10)로부터 자체적으로 공급되는 전압에 의해 구동될 수도 있다.
도 12는 제7 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것으로서, 충전기와 연결된 상태의 배터리 팩을 도시한 것이다. 아래에서는, 중복되는 설명을 피하기 위해, 제7 실시 예에 따른 배터리 팩(1d)의 구성요소들 중 도 1의 배터리 팩(1a)의 구성요소들과 동일 또는 유사한 구성요소들에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 12를 참조하면, 제7 실시 예에 따른 배터리 팩(1d)에서, 각 셀 모듈(10)의 셀 모듈 제어회로(12)는 전압 변환기(121), 및 열전소자 구동기(122)를 포함할 수 있다.
전압 변환기(122)는 자신이 배치된 셀 모듈(10) 내 이차전지 셀(C)의 양 전극에 각각 연결되는 입력단자들과, 열전소자 구동기(122)에 연결되는 출력단자들을 포함하며, 이차전지 셀(C)의 양단 전압을 승압하여 열전소자 구도기(122)로 출력할 수 있다.
열전소자 구동기(122)는 제어기(21)의 제어신호에 기초하여 열전소자(11)의 구동을 제어할 수 있다. 즉, 열전소자 구동기(122)는 제어기(21)로부터 수신되는 제어신호에 기초하여 전압 변환기(121)로부터 출력되는 전압을 열전소자(11)로 전달하거나 차단하여 열전소자(11)를 활성화 또는 비활성화시킬 수 있다. 또한, 열전소자 구동기(122)는 제어기(21)로부터 수신되는 제어신호에 기초하여 열전소자(11)로 인가되는 전류의 방향을 조절하여, 열전소자(11)의　발열 또는 흡열을 제어할 수 있다.
제어기(21)는 충전모드에서 열전소자(11)의 구동이 필요한 경우, 전압 변환기(121) 및 열전소자 구동기(122)를 제어하여 열전소자(11)로 구동용 전압이 공급되도록 할 수 있다. 또한, 제어기(21)는 열전소자(11)의 구동이 필요한 경우, 가열과 냉각 중 필요한 동작에 따라서 열전소자(11)에 공급되는 전류의 방향을 지시하는 제어신호를 열전소자 구동기(122)로 전달할 수 있다.
도 13은 제7 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어방법을 개략적으로 도시한 것이다. 도 13의 제어방법은 도 1의 배터리 팩(1d)에 의해 수행될 수 있다.
도 13을 참조하면, 배터기 팩(1d)의 제어기(21)는 배터리 팩(1d)이 웨이크업됨에 따라(S700), 배터리 팩(1d)의 현재 동작모드가 충전모드인지 판단한다(S701). 그리고, 배터리 팩(1d)의 현재 동작모드가 충전모드인 경우, 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위 이내인지를 판단한다(S702).
상기 S702 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위 이내이면, 충전기(5)로 충전용 전력 공급을 요청하여(S708), 충전기(5)로부터 공급되는 충전용 전력으로 셀 모듈(10)들의 정상 충전 동작을 수행한다(S709). 이 때, 메인 스위치(22)는 충전기(5)로부터 공급된 충전용 전류를 셀 모듈(10)들로 전달하기 위해 온 된 상태이며, 충전기(5)가 이미 충전용 전력을 공급하고 있는 경우 S708 단계는 생략될 수도 있다.
반면에, 상기 S702 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들의 온도가 기 설정된 제1 범위를 벗어난 것으로 판단되면, 열전소자 구동모드에 진입하여(S703), CAN 통신 등을 통해 충전기(5)로 열전소자(11) 구동용 전력 공급을 요청한다(S704). 이를 수신한 충전기(5)는 열전소자(11) 구동용 전력을 팩 단자들(P+, P-)을 통해 배터리 팩(1d)으로 공급한다. 즉, 충전기(5)는 열전소자(11)의 구동으로 각 이차전지 셀(C)이 과충전되거나, 과방전되는 것을 방지하기 위해, 열전소자(11)들의 소비전류만큼 배터리 팩(1d)으로 전류를 공급한다.
또한, 제어기(21)는 열전소자 구동모드에 진입함에 따라, 각 셀 모듈(10) 내 전압 변환기(121) 및 열전소자 구동기(122)를 제어하여, 대응하는 이차전지 셀(C)로부터 열전소자(11) 구동 전력이 공급되도록 한다(S705). 이 때, 메인 스위치(22)는 충전기(5)로부터 공급된 열전소자(11) 구동용 전류를 셀 모듈(10)들로 전달하기 위해 온 된 상태이다.
상기 S705 단계에서, 제어기(21)는 셀 모듈(10)들의 온도에 따라 냉각과 과열 중 어느 것이 필요한지를 판단하고, 판단 결과에 따라서 열전소자 구동기(122)들을 제어하여 열전소자(11)에 공급되는 전류의 방향을 제어할 수 있다.
상기 S705 단계에서, 제어기(21)는 각 셀 모듈(10)의 전압 변환기(121) 및 열전소자 구동기(122)를 제어하여 열전소자(11)들이 교대로 동작하도록 제어할 수도 있다. 배터리 팩(1d) 내에 배치된 열전소자(11)의 개수가 많을 경우, 열전소자(11)들을 구동하기 위해 큰 전류를 필요로 한다. 따라서, 제어기(21)는 열전소자(11)들을 복수의 그룹(예를 들어, 홀수(odd) 및 짝수(even) 그룹)으로 구분하고, 각 그룹들이 교번 동작하도록 각 셀 모듈(10)의 전압 변환기(121) 및 열전소자 구동기(122)들을 제어함으로써 열전소자(11)들의 구동을 위해 한 번에 소모되는 전류량을 저감시킬 수 있다.
이후, 제어기(21)는 열전소자(11)들의 구동으로 셀 모듈(10)들의 온도가 제2 범위 이내가 되면(S706), 각 셀 모듈(10)의 전압 변환기(121) 및 열전소자 구동기(122)들을 제어하여 열전소자(11)들의 구동을 중지시킨다(S707). 또한, CAN 통신 등을 통해 충전기(5)로 충전용 전력 공급을 요청한다(S708). 이를 수신한 충전기(5)는 충전용 전류를 배터리 팩(1d)으로 출력하고, 충전기(5)로부터 인가된 전류에 의해 셀 모듈(10)들의 정상 충전이 수행된다(S709).
전술한 제1 내지 제7 실시 예에 따르면, 각 셀 모듈(10)에 열전소자(11)를 배치하고 셀 모듈(10)의 온도에 따라 열전소자(11)를 흡열 또는 발열시킴으로써, 저온 환경에서의 충전 효율을 높일 수 있다. 또한, 저온 환경 및 고온 환경에서의 배터리 팩의 동작 신뢰성을 높일 수 있어, 저온 및 고온 환경에 노출이 빈번한 아웃도어(outdoor) 제품에 탑재되어 사용이 가능하다.
또한, 전술한 제1 및 제2 실시 예는, 열전소자 구동모드에서는 충전기(5)가 직접 공급 전압을 강하시켜 배터리 팩(1a)으로 공급함으로써, 충전기(5)로부터 공급되는 전압을 열전소자 구동용 전압으로 변환하기 위한 전압 변환회로가 불필요하여, 배터리 팩(1c)의 사이즈 및 단가를 줄일 수 있다.
또한, 전술한 제5 및 제6 실시 예는, 열전소자 구동모드에서는 충전기(5)가 별도의 DC 입력단자들(DC+, DC-)을 통해 열전소자(11) 구동용 전압으로 조정된 전압을 배터리 팩(1a)으로 공급함으로써, 충전기(5)로부터 공급되는 전압을 열전소자 구동용 전압으로 변환하기 위한 전압 변환회로가 불필요하여, 배터리 팩(1c)의 사이즈 및 단가를 줄일 수 있다.
또한, 전술한 제7 실시 예는, 열전소자(11)의 구동전력 공급을 위한 회로가 셀 모듈(10) 내에 구현됨으로써, BMS 모듈(20)과 각 셀 모듈(10) 사이에 열전소자(11) 구동을 위한 별도의 전원 케이블 연결이 불필요하여, 배터리 팩(1d)의 연결 구조가 간소화되고 이로 인해 단가가 감소하는 효과가 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1a, 1b, 1c, 1d: 배터리 팩
5: 충전기
10: 셀 모듈
11: 열전소자
12: 셀 모듈 제어회로
20: BMS 모듈
21: 제어기
22: 메인 스위치
23: 열전소자 전원공급회로
121, 232: 전압 변환기
122: 열전소자 구동기
231: 스위치
C: 이차전지 셀
P+, P-: 팩 단자들
B+, B-: 셀 모듈 양극 단자들
DC+, DC-: DC 입력 단자들

Claims (25)

  1. 복수의 팩 단자 사이에 연결되는 적어도 하나의 셀 모듈을 포함하는 배터리 팩으로서,
    상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되는 적어도 하나의 열전소자,
    충전기에서 공급되는 제1 전압 및 상기 배터리 팩의 내부 전압 중 하나를 선택하여 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동전압으로 공급하는 열전소자 전원공급회로, 및
    충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제1 범위를 벗어나면 상기 제1 전압을 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동전압으로 전달하고, 방전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제3 범위를 벗어나면 상기 배터리 팩의 내부전압을 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동전압으로 전달하도록, 상기 열전소자 전원공급회로를 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 제1 전압은 상기 충전기에서 충전용으로 인가되는 제2 전압과 상이한, 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 상기 제1 범위를 벗어나면, 상기 충전기로 상기 제1 전압의 공급을 요청하는, 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동 중 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제2 범위 이내가 되면, 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동을 중지시키고, 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 충전을 위해 상기 충전기로 상기 제2 전압의 공급을 요청하며,
    상기 제2 범위는 상기 제1 범위 이내인, 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 포함된 상태정보를 상기 충전기로 전송하며,
    상기 충전기는, 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 상기 제1 범위를 벗어나면 상기 배터리 팩으로 상기 제1 전압을 공급하는, 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충전기는, 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동 중 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제2 범위 이내가 되면, 상기 제1 전압의 공급을 중지하고 상기 배터리 팩으로 상기 제2 전압을 공급하고,
    상기 제어기는, 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동 중 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 상기 제2 범위 이내가 되면, 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동을 중지시키며,
    상기 제2 범위는 상기 제1 범위 이내인, 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열전소자 전원공급회로는, 상기 복수의 팩 단자를 통해 상기 충전기로부터 상기 제1 전압을 입력받는, 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열전소자 전원공급회로는, 상기 충전기로부터 상기 제2 전압이 입력되는 상기 복수의 팩 단자와는 별도의 입력단자들을 통해, 상기 충전기로부터 상기 제1 전압을 입력받는, 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 팩 단자 중 어느 하나와 상기 적어도 하나의 셀 모듈 사이에 연결되어 충방전 전류의 흐름을 제어하는 메인 스위치를 더 포함하며,
    상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 적어도 하나의 열전소자가 구동되는 동안 상기 메인 스위치를 오프 상태로 제어하는, 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되어, 상기 적어도 하나의 열전소자에 공급되는 전류의 방향을 제어하는 제어회로를 더 포함하며,
    상기 제어기는, 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도에 따라 상기 적어도 하나의 열전소자에 공급되는 전류의 방향을 설정하도록 상기 제어회로를 제어하는, 배터리 팩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 내부 전압은, 상기 배터리 팩에 포함된 적어도 하나의 이차전지 셀에 의해 공급되는, 배터리 팩.
  11. 복수의 팩 단자 사이에 연결되는 적어도 하나의 셀 모듈을 포함하는 배터리 팩으로서,
    상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되는 적어도 하나의 열전소자,
    상기 복수의 팩 단자를 통해 입력되는 전압을 변환하는 전압 변환기를 포함하며, 상기 전압 변환기의 출력 전압 및 상기 배터리 팩의 내부 전압 중 하나를 선택하여 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동전압으로 전달하는 열전소자 전원공급회로, 및
    충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제1 범위를 벗어나면 상기 전압 변환기의 출력 전압을 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동전압으로 전달하고, 방전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제3 범위를 벗어나면 상기 배터리 팩의 내부 전압을 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동전압으로 전달하도록, 상기 열전소자 전원공급회로를 제어하는 제어기를 포함하는, 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 상기 제1 범위를 벗어나면, 충전기로 열전소자 구동용 전력공급을 요청하는, 배터리 팩.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 포함된 상태정보를 충전기로 전송하며,
    상기 충전기는, 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 상기 제1 범위를 벗어나면 상기 배터리 팩으로 열전소자 구동용 전압을 공급하는, 배터리 팩.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 팩 단자 중 어느 하나와 상기 적어도 하나의 셀 모듈 사이에 연결되어 충방전 전류의 흐름을 제어하는 메인 스위치를 더 포함하며,
    상기 제어기는, 상기 충전모드에서 충전기로부터 상기 열전소자 구동용 전압이 공급되는 동안 상기 메인 스위치를 오프 상태로 제어하는, 배터리 팩.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되어, 상기 적어도 하나의 열전소자에 공급되는 전류의 방향을 제어하는 제어회로를 더 포함하며,
    상기 제어기는, 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도에 따라 상기 적어도 하나의 열전소자에 공급되는 전류의 방향을 설정하도록 상기 제어회로를 제어하는, 배터리 팩.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 내부 전압은, 상기 배터리 팩에 포함된 적어도 하나의 이차전지 셀에 의해 공급되는, 배터리 팩.
  17. 복수의 팩 단자 사이에 연결되는 적어도 하나의 셀 모듈을 포함하는 배터리 팩으로서,
    상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되는 적어도 하나의 열전소자,
    상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되어, 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동을 제어하는 적어도 하나의 열전소자 구동기,
    상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되어, 대응하는 셀 모듈에 포함된 이차전지 셀의 양단전압을 변환하여 대응하는 열전소자의 구동전압으로 출력하는 적어도 하나의 전압 변환기, 및
    충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제1 범위를 벗어나면 충전기에 열전소자 구동용 전력공급을 요청하고, 상기 적어도 하나의 열전소자로 구동전압이 전달되도록 상기 열전소자 구동기 및 상기 전압 변환기를 제어하는 제어기를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 열전소자가 구동되는 동안, 상기 충전기로부터 상기 적어도 하나의 열전소자의 소비전류에 대응하는 전류가 입력되는, 배터리 팩.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 중에 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제2 범위 이내가 되면, 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동을 중지시키도록, 상기 열전소자 구동기 및 상기 전압 변환기를 제어하며,
    상기 제2 범위는 상기 제1 범위 이내인, 배터리 팩.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 팩 단자 중 어느 하나와 상기 적어도 하나의 셀 모듈 사이에 연결되어 충방전 전류의 흐름을 제어하는 메인 스위치를 더 포함하며,
    상기 제어기는, 상기 충전모드에서 상기 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 동안 상기 메인 스위치를 온 상태로 제어하는, 배터리 팩.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도에 따라 상기 적어도 하나의 열전소자에 공급되는 전류의 방향을 조절하도록 상기 적어도 하나의 열전소자 구동기를 제어하는, 배터리 팩.
  21. 복수의 팩 단자 사이에 연결되는 적어도 하나의 셀 모듈을 포함하는 배터리 팩의 제어방법으로서,
    충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제1 범위를 벗어나면, 충전기로부터 열전소자 구동용으로 인가되는 제1 전압을 상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되는 적어도 하나의 열전소자의 구동전압으로 전달하여 상기 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 단계, 및
    방전 모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제3 범위를 벗어나면, 상기 배터리 팩의 내부 전압을 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동전압으로 전달하여 상기 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 전압은 상기 충전기에서 충전용으로 인가되는 제2 전압과 상이한, 제어방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전압은, 상기 복수의 팩 단자를 통해 상기 충전기로부터 입력되며,
    상기 배터리 팩의 내부 전압은 상기 배터리 팩을 구성하는 적어도 하나의 이차전지 셀로부터 공급되는, 제어방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 제2 전압은, 상기 복수의 팩 단자를 통해 입력되고,
    상기 제1 전압은, 상기 복수의 팩 단자와는 별도의 입력단자들을 통해 입력되며,
    상기 배터리 팩의 내부 전압은 상기 배터리 팩을 구성하는 적어도 하나의 이차전지 셀로부터 공급되는, 제어방법.
  24. 복수의 팩 단자 사이에 연결되는 적어도 하나의 셀 모듈을 포함하는 배터리 팩의 제어방법으로서,
    충전모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제1 범위를 벗어나면, 충전기로부터 공급되는 전압을 강하한 전압을 상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치되는 적어도 하나의 열전소자의 구동전압으로 전달하여 상기 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 단계, 및
    방전 모드에서 상기 적어도 하나의 셀 모듈의 온도가 제3 범위를 벗어나면, 상기 배터리 팩의 내부 전압을 상기 적어도 하나의 열전소자의 구동전압으로 전달하여 상기 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 단계를 포함하는 제어방법.
  25. 복수의 팩 단자 사이에 연결되는 적어도 하나의 셀 모듈을 포함하는 배터리 팩의 제어방법으로서,
    충전모드에서 상기 셀 모듈의 온도가 제1 범위를 벗어나면, 충전기로 열전소자 구동용 전력공급을 요청하는 단계,
    상기 적어도 하나의 셀 모듈 각각에 배치된 적어도 하나의 열전소자에 대응하는 셀 모듈에 포함된 이차전지 셀의 전압을 구동 전압으로 공급하여, 상기 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 단계, 및
    상기 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 중에 상기 적어도 하나의 셀 모들의 온도가 제2 범위 이내가 되면, 상기 충전기로부터 공급되는 전압으로 상기 적어도 하나의 셀 모듈을 충전하는 단계를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 열전소자를 구동하는 동안, 상기 충전기로부터 상기 적어도 하나의 열전소자의 소비전류에 대응하는 전류가 입력되는, 제어방법.
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