KR102357833B1 - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 자전거(e-bike) 또는 전기 자동차 등과 같은 전기 구동장치의 구동을 위한 모터 제어 기능 및 BMS(Battery Management System) 기능이 통합된 보호회로모듈을 구비하는 배터리 팩에 관한 것이다. 본 발명에 따른 배터리 팩은 적어도 하나의 배터리 셀; 상기 배터리 셀 일측에 위치된 보호회로모듈; 및 상기 보호회로모듈 및 복수개의 배터리 셀을 수용하는 케이스;를 포함하되, 상기 보호회로모듈은 배터리 관리 시스템(BMS:Battery Management System), 인버터(Inverter) 및 모터구동용 출력단자를 포함한다. 이러한 구성에 의하여, 배터리 팩의 특성을 고려하여 보호회로모듈의 설계가 가능하다.

Description

배터리 팩 {Battery pack}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배터리 팩 내부에 컨트롤러 시스템을 구비하는 배터리 팩에 관한 것이다.
최근 대체 에너지에 대한 관심이 높아지며, 이차전지를 셀룰러 폰(Cellular phone), 노트북 컴퓨터, 캠코더, PDA(Personal Digital Assistants) 등 휴대용 전자기기뿐만 아니라, 최근에는 전기 자전거(e-bike) 또는 전기 자동차 등과 같은 전기 구동장치 등에도 사용되고 있다.
이러한 이차 전지는 배터리 셀과 BMS(Battery Management System)을 포함하는 배터리 팩 형태로 제조된다. 그리고, 배터리 팩에 설치되는 외부 단자를 통해 외부 전원 또는 외부 부하에 의한 배터리 셀의 충전 또는 방전이 이루어지고 있다. 또한, BMS는 배터리 셀의 전압과 전류를 측정하고, 측정된 데이터에 기초하여 배터리 셀의 보호 동작을 제어하고, 배터리 용량(State Of Charge: SOC)을 계산하며, 처리된 정보들을 외부 시스템으로 전송하는 역할을 한다.
그리고, 전기 자전거나 전기 자동차의 경우, 배터리 팩을 이용하여 모터를 구동하며, 이러한 모터 및 배터리 팩을 제어하기 위한 별도의 컨트롤러 시스템을 구비한다.
본 발명은 전기 자전거 또는 전기 자동차 등과 같은 전기 구동장치의 구동을 위한 모터 제어 기능 및 BMS(Battery Management System) 기능이 통합된 보호회로모듈을 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 적어도 하나의 배터리 셀; 상기 배터리 셀 일측에 위치된 보호회로모듈; 및 상기 보호회로모듈 및 배터리 셀을 수용하는 케이스;를 포함하되, 상기 보호회로모듈은 배터리 관리 시스템(BMS:Battery Management System), 인버터(Inverter) 및 모터구동용 출력단자를 포함한다.
여기서, 상기 인버터는 상기 배터리 관리 시스템과 이격되어 배치될 수 있다.
그리고, 상기 보호회로모듈은 게이트 드라이버(Gate driver)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 게이트 드라이버는 상기 인버터 및 상기 배터리 관리 시스템 사이에 배치될 수 있다.
이때, 상기 인버터와 상기 게이트 드라이버는 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 모터구동용 출력단자는 상기 케이스 외부로 일 영역이 노출된 모터 커넥터와 상기 케이스 내측에서 연결될 수 있다.
게다가, 상기 보호회로모듈은 상기 모터구동용 출력단자 일측에 상기 배터리 셀의 충방전 단자를 더 포함할 수 있다.
더욱이, 상기 충방전 단자는 상기 케이스 외부로 일 영역이 노출된 충방전 커넥터와 상기 케이스 내측에서 연결될 수 있다.
본 발명에 의하면 배터리 팩 내부에 전기 구동장치의 구동을 위한 모터 제어 기능 및 BMS 기능이 통합된 보호회로모듈을 구비함으로써, 별도의 컨트롤러 시스템이 필요하지 않으며, 배터리 팩의 특성을 고려하여 보호회로모듈의 설계가 가능하다.
도 1은 본 발명의 배터리 팩을 나타내는 사시도.
도 2는 도 1의 A-A'를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 배터리 팩의 보호회로모듈을 나타내는 평면도.
도 4는 본 발명의 배터리 팩을 간략하게 나타내는 블럭도.
이하 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다. 다만, 본 발명은 청구범위에 기재된 범위 안에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 하기에 설명하는 실시예는 표현 여부에 불구하고 예시적인 것에 불과하다.
본 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 아울러, 도면에서 각 구성의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장될 수 있으며 실제 구성의 두께나 크기와 다를 수 있다.
도 1은 본 발명의 배터리 팩을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A'를 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 배터리 팩은 적어도 하나의 배터리 셀(40)과, 보호회로모듈(30), 및 보호회로모듈(30)과 배터리 셀(40)을 수용하는 케이스(10)를 포함한다.
여기서, 보호회로모듈(30)은 적어도 하나의 배터리 셀(40)의 상측에 위치될 수 있으며, 배터리 관리 시스템(이하, BMS, 31), 인버터(32), 모터구동용 출력단자(22) 및 게이트 드라이버(33)를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩의 보호회로모듈(30)은 배터리 셀(40) 제어 기능 및 모터 제어 기능이 통합되어 있다. 이러한 보호회로모듈(30)의 회로 패턴에 대하여 하기 도 3 및 도 4에서 상세하게 설명하기로 한다.
그리고, 적어도 하나의 배터리 셀(40)은 일정 전압으로 충전되거나 방전될 수 있다. 이때, 적어도 하나의 배터리 셀(40)은 직렬 또는 병렬로 연결되며, 외부 부하가 필요로 하는 용량에 따라 그 개수가 달라질 수 있다.
또한, 케이스(10)는 보호회로모듈(30) 및 배터리 셀(40)을 수용하며, 상부케이스(11)와 하부케이스(12)로 이루어질 수 있다. 또한, 하부케이스(12)의 외부로 충방전 커넥터(21) 및 모터 커넥터(22)가 노출되며, 이들은 각각 보호회로모듈(30)에 형성된 배터리 셀(40)의 충방전 단자(36) 및 모터구동용 출력단자(37)와 케이스(10) 내부에서 연결될 수 있다.
일반적으로, 전기 구동장치, 예를 들어, 전기 자전거는 이를 구동시키기 위하여 다양한 부품을 필요로 한다. 즉, 모터를 구동하기 위한 에너지원인 배터리 팩 및 모터를 제어하기 위한 컨트롤러 시스템이 필요하다. 이처럼 전기 자전거용 배터리 팩은 별도의 컨트롤러 시스템을 필요로 하지만, 다양한 배터리 팩의 특성을 고려하여 설계하는데 어려움이 있다.
이에 따라, 본 발명은 배터리 셀(40)과 모터를 구동하기 위한 컨트롤러 시스템을 배터리 팩 내부에 위치시키며, 전기 구동장치의 구동을 위해 와이어 대신 모터 커넥터(22)를 이용하여 모터와 연결할 수 있다. 즉, 본 발명의 배터리 팩에 따르면 별도의 컨트롤러 시스템을 필요로 하지 않을 수 있다.
도 3은 본 발명의 배터리 팩의 보호회로모듈을 나타내는 평면도이고, 도 4는 본 발명의 배터리 팩을 간략하게 나타내는 블럭도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 보호회로모듈(30)은 BMS(31), 인버터(32), 게이트 드라이버(33), 전계효과트랜지스터(Field Effect Transistor(34), 이하, FET라 함) 및 충방전 단자(36) 및 모터구동용 출력단자(37)를 포함한다. 또한, 보호회로모듈(30)은 내부 신호를 디지털화하는 디지털 제어기(35) 및 홀센서 정보 등을 받는 통신단자를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 인버터(32)는 BMS(31)와 이격되어 배치될 수 있는데, 이에 의해 인버터(32)와 BMS(31) 상호 간의 간섭을 방지할 수 있다. 또한, 인버터(32)와 게이트 드라이버(33)는 둘다 스위치 기능을 하기 때문에, 이들 역시 상호 간의 간섭을 방지하기 위하여 일정 간격 이격시킨다.
보다 상세하게, 보호회로모듈(30)의 패턴을 살펴보면, 인버터(32)와 BMS(31) 사이에 게이트 드라이버(33)가 배치되며, 이때 인버터(32)와 게이트 드라이버(33) 역시 일정 간격 이격되도록 그 사이에 빈 공간(38)이 형성될 수 있다. 그리고, FET(34)는 인버터(32)와 BMS(31) 사이에서 게이트 드라이버(33)와 중복되지 않는 위치에 형성될 수 있다. 이러한 FET(34)는 배터리 셀(40)의 충전 및 방전을 하는 스위치 기능을 한다. 이러한 보호회로모듈(30)은 배터리 셀(40)과 전기적으로 연결된다.
그리고, 보호회로모듈(30)의 일측에는 충방전 단자(36) 및 모터구동용 출력단자(37)가 형성되며, 이들은 각각 케이스(10, 도 2 참조) 외부로 노출된 충방전 커넥터(21) 및 모터 커넥터(22)와 와이어를 통하여 연결될 수 있다.
여기서, 충방전 커넥터(21)에 외부 전원이 연결된 외부 시스템이 연결되면, 외부 전원으로부터 배터리 셀(40)로의 충전이 이루어진다. 그리고, 충방전 커넥터(21)에 외부 전원이 분리된 외부 시스템의 외부 부하가 연결되면 배터리 셀(40)로부터 외부 부하로의 방전이 이루어진다. 또한, 모터 커넥터(22)는 모터와 연결되어 전기 자전거의 구동을 가능하게 할 수 있다.
이하에서는 보호회로모듈(30)의 각 회로 패턴에 대하여 설명한다.
먼저, 인버터(32)는 스위치 기능을 하는 구성으로, 모터의 주파수 및 전압을 제어하여 모터를 보다 효율적으로 구동할 수 있다. 즉, 모터의 주파수 및 전압을 제어함에 따라 모터의 회전수 제어를 수행할 수 있다.
그리고, 게이트 드라이버(33)는 모터 구동을 위한 단자일 수 있으며, 인버터(32)의 FET를 구동하기 위한 출력신호를 발생할 수 있다. 게이트 드라이버(33)는 인버터(32)의 FET를 구동하는데 필요한 전류 증폭의 역할과, 게이트 단자의 전압을 제어하는 역할을 한다.
또한, FET(34)는 배터리 셀(40)의 충전, 방전 스위치 기능을 하는 것으로, 배터리 팩의 충전 또는 방전을 수행한다. 이러한 FET(34)에서 충전 소자 FET의 소스와 드레인 사이의 접속 방향은 방전소자 FET와 반대 방향으로 설정된다. 이러한 구성으로 충전소자의 FET는 충방전 단자(21)로부터 배터리 셀(40)로의 전류 흐름을 제한하도록 접속된다. 한편, 방전소자의 FET는 배터리 셀(40)로부터 충방전 단자(21)의 전류 흐름을 제한하도록 접속된다. 즉, 이러한 충전소자 및 방전소자의 FET는 스위칭 소자이며, 여기에 한정되지 않고, 다른 종류의 스위칭 기능을 수행하는 전기소자가 사용될 수 있다.
그리고, BMS(31)는 검출부, 전류 모니터링부 및 제어부를 포함한다.
검출부는 적어도 하나의 배터리 셀(40)과 각각 연결되어 배터리 셀(40)의 전압을 검출하고, 충방전 전류를 검출한다. 또한, 검출부는 제어부의 제어에 의해 충전소자 및 방전소자를 동작시킬 수 있다.
배터리 셀(40)에 외부 전원과 연결된 외부 시스템이 연결되는 경우, 검출부는 제어부의 제어 하에 충전소자의 FET를 온(on) 상태로, 방전소자의 FET를 오프(on) 상태로 설정하여 배터리 셀(40)이 충전될 수 있도록 한다. 마찬가지로, 배터리 셀(40)에 외부 시스템의 외부 부하가 연결되면, 검출부는 제어부의 제어 하에 충전소자의 FET를 온(on) 상태로, 방전소자의 FET를 온(on) 상태로 설정하여 배터리 셀(40)이 방전될 수 있도록 한다.
이러한 검출부는 보호회로 IC(Integrated circuit) 또는 아날로그 프런트 엔드(Analog Front End, AFE) IC로 구현될 수 있다. 한편, 검출부에서 검출된 전압 또는 전류는 전류 모니터링부와 제어부에 아날로그 신호로 전달되며, 전달된 아날로그 정보들은 디지털 제어기(35)를 통해 디지털 정보로 변환될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩의 보호회로모듈(30)은 모터 구동용 출력단자(37)를 포함함으로써, 배터리 팩 외부에 모터를 제어하기 위한 별도의 컨트롤러 시스템을 필요로 하지 않는다.
전술한 실시예에서는 전기 자전거용 배터리 팩을 예를 들어 설명하였지만, 그 밖에 전기 구동장치의 배터리 팩에도 적용할 수 있음은 물론이다.
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.
전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.
10 : 케이스 11 : 상부케이스
12 : 하부케이스 21 : 충방전 커넥터
22 : 모터 구동용 커넥터 30 : 보호회로모듈
31 : BMS 32 : 인버터
33 : 게이트 드라이버 34 : FET
35 : 디지털 제어기 40 : 배터리 어레이

Claims (8)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀;
    상기 배터리 셀 일측에 위치된 보호회로모듈; 및
    상기 보호회로모듈 및 배터리 셀을 수용하는 케이스;를 포함하되,
    상기 보호회로모듈은 배터리 관리 시스템(BMS:Battery Management System), 인버터(Inverter) 및 모터구동용 출력단자를 포함하고,
    상기 보호회로모듈은 게이트 드라이버(Gate driver)와 적어도 하나의 배터리 셀의 충전, 방전 스위치 기능을 하는 FET 스위치를 더 포함하며,
    상기 FET 스위치와 게이트 드라이버는, 배터리 관리 시스템과 인버터 사이에서, 서로 중복되지 않는 위치에 배치되고,
    상기 인버터와 게이트 드라이버 사이에는 빈 공간이 형성되는 배터리 팩.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모터구동용 출력단자는 상기 케이스 외부로 일 영역이 노출된 모터 커넥터와 상기 케이스 내부에서 연결되는 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보호회로모듈은 상기 모터구동용 출력단자 일측에 상기 배터리 셀의 충방전 단자를 더 포함하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 충방전 단자는 상기 케이스 외부로 일 영역이 노출된 충방전 커넥터와 상기 케이스 내부에서 연결되는 배터리 팩.
KR1020150033792A 2015-03-11 2015-03-11 배터리 팩 KR102357833B1 (ko)

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