KR102401539B1 - 셀 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전 소자를 이용하여 적어도 하나의 이차 전지의 전하를 균등화하는 셀 밸런싱 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치는, 다수의 이차 전지를 구비하는 배터리 모듈에서 적어도 하나의 이차 전지의 전하를 균등화하는 장치로서, 상기 이차 전지의 양단과 각각 연결되어 상기 이차 전지로부터 전력을 공급받고, 공급받은 전력을 열에너지로 변환하여 방출하도록 구성된 제1 밸런싱 회로; 하나 이상의 열전 소자를 구비하여, 상기 제1 밸런싱 회로에 의해 방출된 열에너지를 이용하여 전력을 생성하도록 구성된 열전 모듈; 상기 열전 모듈에 의해 생성된 전력을 적어도 하나의 이차 전지로 공급하도록 구성된 제2 밸런싱 회로; 상기 열전 모듈의 양단과 상기 제2 밸런싱 회로 사이를 연결하여, 상기 열전 모듈에 의해 생성된 전력을 상기 제2 밸런싱 회로로 공급하도록 구성된 저전압 충전 라인; 및 상기 다수의 이차 전지의 충전 상태를 계산하며, 계산된 충전 상태를 기초로 방전 대상 이차 전지 및 충전 대상 이차 전지를 결정하고, 상기 방전 대상 이차 전지와 연결된 상기 제1 밸런싱 회로 및 상기 충전 대상 이차 전지와 연결된 상기 제2 밸런싱 회로를 제어하여, 상기 방전 대상 이차 전지 및 상기 충전 대상 이차 전지의 밸런싱을 수행하는 제어부를 포함한다.

Description

셀 밸런싱 장치 및 방법{Apparatus and method for cell balancing}
본 발명은 셀 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전 소자를 이용하여 적어도 하나의 이차 전지의 전하를 균등화하는 셀 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다.
근래에 들어서, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 및 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높다는 등의 장점으로 인해 많은 각광을 받고 있다.
배터리는 다양한 분야에서 이용되는데, 전기 구동 차량 또는 스마트 그리드 시스템과 같이 최근에 배터리가 많이 활용되는 분야는 큰 용량을 필요로 하는 경우가 많다. 배터리 팩의 용량을 증가하기 위해서는 이차 전지, 즉 배터리 셀 자체의 용량을 증가시키는 방법이 있을 수 있겠지만, 이 경우 용량 증대 효과가 크지 않고, 이차 전지의 크기 확장에 물리적 제한이 있으며 관리가 불편하다는 단점을 갖는다. 따라서, 통상적으로는 다수의 배터리 모듈이 직렬 및 병렬로 연결된 배터리 팩이 널리 이용된다.
상기 배터리 팩을 구성하는 다수의 배터리 모듈은 사용 시간이 경과됨에 따른 본질적인 특성 또는 제조 환경의 차이, 시스템 적용의 다원성 등에 기인하여 이차 전지들 간의 용량(capacity) 성능의 차이가 발생하게 되고 이는 충방전에 의한 해당 모듈 단자 전압의 차이 또는 SOC(State Of Charge)차이를 발생시키게 된다.
배터리 모듈을 구성하는 이차 전지들은 전기화학적 특성이 동일하지 않을 수 있다. 또한, 배터리 모듈의 충방전 사이클 수가 증가하면 각 이차 전지마다 퇴화 정도가 달라지므로 이차 전지들의 성능 편차는 더 커질 수 있다. 따라서, 배터리 모듈이 충방전되는 동안 각 이차 전지의 충전 상태는 서로 다른 속도로 상승 또는 하강할 수 있다.
이러한 성능의 차이를 가지는 다수의 이차 전지가 하나의 배터리 모듈로서 구동하는 경우, 성능이 저하된 특정 이차 전지에 의하여 배터리 모듈 전체의 충전 또는 방전 능력이 제한되고, 배터리 모듈이 노화되며, 과전압 등의 문제점이 발생할 수 있다.
종래에는 이차 전지들 상호 간의 충전 상태 편차를 해소하기 위해, 충전 상태가 상대적으로 높은 이차 전지를 강제 방전시키는 벅(BUCK) 밸런싱이 주로 사용되었다. 그런데, 벅 밸런싱은 밸런싱 과정에서 에너지가 낭비되는 문제가 있었다. 또한, 벅 밸런싱을 진행하면, 벅 밸런싱을 진행하는 동안 충전을 할 수 없어 배터리 모듈의 만충전까지 소요되는 충전 시간이 그 만큼 길어지는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 열전 소자를 이용하여 이차 전기 간 밸런싱을 효과적으로 수행할 수 있는 셀 밸런싱 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.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치는, 다수의 이차 전지를 구비하는 배터리 모듈에서 적어도 하나의 이차 전지의 전하를 균등화하는 장치로서, 상기 이차 전지의 양단과 각각 연결되어 상기 이차 전지로부터 전력을 공급받고, 공급받은 전력을 열에너지로 변환하여 방출하도록 구성된 제1 밸런싱 회로; 하나 이상의 열전 소자를 구비하여, 상기 제1 밸런싱 회로에 의해 방출된 열에너지를 이용하여 전력을 생성하도록 구성된 열전 모듈; 상기 열전 모듈에 의해 생성된 전력을 적어도 하나의 이차 전지로 공급하도록 구성된 제2 밸런싱 회로; 상기 열전 모듈의 양단과 상기 제2 밸런싱 회로 사이를 연결하여, 상기 열전 모듈에 의해 생성된 전력을 상기 제2 밸런싱 회로로 공급하도록 구성된 저전압 충전 라인; 및 상기 다수의 이차 전지의 충전 상태를 계산하며, 계산된 충전 상태를 기초로 방전 대상 이차 전지 및 충전 대상 이차 전지를 결정하고, 상기 방전 대상 이차 전지와 연결된 상기 제1 밸런싱 회로 및 상기 충전 대상 이차 전지와 연결된 상기 제2 밸런싱 회로를 제어하여, 상기 방전 대상 이차 전지 및 상기 충전 대상 이차 전지의 밸런싱을 수행하는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 상기 다수의 이차 전지의 온도를 일정하게 유지시키는 냉각 모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 밸런싱 회로는, 상기 이차 전지의 양단과 각각 연결되어 상기 이차 전지로부터 공급받은 전력을 열에너지로 변환하여 방출하는 발열 저항 및 상기 발열 저항과 직렬로 연결되어 상기 발열 저항에 전력을 공급하도록 구성된 방전 스위치를 구비할 수 있다.
또한, 상기 제2 밸런싱 회로는, 일단이 상기 저전압 충전 라인에 연결되고 타단이 상기 이차 전지의 양단에 연결되며 서로 병렬 연결되는 복수의 충전 경로를 구비하고, 상기 충전 경로는, 전류 경로를 선택적으로 개폐하는 적어도 하나의 충전 스위치를 구비할 수 있다.
또한, 상기 열전 모듈은, 상기 열전 소자의 고온 플레이트가 상기 제1 밸런싱 회로를 향하고, 상기 열전 소자의 저온 플레이트가 상기 냉각 모듈을 향할 수 있다.
또한, 상기 열전 소자는, 상기 고온 플레이트가 상기 발열 저항에 접촉하고 상기 저온 플레이트가 상기 냉각 모듈에 접촉하며, 일단이 상기 저전압 충전 라인의 양극 단자와 연결되고 타단이 상기 저전압 충전 라인의 음극 단자에 연결되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 방전 대상 이차 전지와 연결된 상기 방전 스위치 및 상기 충전 대상 이차 전지와 연결된 상기 충전 스위치를 선택적으로 개폐할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 방전 대상 이차 전지로부터 방전된 전기에너지가 상기 충전 대상 이차 전지로 공급되도록 상기 방전 대상 이차 전지와 연결된 상기 방전 스위치 및 상기 충전 대상 이차 전지와 연결된 상기 충전 스위치를 턴온 시킬 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치를 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 방법은, 다수의 이차 전지를 구비하는 배터리 모듈에서 적어도 하나의 이차 전지의 전하를 균등화하는 방법으로서, 상기 다수의 이차 전지의 충전 상태를 계산하며, 계산된 충전 상태를 기초로 방전 대상 이차 전지 및 충전 대상 이차 전지를 결정하는 단계; 상기 방전 대상 이차 전지로부터 전력을 공급받고, 공급받은 전력을 열에너지로 변환하여 변환된 열에너지를 방출하는 단계; 상기 열에너지 방출 단계에 의해 방출된 열에너지를 이용하여 전력을 생성하는 단계; 및 상기 전력 생성 단계에 의해 생성된 전력을 상기 충전 대상 이차 전지로 공급하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 이차 전지 간 전하 균등화를 위해 방전 및 충전이 필요한 이차 전지를 선택하는 구성에 있어서, 충전 상태가 높은 이차 전지 및 충전 상태가 낮은 이차 전지를 선택적으로 방전 및 충전할 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 방전 대상 이차 전지 및 충전 대상 이차 전지에 대하여 동시에 방전 및 충전을 진행할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 셀 밸런싱 과정에서 에너지를 낭비하지 않을 수 있고, 이차 전지 간 전하 균등화 속도가 빨라지는 장점이 있다.
이외에도 본 발명은 다른 다양한 효과를 가질 수 있으며, 이러한 본 발명의 다른 효과들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 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 셀 밸런싱 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치에 구비된 밸런싱 회로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자와 셀 밸런싱 장치의 일부 구성요소 사이의 연결 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치의 일부 구성에 의해 배터리 모듈이 충전되는 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
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 안 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 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 배터리 모듈(B)의 전하를 균등화하는 장치이다. 여기서, 배터리 모듈(B)에는 다수의 이차 전지(10)가 구비될 수 있다. 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 다수의 이차 전지(10)를 구비하는 배터리 모듈(B)에서 적어도 하나의 이차 전지(10)의 전하를 균등화할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 직렬 및/또는 병렬 연결된 복수의 이차 전지(10)를 포함하는 배터리 모듈(B)에 적용될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 제1 밸런싱 회로(100), 열전 모듈(300), 제2 밸런싱 회로(200), 저전압 충전 라인(L) 및 제어부(400)를 포함할 수 있다.
상기 제1 밸런싱 회로(100)는, 이차 전지(10)의 양단과 각각 연결될 수 있다. 즉, 제1 밸런싱 회로(100)는, 각 이차 전지(10)의 양극 단자 및 음극 단자와 각각 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 제1 밸런싱 회로(100)는, 배터리 모듈(B)에 복수의 이차 전지(10)가 구비된 경우, 각 이차 전지(10)의 양단과 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 밸런싱 회로(100)는, 이차 전지(10)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 특히, 제1 밸런싱 회로(100)는, 적어도 하나의 이차 전지(10)로부터 방전되는 전력을 공급받을 수 있다. 여기서, 제1 밸런싱 회로(100)는, 각 이차 전지(10)의 양단과 연결된 경로를 통해 각 이차 전지(10)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
상기 제1 밸런싱 회로(100)는, 이차 전지(10)로부터 공급받은 전력을 열에너지로 변환하여 방출하도록 구성될 수 있다. 특히, 제1 밸런싱 회로(100)는, 적어도 하나의 이차 전지(10)로부터 방전되는 전력 즉, 전기에너지를 열에너지로 변환하여, 변환된 열에너지를 방출할 수 있다. 이를테면, 제1 밸런싱 회로(100)는, 열에너지를 공기 중에 방출하여 공기를 가열할 수 있다. 또는, 제1 밸런싱 회로(100)는, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치의 다른 구성요소로 열에너지를 전달할 수 있다.
상기 열전 모듈(300)은, 하나 이상의 열전 소자를 구비할 수 있다. 여기서, 열전 소자는, 양 대향부의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 제백효과(Seebeck effect)를 이용하는 일종의 반도체 소자로 구현될 수 있다.
상기 열전 모듈(300)은, 제1 밸런싱 회로(100)에 의해 방출된 열에너지를 이용하여 전력을 생성하도록 구성될 수 있다. 특히, 열전 모듈(300)은, 제1 밸런싱 회로(100)로부터 공급받은 열에너지를 이용하여 열전 소자의 양면 사이에 온도차를 발생시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 이를 통해, 열전 모듈(300)은, 상기 온도차를 이용하여 열전 소자를 통해 기전력을 생성할 수 있다.
상기 제2 밸런싱 회로(200)는, 열전 모듈(300)에 의해 생성된 전력을 적어도 하나의 이차 전지(10)로 공급하도록 구성될 수 있다. 특히, 제2 밸런싱 회로(200)는, 상기 열전 소자에 의해 발생한 기전력을 통해 전력을 공급받을 수 있다. 즉, 제2 밸런싱 회로(200)는, 열전 소자의 양단과 연결되어, 열전 소자로부터 전력을 공급받을 수 있다.
또한, 제2 밸런싱 회로(200)는, 각 이차 전지(10)의 양단과 각각 연결되어 각 이차 전지(10)로 전력을 공급할 수 있다. 즉, 제2 밸런싱 회로(200)는, 각 이차 전지(10)의 양극 단자 및 음극 단자와 각각 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 제2 밸런싱 회로(200)는, 배터리 모듈(B)에 복수의 이차 전지(10)가 구비된 경우, 각 이차 전지(10)의 양단과 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같은 구성을 통해, 제2 밸런싱 회로(200)는, 열전 소자로부터 공급받은 전력을 적어도 하나의 이차 전지(10)로 전달할 수 있다.
상기 저전압 충전 라인(L)은, 열전 모듈(300)의 양단과 제2 밸런싱 회로(200) 사이를 연결할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 저전압 충전 라인(L)은, 열전 모듈(300)의 양극 단자와 제2 밸런싱 회로(200)의 양극 단자 사이를 전기적으로 연결할 수 있다. 또한, 저전압 충전 라인(L)은, 열전 모듈(300)의 음극 단자와 제2 밸런싱 회로(200)의 음극 단자 사이를 전기적으로 연결할 수 있다. 이와 같은 구성을 통해, 저전압 충전 라인(L)은, 열전 모듈(300)에 의해 생성된 전력을 제2 밸런싱 회로(200)로 공급할 수 있다. 즉, 저전압 충전 라인(L)은, 열전 모듈(300)의 양단에 인가된 전력을 제2 밸런싱 회로(200)의 양단으로 전달할 수 있다.
바람직하게는, 저전압 충전 라인(L)은, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 변압기(800)를 구비할 수 있다.
상기 변압기(800)는, 제2 밸런싱 회로(200) 및 열전 모듈(300) 사이에 위치할 수 있다. 여기서, 변압기(800)는, 적어도 하나의 이차 전지(10)를 충전할 수 있는 수준으로 열전 모듈(300)로부터 공급받은 전력을 감소시킬 수 있다. 여기서, 변압기(800)의 전력 변환 비는 저전압 충전 라인(L)을 통해 충전시키고자 하는 이차 전지(10)의 개수에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 변압기(800)는, 당업계에서 일반적으로 사용되는 가변 변압기 소자를 이용하여 구현될 수 있다. 이를테면, 변압기(800)는, 제어부(400)의 제어 신호에 따라 도선을 감는 코일의 수가 조절됨으로써, 상기 전력 변환 비가 조절될 수 있다.
상기 제어부(400)는, 다수의 이차 전지(10)의 충전 상태를 계산할 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 전압 측정부(710), 전류 측정부(730) 및 온도 측정부(750)를 포함할 수 있다.
상기 전압 측정부(710)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제어부(400)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 전압 측정부(710)는, 제어부(400)의 통제 하에, 시간 간격을 두고 각 배터리 모듈(B)의 양단 전압을 측정하고 측정된 전압의 크기를 나타내는 신호를 제어부(400)로 출력할 수 있다. 이때, 제어부(400)는, 전압 측정부(710)로부터 출력되는 신호로부터 각 배터리 모듈(B)의 전압을 결정할 수 있다. 예를 들어, 전압 측정부(710)는, 당업계에서 일반적으로 사용되는 전압 측정 회로를 이용하여 구현될 수 있다. 각 배터리 모듈(B)의 전압을 측정하기 위한 전압 측정부(710)의 회로 구성은 당업자에게 자명하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 전류 측정부(730)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제어부(400)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 전류 측정부(730)는, 제어부(400)의 통제하에 시간 간격을 두고 각 배터리 모듈(B)의 충전 전류 또는 방전 전류의 크기를 반복 측정하고 측정된 전류의 크기를 나타내는 신호를 제어부(400)로 출력할 수 있다. 이때, 제어부(400)는 전류 측정부(730)로부터 출력되는 신호로부터 전류의 크기를 결정할 수 있다. 예를 들어, 전류 측정부(730)는, 당업계에서 일반적으로 사용되는 홀 센서 또는 센스 저항을 이용하여 구현될 수 있다. 홀 센서 또는 센스 저항은 전류가 흐르는 선로에 설치될 수 있다. 각 배터리 모듈(B)의 충전 전류 또는 방전 전류의 크기를 측정하기 위한 전류 측정부(730)의 회로 구성은 당업자에게 자명하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 온도 측정부(750)는, 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 제어부(400)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 온도 측정부(750)는, 시간 간격을 두고 각 배터리 모듈(B)의 온도를 반복 측정하고 측정된 온도의 크기를 나타내는 신호를 제어부(400)로 출력할 수 있다. 이때, 제어부(400)는 온도 측정부(750)로부터 출력되는 신호로부터 각 배터리 모듈(B)의 온도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 온도 측정부(750)는, 당업계에서 일반적으로 사용되는 열전대(Thermocouple)를 이용하여 구현될 수 있다. 각 배터리 모듈(B)의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부(750)의 회로 구성은 당업자에게 자명하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
제어부(400)는, 전압 측정부(710), 전류 측정부(730) 및 온도 측정부(750)로부터 수신한 적어도 하나의 이차 전지(10)에 대한 전압 측정값, 전류 측정값 및 온도 측정값을 이용하여, 각 이차 전지(10)의 충전 상태를 계산하여 모니터링 할 수 있다. 즉, 제어부(400)는, 적어도 하나의 이차 전지(10)가 충전 또는 방전되는 동안 각각의 충전 상태(SOC)를 계산하여 모니터링 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(400)는, 각 이차 전지(10)의 충전 전류 및 방전 전류를 적산하여 각 이차 전지(10)의 충전 상태를 추정할 수 있다. 여기서, 각 이차 전지(10)의 충전 또는 방전이 시작될 때 충전 상태의 초기값은 충전 또는 방전이 시작되기 전에 측정한 각 이차 전지(10)의 개방 전압(OCV)을 이용하여 결정할 수 있다. 이를 위해, 제어부(400)는 개방 전압 별로 충전 상태를 정의한 개방 전압-충전 상태 룩업 테이블을 포함하고, 룩업 테이블로부터 각 이차 전지(10)의 개방 전압에 대응되는 충전 상태를 맵핑할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제어부(400)는, 확장 칼만 필터를 이용하여 각 이차 전지(10)의 충전 상태를 산출할 수 있다. 확장 칼만 필터는 이차 전지(10)의 전압, 전류 및 온도를 이용하여 이차 전지(10)의 충전 상태를 적응적으로 추정하는 수학적 알고리즘을 말한다. 여기서, 확장 칼만 필터를 이용한 충전 상태의 추정은, 일 예로서 그레고리 엘 플레트(Gregory L. Plett)의 논문 "Extended Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery packs Parts 1, 2 and 3" (Journal of Power Source 134, 2004, p. 252-261)을 참조할 수 있다.
각 이차 전지(10)의 충전 상태는 전술한 전류 적산법 또는 확장 칼만 필터 이외에도 각 이차 전지(10)의 전압, 전류 및 온도를 선택적으로 활용하여 충전 상태를 추정할 수 있는 다른 공지의 방법에 의해서도 결정될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 제어부(400)는, 각 이차 전지(10)의 SOC 사용 영역을 결정할 수 있다. 특히, 제어부(400)는, 각 이차 전지(10)의 상태를 기초로 각 이차 전지(10) 마다 SOC하한값 및 SOC상한값을 결정하여, 각 이차 전지(10)의 사용 영역을 결정할 수 있다. 이를테면, 제어부(400)는, 각 이차 전지(10)의 전압, 전류 및 온도를 기초로 각 이차 전지(10)의 사용 영역을 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(400)는, 3개의 이차 전지(10)가 배터리 모듈(B)에 구비된 경우, 제1 이차 전지의 SOC 사용 영역은, 20%~80%로 결정할 수 있다. 또한, 제2 이차 전지의 SOC 사용 영역은, 35%~75%로 결정할 수 있다. 또한, 제3 이차 전지의 SOC 사용 영역은, 40%~90%로 결정할 수 있다.
제어부(400)는, 각 이차 전지(10)의 충전 상태를 계산하고, 계산된 충전 상태를 기초로 방전 대상 이차 전지 및 충전 대상 이차 전지를 결정할 수 있다. 즉, 방전 대상 이차 전지는, 이차 전지(10)의 충전 상태가 미리 설정된 상한값 보다 큰 이차 전지(10)일 수 있다. 또한, 충전 대상 이차 전지는, 이차 전지(10)의 충전 상태가 미리 설정된 하한값 보다 작은 이차 전지(10)일 수 있다. 예를 들어, 제어부(400)는, 미리 설정된 상한값이 80%이고 미리 설정된 하한값이 20%인 경우, 충전 상태가 80%보다 큰 이차 전지(10)는 방전 대상 이차 전지로 결정하고, 충전 상태가 20%보다 작은 이차 전지(10)는 충전 대상 이차 전지로 결정할 수 있다.
바람직하게는, 제어부(400)는, 이차 전지(10)의 SOC 사용 영역을 기초로, 이차 전지(10)의 충전 상태가 SOC상한값과 같거나 SOC상한값 보다 큰 경우 해당 이차 전지(10)를 방전 대상 이차 전지로 결정할 수 있다. 또한, 제어부(400)는, 이차 전지(10)의 충전 상태가 SOC하한값과 같거나 SOC하한값 보다 작은 경우 해당 이차 전지(10)를 충전 대상 이차 전지로 결정할 수 있다. 예를 들어, 전술한 예와 같이, 제1 이차 전지의 SOC 사용 영역은 20%~80%이고, 제2 이차 전지의 SOC 사용 영역은 35%~75%이고, 제3 이차 전지의 SOC 사용 영역은 40%~90%인 경우에, 제어부(400)는, 제1 이차 전지의 충전 상태가 80%인 경우 제1 이차 전지를 방전 대상 이차 전지로 결정할 수 있다. 또한, 제어부(400)는, 제2 이차 전지의 충전 상태가 30%인 경우 제2 이차 전지를 충전 대상 이차 전지로 결정할 수 있다. 또한, 제어부(400)는, 제3 이차 전지의 충전 상태가 40%인 경우 제3 이차 전지를 충전 대상 이차 전지로 결정할 수 있다.
제어부(400)는, 방전 대상 이차 전지와 연결된 제1 밸런싱 회로(100) 및 충전 대상 이차 전지와 연결된 제2 밸런싱 회로(200)를 제어할 수 있다. 이를 통해, 제어부(400)는, 방전 대상 이차 전지 및 충전 대상 이차 전지의 밸런싱을 수행할 수 있다. 이에 대하여, 도 2 내지 도 5를 참조하여 보다 상세히 후술하기로 한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 냉각 모듈(500)을 더 포함할 수 있다.
상기 냉각 모듈(500)은, 다수의 이차 전지(10)의 온도를 일정하게 유지시키도록 구성될 수 있다. 즉, 냉각 모듈(500)은, 다수의 이차 전지(10)의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다. 예를 들어, 냉각 모듈(500)은, 수냉식 또는 공냉식 구조로 구성되어, 배터리 모듈(B)에 구비된 다수의 이차 전지(10)의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다. 여기서, 냉각 모듈(500)은, 열전 모듈(300)의 일측에 위치할 수 있다. 즉, 열전 모듈(300)은, 제1 밸런싱 회로(100)와 냉각 모듈(500) 사이에 위치할 수 있다. 이와 같은 구성을 통해, 열전 모듈(300)은, 일측의 냉각 모듈(500)과 타측의 제1 밸런싱 회로(100) 사이의 온도차를 이용하여 기전력을 생성할 수 있다.
이와 같은 구성을 통해, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 냉각 모듈을 열전 모듈의 일측 즉, 저온 플레이트 측에 위치시켜 열전 모듈의 고온 플레이트 및 저온 플레이트 사이의 온도차를 더욱 확대하여 보다 높은 기전력을 생성할 수 있는 장점이 있다.
더욱 바람직하게는, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 저장 모듈(600)을 더 포함할 수 있다.
상기 저장 모듈(600)은, 전기에너지를 저장할 수 있도록 구성될 수 있다. 특히, 저장 모듈(600)은, 열전 모듈(300)로부터 생성된 전기에너지를 저장할 수 있도록 에너지 저장 소자를 구비할 수 있다. 이를테면, 저장 모듈(600)은, 적어도 하나의 커패시터를 구비할 수 있다. 여기서, 저장 모듈(600)은, 열전 모듈(300)의 양단과 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 저장 모듈(600)의 양극 단자는 열전 모듈(300)의 양극 단자와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 저장 모듈(600)의 음극 단자는 열전 모듈(300)의 음극 단자와 전기적으로 연결될 수 있다.
이와 같은 구성을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치는, 본 발명의 일 측면에서, 방전 대상 이차 전지는 없고 충전 대상 이차 전지만 있는 경우, 저장 모듈(600)에 저장된 전기에너지를 충전 대상 이차 전지로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치는, 충전 대상 이차 전지는 없고 방전 대상 이차 전지만 있는 경우, 방전 대상 이차 전지로부터 공급되는 에너지를 저장 모듈(600)에 저장할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치는, 열전 모듈(300)에서 생성되는 기전력이 방전 대상 이차 전지에서 필요로 하는 에너지보다 더 큰 경우, 방전 대상 이차 전지로 공급하고 남는 에너지를 저장 모듈(600)에 저장할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치는, 열전 모듈(300)에서 생성되는 기전력이 방전 대상 이차 전지에서 필요로 하는 에너지보다 더 작은 경우, 열전 모듈(300)에서 생성되는 기전력 및 저장 모듈(600)에 저장된 에너지를 방전 대상 이차 전지로 공급할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 저장 모듈(600)을 이용하여 에너지를 효율적으로 분배하여 에너지 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 바람직하게는, 저전압 충전 라인(L)은, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 복수의 제어 스위치(SW)를 구비할 수 있다.
상기 복수의 제어 스위치(SW)는, 제어 제1 스위치(SW1), 제어 제2 스위치(SW2) 및 제어 제3 스위치(SW3)를 포함할 수 있다.
상기 제어 제1 스위치(SW1)는, 열전 모듈(300)의 일단, 제2 밸런싱 회로(200)의 일단 및 저장 모듈(600)의 일단이 공통 접속되는 노드(N)와 열전 모듈(300)의 일단 사이에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 제어 제1 스위치(SW1)는, 열전 모듈(300)의 양극 단자, 제2 밸런싱 회로(200)의 양극 단자 및 저장 모듈(600)의 양극 단자가 공통 접속 되는 노드(N)와 열전 모듈(300)의 양극 단자 사이에 위치할 수 있다.
상기 제어 제2 스위치(SW2)는, 제2 밸런싱 회로(200)의 일단과 상기 노드(N) 사이에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 제어 제2 스위치(SW2)는, 제2 밸런싱 회로(200)의 양극 단자와 노드(N) 사이에 위치할 수 있다.
상기 제어 제3 스위치(SW3)는, 저장 모듈(600)의 일단과 상기 노드(N) 사이에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에 도시된 바와 같이, 제어 제3 스위치(SW3)는, 저장 모듈(600)의 양극 단자와 노드(N) 사이에 위치할 수 있다.
제어부(400)는, 제어 제1 스위치(SW1), 제어 제2 스위치(SW2) 및 제어 제3 스위치(SW3)의 개폐를 선택적으로 제어할 수 있다. 즉, 제어부(400)는, 제어 제1 스위치(SW1), 제어 제2 스위치(SW2) 및 제어 제3 스위치(SW3) 각각으로 턴 온 또는 턴 오프 명령을 선택적으로 전달할 수 있다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치에 구비된 밸런싱 회로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 제1 밸런싱 회로(100)는, 복수의 이차 전지(11, 12, 13, 14)에 각각 연결된 복수의 방전 경로(D1, D2, D3, D4)를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 복수의 방전 경로(D1, D2, D3, D4)는, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 발열 저항(130) 및 방전 스위치(110)를 각각 포함할 수 있다.
상기 발열 저항(130)은, 이차 전지(10)의 양단과 각각 연결되어 이차 전지(10)로부터 공급받은 전력을 열에너지로 변환하여 방출할 수 있다. 또한, 상기 방전 스위치(110)는, 발열 저항(130)과 직렬로 연결되어 발열 저항(130)에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 방전 제1 경로(D1)는, 제1 이차 전지(11)의 양단에 연결되어 방전 제1 스위치(111)와 발열 제1 저항(131)을 포함할 수 있다. 여기서, 방전 제1 스위치(111)와 발열 제1 저항(131)은, 직렬로 연결될 수 있다. 유사하게, 방전 제2 경로(D2)는, 제2 이차 전지(12)의 양단에 연결되어 방전 제2 스위치(112)와 방전 제2 저항(132)을 포함할 수 있다. 여기서, 방전 제2 스위치(112)와 발열 제2 저항(132)은, 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 유사하게, 방전 제3 경로(D3) 및 방전 제4 경로(D4)는, 제3 이차 전지(13) 및 제4 이차 전지(14)의 양단에 각각 연결되어 방전 제3 스위치(113) 및 방전 제4 스위치(114)와 발열 제3 저항(133) 및 발열 제4 저항(134)을 각각 포함할 수 있다. 여기서, 방전 제3 스위치(113) 및 발열 제3 저항(133)은, 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 방전 제4 스위치(114) 및 발열 제4 저항(134)은, 직렬로 연결될 수 있다. 도 2에 도시하지는 않았지만, N개의 이차 전지(10)가 직렬 연결된 경우, 방전 제5 경로 내지 방전 제N 경로도 유사한 구성을 가질 수 있다.
바람직하게는, 제어부(400)는, 복수의 방전 경로(D1, D2, D3, D4)에 구비된 방전 스위치(110)의 턴 온 또는 턴 오프를 개별적으로 제어할 수 있는 신호를 출력할 수 있다. 이를 통해, 제어부(400)는, 복수의 이차 전지(11, 12, 13, 14) 중 적어도 하나의 이차 전지(10)를 개별적으로 방전 시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제2 밸런싱 회로(200)는, 복수의 이차 전지(11, 12, 13, 14)에 각각 연결된 복수의 충전 경로(C1, C2, C3, C4)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 제2 밸런싱 회로(200)는, 저전압 충전 라인(L)과 복수의 이차 전지(11, 12, 13, 14) 사이에서, 일측이 저전압 충전 라인(L)에 연결되고, 타측이 복수의 이차 전지(11, 12, 13, 14)에 연결될 수 있다.
여기서, 복수의 충전 경로(C)는, 복수의 이차 전지(11, 12, 13, 14) 중에서 선택된 적어도 하나의 이차 전지(10)와 저전압 충전 라인(L)을 선택적으로 연결할 수 있도록 복수의 이차 전지(11, 12, 13, 14)와 각각 연결될 수 있다. 이때, 충전 경로(C)는, 일단이 저전압 충전 라인(L)에 연결되고 타단이 이차 전지(10)의 양단에 연결될 수 있다.
예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 제2 밸런싱 회로(200)는, 충전 제1 경로(C1), 충전 제2 경로(C2), 충전 제3 경로(C3) 및 충전 제4 경로(C4)를 구비할 수 있다. 여기서, 충전 제1 경로(C1)는 저전압 충전 라인(L)의 양단과 제1 이차 전지(11)의 양단 사이를 연결할 수 있다. 유사하게, 충전 제2 경로(C2)는 저전압 충전 라인(L)의 양단과 제2 이차 전지(12)의 양단 사이를 연결할 수 있다. 또한, 충전 제3 경로(C3) 및 충전 제4 경로(C4)는 저전압 충전 라인(L)의 양단과 제3 및 제4 이차 전지(13, 14)의 양단 사이를 각각 연결할 수 있다. 도 2에 도시하지는 않았지만, N개의 이차 전지(10)가 직렬 연결된 경우, 충전 제5 경로 내지 충전 제N 경로도 유사한 구성을 가질 수 있다.
또한, 복수의 충전 경로(C1, C2, C3, C4)는, 서로 병렬 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 충전 제1 경로(C1), 충전 제2 경로(C2), 충전 제3 경로(C3) 및 충전 제4 경로(C4)는 저전압 충전 라인(L)의 양단과 서로 병렬로 연결될 수 있다.
바람직하게는, 복수의 충전 경로(C1, C2, C3, C4)는, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 충전 스위치(210)를 각각 포함할 수 있다. 또한, 상기 충전 스위치(210)는, 전류 경로를 선택적으로 개폐할 수 있도록 구성될 수 있다. 특히, 충전 경로(C)는, 이차 전지(10)의 양극 단자와 연결된 충전 스위치(210)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에 도시된 바와 같이, 충전 제1 경로(C1)는, 제1 이차 전지(11)의 양극 단자와 연결된 충전 제1 스위치(211)를 포함할 수 있다. 유사하게, 충전 제2 경로(C2)는, 제2 이차 전지(12)의 양극 단자와 연결된 충전 제2 스위치(212)를 포함할 수 있다. 또한, 유사하게, 충전 제3 경로(C3) 및 충전 제4 경로(C4)는, 충전 제3 스위치(213) 및 충전 제4 스위치(214)를 각각 포함할 수 있다. 도 2에 도시하지는 않았지만, N개의 이차 전지(10)가 직렬 연결된 경우, 충전 제5 경로 내지 충전 제N 경로도 유사한 구성을 가질 수 있다.
또한, 바람직하게는, 제어부(400)는, 복수의 충전 경로(C1, C2, C3, C4)에 구비된 복수의 충전 스위치(210)의 턴 온 또는 턴 오프를 개별적으로 제어할 수 있는 신호를 출력할 수 있다. 이를 통해, 제어부(400)는, 적어도 하나의 이차 전지(10)와 저전압 충전 라인(L)을 적어도 하나의 충전 경로(C)를 통해 개별적으로 연결할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 제어부(400)는, 방전 대상 이차 전지와 연결된 방전 스위치(110) 및 충전 대상 이차 전지와 연결된 충전 스위치(210)를 선택적으로 개폐할 수 있다. 예를 들어, 도 2의 실시예에서, 복수의 이차 전지(11, 12, 13, 14) 중 제1 이차 전지(11) 및 제2 이차 전지(12)가 방전 대상 이차 전지로 결정되고, 제3 이차 전지(13) 및 제4 이차 전지(14)가 충전 대상 이차 전지로 결정되는 경우, 제어부(400)는, 제1 이차 전지(11) 및 제2 이차 전지(12)와 연결된 방전 제1 스위치(111) 및 방전 제2 스위치(112)는 턴 온 시키고, 충전 제1 스위치(211) 및 충전 제2 스위치(212)는 턴 오프 시킬 수 있다. 또한, 제어부(400)는, 제3 이차 전지(13) 및 제4 이차 전지(14)와 연결된 충전 제3 스위치(213) 및 충전 제4 스위치(214)는 턴 온 시키고, 방전 제3 스위치(113) 및 방전 제4 스위치(114)는 턴 오프 시킬 수 있다.
본 발명의 이와 같은 구성을 통해, 충전 상태가 높은 이차 전지(10)를 선택적으로 방전하고, 충전 상태가 낮은 이차 전지(10)를 선택적으로 충전할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 모듈(B) 전체의 충전 상태를 균일하게 유지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치는, 적어도 하나의 이차 전지(10)의 방전과 적어도 하나의 이차 전지(10)의 충전을 동시에 진행할 수 있다. 즉, 셀 밸런싱 장치는, 도 2의 실시예에 도시된 충전 경로(C) 및 방전 경로(D)를 이용하여, 방전 대상 이차 전지 및 충전 대상 이차 전지에 대하여 방전 및 충전을 동시에 진행할 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 모듈(B)의 전하 균등화 속도가 빨라지는 장점이 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자와 셀 밸런싱 장치의 일부 구성요소 사이의 연결 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 여기서는, 앞선 실시예와 차이점이 있는 부분을 위주로 설명하고, 앞선 실시예에 대한 설명이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 열전 모듈(300)은 하나 이상의 열전 소자(310)를 구비할 수 있다. 또한, 상기 열전 소자(310)는, 도 3의 구성에 도시된 바와 같이, 일측에 고온 플레이트(311_1, 312_1)를 구비하고, 타측에 저온 플레이트(311_2, 312_2)를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 열전 소자(310)는, 고온 플레이트(311_1, 312_1) 및 저온 플레이트(311_2, 312_2) 사이에 전기 전도판, P형 반도체 및 N형 반도체를 구비할 수 있다. 고온 플레이트(311_1, 312_1) 및 저온 플레이트(311_2, 312_2) 사이의 온도차를 이용하여 기전력을 생성하는 열전 소자(310)의 구성은 당업자에게 자명하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
고온 플레이트(311_1, 312_1) 및 저온 플레이트(311_2, 312_2)는 전기 절연 재질인 세라믹판으로 구현될 수 있다. 이를 통해, 고온 플레이트(311_1, 312_1) 및 저온 플레이트(311_2, 312_2)는, 발열 저항(130), 열전 소자(310) 및 냉각 모듈(500) 사이를 전기적으로 절연시킬 수 있다.
열전 소자(310)는, 고온 플레이트(311_1, 312_1)가 제1 밸런싱 회로(100)를 향하고, 저온 플레이트(311_2, 312_2)가 냉각 모듈(500)을 향하도록 제1 밸런싱 회로(100)와 저온 플레이트(311_2, 312_2) 사이에 위치할 수 있다. 특히, 열전 소자(310)는, 고온 플레이트(311_1, 312_1)는 발열 저항(130)에 접촉하고, 저온 플레이트(311_2, 312_2)는 냉각 모듈(500)에 접촉하도록 제1 밸런싱 회로(100)와 저온 플레이트(311_2, 312_2) 사이에 위치할 수 있다.
또한, 열전 소자(310)는, 일단이 저전압 충전 라인(L)의 양극 단자와 연결되고 타단이 저전압 충전 라인(L)의 음극 단자에 연결되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 구성에 도시된 바와 같이, 열전 소자(310)는, 복수의 열전 소자(311, 312)가 직렬 연결될 수 있다. 여기서, 열전 소자(310)의 양극 단자는 저전압 충전 라인(L)의 양극 단자와 연결되고, 열전 소자(310)의 음극 단자는 저전압 충전 라인(L)의 음극 단자와 연결될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 냉각 모듈(500)은, 도 3의 구성에 도시된 바와 같이, 내부에 유로가 구비되어, 유로로 냉각수 또는 공기가 흐르도록 구성될 수 있다.
이와 같은 구성을 통해, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 열전 소자(310)의 고온 플레이트 및 저온 플레이트 사이의 온도차를 더욱 크게 하여, 이차 전지(10)의 충전 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치의 일부 구성에 의해 배터리 모듈이 충전되는 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다. 여기서는, 앞선 실시예와 차이점이 있는 부분을 위주로 설명하고, 앞선 실시예에 대한 설명이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 제어부(400)는, 배터리 모듈(B)에 구비된 복수의 이차 전지(10) 중 충전 대상 이차 전지를 결정할 수 있다. 또한, 제어부(400)는, 충전 대상 이차 전지의 양단과 각각 연결된 제2 밸런싱 회로(200)를 통해 열전 모듈(300)로부터 공급된 전력을 충전 대상 이차 전지로 공급할 수 있다.
이를 위해, 제어부(400)는, 저전압 충전 라인(L)에 구비된 복수의 제어 스위치(SW)를 선택적으로 개폐할 수 있다.
예를 들어, 도 4의 실시예에서, 제1 이차 전지(11) 및 제2 이차 전지(12)가 충전 대상 이차 전지로 결정되고, 제3 이차 전지(13)가 방전 대상 이차 전지로 결정되는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(400)는, 열전 모듈(300)로부터 생성된 전력을 저전압 충전 라인(L)을 통해 제2 밸런싱 회로(200)로 공급할 수 있다. 구체적으로, 제어부(400)는, 제어 제1 스위치(SW1) 및 제어 제2 스위치(SW2)는 턴 온 시키고, 제어 제3 스위치(SW3)는 턴 오프 시킬 수 있다. 이를 통해, 제어부(400)는, 열전 모듈(300)의 양단과 제2 밸런싱 회로(200)의 양단을 연결하여 열전 모듈(300)에 의해 생성된 전력을 제2 밸런싱 회로(200)에 공급할 수 있다. 여기서, 도 2를 함께 참조하면, 제어부(400)는, 제2 밸런싱 회로(200)에 구비된 충전 스위치(210)를 선택적으로 개폐하여, 제1 이차 전지(11) 및 제2 이차 전지(12)의 양단과 열전 모듈(300)의 양단이 각각 전기적으로 연결되도록 할 수 있다.
또한, 제어부(400)는, 방전 대상 이차 전지로부터 방전된 전기에너지가 충전 대상 이차 전지로 공급되도록 방전 대상 이차 전지와 연결된 방전 스위치(110) 및 충전 대상 이차 전지와 연결된 충전 스위치(210)를 턴 온 시킬 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 4를 참조하면, 제어부(400)는, 제3 이차 전지(13)와 연결된 방전 제3 스위치(113)를 턴 온 시켜, 제3 이차 전지(13)로부터 방전된 전기에너지가 발열 제3 저항(133)으로 공급되도록 할 수 있다. 이때, 발열 제3 저항(133)은 제3 이차 전지(13)로부터 공급받은 전기에너지를 열에너지로 방출할 수 있다. 이어서, 발열 제3 저항(133)에 의해 방출된 열에너지는, 열전 모듈(300)을 통해 전기에너지로 변환될 수 있다. 이어서, 제어부(400)는, 제1 이차 전지(11) 및 제2 이차 전지(12)와 연결된 충전 제1 스위치(211) 및 충전 제2 스위치(212)를 턴 온 시켜, 제1 이차 전지(11) 및 제2 이차 전지(12)의 양단과 열전 모듈(300)의 양단이 각각 전기적으로 연결되도록 할 수 있다.
이와 같은 구성을 통해, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 종래 셀 밸런싱 과정에서 소모되었던 에너지를 재활용하여 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어부(400)는, 저장 모듈(600)에 저장된 전력을 저전압 충전 라인(L)을 통해 제2 밸런싱 회로(200)로 공급할 수 있다. 구체적으로, 제어부(400)는, 제어 제1 스위치(SW1) 및 제어 제3 스위치(SW3)는 턴 온 시키고, 제어 제2 스위치(SW2)는 턴 오프 시킬 수 있다. 이를 통해, 제어부(400)는, 저장 모듈(600)의 양단과 제2 밸런싱 회로(200)의 양단을 연결하여 저장 모듈(600)에 저장된 전력을 제2 밸런싱 회로(200)로 공급할 수 있다. 이를 위해, 제어부(400)는, 저장 모듈(600)을 미리 충전 시킬 수 있다. 이를테면, 제어부(400)는, 제어 제1 스위치(SW1) 및 제어 제3 스위치(SW3)는 턴 온 시키고, 제어 제2 스위치(SW2)는 턴 오프 시켜 저장 모듈(600)을 미리 충전 시킬 수 있다.
이와 같은 구성을 통해, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 충전 대상 이차 전지가 존재하지 않는 경우에도 종래 셀 밸런싱 과정에서 소모되었던 에너지를 저장하여 재활용할 수 있는 장점이 있다. 즉, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 방전 시 충전 대상 이차 전지가 존재하지 않더라도 에너지를 소모하지 않고 이를 저장 모듈(600)에 저장할 수 있으며, 추후 방전 대상 이차 전지 없이 충전 대상 이차 전지만 존재할 경우 저장 모듈(600)에 저장된 에너지를 이용하여 충전 대상 이차 전지를 충전할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제어부(400)는, 열전 모듈(300) 및 저장 모듈(600)로부터 제2 밸런싱 회로(200)로 전력을 공급할 수 있다. 구체적으로, 제어부(400)는, 제어 제1 스위치(SW1), 제어 제2 스위치(SW2) 및 제어 제3 스위치(SW3)를 모두 턴 온 시킬 수 있다. 이를 통해, 제어부(400)는 열전 모듈(300)의 양단 및 저장 모듈(600)의 양단을 제2 밸런싱 회로(200)의 양단과 연결할 수 있다. 즉, 제어부(400)는, 열전 모듈(300)의 양단 및 저장 모듈(600)의 양단을 병렬로 연결하여, 열전 모듈(300)에 의해 생성된 전력과 저장 모듈(600)에 저장된 전력을 제2 밸런싱 회로(200)로 공급할 수 있다.
이와 같은 구성을 통해, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 열전 소자만 이용하는 경우에 비해 이차 전지(10)에 공급할 수 있는 전력을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 제어부(400)는, 상술한 바와 같은 동작을 수행하기 위해, 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀 및/또는 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
바람직하게는, 제어부(400)는, 적어도 하나의 메모리를 구비할 수 있다. 즉, 제어부(400)에는 적어도 하나의 메모리가 내장될 수 있다. 메모리에는 셀 밸런싱 장치에 의해 수행되는 다양한 동작과 관련된 프로그램과 데이터가 미리 저장될 수 있다.
본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치는, 배터리 팩에 자체적으로 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치를 포함할 수 있다. 여기서, 배터리 팩은, 다수의 이차 전지(10), 상기 셀 밸런싱 장치, 전장품(BMS, 릴레이, 퓨즈 등) 및 케이스 등을 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치의 각 구성요소 중 적어도 일부는, 종래 배터리 팩에 포함된 구성의 기능을 보완하거나 추가함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치의 제어부(400)는, 배터리 팩에 구비된 BMS(Battery Management System)에 의해 구현될 수 있다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 도 5에서, 각 단계의 수행 주체는, 앞서 설명한 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치의 각 구성요소라 할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 방법은, 충방전 대상 이차 전지 결정 단계(S100), 열에너지 방출 단계(S110), 전력 생성 단계(S120) 및 충전 단계(S130)를 포함한다.
먼저, 충방전 대상 이차 전지 결정 단계(S100)에서는, 다수의 이차 전지의 충전 상태가 계산되며, 계산된 충전 상태를 기초로 방전 대상 이차 전지 및 충전 대상 이차 전지가 결정된다. 이어서, 열에너지 방출 단계(S110)에서는, 방전 대상 이차 전지가 방전되고, 방전 대상 이차 전지로부터 공급받은 전력이 열에너지로 변환되어 방출된다. 이어서, 전력 생성 단계(S120)에서는, 열에너지 방출 단계에 의해 방출된 열에너지를 이용하여 전력이 생성된다. 이어서, 충전 단계(S130)에서는, 전력 생성 단계에 의해 생성된 전력이 충전 대상 이차 전지로 공급되어, 충전 대상 이차 전지가 충전된다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 방법은, 상기 충전 단계(S130)에 앞서, 저장 단계를 포함할 수 있다. 상기 저장 단계에서는, 상기 전력 생성 단계(S120)에서 생성된 전력이 저장될 수 있다. 이어서, 충전 단계(S130)에서는, 상기 저장 단계에서 저장된 전력이 충전 대상 이차 전지로 공급될 수 있다.
더욱이, 상기 열에너지 방출 단계(S110) 및 상기 충전 단계(S130)에서는, 방전 대상 이차 전지와 연결된 방전 스위치 및 충전 대상 이차 전지와 연결된 충전 스위치가 선택적으로 개폐될 수 있다.
더욱이, 상기 열에너지 방출 단계(S110) 및 상기 충전 단계(S130)에서는, 방전 대상 이차 전지로부터 방전된 전기에너지가 충전 대상 이차 전지로 공급되도록 방전 대상 이차 전지와 연결된 방전 스위치 및 충전 대상 이차 전지와 연결된 충전 스위치가 턴온 될 수 있다.
이상과 같이, 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.
한편, 본 명세서에서 '제어부', '측정부', 및 '열전 모듈' 등과 같이 '부' 및 '모듈'이라는 용어가 사용되었으나, 이는 논리적인 구성 단위를 나타내는 것으로서, 반드시 물리적으로 분리될 수 있거나 물리적으로 분리되어야 하는 구성요소를 나타내는 것은 아니라는 점은 당업자에게 자명하다.
10: 이차 전지
100: 제1 밸런싱 회로
110: 방전 스위치
130: 발열 저항
200: 제2 밸런싱 회로
210: 충전 스위치
300: 열전 모듈
310: 열전 소자
311_1, 312_1: 고온 플레이트
311_2, 312_2: 저온 플레이트
400: 제어부
500: 냉각 모듈
600: 저장 모듈
710: 전압 측정부
730: 전류 측정부
750: 온도 측정부
800: 변압기
B: 배터리 모듈
C: 충전 경로
D: 방전 경로
L: 저전압 충전 라인

Claims (12)

  1. 다수의 이차 전지를 구비하는 배터리 모듈에서 적어도 하나의 이차 전지의 전하를 균등화하는 셀 밸런싱 장치에 있어서,
    상기 다수의 이차 전지 각각의 양단과 연결되고, 상기 다수의 이차 전지 중 방전 대상 이차 전지로부터 전력을 공급받고, 공급받은 전력을 열에너지로 변환하여 방출하도록 구성된 제1 밸런싱 회로;
    하나 이상의 열전 소자를 구비하여, 상기 제1 밸런싱 회로에 의해 방출된 열에너지를 이용하여 전력을 생성하도록 구성된 열전 모듈;
    상기 열전 모듈에 의해 생성된 전력을 상기 다수의 이차 전지 중 충전 대상 이차 전지로 공급하도록 구성된 제2 밸런싱 회로;
    상기 열전 모듈의 양단과 상기 제2 밸런싱 회로 사이를 연결하여, 상기 열전 모듈에 의해 생성된 전력을 상기 제2 밸런싱 회로로 공급하도록 구성된 저전압 충전 라인; 및
    상기 다수의 이차 전지의 충전 상태를 계산하며, 계산된 충전 상태를 기초로 상기 방전 대상 이차 전지 및 상기 충전 대상 이차 전지를 결정하고, 상기 방전 대상 이차 전지와 연결된 상기 제1 밸런싱 회로의 전류 경로 및 상기 충전 대상 이차 전지와 연결된 상기 제2 밸런싱 회로의 전류 경로의 개폐를 제어하여, 상기 방전 대상 이차 전지 및 상기 충전 대상 이차 전지의 밸런싱을 수행하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 이차 전지의 온도를 일정하게 유지시키도록 구성된 냉각 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 밸런싱 회로는, 상기 이차 전지의 양단과 각각 연결되어 상기 이차 전지로부터 공급받은 전력을 열에너지로 변환하여 방출하는 발열 저항 및 상기 발열 저항과 직렬로 연결되어 상기 발열 저항에 전력을 공급하도록 구성된 방전 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 밸런싱 회로는, 일단이 상기 저전압 충전 라인에 연결되고 타단이 상기 이차 전지의 양단에 연결되며 서로 병렬 연결되는 복수의 충전 경로를 구비하고, 상기 충전 경로는, 전류 경로를 선택적으로 개폐하는 적어도 하나의 충전 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열전 모듈은, 상기 열전 소자의 고온 플레이트가 상기 제1 밸런싱 회로를 향하고, 상기 열전 소자의 저온 플레이트가 상기 냉각 모듈을 향하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열전 소자는, 상기 고온 플레이트가 상기 발열 저항에 접촉하고 상기 저온 플레이트가 상기 냉각 모듈에 접촉하며, 일단이 상기 저전압 충전 라인의 양극 단자와 연결되고 타단이 상기 저전압 충전 라인의 음극 단자에 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 방전 대상 이차 전지와 연결된 상기 방전 스위치 및 상기 충전 대상 이차 전지와 연결된 상기 충전 스위치를 선택적으로 개폐하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 방전 대상 이차 전지로부터 방전된 전기에너지가 상기 충전 대상 이차 전지로 공급되도록 상기 방전 대상 이차 전지와 연결된 상기 방전 스위치 및 상기 충전 대상 이차 전지와 연결된 상기 충전 스위치를 턴온 시키는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열전 모듈 및 상기 제2 밸런싱 회로와 연결되고, 상기 열전 모듈에 의해 생성된 전력을 공급받아 저장하도록 구성된 저장 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 저장 모듈과 상기 제2 밸런싱 회로의 전류 경로의 개폐를 제어하여, 상기 저장 모듈에 저장된 전력을 상기 제2 밸런싱 회로로 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 셀 밸런싱 장치를 포함하는 배터리 팩.
  12. 다수의 이차 전지를 구비하는 배터리 모듈에서 적어도 하나의 이차 전지의 전하를 균등화하는 셀 밸런싱 방법에 있어서,
    상기 다수의 이차 전지의 충전 상태를 계산하며, 계산된 충전 상태를 기초로 방전 대상 이차 전지 및 충전 대상 이차 전지를 결정하는 단계;
    상기 방전 대상 이차 전지를 방전시켜 상기 방전 대상 이차 전지로부터 전력을 공급받고, 공급받은 전력을 열에너지로 변환하여 변환된 열에너지를 방출하는 단계;
    상기 열에너지 방출 단계에 의해 방출된 열에너지를 이용하여 전력을 생성하는 단계; 및
    상기 전력 생성 단계에 의해 생성된 전력을 상기 충전 대상 이차 전지로 공급하여 상기 충전 대상 이차 전지를 충전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 방법.
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