KR102509253B1 - 배터리 셀 포메이션 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 셀 포메이션 장치에 관한 것으로서 특히 다수의 배터리 셀의 충방전을 수행하는 장치에서 파워 케이블의 길이 및 수를 감소시키며, 이를 통해, 파워 케이블의 손실을 최소화하고 원가를 절감할 수 있도록 하는 배터리 셀 포메이션 장치에 관한 것이다.

Description

배터리 셀 포메이션 장치{Battery Cell Formation Device}
본 발명은 배터리 제조라인에서 화성공정에 들어가는 배터리 셀 포메이션 장치에 관한 것이다.
2차전지는 휴대용 전자기기부터 전기자동차, 에너지 저장장치, 등 다양하게 사용이 되고 있으며 최근 전기자동차 시장의 폭발적인 성장으로 그 수요가 급증하고 있고 자원 고갈 및 화석연료로 인한 지구 환경 파괴 등의 문제를 극복하기 위해 향후에는 그 수요가 더욱 증가할 것으로 예상된다. 배터리가 대용량화 되면서 단위 배터리 셀도 100A 이상의 대용량 배터리 셀이 주로 생산되고 있다.
2차전지의 제조 과정을 살펴보면, 2차전지의 제조 과정은 크게 전극생성 과정, 조립 과정 및 활성화(formation) 과정으로 구성된다. 활성화 과정은 2차전지를 충방전함으로써 2차전지 내부의 화학물질을 활성화(formation)하여 2차전지를 실제로 사용 가능하게 만드는 과정이다. 이활성화 과정은 시간이 가장 많이 소요되는 과정이다. 하나의 셀을 활성화 하는데 대게 5~6시간 정도의 시간이 소요된다. 현재는 각 2차전지 배터리 셀을 따로따로 충방전장치를 붙여서 활성화 하는 방법을 채택하고 있어서 2차전지의 생산성을 높이기 위해서 수많은 활성화 장비를 사용해야 하고 각 배터리 셀마다 충방전 케이블이 따로 연결되어야 하기 때문에 많은 공간을 차지하고 고원가의 문제점을 가지고 있다. 특히 100A 이상의 대용량 배터리 셀 활성화를 위해서는 굵은 케이블이 연결되어야 하기 때문에 훨씬 더 심각한 문제점을 갖는다.
일반적으로, 배터리 셀 포메이션 장치는 전원부가 배터리 셀 간의 거리가 멀어서 긴 파워 케이블이 사용 되어야하고, 배터리 셀의 용량증가로 인해 케이블의 굵기가 굵어지고 그로 인해 장비의 사이즈가 커지고 원가가 올라가고, 손실이 많이 발생한다는 문제점이 존재한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다수의 배터리 셀의 충방전을 수행하는 배터리 셀 포메이션 장치를 구성함에 있어서, 파워 케이블의 길이 및 수를 감소시키며, 이를 통해, 파워 케이블의 손실이 최소화될 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 다수의 배터리 셀의 충방전을 수행하는 배터리 셀 포메이션 장치에 있어서, 하나의 배터리 셀; 상기 하나의 배터리 셀을 충방전하는 전원부; 상기 하나의 배터리 셀과 상기 전원부를 연결하는 (+)(-) 파워 케이블; 상기 배터리 셀의 전압을 센싱하는 전압센서와 상기 배터리 셀의 전류를 센싱하는 전류센서를 포함하는 단위 충방전 모듈;
하나 이상의 단위 충방전 모듈을 제어하는 채널 제어기; 다수의 채널 제어기에 통신을 통해서 연결되고 각종 명령을 주고 상태를 모니터링하는 마스터 제어기;
상기 다수의 단위 충방전 모듈을 수직으로 적층하되 어느 하나의 단위 충방전 모듈의 (-) 파워 케이블과 인접한 단위 충방전 모듈의 (+) 파워 케이블을 통합하여 하나의 공유 파워 케이블로 구성함으로써 파워 케이블의 수를 감소시키며, 이를 통해, 정상적인 상태에서 공유 파워 케이블에는 전류가 거의 흐르지 않기 때문에 전체 손실을 대폭 줄일 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명에 따른 배터리 셀 포메이션 장치에 의하는 경우, 다수의 배터리 셀의 충방전을 수행하는 배터리 셀 포메이션 장치를 구성함에 있어서, 파워 케이블의 수를 감소시키며, 이를 통해, 파워 케이블의 손실이 최소화될 수 있도록 한다. 이상의 것들로 인해서 본 발명에 따른 배터리 셀 포메이션 장치는 원가를 최소화하고 사이즈를 최소화하며, 활성공정을 매우 효율적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 개별 충방전 방식에 따른 배터리 셀 포메이션 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일반전인 배터리 셀의 충방전 전압 및 전류 특성 그래프이다.
도 3은 종래의 배터리 셀 포메이션 장치의 실제 모습이다.
도 4는 종래의 배터리 셀 포메이션 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 배터리 셀 포메이션 장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 배터리 셀 포메이션 장치가 비절연 방식 센서를 사용하는 경우의 채널 제어기의 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 배터리 셀 포메이션 장치의 전원부 구성도이다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 셀 포메이션 장치의 공유 파워 케이블의 전류 특성 그래프이다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 이하의 상세한 설명은 예시적인 것에 지나지 않으며, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것에 불과하다.
도 1은 종래의 배터리 셀 포메이션 장치를 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 이러한, 배터리 셀 포메이션 장치에 의한 배터리 셀의 충방전 전압 및 전류 특성 그래프를 예시한 도면이다. 일반적으로, 배터리 셀 포메이션 장치는 배터리 생산라인에서 생산된 배터리 셀을 제대로된 특성을 갖도록 하기 위하여 충전 및 방전을 수행하는 장치이다.
도 2를 참조하면, 배터리 셀 포메이션 장치는 배터리 셀에 전원을 연결하여 충전하며, 일정한 전류로 충전하는 정전류 충전모드와 일정한 전압을 걸어주는 정전압 충전모드를 포함한다. 배터리 셀 충전 초기에 배터리 정전류를 공급하도록 동작하고, 배터리 셀 전압이 종지전압에 도달하면 정전압 충전모드가 동작해서 배터리 셀이 완충 상태가 된다.
도 1을 참조하면 종래의 개별 충방전 방식에 따른 배터리 셀 포메이션 장치에 의하는 경우 배터리 셀마다 각각에 별도의 전원장치를 구비하여 충방전을 수행하며, 이로 인해, 배터리 셀에 따라 개별적으로 정전류 제어와 정전압 제어가 이루어질 수 있도록 한다.
도 3은 종래의 개별 충방전방식에 따른 배터리 셀 포메이션 장치의 실제 모습을 보여준다. 도 3에서 볼 수 있듯이 종래의 셀 포메이션 장치는 다수의 배터리 셀을 동시에 충방전하는 장치를 구성하기 위해서는 각 배터리 셀마다 구비되는 전원장치 및 연결 케이블 등으로 인한 설치비용 상승과 많은 공간을 차지하는 문제점이 존재한다. 배터리 셀의 대용량화가 진행이 되면서 더욱 더 심각한 문제가 되고 있다.
도 4는 종래의 배터리 셀 포메이션 장치의 보다 자세한 구성도를 보여준다. 도 4를 참조하면, 기본적으로 배터리 셀 포메이션 장치는 하나의 배터리 셀(C1), 하나의 배터리 셀을 충방전하는 전원부(Vs1), 하나의 배터리 셀(C1)과 전원부(Vs1)를 연결하는 (+)(-) 파워 케이블(211, 212), 전원부(Vs1)와 배터리 셀(C1) 사이에 구비되는 릴레이(S1), 배터리 셀(C1)의 전압을 센싱하는 전압센서(Vc1)와 전류를 센싱하는 전류센서(Rs1)를 포함하는 단위 충방전 모듈(ex: 제1 단위 충방전 모듈(101) 기준)로 이루어지며, 다수의 배터리 셀을 동시에 충방전하도록 구성되는 경우 상기와 같은 단위 충방전 모듈이 배터리 셀의 갯수에 맞춰 복수 개(101, 102, 103, 104)가 구비될 수 있다.
한편, 이하에서는, 충방전 대상이 되는 배터리 셀이 4개가 구비됨에 따라 단위 충방전 모듈이 4개로 구현되는 것으로 예시하여 설명하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 하나 이상의 단위 충방전 모듈을 제어하는 채널 제어기(501, 502)가 포함될 수 있으며, 단위 충방전 모듈이 복수 개가 구비되는 경우, 다수의 채널 제어기에 각종 명령을 주고 각종 상태를 모니터링하는 마스터 제어기(700)가 포함될 수 있다. 한편, 도 4에서는 2개의 단위 충방전 모듈에 대하여 하나의 채널 제어기를 통한 제어가 이루어지는 것으로 예시하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 종래의 배터리 셀 포메이션 장치에 있어서, 단위 충방전 모듈은(ex: 제1 단위 충방전 모듈(101) 기준), 배터리 셀의 각 전극에서 대응하는 전원부(Vs1)의 전극으로 (+)(-) 파워 케이블(211, 212)이 개별 연결되는 형태로 이루어지며, 이로 인해, 다수의 배터리 셀을 동시에 충방전하는 장치를 구성하기 위해서는 각 배터리 셀마다 대응하는 (+)(-) 파워 케이블을 구비해야 함으로써 설치비용 상승과 많은 공간을 차지하게 되는 문제점이 존재한다. 예컨대, 전원부와 배터리 셀 간의 거리가 멀어서 긴 파워 케이블이 연결되어야 하고, 배터리 셀의 용량증가로 인해 파워 케이블의 굵기가 굵어지고, 그로 인해 장치의 사이즈가 커지고 원가가 올라가고, 손실이 많이 발생하게 된다.
상기와 같은 종래의 배터리 셀 포메이션 장치에 있어서의 한계를 극복하기 위해서 본 발명에서는 다수의 배터리 셀을 동시에 충방전 시키기 위한 케이블의 구조를 종래 대비 대폭 단순화시키는 새로운 형태의 배터리 셀 포메이션 장치으 결선구조를 제안한다. 예컨대, 다수의 배터리 셀을 동시에 충방전하는데 있어서 필요로 하는 파워 케이블의 수를 종래 대비 거의 절반으로 감소시킬 뿐 아니라 파워 케이블의 실제 전류를 거의 영(zero)로 만들어 줌으로서, 파워 케이블의 손실 또한 획기적으로 감소시킴으로써 각 배터리 셀의 충방전 과정이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명에 따른 배터리 셀 포메이션 장치의 구성도이다.
본 발명에 따른 셀 포메이션 장치는 다수의 상기 단위 충방전 모듈을 수직으로 적층하여 다수의 배터리 셀이 직렬로 연결이 되도록 한다. 도 5는 4개의 상기 단위 충방전 모듈을 적층한 사례를 보여준다. 여기에서, 수직으로 적층한다는 것은 물리적인 수직 적층만으로 한정되는 것을 의미하는 것이 아니며, 인접하는 배터리 셀들의 (+)(-) 전극이 서로 연결됨으로써 전기적으로 적층되는 것을 의미한다. 또한, 하나 이상의 단위 충방전 모듈을 제어하는 채널 제어기(501,502)가 포함될 수 있으며, 채널 제어기가 복수 개가 구비되는 경우, 다수의 채널 제어기에 각종 명령을 주고 각종 상태를 모니터링하는 마스터 제어기(700)가 포함될 수 있다. 다수의 채널 제어기와 마스터 제어기(700)는 통신라인(600)으로 연결이 될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 셀 포메이션 장치는 다수의 배터리 셀을 충방전 시키기 위한 케이블의 구조를 종래 대비 더 단순화시키기 위해, 배터리 셀 및 파워 케이블의 연결 방법에 있어서 종래와 차이점이 존재한다.
예컨대, 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 셀 포메이션 장치는 다수의 단위 충방전 모듈을 수직으로 적층하여 구성하되, 어느 하나의 단위 충방전 모듈(ex: 101)의 (-) 파워 케이블과 인접한 단위 충방전 모듈(ex: 102)의 (+) 파워 케이블을 통합하여 하나의 공유 파워 케이블(301)로 구성될 수 있다.
이 경우, 서로 이웃하는 단위 충방전 모듈 간에 하나의 파워 케이블을 공유함에 따라 종래의 배터리 셀 포메이션 장치의 구조 대비 파워 케이블의 수를 거의 절반으로 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 예컨대, 종래의 경우 배터리 셀 포메이션 장치를 구성하기 위한 파워 케이블의 수가 배터리 셀당 2개의 파워 케이블을 필요로 하였다면, 본 발명에 따른 배터리 셀 포메이션 장치의 구성에 의하는 경우 배터리 셀의 갯수 +1개의 파워 케이블만을 필요로 한다.
이와 더불어, 공유 파워 케이블에는 충방전 전류가 서로 상쇄되어 전류가 거의 흐르지 않기 때문에 케이블 손실을 획기적으로 줄일 수 있다. 특히. 정전류 충전모드에서는 공유 케이블 상에 흐르는 전류가 완전히 영(zere)이기 때문에 공유 케이블의 손실은 영(zero)이 된다. 정전압 충전모드에서는 배터리 셀간의 용량차이 때문에 소량의 전류가 흐를 수 있지만 종래의 방식에 비해서는 월등히 낮다.
본 발명에 있어서, 수직 적층되는 단위 충방전 모듈의 수는 포메이션 장치에 인체 접근이 허용되는 경우에는 인체에 감전 영향을 주지 않는 기 설정된 범위로 제한될 수 있다. 바람직하게는, 기 설정된 범위는 적층된 배터리 셀의 전압기준 50~60V로 제한될 수 있다. 상기 전원부가 켜져있는 동안에 인체의 접근이 제한된다면 단위 충방전 모듈의 적층 수는 제한이 없이 늘릴 수 있다. 일반적으로 EV용 배터리 셀에서 많이 사용되고 있는 72 채널 포메이션 장치를 가정할 때, 적층된 배터리 셀의 총 전압은 72 x 4.2V = 302.4V가 된다. 이 경우에 상기 전원부, 파워 케이블, 파워 케이블과 배터리 셀의 전극을 연결해주는 파워 컨텍터, 배터리 셀을 담는 트레이 등에 대한 절연전압이 단위 충방전 모듈의 적층 수에 비례해서 높은 절연전압이 요구 된다. 전원부와 파워 케이블, 배터리 셀은, 적층되는 배터리 셀의 수에 비례해서 이들이 접족이 되는 샷시, 지그, 셀 트레이, 하우징 등과 절연내력이 커져야 한다.
또한, 상기 전원부는 배터리 셀 포메이션 장치의 도어가 오픈되는 경우 모든 전원부가 오프됨으로써 사람이 배터리 셀 포메이션 장치에 대한 점검을 수행하는 과정에서 감전 등의 사고를 방지하는 기능이 포함되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명과 같은 배터리 셀 포메이션 장치에 의하는 경우 각 배터리 셀이 수직 적층되며, 이웃하는 단위 충방전 모듈 간 파워 케이블을 공유하는 형태로 연결됨에 따라, 자칫. 각 단위 충방전 모듈 간에 통신 혼선이 발생할 수 있다는 문제점이 존재한다. 이에, 본 발명의 경우 단위 충방전 모듈의 채널 제어기(501,502)와 마스터 제어기(700)에 포함된 통신구동부(미도시)는 절연된 구동부(Isolated Driver)로 구현하는 것이 바람직 하다.
도 5와 같이, 상기 채널 제어기가 2개 이상의 단위 충방전 모듈을 제어하는 경우에 상기 단위 충방전 모듈에 포함되는 전압센서와 전류센서는 전위 레벨이 다르기 때문에 비절연형 센서를 사용하여 센싱 할 수 없고 절연형 센서를 사용하거나 차동증폭기(401, 402, 403, 404)를 사용하여 각 센서의 DC 성분을 제거 시켜야 한다. 또한, 전원부와 채널 제어기는 직접 접지하지 않고 캐패시터를 통하여 접지시킴으로서 DC 성분을 제거 할 수 있다.
한편, 다른 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 배터리 셀 포메이션 장치의 전압센서 및 전류센서로서 비절연 방식 센서를 사용하는 경우에 단위 충방전 모듈은 도 6에 도시된 바와 같이 채널별로 별도의 접지라인이 분리된 채널 제어기(511, 512, 513, 514)를 별도로 사용하도록 구현될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 배터리 셀 포메이션 장치의 전원부 구성이다. 각 채널의 전원부는 절연된 DC/DC 컨버터(803)로 구성이 된다. 상기 절연된 DC/DC 컨버터(803)는 상기 채널 제어기(501, 502)에 의해서 제어가 되고 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 등의 데이터를 해당 채널제어기로 보내준다. 상기 절연된 DC/DC 컨버터의 입력은 AC/DC 컨버터(800)에 의해서 공급되는 DC 전원을 공급받는다. 하나의 AC/DC 컨버터에 연결된 DC 파워라인(802)에 다수의 상기 절연된 DC/DC 컨버터가 연결이 될 수 있다. 상기 AC/DC 컨버터의 입력은 유틸리티 AC파워라인(801)에 연결이 될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 셀 포메이션 장치의 전압, 전류 특성 그래프이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 있어서, 공유 파워 케이블(301, 302, 303)은 모든 배터리 셀이 정상동작하는 경우 정전류로 충전하는 구간에서 흐르는 전류 서로 상쇄되어 모두 영(zero)이 되고, 정전압으로 충전하는 구간에서는 인접한 2개의 배터리 셀의 용량 차이에 따른 전류 불평형에 해당하는 만큼 전류가 흐르게 된다. 하지만 그 전류는 배터리 셀에 흐르는 전류에 비해서 매우 적기 때문에 파워 케이블로 인해 야기되는 손실이 획기적으로 감소되는 효과가 있다. 공유 케이블의 전류가 가급적 많이 상쇄되도록 모든 단위 충방전 모듈은 동시에 정전류 충전을 시작하도록 구현하는 것이 바람직하다. 공유 파워 케이블로 흐르는 전류는 정격 충방전 전류에 비해서 매우 작기 때문에 공유 파워 케이블의 굵기를 대폭 줄일 수 있겠지만 불량 배터리 셀이 발생하는 경우 불량 배터리 셀에 직렬 연결된 릴레이는 오프되고, 불량 배터리 셀의 (+)단에 연결된 공유 파워 케이블과 (-)단에 연결된 공유 파워 케이블은 정격 전류가 흐르기 때문에 공유 파워 케이블의 용량을 줄이지 못하고 정격 용량대로 사용하여야 한다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예가 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
C1, C2, C3, C4: 배터리 셀
Vs1, Vs2, Vs3, Vs4: 전원부
S1, S2, S3, S4: 릴레이
Vc1, Vc2, Vc3, Vc4 : 전압센서
Rs1, Rs2, Rs3, Rs4 : 전류센서
101, 102, 103, 104: 단위 충방전 모듈
211, 221, 231, 241: (+) 파워케이블
212, 222, 232, 242: (-) 파워케이블
301, 302, 303: 공유 파워 케이블
401, 402, 403, 404: 차등 증폭기
501, 502, 511, 512, 513, 514: 채널 제어기
600: 통신케이블
700: 마스터 제어기
800: AC/DC 컨버터
801: AC 파워 라인
802: DC 파워 라인
803: 절연된 DC/DC 컨버터

Claims (10)

  1. 다수의 배터리 셀의 충방전을 수행하는 배터리 셀 포메이션 장치에 있어서,
    하나의 배터리 셀;
    상기 하나의 배터리 셀을 충방전하는 전원부;
    상기 하나의 배터리 셀과 상기 전원부를 연결하는 (+)(-) 파워 케이블;
    상기 배터리 셀의 전압을 센싱하는 전압센서와 전류를 센싱하는 전류센서;
    를 포함하는 단위 충방전 모듈;
    하나 이상의 단위 충방전 모듈을 제어하는 채널 제어기;
    다수의 채널 제어기에 통신을 통해서 연결되고 각종 명령을 주고 상태를 모니터링하는 마스터 제어기;
    상기 다수의 단위 충방전 모듈을 수직으로 적층하되
    어느 하나의 단위 충방전 모듈의 (-) 파워 케이블과 인접한 단위 충방전 모듈의 (+) 파워 케이블을 통합하여 하나의 공유 파워 케이블로 구성하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 포메이션 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전원부와 상기 파워 케이블, 상기 배터리 셀은,
    적층되는 배터리 셀의 수에 비례해서 이들이 접족이 되는 샷시, 지그, 셀 트레이, 하우징과 절연내력이 커지는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 포메이션 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전압센서 및 전류센서는,
    절연형 센서나 차동증폭기를 사용하여 센싱하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 포메이션 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 단위 충방전 모듈은,
    전압센서 및 전류센서로서 비절연 방식 센서가 사용되는 경우에 채널별로 별도의 접지라인이 분리된 채널 제어기를 사용하도록 구현되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 포메이션 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 채널 제어기는,
    접지에 직접 연결되지 않고 커패시터를 통해서 접지되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 포메이션 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 단위 충방전 모듈은,
    상기 전원부와 상기 해당 배터리 셀 사이에 릴레이를 두는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 포메이션 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 단위 충방전 모듈은,
    상기 공유 파워 케이블에 흐르는 전류가 최소가 되도록 동시에 정전류 충전을 시작하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 포메이션 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 공유 파워 케이블은,
    정격 충방전 전류를 흘릴 수 있는 용량을 사용하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 포메이션 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 단위 충방전 모듈의 적층 수는,
    인체에 감전 영향을 주지 않는 기 설정된 범위로 제한되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 포메이션 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 전원부는,
    상기 배터리 셀 포메이션 장치의 도어가 오픈되는 경우 모두 오프되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 포메이션 장치.
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