KR102545263B1 - 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치 - Google Patents

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Abstract

열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치는, 적어도 하나의 배터리 셀의 온도를 측정하는 온도검출부; 각 배터리 셀에 연결되는 스위치와 저항을 포함하는 밸런싱 회로를 통해 각 배터리 셀의 양단 전압을 검출하는 밸런싱부; 밸런싱부에 병렬로 연결된 소모 저항과 배터리 셀의 외부에 직접 접촉하는 열전 소자를 포함하는 에너지 소모부; 일정 주기마다 온도검출부와 밸런싱부로부터 배터리 셀의 온도 및 전압을 모니터링하는 모니터링부; 및 모니터링되는 온도 및 전압을 기초로 배터리 셀이 과충전 상태인 경우, 소모 저항을 통해 열에너지를 소모시키고 열전 소자를 통해 배터리 셀을 냉각시켜 배터리 셀이 타겟 온도를 유지하도록 제어하는 제어부;를 포함한다. 이에 따라, 배터리 셀에 연결된 소모 저항을 통해 에너지를 소모하고 동시에 배터리 셀 외부에 접촉된 열전 소자가 셀을 냉각하여 효과적인 셀 밸런싱이 가능하다.

Description

열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치 {DEVICE FOR MANAGING BATTERY CELL USING THERMOELECTRIC ELEMENT}
본 발명은 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 펠티어 소자(열전 소자)가 배티리 셀에 직접 접촉된 형태로서 배터리 셀의 전압 및 온도를 모니터링하여 셀 밸런싱 및 온도 조절을 위한 기술에 관한 것이다.
배터리는 다양한 전자기기의 전력원으로 이용되고 있다. 전기 자동차나 기타 용도로 사용되는 배터리는 필요한 용량에 따라 수 십 개 또는 백 개 이상의 단위 셀(cell)이 집합된 배터리 팩으로 구성된다. 복수 개의 셀은 사용에 따른 시간이 경과함에 따라 쿨롱 효율 및 용량으로 기인하는 개별적인 동적 상태의 차이에 의해 전압의 불균형이 발생될 수 있다.
배터리의 사용 효율을 높이기 위해서는 배터리 셀들의 전압 레벨을 동일하게 유지하는 것이 필요하고, 이를 위해서 배터리 관리 시스템(battery management system: BMS)이 구비되어 배터리 팩의 각 배터리 셀들을 충전 또는 방전하면서 각 셀의 전압을 적정한 레벨로 유지시킨다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목 받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
이러한 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 상기 전지모듈에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어려운 실정이다.
충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
KR 10-2014-0004818 A KR 10-2020-0098880 A
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치는, 적어도 하나의 배터리 셀의 온도를 측정하는 온도검출부; 각 배터리 셀에 연결되는 스위치와 저항을 포함하는 밸런싱 회로를 통해 각 배터리 셀의 양단 전압을 검출하는 밸런싱부; 밸런싱부에 병렬로 연결된 소모 저항과 배터리 셀의 외부에 직접 접촉하는 열전 소자를 포함하는 에너지 소모부; 일정 주기마다 온도검출부와 밸런싱부로부터 배터리 셀의 온도 및 전압을 모니터링하는 모니터링부; 및 모니터링되는 온도 및 전압을 기초로 배터리 셀이 과충전 상태인 경우, 소모 저항을 통해 열에너지를 소모시키고 열전 소자를 통해 배터리 셀을 냉각시켜 배터리 셀이 타겟 온도를 유지하도록 제어하는 제어부;를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 열전 소자는 펠티어 소자(Peltier element)일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 에너지 소모부는 각 배터리 셀마다 회로 스위치를 통해 각각 연결되고, 열전 소자는 각 배터리 셀의 외부를 감싸는 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 에너지 소모부는 모든 배터리 셀에 회로 스위치를 통해 연결되고, 열전 소자는 모든 배터리 셀의 외부에 접촉하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제어부는, 외부 온도가 미리 설정된 온도 이하인 경우, 열전 소자를 이용하여 배터리 셀을 미리 설정한 타겟 온도로 히팅(heating)할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제어부는, PWM(Pulse Width Modulation)을 이용하여 열전 소자의 온도를 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제어부는, 모니터링부로부터 온도 정보를 수신하여 배터리 셀이 타겟 온도를 유지하도록 조절하는 온도제어모듈; 모니터링부로부터 전압 정보를 수신하여 배터리 셀의 전압을 균등화시키는 밸런싱제어모듈; 및 독립적인 배터리 형태로 구비되어 온도제어모듈과 밸런싱제어모듈의 동작 여부를 판단하여 동작하지 않을 경우 작동하는 보조모듈;을 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 방법은, 적어도 하나의 배터리 셀의 온도를 측정하는 단계; 각 배터리 셀에 연결되는 스위치와 저항을 포함하는 밸런싱 회로를 통해 각 배터리 셀의 양단 전압을 검출하는 단계; 일정 주기마다 배터리 셀의 온도 및 전압을 모니터링하는 단계; 모니터링되는 온도 및 전압을 기초로 배터리 셀이 과충전 상태인 경우, 밸런싱 회로에 병렬로 연결된 소모 저항을 통해 열에너지를 소모시키는 단계; 및 소모 저항과 직렬로 연결되고 배터리 셀의 외부에 직접 접촉하는 열전 소자를 통해 배터리 셀을 냉각시켜 배터리 셀이 타겟 온도를 유지하도록 제어하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 방법은, 배터리 셀과 소모 저항 및 열전 소자를 회로적으로 연결하기 위해 스위칭하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 배터리 셀이 타겟 온도를 유지하도록 제어하는 단계는, 외부 온도가 미리 설정된 온도 이하인 경우, 열전 소자를 이용하여 배터리 셀을 미리 설정한 타겟 온도로 히팅(heating)할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 배터리 셀이 타겟 온도를 유지하도록 제어하는 단계는, PWM(Pulse Width Modulation)를 이용하여 열전 소자의 온도를 조절할 수 있다.
이와 같은 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치에 따르면, 셀 밸런싱을 위해 회로도의 스위치가 온(On) 되면 병렬로 연결된 소모 저항이 열에너지를 소모하고 동시에 배터리 셀 외부에 직접 접촉된 열전 소자가 셀을 냉각하여 효과적인 배터리 셀의 냉각이 가능하다. 이에 따라, 배터리 셀의 열에 의한 성능 저하를 방지하고, 별도 냉각 시스템을 설치하는 것에 비해 제조 비용 및 장치의 부피를 줄일 수 있다.
또한, 외부 온도가 영하인 경우에는 배터리 셀의 성능이 저하될 수 있으므로, 일정 온도 이하인 경우 열전 소자를 이용하여 셀을 적정 온도로 히팅할 수 있으며, PWM 등의 기술을 이용하여 열전 소자의 온도를 조절하기 때문에 셀을 원하는 온도로 유지 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1의 밸런싱부의 밸런싱 회로의 일례를 도시한 회로도이다.
도 3은 도 1의 에너지 소모부의 일례를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 에너지 소모부의 열전 소자가 장착된 깡통형 슈퍼캐패시터의 예를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 에너지 소모부의 열전 소자가 장착된 파우치형 슈퍼캐패시터의 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 에너지 소모부의 열전 소자가 장착된 배터리 팩의 예를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 방법의 흐름도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치의 블록도이다.
본 발명에 따른 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치(10, 이하 장치)는 열전 소자가 배터리 셀 외부에 직접 접촉된 형태로 저항이 에너지를 소모하고 동시에 셀 외부에 접촉된 열전 소자가 셀을 냉각하는 셀 밸런싱을 위한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 장치(10)는 온도검출부(110), 밸런싱부(130), 에너지 소모부(190), 모니터링부(150) 및 제어부(170)를 포함한다.
본 발명의 상기 장치(10)는 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리를 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)가 설치되어 실행될 수 있으며, 상기 온도검출부(110), 상기 밸런싱부(130), 상기 에너지 소모부(190), 상기 모니터링부(150) 및 상기 제어부(170)의 구성은 상기 장치(10)에서 실행되는 상기 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리를 수행하기 위한 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다.
상기 장치(10)는 별도의 단말이거나 또는 단말의 일부 모듈일 수 있다. 또한, 상기 온도검출부(110), 상기 밸런싱부(130), 상기 에너지 소모부(190), 상기 모니터링부(150) 및 상기 제어부(170)의 구성은 통합 모듈로 형성되거나, 하나 이상의 모듈로 이루어 질 수 있다. 그러나, 이와 반대로 각 구성은 별도의 모듈로 이루어질 수도 있다.
상기 장치(10)는 이동성을 갖거나 고정될 수 있다. 상기 장치(10)는 디바이스(device), 기구(apparatus), 단말(terminal), UE(user equipment), MS(mobile station), 무선기기(wireless device), 휴대기기(handheld device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다.
상기 장치(10)는 운영체제(Operation System; OS), 즉 시스템을 기반으로 다양한 소프트웨어를 실행하거나 제작할 수 있다. 상기 운영체제는 소프트웨어가 장치의 하드웨어를 사용할 수 있도록 하기 위한 시스템 프로그램으로서, 안드로이드 OS, iOS, 윈도우 모바일 OS, 바다 OS, 심비안 OS, 블랙베리 OS 등 모바일 컴퓨터 운영체제 및 윈도우 계열, 리눅스 계열, 유닉스 계열, MAC, AIX, HP-UX 등 컴퓨터 운영체제를 모두 포함할 수 있다.
상기 온도검출부(110)는 적어도 하나의 배터리 셀의 온도를 측정한다.
예를 들어, 배터리 셀의 최적의 작동 온도는 약 10 내지 60 도이며, 상기 온도검출부(110)는 배터리 셀 사이의 공간에 장착되어 있을 수 있다. 상기 온도검출부(110)는 하나 이상일 수 있으며, 일정한 간격으로 형성될 수 있다.
상기 밸런싱부(130)는 각 배터리 셀에 연결되는 스위치와 저항을 포함하는 밸런싱 회로를 통해 각 배터리 셀의 양단 전압(양극, 음극)을 검출한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 밸런싱부(130)를 구성하는 밸런싱 회로(131)이다. 상기 밸런싱 회로(131)는 각 배터리 셀(C1, C2, C3, ...)에 각각 연결된 스위칭 소자(S1, S2, S3, ...) 및 저항(R1, R2, R3, ...)으로 구성될 수 있다.
다른 실시예로서, 상기 밸런싱부(130)는 열전 소자로부터의 역전압을 방지하기 위한 역전압 방지용 다이오드(D1, D2, D3, ...)를 더 포함할 수 있다. 역전압 방지용 다이오드(D1, D2, D3, ...)는 상기 밸런싱 회로(131)의 각 배터리 셀(C1, C2, C3, ...)의 양극에 연결될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 배터리 셀(C1)에 연결된 제1 스위칭 소자(S1)가 온(on)되면, 상기 제1 배터리 셀(C1)의 양단 전압을 검출할 수 있다. 마찬가지로, 제2 배터리 셀(C2)에 연결된 제2 스위칭 소자(S2)가 온(on)되면, 상기 제2 배터리 셀(C2)의 양단 전압을 검출하고, 제3 배터리 셀(C3)에 연결된 제3 스위칭 소자(S3)가 온(on)되면, 상기 제3 배터리 셀(C3)의 양단 전압을 검출할 수 있다.
상기 에너지 소모부(190)는 밸런싱부에 병렬로 연결된 소모 저항과 배터리 셀의 외부에 직접 접촉하는 열전 소자를 포함한다.
상기 에너지 소모부(190)는 각 배터리 셀(C1, C2, C3, ...)이 과충전 상태인 경우, 소모 저항을 통해 열에너지를 소모시키고, 이와 동시에 열전 소자를 통해 배터리 셀을 냉각시켜 배터리 셀을 냉각시킨다.
본 발명의 열전 소자는 배터리 셀의 외부에 직접 접촉되어 온도 조절에 유리하며, 상기 열전 소자는 펠티어 소자(Peltier element)일 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 에너지 소모부(190)의 일례로서 배터리 셀의 양단에 병렬로 연결되며, 소모 저항(Re)과 열전 소자를 포함하는 회로를 도시한다.
상기 에너지 소모부(190)는 각 배터리 셀(C1, C2, C3, ...)에 각각 연결되거나, 배터리 팩에 포함된 전체 배터리 셀에 공통으로 1개 연결될 수 있다. 이와 다르게, 상기 에너지 소모부(190)는 두 개 이상의 배터리 셀의 조합에 형성되는 등 필요에 따라 다양하게 설계할 수 있다.
상기 에너지 소모부(190)는 배터리 셀 또는 배터리 셀들을 포함하는 배터리 팩의 양극에 회로적인 스위치로 연결되어 양극 전압(Vcc) 또는 음극 전압(GND)에 연결될 수 있다.
상기 열전 소자는 각 배터리 셀(C1, C2, C3, ...)의 외측에 형성되거나, 배터리 셀들을 포함하는 배터리 팩의 외측에 전체적으로 또는 부분적으로 형성될 수 있다.
일 실시예로서, 도 4를 참조하면, 배터리의 일례인 깡통형 슈퍼캐패시터에서 열전 소자는 슈퍼캐패시터의 원통형 외부를 두르는 형태로 형성될 수 있다.
다른 실시예로서, 도 5를 참조하면, 배터리의 일례인 파우치형 슈퍼캐패시터에서 열전 소자는 슈퍼캐패시터의 외부 일면을 커버하는 형태로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예로서, 도 6을 참조하면, 배터리 팩의 외부 벽면에 1개의 열전 소자가 형성될 수 있다. 그러나, 이러한 실시예들은 예시에 불과하며, 배터리 셀의 모양, 개수, 배열 등에 따라 배터리 셀의 외측에 접촉하는 형태로 열전 소자를 설치할 수 있다.
상기 모니터링부(150)는 일정 주기마다 온도검출부와 밸런싱부로부터 배터리 셀의 온도 및 전압을 모니터링한다.
상기 모니터링부(150)는 정해진 시간마다 일정 간격으로 상기 온도검출부(110)로부터 측정된 배터리 셀의 온도를 모니터링하고, 상기 밸런싱부(130)로부터 측정된 배터리 셀의 전압을 모니터링하여 상기 제어부(170)로 전달한다.
배터리 셀의 적정 온도는 미리 설정될 수 있으며, 유지하고자 하는 타겟 온도를 기준으로 오차범위 내의 구간으로 설정할 수 있다. 배터리 셀의 전압은 배터리의 스펙에 따라 정격 전압이 설정되어 있을 수 있다.
상기 제어부(170)는 모니터링되는 온도 및 전압을 기초로 배터리 셀이 과충전 상태인 경우, 소모 저항을 통해 열에너지를 소모시키고 동시에 열전 소자를 통해 배터리 셀을 냉각시켜 배터리 셀이 타겟 온도를 효율적으로 유지할 수 있다.
예를 들어, 열전 소자를 이용한 냉각 시 큰 온도차로 인해 열전 소자 및 배터리 셀의 표면에 물방울 맺힘 현상을 방지하기 위해서 타겟 온도(냉각 온도)는 현재 배터리 셀의 온도보다 다소 낮게 설정할 수 있다.
상기 제어부(170)는 온도 조절이 필요한 배터리 셀과 상기 에너지 소모부(190)를 스위칭의 온/오프로 연결하여 상기 에너지 소모부(190)의 소모 저항(Re)을 통해 열 에너지를 소비하는 동시에 배터리 셀의 외부와 접촉하는 열전 소자를 통해 열을 방출할 수 있다.
상기 제어부(170)는 배터리 셀의 양단 전압의 스위칭 온/오프를 통한 PWM(Pulse Width Modulation)를 이용하여 열전 소자의 온도를 조절할 수 있다.
한편, 배터리 셀의 외부 온도가 적정 온도보다 낮은 경우 배터리 셀의 성능이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 제어부(170)는 열전 소자를 이용하여 외부 온도가 일정 온도 이하인 경우(예를 들어 영하인 경우), 배터리 셀을 미리 설정한 타겟 온도로 히팅할 수 있다.
상기 제어부(170)는 상기 모니터링부(150)로부터 온도 정보를 수신하여 배터리 셀이 타겟 온도를 유지하도록 조절하는 온도제어모듈, 상기 모니터링부(150)로부터 전압 정보를 수신하여 배터리 셀의 전압을 균등화시키는 밸런싱제어모듈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부(170)는 독립적인 배터리 형태로 구비되어 온도제어모듈과 밸런싱제어모듈의 동작 여부를 판단하여 동작하지 않을 경우 작동하는 보조모듈을 포함하여 밸런싱 효율을 높일 수 있다.
이에 따라, 배터리 셀의 열에 의한 성능 저하를 방지하고, 별도 냉각 시스템을 설치하는 것에 비해 제조 비용 및 장치의 부피를 줄일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 방법의 흐름도이다.
본 실시예에 따른 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 방법은, 도 1의 장치(10)와 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 1의 장치(10)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다.
또한, 본 실시예에 따른 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 방법은 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리를 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)에 의해 실행될 수 있다.
본 발명에 따른 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 방법은 열전 소자가 배터리 셀 외부에 직접 접촉된 형태로 저항이 에너지를 소모하고 동시에 셀 외부에 접촉된 열전 소자가 셀을 냉각하는 셀 밸런싱을 위한 것이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 방법은, 적어도 하나의 배터리 셀의 온도를 측정한다(단계 S10).
예를 들어, 배터리 셀의 최적의 작동 온도는 약 10 내지 60 도이며, 온도를 검출하기 위한 센서가 배터리 셀 사이의 공간에 하나 이상 장착되어 있을 수 있다.
각 배터리 셀에 연결되는 스위치와 저항을 포함하는 밸런싱 회로를 통해 각 배터리 셀의 양단 전압을 검출한다(단계 S20).
밸런싱 회로는 각 배터리 셀에 각각 연결될 수 있으며, 저항 및 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
일정 주기마다 배터리 셀의 온도 및 전압을 모니터링한다(단계 S30).
배터리 셀의 온도 및 전압은 정해진 시간마다 일정 간격으로 상기 측정할 수 있다.
모니터링되는 온도 및 전압을 기초로 배터리 셀이 과충전 상태인 경우, 밸런싱 회로에 병렬로 연결된 소모 저항을 통해 열에너지를 소모시킨다(단계 S40).
배터리 셀의 적정 온도는 미리 설정될 수 있으며, 유지하고자 하는 타겟 온도를 기준으로 오차범위 내의 구간으로 설정할 수 있다. 배터리 셀의 전압은 배터리의 스펙에 따라 정격 전압이 설정되어 있을 수 있다.
단계 S40과 동시에, 소모 저항과 직렬로 연결되고 배터리 셀의 외부에 직접 접촉하는 열전 소자를 통해 배터리 셀을 냉각시켜 배터리 셀이 타겟 온도를 유지하도록 제어한다(단계 S50).
본 발명의 열전 소자는 배터리 셀의 외부에 직접 접촉되어 온도 조절에 유리하며, 상기 열전 소자는 펠티어 소자(Peltier element)일 수 있다.
상기 열전 소자는 각 배터리 셀의 외측에 형성되거나, 배터리 셀들을 포함하는 배터리 팩의 외측에 전체적으로 또는 부분적으로 형성될 수 있다.
본 발명에서는 모니터링되는 온도 및 전압을 기초로 배터리 셀이 과충전 상태인 경우, 소모 저항을 통해 열에너지를 소모시키고 동시에 열전 소자를 통해 배터리 셀을 냉각시켜 배터리 셀이 타겟 온도를 효율적으로 유지할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배터리 셀이 타겟 온도를 유지하도록 제어하는 단계는, 외부 온도가 미리 설정된 온도 이하인 경우, 열전 소자를 이용하여 배터리 셀을 미리 설정한 타겟 온도로 히팅할 수 있다.
본 발명은, 배터리 셀과 소모 저항 및 열전 소자를 회로적으로 연결하기 위해 스위칭하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, PWM(Pulse Width Modulation)를 이용하여 열전 소자의 온도를 조절하여 배터리 셀의 온도를 타겟 온도로 유지할 수 있다.
다른 실시예에서, 독립적인 배터리 형태로 구비되는 보조모듈을 통하여 온도 제어 및 밸런싱 제어가 동작하지 않을 경우 보조로 작동하여 밸런싱 효율을 높일 수 있다.
이에 따라, 배터리 셀의 열에 의한 성능 저하를 방지하고, 별도 냉각 시스템을 설치하는 것에 비해 제조 비용 및 장치의 부피를 줄일 수 있다.
이와 같은, 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 배터리 셀에 직접 접촉된 열전 소자를 이용하여 온도 조절에 유리하며, 배터리에서 발생되는 열을 추가적인 냉각 시스템 없이도 효율적으로 방출할 수 있다. 따라서, 배터리가 사용되는 모든 분야에 유용하게 적용 가능하다.
10: 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치
110: 온도검출부
130: 밸런싱부
150: 모니터링부
170: 제어부
190: 에너지 소모부

Claims (11)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀의 온도를 측정하는 온도검출부;
    각 배터리 셀에 연결되는 스위치와 저항을 포함하는 밸런싱 회로를 통해 각 배터리 셀의 양단 전압을 검출하는 밸런싱부;
    밸런싱부에 병렬로 연결된 소모 저항과 배터리 셀의 외부에 직접 접촉하는 열전 소자를 포함하는 에너지 소모부;
    일정 주기마다 온도검출부와 밸런싱부로부터 배터리 셀의 온도 및 전압을 모니터링하는 모니터링부; 및
    모니터링되는 온도 및 전압을 기초로 배터리 셀이 과충전 상태인 경우, 소모 저항을 통해 열에너지를 소모시키고 열전 소자를 통해 배터리 셀을 냉각시켜 배터리 셀이 타겟 온도를 유지하도록 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는, 모니터링부로부터 온도 정보를 수신하여 배터리 셀이 타겟 온도를 유지하도록 조절하는 온도제어모듈;
    모니터링부로부터 전압 정보를 수신하여 배터리 셀의 전압을 균등화시키는 밸런싱제어모듈; 및
    독립적인 배터리 형태로 구비되어 온도제어모듈과 밸런싱제어모듈의 동작 여부를 판단하여 동작하지 않을 경우 작동하는 보조모듈을 포함하는 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    열전 소자는 펠티어 소자(Peltier element)인, 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    에너지 소모부는 각 배터리 셀마다 회로 스위치를 통해 각각 연결되고, 열전 소자는 각 배터리 셀의 외부를 감싸는 형태로 형성되는, 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    에너지 소모부는 모든 배터리 셀에 회로 스위치를 통해 연결되고, 열전 소자는 모든 배터리 셀의 외부에 접촉하여 형성되는, 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    외부 온도가 미리 설정된 온도 이하인 경우, 열전 소자를 이용하여 배터리 셀을 미리 설정한 타겟 온도로 히팅(heating)하는, 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    PWM(Pulse Width Modulation)을 이용하여 열전 소자의 온도를 조절하는, 열전 소자를 이용한 배터리 셀 관리 장치.
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