KR20120016993A - 배터리 팩 그리고 배터리 팩의 액티브 셀 밸런싱 방법 - Google Patents

배터리 팩 그리고 배터리 팩의 액티브 셀 밸런싱 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 팩은 배터리 셀 및 상기 배터리 셀을 위해 전력을 입출력하는 변압기를 내장한 셀 모듈을 복수 개 쌓아 연결하고, 복수 개 셀 모듈 각각의 변압기 외부측 연결단을 병렬로 연결한 셀 모듈 스택, 그리고 각 셀 모듈이 전송한 각 셀 모듈의 상태 정보를 기초로 기준 전압을 계산하고, 배터리 셀 전압이 기준 전압보다 높은 제1 셀 모듈로 내장 변압기를 통해 일부 전력을 출력하도록 제1 제어 신호를 전송하고, 배터리 셀 전압이 기준 전압보다 낮은 제2 셀 모듈로 내장된 변압기의 외부측 연결단에 인가된 전력을 배터리 셀로 공급하도록 제2 제어 신호를 전송하는 배터리 관리 시스템을 포함한다.

Description

배터리 팩 그리고 배터리 팩의 액티브 셀 밸런싱 방법{BATTERY PACK AND ACTIVE CELL BALANCING METHOD OF BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩 그리고 배터리 팩의 액티브 셀 밸런싱 방법에 관한 것이다.
노트북과 휴대폰 등의 전자 기기와 자동차는 배터리를 통해 필요한 에너지를 공급받는다. 이러한 배터리는 배터리 셀(battery cell)과 각종 회로를 포함하는 배터리 팩(battery pack)으로 제작될 수 있다. 배터리 팩은 외부 충전기를 통해 배터리 셀을 충전하고 전자 기기나 자동차와 같은 외부 부하에 전압 및 전류를 공급하는 방전을 반복한다.
지금까지의 배터리 팩은 배터리 셀들을 직렬로 연결한 후, 하나의 외부 충전기로 전체 셀을 충전을 한다. 이때 셀이 균등하게 충전되거나 방전되지 못하여 충전 편차 또는 방전 편차가 발생할 수 있다. 배터리 팩은 이러한 편차를 바로 잡기 위해 셀 밸런싱(cell balancing)을 하는데, 이 셀 밸런싱에 많은 시간이 소요된다. 또한, 지금까지의 셀 밸런싱 방법은 배터리 셀에 잉여 전력이 발생하면, 잉여 전력을 저항으로 전달하여 소비한다. 따라서, 배터리 팩의 저항에서 일정 전력을 소모하게 되고, 또한 이로 인해 저항에서 열이 날 수 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 배터리 관리 시스템이 각 셀모듈의 정보를 기초로 셀 모듈의 잉여 전력을 다른 셀 모듈로 공급하여 셀 밸런싱하는 배터리 팩 그리고 배터리 팩의 액티브 셀 밸런싱 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩은 배터리 셀 및 상기 배터리 셀을 위해 전력을 입출력하는 변압기를 내장한 셀 모듈을 복수 개 쌓아 연결하고, 복수 개 셀 모듈 각각의 변압기 외부측 연결단을 병렬로 연결한 셀 모듈 스택, 그리고 각 셀 모듈이 전송한 각 셀 모듈의 상태 정보를 기초로 기준 전압을 계산하고, 배터리 셀 전압이 상기 기준 전압보다 높은 제1 셀 모듈로 내장 변압기를 통해 일부 전력을 출력하도록 제1 제어 신호를 전송하고, 배터리 셀 전압이 상기 기준 전압보다 낮은 제2 셀 모듈로 내장된 변압기의 외부측 연결단에 인가된 전력을 배터리 셀로 공급하도록 제2 제어 신호를 전송하는 배터리 관리 시스템을 포함한다.
상기 셀 모듈은 내장된 배터리 셀의 전력을 AC 전력으로 변환하여 내장된 변압기로 전달하는 DC/AC 변환기, 내장된 변압기의 외부측 연결단에 인가된 전력을 DC 전력으로 변환하여 내장된 배터리 셀로 전달하는 AC/DC 변환기, 그리고 내장된 배터리 셀의 상태를 모니터링하고, 모니터링한 상태 정보를 상기 배터리 관리 시스템으로 전송하며, 상기 배터리 관리 시스템으로부터 상기 제어 신호를 수신하고, 상기 제어 신호에 따라 상기 DC/AC 변환기와 상기 AC/DC 변환기를 제어하여 내장된 배터리 셀과 내장된 변압기 사이의 전력 이동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 셀 모듈은 내장된 배터리 셀과 상기 DC/AC 변환기 사이 또는 상기 DC/AC 변환기와 내장된 변압기 사이에 위치하고, 상기 제어부의 제어에 따라 열리거나 닫히는 제1 스위치, 그리고 내장된 배터리 셀과 상기 AC/DC 변환기 사이 또는 상기 AC/DC 변환기와 내장된 변압기 사이에 위치하고, 상기 제어부의 제어에 따라 열리거나 닫히는 제2 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 내장된 배터리 셀의 전압, 전류 그리고 온도를 모니터링할 수 있다.
상기 셀 모듈은 내장된 변압기의 권선비를 가변하여 입출력되는 전력량을 제어할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은 각 셀 모듈이 전송한 전압 정보를 기초로 상기 복수 개의 셀 모듈의 평균 전압을 계산하고, 상기 평균 전압을 상기 기준 전압으로 설정할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은 상기 제1 셀 모듈의 변압기를 통해 출력된 전력이 상기 제1 셀 모듈의 변압기 외부측 연결단에 병렬로 연결된 상기 제2 셀 모듈의 변압기 외부측 연결단으로 공급되고, 상기 제2 셀 모듈의 변압기 외부측 연결단에 공급된 전력이 상기 제2 셀 모듈의 배터리 셀로 전달되도록 상기 제1 셀 모듈과 상기 제2 셀 모듈로 해당 제어 신호를 전송할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은 병렬로 연결된 각 셀 모듈의 변압기를 통해 각 셀 모듈의 배터리 셀의 밸런싱을 제어하면서, 각 셀 모듈의 배터리 셀이 상기 기준 전압을 만족할 때까지 각 셀 모듈의 배터리 셀을 충전할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 배터리 관리 시스템이 복수의 셀 모듈이 연결된 셀 모듈 스택의 각 배터리 셀을 밸런싱하는 방법으로서, 배터리 셀 및 상기 배터리 셀을 위해 전력을 입출력하는 변압기를 내장한 각 셀 모듈로부터 상태 정보를 수신하는 단계, 상기 상태 정보를 기초로 계산한 기준 전압과 각 셀 모듈의 배터리 셀 전압을 비교하는 단계, 그리고 비교 결과를 기초로, 상기 셀 모듈 스택 중 적어도 하나의 셀 모듈에서 발생된 일정 전력이 병렬로 연결된 변압기를 통해 다른 셀 모듈로 분배되도록 해당 셀 모듈로 제어 신호를 전송하는 단계를 포함한다.
상기 해당 셀 모듈로 제어 신호를 전송하는 단계는 제1 셀 모듈의 배터리 셀 전압이 상기 기준 전압보다 높은 경우, 상기 제1 셀 모듈의 잉여 전력을 상기 제1 셀 모듈의 변압기를 통해 출력하도록 상기 제1 셀 모듈로 제어 신호를 전송하는 단계, 그리고 제2 셀 모듈의 배터리 셀 전압이 상기 기준 전압보다 낮은 경우, 상기 제2 셀 모듈의 변압기 외부측 연결단에 인가된 전력을 상기 제2 셀 모듈의 배터리 셀로 입력하도록 상기 제2 셀 모듈로 제어 신호를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 각 셀 모듈로부터 상태 정보를 수신하는 단계는 각 셀 모듈에 내장된 배터리 셀의 전압, 전류 그리고 온도 정보를 수신할 수 있다.
상기 기준 전압과 각 셀 모듈의 배터리 셀 전압을 비교하는 단계는 각 셀 모듈이 전송한 전압 정보를 기초로 계산한 상기 복수의 셀 모듈의 평균 전압을 상기 기준 전압으로 설정할 수 있다.
상기 방법은 비교 결과, 제3 셀 모듈의 배터리 셀 전압이 기준 전압과 같은 경우, 상기 제3 셀 모듈로 변압기와 상기 제3 셀 모듈의 배터리 셀 사이의 전력 교환을 중단하도록 하는 제어 신호를 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 배터리 팩은 각 셀 모듈의 잉여 전력을 전압이 낮은 셀 모듈에 공급하여 저항에서 잉여 전력을 소비할 필요 없이 셀 밸런싱을 수행하고, 저항에서 발생하는 열로 인한 문제를 해결할 수 있다. 또한 배터리 팩은 잉여 전력을 효율적으로 분배하여 급속 충전이 가능하고, 모든 셀 모듈의 균형을 맞추어 놓을 수 있어 배터리 팩의 가용 용량과 수명을 늘릴 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 셀 모듈의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 셀 모듈의 구조도이다.
도 4와 도 5 각각은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩의 연결 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩의 액티브 셀 밸런싱 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩 그리고 배터리 팩의 액티브 셀 밸런싱 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩의 블록도를 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하면, 배터리 팩(100)은 셀 모듈(200)과 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(300)을 포함한다. 이때 배터리 팩(100)은 복수 개의 셀 모듈(200)을 직렬, 병렬, 그리고 직렬과 병렬의 혼합 형태 중 어느 하나의 형태로 쌓은 셀 모듈 스택(도 6의 110)으로 구성된다. 셀 모듈 각각은 배터리 관리 시스템(300)과 연결된다. 배터리 팩(100)은 충전기(400)로부터 전류를 공급받아 배터리 셀을 충전하고, 부하(미도시)로 전류를 공급하여 방전한다. 배터리 팩(100)은 충전기(400)와 셀 모듈(200) 사이의 스위치(500), 그리고 배터리 팩(100)에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지기(600)를 더 포함할 수 있다. 이때 배터리 팩(100)은 재충전 가능한 리튬 배터리 팩(rechargeable lithium battery pack)일 수 있다.
셀 모듈(200)은 배터리 셀(210), 제어부(230), 변압기(250), DC/AC 변환기(260), AC/DC 변환기(270), 그리고 온도 센서(290)를 포함한다. 셀 모듈(200)은 배터리 관리 시스템(300)과 통신하여 신호를 주고 받는다.
배터리 셀(battery cell)(210)은 전류가 충전되는 장치로서, 방전되면 재충전하여 사용할 수 있다. 배터리 셀(210)은 충전기(400)를 통해 충전된다. 배터리 셀(210)이 충전되는 방식은 다양할 수 있으며, 예를 들면 CC/CV(Constant Current/ Constant Voltage) 방식이나 배터리 관리 시스템(300)이 지정한 방식으로 충전될 수 있다. 이때 배터리 셀(210)이 균등하게 충전되거나 방전되지 못하고 충전 편차 또는 방전 편차가 발생할 수 있다. 이러한 편차를 바로 잡기 위해 배터리 팩(100)은 배터리 관리 시스템(300)의 제어에 따라 배터리 셀(210)의 셀 밸런싱(cell balancing)을 수행 한다.
제어부(controller)(230)는 배터리 셀(210)의 상태를 모니터링하고, 모니터링한 상태 정보를 주기적으로 배터리 관리 시스템(300)으로 전송한다. 이때 제어부(230)는 배터리 셀(210)의 전압, 전류 그리고 온도를 모니터링한다. 제어부(230)는 배터리 관리 시스템(300)으로부터 수신한 제어 신호를 기초로 배터리 셀(210)의 밸런싱을 위해 셀 모듈(200)의 각종 장치를 제어한다. 즉, 제어부(230)는 DC/AC 변환기(260)와 AC/DC 변환기(270)를 제어한다. 이러한 제어부(230)의 제어에 따라, 배터리 셀(210)에 충전된 에너지가 DC/AC 변환기(260)와 변압기(250)를 통해 다른 셀 모듈로 이동할 수 있다. 또한 제어부(230)의 제어에 따라, 다른 셀 모듈에서 출력된 에너지가 AC/DC 변환기(270)와 변압기(250)를 통해 배터리 셀(210)로 이동할 수 있다. 따라서, 배터리 셀(210) 전압이 기준 전압보다 높은 경우, 배터리 셀(210)은 일정 전력을 셀 모듈(200) 외부로 출력하므로, 배터리 셀(210)은 기준 전압을 넘지 않게 된다. 또한 배터리 셀(210) 전압이 기준 전압보다 낮은 경우라면, 배터리 셀(210)은 다른 셀 모듈이 출력한 전력을 입력받으므로, 배터리 셀(210) 전압이 기준 전압까지 높아진다.
변압기(250)는 배터리 셀(210)의 밸런싱을 위해 전력을 입출력한다. 변압기(250)는 권선비를 기초로 내부측 연결단과 외부측 연결단에 인가된 전력을 교환한다. 변압기(250)의 내부측 연결단은 셀 모듈(200)의 내부에 연결된다. 변압기(250)의 외부측 연결단은 다른 셀 모듈의 외부측 연결단과 병렬로 연결된다. 변압기(250)의 외부측 연결단이 다른 변압기의 외부측 연결단과 병렬로 연결되어 있으므로, 어느 셀 모듈이 변압기를 통해 출력한 전력은 다른 셀 모듈의 변압기 외부측 연결단에 인가된다. 따라서, 전력이 필요한 셀 모듈은 다른 셀 모듈이 변압기를 통해 출력한 전력을 공급받아 자신의 배터리 셀을 충전할 수 있다.
DC/AC 변환기(260)는 입력된 DC(Direct Current) 전력을 AC(Alternating Current)로 변환하는 장치이다. DC/AC 변환기(260)는 제어부(230)의 제어에 따라 동작하며, 배터리 셀(210)의 전력이 입력되면, 입력 전력을 AC 전력으로 변환하여 변압기(250)로 출력한다. DC/AC 변환기(260)는 일정 듀티(duty) 사이클의 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방식으로 구현될 수 있다.
AC/DC 변환기(270)는 입력된 AC 전력을 DC로 변환하는 장치이다. AC/DC 변환기(270)는 제어부(230)의 제어에 따라 동작하며, 변압기(250)에 공급된 전력이 입력되면, 입력 전력을 DC 전력으로 변환하여 배터리 셀(210)로 출력한다. AC/DC 변환기(270)는 일정 듀티(duty) 사이클의 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방식으로 구현될 수 있다.
온도 센서(290)는 배터리 셀(210)의 온도를 기준 범위에서 동작시키도록 하는 장치이다. 온도 센서(270)는 배터리 셀(210)의 온도를 측정하여 제어부(230)로 전달한다. 이때 온도 센서(270)는 전기 저항이 온도에 관련된 소자인 NTC(Negative Temperature Coefficient) 온도 센서일 수 있다.
배터리 관리 시스템(300)은 셀 모듈(200)과 통신하는 셀 모듈 인터페이스부(310), 관리부(330), 그리고 외부 인터페이스부(350)를 포함한다.
셀 모듈 인터페이스부(310)는 셀 모듈(200)과 통신하여 셀 모듈(200)로부터 수신한 배터리 셀(210)의 상태 정보를 수신하고, 셀 모듈(200)로 각종 제어 신호를 전송한다. 이때 배터리 셀(210)의 상태 정보는 배터리 셀(210)의 전압, 전류 그리고 온도일 수 있다.
관리부(330)는 셀 모듈 인터페이스부(310)로부터 수신한 정보를 기초로 셀 모듈(200) 및 각종 연결 장치를 관리한다. 관리부(330)는 배터리 셀(210)의 상태 정보인 전압, 전류, 온도 정보가 정상 동작의 기준값을 넘는지 감시하여, 충전기(400)에서 셀 모듈로 공급되는 전력을 제어한다. 예를 들면, 관리부(330)는 스위치(500)를 제어하여 충전기(400)에서 공급되는 전류를 제어한다.
관리부(330)는 셀 모듈(200)로부터 수신한 배터리 셀(210)의 상태 정보를 기초로 셀 모듈(200)을 모니터링한다. 관리부(330)는 복수의 셀 모듈 중 적어도 하나의 셀 모듈로 충전 또는 방전에 관련된 제어 신호를 전송한다. 특히 관리부(330)는 배터리 셀(210)의 전압 정보를 기초로 셀 모듈(200)의 셀 밸런싱을 제어하여 복수의 셀 모듈 사이의 편차를 제거한다. 관리부(330)는 DC/AC 변환기(260)와 AC/DC 변환기(270)를 제어하도록 하는 제어 신호를 셀 모듈(200)로 전송한다. 예를 들면, 관리부(330)는 배터리 셀(210)의 전압이 기준 전압보다 높은 경우, 배터리 셀(210)의 잉여 전력에 해당하는 일정 전력을 변압기(250)를 통해 출력하도록 셀 모듈(200)로 제어 신호를 전송한다. 그리고, 배터리 셀(210)의 전압이 기준 전압보다 낮은 경우, 변압기(250)의 외부측 연결단에 공급된 전력을 배터리 셀(210)로 입력하도록 셀 모듈(200)로 제어 신호를 전송한다. 이때 기준 전압은 배터리 셀(210)의 충전 여부를 판단하기 위해 설정한 전압으로서, 예를 들면, 복수 셀 모듈의 평균 전압일 수 있다.
관리부(330)는 전류 감지기(600)를 통해 배터리 팩(100)의 과방전, 과충전 또는 안전 온도를 벗어나는 경우를 감지한다. 즉, 관리부(330)는 충전기(400)에서 배터리 팩(100)으로 흐르는 전류나 배터리 팩(100)에서 외부 부하(미도시)로 흐르는 전류가 안전 범위를 벗어날 경우, 스위치(500)를 제어하여 배터리 팩(100)을 보호 한다.
또한 관리부(330)는 조립된 셀 모듈의 고유 번호를 기초로 각 셀 모듈의 이력을 관리한다. 그리고 관리부(330)는 배터리 팩(100)의 생산 과정에서 에이징(aging)을 하고, 각 배터리 셀의 충전 및 방전 용량을 기초로 배터리 셀을 평가하여 기준에 미치지 못하는 불량 배터리 셀을 가려낸다. 관리부(330)는 사용 중인 배터리 셀의 가용 용량의 변화, 내저항, 충방전 횟수 등을 기초로 계산하여 각 배터리 셀의 잔존 수명을 계산한 후, 수명이 다 된 배터리 셀의 셀 모듈을 교체하도록 표시하여 알릴 수 있다.
외부 인터페이스부(350)는 배터리 팩(100)의 외부 장치와 통신할 수 있도록 한다. 예를 들어, 외부 인터페이스부(350)는 TCP/IP 포트, USB 포트, CAN(Controller Area Network) 통신 포트, 외장 메모리 연결부 등을 포함할 수 있다.
스위치(500)는 배터리 관리 시스템(300)의 제어에 따라 열리거나 닫힌다. 스위치(500)는 전력 제어가 가능한 소자로서, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)나 파워 FET(Field Effect Transistor)를 이용할 수 있다. 그리고 스위치(500)는 전자 접촉기(Magnetic Contactor, MC) 타입으로 구현될 수 있다.
전류 감지기(600)는 홀센서(hall sensor)나 션트저항(shunt resistance) 등으로 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 셀 모듈의 블록도이다.
도 2를 참고하면, 셀 모듈(200)은 배터리 셀(210), 제어부(230), 변압기(250), DC/AC 변환기(260), AC/DC 변환기(270), 그리고 온도 센서(290)를 포함한다. 그리고 셀 모듈(200)은 에너지 흐름을 제어하기 위해 복수의 스위치(281, 283, 285)를 더 포함할 수 있고, 필요에 따라 스위치(281, 283, 285)를 선택하여 구현할 수 있다. 셀 모듈(200)은 양극 연결 단자(220)와 음극 연결 단자(221) 그리고 통신 연결 단자(222)를 더 포함하는데, 이때 셀 모듈(200)은 양극 연결 단자(220)와 음극 연결 단자(221)를 통해 다른 배터리 셀과 연결되거나 충전기 또는 부하에 연결된다. 셀 모듈(200)은 통신 연결 단자(222)를 통해 배터리 관리 시스템(300)과 통신한다.
배터리 셀(210)은 충전기(400)로부터 전달된 전류를 양극 연결 단자(220)와 음극 연결 단자(221)를 통해 공급받아 충전된다. 그리고 배터리 셀(210)은 셀 밸런싱을 위해 변압기(250)로 일정 전력을 전달하거나 변압기(250)로부터 일정 전력을 공급받을 수 있다.
제어부(230)는 배터리 셀(210)의 전압과 전류를 측정하고, 온도 센서(290)를 통해 온도를 모니터링한다. 제어부(230)는 모니터링한 상태 정보를 통신 연결 단자(222)를 통해 배터리 관리 시스템(300)으로 주기적으로 전송한다. 제어부(230)는 배터리 관리 시스템(300)으로부터 수신한 제어 신호를 기초로 DC/AC 변환기(260), AC/DC 변환기(270) 그리고 복수의 스위치(281, 283, 285)의 동작 여부를 제어한다. 또한 제어부(230)는 배터리 관리 시스템(300)으로부터 수신한 제어 신호를 기초로 DC/AC 변환기(260)와 AC/DC 변환기(270)의 듀티(duty) 사이클을 가변하여 DC/AC 변환기(260)와 AC/DC 변환기(270)에서 출력되는 전력량을 제어할 수 있다.
변압기(250)는 권선비를 기초로 내부측 연결단과 외부측 연결단(251)에 인가된 전력을 교환한다. 변압기(250)의 내부측 연결단은 셀 모듈(200)의 내부로 연결되며, DC/AC 변환기(260)와 AC/DC 변환기(270)에 각각 연결된다. 변압기(250)의 외부측 연결단(251)은 다른 셀 모듈의 외부측 연결단과 병렬로 연결된다.
DC/AC 변환기(260)는 배터리 셀(210)과 변압기(250) 사이에 위치한다. DC/AC 변환기(260)는 제어부(230)의 제어에 따라 배터리 셀(210)의 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 변압기(250)로 출력한다.
AC/DC 변환기(270)는 배터리 셀(210)과 변압기(250) 사이에 위치한다. AC/DC 변환기(270)는 제어부(230)의 제어에 따라 변압기(250)의 AC전력을 DC전력으로 변환하여 배터리 셀(210)로 출력한다.
복수의 스위치(281, 283, 285)는 제어부(230)의 제어에 따라 열리고 닫힌다. 복수의 스위치(281, 283, 285)의 열리고 닫히는 동작에 따라 셀 모듈(200)의 에너지 교환이 멈추거나, 에너지 전달 방향이 결정된다. 복수의 스위치(281, 283, 285)는 FET(Field Effect Transistor)로 구현될 수 있으며, 제어부(230)의 제어에 따라 턴온(turn on)되거나 턴오프(turn off)된다. 스위치(281)는 배터리 셀(210)과 DC/AC 변환기(260) 사이에 위치하거나, 또는 DC/AC 변환기(260)와 변압기(250) 사이에 위치할 수 있다. 스위치(281)는 제어부(230)의 제어에 따라 열리고 닫힌다. 스위치(283)는 배터리 셀(210)과 AC/DC 변환기(270) 사이에 위치하거나, 또는 AC/DC 변환기(270)와 변압기(250) 사이에 위치할 수 있다. 스위치(281)는 제어부(230)의 제어에 따라 열리고 닫힌다. 스위치(285)는 변압기(250)의 외부측 연결단(251)에 연결된다. 스위치(281)는 제어부(230)의 제어에 따라 열리고 닫힌다.
온도 센서(290)는 배터리 셀(210)의 온도를 측정하여 제어부(230)로 전달한다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 셀 모듈의 구조도이다.
도 3을 참고하면, 셀 모듈(200)은 배터리 셀(210), 양극 연결 단자(220), 음극 연결 단자(221), 통신 연결 단자(222), 변압기(250)의 외부측 연결단(251), 제어 보드(224), 그리고 온도 센서(290)를 포함한다. 제어 보드(224)는 제어부(230), 변압기(250), DC/AC 변환기(260), AC/DC 변환기(270), 복수의 스위치(281, 283, 285) 등이 구현된다. 이러한 셀 모듈(200)은 셀 트레이(225)에 실장되어 모듈 단위로 만들어 진다.
도 4와 도 5 각각은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이다.
도 4와 도 5를 참고하면, 배터리 팩(100)은 셀 모듈(200)을 복수 개 연결하고, 각 셀 모듈의 변압기 출력단을 병렬로 연결한 셀 모듈 스택으로 구성된다. 이때 셀 모듈 스택은 직렬, 병렬, 그리고 직렬과 병렬의 혼합 형태 중 어느 하나의 형태로 연결될 수 있고, 이렇게 쌓인 셀 모듈 각각은 배터리 관리 시스템(300)과 연결된다. 셀 모듈(200)을 쌓는 방법은 다양할 수 있는데, 예를 들면, 도 4 및 도 5와 같이 배터리 팩의 용량에 따라 필요한 셀 모듈을 선택하여 연결할 수 있다.
지금까지는 배터리 팩을 만들 때 배터리 셀들을 먼저 한 덩어리로 조립한 후 여기에 각종 회로를 연결하기 때문에 불량 배터리 셀의 교체가 어려웠다. 그러나 이와 같이 셀 모듈(200)을 이용한 배터리 팩(100)은 불량 셀을 쉽게 교체할 수 있어 배터리 팩(100)을 오래 사용할 수 있다. 또한, 배터리 팩(100)은 각 셀 모듈의 잉여 전력을 전압이 낮은 셀 모듈에 공급하여 저항에서 잉여 전력을 소비할 필요 없이 셀 밸런싱을 수행하고, 저항에서 발생하는 열로 인한 문제를 해결할 수 있다. 또한 배터리 팩(100)은 잉여 전력을 필요한 셀 모듈로 효율적으로 분배하여 급속 충전이 가능하고, 모든 셀 모듈의 균형을 맞추어 놓을 수 있어 배터리 팩(100)의 가용 용량과 수명을 늘릴 수 있다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩의 연결 관계를 나타내는 도면이다.
도 6을 참고하면, 배터리 팩(100)은 셀 모듈(200)이 복수 개 연결된 셀 모듈 스택(110), 배터리 관리 시스템(300), 충전기(400)와 셀 모듈(200) 사이의 스위치(500, 510), 셀 모듈 스택(110)으로 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지기(600)를 포함할 수 있다.
셀 모듈 스택(110)은 N개(N은 자연수)의 셀 모듈(200)로 구성된다. 각 셀 모듈(200)은 배터리 셀(210), 제어부(230), 변압기(250), DC/AC 변환기(260), AC/DC 변환기(270)를 포함한다. 그리고, 각 셀 모듈(200)은 복수의 스위치(281, 283, 285)와 온도 센서(290)를 더 포함할 수 있다. 이때 N개의 배터리 셀은 극성에 맞춰 직렬로 연결된다. 그리고 각 셀 모듈(200)의 변압기(250) 외부측 연결단은 병렬로 연결된다. 변압기(250)의 외부측 연결단이 병렬로 연결되어 있으므로 어느 셀 모듈의 변압기를 통해 출력된 전력은 다른 셀 모듈로 입력될 수 있다. 그리고 각 셀 모듈(200)은 배터리 관리 시스템(300)과 통신하여 신호를 주고 받는다. 각 셀 모듈(200)은 배터리 셀(210)의 전압, 전류 온도 등의 상태 정보를 배터리 관리 시스템(300)으로 전송하고, 배터리 관리 시스템(300)으로부터 각종 제어 신호를 수신한다. 각 셀 모듈(200)은 배터리 관리 시스템(300)의 제어에 따라 DC/AC 변환기(260), AC/DC 변환기(270) 그리고 복수의 스위치(281, 283, 285)를 제어하여 충전 또는 방전 시 나타나는 배터리 셀 사이의 편차를 줄인다. 이와 같은 셀 모듈 스택(110)은 각 셀 모듈의 변압기에서 나온 출력을 모두 병렬로 연결하므로, 배터리 셀 전압이 낮은 셀 모듈은 전압이 높은 셀 모듈이 공급한 전력으로 충전할 수 있다.
배터리 관리 시스템(300)은 각 셀 모듈(200)의 상태 정보를 수집하여 충전기(400)로부터 셀 모듈 스택(110)으로 공급되는 전류를 제어한다. 그리고 배터리 관리 시스템(300)은 전류 감지기(600)의 정보를 기초로 충전기(400)로부터 셀 모듈 스택(110)으로 공급되는 전류를 제어한다. 배터리 관리 시스템(300)은 충전기(400)와 셀 모듈(200) 사이의 스위치(500/510)를 제어하여 충전기(400)와 셀 모듈 스택(110)의 연결을 온오프할 수 있다.
또한 배터리 관리 시스템(300)은 각 셀 모듈의 변압기를 통해 셀 모듈 스택(110) 중 적어도 하나의 셀 모듈에서 발생된 잉여 전력이 셀 모듈 스택(110)에서 분배되도록 셀 모듈로 제어 신호를 전송한다. 배터리 관리 시스템(300)은 배터리 셀의 전압이 기준 전압보다 높은 셀 모듈에게는 해당 배터리 셀의 잉여 전력을 변압기로 전달하도록 하고, 배터리 셀의 전압이 기준 전압보다 낮은 셀 모듈에게는 변압기 외부측 연결단에 인가된 전력을 받도록 하는 제어 신호를 전송한다. 배터리 관리 시스템(300)은 병렬로 연결된 각 셀 모듈의 변압기를 통해 각 셀 모듈의 배터리 셀의 밸런싱을 제어하면서, 모든 셀 모듈의 배터리 셀이 기준 전압을 만족하도록 하면서, 각 셀 모듈의 배터리 셀을 충전기(400)를 통해 충전한다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩의 액티브 셀 밸런싱 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참고하면, 배터리 팩(100)은 복수의 셀 모듈이 연결된 셀 모듈 스택(110)과 배터리 관리 시스템(300)을 포함한다. 각 셀 모듈은 배터리 셀과 배터리 셀의 밸런싱을 위한 전력을 입출력하는 변압기를 내장한다. 셀 모듈 스택(110)은 각 셀 모듈의 변압기 외부측 연결단이 병렬로 연결되어 어느 셀 모듈에서 발생한 잉여 전력을 다른 셀 모듈로 분배한다. 배터리 관리 시스템(300)은 셀 모듈 스택(110)에서 잉여 전력이 분배되어 셀 밸런싱되도록 각 셀 모듈을 제어한다.
배터리 관리 시스템(300)은 각 셀 모듈로부터 상태 정보를 수신한다(S710). 이때 상태 정보는 배터리 셀(210)의 전압, 전류 그리고 온도 정보이다.
배터리 관리 시스템(300)은 상태 정보를 기초로 계산한 기준 전압과 각 셀 모듈의 배터리 셀 전압을 비교한다(S720). 배터리 관리 시스템(300)은 각 셀 모듈이 전송한 전압 정보를 기초로 복수의 셀 모듈의 평균 전압을 계산하고, 이 평균 전압과 각 셀 모듈의 배터리 셀 전압을 비교할 수 있다.
배터리 셀 전압이 기준 전압보다 높은 셀 모듈이 있는 경우, 배터리 관리 시스템(300)은 배터리 셀의 잉여 전력을 변압기를 통해 출력하도록 해당 셀 모듈로 제어 신호를 전송한다(S730). 이때 잉여 전력은 기준 전압과 배터리 셀 전압의 차이에 해당하는 전력일 수 있다. 배터리 관리 시스템(300)은 해당 셀 모듈의 배터리 셀의 일부 전력을 변압기로 전달하는 DC/AC 변환기(260)를 작동하고 스위치(281, 285)를 턴온할 수 있다.
배터리 셀 전압이 기준 전압보다 낮은 셀 모듈이 있는 경우, 배터리 관리 시스템(300)은 변압기 외부측 연결단에 인가된 전력을 해당 셀 모듈의 배터리 셀로 공급하도록 해당 셀 모듈로 제어 신호를 전송한다(S740). 배터리 관리 시스템(300)은 해당 셀 모듈의 변압기 외부측 연결단에 공급된 전력을 배터리 셀로 전달하는 AC/DC 변환기(270)를 작동하고 스위치(283, 285)를 턴온할 수 있다.
그리고, 배터리 셀 전압이 기준 전압과 같은 셀 모듈이 있는 경우, 배터리 관리 시스템(300)은 변압기와 배터리 셀 사이의 전력 교환을 중단하도록 하는 제어 신호를 전송한다(S750). 이를 위해 배터리 관리 시스템(300)은 해당 셀 모듈의 DC/AC 변환기(260), AC/DC 변환기(270) 그리고 복수의 스위치(281, 283, 285)를 턴오프한다. 배터리 셀 전압이 기준 전압과 같으면 더 이상 해당 셀 모듈은 셀 밸런싱할 필요가 없다.
이와 같이 배터리 관리 시스템(300)은 각 셀 모듈의 배터리 셀이 기준 전압을 만족하는지 판단하여 셀 모듈 스택(110) 안에서 잉여 전력이 분배되도록 하며, 모든 배터리 셀 전압이 기준 전압과 같게 되면 셀 밸런싱을 종료한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참고하면, 셀 모듈의 전압 정보를 모니터링하는 배터리 팩(100)은 셀 모듈의 배터리 셀 전압과 기준 전압을 비교한다(S810). 배터리 팩(100)은 배터리 팩(100)에 내장된 배터리 셀의 평균 전압을 기준 전압으로 이용할 수 있다. 또는 배터리 팩(100)은 충전이나 방전 시간을 기초로 시간에 따른 기준 전압을 단계적으로 설정할 수 있다.
배터리 셀 전압이 기준 전압보다 높은 경우, 배터리 팩(100)은 셀 모듈의 배터리 셀에 인가된 전력을 AC 전력으로 변환하여 변압기로 전달하도록 셀 모듈을 제어한다(S820). 이때 배터리 팩(100)은 DC/AC 변환기(260)를 작동하고 스위치(281, 285)를 턴온한다. 그리고 배터리 팩(100)은 AC/DC 변환기(270)를 작동하지 않고 스위치(283)를 턴오프한다.
배터리 셀 전압이 기준 전압보다 낮은 경우, 배터리 팩(100)은 변압기에 인가된 전력을 DC 전력으로 변환하여 배터리 셀로 전달하도록 셀 모듈을 제어한다(S830). 이때 배터리 팩(100)은 AC/DC 변환기(270)를 작동하고 스위치(283, 285)를 턴온하며, DC/AC 변환기(260)와 스위치(281)를 턴오프한다.
이후 배터리 팩(100)은 배터리 셀 전압이 기준 전압과 같은지 판단한다(S840). 아직 배터리 셀 전압이 기준 전압과 같지 않은 경우, 배터리 팩(100)은 단계(S810)를 반복한다.
배터리 셀 전압이 기준 전압과 같은 경우, 배터리 팩(100)은 해당 셀 모듈의 배터리 셀과 변압기 사이의 전력 이동을 중단한다(S850). 이때 배터리 팩(100)은 해당 셀 모듈의 DC/AC 변환기(260), AC/DC 변환기(270) 그리고 복수의 스위치(281, 283, 285)를 턴오프 한다.
배터리 팩(100)은 모든 셀 모듈의 배터리 셀 전압이 기준 전압과 같은지 판단한다(S860). 아직 모든 셀 모듈의 배터리 셀 전압이 기준 전압과 같지 않은 경우, 배터리 팩(100)은 해당 셀 모듈에 대해 단계(S810)를 반복한다.
모든 셀 모듈의 배터리 셀 전압이 기준 전압과 같은 경우, 배터리 팩(100)은 셀 밸런싱을 완료한다(S870).
이와 같이 배터리 팩(100)은 각 셀 모듈의 잉여 전력을 전압이 낮은 셀 모듈에 공급하여 셀 밸런싱을 수행한다. 배터리 팩(100)은 충전할 때뿐만 아니라 방전하는 경우에도 이와 같은 방법을 이용하여 배터리 팩(100)을 구성하는 셀 모듈의 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (13)

  1. 배터리 셀 및 상기 배터리 셀을 위해 전력을 입출력하는 변압기를 내장한 셀 모듈을 복수 개 쌓아 연결하고, 복수 개 셀 모듈 각각의 변압기 외부측 연결단을 병렬로 연결한 셀 모듈 스택, 그리고
    각 셀 모듈이 전송한 각 셀 모듈의 상태 정보를 기초로 기준 전압을 계산하고, 배터리 셀 전압이 상기 기준 전압보다 높은 제1 셀 모듈로 내장 변압기를 통해 일부 전력을 출력하도록 제1 제어 신호를 전송하고, 배터리 셀 전압이 상기 기준 전압보다 낮은 제2 셀 모듈로 내장된 변압기의 외부측 연결단에 인가된 전력을 배터리 셀로 공급하도록 제2 제어 신호를 전송하는 배터리 관리 시스템
    을 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1항에서,
    상기 셀 모듈은
    내장된 배터리 셀의 전력을 AC 전력으로 변환하여 내장된 변압기로 전달하는 DC/AC 변환기,
    내장된 변압기의 외부측 연결단에 인가된 전력을 DC 전력으로 변환하여 내장된 배터리 셀로 전달하는 AC/DC 변환기, 그리고
    내장된 배터리 셀의 상태를 모니터링하고, 모니터링한 상태 정보를 상기 배터리 관리 시스템으로 전송하며, 상기 배터리 관리 시스템으로부터 상기 제어 신호를 수신하고, 상기 제어 신호에 따라 상기 DC/AC 변환기와 상기 AC/DC 변환기를 제어하여 내장된 배터리 셀과 내장된 변압기 사이의 전력 이동을 제어하는 제어부
    를 더 포함하는 배터리 팩.
  3. 제2항에서,
    상기 셀 모듈은
    내장된 배터리 셀과 상기 DC/AC 변환기 사이 또는 상기 DC/AC 변환기와 내장된 변압기 사이에 위치하고, 상기 제어부의 제어에 따라 열리거나 닫히는 제1 스위치, 그리고
    내장된 배터리 셀과 상기 AC/DC 변환기 사이 또는 상기 AC/DC 변환기와 내장된 변압기 사이에 위치하고, 상기 제어부의 제어에 따라 열리거나 닫히는 제2 스위치
    를 더 포함하는 배터리 팩.
  4. 제2항에서,
    상기 제어부는
    내장된 배터리 셀의 전압, 전류 그리고 온도를 모니터링하는 배터리 팩.
  5. 제1항에서,
    상기 셀 모듈은
    내장된 변압기의 권선비를 가변하여 입출력되는 전력량을 제어하는 배터리 팩.
  6. 제1항에서,
    상기 배터리 관리 시스템은
    각 셀 모듈이 전송한 전압 정보를 기초로 상기 복수 개의 셀 모듈의 평균 전압을 계산하고, 상기 평균 전압을 상기 기준 전압으로 설정하는 배터리 팩.
  7. 제1항에서,
    상기 배터리 관리 시스템은
    상기 제1 셀 모듈의 변압기를 통해 출력된 전력이 상기 제1 셀 모듈의 변압기 외부측 연결단에 병렬로 연결된 상기 제2 셀 모듈의 변압기 외부측 연결단으로 공급되고, 상기 제2 셀 모듈의 변압기 외부측 연결단에 공급된 전력이 상기 제2 셀 모듈의 배터리 셀로 전달되도록 상기 제1 셀 모듈과 상기 제2 셀 모듈로 해당 제어 신호를 전송하는 배터리 팩.
  8. 제1항에서,
    상기 배터리 관리 시스템은
    병렬로 연결된 각 셀 모듈의 변압기를 통해 각 셀 모듈의 배터리 셀의 밸런싱을 제어하면서, 각 셀 모듈의 배터리 셀이 상기 기준 전압을 만족할 때까지 각 셀 모듈의 배터리 셀을 충전하는 배터리 팩.
  9. 배터리 팩의 배터리 관리 시스템이 복수의 셀 모듈이 연결된 셀 모듈 스택의 각 배터리 셀을 밸런싱하는 방법으로서,
    배터리 셀 및 상기 배터리 셀을 위해 전력을 입출력하는 변압기를 내장한 각 셀 모듈로부터 상태 정보를 수신하는 단계,
    상기 상태 정보를 기초로 계산한 기준 전압과 각 셀 모듈의 배터리 셀 전압을 비교하는 단계, 그리고
    비교 결과를 기초로, 상기 셀 모듈 스택 중 적어도 하나의 셀 모듈에서 발생된 일정 전력이 병렬로 연결된 변압기를 통해 다른 셀 모듈로 분배되도록 해당 셀 모듈로 제어 신호를 전송하는 단계
    를 포함하는 액티브 셀 밸런싱 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 해당 셀 모듈로 제어 신호를 전송하는 단계는
    제1 셀 모듈의 배터리 셀 전압이 상기 기준 전압보다 높은 경우, 상기 제1 셀 모듈의 잉여 전력을 상기 제1 셀 모듈의 변압기를 통해 출력하도록 상기 제1 셀 모듈로 제어 신호를 전송하는 단계, 그리고
    제2 셀 모듈의 배터리 셀 전압이 상기 기준 전압보다 낮은 경우, 상기 제2 셀 모듈의 변압기 외부측 연결단에 인가된 전력을 상기 제2 셀 모듈의 배터리 셀로 입력하도록 상기 제2 셀 모듈로 제어 신호를 전송하는 단계
    를 포함하는 액티브 셀 밸런싱 방법.
  11. 제9항에서,
    상기 각 셀 모듈로부터 상태 정보를 수신하는 단계는
    각 셀 모듈에 내장된 배터리 셀의 전압, 전류 그리고 온도 정보를 수신하는 액티브 셀 밸런싱 방법.
  12. 제9항에서,
    상기 기준 전압과 각 셀 모듈의 배터리 셀 전압을 비교하는 단계는
    각 셀 모듈이 전송한 전압 정보를 기초로 계산한 상기 복수의 셀 모듈의 평균 전압을 상기 기준 전압으로 설정하는 액티브 셀 밸런싱 방법.
  13. 제9항에서,
    비교 결과, 제3 셀 모듈의 배터리 셀 전압이 기준 전압과 같은 경우, 상기 제3 셀 모듈로 변압기와 상기 제3 셀 모듈의 배터리 셀 사이의 전력 교환을 중단하도록 하는 제어 신호를 전송하는 단계
    를 더 포함하는 액티브 셀 밸런싱 방법.
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