KR20120025964A - 배터리 팩 - Google Patents

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KR20120025964A KR1020110065953A KR20110065953A KR20120025964A KR 20120025964 A KR20120025964 A KR 20120025964A KR 1020110065953 A KR1020110065953 A KR 1020110065953A KR 20110065953 A KR20110065953 A KR 20110065953A KR 20120025964 A KR20120025964 A KR 20120025964A
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Abstract

본 발명의 목적은 셀 밸런싱 시스템이 착탈되도록 하는 배터리 팩을 제공하는 것으로 본 발명의 제 1 측면은, 제어부; 셀 밸런싱 시스템과 셀부를 포함하는 제 1 내지 제 3 배터리부를 포함하며, 상기 셀 밸런싱 시스템에는 제 1 내지 제 3 커넥터를 포함하며, 제 1 내지 제 3 커넥터에 다른 배터리부 또는 제어부와 연결되도록 하는 배터리 팩을 제공하는 것이다.

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 셀 밸런싱 시스템을 구비한 배터리 팩에 관한 것이다.
이차전지의 대용량화를 달성하기 위해서는 단일셀보다는 멀티셀의 팩을 이용함으로서 고전압을 인가하거나 용량을 증가시킬 수 있다. 그러나, 각각의 멀티셀의 전압은 셀자체적으로 충방전 특성을 갖기 때문에 시간이 경과함에 따라 언밸런싱되는 경향이 있다.
이렇게 배터리 팩 안의 셀들 사이의 전압차는 배터리 전지들 사이에 언밸런싱을 생성하여, 배터리 팩의 용량의 손실을 초래할 수 있다. 이에 따라, 모든 이차복수의 셀들의 과충전을 방지하고 균일하게 충전시킬 수 있도록 각각의 셀들을 밸런싱하기 위한 다양한 셀 밸런싱이 요망된다.
본 발명의 목적은 셀 밸런싱 시스템이 착탈가능하게 구비되는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제 1 측면은, 제어부; 셀 밸런싱 시스템과 셀부를 포함하는 제 1 내지 제 3 배터리부를 포함하며, 상기 셀 밸런싱 시스템에는 제 1 내지 제 3 커넥터를 포함하며, 제 1 내지 제 3 커넥터에 다른 배터리부 또는 제어부와 연결되도록 하는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
본 발명은 적어도 하나의 배터리부; 및 상기 배터리부의 동작을 제어하기 위한 제어부;를 포함하되, 상기 적어도 하나의 배터리부는 복수개의 셀을 포함하는 셀부와 상기 복수개의 셀 사이에서 전압을 밸런싱하는 셀 밸런싱 시스템을 구비하고, 상기 셀 밸런싱 시스템은 상기 적어도 하나의 배터리부로부터 착탈(detachable) 가능하도록 형성되는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명에서 상기 셀 밸런싱 시스템은 착탈가능한 커넥터를 통하여 상기 배터리부에 연결된다.
본 발명에서 상기 셀부는 착탈가능한 커넥터를 통하여 상기 셀 밸런싱 시스템과 연결된다.
본 발명에서 상기 제어부는 상기 적어도 하나의 배터리부의 상태에 관한 정보를 수용하고 상기 정보에 기초하여 셀 밸런싱 명령을 전송한다.
본 발명에서 상기 정보는 각 셀부에서 각 셀의 전압, 전류 및 온도에 관한 정보를 포함한다.
본 발명에서 상기 셀 밸런싱 시스템은 제 1 배터리부의 셀부에 셀 밸런싱 시스템을 연결하는 제 1 커넥터; 상기 제 2 배터리부 또는 제어부의 적어도 어느 하나와 셀 밸런싱 시스템을 연결하는 제 2 커넥터; 및 상기 제 3 배터리부 또는 제어부에 셀 밸런싱 시스템을 연결하는 제 3 커넥터를 포함하고, 상기 제1, 2 및 3 커넥터는 상기 셀 밸런싱 시스템이 상기 적어도 어느 하나의 배터리부로부터 착탈가능하도록 형성된다.
본 발명에서 상기 셀 밸런싱 시스템은 상기 배터리부와 정합 또는 매칭 가능하게(mateably) 연결된다.
본 발명에서 상기 제1, 2 및 3 커넥터의 각각은 상기 적어도 하나의 배터리부와 모듈러 배터리부(modular battery unit)를 연결하는 스위치를 제어하기 위한 적어도 하나의 스위치 제어라인을 구비하는 전기적 연결을 포함한다.
본 발명에서 상기 모듈러 배터리부는 제어부와 배터리부의 적어도 어느 하나를 포함한다.
본 발명에서 상기 셀 밸런싱 시스템은 스위치가 온되었을 때 셀 전압을 밸런스하고 스위치가 오프되었을 때는 셀 전압을 밸런스하지 않도록 한다.
본 발명에서 상기 셀부는 상기 셀부를 상기 셀 밸런싱 시스템에 연결하는 배터리 커넥터와 상기 셀을 연결하는 보호회로모듈을 더 포함한다.
본 발명에서 상기 배터리 팩은 복수개의 배터리부를 포함하고, 상기 셀 밸런싱 시스템은 인접하는 배터리부의 셀 밸런싱 시스템에 정합 또는 매칭 가능하게(mateably) 연결된다.
본 발명에서 상기 각 배터리부는 셀 밸런싱 시스템과 제1셀부를 연결하는 제 1 커넥터; 제 1 배터리부에 제1 모듈러 배터리부를 연결하는 제 2 커넥터; 및 상기 제 1 배터리부에 제 2 모듈러 배터리부를 연결하는 제 3 커넥터를 포함한다.
본 발명에서 상기 제 1 모듈러 배터리부와 제 2 모듈러 배터리부는 제어부와 배터리부의 적어도 어느 하나를 포함한다.
본 발명에 따른 이차전지팩에 의하면, 이차전지팩으로부터 셀 밸런싱 시스템이 착탈할 수 있어 셀 밸런싱 시스템의 재사용이 가능함으로 인해, 이차전지의 제조단가를 낮출 수 있다. 또한, 하나의 셀 밸런싱 시스템에 다양한 배터리 팩이 연결될 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 팩의 구조를 나타내는 구조도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이차전지팩에 채용된 배터리부의 연결관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 셀 밸런싱 시스템의 회로도를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 팩의 셀부의 구조를 나타내는 구조도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 팩의 구조를 나타내는 구조도이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 배터리 팩은 제어부(M), 제 1 배터리부(1S), 제 2 배터리부(2S), 제 3 배터리부(3S)를 포함한다.
제어부(M)는 제 1 내지 제 3 배터리부(1S 내지 3S)로부터 온도, 전압, 전류 등의 정보를 전달받아 각 배터리부(1S 내지 3S)의 상태를 파악한다. 그리고, 그에 대응하여 셀밸런싱이 이루어지도록 한다. 셀밸런싱은 제 1 내지 제 3 배터리부(1S 내지 3S) 중 셀밸런싱이 필요한 배터리부를 파악한 후 제 1 내지 제 3 배터리부(1S 내지 3S)에 셀밸런싱 명령을 전달함으로써 이루어진다. 여기서, 제어부(M)는 제 1 배터리부(1S)와 연결되어 있지만 제 3 배터리부(3S)와 연결되어 있는 것도 가능한다.
제 1 내지 제 3 배터리부(1S 내지 3S)는 복수의 셀(미도시)을 포함하며, 고전압, 대용량의 전류가 출력하도록 한다. 또한, 제 1 내지 제 3 배터리부(1S 내지 3S)는 각각 셀 밸런싱 시스템(미도시)를 더 구비하여 셀 밸런싱 시스템의 동작에 의해 셀밸런스가 이루어지도록 한다. 또한, 제 1 내지 제 3 배터리부(1S 내지 3S)와 셀 밸런싱 시스템은 착탈이 용이하여 각각 독립적으로 쉽게 교체가 이루어질 수 있도록 한다.
그리고, 하나의 제어부(M)에 제 1 내지 제 3 배터리부(1S 내지 3S)가 연결되어 있는 것으로 도시되어 있지만 여기에 한정되지 않고 제어부(M)에 연결되어 있는 배터리부의 수는 다양하게 구성된다.
도 2는 도 1에 도시된 이차전지팩에 채용된 배터리부의 연결관계를 나타내는 도면이다. 제 1 내지 제 3 배터리부(1S 내지 3S)는 각각 셀부(140)와 셀 밸런싱 시스템(200)으로 구성된다.
각각의 셀부(140)는 복수의 셀을 포함하며, 복수의 셀로부터 전류, 전압, 온도 등을 외부로 전달하도록 하는 배터리 커넥터(220b)를 포함한다.
각각의 셀 밸런싱 시스템(200)은 외부로부터 신호를 전달하고 전송하는 제 1 커넥터(220a), 제 2 커넥터(230a), 제 3 커넥터(230b)를 포함한다.
그리고, 제 1 배터리부(1S)의 셀 밸런싱 시스템(200)은 제 1 커넥터(220a)가 셀부(140)에 연결되어 있는 배터리 커넥터(220b)와 연결되고 제 2 커넥터(230a)는 제어부(M)와 연결되며 제 3 커넥터(230b)는 제 2 배터리부(2S)의 제 2 커넥터(230a)와 연결된다. 제 2 배터리부(2S)의 셀 밸런싱 시스템(200)은 제 1 커넥터(220a)가 셀부(140)에 연결되어 있는 배터리 커넥터(220b)와 연결되고 제 2 커넥터(230a)는 제 1 배터리부(1S)의 제 3 커넥터(230b)와 연결되며 제 3 커넥터(230b)는 제 3 배터리부(3S)의 제 2 커넥터(230a)와 연결된다. 제 3 배터리부(3S)의 셀 밸런싱 시스템(200)은 제 1 커넥터(220a)가 셀부(140)에 연결되어 있는 배터리 커넥터(220b)와 연결되고 제 2 커넥터(230a)는 제 2 배터리부(2S)의 제 3 커넥터(230b)에 연결되고 제 3 커넥터(230b)는 연결되지 않는 상태가 된다.
한편 도 2에 도시된 실시예에서 배터리부와 셀 밸런싱 시스템의 숫자는 제한되지 않는다. 또한 각 셀 밸런싱 시스템은 모듈러 배터리부(modular battery unit)에 연결되도록 형성될 수 있다. 모듈러 배터리부는 배터리부, 다른 셀 밸런싱 시스템 또는 제어부의 어느 하나가 될 수 있다.
그리고, 각각의 커넥터들이 연결되면 제 1 배터리부(2S)의 셀 밸런싱 시스템(200)과 제 2 배터리부(2S)의 셀 밸런싱 시스템(200)과 제 3 배터리부(3S)의 셀밸랜싱부(200)는 전기적으로 연결된다. 따라서, 제 1 배터리부(1S)의 데이터선(data), 접지선(ground), 클럭선(CLK), 양극선(+), 음극선(-)은 각각 제 2 배터리부(2S)와 제 3 배터리부(3S)의 데이터선(data), 접지선(ground), 클럭선(CLK), 양극선(+), 음극선(-)과 연결된다. 또한, 각각의 커넥터(220a, 220b, 230a, 230b)들은 착탈이 용이하게 각 구성요소들과 연결된다. 각각의 커넥터(220a, 220b, 230a, 230b)들은 또한 용이하게 착탈리 가능하므로 회로 구성들은 용이하게 분리가 가능하게 된다. 그러므로 각각의 셀 밸런싱 시스템(200)과 셀부(140)는 용이하게 제거되거나 분리될 수 있다. 따라서, 각각의 배터리부(1S 내지 3S)의 셀 밸런싱 시스템(200)과 셀부(140)는 각각 독립적으로 교환할 수 있어 특정의 셀 밸런싱 시스템(200) 만을 교체하거나 특정의 셀부(140)만을 교체할 수 있다.
한편, 각 셀 밸런싱 시스템(200)은 각 배터리부(1S, 2S, 3S)에 정합 또는 매칭 가능하게(mateably) 연결될 수 있다. 각 셀 밸런싱 시스템은 또한 제어부(M)와 또 다른 셀 밸런싱 시스템(200)에 정합 또는 매칭 가능하게 연결가능하다.
도 3은 도 1에 도시된 셀 밸런싱 시스템의 회로도를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하여 설명하면, 셀 밸런싱 시스템은 제 1 컨텍터(220a), 제 2 커넥터(230a), 제 3 커넥터(230b) 및 스위치(SW)를 포함한다. 그리고, 전류, 전압, 온도 등의 데이터가 전달되도록 하는 데이터선(data), 접지가 되도록 하는 접지선(ground), 클럭을 전달하는 클럭선(CLK) 스위치(SW)를 제어하는 스위치 제어선(S.C) 등이 제 1 커넥터(220a), 제 2 커넥터(230a), 제 3 커넥터(230b)를 연결한다. 또한, 스위치(SW), 제 1 커넥터의 양극 단자, 제 1 커넥터의 음극 단자를 연결하는 전원선을 포함한다.
셀 밸런싱 시스템은 스위치(SW)가 턴오프되면 전원선이 오프상태가 된다. 이때, 셀 밸런싱 동작을 하지 않는다. 이 상태에서 제 1 내지 제 3 배터리부(1S 내지 3S)가 충전 소스를 통하여 충전되거나 외부기기에 전류를 공급하여 방전가능하다. 스위치가 턴온 되었을 때 양극(+) 단자인 애노드 라인은 쇼트되고 이 상태에서 셀부(140)는 셀 밸런싱 동작을 수행한다. 스위치의 동작은 제어부(M)에 의하여 제어될 수 있다. 이때, 스위치(SW)가 오프상태이기 때문에 제 1 배터리부(1S)의 제 1 커넥터 음극(-) 단자가 제 2 배터리부(2S)의 제 1 커넥터의 양극(+) 단자와 연결되고, 제 2 배터리부(3S)의 제 1 커넥터의 음극(-) 단자는 제 3 배터리부(3S)의 제 1 커넥터의 양극(+) 단자와 연결된다. 또한, 제 1 배터리부(1S) 제 1 커넥터의 양극(+) 단자는 각각 제 1 배터리부(1S) 제 2 커넥터, 제 3 배터리부(3S) 제 1 커넥터의 음극(-)단자는 제 3 배터리부(3S)의 제 3 커넥터에 연결된다. 즉, 제 1 배터리부의 셀부와 제 2 배터리부의 셀부와 제 3 배터리부의 셀부는 직렬로 연결된다. 그리고, 제 1 배터리부(1S)의 제 2 커넥터와 제 3 배터리부(3S)의 제 3 커넥터는 부하(미도시)와 연결된다. 따라서, 부하는 직렬로 연결된 제 1 배터리부(1S) 내지 제 3 배터리부(3S)로부터 전원을 공급받는다.
그리고, 셀밸런싱 동작이 진행될 때는 스위치(SW)가 턴온된다. 스위치(SW)가 턴온되면 전원선이 제 1 커넥터의 양극(+)단자와 음극(-)단자가 연결되어 양극(+)단자와 음극(-)단자가 전기적으로 연결되어 쇼트된다. 양극(+)단자와 음극(-)단자가 쇼트가 되면 배터리부에 충전된 전압이 방전되어 배터리부의 전압이 낮아지게 되어 셀밸런싱이 이루어진다. 이때, 양극(+)단자와 음극(-)단자가 쇼트되면 셀부가 손상을 받을 우려가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 스위치에 저항이 연결되어 양극(+)단자와 음극(-)단자가 쇼트되면 저항에 의해 전압강하가 발생하게 됨으로써 셀부의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 스위치를 FET 등으로 구현하여 스위치의 턴온 전압을 조절하여 FET에서 전압이 소비될 수 있도록 하는 것도 가능하다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 팩의 셀부의 구조를 나타내는 구조도이다. 도 4를 참조하여 설명하면, 셀부(140)는 복수의 셀(41,42,43)과 복수의 셀(41,42,43)로부터 신호를 전달하거나 전달받는 PCB 어셈블리(44) 및 배터리 커넥터(220b)를 포함한다.
복수의 셀(41,42,43)은 배터리부(140)의 용량을 증대하기 위해 각각의 셀(41,42,43)들이 병렬로 연결된다.
PCB 어셈블리(44)는 복수의 셀(41,42,43)과 연결되며 각각의 셀(41,42,43)에서 출력되는 전압 및 전류, 그리고, 셀 각각의 온도 등의 정보를 전달받아 배터리 커넥터(220b)로 전달하고 배터리 커넥터(220b)는 연결되어 있는 데이터선(data)을 통해 제어부(M)로 전달한다. 또한, PCB 어셈블리(44)는 제어부(M)으로부터 셀밸런싱 명령을 전달받으면 셀밸런싱이 되도록 한다. 한편 PCB 어셈블리(44)는 회로기판보드로 언급되고 있으나 이에 제한되지는 않는다. 상기 PCB는 배터리 셀(41, 42, 43)의 각각을 연결되도록 형성된 보호회로모듈로 취급될 수 있다.
배터리 커넥터(220b)는 PCB 어셈블리(44)로 신호를 전달하거나 신호를 전달받고 또는 셀 밸런싱 명령 신호를 전달하거나 전달받을 수 있다.
1S : 제 1 배터리부
2S : 제 2 배터리부
3S : 제 3 배터리부
140 : 셀부
200 : 셀 밸런싱 시스템
220a : 제 1 커넥터
230a : 제 2 커넥터
230b : 제 3 커넥터
220b : 배터리 커넥터

Claims (14)

  1. 적어도 하나의 배터리부; 및
    상기 배터리부의 동작을 제어하기 위한 제어부;를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 배터리부는 복수개의 셀을 포함하는 셀부와 상기 복수개의 셀 사이에서 전압을 밸런싱하는 셀 밸런싱 시스템을 구비하고, 상기 셀 밸런싱 시스템은 상기 적어도 하나의 배터리부로부터 착탈(detachable) 가능하도록 형성되는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 시스템은 착탈가능한 커넥터를 통하여 상기 배터리부에 연결되는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 셀부는 착탈가능한 커넥터를 통하여 상기 셀 밸런싱 시스템과 연결되는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 적어도 하나의 배터리부의 상태에 관한 정보를 수용하고 상기 정보에 기초하여 셀 밸런싱 명령을 전송하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정보는 각 셀부에서 각 셀의 전압, 전류 및 온도에 관한 정보를 포함하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 시스템은 제 1 배터리부의 셀부에 셀 밸런싱 시스템을 연결하는 제 1 커넥터;
    상기 제 2 배터리부 또는 제어부의 적어도 어느 하나와 셀 밸런싱 시스템을 연결하는 제 2 커넥터; 및
    상기 제 3 배터리부 또는 제어부에 셀 밸런싱 시스템을 연결하는 제 3 커넥터를 포함하고,
    상기 제1, 2 및 3 커넥터는 상기 셀 밸런싱 시스템이 상기 적어도 어느 하나의 배터리부로부터 착탈가능하도록 형성되어 있는 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 시스템은 상기 배터리부와 정합 또는 매칭 가능하게(mateably) 연결되는 배터리 팩.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1, 2 및 3 커넥터의 각각은 상기 적어도 하나의 배터리부와 모듈러 배터리부(modular battery unit)를 연결하는 스위치를 제어하기 위한 적어도 하나의 스위치 제어라인을 구비하는 전기적 연결을 포함하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 모듈러 배터리부는 제어부와 배터리부의 어느 하나인 배터리 팩.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 시스템은 스위치가 턴온되었을 때 셀 전압을 밸런스하고 스위치가 턴오프되었을 때는 셀 전압을 밸런스하지 않도록 하는 배터리 팩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 셀부는 상기 셀부를 상기 셀 밸런싱 시스템에 연결하는 배터리 커넥터와 상기 셀을 연결하는 보호회로모듈을 더 포함하는 배터리 팩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 복수개의 배터리부를 포함하고, 상기 셀 밸런싱 시스템은 인접하는 배터리부의 셀 밸런싱 시스템에 정합 또는 매칭 가능하게(mateably) 연결되는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 각 배터리부는 셀 밸런싱 시스템과 제1셀부를 연결하는 제 1 커넥터;
    제 1 배터리부에 제1 모듈러 배터리부를 연결하는 제 2 커넥터; 및
    상기 제 1 배터리부에 제 2 모듈러 배터리부를 연결하는 제 3 커넥터를 포함하는 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제 1 모듈러 배터리부와 제 2 모듈러 배터리부는 제어부와 배터리부의 어느 하나인 배터리 팩.
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