KR20120132336A - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 팩에 관한 것이다.
일례로, 복수의 배터리 유닛과 연결된 복수의 양극 배터리 단자 및 복수의 음극 배터리 단자; 상기 양극 배터리 단자들과 각각 연결된 복수의 양극 충전 단자; 상기 양극 배터리 단자들과 각각 연결된 복수의 양극 방전 단자; 상기 음극 배터리 단자들과 각각 연결된 복수의 음극 충전 단자; 상기 음극 배터리 단자들과 각각 연결된 복수의 음극 방전 단자; 상기 양극 방전 단자들 및 상기 음극 방전 단자들에 연결된 복수의 방전 제어 스위치; 및 상기 배터리 유닛들을 선택적으로 직렬 연결하기 위해 상기 복수의 방전 제어 스위치들의 상태를 제어하는 제어부를 포함하는 배터리 팩을 개시한다.

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것이다.
이차 전지는 셀룰러 폰(Cellular phone), 노트북 컴퓨터, 캠코더, PDA(personal digital assistants) 등 휴대용 전자기기뿐만 아니라 가정용 진공 청소기 등의 휴대 전원으로서 사용되고 있다. 일반적인 가정용 진공 청소기의 경우 가정 내 AC 전원을 이용하여 청소기의 모터를 구동시킨다. 그러나, AC 전원을 연결할 수 없는 공간 내에서 가정용 진공 청소기를 휴대하기 위해서는 별도의 전원이 반드시 필요하다. 이러한 휴대 전원으로서의 이차 전지는 사양에 따라 다르지만 약 100V 이상의 고출력이 필요하다.
본 발명은 고효율 충전 및 고출력 방전을 위한 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수의 배터리 유닛과 연결된 복수의 양극 배터리 단자 및 복수의 음극 배터리 단자; 상기 양극 배터리 단자들과 각각 연결된 복수의 양극 충전 단자; 상기 양극 배터리 단자들과 각각 연결된 복수의 양극 방전 단자; 상기 음극 배터리 단자들과 각각 연결된 복수의 음극 충전 단자; 상기 음극 배터리 단자들과 각각 연결된 복수의 음극 방전 단자; 상기 양극 방전 단자들 및 상기 음극 방전 단자들에 연결된 복수의 방전 제어 스위치; 및 상기 배터리 유닛들을 선택적으로 직렬 연결하기 위해 상기 복수의 방전 제어 스위치들의 상태를 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 배터리 팩은, 상기 복수의 양극 방전 단자와 상기 복수의 음극 방전 단자를 통하여 부하로 전력을 제공하고, 상기 복수의 양극 충전 단자와 상기 복수의 음극 충전 단자를 통하여 상기 복수의 배터리 유닛을 충전할 수 있다.
또한, 상기 충전 단자들은 서로 떨어져 위치하고, 상기 방전 단자들은 서로 떨어져 위치하며, 상기 충전 단자들은, 상기 충전 단자들 간의 간격과 상기 방전 단자들 간의 간격보다 각각 먼 거리로, 상기 방전 단자들과 떨어져 위치할 수 있다.
또한, 상기 충전 단자들은 충전 단자 유닛 내에 형성되고, 상기 방전 단자들은 방전 단자 유닛 내에 형성되며, 상기 충전 단자 유닛은 상기 방전 단자 유닛과 떨어져 위치할 수 있다.
또한, 상기 방전 단자들 중 어느 하나의 방전 단자와 상기 방전 제어 스위치들 중 어느 하나의 방전 제어 스위치 사이에 위치하는 다이오드를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 방전 단자들 중 어느 하나의 방전 단자와 상기 방전 제어 스위치들 중 어느 하나의 방전 제어 스위치 사이에 각각 위치하는 복수의 다이오드를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 방전 제어 스위치는, 상기 복수의 배터리 유닛 중 어느 하나의 배터리 유닛의 양극 방전 단자와 다음 배터리 유닛의 음극 방전 단자를 선택적으로 직렬 연결하도록 각각 설치될 수 있다.
또한, 상기 복수의 양극 충전 단자와 상기 복수의 음극 충전 단자는 외부의 충전기와 각각 연결되도록 설치될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 배터리 팩이 충전되지 않는 경우, 상기 복수의 배터리 유닛이 서로 직렬로 연결되도록 상기 복수의 방전 제어 스위치의 상태를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 배터리 팩이 충전 중인지 아닌지를 판별하기 위해 외부의 충전기와 통신할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 외부의 충전기에 의해 개별적으로 충전되며, 외부의 부하로 전력을 제공함으로써 방전되도록 설치된 복수의 배터리 유닛; 상기 복수의 배터리 유닛과 연결된 복수의 스위치; 및 상기 복수의 배터리 유닛이 충전되고 있지 않을 경우, 상기 복수의 배터리 유닛이 서로 직렬로 연결되도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 배터리 팩은, 복수의 양극 방전 단자와 복수의 음극 방전 단자를 통하여 상기 부하로 전력을 제공하며, 상기 양극 충전 단자와 상기 복수의 음극 충전 단자를 통하여 상기 복수의 배터리 유닛을 충전할 수 있다.
또한, 상기 충전 단자들은 서로 떨어져 위치하고, 상기 방전 단자들은 서로 떨어져 위치하며, 상기 충전 단자들은, 상기 충전 단자들 간의 간격과 상기 방전 단자들 간의 간격보다 먼 거리로, 상기 방전 단자들과 떨어져 위치할 수 있다.
또한, 상기 충전 단자들은 충전 단자 유닛 내에 형성되고, 상기 방전 단자들은 방전 단자 유닛 내에 형성되며, 상기 충전 단자 유닛은 상기 방전 단자 유닛과 떨어져 위치할 수 있다.
또한, 상기 복수의 스위치 중 어느 하나의 스위치와 상기 복수의 배터리 유닛 중 어느 하나의 배터리 유닛 사이에 위치하는 다이오드를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 스위치 중 어느 하나의 스위치와 상기 복수의 배터리 유닛 중 어느 하나의 배터리 유닛 사이에 위치하는 복수의 다이오드를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 스위치는, 상기 복수의 배터리 유닛 중 어느 하나의 배터리 유닛의 양극 방전 단자와 다음 배터리 유닛의 음극 방전 단자를 선택적으로 직렬 연결하도록 각각 설치될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 배터리 팩이 충전되는지 아닌지를 판별하기 위해 상기 충전기와 통신할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 양극 단자와 음극 단자를 각각 갖는 복수의 배터리 유닛; 및 상기 복수의 배터리 유닛을 방전시키기 위해 제 1 설정을 제공하고, 상기 복수의 배터리 유닛을 충전시키기 위해 제 2 설정을 제공하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제 1 설정을 제공할 경우 상기 복수의 배터리 유닛과 연결되고, 상기 제 2 설정을 제공할 경우 상기 복수의 배터리 유닛들과 연결되지 않는다.
또한, 상기 제 1 설정에서 상기 복수의 배터리 유닛은 서로 직렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩은, 양극 방전 단자들과 음극 방전 단자들을 통하여 부하로 전력을 제공하고, 상기 양극 충전 단자들과 상기 음극 충전 단자들을 통하여 상기 복수의 배터리 유닛을 충전할 수 있다.
또한, 상기 충전 단자들은 서로 떨어져 위치하고, 상기 방전 단자들은 서로 떨어져 위치하며, 상기 충전 단자들은, 상기 충전 단자들 간의 간격과 상기 방전 단자들 간의 간격보다 각각 먼 거리로, 상기 방전 단자들과 떨어져 위치할 수 있다.
또한, 상기 충전 단자들은 충전 단자 유닛 내에 형성되고, 상기 방전 단자들은 방전 단자 유닛 내에 형성되며, 상기 충전 단자 유닛은 상기 방전 단자 유닛과 떨어져 위치할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 상기 복수의 배터리 유닛과 연결된 복수의 스위치; 및 상기 복수의 배터리 유닛 중 어느 하나의 배터리 유닛과 상기 복수의 스위치 중 어느 하나의 스위치 사이에 위치하는 다이오드를 더 포함한다.
또한, 상기 복수의 스위치는, 상기 복수의 배터리 유닛 중 어느 하나의 배터리 유닛의 양극 방전 단자와 다음 배터리 유닛의 음극 방전 단자를 선택적으로 직렬 연결하도록 각각 설치될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 배터리 팩이 충전 중인지 아닌지를 판별하기 위해 외부의 충전기와 통신할 수 있다.
또한, 상기 양극 충전 단자들과 상기 음극 충전 단자들은 외부의 충전기와 연결되도록 각각 설치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 고효율 충전 및 고출력 방전을 위한 배터리 팩을 제공할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 방전대기모드에서의 배터리 팩과 충전기의 블록도이다.
도 1b는 도 1a에 대한 회로도이다.
도 1c는 도 1a의 방전대기모드에 대한 배터리 팩의 등가 회로도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 충전 모드에서의 배터리 팩과 충전기의 회로도이다.
도 2b는 도 2a의 충전 모드에 대한 배터리 팩의 등가 회로도이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 방전 모드에서의 배터리 팩과 충전기의 회로도이다.
도 3b는 도 3a의 방전 모드에 대한 배터리 팩의 등가 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 충/방전 동작 알고리즘을 나타낸 흐름도이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 방전대기모드에서의 배터리 팩(100)과 충전기(200)의 블록도이다. 도 1b는 도 1a에 대한 회로도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 배터리 모듈(110), 배터리 관리 유닛(120) 및 마이크로 컨트롤러와 같은 제어부(130)를 포함한다.
배터리 모듈(110)은 복수의 배터리 유닛을 포함한다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 제 1 내지 제 3 배터리 유닛(111, 112, 113)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 배터리 모듈(110)이 3개의 배터리 유닛을 포함하는 것으로 하여 설명하지만, 이에 한정된 것이 아니라 다른 개수의 배터리 유닛을 포함하여 실시하여도 무방하다.
각각의 배터리 유닛들(111, 112, 113)은 복수의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 유닛들(111, 112, 113)에 각각 포함된 복수의 배터리 셀은 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 배터리 유닛들(111, 112, 113)은 복수의 단자를 각각 포함한다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 제 1 배터리 유닛(111)은 제 1 양극단자(B1+)와 제 1 음극단자(B1-)를 포함할 수 있다. 또한, 제 2 배터리 유닛(112)은 제 2 양극단자(B2+)와 제 2 음극단자(B2-)를 포함할 수 있다. 또한, 제 3 배터리 유닛(113)은 제 3 양극단자(B3+)와 제 3 음극단자(B3-)를 포함할 수 있다.
배터리 관리 유닛(120)은 제 1 내지 제 3 싱글 배터리 관리 유닛(121, 122, 123), 충전 단자 유닛(124), 및 방전 단자 유닛(125)을 포함한다.
제 1 싱글 배터리 관리 유닛(121)은 제 1 충/방전 스위치(121a), 제 1 퓨즈 유닛(121b), 제 1 스위치 제어 유닛(121c), 및 제 1 충/방전 단자 유닛(121d)을 포함할 수 있다.
제 1 충/방전 스위치(121a)는 충전 스위치와 방전 스위치로 구성될 수 있다. 이러한 충전 스위치와 방전 스위치는 제 1 배터리 유닛(111)의 제 1 양극단자(B1+)와 제 1 싱글 배터리 관리 유닛(121)의 제 1 양극단자(B1+) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 제 1 충/방전 스위치(121a)는 제 1 배터리 유닛(111)을 충전 및/또는 방전할 뿐만 아니라, 과충전 또는 과방전 발생 시 1차 보호회로소자로의 역할을 할 수 있다.
제 1 퓨즈 유닛(121b)은 제 1 퓨즈, 제 1 가열 저항, 제 1 퓨즈 스위치로 구성될 수 있다. 이와 같이 구성되는 경우, 제 1 퓨즈 유닛(121b)은 제 1 충/방전 스위치(121a)의 파손 또는 동작 오류 시, 2차 보호회로소자의 역할을 할 수 있다. 여기서 제 1 퓨즈 스위치는 제 1 스위치 제어 유닛(121c)의 제어를 받을 수 있다.
제 1 스위치 제어 유닛(121c)은 충/방전 모드에 따라 제 1 충/방전 스위치(121a)의 스위칭 동작을 제어함으로써, 제 1 배터리 유닛(111)의 충/방전을 제어한다.
또한, 제 1 스위치 제어 유닛(121c)은 제 1 배터리 유닛(111)의 전압을 검출하고, 검출된 전압에 기초하여 제 1 배터리 유닛(111)의 과충전 및 과방전 보호 기능 및 전압 밸런싱을 수행한다.
제 1 충/방전 단자 유닛(121d)은 제 1 퓨즈 유닛(121b)과 연결된 제 1 양극 충전 단자(CP1+)과 제 1 양극 방전 단자(DP1+), 그리고 제 1 배터리 유닛(111)의 제 1 음극단자(B1-)에 연결된 제 1 음극충전 단자(CP1-)와 제 1 음극방전 단자(DP1-)를 포함한다.
본 실시예에서, 제 1 배터리 유닛(111)의 제 1 양극단자(B1+)는 제 1 충/방전 스위치(121a) 및 제 1 퓨즈 유닛(121b)을 통하여 제 1 양극충전 단자(CP1+) 및 제 1 양극방전 단자(DP1+)와 각각 연결될 수 있다. 또한, 제 1 배터리 유닛(111)의 제 1 음극단자(B1-)는 제 1 음극충전 단자(CP1-) 및 제 1 음극방전 단자(DP1-)에 직접 연결될 수 있다. 제 1 음극단자(B1-)와 두 개의 제 1 음극충전 단자(CP1-) 및 제 1 음극방전 단자(DP1-)의 사이에는 제 1 스위치 제어 유닛(121c)이 제 1 배터리 유닛(111)의 전류를 감지하기 위한 전류 센서(121e)가 연결될 수도 있다.
다른 실시예로, 제 1 배터리 유닛(111)의 제 1 음극 단자(B1-)는 제 1 음극 충전 단자(CP1-)와 제 1 음극 방전 단자(DP1-)를 직접적으로 연결할 수도 있다.
제 2 싱글 배터리 관리 유닛(122)은 제 2 충/방전 스위치(122a), 퓨즈(122b), 제 2 스위치 제어 유닛(122c), 및 제 2 충/방전 단자 유닛(122d)을 포함한다.
제 2 충/방전 스위치(122a)는 충전 스위치와 방전 스위치로 구성될 수 있다. 이러한 충전 스위치와 방전 스위치는 제 2 배터리 유닛(112)의 제 2 양극단자(B2+)와 제 2 퓨즈 유닛(122b) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 제 2 충/방전 스위치(122a)는 제 2 배터리 유닛(112)을 충전 및/또는 방전할 뿐만 아니라, 과충전 또는 과방전 발생 시 1차 보호회로소자로의 역할을 할 수 있다.
제 2 퓨즈 유닛(122b)은 제 2 퓨즈, 제 2 가열 저항, 제 2 퓨즈 스위치로 구성될 수 있다. 이와 같이 구성되는 경우, 제 2 퓨즈 유닛(122b)은 제 2 충/방전 스위치(122a)의 파손 또는 동작 오류 시, 2차 보호회로소자의 역할을 할 수 있다. 여기서 제 1 퓨즈 스위치는 제 1 스위치 제어 유닛(121c)의 제어를 받을 수 있다.
제 2 스위치 제어 유닛(122c)은 충/방전 모드에 따라 제 2 충/방전 스위치(122a)의 스위칭 동작을 제어함으로써, 제 2 배터리 유닛(112)의 충/방전을 제어한다.
또한, 제 2 스위치 제어 유닛(122c)은 제 2 배터리 유닛(112)의 전압을 검출하고, 검출된 전압에 기초하여 제 2 배터리 유닛(112)의 과충전 및 과방전 보호 기능 및 전압 밸런싱을 수행한다.
제 2 충/방전 단자 유닛(122d)은 제 2 퓨즈 유닛(122b)과 연결된 제 2 양극충전 단자(CP2+), 제 2 양극방전 단자(DP2+), 그리고 제 2 배터리 유닛(112)의 제 2 음극단자(B2-)에 연결된 제 2 음극충전 단자(CP2-) 및 제 2 음극방전 단자(DP2-)를 포함한다.
제 2 배터리 유닛(112)의 제 2 양극단자(B2+)는 제 2 충/방전 스위치(122a) 및 제 2 퓨즈 유닛(122b)을 통하여 제 2 양극충전 단자(CP2+) 및 제 2 양극방전 단자(DP2+)와 각각 연결될 수 있다.
또한, 제 2 배터리 유닛(112)의 제 2 음극단자(B2-)는 제 2 음극충전 단자(CP2-) 및 제 2 음극방전 단자(DP2-)에 직접 연결될 수 있다. 물론, 제 2 음극단자(B2-)와 두 개의 제 2 음극충전 단자(CP2-) 및 제 2 음극방전 단자(DP2-)의 사이에는 제 2 스위치 제어 유닛(122c)이 제 2 배터리 유닛(112)의 전류를 감지하기 위한 전류 센서(122e)가 연결될 수도 있다.
한편, 제 2 배터리 유닛(112)의 제 2 음극 단자(B2-)는 제 2 음극 충전 단자(CP2-)와 제 2 음극 방전 단자(DP2-)를 직접적으로 연결할 수도 있다.
제 3 싱글 배터리 관리 유닛(123)은 제 3 충/방전 스위치(123a), 퓨즈(123b), 제 3 스위치 제어 유닛(123c), 및 제 3 충/방전 단자 유닛(123d)을 포함한다.
제 3 충/방전 스위치(123a)는 충전 스위치와 방전 스위치로 구성될 수 있다. 이러한 충전 스위치와 방전 스위치는 제 3 배터리 유닛(113)의 제 3 양극단자(B3+)와 제 3 퓨즈 유닛(123b) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 제 3 충/방전 스위치(123a)는 제 3 배터리 유닛(113)의 충/방전뿐만 아니라, 과충전 또는 과방전 발생 시 1차 보호회로소자로의 역할을 할 수 있다.
제 3 퓨즈 유닛(123b)은 제 3 퓨즈, 제 3 가열 저항, 제 3 퓨즈 스위치로 구성될 수 있다. 이와 같이 구성되는 경우, 제 3 퓨즈 유닛(123b)은 제 3 충/방전 스위치(123a)의 파손 또는 동작 오류 시, 2차 보호회로소자의 역할을 할 수 있다. 여기서 제 1 퓨즈 스위치는 제 1 스위치 제어 유닛(121c)의 제어를 받을 수 있다.
제 3 스위치 제어 유닛(123c)은 충/방전 모드에 따라 제 3 충/방전 스위치(123a)의 스위칭 동작을 제어함으로써, 제 3 배터리 유닛(113)의 충/방전을 제어한다.
또한, 제 3 스위치 제어 유닛(123c)은 제 3 배터리 유닛(113)의 전압을 검출하고, 검출된 전압에 기초하여 제 3 배터리 유닛(113)의 과충전 및 과방전 보호 기능 및 전압 밸런싱을 수행한다.
제 3 충/방전 단자 유닛(123d)은 제 3 퓨즈 유닛(123b)과 연결된 제 3 양극충전 단자(CP3+), 제 3 양극방전 단자(DP3+), 그리고 제 3 배터리 유닛(113)의 제 3 음극단자(B3-)에 연결된 제 3 음극충전 단자(CP3-) 및 제 3 음극방전 단자(DP3-)를 포함한다.
제 3 배터리 유닛(113)의 제 3 양극단자(B3+)는 제 3 충/방전 스위치(123a) 및 제 3 퓨즈 유닛(123b)을 통하여 제 3 양극충전 단자(CP3+) 및 제 3 양극방전 단자(DP3+)와 각각 연결될 수 있다.
또한, 제 3 배터리 유닛(113)의 제 3 음극단자(B3-)는 제 3 음극충전 단자(CP3-) 및 제 3 음극방전 단자(DP3-)에 직접 연결될 수 있다. 물론, 제 3 음극단자(B3-)와 두 개의 제 3 음극충전 단자(CP3-) 및 제 3 음극방전 단자(DP3-)의 사이에는 제 3 스위치 제어 유닛(123c)이 제 3 배터리 유닛(113)의 전류를 감지하기 위한 전류 센서(123e)가 연결될 수도 있다.
한편, 제 3 배터리 유닛(113)의 제 3 음극 단자(B3-)는 제 3 음극 충전 단자(CP3-)와 제 3 음극 방전 단자(DP3-) 사이를 직접적ㅇ로 연결할 수 있다.
충전 단자 유닛(124)은 제 1 내지 제 3 양극충전 단자(CP1+, CP2+, CP3+)와 제 1 내지 제 3 음극충전 단자(CP1-, CP2-, CP3-)를 포함한다. 충전 단자 유닛(124)은 제 1 내지 제 3 충/방전 단자 유닛(121d, 122d, 123d)에 각각 분산되어 있는 충전 단자들을 하나의 물리적 구성으로 집결시키기 위한 것이다.
이에 따라, 충전 단자 유닛(124)의 제 1 양극충전 단자(CP1+), 제 2 양극충전 단자(CP2+) 및 제 3 양극충전 단자(CP3+)는 제 1 내지 제 3 충/방전 단자 유닛(121d, 122d, 123d)에 각각 포함된 제 1 양극충전 단자(CP1+), 제 2 양극충전 단자(CP2+) 및 제 3 양극충전 단자(CP3+)와 일대일 대응되어 전기적으로 연결된다.
또한, 충전 단자 유닛(124)의 제 1 음극충전 단자(CP1-), 제 2 음극충전 단자(CP2-) 및 제 3 음극충전 단자(CP3-)는 제 1 내지 제 3 충/방전 단자 유닛(121d, 122d, 123d)에 각각 포함된 제 1 음극충전 단자(CP1-), 제 2 음극충전 단자(CP2-) 및 제 3 음극충전 단자(CP3-)와 일대일 대응되어 전기적으로 연결된다.
방전 단자 유닛(125)은 제 1 내지 제 3 양극방전 단자(DP1+, DP2+, DP3+)와 제 1 내지 제 3 음극방전 단자(DP1-, DP2-, DP3-)를 포함한다. 방전 단자 유닛(125)은 제 1 내지 제 3 충/방전 단자 유닛(121d, 122d, 123d)으로 각각 분산되어 있는 방전 단자들을 하나의 물리적 구성으로 집결시키기 위한 것이다.
한편, 충전 단자 유닛은 방전 단자 유닛으로부터 떨어져 위치할 수 있다. 충전 단자 유닛(124)의 양극 및 음극 충전 단자들은 서로 떨어져 위치하고, 양극 및 음극 방전 단자들도 서로 떨어져 위치한다. 또한, 양극 및 음극 충전 단자들은, 양극 및 음극 충전 단자들 간의 간격과 양극 및 음극 방전 단자들 간의 간격보다 먼 거리로, 양극 및 음극 방전 단자들과 떨어져 위치할 수 있다.
방전 단자 유닛(125)의 제 1 양극방전 단자(DP1+), 제 2 양극방전 단자(DP2+) 및 제 3 양극방전 단자(DP3+)는 제 1 내지 제 3 충/방전 단자 유닛(121d, 122d, 123d)에 각각 포함된 제 1 양극방전 단자(DP1+), 제 2 양극충전 단자(DP2+) 및 제 3 양극충전 단자(DP3+)와 일대일 대응되어 전기적으로 연결된다. 또한, 방전 단자 유닛(125)의 제 1 음극방전 단자(DP1-), 제 2 음극방전 단자(DP2-) 및 제 3 음극방전 단자(DP3-)는 제 1 내지 제 3 충/방전 단자 유닛(121d, 122d, 123d)에 각각 포함된 제 1 음극방전 단자(DP1-), 제 2 음극방전 단자(DP2-) 및 제 3 음극방전 단자(DP3-)와 일대일 대응되어 전기적으로 연결된다.
제어부(130)는 컨트롤러(135)를 포함할 수 있다. 컨트롤러(135)는, 배터리 팩(100)과 충전기(200)가 연결될 때, 충전기(200) 및 외부 전원 간의 연결 유무를 판별하고, 판별 결과에 따라 제 1 내지 제 3 배터리 유닛(111, 112, 113)의 직렬 연결의 해제 여부를 결정한다.
제어부(130)는 충전인식단자(TB1, TB2), 복수의 방전제어단자, 제 1 및 제 2 방전제어스위치(SW1, SW2)를 포함한다.
제어부(130)의 충전인식단자(TB1, TB2)는, 배터리 팩(100)과 충전기(200)가 연결될 경우, 충전기(200)의 충전인식단자(TB1, TB2)와 연결된다. 여기서, 제어부(130)의 충전인식단자(TB1, TB2)는 양극 충전인식단자(TB1)와 음극 충전인식단자(TB2)로 구성되고, 이와 마찬가지로 충전기(200)의 충전인식단자(TB1, TB2)도 양극 충전인식단자(TB1)와 음극 충전인식단자(TB2)로 구성된다. 따라서, 배터리 팩(100)과 충전기(200)가 연결될 경우, 제어부(130)의 양극 충전인식단자(TB1)는 충전기(200)의 양극 충전인식단자(TB1)와 연결되고, 제어부(130)의 음극 충전인식단자(TB2)는 충전기(200)의 음극 충전인식단자(TB2)와 연결된다.
제어부(130)는 제어부(130)의 충전인식단자(TB1, TB2)를 통해 충전기(200)로부터 전압을 검출하고, 검출된 전압의 레벨이 예를 들면, 하이(High)에서 로우(Low)로 바뀌었는지 또는 로우에서 하이로 바뀌었는지, 또는 로우 레벨을 그대로 유지하고 있는지에 따라 제 1 및 제 2 방전제어스위치(SW1, SW2)의 스위칭 동작을 제어한다.
방전제어단자들은 제 1 내지 제 3 양극 방전제어단자 및 제 1 내지 제 3 음극 방전제어단자로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 내지 제 3 양극 방전제어단자 및 제 1 내지 제 3 음극 방전제어단자는 방전 단자 유닛(125)의 제 1 내지 제 3 양극방전 단자(DP1+, DP2+, DP3+) 및 제 1 내지 제 3 음극방전 단자(DP1-, DP2-, DP3-)와 각각 일대일 대응되어 전기적으로 연결된다. 여기서, 제 1 양극 방전제어단자는 팩 양극단자(P1+)와 전기적으로 연결되고, 제 3 음극 방전제어단자는 팩 음극단자(P3-)와 전기적으로 연결된다. 팩 양극단자(P1+)와 팩 음극단자(P3-)는 배터리 팩(100)의 방전 시 외부부하와 연결된다.
제 1 및 제 2 방전제어스위치(SW1, SW2)는 방전제어단자들 사이 사이에 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 제 1 방전제어스위치(SW1)는 제 1 음극 방전제어단자(DP1-)와 제 2 양극 방전제어단자(DP2+) 사이에 연결될 수 있다. 또한, 제 2 방전제어스위치(SW2)는 제 2 음극 방전제어단자(DP2-)와 제 3 양극 방전제어단자(DP3+) 사이에 연결될 수 있다. 더불어, 제 1 음극 방전제어단자(DP1-)와 제 1 방전제어스위치(SW1) 사이와, 제 2 음극 방전제어단자(DP2-)와 제 2 방전제어스위치(SW2) 사이에 각각 다이오드(D1, D2)가 연결될 수 있다.
여기서, 다이오드(D1, D2)는 배터리 팩의 방전시 제 1 내지 제 3 배터리 유닛이 직렬로 연결되어 방전 전류를 흘려 보낼 수 있도록 하고, 또한 배터리 팩의 충전 시 제 1 내지 제 3 배터리 유닛의 직렬 연결 상태가 확실하게 해제되도록 하는 역할을 한다. 제어부(130)은 도 1a에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(100)의 방전대기모드 즉, 자연 방전 상태에서 제 1 및 제 2 방전제어스위치(SW1, SW2)를 온시켜, 제 1 음극 방전제어단자(DP1-)와 제 2 양극 방전제어단자(DP2+) 사이, 그리고 제 2 음극 방전제어단자(DP2-)와 제 3 양극 방전제어단자(DP3+) 사이를 전기적으로 연결한다. 여기서, 제 1 음극 방전제어단자(DP1-)와 제 2 양극 방전제어단자(DP2+) 사이가 연결되면, 제 1 배터리 유닛(111)의 제 1 음극단자(B1-)와 제 2 배터리 유닛(112)의 제 2 양극단자(B2+)가 연결되며, 제 2 음극 방전제어단자(DP2-)와 제 3 양극 방전제어단자(DP3+) 사이가 연결되면, 제 2 배터리 유닛(112)의 제 2 음극단자(B2-)와 제 3 배터리 유닛(113)의 제 3 양극단자(B3+)가 연결되는 것이므로, 제 1 내지 제 3 배터리 유닛(111, 112, 113)은 직렬 연결 상태가 된다.
한편, 제어부(130)는 방전대기모드뿐만 아니라 방전모드에서도 제 1 및 제 2 방전제어스위치(SW1, SW2)를 턴온시켜 제 1 내지 제 3 배터리 유닛(111, 112, 113)이 직렬 연결되도록 한다.
충전기(200)는 복수의 출력단자 및 충전인식단자(TB1, TB2)를 포함한다.
충전기(200)의 출력단자들은 충전 단자 유닛(124)의 제 1 내지 제 3 양극충전 단자(CP1+, CP2+, CP3+)와 제 1 내지 제 3 음극충전 단자(CP1-, CP2-, CP3-)에 각각 일대일 대응되도록 구성된다. 예를 들어, 복수의 출력단자는 제 1 내지 제 3 양극 출력단자와 제 1 내지 제 3 음극 출력단자로 구성된다. 배터리 팩(100)과 충전기(200)가 연결될 경우, 제 1 내지 제 3 양극 출력단자는 충전기(200)의 양극 충전인식단자(TB1)와 연결되고, 제 1 내지 제 3 음극 출력단자는 충전기(200)의 음극 충전인식단자(TB2)와 연결된다. 따라서, 예를 들면, 배터리 팩(100)과 충전기(200)가 연결될 경우 양극 충전인식단자(TB1)와 음극 충전인식단자(TB2)에는 하이 레벨의 전위가 형성될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(100)의 동작에 대하여 설명한다.
도 1c는 도 1a의 방전대기모드에 대한 배터리 팩(100)의 등가 회로도이다. 도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 충전 모드에서의 배터리 팩(100)과 충전기(200)의 회로도이다. 도 2b는 도 2a의 충전 모드에 대한 배터리 팩(100)의 등가 회로도이다. 도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 방전 모드에서의 배터리 팩(100)과 충전기(200)의 회로도이다. 도 3b는 도 3a의 방전 모드에 대한 배터리 팩(100)의 등가 회로도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(100)의 충/방전 동작 알고리즘을 나타낸 흐름도이다.
1. 방전대기모드
배터리 팩(100)의 모드를 인식하기 위해 제어부(130)는 충전인식단자(TB1, TB2)를 통해 전압을 지속적으로 검출한다(S410).
제어부(130)는 검출된 전압의 레벨이 하이레벨(S420A)인지 로우레벨(S420B)인지를 판별한다. 판별 결과, 검출된 전압의 레벨이 로우레벨인 경우(S420B), 제어부(130)는 배터리 팩(100)이 방전대기모드임을 인식한다(S460).
이러한 경우, 제어부(130)는 제 1 및 제 2 방전제어스위치(SW1, SW2)를 온 상태로 만들어 제 1 내지 제 3 배터리 유닛(111, 112, 113)을 직렬 연결시킨다(S470). 여기서, 제어부(130)는 배터리 팩(100)이 충전기(200)를 통해 충전을 하거나 외부 부하와 연결되어 방전을 하지 않은 상태 즉 자연 방전 상태에서는 제 1 및 제 2 방전제어스위치(SW1, SW2)을 온시켜 제 1 내지 제 3 배터리 유닛(111, 112, 113)을 직렬 연결된 상태로 유지시킬 수 있다. 이러한 상태를 도 1b에 도시된 바와 같이 등가 회로로 나타낼 수 있다.
2. 충전모드
외부 전원과 연결된 충전기(200)의 출력단자들과 배터리팩(100)의 충전 단자 유닛(124)이 물리적 및 전기적으로 연결되면, 제어부(130)의 충전인식단자(TB1, TB2)를 통해 검출된 전압의 레벨은 로우레벨에서 하이레벨이 된다(S420A). 이때, 제어부(130)는 충전모드임을 인식한다(S430). 이에 따라 제어부(130)는 제 1 및 제 2 방전제어스위치(SW1, SW2)를 턴오프시킨다(S440).
이러한 경우, 방전 단자 유닛(125)의 방전 단자들 사이의 전기적 연결이 끊김으로써, 제 1 내지 제 3 배터리 유닛(111, 112, 113)의 직렬 연결이 해제된다.
이와 동시에, 충전기(200)의 출력단자들과 배터리팩(100)의 충전 단자 유닛(124)이 연결된다(S450). 이때, 충전 단자 유닛(124)의 각 충전 단자들은 제 1 내지 제 3 배터리 유닛(111, 112, 113)의 단자들과 각각 연결되어 있으므로, 제 1 내지 제 3 배터리 유닛(111, 112, 113)은 충전기(200)에 대하여 병렬 연결된다(S450). 따라서, 제 1 내지 제 3 배터리 유닛(111, 112, 113)은 병렬 연결된 상태로 충전될 수 있다(S450).
단, 충전기(200)의 출력단자들이 배터리팩(100)의 충전 단자 유닛(124)과 연결되더라도, 충전기(200)가 외부 전원과 연결되어 있지 않은 경우 제어부(130)의 충전인식단자(TB1, TB2)를 통해 검출된 전압의 레벨은 로우레벨일 것이므로, 제어부(130)는 제 1 내지 제 3 배터리 유닛(111, 112, 113)의 직렬 연결 상태를 유지시키게 된다.
3. 방전모드
배터리 팩(100)의 방전모드의 인식 및 동작 알고리즘은 방전대기모드와 유사하다. 제어부(130)의 전압레벨 판별 결과, 전압 레벨이 로우레벨인 경우(S420B), 제어부(130)는 방전모드를 인식하게 된다(S460).
이러한 경우, 제어부(130)는 제 1 및 제 2 방전제어스위치(SW1, SW2)를 턴온시켜, 제 1 내지 제 3 배터리 유닛(111, 112, 113)을 직렬 연결시킨다(S470). 이때, 팩 방전 단자(P1+, P3-)와 외부 부하가 연결되어 있는 경우, 팩 방전 단자(P1+, P3-)를 통해 제 1 내지 제 3 배터리 유닛(111, 112, 113)이 직렬 연결된 상태로 방전이 이루어지게 된다(S480).
제어부(130)는 방전대기모드를 인식하느냐 또는 방전모드를 인식하느냐에 따른 스위치 제어 동작이 유사하다. 즉, 제어부(130)는, 방전대기모드와 방전모드에서 모두 제 1 및 제 2 방전제어스위치(SW1, SW2)를 온 상태로 만들기 때문에, 두 가지 경우 모두 제 1 내지 제 3 배터리 유닛(111, 112, 113)을 직렬 연결시킨다.
이상에서 실시예에 따른 배터리 팩(100)의 스위칭 동작 제어가 자동인 것으로 설명하였으나, 이뿐만 아니라, 별도의 기계적 수단을 추가하여 수동식의 스위칭 동작 제어도 가능하다.
본 발명에 따르면, 충전 시 배터리 유닛들을 병렬로 연결하여 충전시킴으로써 배터리 팩의 총 충전 시간을 줄일 수 있으며, 방전 시 배터리 유닛들을 서로 직렬로 연결하여 방전시킴으로써, 보다 높은 출력이 가능해진다.
또한, 본 발명에 따르면, 저용량의 충전기를 이용하여 고용량의 배터리 팩을 충전할 수 있다. 예를 들어, 300V의 직류 출력 전압을 갖는 배터리 팩을 100V의 직류 출력 전압을 갖는 충전기로 충전시킬 수 있다. 즉, 방전시에는 제 1 내지 제 3 배터리 유닛이 직렬로 연결되어 300V의 직류 출력 전압을 갖지만, 충전시에는 제 1 내지 제 3 배터리 유닛이 충전기에 대하여 병렬로 연결됨으로써, 100V의 직류 출력 전압을 갖는 충전기로 제 1 내지 제 3 배터리 유닛을 충전시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100: 배터리 팩
110: 배터리 모듈
111: 제 1 배터리 유닛
112: 제 2 배터리 유닛
113: 제 3 배터리 유닛
120: 배터리 관리 유닛
121: 제 1 싱글 배터리 관리 유닛
122: 제 2 싱글 배터리 관리 유닛
123: 제 3 싱글 배터리 관리 유닛
124: 충전 단자 유닛
125: 방전 단자 유닛
130: 제어부
TB1, TB2: 충전인식단자
SW1, SW2: 방전제어스위치
200: 충전기

Claims (27)

  1. 복수의 배터리 유닛과 연결된 복수의 양극 배터리 단자 및 복수의 음극 배터리 단자;
    상기 양극 배터리 단자들과 각각 연결된 복수의 양극 충전 단자;
    상기 양극 배터리 단자들과 각각 연결된 복수의 양극 방전 단자;
    상기 음극 배터리 단자들과 각각 연결된 복수의 음극 충전 단자;
    상기 음극 배터리 단자들과 각각 연결된 복수의 음극 방전 단자;
    상기 양극 방전 단자들 및 상기 음극 방전 단자들에 연결된 복수의 방전 제어 스위치; 및
    상기 배터리 유닛들을 선택적으로 직렬 연결하기 위해 상기 복수의 방전 제어 스위치들의 상태를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 팩은,
    상기 복수의 양극 방전 단자와 상기 복수의 음극 방전 단자를 통하여 부하로 전력을 제공하고,
    상기 복수의 양극 충전 단자와 상기 복수의 음극 충전 단자를 통하여 상기 복수의 배터리 유닛을 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 단자들은 서로 떨어져 위치하고,
    상기 방전 단자들은 서로 떨어져 위치하며,
    상기 충전 단자들은, 상기 충전 단자들 간의 간격과 상기 방전 단자들 간의 간격보다 각각 먼 거리로, 상기 방전 단자들과 떨어져 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 단자들은 충전 단자 유닛 내에 형성되고,
    상기 방전 단자들은 방전 단자 유닛 내에 형성되며,
    상기 충전 단자 유닛은 상기 방전 단자 유닛과 떨어져 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 단자들 중 어느 하나의 방전 단자와 상기 방전 제어 스위치들 중 어느 하나의 방전 제어 스위치 사이에 위치하는 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 단자들 중 어느 하나의 방전 단자와 상기 방전 제어 스위치들 중 어느 하나의 방전 제어 스위치 사이에 각각 위치하는 복수의 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 방전 제어 스위치는, 상기 복수의 배터리 유닛 중 어느 하나의 배터리 유닛의 양극 방전 단자와 다음 배터리 유닛의 음극 방전 단자를 선택적으로 직렬 연결하도록 각각 설치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 양극 충전 단자와 상기 복수의 음극 충전 단자는 외부의 충전기와 각각 연결되도록 설치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배터리 팩이 충전되지 않는 경우, 상기 복수의 배터리 유닛이 서로 직렬로 연결되도록 상기 복수의 방전 제어 스위치의 상태를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배터리 팩이 충전 중인지 아닌지를 판별하기 위해 외부의 충전기와 통신하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 외부의 충전기에 의해 개별적으로 충전되며, 외부의 부하로 전력을 제공함으로써 방전되도록 설치된 복수의 배터리 유닛;
    상기 복수의 배터리 유닛과 연결된 복수의 스위치; 및
    상기 복수의 배터리 유닛이 충전되고 있지 않을 경우, 상기 복수의 배터리 유닛이 서로 직렬로 연결되도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 배터리 팩은,
    복수의 양극 방전 단자와 복수의 음극 방전 단자를 통하여 상기 부하로 전력을 제공하며,
    상기 양극 충전 단자와 상기 복수의 음극 충전 단자를 통하여 상기 복수의 배터리 유닛을 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 충전 단자들은 서로 떨어져 위치하고,
    상기 방전 단자들은 서로 떨어져 위치하며,
    상기 충전 단자들은, 상기 충전 단자들 간의 간격과 상기 방전 단자들 간의 간격보다 먼 거리로, 상기 방전 단자들과 떨어져 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 충전 단자들은 충전 단자 유닛 내에 형성되고,
    상기 방전 단자들은 방전 단자 유닛 내에 형성되며,
    상기 충전 단자 유닛은 상기 방전 단자 유닛과 떨어져 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 스위치 중 어느 하나의 스위치와 상기 복수의 배터리 유닛 중 어느 하나의 배터리 유닛 사이에 위치하는 다이오드를 더 포함하는 것을 특징을 하는 배터리 팩.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 스위치 중 어느 하나의 스위치와 상기 복수의 배터리 유닛 중 어느 하나의 배터리 유닛 사이에 위치하는 복수의 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 스위치는, 상기 복수의 배터리 유닛 중 어느 하나의 배터리 유닛의 양극 방전 단자와 다음 배터리 유닛의 음극 방전 단자를 선택적으로 직렬 연결하도록 각각 설치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  18. 제 11항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배터리 팩이 충전되는지 아닌지를 판별하기 위해 상기 충전기와 통신하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  19. 양극 단자와 음극 단자를 각각 갖는 복수의 배터리 유닛; 및
    상기 복수의 배터리 유닛을 방전시키기 위해 제 1 설정을 제공하고, 상기 복수의 배터리 유닛을 충전시키기 위해 제 2 설정을 제공하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제 1 설정을 제공할 경우 상기 복수의 배터리 유닛과 연결되고,
    상기 제 2 설정을 제공할 경우 상기 복수의 배터리 유닛들과 연결되지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 설정에서 상기 복수의 배터리 유닛은 서로 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 배터리 팩은, 양극 방전 단자들과 음극 방전 단자들을 통하여 부하로 전력을 제공하고, 상기 양극 충전 단자들과 상기 음극 충전 단자들을 통하여 상기 복수의 배터리 유닛을 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 충전 단자들은 서로 떨어져 위치하고,
    상기 방전 단자들은 서로 떨어져 위치하며,
    상기 충전 단자들은, 상기 충전 단자들 간의 간격과 상기 방전 단자들 간의 간격보다 각각 먼 거리로, 상기 방전 단자들과 떨어져 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 충전 단자들은 충전 단자 유닛 내에 형성되고,
    상기 방전 단자들은 방전 단자 유닛 내에 형성되며,
    상기 충전 단자 유닛은 상기 방전 단자 유닛과 떨어져 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 유닛과 연결된 복수의 스위치; 및
    상기 복수의 배터리 유닛 중 어느 하나의 배터리 유닛과 상기 복수의 스위치 중 어느 하나의 스위치 사이에 위치하는 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 복수의 스위치는, 상기 복수의 배터리 유닛 중 어느 하나의 배터리 유닛의 양극 방전 단자와 다음 배터리 유닛의 음극 방전 단자를 선택적으로 직렬 연결하도록 각각 설치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  26. 제 19 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배터리 팩이 충전 중인지 아닌지를 판별하기 위해 외부의 충전기와 통신하는 것을 특징으로 배터리 팩.
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 양극 충전 단자들과 상기 음극 충전 단자들은 외부의 충전기와 연결되도록 각각 설치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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