KR20130080283A - 배터리 보호수단을 갖는 배터리팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 보호수단을 갖는 배터리팩에 관한 것으로서, 본 발명의 일측면에 의하면, 복수 개의 출력단자; 상기 출력단자와 연결되는 하나 또는 복수 개의 배터리; 상기 출력단자와 상기 배터리 사이에 구비되는 스위칭 수단; 상기 배터리의 상태를 감지하는 센싱부; 및 상기 센싱부로부터 감지된 정보를 이용하여 상기 스위칭 수단을 연결/차단하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 충전 또는 방전 요청이 있는 경우 상기 배터리의 온도가 사전에 결정된 온도 이상인 경우에만 상기 스위칭 수단을 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리팩이 제공된다.

Description

배터리 보호수단을 갖는 배터리팩{BATTERY PACK WITH PROTECTING MEANS}
본 발명은 배터리 보호수단을 갖는 배터리팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전기를 저장하거나 공급하기 위해 사용되는 배터리팩에 관한 것이다.
대체에너지 활용에 관한 연구가 진행되면서, 생성된 에너지를 저장하고 필요시에 적절하게 공급할 수 있는 수단 중 하나인 배터리팩에 대한 관심도 증가하고 있다.
상기 배터리팩은 충방전이 가능한 하나 또는 복수 개의 이차전지 및 이들 이차전지로의 충전 또는 방전을 제어하는 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)을 포함하게 된다. 상기 배터리 관리 시스템은 단순히 상기 이차전지로의 과충전 또는 과방전을 제어하여 배터리팩의 수명을 유지하도록 하는 기능 외에도 각각의 이차전지의 상태를 모니터링하여 최적의 충전 및 방전이 이루어지도록 제어하는 기능도 수행하게 된다.
한편, 상술한 이차전지를 이용한 배터리팩에 있어서, 가장 요구되는 것은 보다 큰 용량 및 긴 수명을 갖도록 하는 것이다. 이는 구비되는 이차전지의 용량을 늘리거나 이차전지의 종류를 달리하여 얻어질 수도 있지만, 상기 배터리 관리 시스템의 제어를 보다 효율적으로 운영하는 것으로도 얻어질 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위해 안출된 것으로서, 배터리 관리 시스템의 제어를 보다 효율적으로 수행하여 배터리팩에 포함된 이차전지의 성능 및 수명이 열화되는 것을 최소화할 수 있는 배터리팩을 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 복수 개의 출력단자; 상기 출력단자와 연결되는 하나 또는 복수 개의 배터리; 상기 출력단자와 상기 배터리 사이에 구비되는 스위칭 수단; 상기 배터리의 상태를 감지하는 센싱부; 및 상기 센싱부로부터 감지된 정보를 이용하여 상기 스위칭 수단을 연결/차단하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 충전 또는 방전 요청이 있는 경우 상기 배터리의 온도가 사전에 결정된 온도 이상인 경우에만 상기 스위칭 수단을 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리팩이 제공된다.
본 발명의 상기 측면에서는 배터리팩을 충전하거나 방전. 즉 전기를 공급함에 있어서 사전에 배터리의 온도를 측정하고 적정 온도 이상인 경우에만 충방전이 이루어지도록 함으로써 지나치게 낮은 온도에서의 충방전으로 인한 배터리 수명의 열화를 방지할 수 있도록 하고 있다.
즉, 상기 배터리팩의 배터리 관리 시스템은 연결된 장치의 사용상태에 따라서 상기 배터리팩을 power off 모드 또는 Sleep 모드로 전환하여 방전량을 최소화하게 되는데, 이러한 상태에서 충전 또는 방전요구가 있는 경우에 상기 배터리 관리 시스템은 상기 배터리팩을 충전 모드 또는 방전 모드로 전환하여 충전 또는 방전이 이루어지도록 제어한다. 이때, 배터리의 온도를 측정하고 적정 온도 이하인 경우에는 배터리팩이 충전 또는 방전 모드로 전환되지 않도록 상기 제어부가 제어하게 된다.
여기서, 상기 배터리를 가열하기 위한 가열 수단을 추가적으로 구비하고, 상기 제어부는 상기 배터리의 온도가 사전에 결정된 온도 미만인 경우에 상기 가열 수단을 작동시켜 배터리를 가열하도록 할 수도 있다. 이를 통해서, 보다 적극적으로 배터리의 수명 열화를 방지할 수 있게 된다.
이때, 상기 가열 수단은 상기 배터리의 외주부를 둘러싸도록 배치되는 열선을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 가열 수단은 상기 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 작동될 수 있다.
한편, 상기 스위칭 수단은 충전 또는 방전 요구가 없는 경우에 차단된 상태를 유지하여, 배터리의 자연방전량을 최소화할 수 있다.
또한, 상기 스위칭 수단은 배터리의 온도가 영상인 경우에만 연결되도록 할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 충전 또는 방전이 이루어지고 있는 동안에도 상기 가열수단을 통해 배터리의 온도를 사전에 결정된 온도 이상으로 가열하도록 할 수 있다. 이를 통해서, 사용중의 기후 변화로 인한 배터리 수명 열화를 방지할 수 있게 된다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 하나 또는 복수 개의 배터리; 상기 배터리의 충방전을 제어하는 제어부; 상기 배터리에 구비되는 가열 수단; 및 상기 베터리의 온도를 측정하기 위한 온도감지센서;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 배터리의 충전 또는 방전이 요구되는 경우에, 상기 배터리의 온도가 사전에 결정된 온도 미만이면 상기 가열 수단에 의해 상기 온도까지 배터리를 가열한 후 충전 또는 방전을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리팩이 제공된다.
본 발명의 일 측면에 의하면 배터리팩을 충방전함에 있어서 사전에 배터리의 온도를 측정하고 적정 온도 이상인 경우에만 충방전이 이루어지도록 함으로써 지나치게 낮은 온도에서의 충방전으로 인한 배터리 수명의 열화를 방지할 수 있도록 하고 있다.
아울러, 스위칭 수단이 충전 또는 방전 요구가 없는 경우에 차단된 상태를 유지하여, 배터리의 자연방전량을 최소화할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 충전 또는 방전이 이루어지고 있는 동안에도 배터리의 온도를 측정하고 적정 온도를 유지하도록 함으로써, 사용중의 기후 변화로 인한 배터리 수명 열화를 방지할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리팩의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예의 제어계통을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 3은 도 1에 도시된 실시예의 작동과정을 도시한 흐름도이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 배터리 보호수단을 갖는 배터리팩의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리팩의 제1 실시예를 도시한 사시도이다. 도 1을 참조하면, 상기 실시예(100)는 배터리 및 배터리 관리 시스템(이하, "BMS") 등을 수납하기 위한 케이스(110)를 포함한다. 상기 케이스(110)는 대략 납작한 직육면체 형상을 가지고 있으며, 양단부에는 단자부가 구비되어 있다. 도 1에서 상기 케이스(110)는 상부가 개방된 상태로 도시되어 있으나, 상기 개방된 면을 덮기 위한 커버를 추가적으로 포함하고 있다. 다만, 도 1에서는 내부를 도시하기 위해서, 커버를 제거한 상태로 도시되어 있다.
상기 단자부는 도 1에서 상기 케이스(110)의 좌측 단부에 구비되는 제1 음극단자(112) 및 제1 양극단자(116) 및 우측 단부에 구비되는 제2 음극단자(114) 및 제2 양극단자(118)를 포함한다.
상기 케이스(110)의 내부 공간에는 제어부로서 기능하며 인쇄회로기판 상에 구현되는 BMS(120) 및 배터리(130)가 수납된다. 상기 배터리(130)는 상기 케이스 내부를 채우는 하나의 2차전지 셀로 구현될 수도 있고, 도시된 바와 같이 복수 개의 2차전지 셀을 포함할 수도 있다.
여기서, 상기 제1 양극 및 음극단자(112, 116)는 상기 BMS(120)와 접속되어 있다. 그리고, 상기 BMS(120)에는 스위칭 수단(144, 도 2 참조)이 구비되는데, 상기 배터리(130)의 양극 및 음극과 각각 연결되는 음극 및 양극 리드 와이어(122, 126)가 상기 스위칭 수단(144)의 일측 단자와 연결되어 있다. 아울러, 상기 스위칭 수단(144)의 타측 단자와 상기 제2 음극 및 양극단자(114, 118)를 연결하는 바이패스 와이어(124, 128)도 추가적으로 구비된다.
그리고, 상기 제1 음극 및 양극단자에는 부하측과 연결되는 제1 와이어(120a)가, 상기 제2 음극 및 양극단자에는 다른 배터리팩과 직렬 연결되는 제2 와이어(120b)가 연결되어 있다.
한편, 상기 배터리(130)의 주위에는 가열수단으로서의 열선(140)이 배치되어 있다. 상기 열선(140)은 상기 배터리(130)로부터 공급되는 전원에 의해 작동되어 상기 배터리를 가열하여 온도를 높일 수 있도록 구성된다. 도 1에서는 가열수단으로서 열선이 채용되고 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, PTC 히터와 같은 임의의 발열체를 사용할 수 있다.
이제, 도 2 및 도 3을 참조하여 상기 실시예의 작동에 대해서 설명하도록 한다.
도 2를 참조하면, 상기 BMS는 상기 스위칭 수단(144)을 사이에 두고, 상기 배터리(130)와 연결되어 있다. 아울러, 상기 배터리(130)의 온도를 감지하기 위한 온도센서(142)와도 연결되어, 배터리(130)의 온도를 모니터링할 수 있도록 구성된다. 도 2에서 상기 스위칭 수단(144)은 상기 BMS와 배터리를 전기적으로 접속시키고 있으며, 이를 편의상 '충방전 모드'라 한다. 상기 충방전 모드에서는 부하측으로 전력을 공급하거나, 역으로 외부로부터 공급되는 전력을 상기 배터리에 충전하게 된다.
이러한 충방전 모드에서는 배터리 수명의 열화를 방지하기 위해서, 상기 배터리의 온도가 적정 수준으로 유지시킬 필요가 있다. 반대로, 상기 스위칭 수단(144)이 상기 제2 와이어(120b)와 접속되어 있는 상태를 '바이패스 모드'라 한다. 상기 바이패스 모드에서는 상기 제1 와이어(120a)와 상기 바이패스 와이어(124, 128) 및 상기 제2 와이어(120b)가 직접 연결되고, 상기 배터리는 연결이 차단되게 된다. 이 경우, 상기 배터리팩은 단순한 전기적 접속자로서만 기능하게 되어, 복수 개의 배터리팩이 구비된 경우에 개개의 배터리팩으로부터 독립적으로 전력 공급이 가능하도록 하고 있다.
따라서, 외부로부터의 충방전 요청이 있는 경우, 상기 BMS는 스위칭 수단을 제어하여 충방전 모드로 진입하고, 그렇지 않은 경우에는 배터리의 자연방전을 최소화하기 위해서 바이패스 모드로 전환한다.
도 3에서는 바이패스 모드에서 충방전 모드로 전환하는 과정을 도시하고 있다. 만일, 부하측으로부터 또는 외부 전원으로부터의 충방전 요청이 있는 경우에 상기 BMS는 충방전의 필요가 있는 지를 확인하고(S01 단계), 필요가 있는 경우에 상기 온도센서(142)를 통해서 상기 배터리의 온도를 측정한다(S02 단계).
만일, 온도가 적정 수준인 경우에는 상기 스위칭 수단을 전환하여 충방전 모드로 진입하여 충방전을 시작한다.(S03 단계). 상기 S02 단계에서 온도가 적정 수준 이하인 경우에는 상기 히터(140)에 전력을 공급하여 배터리를 가열하게 된다(S04 단계). 그 후, S02 단계로 복귀하여 온도의 적정여부를 다시 한번 확인한 후 그 결과에 따라서 S03 또는 S04 단계로 진행하게 된다. 여기서, 상기 적정 온도는 상기 배터리의 특성에 따라서 다르게 설정될 수 있으며, 일반적으로는 0℃로 설정된다.
여기서, 상기 히터(140)는 상기 BMS 내에 구비되는 마이컴의 출력단자를 통해서 전력을 직접 공급받게 되는데, 그 전력은 상기 배터리로부터 공급되게 된다. 즉, 상기 마이컴에는 상기 BMS 내의 다른 전기소자 또는 상기 온도센서를 작동시키기 위한 신호를 출력하기 위한 출력단자들을 포함하게 되는데, 상기 히터(140)로 전력을 공급하기 위한 대용량의 출력단자를 추가적으로 구비하고 있다.
여기서, 적정 온도 이하인 배터리 온도를 높이기 위해서 배터리의 전력을 사용하는 것은 배터리 수명열화 방지의 측면에서는 좋지 않을 수 있으나, 실제로 히터에 공급되는 전력은 배터리 전체의 용량에 비해 매우 작기 때문에 큰 문제가 되지는 않는다. 그러나, 경우에 따라서는 상기 BMS 내에 히터용 전력을 공급하기 위한 별도의 축전수단을 구비하도록 할 수도 있다. 이를 통해서, 적정 온도 이하에서 배터리가 구동되는 것을 최소화할 수 있고, 배터리에 충분한 전력이 저장되어 있지 않은 상황에서도 히터를 작동시킬 수 있게 된다..
경우에 따라서는 상기 제2 음극 및 양극단자 및 바이패스 와이어를 생략하고, 상기 BMS에 스위칭 수단을 구비하여 상기 제1 음극 및 양극단자가 배터리와 연결되거나 배터리를 바이패스하고 제1 음극 및 양극단자가 직접 연결되도록 할 수도 있다.
아울러, 하나의 배터리팩을 구비하는 등의 경우에 상기 스위칭 수단 없이, 충방전이 불필요한 경우 상기 BMS를 power off하거나 sleep 상태에 있도록 하는 예도 고려할 수 있다.
110 : 케이스
120 : BMS
130 : 배터리
140 : 열선
142 : 온도센서
144 : 스위칭 수단

Claims (8)

  1. 복수 개의 출력단자;
    상기 출력단자와 연결되는 하나 또는 복수 개의 배터리;
    상기 출력단자와 상기 배터리 사이에 구비되는 스위칭 수단;
    상기 배터리의 상태를 감지하는 센싱부; 및
    상기 센싱부로부터 감지된 정보를 이용하여 상기 스위칭 수단을 연결/차단하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는 충전 또는 방전 요청이 있는 경우 상기 배터리의 온도가 사전에 결정된 온도 이상인 경우에만 상기 스위칭 수단을 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리를 가열하기 위한 가열 수단을 추가적으로 구비하고, 상기 제어부는 상기 배터리의 온도가 사전에 결정된 온도 미만인 경우에 상기 가열 수단을 작동시켜 배터리를 가열하는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가열 수단은 상기 배터리의 외주부를 둘러싸도록 배치되는 열선을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 가열 수단은 상기 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 작동되는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 수단은 충전 또는 방전 요구가 없는 경우에 차단된 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 수단은 배터리의 온도가 영상인 경우에만 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 충전 또는 방전이 이루어지고 있는 동안에도 상기 가열수단을 통해 배터리의 온도를 사전에 결정된 온도 이상으로 가열하는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
  8. 하나 또는 복수 개의 배터리;
    상기 배터리의 충방전을 제어하는 제어부;
    상기 배터리에 구비되는 가열 수단; 및
    상기 베터리의 온도를 측정하기 위한 온도감지센서;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 배터리의 충전 또는 방전이 요구되는 경우에,
    상기 배터리의 온도가 사전에 결정된 온도 미만이면 상기 가열 수단에 의해 상기 온도까지 배터리를 가열한 후 충전 또는 방전을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
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