KR20140015004A - 배터리 관리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 배터리 관리 장치 및 방법은, 커패시커를 구비한 복수의 배터리셀 커패시터 각각과 병렬 연결되어 직렬 연결된 배터리셀의 충전량을 조절하는 복수의 밸런싱 저항, 커패시터의 충전 여부를 결정하는 스위치, 및 커패시터의 전압을 감지하고, 감지 결과에 따라 스위치를 이용해 커패시터의 충전량 또는 방전량을 조절하는 제어유닛을 포함하며, 이를 통해 배터리셀에 포함된 커패시터의 과충전이나 기능 이상을 방지하고 전력이 정상적으로 공급되도록 할 수 있다.

Description

배터리 관리 장치 및 방법 {Battery management device and method}
본 발명은 배터리를 관리하는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 커패시터를 포함하는 배터리에서 커패시터의 과충전을 방지하고 복수의 커패시터를 균형있게 충방전할 수 있는 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것이다.
커패시터는 정전 용량을 얻기 위해 사용하는 부품으로 전자 회로를 구성하는 소자이다. 커패시터는 전계에서 충전 또는 방전이 가능하다.
이러한 커패시터는 종래 사용되어온 축전기(콘덴서) 또는 전해액 커패시터에서 월등히 많은 용량을 가지는 슈퍼 커패시터(super capacitor)로 발전되어 왔다.
이러한 슈퍼 커패시터는 울트라 커패시터(ultra capacitor)라고도 불리며, 짧은 기간동안 많은 전력을 충전하였다가 방전하는 것이 가능하기에 차세대 전원으로서의 역할이 기대되고 있다.
이러한 슈퍼 커패시터를 배터리의 전원으로 사용하는 경우 과충전을 방지하거나 배터리셀 간의 밸런스를 유지할 수 있는 방법이 요청된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 커패시터를 포함하는 배터리셀의 전압을 감지하여 커패시터의 과충전을 방지하고 커패시터 간의 충방전 불균형을 해소할 수 있는 배터리 관리 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 관리 장치는, 커패시커를 구비한 복수의 배터리셀, 상기 커패시터 각각과 병렬 연결되어 직렬 연결된 상기 배터리셀의 충전량을 조절하는 복수의 밸런싱 저항, 상기 커패시터의 충전 여부를 결정하는 스위치, 및 상기 커패시터의 전압을 감지하고, 감지 결과에 따라 상기 스위치를 이용해 상기 커패시터의 충전량 또는 방전량을 조절하는 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배터리 관리 장치에 있어서, 상기 커패시터는 직렬로 연결되고, 대응하는 상기 복수의 밸런싱 저항 또한 직렬로 연결되어, 상기 캐패시터 간에 전압의 균형을 맞추면서 상기 커패시터가 충전되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배터리 관리 장치에 있어서, 상기 커패시터는 EDLC(Electric Double Layer Capacitor), P-EDLC(Pseudocapacitor) 또는 리튬 이온 커패시터(lithium ion capacitor)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배터리 관리 장치에 있어서, 상기 제어유닛은 상기 감지한 결과 특정 커패시터가 과도하게 충전된 경우, 상기 스위치를 이용하여 상기 특정 커패시터에 공급되던 전력이 다른 경로로 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배터리 관리 장치에 있어서, 상기 제어유닛은 상기 감지한 결과 특정 커패시터가 다른 커패시터에 비해 상대적으로 과도하게 충전된 경우, 상기 스위치를 이용하여 상기 특정 커패시터가 방전되도록 제어하거나 상기 다른 커패시터가 충전되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배터리 관리 장치에 있어서, 상기 제어유닛은 상기 감지한 결과 특정 커패시터가 다른 커패시터에 비해 상대적으로 미흡하게 충전된 경우, 상기 스위치를 이용하여 상기 특정 커패시커가 충전되도록 제어하거나 상기 다른 커패시터가 방전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배터리 관리 장치에 있어서, 상기 제어유닛은 상기 캐패시터 각각에 대응하여 상기 캐패시터와 동일한 개수로 구비되고, 단일 제어유닛은 단일 캐패시터의 충전량 또는 방전량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 관리 방법은, 배터리 관리 장치가 밸런싱 저항과 병렬 연결된 커패시터의 전압을 감지하는 감지단계, 상기 배터리 관리 장치가 상기 감지한 결과에 따라 특정 커패시터가 과도하게 충전되었는지 여부를 판단하는 판단단계, 및 상기 배터리 관리 장치가 상기 판단한 결과 상기 특정 커패시터가 과도하게 충전된 경우 상기 특정 커패시터의 충전을 위해 공급되던 전력이 다른 경로로 공급되도록 조절하는 조절단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치 및 방법에 따르면 배터리셀에 포함된 커패시터의 과충전이나 기능 이상을 방지하여 안정적으로 전력이 공급되도록 할 수 있다.
또한, 배터리셀에 포함된 각 커패시터가 균형 있게 충전 또는 방전되도록 할 수 있고 이에 따라 안정적인 성능을 기대할 수 있다.
더하여, 특정 커패시터에 기능 이상이 발생하는 경우에도 외부에 전력 공급이 가능하여 배터리의 성능을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 복수로 연결한 모습을 나타낸 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리의 충전량을 관리하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)를 나타낸 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면 본 실시예의 배터리 관리 장치(100)는 배터리셀(10), 밸런싱 저항(20), 스위치(30) 및 제어유닛(40)을 포함한다.
베터리셀(10)은 전원을 공급하는 장치로서 전력을 충전하는 커패시터(11)를 포함한다.
이때, 커패시터(11)는 슈퍼 커패시터의 일종인 EDLC(Electric Double Layer Capacitor: 전기 2중층 커패시터), P-EDLC(Pseudocapacitor: 유사 커패시터) 또는 리튬 이온 커패시터(LIC: Lithium Ion Capacitor)와 같은 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor)가 될 수 있다.
여기서 EDLC(전기 2중층 커패시터)는 서로 다른 상의 계면에 형성된 전기이중층에서 발생하는 정전하현상을 이용한 커패시터로서, 에너지 저장 메커니즘이 화학반응에 의존하는 배터리에 비하여 충방전 속도가 빠르고 충방전 효율이 높으며 사이클 특성이 월등하여 백업 전원에 광범위하게 사용되고, 향후 전기자동차의 전원으로서의 가능성도 무한하다.
P-EDLC(유사 커패시터)는 전극과 전기화학 산화물의 산화-환원 반응을 이용하여 화학 반응을 전기적 에너지로 전환하여 저장하는 커패시터이다. P-EDLC는 EDLC가 전기화학 이중층형 전극 표면에 형성된 2중층에만 전하를 저장하는 데 비하여 전극 재료의 표면 근처까지 전하를 저장 할 수 있어 저장 용량이 EDLC에 비하여 약 5배정도 크다. 금속산화물 전극재료로는 RuOx, IrOx, MnOx 등이 사용되고 있다.
그리고 리튬 이온 커패시터는 기존 EDLC의 고출력 및 장수명 특성과, 리튬 이온 전지의 고에너지밀도를 결합한 새로운 개념의 이차전지 시스템이다. 전기 2중층 내 전하의 물리적 흡착반응을 이용하는 EDLC는 우수한 출력특성 및 수명특성에도 불구하고 낮은 에너지밀도 때문에 다양한 응용분야에 적용이 제한되고 있다. 이러한 EDLC의 문제점을 해결하는 수단으로서 음극 활물질로서 리튬 이온을 삽입 및 탈리할 수 있는 탄소계 소재를 이용하는 리튬 이온 커패시터가 제안되었으며, 리튬 이온 커패시터는 이온화 경향이 큰 리튬 이온을 음극에 미리 도핑하여 음극의 전위를 대폭적으로 낮출 수 있고, 셀 전압도 종래 EDLC의 2.5 V 대비 크게 향상된 3.8 V 이상의 고전압 구현이 가능하며 높은 에너지 밀도를 발현할 수 있다.
배터리셀(10)은 전원 공급 장치인 배터리를 구성하여 휴대폰이나 가전제품, 각종 휴대용 전자기기, 자동차 등의 전원으로서 기능할 수 있으며, 이는 보조 전원으로서의 기능 뿐만 아니라 주전원으로서의 기능을 수행할 수 있음을 의미한다.
밸런싱 저항(20)은 커패시터(11)와 병렬 연결되는 저항 소자이다.
밸런싱 저항(20)은 배터리셀(10)이 직렬로 연결되어 배터리를 구성하는 경우, 각 배터리셀(10)의 충전량을 조절하는 기능을 한다.
즉, 복수의 배터리셀(10)이 직렬로 연결되는 경우, 배터리셀(10)에 포함된 커패시터(11)가 직렬로 연결되고, 각각의 커패시터(11)에 대응되는 밸런싱 저항(20) 또한 직렬로 연결된다. 이때, 배터리셀(10)의 충전을 위해 배터리에 전압이 인가되면, 밸런싱 저항(20)에 전압이 나누어 인가되고, 그 결과 커패시터(11)가 균형있게 충전되어 배터리셀(10)의 충전량이 조절된다.
스위치(30)는 커패시터(11)의 충전 여부를 결정하는 스위치 소자이다.
스위치(30)는 전류의 흐름을 조절하기 위한 하나 이상의 방향성 다이오드를 포함할 수 있으며, 스위치 회로로 기능하는 트랜지스터 소자를 포함할 수 있다.
스위치(30)는 동작 제어를 위한 저항(3)과 연결된다.
제어유닛(40)은 커패시터(11)의 전압을 감지하고, 감지 결과에 따라 스위치(30)의 턴 온(turn on) 또는 턴 오프(turn off) 여부를 결정한다. 그리고 스위치(30)의 턴 온 또는 턴 오프 여부에 따라 커패시터(11)의 충전량 또는 방전량이 조절된다.
예를 들어, 배터리셀(10) 내부의 커패시터(11) 충전을 위해 노드(1)과 노드(2) 간에 전압이 인가된 경우를 가정하자. 이때, 제어유닛(40)이 커패시터(11) 양단의 전압을 감지한 결과 커패시터(11)가 과도하게 충전된 경우라면, 제어유닛(40)은 스위치(30)를 턴 온 시킨다.
이때, 노드(1) 및 노드(2) 양단 간의 전압에 따라 흐르는 전류는, 노드(1)로 유입되어 저항(4)을 거쳐 스위치(30)를 통해 노드(2) 방향으로 이동한다. 그 결과 커패시터(11)는 더 이상 충전되지 않게 되고, 오히려 방전이 일어나 전압 수치가 떨어지게 된다.
특정 커패시터(11)가 과도하게 충전된 경우 커패시터(11)는 정상 동작이 불가능할 수 있고, 더 나아가 기능 이상이 발생하여 배터리의 일부가 전원으로서의 기능을 상실하는 결과를 초래할 수 있으므로, 본 발명의 제어유닛(40)은 커패시터(11)의 과충전시 커패시터(11)에 공급되전 전력이 다른 경로로 공급되도록 제어하여, 커패시터(11)의 기능 이상을 방지하는 것이다.
또한, 제어유닛(40)은 커패시터(11) 양단의 전압을 감지한 결과 커패시터(11)가 다른 커패시터에 비해 상대적으로 과도하게 충전된 경우, 스위치(30)를 이용하여 커패시터(11)가 방전되도록 제어하거나 다른 커패시터가 충전되도록 제어할 수 있다.
이때, 제어유닛(40)은 커패시터(11)에 대응하는 스위치(30)를 턴 온하여 커패시터(30)에 전력이 공급되지 않도록 하는 방식으로, 커패시터(11)의 전압 레벨을 유지하거나 커패시터(11)가 방전되도록 하고, 다른 커패시터의 제어유닛은 대응하는 커패시터가 계속 충전되도록 하는 방식으로 이러한 동작을 수행할 수 있다.
더하여, 제어유닛(40)은 커패시터(11) 양단의 전압을 감지한 결과 커패시터(11)가 다른 커패시터에 비해 상대적으로 미흡하게 충전된 경우, 스위치(30)를 이용하여 커패시터(11)가 충전되도록 제어하고 다른 커패시터가 방전되도록 제어할 수 있다.
이때, 제어유닛(40)은 커패시터(11)에 대응하는 스위치(30)를 턴 오프하여 커패시터(11)에 전력이 공급되도록 하고, 다른 커패시터의 제어유닛은 대응하는 커패시터가 충전되지 않도록 하는 방식으로 이러한 동작을 수행할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 배터리 관리 장치(100)에서는 제어유닛(40)이 커패시터(11)와 동일한 개수로 구비될 수 있고, 각각의 제어유닛은 대응하는 캐패시터의 충전량 또는 방전량을 조절할 수 있다. 반대로, 적은 수의 제어유닛(40)이 다수의 커패시터(11)의 충방전량을 조절할 수도 있다.
이와 같은 본 발명의 기술적 특징은 외부로 전력을 공급하는 커패시터(11)의 충전량에 불균형이 발생하거나, 커패시터(11)가 과충전되는 등의 이유로 인해 기능 이상이 발생하는 것을 사전에 방지한다. 이를 통해 배터리셀(12)은 안정적으로 전원으로서의 기능을 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(101, 102)를 복수로 연결한 모습을 나타낸 회로도이다.
도 3을 참조하면, 배터리 관리 장치(101)와 배터리 관리 장치(102)는 직렬로 연결되어 있다.
배터리 관리 장치(101)는 커패시터(12), 밸런싱 저항(21), 스위치(31) 및 제어유닛(41)을 포함한다.
이때, 밸런싱 저항(21)은 커패시터(12)와 병렬 연결되고, 스위치(31)와 직렬로 저항(6)이 연결되어 있으며, 스위치(31)의 동작 제어를 위한 저항(5) 또한 연결되어 있다.
배터리 관리 장치(102)는 커패시터(13), 밸런싱 저항(22), 스위치(32) 및 제어유닛(42)을 포함한다.
이때, 밸런싱 저항(22)은 커패시터(13)와 병렬 연결되고, 스위치(32)와 직렬로 저항(8)이 연결되어 있으며, 스위치(31)의 동작 제어를 위한 저항(7) 또한 연결되어 있다.
배터리 관리 장치(101)와 배터리 관리 장치(102)가 직렬 연결된 양단에는 노드(1) 및 노드(2)가 위치하고, 노드(1) 및 노드(2) 간에는 커패시터(31, 32)를 충전하기 위한 전압이 인가된다.
제어유닛(41, 42)은 각각의 배터리 관리 장치(101, 102)에서 커패시터(31, 32) 양단의 전압을 감지하고, 그 결과 커패시터(31, 32)가 과도하게 충전되거나 미흡하게 충전된 경우 스위치(31, 32)를 이용하여 커패시터(31, 32)의 충전량 또는 방전량을 제어한다.
도 3에서 커패시터(12, 13)는 직렬로 연결되고, 대응하는 밸런싱 저항(21, 22) 또한 직렬로 연결된다. 그 결과 커패시터(31, 32)를 충전하기 위해 노드(1) 및 노드(2) 간에 전압이 인가되면, 해당 전압은 커패시터(31, 32)에 나누어 걸리게 되고, 커패시터(31, 32) 각각이 균형있게 충전되게 된다.
만일 커패시터(12)가 과충전 되는 등 기능 이상이 발생하여 전원으로서의 기능을 상실하는 경우, 커패시터(12)와 병렬로 연결된 밸런싱 저항(21)은 커패시터(13)를 충전하거나 커패시터(13)에 충전된 전력이 외부로 전달될 수 있는 경로를 제공한다.
이와 같이 본 발명에서는 특정 커패시터(12)에 기능 이상이 발생한 경우에도, 다른 커패시터(13)를 이용하여 전력 공급이 가능하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리의 충전량을 관리하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 배터리 관리 장치는 배터리셀 내부에 위치하여 충방전되는 커패시터의 전압을 감지한다(S11).
단계(S11)의 커패시터에는 다른 커패시터와의 충전량 균형을 위해 병렬로 밸런싱 저항이 연결된다.
단계(S11)에서 배터리셀 내부에 위치한 커패시터는 슈퍼 커패시터의 일종인 EDLC(Electric Double Layer Capacitor: 전기 2중층 커패시터), P-EDLC(Pseudocapacitor: 유사 커패시터) 또는 리튬 이온 커패시터(LIC: Lithium Ion Capacitor)와 같은 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor)가 될 수 있다.
단계(S11)에서 배터리 관리 장치가 감지한 결과 커패시터가 과도하게 충전된 것으로 판단되면(S12), 배터리 관리 장치는 커패시터의 충전을 위해 공급되는 전력의 경로를 변경하여, 다른 곳으로 전력이 공급되도록 한다(S13).
이를 통해 과충전된 커패시터는 더 이상 충전되지 않고, 더 나아가 방전 과정을 통해 전압이 낮아지게 된다.
반대로, 단계(S11)에서 배터리 관리 장치가 감지한 결과 커패시터가 과도하게 충전되지 않은 것으로 판단되면(S12), 배터리 관리 장치는 커패시터로 전력을 공급하여 커패시터가 충전되도록 한다(S14).
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
1, 2: 노드 3, 4, 5, 6, 7, 8: 저항
10: 배터리셀 11, 12, 13: 커패시터
20, 21, 22: 밸런싱 저항 30, 31, 32: 스위치
40, 41, 42: 제어유닛 100, 101, 102: 배터리 관리 장치

Claims (8)

  1. 커패시커를 구비한 복수의 배터리셀;
    상기 커패시터 각각과 병렬 연결되어 직렬 연결된 상기 배터리셀의 충전량을 조절하는 복수의 밸런싱 저항;
    상기 커패시터의 충전 여부를 결정하는 스위치; 및
    상기 커패시터의 전압을 감지하고, 감지 결과에 따라 상기 스위치를 이용해 상기 커패시터의 충전량 또는 방전량을 조절하는 제어유닛;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터는 직렬로 연결되고, 대응하는 상기 복수의 밸런싱 저항 또한 직렬로 연결되어, 상기 캐패시터 간에 전압의 균형을 맞추면서 상기 커패시터가 충전되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터는 EDLC(Electric Double Layer Capacitor), P-EDLC(Pseudocapacitor) 또는 리튬 이온 커패시터(lithium ion capacitor)인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 감지한 결과 특정 커패시터가 과도하게 충전된 경우, 상기 스위치를 이용하여 상기 특정 커패시터에 공급되던 전력이 다른 경로로 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 감지한 결과 특정 커패시터가 다른 커패시터에 비해 상대적으로 과도하게 충전된 경우, 상기 스위치를 이용하여 상기 특정 커패시터가 방전되도록 제어하거나 상기 다른 커패시터가 충전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 감지한 결과 특정 커패시터가 다른 커패시터에 비해 상대적으로 미흡하게 충전된 경우, 상기 스위치를 이용하여 상기 특정 커패시커가 충전되도록 제어하거나 상기 다른 커패시터가 방전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 캐패시터 각각에 대응하여 상기 캐패시터와 동일한 개수로 구비되고, 단일 제어유닛은 단일 캐패시터의 충전량 또는 방전량을 조절하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  8. 배터리 관리 장치가 밸런싱 저항과 병렬 연결된 커패시터의 전압을 감지하는 감지단계;
    상기 배터리 관리 장치가 상기 감지한 결과에 따라 특정 커패시터가 과도하게 충전되었는지 여부를 판단하는 판단단계; 및
    상기 배터리 관리 장치가 상기 판단한 결과 상기 특정 커패시터가 과도하게 충전된 경우 상기 특정 커패시터의 충전을 위해 공급되던 전력이 다른 경로로 공급되도록 조절하는 조절단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
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