KR20140028349A

KR20140028349A - 셀 밸런싱 장치

Info

Publication number: KR20140028349A
Application number: KR1020120094408A
Authority: KR
Inventors: 박세호
Original assignee: 에스케이이노베이션 주식회사
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2014-03-10

Abstract

본 발명은 배터리 셀이나 셀 밸런싱 장치로 과전류가 유입되는 것을 방지할 수 있도록 한 셀 밸런싱 장치에 관한 것으로, 복수의 배터리 셀의 각 배터리 셀의 양극 및 음극 단자 사이에 각각 설치되어 전류를 제한하는 복수의 과전류 보호 회로부; 및 상기 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀의 전압 레벨을 밸런싱하는 배터리 제어 유닛을 포함하는 과전류 보호 회로를 구비한 셀 밸런싱 장치를 제공하여 과전류로 인한 배터리 팩의 손상이나 셀밸런싱부의 손상을 방지한다.

Description

셀 밸런싱 장치{Cell balancing apparatus}

본 발명은 셀 밸런싱 장치에 관한 것으로, 특히 배터리 팩이나 셀 밸런싱 장치로 과전류가 유입되는 것을 방지할 수 있도록 한 셀 밸런싱 장치에 관한 것이다.

최근 화석 에너지의 고갈과 환경오염으로 인해 화석 에너지를 사용하지 않고 전기 에너지를 이용하는 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 대한 관심이 높아지고 있다.

이러한 전기 자동차나 하이브리드 자동차가 주행하기 위해서는 고출력을 요구하는 구동 모터를 구동시켜야 한다. 이를 위해 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 사용되는 배터리는 다수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 배터리 팩으로부터 출력되는 전기를 전원으로 이용하고 있다.

이러한 배터리 팩에 포함되어 있는 다수의 배터리 셀은 안정성과 수명향상, 그리고 고출력을 얻기 위해 각 배터리 셀의 전압을 균일하게 유지할 필요가 있다.

배터리 팩에 포함된 각 배터리 셀의 충전 전압을 균일하게 밸런싱하는 방법에는, 전압이 상대적으로 낮은 배터리 셀에 충전 전류를 공급하여 전압을 상승시키는 방법, 전압이 상대적으로 높은 배터리 셀을 방전시켜 전압을 하강시키는 방법, 각 배터리 셀의 전압으로부터 밸런싱 목표 전압을 정하고 목표 전압보다 전압이 높은 배터리 셀은 방전시키고 목표 전압보다 낮은 배터리 셀은 충전시키는 방법 등이 사용된다.

위와 같은 셀 밸런싱 방법은 각 배터리 셀과 연결된 셀 밸런싱부에 의해 구현된다. 셀 밸런싱부는 셀 밸런싱 동작의 시작과 종료를 제어하는 스위칭 소자와 배터리 셀 전압을 방전시키는 방전 저항을 포함한다.

이와 같은 구성에서 셀 밸런싱부와 연결된 배터리 팩의 양단이나 배터리 팩에 포함된 배터리 셀의 양단이 단락등이 되어 과전류가 흐르면, 배터리 팩이 폭발하는 등의 문제가 발생한다.

더욱이, 셀 밸런싱부를 이용하여 배터리 셀의 밸런싱을 이루는 과정에서 순간적으로 단락 등으로 인하여 과도한 전류가 양단에 흐르게 되고, 그로 인해 과도한 전류가 셀 밸런싱부에 유입되거나 스위칭 소자에 동작 전압 이상의 과전압이 인가되거나 방전 저항을 통해 과도한 열이 발생하는 등의 이상 상황이 발생되면 셀 밸런싱부에 포함된 부품이 단락(short) 또는 개방(open)되어 회로가 정상적으로 동작하지 않는 문제가 발생한다.

이를 해결하기 위하여 제안된 종래 기술은 배터리 팩 내부에 퓨즈를 삽입하여 과전류가 외부로 유출될 때에 퓨즈가 끊어지도록 되어 있었다.

하지만, 이와 같은 종래 기술은 배터리 팩의 파손을 일부 방지할 수는 있으나, 외부에 연결된 셀 밸런싱부가 파손되는 문제점이 있었다.

국내특허공개공보 2008-0080864호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 과도한 전류가 배터리 팩이나 셀 밸런싱부로 유입되지 않도록 차단하는 과전류 보호 회로를 구비한 셀 밸런싱 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀에 대하여 각 배터리 셀의 양극 및 음극 단자 사이에 각각 설치되어 전류를 제한하는 복수의 과전류 보호 회로부; 및 상기 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀의 전압 레벨을 밸런싱하는 배터리 제어 유닛을 포함한다.

또한, 본 발명의 상기 과전류 보호 회로부는 해당하는 배터리 셀의 양극 및 음극 단자 사이에 설치된 저항 소자로 이루어진다.

또한, 본 발명의 상기 저항 소자는 해당하는 상기 배터리 셀의 단자 사이가 단락시에 방전되는 전류를 제한하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 과전류 보호 회로부는 해당하는 배터리 셀의 양극 및 음극 단자 사이에 설치된 저항 소자; 및 상기 저항 소자에 직렬로 연결되어 있는 퓨즈로 이루어진 과전류 보호 회로를 구비한다.

또한, 본 발명의 상기 저항 소자는 해당하는 상기 배터리 셀의 단락시에 방전되는 전류를 제한하는 것을 특징으로 하며, 상기 퓨즈는 해당하는 상기 배터리 셀의 단락시에 단선되어 방전되는 전류를 차단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 배터리 모듈에 설치되는 모듈 커넥터; 및 상기 배터리 제어 유닛에 설치되는 배터리 제어 유닛 커넥터를 더 포함하여, 상기 모듈 커넥터와 상기 배터리 제어 유닛 커넥터가 결합되어 상기 배터리 모듈과 상기 배터리 제어 유닛이 접속하는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 회로를 구비한다.

또한, 본 발명의 상기 배터리 제어 유닛은 상기 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀의 전압 레벨을 밸런싱할 수 있도록 각 배터리 셀과 병렬 연결된 복수의 셀 밸런싱부; 각 배터리 셀의 단자 사이의 전압차를 측정하는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부를 통해 측정된 전압에 따라 상기 셀 밸런싱부를 제어하는 제어부를 포함한다.

또한, 본 발명의 상기 셀 밸런싱부는 해당하는 배터리 셀의 셀 전압을 방전시키는 방전 저항; 및 상기 해당하는 배터리 셀과 상기 방전 저항을 연결하는 셀 밸런싱 스위치를 포함한다.

또한, 본 발명의 상기 셀 밸런싱부는 저전위 노드측에 방전전류와 역방향의 전류가 방전 저항을 통해 흐르는 것을 제한하는 다이오드를 더 포함하는 과전류 보호 회로를 구비한다.

또한, 본 발명의 상기 제어부는 상기 전압 측정부로부터 출력되는 아날로그 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환하여 출력하는 상기 A/D 변환 모듈; 상기 복수의 셀 밸런싱부에 포함된 각각의 셀 밸런싱 스위치의 턴온 또는 턴오프를 제어하는 스위칭 제어 모듈; 및 상기 A/D 변환 모듈로부터 디지털 전압 신호를 입력 받아 각 배터리 셀의 전압을 판단하여 상기 스위치 제어 모듈을 제어하여 해당하는 셀 밸런싱 스위치를 턴온 또는 턴 오프하는 중앙 연산 모듈을 포함한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 사용자의 실수나 부주의로 인해, 또는 예기치 못한 상황으로 인해 배터리 팩 또는 배터리 셀의 셀 밸런싱부와 연결된 양단이 단락되어 방전전류가 흐르는 경우에 과전류 발생을 억제할 수 있다.

그 결과, 과전류 발생으로 인하여 배터리 팩의 손상이나 폭발등을 방지할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 셀 밸런싱부를 이용하여 배터리 셀의 밸런싱을 이루는 과정에서 단락등으로 인하여 순간적으로 과도한 전류가 셀 밸런싱부에 유입되거나 스위칭 소자에 동작 전압 이상의 과전압이 인가되거나 방전 저항을 통해 과도한 열이 발생하는 등의 이상 상황의 발생을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과전류 보호 회로를 구비한 셀 밸런싱 장치에 대한 구성도이다.
도 2는 도 1의 셀 밸런싱부의 구체적인 구성도이다.
도 3은 도 1의 과전류 보호 회로부의 제1 실시예에 따른 구성도이다.
도 4는 도 1의 과전류 보호 회로부의 제2 실시예에 따른 구성도이다.
도 5는 도 1의 제어부의 구성도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과전류 보호 회로를 구비한 셀 밸런싱 장치에 대한 구성도이고, 도 2는 도 1의 셀 밸런싱부의 구체적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 과전류 보호 회로를 구비한 셀 밸런싱 장치는, 배터리 팩(1)과 배터리 제어 유닛(2)으로 구성되어 있다.

이와 같은 구성에서 상기 배터리 팩(1)은 복수의 배터리 셀(C1~Cn)과, 각 배터리 셀(C1~Cn)의 양극 및 음극 단자 사이에 각각 설치된 복수의 과전류 보호 회로부(S1~Sn+1) 및 팩 커넥터(10)로 이루어져 있다.

그리고, 상기 배터리 제어 유닛(2)은 배터리 제어 유닛 커넥터(20)와, 배터리 팩(1)에 포함된 복수의 배터리 셀(C1~Cn)의 전압 레벨을 밸런싱할 수 있도록 각 배터리 셀과 병렬 연결된 복수의 셀 밸런싱부(B1~Bn), 각 배터리 셀(C1~Cn)에 대응하는 셀 밸런싱부(B1~Bn)의 전압차를 측정하는 전압 측정부(21) 및 상기 전압 측정부(21)를 통해 측정된 배터리 셀(C1~Cn)의 전압에 따라 셀 밸런싱부(B1~Bn)를 제어하는 제어부(22)를 포함한다.

이처럼 구성된 상기 배터리 팩(1)과 배터리 제어 유닛(2)은 팩 커넥터(10)와 배터리 제어 유닛 커넥터(20)가 결합되어 전기적으로 접속된다.

이러한 구성에서 상기 과전류 보호 회로부(S1~Sn+1)는 본 발명에서 과전류를 방지하기 위해 채용한 구성 요소로서, 셀 전압이 방전될 때 과전류 보호 회로부(S1~Sn+1)를 통해 전류가 흐르기 때문에 과전류가 흐르는 것을 방지한다.

그리고, 상기 셀 밸런싱부(B1~Bn)는 제어부(22)의 제어에 따라 각 배터리 셀(C1~Cn)의 전압 레벨을 밸런싱한다.

이와 같은 상기 셀 밸런싱부(B1~Bn)는 각 배터리 셀(C1~Cn)의 양극 및 음극 단자에 연결된 전압 측정 라인과 병렬 연결된다.

이때, 셀 밸런싱부(B1~Bn)의 일단과 배터리 셀(C1~Cn)의 양극 단자로부터 연장된 전압 측정 라인과 연결된 노드가 고전위 노드(A)이고, 셀 밸런싱부(B1~Bn)의 타단과 배터리 셀(C1~Cn)의 음극 단자로부터 연장된 전압 측정 라인과 연결된 노드가 저전위 노드(B)이다.

그리고, 셀 밸런싱부(B1~Bn)의 전압차는 상기 고전위 노드(A)와 저전위 노드(B) 사이의 전압차를 의미한다.

여기서, 상기 고전위 노드(A)와 저전위 노드(B)는 상기 셀 밸런싱부(B1~Bn)와 전압 측정 라인이 접속되는 상대적인 지점으로 예컨대, 제1번 셀(C1)의 양극과 접속하여 연장된 셀 전압 측정 라인과 셀 밸런싱부(B1~Bn)가 접속되는 지점은 고전위 노드(A)가 되고, 이 고전위 노드(A)는 다시 제2번 셀(C2)의 음극과 접속하여 연장된 셀 전압 측정 라인과 셀 밸런싱부(B1~Bn)가 접속되는 지점에서는 저전위 노드(B)가 된다.

상기 셀 밸런싱부(B1~Bn)는 도 2에 도시된 바와 같이 배터리 셀(C1~Cn)의 셀 전압을 방전시키는 방전 저항(Rd)과, 배터리 셀(C1~Cn)과 방전 저항(Rd)을 연결하는 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)를 포함한다.

또한, 필수적인 것은 아니지만, 셀 밸런싱부(B1~Bn)의 저전위 노드(B) 측에는 방전전류와 역방향의 전류가 방전 저항(Rd)을 통해 흐르는 것을 제한하는 다이오드(D)가 더 포함될 수 있다.

여기서, 상기 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)는 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor; FET)가 사용되는 것이 바람직하다.

전계 효과 트랜지스터는 소오스 단자, 드레인 단자 및 게이트 단자를 구비하며, 게이트 단자에는 상기 제어부(22)의 제어에 따라 구동 전압이 인가되며, 구동전압의 인가로 인해 셀 밸런싱부(B1~Bn)가 턴온되고 상기 방전 저항(Rd)을 통해 셀 전압이 방전된다.

다음으로, 상기 전압 측정부(21)는 상기 제어부(22)의 제어에 의해 셀밸런싱부(B1~Bn)가 턴온 또는 턴오프되면 셀 밸런싱부(B1~Bn)의 고전위 노드(A)와 저전위 노드(B)사이의 전압차를 측정하여 아날로그 전압 신호로 출력한다.

바람직하게, 상기 전압 측정부(21)는 각 배터리 셀(C1~Cn)의 전압을 주기적으로 측정하기 위해 통상적으로 사용되는 회로를 그대로 이용한다.

이와 같은 전압 측정부(21)는 상기 다수의 배터리 셀(C1~Cn)의 양단에 각각 연결되어 상기 배터리 셀(C1~Cn)의 전압을 개별적으로 선택 검출하게 된다. 이때, 상기 전압 측정부(21)는 직렬로 연결된 배터리 셀(C1~Cn)을 개별적으로 선택하는 멀티플렉서(MUX)로 구현될 수 있다.

한편, 상기 제어부(22)는 상기 전압 측정부(21)를 통해 측정된 배터리 셀(C1~Cn)의 전압에 따라 셀 밸런싱부(B1~Bn)를 제어하여 셀 밸런싱 동작을 수행한다.

이와 같이 구성되는 과전류 보호 회로가 구비된 셀 밸런싱 장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

상기 제어부(22)는 상기 전압 측정부(21)를 통해 측정된 배터리 셀(C1~Cn)의 전압을 판단하여 복수의 배터리 셀(C1~Cn)중에서 특정 배터리 셀(C1~Cn)의 전압이 일정 전압보다 크게 되면 해당 셀 밸런싱부(B1~Bn)의 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)를 턴온시킨다.

이처럼 제어부(22)에 의해 일정 전압보다 큰 전압을 갖는 배터리 셀(C1~Cn)의 해당하는 셀 밸런싱부(B1~Bn)의 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)가 턴온되면, 해당 배터리 셀(C1~Cn)은 방전을 시작하여 방전 루프를 통하여 일정 시간 동안 방전 과정이 진행된다.

즉, 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)가 턴온되면 화살표로 표시된 방전 루프를 통해 방전전류가 흐른다.

한편, 상기 전압 측정부(21)는 상기 제어부(22)의 제어에 의해 셀밸런싱 스위치(SW1~SWn)가 턴온되면 셀 밸런싱부(B1~Bn)의 고전위 노드(A)와 저전위 노드(B)사이의 전압차를 측정하여 아날로그 전압 신호로 출력한다.

그리고, 이처럼 일정 전압보다 큰 전압을 갖는 배터리 셀(C1~Cn)의 해당하는 셀 밸런싱부(B1~Bn)의 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)가 턴온되어 방전 과정이 진행되고, 상기 전압 측정부(21)에 의해 측정된 전압이 일정 전압 이하가 되면 이제 제어부(22)는 해당 배터리 셀(C1~Cn)의 해당하는 셀 밸런싱부(B1~Bn)의 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)를 턴오프시킨다.

이와 같이 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)가 턴오프되면 방전 루프에 방전전류가 흐르지 않으며, 해당 배터리 셀(C1~Cn)은 해당 시점에서의 충전 상태를 유지한다.

한편, 사용자의 실수나 부주의로 인해, 또는 예기치 못한 상황으로 인해 배터리 셀(C1~Cn)의 양단이 단락되거나 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)가 단락되어 방전전류가 흐르는 경우가 발생할 수 있다.

이처럼 배터리 셀(C1~Cn)의 양단이 단락되거나 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)가 단락되어 배터리 셀(C1~Cn)의 양단자를 통하여 방전전류가 흐르는 경우가 과전류 보호 회로(S1~Sn+1)로 인하여 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.

일예로, 배터리 셀(C1~Cn)의 양단이 단락될 때, 배터리 셀(C1~Cn)의 양단의 전압을 V라고 하고, 과전류 보호 회로(C1~Cn)의 저항을 Ra라 하면 흐르는 전류 I는 V/Ra가 된다. 이러한 전류 I는 과전류 보호 회로(C1~Cn)가 구비되지 않을 때 흐르게 되는 거의 무한대에 가까운 과전류와 비교할 때 크게 감소된 것이다.

또 다른 예로, 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)가 단락될 때, 배터리 셀(C1~Cn)의 양단의 전압을 V라고 하고, 과전류 보호 회로(C1~Cn)의 저항을 Ra라 하며, 방전 저항(Rd)의 저항을 Rb라고 할때, 흐르는 전류 I는 V/(Ra+Rb)가 된다. 이러한 전류 I는 과전류 보호 회로(C1~Cn)가 구비되지 않을 때 흐르게 되는 전류 V/(Rb)와 비교하여 감소된 것이다.

이처럼, 배터리 셀(C1~Cn)의 양단이 단락되거나 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)가 단락되어 흐르는 방전전류는 과전류 보호 회로부(S1~Sn+1)가 구비되지 않은 경우와 비교할 때 적은 전류가 흐르게 된다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 사용자의 실수나 부주의로 인해, 또는 예기치 못한 상황으로 인해 배터리 셀(C1~Cn)의 양단이 단락되거나 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)가 단락되어 방전전류가 흐르는 경우에 과전류 보호 회로부로 인하여 과전류 보호 회로부(S1~Sn+1)가 구비되지 않은 경우와 비교할 때 적은 전류가 흐르게 되어 배터리 셀(C1~Cn)의 파손은 물론 외부에 연결된 셀 밸런싱부(B1~Bn)의 파손을 방지할 수 있다.

도 3은 도 1의 과전류 보호 회로부의 제1 실시예에 따른 구성을 보다 구체적으로 도시한 블록도이다.

도 3을 보면, 도 1의 과전류 보호 회로부의 제1 실시예에 따른 구성은 저항 소자(Rm1~Rmn+1)로 구성되어 있으며, 셀 전압이 방전될 때 저항 소자(Rm1~Rmn+1)를 통해 전류가 흐르기 때문에 과전류가 배터리 셀(C1~Cn)이나 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)로 직접 흐르는 것을 방지한다.

일예로, 사용자의 실수나 부주의로 인해, 또는 예기치 못한 상황으로 인해 배터리 셀(C1~Cn)의 양단이 단락되거나 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)가 단락되어 방전전류가 흐르는 경우가 발생할 수 있는데, 이처럼 배터리 셀(C1~Cn)의 양단이 단락되거나 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)가 단락되어 배터리 셀(C1~Cn)의 양단자를 통하여 방전전류가 흐르는 경우가 저항 소자(Rm1~Rmn+1)로 인하여 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.

이를 좀더 자세히 살펴보면, 배터리 셀(C1~Cn)의 양단이 단락될 때, 배터리 셀(C1~Cn)의 양단의 전압을 V라고 하고, 저항 소자(Rm1~Rmn+1)의 저항을 공통적으로 Rma라 하면 흐르는 전류 I는 V/Rma가 된다. 이러한 전류 I는 저항 소자(Rm1~Rmn+1)가 구비되지 않을 때 흐르게 되는 거의 무한대에 가까운 과전류와 비교할 때 크게 감소된 것이다.

또 다른 예로, 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)가 단락될 때, 배터리 셀(C1~Cn)의 양단의 전압을 V라고 하고, 저항 소자(Rm1~Rmn+1)의 저항을 공통적으로 Rma라 하며, 방전 저항(Rd)의 저항을 Rb라고 할때, 흐르는 전류 I는 V/(Rma+Rb)가 된다. 이러한 전류 I는 저항 소자(Rm1~Rmn+1)가 구비되지 않을 때 흐르게 되는 전류 V/(Rb)와 비교하여 감소된 것이다.

이처럼, 배터리 셀(C1~Cn)의 양단이 단락되거나 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)가 단락되어 흐르는 방전전류는 저항 소자(Rm1~Rmn+1)가 구비되지 않은 경우와 비교할 때 적은 전류가 흐르게 된다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 사용자의 실수나 부주의로 인해, 또는 예기치 못한 상황으로 인해 배터리 셀(C1~Cn)의 양단이 단락되거나 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)가 단락되어 방전전류가 흐르는 경우에 저항 소자(Rm1~Rmn+1)로 인하여 저항 소자(Rm1~Rmn+1)가 구비되지 않은 경우와 비교할 때 적은 전류가 흐르게 되어 배터리 셀(C1~Cn)의 파손은 물론 외부에 연결된 셀 밸런싱부(B1~Bn)의 파손을 방지할 수 있다.

또한, 상기 본 발명에 따르면 배터리 팩 내부의 퓨즈가 끊어져 배터리 팩을 분해해서 교체해야 하는 번거로움을 방지할 수 있다.

도 4는 도 1의 과전류 보호 회로부의 제2 실시예에 따른 구성을 보다 구체적으로 도시한 블록도이다.

도 4를 보면, 도 1의 과전류 보호 회로부의 제2 실시예에 따른 구성은 저항 소자(Rm1~Rmn+1)와 퓨즈(F1~Fn+1)로 구성되어 있으며, 배터리 셀(C1~Cn)이 방전될 때 저항 소자(Rm1~Rmn+1)를 통해 전류가 흐르기 때문에 과전류가 배터리 셀(C1~Cn)이나 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)로 직접 흐르는 것을 방지한다.

또한, 퓨즈(F1~Fn+1)가 일정 전류이상이 흐르게 되면 절단되어 배터리 셀(C1~Cn)이나 셀 밸런싱부(B1~Bn)를 보호한다.

도 5는 도 1의 제어부의 구성을 보다 구체적으로 도시한 구성도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 도 1의 제어부(22)는 A/D 변환 모듈(31), 중앙 연산 모듈(32) 및 스위치 제어 모듈(33)을 포함한다.

상기 A/D 변환 모듈(31)은 전압 측정부(21)로부터 출력되는 아날로그 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환하여 중앙 연산 모듈(32)로 출력한다.

상기 아날로그 전압 신호는 각 배터리 셀(C1~Cn)의 셀 전압에 대응하는 신호와, 셀 밸런싱부(B1~Bn)의 전압차에 대응하는 전압 신호를 포함한다.

상기 중앙 연산 모듈(32)은 상기 A/D 변환 모듈(31)로부터 디지털 전압 신호를 입력 받아 각 배터리 셀(C1~Cn)에 대한 전압을 판단한다.

상기 스위치 제어 모듈(33)은 셀 밸런싱부(B1~Bn)에 포함된 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)의 턴온 또는 턴오프를 제어한다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제어부의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 전압 측정부(21)가 상기 배터리 셀(C1~Cn)의 전압을 개별적으로 선택 검출하게 되면, A/D 변환 모듈(31)은 상기 전압 측정부(21)가 측정하여 출력한 아날로그 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환하여 중앙 연산 모듈(32)로 입력한다.

그러면, 상기 중앙 연산 모듈(32)은 상기 전압 측정부(21)에 의해 측정된 개별 배터리 셀의 전압을 디지털 값으로 입력받아 개별 배터리 셀의 측정 데이터를 비교하여 각각의 전압 편차를 계산하고, 상기 개별 배터리 셀간의 밸런싱을 수행하도록 상기 각각의 전압 편차에 대응하여 개별 방전신호를 생성하게 된다.

그리고, 중앙 연산 모듈(32)은 생성된 개별 방전 신호에 따라 상기 스위치 제어 모듈(33)을 제어하여 각각의 배터리 셀간의 밸런스를 위하여 개별 배터리 셀이 방전되도록 제어하게 된다.

이에 따라, 상기 스위치 제어 모듈(33)은 셀 밸런싱부(B1~Bn)에 포함된 셀 밸런싱 스위치(SW1~SWn)의 턴온 또는 턴오프를 제어하여 셀 밸런싱이 수행되도록 한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

1 : 배터리 팩 C1~Cn : 배터리 셀
S1~Sn+1 : 과전류 보호 회로 Rm1~Rmn+1 : 저항 소자
F1~Fn+1 : 퓨즈 10 : 팩 커넥터
2: 배터리 제어 유닛 20 : 배터리 제어 유닛 커넥터
B1~Bn: 셀 밸런싱부 21 : 전압 측정부
22 : 제어부 31 : A/D 변환 모듈
32 : 중앙 연산 모듈 33 : 스위치 제어 모듈

Claims

배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀에 대하여 각 배터리 셀의 양극 및 음극 단자 사이에 각각 설치되어 전류를 제한하는 복수의 과전류 보호 회로부; 및
상기 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀의 전압 레벨을 밸런싱하는 배터리 제어 유닛을 포함하는 셀 밸런싱 장치.
청구항 1에 있어서
상기 과전류 보호 회로부는 해당하는 배터리 셀의 양극 및 음극 단자 사이에 설치된 저항 소자로 이루어진 셀 밸런싱 장치.
청구항 2에 있어서
상기 저항 소자는 해당하는 상기 배터리 셀의 단자 사이가 단락시에 방전되는 전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 장치.
청구항 1에 있어서
상기 과전류 보호 회로부는
해당하는 배터리 셀의 양극 및 음극 단자 사이에 설치된 저항 소자; 및
상기 저항 소자에 직렬로 연결되어 있는 퓨즈로 이루어진 셀 밸런싱 장치.
청구항 4에 있어서
상기 저항 소자는 해당하는 상기 배터리 셀의 단락시에 방전되는 전류를 제한하는 것을 특징으로 하며,
상기 퓨즈는 해당하는 상기 배터리 셀의 단락시에 단선되어 방전되는 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 배터리 팩에 설치되는 팩 커넥터; 및
상기 배터리 제어 유닛에 설치되는 배터리 제어 유닛 커넥터를 더 포함하여,
상기 팩 커넥터와 상기 배터리 제어 유닛 커넥터가 결합되어 상기 배터리 팩과 상기 배터리 제어 유닛이 접속하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 배터리 제어 유닛은
상기 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀의 전압 레벨을 밸런싱할 수 있도록 각 배터리 셀과 병렬 연결된 복수의 셀 밸런싱부;
각 배터리 셀의 단자 사이의 전압차를 측정하는 전압 측정부; 및
상기 전압 측정부를 통해 측정된 전압에 따라 상기 셀 밸런싱부를 제어하는 제어부를 포함하는 셀 밸런싱 장치.
청구항 7에 있어서
상기 셀 밸런싱부는,
해당하는 배터리 셀의 셀 전압을 방전시키는 방전 저항; 및
상기 해당하는 배터리 셀과 상기 방전저항을 연결하는 셀 밸런싱 스위치를 포함하는 셀 밸런싱 장치.
청구항 8에 있어서
상기 셀 밸런싱부는,
저전위 노드측에 방전전류와 역방향의 전류가 방전저항을 통해 흐르는 것을 제한하는 다이오드를 더 포함하는 셀 밸런싱 장치.
청구항 7에 있어서
상기 제어부는
상기 전압 측정부로부터 출력되는 아날로그 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환하여 출력하는 상기 A/D 변환 모듈;
상기 복수의 셀 밸런싱부에 포함된 각각의 셀 밸런싱 스위치의 턴온 또는 턴오프를 제어하는 스위칭 제어 모듈; 및
상기 A/D 변환 모듈로부터 디지털 전압 신호를 입력 받아 각 배터리 셀의 전압을 판단하여 상기 스위치 제어 모듈을 제어하여 해당하는 셀 밸런싱 스위치를 턴온 또는 턴 오프 하는 중앙 연산 모듈을 포함하는 셀 밸런싱 장치.