KR20160137479A - 모듈화된 배터리팩 및 이를 포함하는 배터리 충전 시스템 - Google Patents

모듈화된 배터리팩 및 이를 포함하는 배터리 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 효율적인 셀 밸런싱을 달성하는 동시에 각 구성을 모듈화시켜 유지 보수 측면에서 장점을 가지는 모듈화된 배터리팩 및 이를 포함하는 배터리 충전 시스템을 제공하는데 목적이 있다. 이를 위해, 본 발명의 일 측면에 따른 모듈화된 배터리팩은, 하나 이상의 배터리셀 모듈을 포함하고, 상기 배터리셀 모듈은, 외부 배터리 관리부와 통신하여 상기 배터리셀 모듈을 제어하는 제어통신부와, 충전을 통해 전하가 축적되는 배터리셀과, 상기 배터리셀을 충전하는 셀충전기와, 상기 배터리셀의 온도를 감지하는 온도센서를 포함하고, 상기 배터리셀 모듈에 포함되는 제어통신부, 배터리셀, 셀충전기 및 배터리셀은 각각 분리 가능한 형태로 결합되되, 상기 제어통신부와 상기 배터리셀은 볼트 체결로 결합되어 전기적으로 연결되며, 상기 하나 이상의 배터리셀 모듈 각각을 직렬으로 연결하는 단자부와, 상기 하나 이상의 배터리셀 모듈을 고정하기 위해 상기 단자부에 연결된 배터리 고정 프레임을 포함하되, 상기 단자부는 5각형태로 형성되어, 상기 배터리 고정 프레임측으로 돌출된 부분은 상기 배터리 고정 프레임에 연결되고, 돌출된 부분의 반대편은 두 배터리셀 모듈을 연결하며, 상기 배터리 고정 프레임은 상기 단자부의 돌출된 부분에 형성된 홀에 볼트를 통해 고정되는 것을 특징으로 한다.
이를 통해, 충전기과 셀충전기의 병렬 충전으로 충전과 동시에 셀밸런싱을 수행하여 전기에너지의 낭비를 최소화할 수 있으며 충전시간을 단축할 수 있다.

Description

모듈화된 배터리팩 및 이를 포함하는 배터리 충전 시스템 {MODULAR BATTERY PACK AND BATTERY CHARGING SYSTEM COMPRISING THAT}
본 발명은 모듈화된 배터리팩 및 이를 포함하는 배터리 충전 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 효율적인 셀 밸런싱을 달성하는 동시에 각 구성을 모듈화시켜 유지 보수 측면에서 장점을 가지는 모듈화된 배터리팩 및 이를 포함하는 배터리 충전 시스템에 관한 것이다.
휴대형 전자기기나 에너지 저장시스템 등은 배터리를 통해 전원을 저장 하거나 공급한다. 이러한 배터리는 배터리 셀과 제어 회로를 포함하는 배터리팩으로 제작 될 수 있다.
배터리 팩은 외부 충전기를 통해 에너지를 충전하는 충전 과정과 외부 부하에 에너지를 공급하는 방전 과정을 반복한다.
종래의 배터리 팩은 외부 충전기와 배터리 셀을 직렬 또는 직병렬로 연결하고, 외부 충전기를 통해 전체 배터리 셀을 충전한다.
이때 각각의 셀이 균등하게 충전되거나 방전되지 못하여 충방전 편차가 발생 할 수 있는데, 이러한 편차를 해결하기 위해 배터리 셀 밸런싱 과정이 필요하다.
그러나 상기 셀 밸런싱 과정에는 많은 시간이 소요된다.
종래의 기술은 상기 셀 밸런싱 과정에서 발생하는 소요 시간 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 방법들을 사용하였다(한국공개공보 제10-2012-0016993호, 2012년 02월 27일 공개).
첫째로, 셀 밸런싱을 하면서 다른 셀에 비해 많은 잉여 전력이 발생하면 저항 또는 별도 제어부의 제어를 통해 방전하는 방법이 있다.
둘째로, 잉여 전력을 다른 셀을 충전하는데 사용 하는 방법이 있다.
그러나 상기 두 방법은 열이 발생하거나 에너지의 낭비 및 많은 소요시간이 발생할 수 있다는 문제점이 여전히 존재한다.
또한, 종래의 배터리팩은 하나의 제어회로에 다수의 셀이 연결되어 하나의 배터리 셀에 이상이 발생하면 배터리팩 전체를 교환해야 한다.
이를 해결한 독립형 제어회로로 구성된 배터리 셀 기술이 있는데, 이는 일체형 배터리 팩에 비해 유지보수가 수월한 장점이 있지만 배터리 셀 또는 제어회로 불량 시 함께 교체해야한다는 문제점이 있다.
이러한 문제점에 따라 효율적인 셀 밸런싱 방법과 배터리 셀에 이상이 발생했을 때 대처할 수 있는 효율적인 관리 방안이 요망 되고 있는 실정이다.
한국공개공보 제10-2012-0016993호
본 발명은 상기 종래의 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것으로, 효율적인 셀 밸런싱을 달성하는 동시에 각 구성을 모듈화시켜 유지 보수 측면에서 장점을 가지는 모듈화된 배터리팩 및 이를 포함하는 배터리 충전 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 각 배터리셀 모듈의 전압, 전류 및 온도 등의 정보를 기초로 하고, 충전기와 셀 모듈 충전기의 동시 제어를 통해 효과적인 셀 밸런싱 수행이 가능하도록 한다.
또한, 각 배터리셀 모듈의 구성부에 불량이 발생할 경우에 유지보수가 간편하도록 각 구성부를 최소 모듈화 하는 방법을 제공하고자 한다.
위 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따른 모듈화된 배터리팩은, 하나 이상의 배터리셀 모듈을 포함하고, 상기 배터리셀 모듈은, 외부 배터리 관리부와 통신하여 상기 배터리셀 모듈을 제어하는 제어통신부와, 충전을 통해 전하가 축적되는 배터리셀과, 상기 배터리셀을 충전하는 셀충전기와, 상기 배터리셀의 온도를 감지하는 온도센서를 포함하고, 상기 배터리셀 모듈에 포함되는 제어통신부, 배터리셀, 셀충전기 및 배터리셀은 각각 분리 가능한 형태로 결합되되, 상기 제어통신부와 상기 배터리셀은 볼트 체결로 결합되어 전기적으로 연결되며, 상기 하나 이상의 배터리셀 모듈 각각을 직렬으로 연결하는 단자부와, 상기 하나 이상의 배터리셀 모듈을 고정하기 위해 상기 단자부에 연결된 배터리 고정 프레임을 포함하되, 상기 단자부는 5각형태로 형성되어, 상기 배터리 고정 프레임측으로 돌출된 부분은 상기 배터리 고정 프레임에 연결되고, 돌출된 부분의 반대편은 두 배터리셀 모듈을 연결하며, 상기 배터리 고정 프레임은 상기 단자부의 돌출된 부분에 형성된 홀에 볼트를 통해 고정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 모듈화된 배터리팩을 포함하는 배터리 충전 시스템은, 전원과 연결되는 충전기; 상기 충전기 및 배터리 관리부와 통신하여 배터리셀 모듈을 제어하는 제어통신부와, 충전을 통해 전하가 축적되는 배터리셀과, 상기 배터리셀을 충전하는 셀충전기와, 상기 배터리셀의 온도를 감지하는 온도센서를 포함하는 하나 이상의 배터리셀 모듈; 상기 배터리팩 모듈과 통신하며 충전 제어를 수행하는 통합제어부와 외부 디바이스와의 연결을 위한 외부인터페이스부와 상기 배터리셀 모듈과의 연결을 위한 셀모듈인터페이스부로 이루어진 배터리 관리부를 포함하고, 상기 배터리셀 모듈에 포함되는 제어통신부, 배터리셀, 셀충전기 및 배터리셀은 각각 분리 가능한 형태로 결합되는 것을 특징으로 하는 모듈화된 배터리팩을 포함하되, 상기 모듈화된 배터리팩은 상기 제어통신부와 상기 배터리셀이 볼트 체결로 결합되어 전기적으로 연결되며, 상기 하나 이상의 배터리셀 모듈 각각을 직렬으로 연결하는 단자부와, 상기 하나 이상의 배터리셀 모듈을 고정하기 위해 상기 단자부에 연결된 배터리 고정 프레임을 포함하되, 상기 단자부는 5각형태로 형성되어, 상기 배터리 고정 프레임측으로 돌출된 부분은 상기 배터리 고정 프레임에 연결되고, 돌출된 부분의 반대편은 두 배터리셀 모듈을 연결하며, 상기 배터리 고정 프레임은 상기 단자부의 돌출된 부분에 형성된 홀에 볼트를 통해 고정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리 관리부는, 상기 충전기와 배터리셀 모듈의 셀충전기를 병렬로 구동시켜 상기 배터리셀이 충전되도록 하면서 셀 밸런싱이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 모듈화된 배터리팩을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리 관리부의 통합제어부는, 상기 온도센서가 감지한 온도가 기설정된 온도 이상일 경우에 충전이 중단되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
충전기과 셀충전기의 병렬 충전으로 충전과 동시에 셀밸런싱을 수행하여 전기에너지의 낭비를 최소화할 수 있으며 충전시간을 단축할 수 있다.
또한, 모든 구성부를 모듈화하여 불량발생 부위만 교체할 수 있도록 하여 유지 및 보수가 간편해진다는 장점이 있다.
또한, 배터리셀을 체결하는 방법을 단순화하여 배터리팩의 제작 및 작업 비용을 절감시킬 수 있고, 기구 구성을 간단하게 구성할 수 있으므로 제조, 유지 및 보수할 때 그 절차가 간단해진다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모듈화된 배터리팩을 포함하는 배터리 충전 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 배터리셀 모듈의 결합 구조를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리셀 모듈 다수 개의 결합 구조를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리셀 모듈 다수 개의 결합 구조를 위한 단자부를 도시한 단면도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 모듈화된 배터리팩 및 이를 포함하는 배터리 충전 시스템의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 이하에서 상세히 설명한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때에는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 또한 명세서에 기재된 "...부", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
먼저 본 발명의 실시예에 따른 모듈화된 배터리팩을 포함하는 배터리 충전 시스템의 구성을 도 1을 기초로 이하에서 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모듈화된 배터리팩을 포함하는 배터리 충전 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 모듈화된 배터리팩을 포함하는 배터리 충전 시스템은, 충전기(100)와 배터리팩 모듈(200)과 배터리 관리부(300)를 포함한다.
충전기(100)는 전압 전류 제어기(110)를 포함한다.
또한, 충전기(100)는 외부 전원과 전기적으로 연결되며 배터리팩 모듈(200)에 포함된 배터리가 충전되도록 한다.
또한, 충전기(100)에 포함된 전압 전류 제어기(110)는 배터리택 모듈(200)에 적합한 전압 및 전류가 되도록 제어한다.
또한, 배터리팩 모듈(200)은 하나 이상의 배터리셀 모듈(210)을 포함한다.
또한, 배터리팩 모듈(200)은 제어 통신부(211)와 셀 충전기(212)와 온도 센서(213)와 배터리셀(214)를 포함한다.
또한, 배터리팩 모듈(200)에 포함되는 제어 통신부(211)와 셀 충전기(212)와 온도 센서(213)와 배터리셀(214)은 각각 분리 가능한 형태로 결합된다. 즉, 배터리팩 모듈(200)에 오류 또는 불량이 발생했을 때 유지 및 보수가 용이하도록 각 구성은 분리 가능한 형태로 결합될 수 있다.
또한, 제어통신부(211)는 배터리 관리부(300)와 통신하여 배터리셀 모듈(210)을 제어한다.
또한, 셀 충전기(212)는 배터리셀(214)을 충전한다. 자세하게는 셀 충전기(212)는 제어 통신부(211)의 제어 신호에 의해 제어되고 충전기(100)와의 전기적 연결을 통해 배터리셀(214)을 충전한다.
또한, 온도 센서(213)는 배터리셀(214)의 온도를 감지한다.
또한, 배터리셀(214)은 충전 과정을 통해 전하가 축적되는 부분이다.
또한, 배터리 관리부(300)는 통합 제어부(310)와 외부 인터페이스부(320)와 셀모듈 인터페이스부(330)를 포함한다.
또한, 배터리 관리부(300)는 배터리팩 모듈(200)과 통신을 하여 배터리셀(214)이 충전되도록 할 수 있는데, 이때 전기에너지를 상기 배터리셀(214)에 저장함에 있어 충전기(100)와 배터리셀 모듈(210) 내부의 셀충전기(212)를 병렬로 구동하여 충전과 동시에 셀 밸런싱이 이루어지도록 하여 전기에너지의 낭비를 최소화 할 수 있다.
또한, 통합 제어부(310)는 배터리팩 모듈(200)과 통신하며 베터리셀(214)의 충전 제어를 수행한다. 구체적으로 배터리셀 모듈(210)에 포함되는 제어 통신부(211)와 통신하여 충전기(100)와 셀 충전기(212)의 연결을 통해 배터리셀(214)이 충전되도록 제어한다.
또한, 외부 인터페이스부(320)는 배터리팩 모듈(200)과 외부 디바이스와의 연결을 위해 인터페이스를 제공한다.
또한, 셀모듈인터페이스부(330)는 배터리셀 모듈(210)과 충전기(100)와의 연결을 위한 인터페이스를 제공한다.
또한, 배터리 관리부(300)는 충전기(100)와 배터리셀 모듈(210)의 셀 충전기(212)를 병렬로 구동시켜 배터리셀(214)이 충전되도록 하면서 셀 밸런싱이 이루어지도록 제어한다.
또한, 통합 제어부(310)는 온도센서(213)가 감지한 온도가 기설정된 온도 이상일 경우에 충전이 중단되도록 제어한다.
다음으로 본 발명의 실시예에 따른 하나의 배터리셀 모듈(210)의 결합 구조에 대해 도 2를 기초로 이하에서 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 배터리셀 모듈의 결합 구조를 도시한 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하나의 배터리셀 모듈(210)은 제어 통신부(211)와 배터리셀(214)이 볼트(215)로 체결되는 구조로 이루어질 수 있다.
여기서 볼트(215)는 하나 이상으로 구비되어 제어 통신부(211)와 배터리셀(214)을 결합시킬 수 있는데, 볼팅(BOLTING) 방식의 결합을 통해 하나의 배터리셀 모듈(210)에 이상이 발생했을 때 유지 및 보수가 용이하다는 장점이 있다. 또한, 바람직하게는 두 개의 볼트(215)로 제어 통신부(211)와 배터리셀(214)을 결합할 수 있다.
다음으로 본 발명의 실시예에 따른 배터리셀 모듈(210) 다수 개가 결합되는 구조에 대해 도 3 내지 도 4를 기초로 이하에서 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리셀 모듈 다수 개의 결합 구조를 도시한 개략도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리셀 모듈 다수 개의 결합 구조를 위한 단자부를 도시한 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리팩 모듈(200)은 하나 이상의 배터리셀 모듈(210)로 이루어지는데, 하나 이상의 배터리셀 모듈(210) 각각은 상기에서 설명한 것과 같이 제어 통신부(211)와 베터리셀(214)이 볼트(215)로 결합되어 있다.
볼트 체결로 이루어진 각 배터리셀 모듈(210)이 연결되어 하나의 배터리팩 모듈(200)을 형성하는데, 이러한 과정에서 각 배터리셀 모듈(210)은 하나 이상의 단자(500)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 단자(500)를 이용한 다수 개의 배터리셀 모듈(210) 결합 방법은, 별도의 추가 브라켓 없이 배터리셀 모듈(210)을 직렬로 연결할 수 있고 구성을 단순화하고 유지 및 보수를 위한 분리에도 용이하다는 효과가 있다.
또한, 상기 결합 방법은 단자(500)의 일단이 다수 개의 배터리셀 모듈(210)에 결합되는 동시에 단자(500)의 타단이 배터리 고정 프레임(600)과 결함됨으로써, 구성을 단순화시키고 분리도 용이해진다.
즉, 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이 하나 이상의 배터리셀 모듈(210) 각각이 가지는 두 개의 볼트(215)는 단자(500)에 결합되는 형태로 해서, 전체적으로 다수 개의 배터리셀 모듈(210)이 하나의 배터리팩 모듈(200)을 형성할 수 있다.
또한, 단자부(500)는 각각의 배터리셀 모듈(210)과 충전기(100)를 전기적으로 연결한다.
보다 자세하게는 하나의 배터리셀 모듈(210)이 포함하는 두 개의 볼트(215) 중에서 하나의 볼트(배터리셀 모듈(210)의 일측에 형성)는 하나의 단자(500)에 결합될 수 있고, 다른 하나의 볼트(배터리셀 모듈(210)의 타측에 형성)는 다른 하나의 단자에 결합되는 형태로 실시될 수 있다.
상기와 같은 실시예에 따른 배터리셀 모듈(210) 간의 결합 형태는, 보다 견고하한 결합 상태를 유지하면서도 효과적인 셀 밸런싱을 수행하기 위한 결합 구조이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 배터리팩 모듈(200)은, 하나 이상의 배터리셀 모듈(210)을 고정하기 위해 단자부(500)에 연결된 배터리 고정 프레임(600)을 더 포함하여 실시될 수 있다.
즉, 상기 배터리 고정 프레임(600)은 하나 이상의 단자부(500)를 지지하는 구조로서 전체적으로는 하나 이상의 배터리셀 모듈(210)을 고정하는 기능을 수행한다.
또한, 배터리 고정 프레임(600)은 도 4에 도시된 바와 같은 단자부(500)의 어느 하나의 홀(hall)에 결합될 수 있다. 즉, 배터리 고정 프레임(600)의 일단과 단자부(500)에 형성된 어느 하나의 홀이 볼트 등을 통해 고정될 수 있고, 용이하게 분리될 수 있다.
이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 충전기 110 : 전압 전류 제어기
200 : 배터리팩 모듈 210 : 배터리셀 모듈
211 : 제어 통신부 212 : 셀 충전기
213 : 온도 센서 214 : 배터리셀
215 : 볼트 300 : 배터리 관리부
310 : 통합 제어부 320 : 외부 인터페이스부
330 : 셀모듈 인터페이스부 500 : 단자부
600 : 배터리 고정 프레임

Claims (4)

  1. 하나 이상의 배터리셀 모듈을 포함하고,
    상기 배터리셀 모듈은,
    외부 배터리 관리부와 통신하여 상기 배터리셀 모듈을 제어하는 제어통신부와, 충전을 통해 전하가 축적되는 배터리셀과, 상기 배터리셀을 충전하는 셀충전기와, 상기 배터리셀의 온도를 감지하는 온도센서를 포함하고,
    상기 배터리셀 모듈에 포함되는 제어통신부, 배터리셀, 셀충전기 및 배터리셀은 각각 분리 가능한 형태로 결합되되,
    상기 제어통신부와 상기 배터리셀은 볼트 체결로 결합되어 전기적으로 연결되며, 상기 하나 이상의 배터리셀 모듈 각각을 직렬으로 연결하는 단자부와,
    상기 하나 이상의 배터리셀 모듈을 고정하기 위해 상기 단자부에 연결된 배터리 고정 프레임을 포함하되,
    상기 단자부는 5각형태로 형성되어, 상기 배터리 고정 프레임측으로 돌출된 부분은 상기 배터리 고정 프레임에 연결되고, 돌출된 부분의 반대편은 두 배터리셀 모듈을 연결하며,
    상기 배터리 고정 프레임은 상기 단자부의 돌출된 부분에 형성된 홀에 볼트를 통해 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  2. 전원과 연결되는 충전기;
    상기 충전기 및 배터리 관리부와 통신하여 배터리셀 모듈을 제어하는 제어통신부와, 충전을 통해 전하가 축적되는 배터리셀과, 상기 배터리셀을 충전하는 셀충전기와, 상기 배터리셀의 온도를 감지하는 온도센서를 포함하는 하나 이상의 배터리셀 모듈;
    상기 배터리팩 모듈과 통신하며 충전 제어를 수행하는 통합제어부와 외부 디바이스와의 연결을 위한 외부인터페이스부와 상기 배터리셀 모듈과의 연결을 위한 셀모듈인터페이스부로 이루어진 배터리 관리부를 포함하고,
    상기 배터리셀 모듈에 포함되는 제어통신부, 배터리셀, 셀충전기 및 배터리셀은 각각 분리 가능한 형태로 결합되는 것을 특징으로 하는 모듈화된 배터리팩을 포함하되,
    상기 모듈화된 배터리팩은
    상기 제어통신부와 상기 배터리셀이 볼트 체결로 결합되어 전기적으로 연결되며, 상기 하나 이상의 배터리셀 모듈 각각을 직렬으로 연결하는 단자부와,
    상기 하나 이상의 배터리셀 모듈을 고정하기 위해 상기 단자부에 연결된 배터리 고정 프레임을 포함하되,
    상기 단자부는 5각형태로 형성되어, 상기 배터리 고정 프레임측으로 돌출된 부분은 상기 배터리 고정 프레임에 연결되고, 돌출된 부분의 반대편은 두 배터리셀 모듈을 연결하며,
    상기 배터리 고정 프레임은 상기 단자부의 돌출된 부분에 형성된 홀에 볼트를 통해 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는,
    상기 충전기와 배터리셀 모듈의 셀충전기를 병렬로 구동시켜 상기 배터리셀이 충전되도록 하면서 셀 밸런싱이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 모듈화된 배터리팩을 포함하는 배터리 충전 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부의 통합제어부는,
    상기 온도센서가 감지한 온도가 기설정된 온도 이상일 경우에 충전이 중단되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모듈화된 배터리팩을 포함하는 배터리 충전 시스템.
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