KR20170022162A - 멀티 배터리 팩 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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KR20170022162A
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Abstract

본 발명은 결합 및 분리 가능한 복수의 배터리 팩을 포함하고, 복수의 배터리 팩 각각은, 복수의 배터리 셀과, 복수의 배터리 팩의 시리얼 넘버를 비교하여 마스터 및 슬레이브 배터리 팩을 설정하는 배터리 관리부를 포함하는 멀티 배터리 팩 장치 및 그 제어 방법을 제시한다.

Description

멀티 배터리 팩 장치 및 그 제어 방법{Multi battery pack apparatus and method of controlling the same}
본 발명은 멀티 배터리 팩 장치에 관한 것으로, 특히 복수의 배터리 팩이 마스터 배터리 팩 및 슬레이브 배터리 팩으로 설정되는 멀티 배터리 팩 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
스마트 폰, 노트북 컴퓨터. 디지털 카메라 등의 휴대용 전자기기는 별도의 전원이 구비되지 않아도 구동될 수 있도록 배터리 팩을 내장하고 있다. 이러한 배터리 팩은 충방전이 가능한 복수의 배터리 셀이 직렬 연결되어 구성될 수 있다.
또한, 근래에는 휴대형 전자기기의 안정된 동작을 보장하기 위한 충분한 용량을 제공하고, 다양한 종류의 휴대형 전자기기에 대응할 수 있게 하는 멀티 배터리 팩 장치가 제안되고 있다. 멀티 배터리 팩 장치는 복수의 배터리 팩을 병렬 연결하며, 내장되는 배터리 팩의 수를 가변 가능하도록 구현함에 따라 제어가 복잡한 문제가 있다.
이러한 문제를 해소하기 위한 복수의 배터리 팩 전원 장치가 일본등록특허 제3405526호(이하, 선행 문헌)에 제시되어 있다. 선행 문헌은 복수의 배터리 팩 각각이 복수의 배터리 셀과 충방전 상태의 검출이나 충방전의 제어를 위한 회로를 내장하며, 1개를 마스터 배터리 팩, 그 밖을 슬레이브 배터리 팩으로 구성한다. 마스터 배터리 팩은 슬레이브 배터리 팩에 대하여 통신에 의하여 충방전 상태를 나타내는 데이터의 송신을 요구하고, 전체의 데이터의 관리 및 충방전 상태를 판정하여 충방전을 제어한다. 슬레이브 배터리 팩은 데이터 요구에 따라 충방전 상태를 나타내는 데이터를 송신하고 마스터 팩으로부터 명령을 수신하여 충방전을 실시한다.
그런데, 선행 문헌은 마스터 배터리 팩이 복수의 슬레이브 배터리 팩에 대한 충방전을 제어하도록 구성되므로 마스터 배터리 팩이 탈착 또는 마스터 배터리 팩의 완전 방전 등에 의해 마스터 배터리 팩이 정상 동작하지 않는 경우에는 마스터 배터리 팩뿐만 아니라 슬레이브 배터리 팩의 제어까지 불가능해지는 문제가 있다. 그리고, 실수로 마스터 배터리 팩을 다수 설정하는 경우에도 해당 멀티 배터리 팩 장치가 정상적으로 동작하지 않는 문제가 있다.
또한, 마스터 배터리 팩의 설치 위치를 고정한 경우에도 마스터 배터리 팩이 탈착 또는 마스터 배터리 팩의 완전 방전 등을 이유로 하여 마스터 배터리 팩이 정상 동작하지 않는 경우에는 마스터 배터리 팩뿐만 아니라 슬레이브 배터리 팩의 제어까지 불가능해지는 문제가 있다.
일본 등록특허 제3405526호
본 발명은 복수의 배터리 팩이 스스로 마스터와 슬레이브를 설정하는 멀티 배터리 팩 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
본 발명은 복수의 배터리 팩이 시리얼 넘버를 서로 비교하여 마스터와 슬레이브를 설정하는 멀티 배터리 팩 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
본 밟명의 일 양태에 따른 멀티 배터리 팩 장치는 결합 및 분리 가능한 복수의 배터리 팩을 포함하고, 상기 복수의 배터리 팩 각각은, 복수의 배터리 셀과, 복수의 배터리 팩 각각의 시리얼 넘버를 비교하여 마스터 및 슬레이브 배터리 팩을 설정하는 배터리 관리부를 포함한다.
하나의 배터리 팩이 상기 마스터 배터리 팩으로 설정되고, 그 이외의 배터리 팩들이 상기 슬레이브 배터리 팩으로 설정된다.
가장 낮거나 가장 높은 시리얼 넘버를 갖는 배터리 팩을 마스터 배터리 팩으로 설정한다.
상기 배터리 관리부는, 타 배터리 팩과 통신 라인을 통해 연결되어 데이터를 입출력하는 입출력부와, 상기 복수의 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부와, 상기 시리얼 넘버를 비교하여 마스터 및 슬레이브를 설정하고, 상기 전압 측정부의 측정 전압에 따라 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 배터리 관리부는 상기 시리얼 넘버와 상기 측정 전압과 비교되는 설정 전압을 포함하는 데이터를 저장하는 데이터 저장부와, 상기 제어부에 의해 구동되어 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하는 스위칭부를 더 포함한다.
상기 제어부는 상기 시리얼 넘버를 비교하고 상기 측정 전압과 설정 전압을 비교하는 비교부와, 상기 시리얼 넘버의 비교 결과에 따라 당 배터리 팩을 마스터 또는 슬레이브로 설정하고, 상기 측정 전압과 설정 전압의 비교 결과에 따라 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하는 처리부와, 상기 처리부의 제어에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 충방전 제어부를 포함한다.
슬레이브 배터리 팩의 상기 처리부는 상기 측정 전압 및 설정 전압의 비교 결과를 마스터 배터리 팩으로 전송하고 상기 마스터 배터리 팩의 명령에 따라 상기 충방전 제어부를 제어한다.
본 발명의 다른 양태에 따른 멀티 팩 배터리 장치의 제어 방법은 복수의 배터리 팩을 연결하는 단계; 상기 복수의 배터리 팩의 시리얼 넘버를 비교하는 단계; 및 상기 시리얼 넘버의 비교 결과에 따라 적어도 하나의 마스터 배터리 팩과 복수의 슬레이브 배터리 팩을 설정하는 단계를 포함한다.
가장 낮거나 높은 시리얼 넘버를 갖는 배터리 팩을 마스터 배터리 팩으로 설정하고 그 이외를 슬레이브 배터리 팩으로 설정한다.
본 발명의 실시 예에 따른 멀티 배터리 팩 장치는 복수의 배터리 팩이 각각의 시리얼 넘버를 비교하여 스스로 마스터 배터리 팩 및 슬레이브 배터리 팩을 설정한다. 따라서, 마스터 배터리 팩을 미리 설정하는 종래의 마스터 배터리 팩이 정상 동작하지 않는 경우 발생되는 멀티 배터리 팩의 제어 불가능 등의 문제가 발생되지 않는다.
또한, 마스터 배터리 팩을 포함하여 적어도 어느 하나의 배터리 팩이 보호 동작에 의해 동작하지 않더라도 나머지 배터리 팩을 이용하여 마스터 배터리 팩 및 슬레이브 배터리 팩을 재설정할 수 있으므로 멀티 배터리 팩의 정상적인 동작을 수행할 수 있다.
그리고, 배터리 팩의 수를 조절하여 용량 변경이 용이하여 다양한 분야에 적용할 수 있으므로 공용화 및 대량 생산을 통해 배터리 팩 가격을 낮출 수 있고, 멀티 배터리 팩의 병렬 구성 시 설치가 상대적으로 간단하며 안정한 설치가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티 배터리 팩 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 일 배터리 팩의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예의 확장 예에 따른 배터리 팩의 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티 배터리 팩의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티 배터리 팩 장치의 개략도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시 예 및 그 확대 예에 따른 일 배터리 팩의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티 배터리 팩 장치는 복수의 배터리 팩(11, 12, 13, 14; 10)을 포함할 수 있다. 본 실시 예는 멀티 배터리 팩 장치로서 네개의 배터리 팩을 도시하였으나, 배터리 팩(10)은 적어도 둘 이상 복수로 마련될 수 있다. 또한, 복수의 배터리 팩(10)은 결합 및 분리 가능하며, 결합되는 배터리 팩(10)은 가변될 수 있다. 예를 들어, 두개의 배터리 팩(10)이 연결되어 멀티 배터리 팩 장치를 구성할 수 있고, 네개의 배터리 팩(10)이 연결되어 멀티 배터리 팩 장치를 구성할 수 있다.
복수의 배터리 팩(10)은 복수의 배터리 셀(100)과, 복수의 배터리 셀(100)의 충방전 등을 관리하는 배터리 관리부(200)를 각각 포함할 수 있다. 복수의 배터리 팩(10)이 연결되는 경우 배터리 팩(10) 각각의 배터리 셀(100)이 서로 연결되고, 배터리 관리부(200) 또한 서로 연결된다. 이때, 각각의 배터리 셀(100)은 직렬 연결될 수 있고, 병렬 연결될 수도 있다. 즉, 복수의 배터리 팩(10)이 각각 n개의 배터리 셀(100)을 포함하는 경우, 일 배터리 팩(10)의 제 n 배터리 셀의 음극과 인접한 타 배터리 팩(10)의 제 1 배터리 셀의 양극이 연결될 수 있다. 예를 들어, 제 1 배터리 팩(11)의 마지막 배터리 셀의 음극이 제 2 배터리 팩(12)의 첫번째 배터리 팩의 양극과 연결될 수 있다. 또한, 복수의 배터리 팩(10) 각각의 배터리 셀(100)의 양극은 양극끼리, 음극은 음극끼리 서로 연결될 수 있다. 한편, 배터리 관리부(200)는 예를 들어 CAN(Controller Area Network) 통신으로 연결될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(10)은 복수의 배터리 셀(101, 102, 103, …, 10n; 100)과, 복수의 배터리 셀(100)의 전압을 측정하고 그에 따라 배터리 셀(100)의 충방전을 관리하며 배터리 팩(10) 사이의 데이터 입출력을 제어하는 배터리 관리부(200)와, 배터리 셀(100)과 배터리 관리부(200)를 연결시키는 복수의 연결 라인(301, 302, 303, …, 30n+1; 300)을 포함할 수 있다.
1. 배터리 셀
복수의 배티리 셀(101, 102, 103, …, 10n; 100)은 충방전 가능한 이차 전지를 포함할 수 있는데, 예를 들어 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소(Ni-H) 전지 및 리튬(Li) 전지 등의 어느 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 배터리 셀(100)은 짝수개가 연결되거나 홀수개가 연결될 수 있다. 즉, n은 짝수일 수 있고, 홀수일 수 있는데, 본 실시 예에서는 배터리 셀(100)이 짝수개 연결되고 그에 따라 n이 짝수인 경우를 설명한다. 또한, 복수의 배터리 셀(100)은 직렬 연결될 수 있다. 즉, 복수의 배터리 셀(100)은 일 단자 및 타 단자, 즉 양극 및 음극을 가지는데, 일 배터리 셀의 일 단자가 타 배터리 셀(100)의 타 단자가 연결될 수 있다. 예를 들어, 제 1 배터리 셀(101)의 음극과 제 2 배터리 셀(102)의 양극이 직렬 연결될 수 있고, 제 2 배터리 셀(102)의 음극이 제 3 배터리 셀(103)의 양극과 직렬 연결될 수 있다. 또한, 복수의 배터리 셀(100)은 동일 용량을 가질 수 있고 그에 따라 최대 충전 전압이 동일할 수 있는데, 예를 들어 최대 충전 전압이 5V일 수 있다. 한편, 복수의 배터리 셀(100)은 배터리 모듈을 이룰 수 있고, 이러한 배터리 모듈이 적어도 둘 이상 마련될 수 있다.
2. 배터리 관리부
배터리 관리부(200)는 복수의 배터리 팩(10) 사이의 데이터 입출력을 제어하고, 복수의 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버(serial number)를 비교하여 복수의 배터리 팩(10)을 하나의 마스터 배터리 팩과 나머지의 슬레이브 배터리 팩으로 설정할 수 있다. 이러한 마스터 및 슬레이브 배터리 팩의 설정은 적어도 하나의 배터리 팩(10)이 다른 배터리 팩(10)과 연결되거나, 마스터 배터리 팩으로 설정된 배터리 팩이 동작 불능 상태일 때 실시될 수 있다. 이를 위해 복수의 배터리 팩(10) 내에 각각 마련되는 배터리 관리부(200)는 통신 라인을 통해 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버를 교환하고, 타 배터리 팩의 시리얼 넘버를 당 배터리 팩의 시리얼 넘버를 비교한다. 비교 결과, 가장 낮은 시리얼 넘버를 갖는 배터리 팩(10)이 마스터 배터리 팩으로 설정되고 나머지 배터리 팩(10)이 슬레이브 배터리 팩으로 설정된다. 물론, 가장 높은 시리얼 넘버를 갖는 배터리 팩(10)이 마스터 배터리 팩으로 설정되고 나머지 배터리 팩(10)이 슬레이브 배터리 팩으로 설정될 수도 있다. 또한, 배터리 관리부(200)는 연결 라인(300)을 통해 연결된 복수의 배터리 셀(100)의 전압을 측정하고, 측정된 복수의 배터리 셀(100)의 전압에 따라 배터리 셀(100)의 충방전을 제어할 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리부(200)는 배터리 셀(100)의 전압이 설정된 전압보다 높을 경우 배터리 셀(100)의 충방전을 제어할 수 있고, 소정 수의 배터리 셀(100)에 대해 셀 밸런싱을 실시할 수 있다. 이때, 마스터 배터리 팩은 슬레이브 배터리 팩에 대하여 통신 라인을 통해 충방전 상태를 나타내는 데이터의 송신을 요구하고, 전체의 데이터의 관리 및 충방전 상태를 판정하여 충방전을 제어할 수 있다. 또한, 슬레이브 배터리 팩은 데이터 요구에 따라 충방전 상태를 나타내는 데이터를 송신하고 마스터 배터리 팩으로부터 명령을 수신하여 충방전을 실시한다. 즉, 복수의 배터리 팩(10) 중에서 마스터 배터리 팩은 복수의 슬레이브 배터리 팩의 충방전 상태를 확인하고 복수의 슬레이브 배터리 팩의 충방전 동작을 제어할 수 있다.
이러한 배터리 관리부(200)는 복수의 배터리 팩(10) 사이의 시리얼 넘버 등의 데이터 입출력을 위한 입출력부(210)와, 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압을 측정하는 적어도 하나의 전압 측정부(220)와, 입출력부(210)를 통해 전달되는 타 배터리 팩(10)의 데이터와 당 배터리 팩(10)의 데이터를 비교하고 전압 측정부(210)로부터 측정된 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압에 따라 배터리 셀(100)의 충방전을 제어하는 제어부(230)와, 제어부(230)의 제어 신호에 따라 배터리(100)와 외부 전원 사이의 연결을 스위칭하는 스위칭부(240)와, 배터리 팩(10)의 운용을 위한 다양한 데이터와 시리얼 넘버(serial number) 등의 데이터를 저장하는 데이터 저장부(250)를 포함할 수 있다. 한편, 도시되지 않았지만, 배터리 관리부(200)는 배터리 셀(100)의 전압 뿐만 아니라 전류 및 온도 등을 측정할 수 있고, 그에 따라 전류 측정부 및 온도 측정부를 더 포함할 수 있다.
2.1. 입출력부
입출력부(210)는 배터리 팩(10) 사이의 데이터 입출력을 수행한다. 이때, 배터리 팩(10) 사이에는 CAN(Controller Area Network) 통신으로 연결되어 데이터 입출력을 수행할 수 있다. 이러한 입출력부(210)는 당 배터리 팩(10)의 제어부(230)로부터 전달된 데이터를 타 배터리 팩(10)에 전송하고, 타 배터리 팩(10)으로부터 출력되는 데이터를 입력하여 당 배터리 팩(10)의 제어부(230)로 전달한다. 또한, 입출력부(210) 내에는 데이터의 임시 저장을 위한 버퍼부(미도시)가 마련될 수 있다. 즉, 버퍼부는 복수의 타 배터리 팩(10)으로부터 입력되는 데이터를 임시 저장한 후 입력되는 순서대로 제어부(230)에 전달할 수 있고, 당 배터리 팩(10)의 제어부(230)를 통해 출력되는 데이터를 임시 저장한 후 타 배터리 팩(10)으로 전달할 수 있다. 복수의 배터리 팩(10)의 입출력부(210)를 통해 송수신되는 데이터는 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버를 포함할 수 있다. 즉, 복수의 배터리 팩(10)은 당 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버를 타 배터리 팩(10)에 전송하고, 타 배터리 팩(10)으로부터 전송되는 시리얼 넘버를 입력받는다. 또한, 입출력부(210)를 통해 충전 상태에 따른 데이터와 충전 동작을 제어하기 위한 제어 신호가 입출력될 수 있다. 즉, 슬레이브 배터리 팩으로부터 충전 상태에 따른 데이터가 입출력부(210)를 통해 마스터 배터리 팩의 입출력부(210)로 전송될 수 있고, 마스터 배터리 팩의 충전을 제어하기 위한 신호가 입출력부(210)를 통해 슬레이브 배터리 팩의 입출력부(210)로 전송될 수 있다.
2.2. 전압 측정부
전압 측정부(220)는 배터리 셀(100) 각각의 전압을 측정할 수 있다. 이를 위해 전압 측정부(220)는 복수의 연결 라인(300)을 통해 복수의 배터리 셀(100)과 연결될 수 있다. 전압 측정부(220)는 전원 단자(Vcc)와 접지 단자(GND), 그리고 복수의 입력 단자를 포함할 수 있다. 전압 측정부(220)의 전원 단자(Vcc)는 제 1 배터리 셀(101)의 일 단자, 즉 양극과 연결 라인(300)을 통해 연결되고, 접지 단자(GND)는 제 n 배터리 셀(10n)의 타 단자, 즉 음극과 연결되며, 복수의 입력 단자는 제 2 내지 제 n-1 배터리 셀(102, 103, …, 10n-1) 사이의 접속 단자와 연결 라인(300)을 통해 연결될 수 있다. 따라서, 전압 측정부(220)는 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압을 연결 라인(300)을 통해 측정하고, 측정된 전압을 제어부(220)로 전달한다. 한편, 본 발명의 실시 예에서는 전압 측정부(220)가 하나로 구성되는 경우를 도시하여 설명하였으나, 필요에 따라 복수의 배터리 셀(100) 각각 대응하도록 복수 마련될 수도 있고, 적어도 둘 이상의 배터리 모듈에 대응하도록 적어도 둘 이상 마련될 수도 있다. 또한, 도시되지 않았지만, 제어부(220)의 용이한 구성 및 빠른 처리 속도를 위하여 전압 측정부(220)와 제어부(230) 사이에 아날로그/디지털 변환부를 마련하여 전압 측정부(220)에서 측정된 배터리 셀(100) 각각의 전압을 디지털 신호로 변환하여 제어부(230)에 전달할 수도 있다.
2.3. 제어부
제어부(230)는 입출력부(210)를 통해 전달되는 타 배터리 팩(10)의 데이터와 당 배터리 팩(10)의 데이터를 비교하여 마스터 및 슬레이브를 판단하고, 전압 측정부(220)로부터 측정된 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압에 따라 배터리 셀(100)의 충방전을 제어한다. 또한, 제어부(230)는 마스터 및 슬레이브 배터리 팩이 설정된 후 마스터 및 슬레이브로 동작하도록 제어할 수 있다. 이러한 동작을 위해 제어부(230)는 도 3에 도시된 바와 같이 배터리 팩(10)의 데이터를 비교하고 배터리 셀(100)의 측정 전압을 설정 전압과 비교하는 비교부(231)와, 비교부(231)의 비교 결과에 따라 당 배터리 팩(10)을 마스터 또는 슬레이브로서 기능하도록 하고 배터리 셀(100)의 충방전을 제어하기 위한 처리부(232)와, 처리부(232)의 제어에 따라 배터리 셀(100)의 충방전을 제어하는 충방전 제어부(233)를 포함할 수 있다. 여기서, 충방전 제어부(233)를 이용한 배터리 셀(100)의 충방전 제어는 복수의 슬레이브 배터리 팩이 마스터 배터리 팩으로부터 제공되는 명령에 따라 처리부(232)를 통해 수행될 수 있다.
2.3.1 비교부
비교부(231)는 타 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버와 당 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버를 비교한다. 타 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버는 통신 라인을 통해 당 배터리 팩(10)의 입출력부(210)로 입력되고, 입출력부(210)에 입력된 타 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버는 처리부(232)에 의해 비교부(231)에 전달된다. 또한, 비교부(231)는 당 배터리 팩(10)의 데이터 저장부(250)에 저장된 시리얼 넘버를 추출한다. 이때, 데이터 저장부(250)에 저장된 시리얼 넘버는 처리부(232)에 의해 추출된 후 비교부(231)에 전달될 수도 있다. 비교부(231)는 당 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버가 타 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버보다 작은지 또는 큰지를 비교하고, 그 결과를 처리부(232)에 전달한다. 이러한 비교부(231)의 시리얼 넘버의 비교는 마스터 및 슬레이브 배터리 팩이 설정되지 않은 경우에만 실시된다.
또한, 비교부(231)는 전압 측정부(220)로부터 측정된 당 배터리 팩(10)의 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압을 설정 전압과 비교한다. 예를 들어, 충전 동작을 정지시키기 위한 제 1 설정 전압 및 충전 동작을 실시하기 위한 제 2 설정 전압과 전압 측정부(220)에서 측정된 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압을 비교한다. 제 1 설정 전압은 복수의 배터리 셀(100) 각각의 최대 충전 전압이 5V라 할 경우 과충전을 방지하기 위해 예를 들어 4.5V로 설정될 수 있고, 제 2 설정 전압은 복수의 배터리 셀(100) 각각의 과방전을 방지하기 위해 예를 들어 1.5V로 설정될 수 있다. 이렇게 비교부(231)는 측정 전압 및 설정 전압을 비교하고 그 결과를 처리부(232)에 전달한다.
상기한 바와 같이 비교부(231)는 마스터 및 슬레이브 배터리 팩이 설정되지 않는 경우에는 당 배터리 팩(10)과 타 배터리 팩(10)이 시리얼 넘버를 비교하여 마스터 및 슬레이브 배터리 팩이 설정되도록 하고, 마스터 및 슬레이브 배터리 팩이 설정된 후에는 배터리 셀(100)의 측정 전압과 설정 전압을 비교하여 배터리 셀(100)의 충방전이 제어되도록 한다.
2.3.2 처리부
처리부(232)는 비교부(231)의 시리얼 넘버의 비교 결과에 따라 당 배터리 팩(10)이 마스터 또는 슬레이브 배터리 팩으로 기능하도록 한다. 예를 들어, 당 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버가 타 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버보다 작으면 그 결과를 입출력부(210)를 통해 타 배터리 팩(10)에 전송하여 타 배터리 팩(10)이 슬레이브로 설정되도록 한다. 또한, 당 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버가 타 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버보다 크면 타 배터리 팩(10)이 마스터가 될 수 있음을 통보하고 당 배터리 팩(10)을 슬레이브로 설정한다. 이렇게 비교부(231)를 이용하여 복수의 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버를 당 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버와 순차적으로 비교하고, 처리부(232)는 복수의 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버가 가장 낮은 배터리 팩(10)이 마스터로 기능하도록 하고 나머지 배터리 팩(10)이 슬레이브로 기능하도록 한다. 물론, 가장 높은 시리얼 넘버를 가진 배터리 팩(10)이 마스터가 되도록 할 수도 있다
또한, 처리부(232)는 비교부(231)에 의한 배터리 셀(100)의 측정 전압과 설정 전압의 비교 결과에 따라 충방전 제어부(233)를 제어하여 배터리 셀(100)의 충방전이 제어되도록 한다. 예를 들어, 처리부(232)는 측정 전압이 제 1 설정 전압보다 높거나 같을 경우 배터리 셀(100)의 충전 동작을 정지하도록 충방전 제어부(233)를 제어하고, 측정 전압이 제 2 설정 전압보다 낮거나 같을 경우 배터리 셀(100)의 충전 동작을 진행하도록 충방전 제어부(233)를 제어한다. 여기서, 마스터 배터리 팩 또는 슬레이브 배터리 팩으로 설정된 경우에 따라 처리부(232)의 처리 흐름이 다를 수 있다. 예를 들어, 마스터 배터리 팩으로 설정된 경우 처리부(233)는 슬레이브 배터리 팩의 배터리 셀(100)의 충전 상태 등의 데이터를 전송받고, 슬레이브 배터리 팩의 충방전 동작의 실시 또는 중지를 명령할 수 있다. 슬레이브 배터리 팩의 경우 처리부(232)를 통해 마스터 배터리 팩으로 전송되고, 처리부(232)의 마스터 배터리 팩의 명령에 따라 충전 동작의 실시 또는 정지를 위해 충방전 제어부(233)를 제어할 수 있다.
상기한 바와 같이 처리부(232)는 비교부(231)의 시리얼 넘버의 비교 결과에 따라 당 배터리 팩(10)을 마스터 또는 슬레이브 배터리 팩으로 설정하고, 비교부(231)의 배터리 셀(100)의 측정 전압과 설정 전압의 비교 결과에 따라 충방전 제어부(233)를 제어하여 배터리 셀(100)의 충방전이 제어되도록 한다.
2.3.3 충방전 제어부
충방전 제어부(233)는 전압 측정부(220)로부터 측정된 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압에 따라 제어 신호를 생성하여 배터리(100)와 외부 전원 사이의 스위칭부(240)를 제어함으로써 배터리 셀(100)의 충방전을 제어하고, 그에 따라 배터리 셀(100)의 과충전 또는 과방전을 방지할 수 있다. 이때, 충방전 제어부(233)는 마스터 배터리 팩의 제어 명령에 따른 처리부(232)의 제어에 따라 구동될 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀(100) 각각의 측정 전압이 제 1 설정 전압보다 높거나 같을 경우 배터리 셀(100)의 충전 동작을 정지하기 위한 제어 신호를 생성하고, 측정 전압이 제 2 설정 전압보다 낮거나 같을 경우 배터리 셀(100)의 충전 동작을 위한 제어 신호를 생성할 수 있다.
2.4. 스위칭부
스위칭부(240)는 배터리(100)와 외부 전원 사이의 전류 경로 사이에 마련되어 배터리(100)의 충전 및 방전을 제어한다. 이러한 스위칭부(240)는 도 3에 도시된 바와 같이 제 1 스위치(241) 및 제 2 스위치(242)를 포함할 수 있다. 즉, 스위칭부(240)는 복수의 배터리 셀(100)과 외부 전원 사이에 마련되는데, 제 1 스위치(241)가 배터리 셀(100) 측에 마련되고, 제 2 스위치(242)가 외부 전원 측에 마련될 수 있다. 제 1 및 제 2 스위치(241, 242)는 충방전 제어부(232)에서 생성된 제어 신호에 따라 구동되며, 배터리 셀(100)의 충전 및 방전 시 동시에 구동될 수 있고, 어느 하나가 구동될 수도 있다.
제 1 스위치(241)는 제 1 FET(241a) 및 제 1 기생 다이오드(241b)를 포함할 수 있다. 제 1 FET(241a)는 드레인 단자와 소오스 단자가 배터리 셀(100)과 제 1 노드(Q1) 사이에 마련된다. 또한, 제 1 FET(241a)는 게이트 단자가 충방전 제어부(232)와 연결된다. 따라서, 제 1 FET(241a)는 충방전 제어부(232)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 구동되며, 충전 시 배터리 셀(100)로 전류를 인가하고 방전 시 배터리 셀(100)의 방전 전류를 이와 연결된 전자기기에 인가시키는 역할을 한다. 제 1 기생 다이오드(241b)는 제 1 FET(241a)에 병렬 연결된다. 즉, 제 1 기생 다이오드(241b)는 제 1 FET(241a)의 소오스 단자와 드레인 단자 사이에 순방향으로 연결된다. 이러한 제 1 기생 다이오드(241b)는 제 1 FET(241a)가 턴온되어 배터리 셀(100)의 충전 및/또는 방전 시 충전 전류의 경로를 차단한다. 따라서, 제 1 기생 다이오드(241b)에 의해 배터리 셀(100)이 충전과 방전이 동시에 진행되는 현상이 방지되어 배터리 셀(100)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
제 2 스위치(242)는 제 2 FET(242a) 및 제 2 기생 다이오드(242b)를 포함할 수 있다. 제 2 FET(242a)는 소오스 단자와 드레인 단자가 제 1 노드(Q1)와 외부 전원 단자 또는 전자기기 사이에 마련된다. 또한, 제 2 FET(242a)는 게이트 단자가 충방전 제어부(232)와 연결된다. 따라서, 제 2 FET(242a)는 충방전 제어부(232)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 구동되며, 충전 시 배터리(100)로 전류를 인가하고 방전 시 배터리(100)의 방전 전류를 이와 연결된 전자기기에 인가시키는 역할을 한다. 제 2 기생 다이오드(242b)는 제 2 FET(242a)에 병렬 연결된다. 즉, 제 2 기생 다이오드(242b)는 제 2 FET(242a)의 소오스 단자와 드레인 단자 사이에 순방향으로 연결된다. 이러한 제 2 기생 다이오드(242b)는 배터리 셀(100)의 충전 및/또는 방전 시 충전 전류의 경로를 차단한다. 따라서, 제 2 기생 다이오드(242b)에 의해 배터리 셀(100)이 충전과 방전이 동시에 진행되는 현상이 방지되어 배터리 셀(100)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
제 1 FET(241a)의 게이트 단자와 제 2 FET(242a)의 게이트 단자에 충방전 제어부(232)가 연결되어 충방전 제어부(232)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 제 1 및 제 2 FET(241a, 242a)가 각각 구동된다. 충방전 제어부(232)는 배터리 셀(100)의 충전 및 방전 시 제 1 및 제 2 FET(241a, 242b)를 각각 턴온시키고, 그 이외의 경우에는 각각 턴오프시킬 수 있다. 이때, 제 1 및 제 2 FET(241a, 242a)를 턴온시키는 제어 신호는 로직 하이 신호일 수 있고, 제 1 및 제 2 FET(241a, 242a)를 턴오프시키는 제어 신호는 로직 로우 신호일 수 있다.
2.5. 데이터 저장부
데이터 저장부(250)는 배터리의 운용을 위한 다양한 데이터와 배터리 팩의 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 데이터 저장부(250)에는 배터리 셀(100)의 충전 동작을 정지시키기 위한 제 1 설정 전압과 충전 동작을 실시하기 위한 제 2 설정 전압을 저장할 수 있다. 제 1 설정 전압은 복수의 배터리 셀(100) 각각의 최대 충전 전압이 5V라 할 경우 과충전을 방지하기 위해 예를 들어 4.5V로 설정될 수 있고, 제 2 설정 전압은 복수의 배터리 셀(100) 각각의 과방전을 방지하기 위해 예를 들어 1.5V로 설정될 수 있다. 또한, 데이터 저장부(250)에는 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버가 저장될 수 있다. 시리얼 넘버는 배터리 팩별로 다르게 설정될 수 있는데, 상대적으로 높은 값을 갖거나 낮은 값을 갖게 된다. 이러한 데이터 저장부(250)는 플래시 메모리, EEPROM(Electrically erasable programmable read-only memory), SRAM(Static RAM), FRAM (Ferro-electric RAM), PRAM (Phase-change RAM), MRAM(Magnetic RAM) 등과 같은 비휘발성 메모리가 이용될 수 있다.
3. 연결 라인
연결 라인(300)은 전압 측정부(220)가 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압을 측정할 수 있도록 복수의 배터리 셀(100)과 전압 측정부(220) 사이를 연결한다. 또한, 연결 라인(300)은 최소의 수로 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압을 전달하기 위하여 인접한 두 배터리 셀의 접속점을 전압 측정부(220)와 연결하여 인접한 두 개의 배터리 셀(100)의 전압을 3개의 연결 라인(300)을 통해 전달되도록 한다. 예를 들어, 제 1 연결 라인(301)은 제 1 배터리 셀(101)의 일 단자와 전압 측정부(220)의 전원 단자(Vcc) 사이에 마련되고, 제 2 연결 라인(302)은 제 1 배터리 셀(101)의 타 단자와 제 2 배터리 셀(102)의 일 단자 사이의 접속점과 전압 측정부(220)의 일 입력 단자 사이에 마련된다. 그리고, 제 n 연결 단자(30n)은 제 n-1 배터리 셀(10n-1)의 타 단자와 제 n 배터리 셀(10n)의 일 단자의 접속점과 전압 측정부(220)의 일 입력 단자 사이에 마련되며, 제 n+1 연결 단자(30n+1)은 제 n 배터리 셀(30n)의 타 단자와 전압 측정부(220)의 접지 단자(GND) 사이에 마련된다. 즉, 연결 라인(300)은 복수의 배터리 셀(100)의 수보다 하나 더 많은 수로 마련될 수 있다. 전압 측정부(220)가 제 2 배터리 셀(102)의 전압을 측정하기 위해서는 제 1 배터리 셀(101)과 제 2 배터리 셀(102)의 접속점에 연결된 제 2 연결 라인(302) 및 제 2 배터리 셀(102)과 제 3 배터리 셀(103)의 접속점에 연결된 제 3 연결 라인(303)을 통해 전달된 전압을 이용한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 멀티 배터리 팩 장치는 복수의 배터리 팩(10)의 연결 시 복수의 배터리 팩(10)이 각각의 시리얼 넘버를 통신 라인을 통해 송수신하고, 각 배터리 팩(10) 내의 배터리 관리부(200)가 당 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버와 타 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버를 비교하여 예를 들어 가장 낮은 시리얼 넘버를 갖는 배터리 팩(10)이 마스터 배터리 팩으로 설정하고 나머지 배터리 팩이 슬레이브 배터리 팩으로 설정한다. 이렇게 복수의 배터리 팩(10)이 각각의 시리얼 넘버를 비교하여 스스로 마스터 배터리 팩 및 슬레이브 배터리 팩을 설정함으로써 마스터 배터리 팩을 미리 설정하는 종래의 마스터 배터리 팩이 정상 동작하지 않는 경우 발생되는 멀티 배터리 팩의 제어 불가능 등의 문제가 발생되지 않는다. 또한, 어느 하나의 마스터 배터리 팩을 포함하여 적어도 어느 하나의 배터리 팩이 보호 동작에 의해 동작하지 않더라도 나머지 배터리 팩을 이용하여 마스터 배터리 팩 및 슬레이브 배터리 팩을 재설정할 수 있으므로 멀티 배터리 팩의 정상적인 동작을 수행할 수 있다. 그리고, 배터리 팩의 수를 조절하여 용량 변경이 용이하여 다양한 분야에 적용할 수 있으므로 공용화 및 대량 생산을 통해 배터리 팩 가격을 낮출 수 있고, 멀티 배터리 팩의 병렬 구성 시 설치가 상대적으로 간단하며 안정한 설치가 가능하다.
이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티 배터리 팩 장치의 제어 방법을 도 4를 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티 배터리 팩 장치의 제어 방법은 복수의 배터리 팩(10)을 연결하는 단계(S110)와, 복수의 배터리 팩(10) 각각의 시리얼 넘버를 비교하는 단계(S120)와, 비교 결과 가장 낮은 시리얼 넘버를 갖는 배터리 팩을 마스터 배터리 팩으로 설정하고 나머지 배터리 팩을 슬레이브 배터리 팩으로 설정하는 단계(S130)를 포함한다. 또한, 마스터 및 슬레이브 배터리 팩이 설정된 후 복수의 배터리 팩(10)의 배터리 셀(100)을 충방전하는 단계(S140)와, 배터리 셀(100)의 전압을 설정 전압과 비교하는 단계(S150)와, 배터리 셀(100)의 전압이 설정 전압보다 높으면 배터리 셀(100)의 충방전을 종료하는 단계(S160)와, 배터리 셀(100)의 전압이 설정 전압보다 낮으면 충방전을 진행하는 단계(S140)를 포함한다. 이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티 배터리 팩 장치의 제어 방법을 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 복수의 배터리 팩(10)이 연결된다(S110). 즉, 복수의 배터리 팩(10)은 결합 및 분리 가능하며, 적어도 하나의 배터리 팩(10)을 적어도 하나의 배터리 팩(10)과 연결함으로써 복수의 배터리 팩(10)이 연결되도록 한다. 복수의 배터리 팩(10)은 복수의 배터리 셀(100)과, 하나의 배터리 관리부(200)를 각각 포함할 수 있다. 복수의 배터리 팩(10)이 연결되는 경우 배터리 팩(10) 각각의 배터리 셀(100)이 서로 연결되고, 배터리 관리부(200) 또한 서로 연결된다. 이때, 각각의 배터리 셀(100)은 직렬 연결될 수 있고, 병렬 연결될 수도 있다. 또한, 배터리 관리부(200)는 예를 들어 CAN(Controller Area Network) 통신으로 연결될 수 있다.
복수의 배터리 팩(10)이 연결된 후 복수의 배터리 팩(10) 내의 배터리 관리부(200)는 통신 라인을 통해 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버를 서로 교환하고, 타 배터리 팩의 시리얼 넘버와 당 배터리 팩의 시리얼 넘버를 비교한다(S120). 즉, 배터리 팩(10) 내의 배터리 관리부(200)에는 데이터 저장부(250)가 마련되는데, 데이터 저장부(250)에 당 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버가 저장되고, 시리얼 넘버는 처리부(233)에 의해 검출되어 입출력부(210)를 통해 타 배터리 팩(10)으로 전송되고, 타 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버는 당 배터리 팩(10)의 입출력부(210)를 통해 비교부(231)로 입력된다. 이렇게 입력된 타 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버는 제어부(230)의 비교부(231)에서 당 배터리 팩의 시리얼 넘버와 비교한다.
시리얼 넘버의 비교 결과, 가장 낮은 시리얼 넘버를 갖는 배터리 팩(10)이 마스터 배터리 팩이 되고 나머지 배터리 팩(10)이 슬레이브 배터리 팩이 되도록 한다(S130). 예를 들어, 당 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버가 타 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버보다 작으면 처리부(233)은 그 결과를 입출력부(210)를 통해 타 배터리 팩(10)에 전송하고, 타 배터리 팩(10)의 처리부(233)를 이를 수신하여 자신의 배터리 팩(10)이 슬레이브 배터리 팩으로 설정되도록 한다. 또한, 당 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버가 타 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버보다 크면 처리부(233)는 타 배터리 팩(10)이 마스터 배터리 팩이 될 수 있음을 통보하고 당 배터리 팩(10)을 슬레이브 배터리 팩으로 설정한다. 이렇게 복수의 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버를 당 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버와 순차적으로 비교하여 복수의 배터리 팩(10)의 시리얼 넘버가 가장 낮은 배터리 팩(10)이 마스터 배터리 팩으로 기능하도록 하고 나머지 배터리 팩(10)이 슬레이브 배터리 팩으로 기능하도록 한다. 물론, 가장 높은 시리얼 넘버를 가진 배터리 팩(10)이 마스터 배터리 팩이 되도록 할 수도 있다.
이렇게 시리얼 넘버의 비교에 의해 마스터 배터리 팩 및 슬레이브 배터리 팩이 설정된 후 마스터 및 슬레이브 배터리 팩의 상태를 확인한다(S140). 확인 결과, 마스터 및 슬레이브 배터리 팩의 상태가 정상이면 소정 시간 지연 후 마스터 및 슬레이브 배터리 팩의 상태를 다시 확인한다. 이러한 배터리 팩의 상태 확인은 주기적으로 계속한다. 한편, 확인 결과, 마스터 및 슬레이브 배터리 팩의 상태가 정상이 아니면 마스터 및 슬레이브 배터리 팩을 다시 설정한다(S130). 즉, 비정상 배터리 팩은 충전 또는 방전 등을 정지시키고 나머지 배터리 팩에 대하여 시리얼 넘버를 비교하여 마스터 및 슬레이브를 설정한다.
한편, 충방전 동작 중 또는 전자기기의 동작 중지 중에 복수의 배터리 팩(10)의 적어도 어느 하나가 분리될 수 있다. 예를 들어, 슬레이브 배터리 팩이 분리될 수 있고, 마스터 배터리 팩이 분리될 수 있다. 슬레이브 배터리 팩이 분리되는 경우 마스터 배터리 팩이 남아 있으므로 마스터 및 슬레이브의 재설정이 필요없지만, 마스터 배터리 팩이 분리되는 경우 마스터 및 슬레이브의 재설정이 필요하다. 마스터 및 슬레이브의 재설정이 필요한 경우 상기 각 배터리 팩의 시리얼 넘버의 교환 및 비교를 통해 가장 낮은 시리얼 넘버를 갖는 배터리 팩이 마스터 배터리 팩으로 설정되도록 할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 배터리 팩 100 : 배터리 셀
200 : 배터리 관리부 300 : 연결 라인
210 : 입출력부 220 : 전압 측정부
230 : 제어부 240 : 스위칭부
250 : 데이터 저장부

Claims (9)

  1. 결합 및 분리 가능한 복수의 배터리 팩을 포함하고,
    상기 복수의 배터리 팩 각각은,
    복수의 배터리 셀과,
    복수의 배터리 팩 각각의 시리얼 넘버를 비교하여 마스터 및 슬레이브 배터리 팩으로 설정하는 배터리 관리부를 포함하는 멀티 배터리 팩 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 하나의 배터리 팩이 상기 마스터 배터리 팩으로 설정되고, 그 이외의 배터리 팩들이 상기 슬레이브 배터리 팩으로 설정되는 멀티 배터리 팩 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 가장 낮거나 가장 높은 시리얼 넘버를 갖는 배터리 팩을 마스터 배터리 팩으로 설정하는 멀티 배터리 팩 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 배터리 관리부는,
    통신 라인을 통해 배터리 팩들과 연결되어 데이터를 입출력하는 입출력부와,
    상기 복수의 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부와,
    상기 배터리 팩들의 시리얼 넘버들을 비교하여 마스터 및 슬레이브를 설정하고, 상기 전압 측정부의 측정 전압에 따라 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하는 제어부를 포함하는 멀티 배터리 팩 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 배터리 관리부는,
    상기 시리얼 넘버와 상기 측정 전압과 비교되는 설정 전압을 포함하는 데이터를 저장하는 데이터 저장부와,
    상기 제어부에 의해 구동되어 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하는 스위칭부를 더 포함하는 멀티 배터리 팩 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제어부는 상기 시리얼 넘버를 비교하고 상기 측정 전압과 설정 전압을 비교하는 비교부와,
    상기 시리얼 넘버의 비교 결과에 따라 당 배터리 팩을 마스터 또는 슬레이브로 설정하고, 상기 측정 전압과 설정 전압의 비교 결과에 따라 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하는 처리부와,
    상기 처리부의 제어에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 충방전 제어부를 포함하는 멀티 배터리 팩 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 슬레이브 배터리 팩의 상기 처리부는 상기 측정 전압 및 설정 전압의 비교 결과를 상기 설정된 마스터 배터리 팩으로 전송하고 상기 마스터 배터리 팩의 명령에 따라 상기 충방전 제어부를 제어하는 멀티 배터리 팩 장치.
  8. 복수의 배터리 팩을 연결하는 단계;
    상기 복수의 배터리 팩의 시리얼 넘버를 비교하는 단계; 및
    상기 시리얼 넘버의 비교 결과에 따라 적어도 하나의 마스터 배터리 팩과 복수의 슬레이브 배터리 팩을 설정하는 단계를 포함하는 멀티 배터리 팩 장치의 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 가장 낮거나 높은 시리얼 넘버를 갖는 배터리 팩을 마스터 배터리 팩으로 설정하고 그 이외를 슬레이브 배터리 팩으로 설정하는 멀티 배터리 팩 장치의 제어 방법.
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