KR20180017899A - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

다양한 실시예들에 따른 배터리 팩이 제공된다. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 충전기와 연결되기 위한 제1 팩단자 및 제2 팩단자, 상기 배터리와 상기 제1 팩단자 또는 상기 제2 팩단자 중 어느 한 팩 단자와 사이에 배치되는 차단 스위치, 및 상기 배터리의 전압 및 전류를 모니터링하고, 과전압 및 과전류로부터 상기 배터리를 보호하기 위해 상기 차단 스위치를 제어하는 배터리 관리부를 포함하고, 상기 배터리 관리부는 사용자에 의해 설정되는 충전 모드에 따라 상기 배터리의 전압이 제1 기준 전압에 도달하면 상기 차단 스위치를 턴 오프하고 상기 제1 및 제2 팩 단자 사이의 전압을 모니터링할 수 있다.

Description

배터리 팩{battery pack}
본 발명의 실시 예들은 배터리 팩에 관한 것이다.
2차 전지(secondary cell)는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 방출하고, 이와 반대로 전기 에너지를 공급받으면 이를 화학 에너지의 형태로 다시 저장할 수 있는 전지, 즉, 충전과 방전을 교대로 반복할 수 있는 전지를 의미한다. 2차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등 휴대용 전자기기뿐만 아니라, 자동차나 오토바이 등의 구동력을 제공하는데 이용되고 있다.
2차 전지는 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery) 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery), 납 축전지 등 다양한 종류가 존재한다. 2차 전지 각각은 정격 전압이 동일하더라도 만충전시 전압이 상이할 수 있다. 충전기가 충전을 종료시키는 경우에 충전이 예정되는 배터리의 만충전 전압을 기준으로 충전을 종료한다. 종래 사용하던 2차 전지를 다른 종류의 2차 전지로 교체하는 경우 종래 사용하던 2차 전지의 전용 충전기를 그대로 이용하면 과충전 등 우려가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래 사용하던 2차 전지를 다른 종류의 2차 전지로 교체하더라도, 종전 충전기나 충전 시스템을 교체하지 않고 그대로 이용할 수 있는 2차 전지를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 충전기와 연결되기 위한 제1 팩단자 및 제2 팩단자, 상기 배터리와 상기 제1 팩단자 또는 상기 제2 팩단자 중 어느 한 팩 단자와 사이에 배치되는 차단 스위치, 및 상기 배터리의 전압 및 전류를 모니터링하고, 과전압 및 과전류로부터 상기 배터리를 보호하기 위해 상기 차단 스위치를 제어하는 배터리 관리부를 포함하고, 상기 배터리 관리부는 사용자에 의해 설정되는 충전 모드에 따라 상기 배터리의 전압이 제1 기준 전압에 도달하면 상기 차단 스위치를 턴 오프하고 상기 제1 및 제2 팩 단자 사이의 전압을 모니터링할 수 있다.
상기 배터리 팩의 일 예에 따르면, 상기 충전 모드는 제1 충전 모드 또는 제2 충전 모드 중 하나이고, 상기 배터리 관리부는 상기 충전 모드가 제1 충전 모드인 경우, 상기 배터리의 전압이 제1 기준 전압에 도달하면 상기 차단 스위치를 턴 오프하고 상기 제1 및 제2 팩 단자 사이의 전압을 모니터링하고, 상기 충전 모드가 제2 충전 모드인 경우, 상기 배터리의 전압이 상기 제1 기준 전압에 도달하면 상기 제1 기준 전압에 도달을 상기 충전기에 알린다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 사용자의 입력에 의해 충전 모드가 설정되어 모드 신호를 상기 배터리 관리부에 출력하는 설정부를 더 포함하고, 상기 배터리 관리부는 상기 모드 신호를 기초하여 제1 충전 모드 또는 제2 충전 모드 중 하나의 충전 모드를 설정할 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 설정부는 사용자가 상기 제1 충전 모드 또는 상기 제2 충전 모드 중 택일하는 선택 스위치를 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 설정부는 상기 제1 및 제2 팩단자에 납축전지용 충전기가 연결되면 상기 제1 충전 모드로 설정되고 상기 제1 및 제2 팩단자에 리튬전지용 충전기가 연결되면 상기 제2 충전 모드로 설정할 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 상기 제1 충전 모드에서 상기 제1 스위치가 턴 오프된 후 상기 제1 및 제2 팩 단자 사이의 전압이 미리 설정된 제2 기준 전압 이하가 되면 상기 제1 스위치를 턴 온시키고, 상기 제2 기준전압은 상기 제1 기준 전압보다 낮다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는, 상기 제1 충전 모드에서 상기 제1 스위치가 턴 오프된 후 상기 차단 스위치 양단에 걸리는 전압이 제2 기준 전압 이하가 되면 상기 제1 스위치를 턴 온시키고, 상기 제2 기준 전압은 상기 제1 기준 전압보다 낮다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 충전기와 통신하는 통신부를 더 포함하고, 상기 배터리 관리부는 상기 제2 충전 모드에서 상기 통신부를 이용하여 상기 배터리의 만충전 상태를 상기 충전기에 전송할 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 차단 스위치는 상기 배터리의 충전 및 방전 전류를 단독으로 차단할 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 차단 스위치는 상기 배터리 관리부에 의해 제어되는 릴레이이다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 제1 기준 전압은 상기 배터리의 열화 정도에 따라 보정될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 따르면, 다른 종류의 2차 전지로 교체하더라도 배터리 팩의 충전 모드를 결정하여 상기 다른 종류의 2차 전지 충전기나 충전 시스템을 그대로 이용할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 팩의 내부를 간략하게 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 충전기와 연결된 배터리 팩의 내부를 간략하게 도시한다.
도 3a는 제1 충전 모드에서 배터리 관리부의 동작 흐름도이고, 도 3b는 제2 충전 모드에서 배터리 관리부의 동작 흐름도이다.
도 4은 다른 실시예에 따른 납축 전용 충전기와 연결된 배터리 팩의 내부를 개략적으로 도시한다.
도 5은 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 내부의 구성을 개략적으로 도시한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
예를 들어, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시 예로부터 다른 실시 예로 변경되어 구현될 수 있다. 또한, 각각의 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다. 즉 설명된 특정 세부사항들은 단순한 예시이다. 특정 구현들은 이러한 예시적인 세부사항들로부터 변할 수 있고, 본 발명의 정신 및 범위 내에서 계속 고려될 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 팩의 내부를 간략하게 도시한다.
도 1을 참조하면 배터리 팩(10)은 배터리(20), 차단 스위치, 제1 팩단자(113), 제2 팩단자(115) 및 배터리 관리부(110)를 포함한다.
배터리(20)는 전력을 저장하는 부분으로서, 적어도 하나의 배터리 셀(23)을 포함한다. 배터리(20)에 하나의 배터리 셀(23)이 포함되거나, 배터리(20)에는 복수의 배터리 셀(23)들이 포함될 수 있으며, 배터리 셀(23)들은 직렬로 연결되거나, 병렬로 연결되거나, 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결될 수 있다. 배터리(20)에 포함되는 배터리 셀(23)들의 개수 및 연결 방식은 요구되는 출력 전압 및 전력 저장 용량에 따라서 결정될 수 있다.
배터리 셀(23)은 충전이 가능한 납 축전지를 제외한 이차 전지를 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀(23)은 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery) 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery)를 포함할 수 있다.
제1 팩단자(113)와 제2 팩단자(115)는 외부 장치와 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 예컨대 제1 및 제2 팩단자들(113, 115)은 전극이나 커넥터, 단자대, 랜드나 패드 등의 배선 패턴일 수 있다. 배터리(20)는 제1 팩단자(113) 또는 제2 팩단자(115)를 통해 외부 장치, 예컨대, 부하 장치에 전류나 전압을 공급하거나, 외부 장치, 예컨대, 충전 장치는 제1 팩단자(113) 또는 제2 팩단자(115)를 통해 배터리(20)에 충전 전류를 공급할 수 있다.
배터리 관리부(110)는 배터리(20)를 보호하기 위해 차단 스위치를 제어한다. 배터리 관리부(110)는 차단 스위치를 이용하여 배터리(20)로 유입되거나 유출되는 전류의 흐름을 제어할 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부(110)는 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다.
배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 전류, 전압, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, SOC)등을 얻을 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부(110)는 센서들을 이용하여 배터리 셀(23)의 셀 전압 및 온도를 측정할 수 있다. 배터리 관리부(110)는 제1 팩단자(113)와 제2 팩단자(115) 사이의 전압을 모니터링 할 수 있다.
배터리(20)에 과충전, 과방전, 과전류, 및 고온 등과 같은 이상 상황이 발생하였음을 감지하는 경우, 배터리 관리부(110)는 차단 스위치를 개방하여 배터리(20)를 보호할 수 있다. 배터리 관리부(110)는 차단 스위치(120)를 제어하기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.
차단 스위치(120)는 배터리(20)와 제1 팩단자(113) 또는 제2 팩단자(115) 중 어느 한 팩 단자와 사이에 배치된다. 배터리(20)와 제1 팩단자(113) 사이와 배터리(20)와 제2 팩단자(115) 사이에는 차단 스위치(120)만 배치된다. 차단 스위치(120)는 배터리 관리부(110)의 제어 신호에 따라 턴 오프되면 충전 전류 및 방전 전류를 차단할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 팩(10)은 대전류 경로(스위치는 배터리(20)와 제1 팩단자(113) 및 제2 팩단자(115) 사이 전류 경로) 상에 하나의 스위치를 포함하고, 상기 하나의 스위치는 차단 스위치(120)다. 차단 스위치(120)는 하나의 스위치로 이루어져 있다. 자동차나 오토바이등 원동기에 전력을 공급하는 경우, 배터리 팩(10)은 고출력이 요구되며 높은 방전 전류가 흐르게 된다. 이 경우, 상기 원동기 등에 전력을 공급할 때 방전 전류의 크기는 트랜지스터 및 다이오드의 일반적인 허용 전류 크기를 상회하므로, 차단 스위치(120)가 트랜지스터 및 다이오드를 포함한다면 트랜지스터나 다이오드는 고출력에 따른 높은 방전 전류에 의해 소손될 우려가 크다. 따라서, 차단 스위치(120)는 상기 높은 방전 전류에도 안정적으로 작동할 수 있는 릴레이를 포함하며, 턴 오프상태에서 충전 및 방전 전류를 동시에 차단한다.
도 2는 일 실시예에 따른 충전기와 연결된 배터리 팩의 내부를 간략하게 도시한다.
도 2를 참조하면, 배터리 팩(10)은 배터리(20), 배터리 관리부(110), 차단 스위치(120), 제1 팩단자(113) 및 제2 팩단자(115)를 포함한다. 배터리(20), 차단 스위치(120), 제1 팩단자(113) 및 제2 팩단자(115)는 도 1의 배터리(20), 차단 스위치(120), 제1 팩단자(113) 및 제2 팩단자(115)와 실질적으로 동일한바 설명을 생략한다.
충전기(300)는 외부 전원을 정전류 및 정전압으로 변환하는 정전류 및 정전압을 출력하는 장치이다. 충전기(300)는 정전류를 출력하거나 정전압을 출력할 수 있다. 충전기(300)는 제1 팩단자(113) 및 제2 팩단자(115)를 통해 배터리 팩(10)에 정전류 및 정전압을 공급한다. 충전기(300)는 제1 팩단자(113)와 제2 팩단자(115)의 전압을 측정하여 소정의 전압값이 되면 충전을 중단한다. 상기 소정의 전압값은 충전기(300)가 연결되어 충전이 예정된 배터리(20)의 만충전시 전압의 크기로 설정된다. 또한, 충전기(300)는 배터리 관리부(110)가 제공하는 정보를 통해 배터리(20)의 충전을 중단할 수도 있다. 한편, 충전기(300)는 배터리(20)의 충전을 예상하고 제조된 전용 충전기(300a)와 다른 배터리의 충전을 예상하고 제조된 타전용 충전기(300b)를 포함한다.
배터리 팩(10)은 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 충전과 방전 경로가 별도로 형성되지 않으며 차단 스위치(120) 하나만을 포함한다. 배터리 팩(10)은 충전기(300)의 충전 종료여부에 따라 배터리(20)의 충전이 제어된다. 배터리 팩(10)은 특정 상황에서는 충전 모드에 따라 차단 스위치(120)를 이용하여 충전을 차단할 수 있고, 이에 대해선 후술한다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리부(110)는 사용자의 입력에 따라 충전 모드가 설정된다. 배터리 관리부(110)는 제1 충전 모드와 제2 충전 모드 중 어느 한 충전 모드로 동작할 수 있다. 배터리 관리부(110)는 상기 제1 충전 모드 또는 상기 제2 충전 모드에 따라 배터리(20)가 만충전될 때 배터리(20)의 충전을 종료시키는 방식이 다르다. 상기 제1 충전 모드에서 배터리 관리부(110)는 배터리 팩(10)이 비정상 상태에 노출되어 배터리(20)를 보호하기 위해 차단 스위치(120)를 턴 오프하는 것과 구분하여 충전을 완료하기 위해 차단 스위치(120)를 제어할 수 있다. 상기 제2 충전 모드에서는 배터리 관리부(110)는 충전기(300)에 충전 완료를 알릴 수 있고 충전기(300)가 충전을 중단시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 충전 모드에서 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 보호를 위해 차단 스위치(120)를 제어하되 배터리(20)의 충전을 완료하기 위해 충전기(300)에 만충전의 정보를 알리거나 충전기(300)가 제1 팩단자(113) 및 제2 팩단자(115) 사이의 전압을 측정하여 충전 완료 시점을 판단한다. 즉, 배터리 관리부(110)는 충전을 완료시키기 위해 차단 스위치(120)를 턴 오프시키지 않으며, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 배터리(20)의 과방전, 과충전, 과전류 및 고온 상태 등 비정상적 상태(예를 들면, 배터리 팩(10)과 연결된 충전기(300)나 부하의 단락, 배터리 팩(10) 내부의 단락, 고온 환경에 노출, 충전기(300)의 고장 등)에서 배터리(20)를 보호하기 위해 차단 스위치(120)를 턴 오프시킨다. 배터리 팩(10)이 상기 비정상적 상태에 노출되어 배터리 관리부(110)가 차단 스위치(120)를 턴 오프시키면, 배터리 팩(10)의 충전과 방전이 중단된다. 배터리 팩(10)의 내부나 외부에 단락 등이 발생하는 경우에 비정상적 상태에 노출되며, 이는 점검을 통해 수리가 되어야 차단 스위치(120)를 턴 온시켜 배터리 팩(10)을 안전하게 사용할 수 있다. 따라서, 차단 스위치(120)는 상기 점검이 완료될 때까지 턴 오프 상태가 유지되며 배터리(20)의 방전과 충전이 차단된다.
상기 제1 충전 모드에서 배터리 관리부(110)는 배터리(20)가 비정상 상태에 노출된 경우에 배터리(20)를 보호하기 위해 차단 스위치(120)를 턴 오프시키거나, 배터리(20)의 충전을 완료시키기 위해 상기 차단 스위치(120)를 턴 오프시킬 수 있다. 즉, 배터리 관리부(110)는 제2 충전 모드와 달리 충전기(300)가 배터리(20)의 충전을 중단시키지 않아도 배터리(20)의 전압을 감지하여 배터리(20)의 충전을 중단시킬 수 있다.
예컨대, 배터리(20)의 만충전 전압보다 높은 전압에서 충전을 중단하는 충전기(이하, 타전용 충전기(300b))와 연결될 수 있다. 타전용 충전기(300b)로 배터리(20)를 충전시키면 배터리(20)가 과충전으로 손상될 수 있다. 상기 제1 충전 모드는 타전용 충전기(300b)와 연결되어도 배터리(20)가 과충전되지 않도록 방지할 수 있다. 상기 제1 충전 모드에서 배터리 관리부(110)는 타전용 충전기(300b)가 충전을 중단시키지 않아도 차단 스위치(120)를 턴 오프시켜 배터리(20)의 충전을 중단시킬 수 있다. 배터리 관리부(110)는 배터리 팩(10)이 비정상 상태에 노출되어 보호 동작 일환으로 차단 스위치(120)를 턴 오프한 경우와 구분하여, 상기 제1 충전 모드에서는 배터리(20)의 충전을 제어하기 위해 차단 스위치(120)를 턴 오프시킨다. 이 경우, 배터리 관리부(110)는 배터리 팩(10)이 타전용 충전기(300b)에 의한 과충전 우려가 없는지 판단하기 위해 제1 팩단자(113)와 제2 팩단자(115) 사이의 전압을 모니터링한다.
다른 실시예에 따르면, 배터리(20) 시스템의 교환의 간소화 및 비용면에서 타전용 충전기(300b)(또는 타전용 충전 시스템)을 유지하면서 배터리 팩(10)만 교체될 수 있다. 배터리 팩(10)은 상기 타전용 충전기(300b)와 통신하는 방식 등이 달라 만충전 사실을 타전용 충전기(300b)에 전송하여 배터리(20)의 충전을 중단시키기 어려울 수 있다. 이 경우, 배터리 관리부(110)가 상기 제1 충전 모드에서 동작하도록 설정하여 배터리(20)가 과충전되는 것을 방지하고, 제1 팩단자(113)와 제2 팩단자(115) 사이의 전압을 모니터링하여 배터리가 과충전될 우려가 없는지 판단할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 배터리 관리부(110)는 전용 충전기(300a)와 연결된 경우는 상기 제2 충전 모드로 설정된다. 배터리 팩(10)은 차단 스위치(120) 하나만 포함하며, 상기 비정상 상태에 배터리 팩(10)이 노출되면 배터리(20)를 보호하기 위해 배터리 관리부(110)는 차단 스위치(120)를 턴 오프시킨다. 배터리(20)의 충전 제어는 전용 충전기(300a)를 통해 이루어 진다. 구체적으로, 전용 충전기(300a)는 배터리(20)의 전압이 만충전 상태의 배터리(20)의 전압에 도달하거나, 배터리 관리부(110)가 만충전 사실을 통지하면 충전을 중단할 수 있다. 상기 제2 충전 모드에서 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 전압을 모니터링하여 배터리(20)의 전압이 만충전 상태의 배터리(20)의 전압에 도달하면, 상기 도달 정보를 전용 충전기(300)에 전송할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 배터리 팩(10)은 통신부를 더 포함할 수 있다. 전용 충전기(300)도 배터리 팩(10)의 통신부와 상응하는 통신부를 포함하여 배터리 팩(10)의 통신부와 정보를 송수신할 수 있다. 배터리 팩(10)의 통신부는 충전기(300)의 통신부와 접속 단자를 통해 서로 전기적으로 연결된다. 상기 통신부는 상기 접속 단자를 통해 서로 정보를 송수신이 가능하게 구성된 통신 인터페이스 회로이다. 상기 제2 충전 모드에서 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 전압을 모니터링하여 배터리(20)가 만충전 상태라 판단되면 상기 통신부를 통해 배터리(20)의 만충전 정보를 전송할 수 있다. 전용 충전기(300)는 배터리(20)의 만충전 정보를 전송받으면 충전을 중단할 수 있다.
도 3a는 제1 충전 모드에서 배터리 관리부의 동작 흐름도이고, 도 3b는 제2 충전 모드에서 배터리 관리부의 동작 흐름도이다.
도 3a에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 단계(S100)에서 배터리 관리부(110)는 제1 충전 모드로 설정된다. 사용자는 배터리 관리부(110)의 충전 모드를 제1 충전 모드로 설정한다. 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 전압을 모니터링한다.
단계(S101)에서 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 전압이 제1 기준 전압에 도달하는지 판단한다. 상기 제1 기준 전압은 배터리(20)를 안정적으로 충전을 완료할 수 있는 전압의 크기, 예를 들면, 배터리(20)가 만충전될 때의 전압의 크기로 설정될 수 있다.
단계(S103)에서 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 전압이 제1 기준 전압에 도달하면 차단 스위치(120)를 턴 오프시키는 제어 신호를 차단 스위치(120)에 인가한다. 단계(S105)에서 차단 스위치(120)가 턴 오프되면 충전 전류가 차단되어 배터리(20)의 충전은 중단된다.
단계(S107)에서 배터리 관리부(110)는 충전기(300)의 양 단자의 전압의 변화를 통해 차단 스위치(120)를 턴 온 시점을 판단한다. 배터리 관리부(110)는 제1 팩단자(113)와 제2 팩단자(115) 사이의 전압을 모니터링한다. 차단 스위치(120)가 턴 오프된 상태에서 제1 팩단자(113)와 제2 팩단자(115) 사이에는 충전기(300)의 전압이 인가된다. 배터리 관리부(110)는 제1 팩단자(113)와 제2 팩단자(115)에 인가되는 전압이 제2 기준 전압 이하가 되는지 모니터링한다. 제2 기준 전압은 상기 제1 기준 전압보다 낮은 값을 가지며 충전기(300)가 배터리 팩(10)과 분리되었거나 충전기(300)가 충전을 중단할 때 전압 값이다. 예를 들면, 제2 기준 전압은 0V근방의 값을 가질 수 있다.
단계(S109)에서 배터리 관리부(110)는 제1 팩단자(113)와 제2 팩단자(115) 사이의 전압이 제2 기준 전압 이하가 되면 차단 스위치(120)를 턴 온시킨다. 차단 스위치(120)가 턴 온되면 배터리(20)는 방전을 할 수 있다.
한편, 상기 제1 충전 모드에서 배터리 관리부(110)는 배터리 팩(10)이 비정상 상태에 노출되어 보호 동작 일환으로 차단 스위치(120)를 턴 오프한 경우와 구분하여, 상기 제1 충전 모드에서는 배터리(20)의 충전을 제어하기 위해 차단 스위치(120)를 턴 오프시킨다. 배터리 관리부(110)는 제1 팩단자(113)와 제2 팩단자(115) 사이의 전압을 모니터링하여 충전기(300)가 분리되는지 여부만 판단 하면되고, 배터리 관리부(110)는 충전기(300)가 분리되었다고 판단될 때 충전 스위치(120)를 턴 온시켜도 배터리(20)가 손상될 우려가 없다.
다른 실시예에 따르면, 단계(S107)에서 배터리 관리부(110)는 차단 스위치(120) 양단 사이의 전압을 모니터링할 수도 있다. 배터리 관리부(110)는 차단 스위치(120)가 턴 오프되면 차단 스위치(120) 양단의 전압을 모니터링하며, 모니터링 결과 차단 스위치(120)에 인가되던 전압이 상기 제2 기준 전압 이하가 되는지 판단할 수도 있다. 단계(S109)에서 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 전압이 상기 제2 기준 전압 이하가 되면 차단 스위치(120)를 턴 온시킬 수 있다.
도 3b에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 단계(S110)에서 배터리 관리부(110)는 제2 충전 모드로 설정된다. 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 전압을 모니터링 한다.
단계(S111)에서 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 전압이 상기 제1 기준 전압에 도달하는지 판단한다. 단계(S113)에서 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 전압이 상기 제1 기준 전압에 도달하면 배터리(20)의 전압이 상기 제1 기준 전압에 도달한 정보를 도 3을 참조하여 설명한 통신부를 이용하여 충전기(300)에 전달한다.
단계(S115)에서 충전기(300)는 배터리 관리부(110)가 전달한 상기 정보를 기초로 배터리(20)의 충전을 중단할 수 있다.
도 4은 다른 실시예에 따른 납축 전용 충전기와 연결된 배터리 팩의 내부를 개략적으로 도시한다.
도 4을 참조하면, 배터리 팩(10a)은 배터리(20), 배터리 관리부(110), 차단 스위치(120), 제1 팩단자(113) 및 제2 팩단자(115)를 포함한다. 배터리 관리부(110), 차단 스위치(120), 제1 팩단자(113) 및 제2 팩단자(115)는 도 1의 배터리 관리부(110), 차단 스위치(120), 제1 팩단자(113) 및 제2 팩단자(115)와 실질적으로 동일한바 반복하여 설명하지 않는다.
배터리 팩(10a)은 납 축전지(20b)를 충전시키는 납축 전용 충전기(310)와 연결된다.
납 축전지(20b)는 충전이 가능한 2차 전지이다. 납 축전지(20b)는 납을 음극으로 이산화납을 양극으로 하고 황산을 전해질로 사용한다. 납 축전지(20b)는 충전을 할 때 전류 제한을 가하면서 일정한 전압을 유지시켜 충전을 한다. 납 축전지(20b)는 과충전되어 폭발 위험이 없다. 납 축전지(20b)는 고출력이 요구되는 자동차 등 원동기에 큰 전력을 공급하기 위해 활용되고 있다.
납축 전용 충전기(310)는 납 축전지(20b)의 전압을 모니터링하여 충전 중단여부를 결정한다. 구체적으로, 납축 전용 충전기(310)는 납 축전지(20b)의 전압이 미리 설정된 전압에 도달하면 충전을 중단시킨다. 납축 전용 충전기(310)는 납 축전지(20b)의 전압의 크기가 미리 설정된 전압이 되면 충전을 중단한다. 상기 미리 설정된 전압의 크기는 납축 전용 충전기(310)와 연결된 납 축전지(20b)가 만충전될 때 전압 값으로 설정된다.
한편, 납 축전지(20b)는 가격이 저렴하며 폭발 위험성 등이 없는 안전한 2차 전지라는 장점이 있으나, 납 축전지(20b)는 모을 수 있는 전기에너지의 크기가 작고, 꺼낼 수 있는 전력의 크기도 작고 장기간 사용하면 출력 전압이 떨어지며, 일정 시간이 경과해야 다시 출력 전압이 회복되는 단점이 있다. 납 축전지(20b)는 리튬 배터리(20a)에 비해 단위 부피당 저장할 수 있는 전기 에너지가 작다. 납 축전지(20b)는 리튬 배터리(20a)가 저장한 전기 에너지와 상응하는 전기 에너지를 갖기 위해서 리튬 배터리(20a) 비해 상당히 큰 부피와 무게를 갖는다. 이런 점에서 종래 사용했던 납 축전지(20b)에서 리튬 배터리(20a)로 대체 및 교체가 활발히 이루어지고 있으며, 특히, 고출력이 요구되는 자동차의 배터리를 납 축전지(20b)에서 리튬 배터리(20a)로 대체 및 교체가 활발히 이루어지고 있다.
리튬 배터리(20a)의 정격 전압과 상응하는 정격 전압을 갖는 납 축전기는 배터리(20a)의 만충전 전압보다 더 높은 만충전 전압을 갖는다. 납축 전용 충전기(310)는 납 축전지(20b)의 만충전 전압을 기준으로 충전을 중단시킨다. 납축 전용 충전기(310)를 이용하여 배터리 팩(10a)의 리튬 배터리(20a)를 충전시키면, 납축 전용 충전기(310)는 배터리 팩(10a)의 리튬 배터리(20a)가 만충전되어도 충전을 중단시키지 않고 납 축전지(20b)의 만충전 전압 기준까지 충전시킨다. 예를 들면, 48V용 납 축전지(20b)는 만충전되면 62V의 전압을 가지며, 48V용 리튬 배터리(20a)는 만충전되면 56V의 전압을 갖는다. 납 축전지(20b)를 충전시키는 납축 전용 충전기(310)는 납 축전지(20b)의 만충전의 전압을 기준으로 충전을 중단시키므로, 납축 전용 충전기(310)에 연결된 리튬 배터리(20a)의 전압이 62V가 될 때까지 충전을 지속한다. 상기 납축 전용 충전기(310)는 배터리 팩(10a)을 충전시킬 때 배터리 팩(10a)의 리튬 배터리(20a)의 전압이 56V에 도달하였어도 배터리 팩(10a)의 충전을 중단시키지 않는다. 이 경우, 납축 전용 충전기(300)의 충전을 중단시키지 않으면, 배터리 팩(10a)은 과충전되어 배터리 팩(10a)의 리튬 배터리(20a)가 손상되거나 폭발할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리부(110)는 납축 전용 충전기(310)와 연결될 때 제1 충전 모드로 설정된다. 도 1을 참조하면 일 실시예에 따른 배터리(20)는 리튬을 포함할 수 있다. 이하 배터리(20a)는 리튬을 포함하는 2차 전지로 가정하여 설명한다. 배터리 관리부(110)는 납축 전용 충전기(310)와 연결될 때 제1 충전 모드로 설정될 수 있으므로, 배터리 관리부(11)는 납축 전용 충전기(310)가 충전을 중단하지 않아도 차단 스위치(120)를 턴 오프하여 배터리(20a)의 충전을 중단시킬 수 있다. 배터리 관리부(110)는 배터리(20a)의 전압이 도 2를 참조하여 설명한 제1 기준 전압에 도달하면 차단 스위치(120)를 턴 오프시킨다. 배터리 관리부(110)는 제1 팩단자(113)와 제2 팩단자(115) 사이의 전압을 모니터링하여 납축 전용 충전기(300)에 의한 과충전 요인이 해소됨을 판단할 수 있다. 배터리 관리부(110)는 과충전 요인이 해소되면 차단 스위치(120)를 턴 온시킨다. 예를 들면, 48V용 납 축전지(20b)의 만충전시 전압은 62V이고, 48V용 배터리(20a)의 만충전시 전압은 56V이다. 배터리 관리부(110)는 상기 제1 충전 모드로 설정되었는바 배터리(20)의 전압이 56V 전압에 도달하면 차단 스위치(120)를 턴 오프시킨다.
도 5은 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 내부의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 5을 참조하면, 배터리 팩(10b)은 배터리(20), 배터리 관리부(110), 차단 스위치(120) 및 설정부(200)를 포함한다. 배터리(20), 배터리 관리부(110), 차단 스위치(120) 제1 팩단자(113) 및 제2 팩단자(115)는 도 2의 배터리(20), 배터리 관리부(110), 차단 스위치(120), 제1 팩단자(113) 및 제2 팩단자(115)와 실질적으로 동일하므로 반복하여 설명하지 않는다.
설정부(200)는 전압 레벨에 따른 수개의 모드 신호를 배터리 관리부(110)에 출력할 수 있다. 설정부(200)는 온/오프 스위치, 푸쉬 스위치, 로터리 스위치, 로커스 스위치, 슬라이드 스위치 등을 포함할 수 있으나, 수개의 모드 신호를 출력할 수 있는 스위치이면 되고 이에 한정하지 않는다.
일 실시예에 따르면, 설정부(200)는 제1 레벨 신호와 제2 레벨 신호를 출력할 수 있다. 한편, 제1 레벨 신호가 하이 레벨이고 제2 레벨 신호는 로우 레벨일 수 있으며 이에 한정하지 않는다. 설정부(200)는 제1 레벨 신호와 제2 레벨 신호를 배터리 관리부(110)에 인가한다. 배터리 관리부(110)는 제1 레벨 신호를 인가받고 제1 충전 모드로 설정될 수 있다. 배터리 관리부(110)는 제2 레벨 신호를 인가받고 제2 충전 모드로 설정될 수 있다. 예를 들면, 설정부(200)는 슬라이드 스위치를 포함할 수 있다. 상기 슬라이드 스위치는 턴 온되면 제1 레벨 신호를 배터리 관리부(110)에 인가하여 배터리 관리부(110)가 상기 제1 충전 모드에서 배터리(20)를 충전하도록 할 수 있다. 상기 슬라이드 스위치는 턴 오프되면 제2 레벨 신호를 배터리 관리부(110)에 인가하여 배터리 관리부(110)가 상기 제2 충전 모드에서 배터리(20)를 충전하도록 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 설정부(200)는 사용자의 입력을 받을 수 있도록 배터리 팩(10)의 외면에 배치될 수 있다. 사용자는 배터리 팩(10)이 연결되는 충전기(300)의 특성에 따라 설정부(200)를 조작할 수 있다. 설정부(200)는 사용자의 조작에 따라 제1 레벨 신호 또는 제2 레벨 신호를 배터리 관리부(110)에 출력하여 배터리 관리부(110)가 충전하는 모드를 설정할 수 있다. 예를 들면, 배터리 팩(10b)이 납축 전용 충전기(310)와 연결되면 사용자는 설정부(200)가 제1 레벨 신호를 출력하도록 조작한다. 설정부(200)는 제1 레벨 신호를 배터리 관리부(110)에 인가한다. 배터리 관리부(110)는 제1 레벨 신호를 인가받고 상기 제1 충전 모드로 설정된다. 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 전압을 모니터링하여 도 2를 참조하여 설명한 제1 기준 전압에 도달여부를 판단한다. 배터리(20)의 전압이 상기 제1 기준 전압에 도달하면, 배터리 관리부(110)는 차단 스위치(120)를 턴 오프시켜 충전기(300)의 충전 전류를 차단하고, 제1 팩단자(113)와 제2 팩단자(115) 사이의 전압을 측정한다. 배터리 관리부(110) 제1 팩단자(113)와 제2 팩단자(115) 사이의 전압이 도 3을 참조하여 설명한 제2 기준 전압 이하가 되면 차단 스위치(120)를 턴 온시켜 배터리(20)가 방전할 수 있도록 한다.
한편, 배터리 팩(10b)의 배터리(20)를 안정적으로 충전시킬 수 있는 전용 충전기(300a)와 배터리 팩(10b)이 연결된 경우, 사용자는 설정부(200)가 제2 레벨 신호를 출력할 수 있도록 조작한다. 배터리 관리부(110)는 상기 제2 레벨 신호를 인가받고 상기 제2 충전 모드로 돌입한다. 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 전압이 상기 제1 기준 전압에 도달하여도 차단 스위치(120)를 턴 오프시키지 않는다. 배터리(20)의 전압이 상기 제1 기준 전압에 도달하면, 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 전압이 상기 제1 기준 전압에 도달하였음을 전용 충전기(300a)에 알릴 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 열화 정도에 따라 상기 제1 기준 전압의 크기를 보정할 수 있다. 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 전류/전압 정보를 얻어 배터리(20)의 열화 정도를 계산한다. 배터리(20)는 사용시간과 사용환경에 의해 열화가 진행되고, 열화가 진행된 배터리(20)는 출력 전압이나 충전량이 바뀌게 된다. 또한, 배터리(20)는 열화가 진행될수록 만충전되는 전압이 변하며, 배터리(20)의 내부 구성의 특성에 따라 전압이 상승하거나 하락하기도 한다. 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 열화 정도에 맞추어 적절한 상기 제1 기준 전압 값을 설정할 수 있다. 배터리 관리부(110)는 배터리(20)의 충방전 사이클 횟수나 충방전 용량을 누적 계산하여 배터리(20)의 열화 정도를 추정할 수 있다. 배터리 관리부(110)는 상기 제1 기준 전압값을 열화 정도에 따라 배터리(20)의 특성을 고려하여 상향 보정하거나 하향 보정할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
10: 배터리 팩
20: 배터리
23: 배터리 셀
110: 배터리 관리부
113: 제1 팩단자
115: 제2 팩단자
120: 차단 스위치
200: 설정부
300: 충전기
310: 납축 전용 충전기

Claims (11)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리;
    충전기와 연결되기 위한 제1 팩단자 및 제2 팩단자;
    상기 배터리와 상기 제1 팩단자 또는 상기 제2 팩단자 중 어느 한 팩 단자와 사이에 배치되는 차단 스위치; 및
    상기 배터리의 전압 및 전류를 모니터링하고, 과전압 및 과전류로부터 상기 배터리를 보호하기 위해 상기 차단 스위치를 제어하는 배터리 관리부;를 포함하고,
    상기 배터리 관리부는 사용자에 의해 설정되는 충전 모드에 따라 상기 배터리의 전압이 제1 기준 전압에 도달하면 상기 차단 스위치를 턴 오프하고 상기 제1 및 제2 팩 단자 사이의 전압을 모니터링하는 배터리 팩.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 충전 모드는 제1 충전 모드 또는 제2 충전 모드 중 하나이고,
    상기 배터리 관리부는,
    상기 충전 모드가 제1 충전 모드인 경우, 상기 배터리의 전압이 제1 기준 전압에 도달하면 상기 차단 스위치를 턴 오프하고 상기 제1 및 제2 팩 단자 사이의 전압을 모니터링하고,
    상기 충전 모드가 제2 충전 모드인 경우, 상기 배터리의 전압이 상기 제1 기준 전압에 도달하면 상기 제1 기준 전압에 도달을 상기 충전기에 알리는 배터리 팩.
  3. 제2 항에 있어서
    상기 사용자의 입력에 의해 충전 모드가 설정되어 모드 신호를 상기 배터리 관리부에 출력하는 설정부를 더 포함하고,
    상기 배터리 관리부는 상기 모드 신호를 기초하여 제1 충전 모드 또는 제2 충전 모드 중 하나의 충전 모드를 설정하는 배터리 팩.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 설정부는 사용자가 상기 제1 충전 모드 또는 상기 제2 충전 모드 중 택일하는 선택 스위치를 포함하는 배터리 팩.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 설정부는,
    상기 제1 및 제2 팩단자에 납축전지용 충전기가 연결되면 상기 제1 충전 모드로 설정되고,
    상기 제1 및 제2 팩단자에 리튬전지용 충전기가 연결되면 상기 제2 충전 모드로 설정하는 배터리 팩.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는,
    상기 제1 충전 모드에서 상기 제1 스위치가 턴 오프된 후,
    상기 제1 및 제2 팩 단자 사이의 전압이 미리 설정된 제2 기준 전압 이하가 되면 상기 제1 스위치를 턴 온시키고,
    상기 제2 기준전압은 상기 제1 기준 전압보다 낮은 배터리 팩.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는,
    상기 제1 충전 모드에서 상기 제1 스위치가 턴 오프된 후,
    상기 차단 스위치 양단에 걸리는 전압이 제2 기준 전압 이하가 되면 상기 제1 스위치를 턴 온시키고,
    상기 제2 기준 전압은 상기 제1 기준 전압보다 낮은 배터리 팩.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 충전기와 통신하는 통신부를 더 포함하고,
    상기 배터리 관리부는 상기 제2 충전 모드에서 상기 통신부를 이용하여 상기 배터리의 만충전 상태를 상기 충전기에 전송하는 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 차단 스위치는 상기 배터리의 충전 및 방전 전류를 단독으로 차단하는 배터리 팩.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 차단 스위치는 상기 배터리 관리부에 의해 제어되는 릴레이인 배터리 팩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기준 전압은 상기 배터리의 열화 정도에 따라 보정되는 배터리 팩.
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