KR20200020235A

KR20200020235A - 복수의 배터리 간의 직렬 연결 순서를 변경하기 위한 장치 및 방법과 상기 장치를 포함하는 배터리팩

Info

Publication number: KR20200020235A
Application number: KR1020180095689A
Authority: KR
Inventors: 김지일; 조수호
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2018-08-16
Filing date: 2018-08-16
Publication date: 2020-02-26
Also published as: KR102587974B1

Abstract

제1 내지 제N 배터리의 직렬 연결 순서를 변경하기 위한 장치 및 방법과 상기 장치를 포함하는 배터리팩이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 장치는, 제1 내지 제N 직렬 스위치를 포함하는 제1 스위칭 회로; 제1 내지 제N 양극 선택 스위치를 포함하는 제2 스위칭 회로; 및 제1 내지 제N 음극 선택 스위치를 포함하는 제3 스위칭 회로를 포함한다. i가 2 이상이면서 N 이하인 자연수라고 할 때, 상기 제i 직렬 스위치는, 상기 제(i-1) 배터리의 음극 단자와 상기 제i 배터리의 양극 단자 사이에 연결된다. 또한, 상기 제i 양극 선택 스위치는, 상기 제i 배터리의 양극 단자와 제1 전원 단자 사이에 연결된다. 또한, 상기 제i 음극 선택 스위치는, 상기 제(i-1) 배터리의 음극 단자와 제2 전원 단자 사이에 연결된다. 상기 제1 직렬 스위치는, 상기 제1 배터리의 양극 단자와 상기 제N 배터리의 음극 단자 사이에 연결된다. 상기 제1 음극 선택 스위치는, 상기 제N 배터리의 음극 단자와 상기 제2 전원 사이에 연결된다.

Description

복수의 배터리 간의 직렬 연결 순서를 변경하기 위한 장치 및 방법과 상기 장치를 포함하는 배터리팩{Apparatus and method for changing the serial connection order among a plurality of batteries and battery pack including the apparatus}

본 발명은 복수의 배터리 간의 직렬 연결 순서를 변경하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

전기 자동차 등과 같이 고전압이 요구되는 전자 기기에 탑재되는 배터리팩은, 서로 전기적으로 직렬 연결되는 복수의 배터리를 포함하는 것이 일반적이다. 그런데, 배터리팩 내부의 환경은 복수의 배터리 모두에게 균일한 것이 아니다. 특히, 충방전 시, 배터리팩의 플러스 단자 및 마이너스 단자에 가까이에 전기적으로 연결된 배터리는 다른 배터리에 비하여 전하의 이동이 빈번하게 일어나는바, 복수의 배터리 간의 열화 정도가 달라진다.

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 복수의 배터리 간의 직렬 연결 순서를 변경하는 장치 및 방법과 상기 장치를 포함하는 배터리팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다양한 실시예는 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따른 장치는, 제1 내지 제N 배터리의 직렬 연결 순서를 변경하도록 제공된다. 상기 장치는, 제1 내지 제N 직렬 스위치를 포함하는 제1 스위칭 회로; 제1 내지 제N 양극 선택 스위치를 포함하는 제2 스위칭 회로; 및 제1 내지 제N 음극 선택 스위치를 포함하는 제3 스위칭 회로를 포함한다. i가 2 이상이면서 N 이하인 자연수라고 할 때, 상기 제i 직렬 스위치는, 상기 제(i-1) 배터리의 음극 단자와 상기 제i 배터리의 양극 단자 사이에 연결된다. 또한, 상기 제i 양극 선택 스위치는, 상기 제i 배터리의 양극 단자와 제1 전원 단자 사이에 연결된다. 또한, 상기 제i 음극 선택 스위치는, 상기 제(i-1) 배터리의 음극 단자와 제2 전원 단자 사이에 연결된다. 상기 제1 직렬 스위치는, 상기 제1 배터리의 양극 단자와 상기 제N 배터리의 음극 단자 사이에 연결된다. 상기 제1 양극 선택 스위치는, 상기 제1 배터리의 양극 단자와 상기 제1 전원 단자 사이에 연결된다. 상기 제1 음극 선택 스위치는, 상기 제N 배터리의 음극 단자와 상기 제2 전원 사이에 연결된다.

상기 장치는, 상기 제1 내지 제N 직렬 스위치, 상기 제1 내지 제N 양극 선택 스위치 및 상기 제1 내지 제N 음극 선택 스위치에 동작 가능하게 결합된 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 제1 내지 제N 직렬 스위치 중 어느 하나인 제k 직렬 스위치가 오프 상태로 제어되는 동안, 나머지 직렬 스위치 모두를 온 상태로 제어하도록 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제k 직렬 스위치가 오프 상태로 제어되는 동안, 상기 제k 양극 선택 스위치를 온 상태로 제어하고, 나머지 양극 선택 스위치를 오프 상태로 제어하도록 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제k 직렬 스위치가 오프 상태로 제어되는 동안, 상기 제k 음극 선택 스위치를 온 상태로 제어하고, 나머지 음극 선택 스위치를 오프 상태로 제어하도록 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 카운팅 인덱스를 기초로, 상기 제k 직렬 스위치를 오프 상태로 제어할 대상으로 선택할 수 있다.

상기 제어부는, 소정 기간이 경과할 때마다 상기 카운팅 인덱스를 업데이트하도록 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 배터리팩의 전류 적산량이 제1 임계값만큼 증가할 때마다 상기 카운팅 인덱스를 업데이트하도록 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제1 내지 제N 배터리의 최대 SOC와 최소 SOC 간의 차이가 제2 임계값 이상이 될 때마다 상기 카운팅 인덱스를 업데이트하도록 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제1 내지 제N 배터리의 최대 SOH와 최소 SOH 간의 차이가 제3 임계값 이상이 될 때마다 상기 카운팅 인덱스를 업데이트하도록 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제1 내지 제N 배터리의 최대 온도와 최소 온도 간의 차이가 제4 임계값 이상이 될 때마다 상기 카운팅 인덱스를 업데이트하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리팩은, 상기 장치를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방법은, 제1 내지 제N 직렬 스위치; 제1 내지 제N 양극 선택 스위치; 및 제1 내지 제N 음극 선택 스위치를 이용하여, 제1 내지 제N 배터리의 직렬 연결 순서를 변경하기 위해 제공된다. 상기 방법은, 제어부가 상기 제1 내지 제N 직렬 스위치 중 어느 하나인 제k 직렬 스위치를 오프 상태로 제어하는 단계; 상기 제k 직렬 스위치가 오프 상태로 제어되는 동안, 상기 제어부가 상기 제k 양극 선택 스위치를 온 상태로 제어하고, 나머지 양극 선택 스위치를 오프 상태로 제어하는 단계; 및 상기 제k 직렬 스위치가 오프 상태로 제어되는 동안, 상기 제어부가 상기 제k 음극 선택 스위치를 온 상태로 제어하고, 나머지 음극 선택 스위치를 오프 상태로 제어하는 단계를 포함한다. i가 2 이상이면서 N 이하인 자연수라고 할 때, 상기 제i 직렬 스위치는, 상기 제(i-1) 배터리의 음극 단자와 상기 제i 배터리의 양극 단자 사이에 연결된다. 또한, 상기 제i 양극 선택 스위치는, 상기 제i 배터리의 양극 단자와 제1 전원 단자 사이에 연결된다. 또한, 상기 제i 음극 선택 스위치는, 상기 제(i-1) 배터리의 음극 단자와 제2 전원 단자 사이에 연결된다. 또한, 상기 제1 직렬 스위치는, 상기 제1 배터리의 양극 단자와 상기 제N 배터리의 음극 단자 사이에 연결된다. 상기 제1 양극 선택 스위치는, 상기 제1 배터리의 양극 단자와 상기 제1 전원 단자 사이에 연결된다. 상기 제1 음극 선택 스위치는, 상기 제N 배터리의 음극 단자와 상기 제2 전원 사이에 연결된다.

본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 복수의 배터리 간의 직렬 연결 순서를 변경함으로써, 충방전이 반복되더라도 특정 배터리가 나머지 배터리보다 빠르게 열화되는 상황을 방지할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 배터리의 직렬 연결 순서를 변경하기 위한 장치를 포함하는 배터리팩의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 장치가 복수의 배터리의 직렬 연결 순서를 변경하는 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 5 내지 도 7은 도 1에 도시된 장치가 복수의 배터리 중에서 비정상인 배터리를 나머지 배터리로부터 전기적으로 제거하는 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 배터리의 직렬 연결 순서를 변경하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 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.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 배터리의 직렬 연결 순서를 변경하기 위한 장치(100)를 포함하는 배터리팩(10)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 배터리팩(10)은, 배터리 어레이(20), 제1 전원 단자(P+), 제2 전원 단자(P-) 및 장치(100)를 포함한다.

배터리 어레이(20)는, 제1 내지 제N 배터리(30_1~30_N)를 포함한다. 제1 내지 제N 배터리(30_1~30_N) 각각은, 재충전 가능한 적어도 하나의 단위 셀을 포함한다. 본 명세서에 참조부호로 사용된 기호 N은, 2 이상의 자연수이다. 단위 셀은, 예컨대 리튬 이온 셀일 수 있다. 물론, 단위 셀의 종류가 리튬 이온 셀에 한정되는 것은 아니며, 반복적인 충방전이 가능한 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 배터리 어레이(20)는, 제1 내지 제N 배터리 관리 시스템(31_1~31_N)을 더 포함할 수 있다. 제1 내지 제N 배터리 관리 시스템(31_1~31_N)은, 제1 내지 제N 배터리(30_1~30_N)에 각각 전기적으로 연결되어, 제1 내지 제N 배터리(30_1~30_N)의 정보(예, 전압, 전류, 온도)를 수집하고, 수집된 정보를 제어부(200)에게 전송할 수 있다.

장치(100)는, 제1 내지 제N 배터리(30_1~30_N)가 제1 전원 단자(P+)와 제2 전원 단자(P-) 사이에서 직렬 연결되는 순서를 변경하도록 구성된다. 장치(100)는, 제1 스위칭 회로(110), 제2 스위칭 회로(120) 및 제3 스위칭 회로(130)를 포함한다. 장치(100)는, 선택적으로 제어부(200)를 더 포함할 수 있다.

제1 스위칭 회로(110)는, 제1 내지 제N 직렬 스위치(S1_1~S1_N)를 포함한다. 제1 직렬 스위치(S1_1)는, 제1 배터리(30_1)의 양극 단자와 제N 배터리(30_N)의 음극 단자 사이에 연결된다. 이하에서, i가 2 이상이면서 N 이하인 자연수라고 해보자. 그러면, 제i 직렬 스위치(S1_i)는, 제(i-1) 배터리(30_i-1)의 음극 단자와 제i 배터리(30_i)의 양극 단자 사이에 연결된다. 일 예로, i = 2인 경우, 제2 직렬 스위치(S1_2)는, 제1 배터리(30_1)의 음극 단자와 제2 배터리(30_2)의 양극 단자 사이에 연결된다. 다른 예로, i = N인 경우, 제N 직렬 스위치(S1_N)는, 제(N-1) 배터리(30_N-1)의 음극 단자와 제N 배터리(30_N)의 양극 단자 사이에 연결된다.

제2 스위칭 회로(120)는, 제1 내지 제N 양극 선택 스위치(S2_1~S2_N)를 포함한다. 제1 양극 선택 스위치(S2_1)는, 제1 배터리(30_1)의 양극 단자와 제1 전원 단자(P+) 사이에 연결된다. 제i 양극 선택 스위치(S2_i)는, 제i 배터리(30_i)의 양극 단자와 제1 전원 단자(P+) 사이에 연결된다. 일 예로, i = 3인 경우, 제3 양극 선택 스위치(S2_3)는, 제3 배터리(30_3)의 양극 단자와 제1 전원 단자(P+) 사이에 연결된다.

제3 스위칭 회로(130)는, 제1 내지 제N 음극 선택 스위치(S3_1~S3_N)를 포함한다. 제1 음극 선택 스위치(S3_1)는, 제N 배터리(30_N)의 음극 단자와 제2 전원 단자(P-) 사이에 연결된다. 제i 음극 선택 스위치(S3_i)는, 제(i-1) 배터리(30_i-1)의 음극 단자와 제2 전원 단자(P-) 사이에 연결된다. 일 예로, i = 2인 경우, 제2 음극 선택 스위치(S3_2)는, 제1 배터리(30_1)의 음극 단자와 제2 전원 단자(P-) 사이에 연결된다.

제1 직렬 스위치(S1_1)의 일단은, 제1 양극 선택 스위치(S2_1)의 일단에 연결된다. 제1 직렬 스위치(S1_1)의 타단은, 제1 음극 선택 스위치(S3_1)의 일단에 연결된다. 제1 양극 선택 스위치(S2_1)의 타단은, 제1 전원 단자(P+)에 연결된다. 제1 음극 선택 스위치(S3_1)의 타단은, 제2 전원 단자(P-)에 연결된다.

제i 직렬 스위치(S1_i)의 일단은, 제i 양극 선택 스위치(S2_i)의 일단에 연결된다. 제i 직렬 스위치(S1_i)의 타단은, 제i 음극 선택 스위치(S3_i)의 일단에 연결된다. 제i 양극 선택 스위치(S2_i)의 타단은, 제1 전원 단자(P+)에 연결된다. 제i 음극 선택 스위치(S3_i)의 타단은, 제2 전원 단자(P-)에 연결된다.

제1 내지 제N 직렬 스위치(S1_1~S1_N), 제1 내지 제N 양극 선택 스위치(S2_1~S2_N) 및 제1 내지 제N 음극 선택 스위치(S3_1~S3_N)는, 사용자가 수동으로 온오프시킬 수 있는 토글 스위치일 수 있다.

대안적으로, 제1 내지 제N 직렬 스위치(S1_1~S1_N), 제1 내지 제N 양극 선택 스위치(S2_1~S2_N) 및 제1 내지 제N 음극 선택 스위치(S3_1~S3_N)는, 전기 신호(예, 5V의 하이 레벨 전압)에 응답하여 온 상태로부터 오프 상태로 또는 오프 상태로부터 온 상태로 제어 가능한 전자 스위치(예, 전계 효과 트랜지스터)일 수 있다.

물론, 제1 내지 제N 직렬 스위치(S1_1~S1_N), 제1 내지 제N 양극 선택 스위치(S2_1~S2_N) 및 제1 내지 제N 음극 선택 스위치(S3_1~S3_N) 중 적어도 하나는, 적어도 하나의 토글 스위치와 적어도 하나의 전자 스위치가 직렬 연결된 형태로서 제공될 수도 있다.

제어부(200)는, 하드웨어적으로 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 포함하도록 구현될 수 있다. 또한, 제어부(200)에는 메모리 디바이스가 내장될 수 있으며, 메모리 디바이스로는 예컨대 RAM, ROM, 레지스터, 하드디스크, 광기록 매체 또는 자기기록 매체가 이용될 수 있다. 메모리 디바이스는, 제어부(200)에 의해 실행되는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 상기 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터를 저장, 갱신 및/또는 소거할 수 있다.

제어부(200)는, 제1 내지 제N 직렬 스위치(S1_1~S1_N), 제1 내지 제N 양극 선택 스위치(S2_1~S2_N) 및 제1 내지 제N 음극 선택 스위치(S3_1~S3_N)에 동작 가능하게 결합되고, 이들 각각을 선택적으로 온오프시키도록 구성된다.

제어부(200)는, 제1 내지 제N 직렬 스위치(S1_1~S1_N) 중 어느 하나인 제k 직렬 스위치(S1_k)를 오프 상태로 제어할 대상으로 선택할 수 있다.

제어부(200)는, 제k 직렬 스위치(S1_k)를 오프시킬 경우, 나머지 직렬 스위치를 모두 온시키도록 구성된다. 일 예로, 제1 직렬 스위치(S1_1)가 오프 상태를 가지는 동안, 제2 내지 제N 직렬 스위치(S1_2~S1_N)는 온 상태를 가진다. 다른 예로, 제2 직렬 스위치(S1_2)가 오프 상태를 가지는 동안, 제1 및 제3 내지 제N 직렬 스위치(S1_1, S1_3~S1_N)는 온 상태를 가진다.

제어부(200)는, 제1 내지 제N 양극 선택 스위치(S2_1~S2_N) 중 어느 하나인 제k 양극 선택 스위치(S2_k)를 온시킬 경우, 나머지 양극 선택 스위치를 모두 오프시키도록 구성된다. 예를 들어, 제1 양극 선택 스위치(S2_1)가 온 상태를 가지는 동안, 제2 내지 제N 양극 선택 스위치(S2_2~S2_N)는 오프 상태를 가진다. 다른 예로, 제(N-1) 양극 선택 스위치(S2_N-1)가 온 상태를 가지는 동안, 제1 내지 제(N-2) 및 제N 양극 선택 스위치(S2_1~S2_N-2, S2_N)는 오프 상태를 가진다.

제어부(200)는, 제1 내지 제N 음극 선택 스위치(S3_1~S3_N) 중 어느 하나인 제k 음극 선택 스위치(S3_k)를 온시킬 경우, 나머지 음극 선택 스위치를 모두 오프시키도록 구성된다. 예를 들어, 제1 음극 선택 스위치(S3_1)가 온 상태를 가지는 동안, 제2 내지 제N 음극 선택 스위치(S3_2~S3_N)는 오프 상태를 가진다. 다른 예로, 제(N-1) 음극 선택 스위치(S3_N-1)가 온 상태를 가지는 동안, 제1 내지 제(N-2) 및 제N 음극 선택 스위치(S3_1~S3_N-2, S3_N)는 오프 상태를 가진다.

제어부(200)는, 제k 양극 선택 스위치(S2_k) 및 제k 음극 선택 스위치(S3_k)를 제k 직렬 스위치(S1_k)와 반대로 제어하도록 구성된다. 구체적으로, 제어부(200)는, 제k 직렬 스위치(S1_k)가 온 상태로 제어되는 동안, 제k 양극 선택 스위치(S2_k) 및 제k 음극 선택 스위치(S3_k)를 오프시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 직렬 스위치(S1_2)가 온 상태로 제어되는 동안, 제2 양극 선택 스위치(S2_2) 및 제2 음극 선택 스위치(S3_2)는 오프될 수 있다. 반대로, 제어부(200)는, 제k 직렬 스위치(S1_k)가 오프 상태로 제어되는 동안, 제k 양극 선택 스위치(S2_k) 및 제k 음극 선택 스위치(S3_k)는 온될 수 있다. 예를 들어, 제N 직렬 스위치(S1_N)가 오프 상태로 제어되는 동안, 제N 양극 선택 스위치(S2_N) 및 제N 음극 선택 스위치(S3_N)는 온될 수 있다.

제어부(200)는, 카운팅 인덱스를 기초로, 제1 내지 제N 직렬 스위치(S1_1~S1_N)로부터 제k 직렬 스위치(S1_k)를 오프 상태로 제어할 대상으로 선택할 수 있다. 카운팅 인덱스는, 제어부(200)의 메모리 디바이스에 저장된 데이터(예, 이진수)일 수 있다. 가령, N = 8이고, 카운팅 인덱스의 초기값은 "000"이라고 해보자. 그러면, 제어부(200)는, 카운팅 인덱스가 "000"이면, 제1 직렬 스위치(S1_1)를 오프시킬 수 있다. 제어부(200)는, 카운팅 인덱스가 "001"이면, 제2 직렬 스위치(S1_2)를 오프시킬 수 있다. 제어부(200)는, 카운팅 인덱스가 "010"이면, 제3 직렬 스위치(S1_3)를 오프시킬 수 있다. 제어부(200)는, 카운팅 인덱스가 "011"이면, 제4 직렬 스위치(S1_4)를 오프시킬 수 있다. 제어부(200)는, 카운팅 인덱스가 "100"이면, 제5 직렬 스위치(S1_5)를 오프시킬 수 있다. 제어부(200)는, 카운팅 인덱스가 "101"이면, 제6 직렬 스위치(S1_6)를 오프시킬 수 있다. 제어부(200)는, 카운팅 인덱스가 "110"이면, 제7 직렬 스위치(S1_7)를 오프시킬 수 있다. 제어부(200)는, 카운팅 인덱스가 "111"이면, 제8 직렬 스위치(S1_8)를 오프시킬 수 있다. 카운팅 인덱스가 "111"인 때에 상기 미리 정해진 조건이 만족되면, 카운팅 인덱스가 "000"으로 초기화될 수 있다.

제어부(200)는, 미리 정해진 하나 또는 둘 이상의 조건이 만족될 때마다 카운팅 인덱스를 업데이트하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어부(200)는, 미리 정해진 하나 또는 둘 이상의 조건이 만족될 때마다 카운팅 인덱스를 1씩 증가 또는 감소시킬 수 있다.

카운팅 인덱스가 업데이트되도록 미리 정해진 조건은 다음과 같을 수 있다.

(i) 카운팅 인덱스가 마지막으로 업데이트된 시점으로부터 소정 기간이 경과할 것

(ii) 배터리팩(10)을 통해 흐르는 전류의 적산량이 제1 임계값(예, 1000Ah)만큼 증가할 것

(iii) 제1 내지 제N 배터리(30_1~30_N)의 최대 SOC(State Of Charge)와 최소 SOC 간의 차이가 제2 임계값(예, 3%) 이상이 될 것

(iv) 제1 내지 제N 배터리(30_1~30_N)의 최대 SOH(State Of Health)와 최소 SOH 간의 차이가 제3 임계값(예, 4%) 이상이 될 것

(v) 제1 내지 제N 배터리(30_1~30_N)의 최대 온도와 최소 온도 간의 차이가 제4 임계값(예, 5도) 이상이 될 것

제어부(200)는, 위 조건들 (i), (ii), (iii), (iv), (v) 중 어느 하나 또는 둘 이상이 만족될 때마다, 카운팅 인덱스를 업데이트할 수 있다. 이를 위해, 제어부(200)는, 제1 내지 제N 배터리 관리 시스템(31_1~31_N)에 의해 전송된 제1 내지 제N 배터리(30_1~30_N)의 정보(예, 전압, 전류, 온도)를 기초로, 제1 내지 제N 배터리(30_1~30_N) 각각의 SOC, SOH 및 온도를 결정할 수 있다.

도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 장치(100)가 복수의 배터리의 직렬 연결 순서를 변경하는 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.

도 2는, 제1 직렬 스위치(S1_1)가 오프 상태로 제어할 대상으로 선택된 경우의 제1 내지 제N 배터리(30_1~30_N)의 직렬 연결 순서를 단순화하여 나타낸 도면이다. 도 2에서는, 설명의 편의를 위해, 오프된 스위치는 미도시하였다.

전술한 바와 같이, 제1 직렬 스위치(S1_1)가 오프된 경우, (i) 제2 내지 제N 직렬 스위치(S1_2~S1_N)는 온되고, (ii) 제1 양극 선택 스위치(S2_1)는 온되고, (iii) 제2 내지 제N 양극 선택 스위치(S2_2~S2_N)는 오프되고, (iv) 제1 음극 선택 스위치(S3_1)는 온되고, (v) 제2 내지 제N 음극 선택 스위치(S3_2~S3_N)는 오프된다. 이에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제N 배터리(30_1~30_N)는, 제1 양극 선택 스위치(S2_1), 제2 내지 제N 직렬 스위치(S1_2~S1_N) 및 제1 음극 선택 스위치(S3_1)를 통해 제1 전원 단자(P+)와 제2 전원 단자(P-) 사이에 순차적으로 직렬 연결된다.

도 3은, 제2 직렬 스위치(S1_2)가 오프 상태로 제어할 대상으로 선택된 경우의 제1 내지 제N 배터리(30_1~30_N)의 직렬 연결 순서를 단순화하여 나타낸 도면이다. 도 3에서는, 설명의 편의를 위해, 오프된 스위치는 미도시하였다.

전술한 바와 같이, 제2 직렬 스위치(S1_2)가 오프된 경우, (i) 제1 직렬 스위치(S1_1) 및 제3 내지 제N 직렬 스위치(S1_3~S1_N)는 온되고, (ii) 제2 양극 선택 스위치(S2_2)는 온되고, (iii) 제1 양극 선택 스위치(S2_1) 및 제3 내지 제N 양극 선택 스위치(S2_3~S2_N)는 오프되고, (iv) 제2 음극 선택 스위치(S3_2)는 온되고, (v) 제1 음극 선택 스위치(S3_1) 및 제3 내지 제N 음극 선택 스위치(S3_3~S3_N)는 오프된다. 이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 내지 제N 배터리(30_2~30-N) 및 제1 배터리(30_1)는, 제2 양극 선택 스위치(S2_2), 제3 내지 제N 직렬 스위치(S1_3~S1_N), 제1 직렬 스위치(S1_1) 및 제2 음극 선택 스위치(S3_2)를 통해 제1 전원 단자(P+)와 제2 전원 단자(P-) 사이에 순차적으로 직렬 연결된다.

도 4는, 제N 직렬 스위치(S1_N)가 오프 상태로 제어할 대상으로 선택된 경우의 제1 내지 제N 배터리(30_1~30_N)의 직렬 연결 순서를 단순화하여 나타낸 도면이다. 도 4에서는, 설명의 편의를 위해, 오프된 스위치는 미도시하였다.

전술한 바와 같이, 제N 직렬 스위치(S1_N)가 오프된 경우, (i) 제1 내지 제(N-1) 직렬 스위치(S1_1~S1_N-1)는 온되고, (ii) 제N 양극 선택 스위치(S2_N)는 온되고, (iii) 제1 내지 제(N-1) 양극 선택 스위치(S2_1~S2_N-1)는 오프되고, (iv) 제N 음극 선택 스위치(S3_N)는 온되고, (v) 제1 내지 제(N-1) 음극 선택 스위치(S3_1~S3_N-1)는 오프된다. 이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 제N 배터리(30_N) 및 제1 내지 제(N-1) 배터리(30_1~30-N-1)는, 제N 양극 선택 스위치(S2_N), 제1 내지 제(N-1) 직렬 스위치(S1_1~S1_N-1) 및 제N 음극 선택 스위치(S3_N)를 통해 제1 전원 단자(P+)와 제2 전원 단자(P-) 사이에 순차적으로 직렬 연결된다.

한편, 도 1 내지 도 4를 참조하여 전술한 실시예는, 제1 내지 제N 배터리(30_1~30_N) 모두가 정상인 경우를 상정한 것이다. 그러나, 제1 내지 제N 배터리(30_1~30_N) 중 일부는 일시적 또는 영구적으로 비정상(예, 과충전, 과방전, 과열, 내부 저항의 증가 등)으로 될 수 있다. 따라서, 비정상인 일부 배터리를 정상인 나머지 배터리로부터 전기적으로 제거할 필요가 있는바, 도 5 및 도 6을 참조하여 지금부터 설명하도록 한다.

도 5 내지 도 7은 도 1에 도시된 장치(100)가 복수의 배터리 중에서 비정상인 배터리를 나머지 배터리로부터 전기적으로 제거하는 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.

도 5는, 제1 배터리(30_1)가 비정상이고 제2 내지 제N 배터리(30_2~30_N)는 정상인 경우의 배터리팩(10)을 보여준다. 제어부(200)는, 제1 및 제2 직렬 스위치(S1_1, S1_2) 중 적어도 하나를 오프시키고, 제3 내지 제N 직렬 스위치(S1_3~S1_N)를 온시킨다. 또한, 제어부(200)는, 제2 양극 선택 스위치(S2_2)를 온시키고, 제1 양극 선택 스위치(S2_1) 및 제3 내지 제N 양극 선택 스위치(S2_3~S2_N)는 오프시킨다. 또한, 제어부(200)는, 제1 음극 선택 스위치(S3_1)를 온시키고, 제2 내지 제N 음극 선택 스위치(S3_2~S3_N)는 오프시킨다. 이에 따라, 정상인 제2 내지 제N 배터리(30_2~30_N)는, 제2 양극 선택 스위치(S2_2), 제3 내지 제N 직렬 스위치(S1_3~S1_N) 및 제1 음극 선택 스위치(S3_1)를 통해 제1 전원 단자(P+)와 제2 전원 단자(P-) 사이에 순차적으로 직렬 연결된다.

도 6은, 제2 배터리(30_2)가 비정상이고 나머지 배터리(30_1, 30_3~30_N)는 정상인 경우의 배터리팩(10)을 보여준다. 제어부(200)는, 제2 및 제3 직렬 스위치(S1_2, S1_3) 중 적어도 하나를 오프시키고, 제1 직렬 스위치(S1_1) 및 제4 내지 제N 직렬 스위치(S1_4~S1_N)를 온시킨다. 또한, 제어부(200)는, 제3 양극 선택 위치(S2_3)를 온시키고, 제1 양극 선택 스위치(S2_1), 제2 양극 선택 스위치(S2_2) 및 제4 내지 제N 양극 선택 스위치(S2_4~S2_N)는 오프시킨다. 또한, 제어부(200)는, 제2 음극 선택 스위치(S3_2)를 온시키고, 제1 음극 선택 스위치(S3_1) 및 제3 내지 제N 음극 선택 스위치(S3_3~S3_N)는 오프시킨다. 이에 따라, 정상인 제3 내지 제N 배터리(30_3~30_N) 및 제1 배터리(30_1)는, 제3 양극 선택 스위치(S2_3), 제3 내지 제N 직렬 스위치(S1_3~S1_N), 제1 직렬 스위치(S1_1) 및 제2 음극 선택 스위치(S3_2)를 통해 제 제1 전원 단자(P+)와 제2 전원 단자(P-) 사이에서 순차적으로 직렬 연결된다.

k = 2 ~ (N-1)이라고 할 때, 제k 배터리(30_k)가 비정상이고 나머지 배터리는 정상일 수 있다. 이 경우, 제어부(200)는, 제k 및 제(k+1) 직렬 스위치(S1_k, S1_k+1) 중 적어도 하나를 오프시키고, 제1 내지 제(k-1) 직렬 스위치(S1_1~S1_k-1) 및 제(k+2) 내지 제N 직렬 스위치(S1_k+2~S1_N)를 온시킨다. 또한, 제어부(200)는, 제(k+1) 양극 선택 스위치(S2_k+1)를 온시키고, 제1 내지 제k 양극 선택 스위치(S1_1~S2_k) 및 제(k+2) 내지 제N 양극 선택 스위치(S1_k+2~S2_N)는 오프시킨다. 또한, 제어부(200)는, 제k 음극 선택 스위치(S3_k)를 온시키고, 제1 내지 제(k-1) 음극 선택 스위치(S3_1~S3_k-1) 및 제(k+1) 내지 제N 음극 선택 스위치(S3_k+1~S3_N)는 오프시킨다. 이에 따라, 정상인 제(k+1) 내지 제N 배터리(30_k+1~30_N) 및 제1 내지 제(k-1) 배터리(30_1~30_k+1)는, 제1 전원 단자(P+)와 제2 전원 단자(P-) 사이에서 순차적으로 직렬 연결된다.

도 7은, 제N 배터리(30_N)가 비정상이고 나머지 배터리(30_1~30_N-1)는 정상인 경우의 배터리팩(10)을 보여준다. 이 경우, 제어부(200)는, 제1 및 제N 직렬 스위치(S1_1, S1_N) 중 적어도 하나를 오프시키고, 제2 내지 제(N-1) 직렬 스위치(S1_2~S1_N-1)를 온시킨다. 또한, 제어부(200)는, 제1 양극 선택 위치(S2_1)를 온시키고, 제2 내지 제N 양극 선택 스위치(S2_2~S2_N)는 오프시킨다. 또한, 제어부(200)는, 제N 음극 선택 스위치(S3_N)를 온시키고, 제1 내지 제(N-1) 음극 선택 스위치(S3_1~S3_N-1)는 오프시킨다. 이에 따라, 정상인 제1 내지 제(N-1) 배터리(30_1~30_N-1)는, 제1 양극 선택 스위치(S2_1), 제2 내지 제(N-1) 직렬 스위치(S1_2~S1_N-1) 및 제N 음극 선택 스위치(S3_N)를 통해 제1 전원 단자(P+)와 제2 전원 단자(P-) 사이에서 순차적으로 직렬 연결된다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 배터리의 직렬 연결 순서를 변경하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.

도 1 내지 도 4 및 도 8을 참조하면, 단계 810에서, 제어부(200)는, 제1 내지 제N 직렬 스위치(S1_1~S1_N) 중 어느 하나인 제k 직렬 스위치(S1_k)를 오프 상태로 제어한다. 제어부(200)는, 카운팅 인덱스를 기초로, 제k 직렬 스위치(S1_k)를

단계 820에서, 제어부(200)는, 제k 직렬 스위치(S1_k)가 오프 상태로 제어되는 동안, 제k 양극 선택 스위치(S2_k)를 온 상태로 제어하고, 나머지 양극 선택 스위치를 오프 상태로 제어한다.

단계 830에서, 제어부(200)는, 제k 직렬 스위치(S1_k)가 오프 상태로 제어되는 동안, 제k 음극 선택 스위치(S3_k)를 온 상태로 제어하고, 나머지 음극 선택 스위치를 오프 상태로 제어한다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.

10: 배터리팩
20: 배터리 어레이
30: 배터리
100: 장치
110: 제1 스위칭 회로
S1: 직렬 스위치
120: 제2 스위칭 회로
S2: 양극 선택 스위치
130: 제3 스위칭 회로
S3: 음극 선택 스위치
200: 제어부

Claims

제1 내지 제N 배터리의 직렬 연결 순서를 변경하기 위한 장치에 있어서,
제1 내지 제N 직렬 스위치를 포함하는 제1 스위칭 회로;
제1 내지 제N 양극 선택 스위치를 포함하는 제2 스위칭 회로; 및
제1 내지 제N 음극 선택 스위치를 포함하는 제3 스위칭 회로를 포함하고,
i가 2 이상이면서 N 이하인 자연수라고 할 때,
상기 제i 직렬 스위치는, 상기 제(i-1) 배터리의 음극 단자와 상기 제i 배터리의 양극 단자 사이에 연결되고,
상기 제i 양극 선택 스위치는, 상기 제i 배터리의 양극 단자와 제1 전원 단자 사이에 연결되고,
상기 제i 음극 선택 스위치는, 상기 제(i-1) 배터리의 음극 단자와 제2 전원 단자 사이에 연결되고,
상기 제1 직렬 스위치는, 상기 제1 배터리의 양극 단자와 상기 제N 배터리의 음극 단자 사이에 연결되고,
상기 제1 양극 선택 스위치는, 상기 제1 배터리의 양극 단자와 상기 제1 전원 단자 사이에 연결되고,
상기 제1 음극 선택 스위치는, 상기 제N 배터리의 음극 단자와 상기 제2 전원 사이에 연결되는, 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 내지 제N 직렬 스위치, 상기 제1 내지 제N 양극 선택 스위치 및 상기 제1 내지 제N 음극 선택 스위치에 동작 가능하게 결합된 제어부를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 제1 내지 제N 직렬 스위치 중 어느 하나인 제k 직렬 스위치가 오프 상태로 제어되는 동안, 나머지 직렬 스위치 모두를 온 상태로 제어하도록 구성되는, 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제k 직렬 스위치가 오프 상태로 제어되는 동안, 상기 제k 양극 선택 스위치를 온 상태로 제어하고, 나머지 양극 선택 스위치를 오프 상태로 제어하도록 구성되는, 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제k 직렬 스위치가 오프 상태로 제어되는 동안, 상기 제k 음극 선택 스위치를 온 상태로 제어하고, 나머지 음극 선택 스위치를 오프 상태로 제어하도록 구성되는, 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
카운팅 인덱스를 기초로, 상기 제k 직렬 스위치를 오프 상태로 제어할 대상으로 선택하되,
소정 기간이 경과할 때마다 상기 카운팅 인덱스를 업데이트하도록 구성된, 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
카운팅 인덱스를 기초로, 상기 제k 직렬 스위치를 오프 상태로 제어할 대상으로 선택하되,
상기 배터리팩의 전류 적산량이 제1 임계값만큼 증가할 때마다 상기 카운팅 인덱스를 업데이트하도록 구성된, 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
카운팅 인덱스를 기초로, 상기 제k 직렬 스위치를 오프 상태로 제어할 대상으로 선택하되,
상기 제1 내지 제N 배터리의 최대 SOC와 최소 SOC 간의 차이가 제2 임계값 이상이 될 때마다 상기 카운팅 인덱스를 업데이트하도록 구성된, 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
카운팅 인덱스를 기초로, 상기 제k 직렬 스위치를 오프 상태로 제어할 대상으로 선택하되,
상기 제1 내지 제N 배터리의 최대 SOH와 최소 SOH 간의 차이가 제3 임계값 이상이 될 때마다 상기 카운팅 인덱스를 업데이트하도록 구성된, 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
카운팅 인덱스를 기초로, 상기 제k 직렬 스위치를 오프 상태로 제어할 대상으로 선택하되,
상기 제1 내지 제N 배터리의 최대 온도와 최소 온도 간의 차이가 제4 임계값 이상이 될 때마다 상기 카운팅 인덱스를 업데이트하도록 구성된, 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 상기 장치를 포함하는, 배터리팩.
제1 내지 제N 직렬 스위치; 제1 내지 제N 양극 선택 스위치; 및 제1 내지 제N 음극 선택 스위치를 이용하여, 제1 내지 제N 배터리의 직렬 연결 순서를 변경하기 위한 방법에 있어서,
제어부가 상기 제1 내지 제N 직렬 스위치 중 어느 하나인 제k 직렬 스위치를 오프 상태로 제어하는 단계;
상기 제k 직렬 스위치가 오프 상태로 제어되는 동안, 상기 제어부가 상기 제k 양극 선택 스위치를 온 상태로 제어하고, 나머지 양극 선택 스위치를 오프 상태로 제어하는 단계; 및
상기 제k 직렬 스위치가 오프 상태로 제어되는 동안, 상기 제어부가 상기 제k 음극 선택 스위치를 온 상태로 제어하고, 나머지 음극 선택 스위치를 오프 상태로 제어하는 단계를 포함하되,
i가 2 이상이면서 N 이하인 자연수라고 할 때,
상기 제i 직렬 스위치는, 상기 제(i-1) 배터리의 음극 단자와 상기 제i 배터리의 양극 단자 사이에 연결되고,
상기 제i 양극 선택 스위치는, 상기 제i 배터리의 양극 단자와 제1 전원 단자 사이에 연결되고,
상기 제i 음극 선택 스위치는, 상기 제(i-1) 배터리의 음극 단자와 제2 전원 단자 사이에 연결되고,
상기 제1 직렬 스위치는, 상기 제1 배터리의 양극 단자와 상기 제N 배터리의 음극 단자 사이에 연결되고,
상기 제1 양극 선택 스위치는, 상기 제1 배터리의 양극 단자와 상기 제1 전원 단자 사이에 연결되고,
상기 제1 음극 선택 스위치는, 상기 제N 배터리의 음극 단자와 상기 제2 전원 사이에 연결되는, 방법.