KR20210081825A - 병렬 연결 셀의 셀 스위칭 장치를 포함하는 배터리 팩 및 셀 스위칭 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 병렬 연결 셀의 셀 스위칭 장치를 포함하는 배터리 팩 및 셀 스위칭 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 병렬 연결된 배터리 셀들 중 병렬 연결선 오픈 또는 CID 동작에 의한 고장 셀이 발생하는 경우, 상기 고장 셀을 정상적인 교체용 셀로 교체해주는 셀 스위칭 장치를 포함하는 배터리 팩 및 셀 스위칭 방법에 관한 것이다.

Description

병렬 연결 셀의 셀 스위칭 장치를 포함하는 배터리 팩 및 셀 스위칭 방법{Battery pack and cell switching method comprising cell switching device of parallel connected cell}
본 발명은 병렬 연결 셀의 셀 스위칭 장치를 포함하는 배터리 팩 및 셀 스위칭 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 병렬로 연결된 셀들 중 연결 끊김이 발생한 특정 셀을 교체용 셀로 교체해주는 셀 스위칭 장치를 포함하는 배터리 팩 및 셀 스위칭 방법에 관한 것이다.
본 발명은 병렬 연결 셀의 셀 스위칭 장치를 포함하는 배터리 팩 및 셀 스위칭 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 병렬로 연결된 셀들 중 연결 끊김이 발생한 특정 셀을 교체용 셀로 교체해주는 셀 스위칭 장치를 포함하는 배터리 팩 및 셀 스위칭 충전이 불가능한 일차 배터리와는 달리, 충전이 가능한 이차 배터리는 스마트 폰, 노트북 컴퓨터, 태블릿 PC 등의 소형 첨단 전자기기 분야뿐만 아니라 전기 자전거, 전기 자동차, 에너지저장시스템(ESS)에 이르기까지 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
전기 자전거나 전기 자동차, 에너지저장시스템(ESS) 등과 같은 중대형 디바이스는 고출력, 대용량이 요구되기 때문에, 상기 이차 배터리를 중대형 디바이스에 적용할 경우 다수의 배터리셀들이 직/병렬 연결되어 서로 전기적으로 연결된 배터리 팩을 사용하게 된다.
일반적으로 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀은, 충전 시 안전성을 확보하기 위한 보호소자로서 셀 내부 압력이 증가하면 끊기는 동작을 하여 셀에 전류가 흐르지 못하게 하는 CID(current interruption device)를 구비하여, 배터리의 과충전을 안전하게 방지하도록 구성된다.
그러나, 배터리 셀들이 병렬 연결된 상태에서 특정 배터리 셀의 CID가 동작하게 되면 해당 고장 배터리 셀의 연결이 끊기게 되기 때문에, 상기 고장 배터리 셀과 병렬 연결된 상기 나머지 정상 배터리 셀들에 상기 고장 배터리 셀에 흐르던 전류에 의해 과전류가 흐르게 되어, 정상 배터리 셀들에 과부하가 걸리는 현상이 발생하게 된다. 또한, 상기와 같이 CID와 같은 보호소자의 동작뿐만 아니라 특정 배터리 셀의 병렬 연결선이 Open 되는 등의 원인에 의하여 병렬 연결된 배터리 셀들 중 특정 배터리 셀의 연결 끊김이 발생하는 경우에도 나머지 정상 배터리 셀들에 과전류가 흐르게 된다.
이와 같은 현상은 셀의 열화를 촉진시켜 배터리의 성능 및 수명을 감소시키는 결과를 초래하는 문제점이 있다.
(특허문헌 1) KR10-2018-0034138 A
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 다수의 배터리 셀들이 병렬 연결된 상태에서 특정 셀의 병렬 연결선이 Open 되거나 CID 동작에 의한 연결 끊김이 발생한 경우, 해당 셀을 교체용 셀로 교체해줄 수 있는 셀 스위칭 장치를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 다수 개의 배터리 셀들이 병렬로 배열되어 형성되는 셀 병렬 라인을 하나 이상 포함하는 배터리 팩은, 상기 셀 병렬 라인을 구성하는 배터리 셀들 중 제1 셀부터 순차적으로 인접한 소정 개수의 배터리 셀들을 병렬로 연결하여 구성되는 제1 셀 뱅크; 및 상기 셀 병렬 라인을 구성하는 배터리 셀들 중 상기 제1 셀 뱅크로 설정된 배터리 셀들을 제외한 나머지 셀들을 병렬로 연결하여 구성되는 제2 셀 뱅크; 를 포함하여 구성되며, 상기 제1 셀 뱅크와 제2 셀 뱅크는 전기적으로 분리되며, 상기 제2 셀 뱅크의 배터리 셀들 중, 상기 제1 셀 뱅크와 가장 인접한 위치의 배터리 셀을 교체용 셀로 설정하고, 상기 제1 셀 뱅크에서 고장 셀이 발생하는 경우, 상기 교체용 셀을 제2 셀 뱅크로부터 전기적으로 분리하고 제1 셀 뱅크로 병렬 연결하여 상기 고장 셀을 대체하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 셀 뱅크에서 발생하는 고장 셀을 교체용 셀로 교체하기 위한 스위칭 동작하는 스위치; 를 더 포함하여 구성되며, 상기 스위치는, 상기 제2 셀 뱅크의 교체용 셀과 제1 셀 뱅크의 배터리 셀들을 병렬로 연결하는 제1 병렬 연결 라인 상에 구비되어, 상기 교체용 셀과 제1 셀 뱅크 간의 연결 흐름을 제어하는 제1 스위치; 및 상기 제2 셀 뱅크의 교체용 셀과 그 나머지 셀들을 병렬로 연결하는 제2 병렬 연결 라인 상에 구비되어, 상기 교체용 셀과 그 나머지 셀들 간의 연결 흐름을 제어하는 제2 스위치; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 셀 뱅크에서 병렬 연결선 오픈 또는 CID 동작에 의한 고장 셀의 발생 여부에 따라, 상기 제1 및 제2 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 제어부; 를 더 포함하여 구성된다.
상기 제어부는, 상기 제1 셀 뱅크에서 고장 셀이 발생하지 않은 정상적인 상태인 경우, 상기 제1 스위치를 오프(Off) 시키고, 제2 스위치는 온(On) 시켜, 상기 교체용 셀을 제1 셀 뱅크의 배터리 셀들과의 연결은 차단하고, 제2 셀 뱅크의 나머지 배터리 셀들과 연결하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 제어부는, 상기 제1 셀 뱅크에서 고장 셀이 발생하면, 상기 제1 스위치를 온(On) 시키고, 제2 스위치는 오프(Off) 시켜, 상기 교체용 셀을 제2 셀 뱅크로부터 분리 시키면서 상기 제1 셀 뱅크의 배터리 셀들에 연결하여, 상기 고장 셀을 교체용 셀로 교체하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 제1 셀 뱅크는 배터리 팩이 장착되는 디바이스에 대한 주 전력 공급원으로 동작하며, 상기 제2 셀 뱅크는 상기 디바이스에 대한 보조 전력 공급원으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 셀 스위치 방법은, 다수 개의 배터리 셀들을 병렬로 배열하여 셀 병렬 라인을 형성하는 셀 병렬 라인 형성단계; 상기 셀 병렬 라인을 이루는 배터리 셀들 중 제1 셀부터 순차적으로 소정 개수의 배터리 셀들을 병렬로 연결하여 제1 셀 뱅크로, 상기 제1 셀 뱅크로 설정된 배터리 셀들을 제외한 나머지 배터리 셀들을 병렬로 연결하여 제2 셀 뱅크로 각각 설정하는 셀 뱅크 설정단계; 상기 제1 셀 뱅크에서 병렬 연결선 오픈 또는 CID 동작에 의한 고장 셀이 발생하였는지를 감지하는 고장 셀 감지단계; 상기 제1 셀 뱅크에서 고장 셀이 발생한 경우, 상기 고장 셀을 상기 제2 셀 뱅크에 속한 교체용 셀로 교체하는 고장 셀 교체단계; 를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 고장 셀 교체단계는, 상기 제2 셀 뱅크의 교체용 셀과 그 나머지 배터리 셀들과의 병렬 연결 라인 상에 구비된 제2 스위치를 오프(Off) 시켜, 상기 교체용 셀을 제2 셀 뱅크로부터 전기적으로 분리하는 교체용 셀 분리단계; 상기 교체용 셀과 제1 셀 뱅크의 배터리 셀들과의 병렬 연결 라인 상에 구비된 제1 스위치를 온(On) 시켜, 상기 제2 셀 뱅크로부터 분리한 교체용 셀을 제1 셀 뱅크에 병렬 연결하는 교체용 셀 연결단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 교체용 셀은, 상기 제2 셀 뱅크의 배터리 셀들 중, 상기 제1 셀 뱅크와 가장 인접하여 위치하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 제1 셀 뱅크는 배터리 팩이 장착되는 디바이스에 대한 주 전력 공급원으로 동작하며, 상기 제2 셀 뱅크는 상기 디바이스에 대한 보조 전력 공급원으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 병렬 연결된 셀들 중 병렬 연결선이 Open 되거나 CID 동작에 의한 연결 끊김이 발생한 특정 셀을 스위칭 동작을 통해 정상적인 교체용 셀로 교체해줌으로써, 특정 셀의 연결 고장의 영향으로 인해 나머지 정상 셀들에 발생하는 안전 문제, 셀 퇴화 문제를 방지할 수 있고, 나아가 이러한 문제들에 의한 배터리 성능 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 셀 스위칭 장치를 구비한 배터리 팩을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 고장 셀이 발생하지 않은 정상적인 상태의 전기적 연결 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 고장 셀이 발생하여 스위칭 동작한 상태의 전기적 연결 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 셀 스위칭 방법을 보여주는 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
1. 병렬 연결 셀의 셀 스위칭 장치를 포함하는 배터리 팩
도 1은 본 발명에 따른 셀 스위칭 장치를 포함하는 배터리 팩의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 이를 참조하면, 본 발명에 따른 셀 스위칭 장치를 포함하는 배터리 팩은, 아래와 같은 구성을 포함하여 구성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(100)은 다수 개의 배터리 셀(101)들이 병렬로 배열되어 하나의 셀 병렬 라인을 이루고, 상기 셀 병렬 라인이 적어도 하나 이상 직렬로 배열된 형태로 이루어져 있으며, 하기와 같이 구분하여 설명할 수 있다.
1.1. 제1 셀 뱅크(112)
앞서 설명한 것과 같이, 다수 개의 배터리 셀(101)들이 병렬로 배열되어 하나의 셀 병렬 라인을 이루는데, 상기 셀 병렬 라인을 이루는 배터리 셀들 중, 배터리 팩이 장착된 디바이스에 대한 주 전력 공급원으로서 제1 셀부터 순차적으로 인접한 소정 개수의 배터리 셀들을 하나의 그룹으로 구분하고, 이들 배터리 셀들을 병렬로 연결하여, 해당 그룹을 제1 셀 뱅크(112)로 지칭한다.
도 1에 보이는 것과 같이, 셀 병렬 라인 별(제1 셀 병렬 라인~제N 셀 병렬 라인)로 동일한 개수의 배터리 셀들을 제1 셀 뱅크(112a~112n)로 구분하며, 하나의 셀 병렬 라인에서 제1 셀 뱅크를 구성하는 배터리 셀들은 병렬로 연결되고, 셀 병렬 라인 별로 대향하는 제1 셀 뱅크의 배터리 셀들은 직렬로 연결되어, 배터리 팩(100)에 포함된 제1 셀 뱅크를 구성하는 모든 배터리 셀들은 직/병렬 상태로 상호 전기적으로 연결되어, 하나의 배터리 모듈을 구성한다. 여기서, 적어도 하나 이상의 제1 셀 뱅크가 직렬로 연결되어 구성된 배터리 모듈을 제1 배터리 모듈(110)로 지칭한다.
즉, 제1 셀 병렬 라인의 제1 셀 뱅크(112a)을 구성하는 배터리 셀들은, 그에 대향하는 제2 셀 병렬 라인의 제1 셀 뱅크(112b)를 구성하는 배터리 셀들과 직렬로 연결되고, 제N-1 셀 병렬 라인의 제1 셀 뱅크(112n-1)를 구성하는 배터리 셀들은 제N 셀 병렬 라인의 제1 셀 뱅크(112n)를 구성하는 배터리 셀들과 직렬로 연결되어 제1 배터리 모듈(110)을 구성하는 것이다.
이와 같이 구성되는 제1 배터리 모듈(110)은, 배터리 팩이 장착된 디바이스에서 주 전력 공급원으로서 기능할 수 있다. 배터리 팩이 장착된 디바이스가, 예를 들어 자동차인 경우, 제1 배터리 모듈(110)은, 모터 구동을 위한 전력을 제공하는 모터 구동용 배터리 모듈로서 기능하는 것이다.
즉, 제1 배터리 모듈은, 디바이스의 주 전력 공급원으로서 기능하기 때문에, 제1 셀 뱅크(112)를 구성하는 배터리 셀들의 개수는, 셀 병렬 라인을 이루는 배터리 셀들 중 대다수의 배터리 셀들을 제1 셀 뱅크로 구분하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 하나의 셀 병렬 라인을 13개의 배터리 셀들로 구성하는 경우, 적어도 8개 이상의 배터리 셀들을 제1 셀 뱅크로 설정할 수 있다.
이와 같은 제1 셀 뱅크(112)는, 후술하는 제2 셀 뱅크(122)와 전기적으로 분리된 상태이다.
1.2. 제2 셀 뱅크(122)
상술한 것처럼 하나의 셀 병렬 라인에서 제1 셀 뱅크로 구분된 배터리 셀들을 제외한 나머지 배터리 셀들을 병렬로 연결하여 이들을 하나의 그룹으로 제 2 셀 뱅크로 지칭할 수 있다. 도 1에 보이는 것과 같이, 셀 병렬 라인 별로 동일한 개수의 배터리 셀들을 제2 셀 뱅크(122)로 구분하며, 하나의 셀 병렬 라인에서 제2 셀 뱅크를 구성하는 배터리 셀(101)들은 병렬로 연결되고, 셀 병렬 라인 별로 대향하는 제2 셀 뱅크의 배터리 셀들은 각각 직렬로 연결되어, 배터리 팩(100)에 포함된 제2 셀 뱅크(122a~122n)를 구성하는 모든 배터리 셀(101)들은 직/병렬 상태로 상호 전기적으로 연결되어, 하나의 배터리 모듈을 구성한다. 여기서, 적어도 하나 이상의 제2 셀 뱅크가 직렬로 연결되어 구성된 배터리 모듈을 제2 배터리 모듈(120)로 지칭한다.
즉, 제1 셀 병렬 라인의 제2 셀 뱅크(122a)을 구성하는 배터리 셀들은, 그에 대향하는 제2 셀 병렬 라인의 제2 셀 뱅크(122b)를 구성하는 배터리 셀들과 직렬로 연결되고, 제N-1 셀 병렬 라인의 제2 셀 뱅크(122n-1)를 구성하는 배터리 셀들은 제N 셀 병렬 라인의 제2 셀 뱅크(122n)를 구성하는 배터리 셀들과 직렬로 연결되어 제2 배터리 모듈(120)을 구성하는 것이다.
이와 같이 구성되는 제2 배터리 모듈(120)은, 배터리 팩이 장착된 디바이스에서 보조 전력 공급원으로서 기능할 수 있다. 배터리 팩이 장착된 디바이스가, 예를 들어 자동차인 경우, 제2 배터리 모듈(120)은, 오디오, 네비게이션, 블랙박스 등 자동차에 장착된 부가 장치들의 구동을 위한 전력을 제공하는 부가 장치 구동용 배터리 모듈로서 기능하는 것이다.
즉, 제2 배터리 모듈은, 디바이스의 보조 전력 공급원으로서 기능하기 때문에, 제2 셀 뱅크를 구성하는 배터리 셀들의 개수는, 셀 병렬 라인을 이루는 배터리 셀들 중 소수의 배터리 셀들을 제2 셀 뱅크로 구분하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 13개의 배터리 셀들이 하나의 셀 병렬 라인을 이루는 경우, 11개의 배터리 셀들을 제1 셀 뱅크로 설정하고, 그 나머지인 2개의 배터리 셀들을 제2 셀 뱅크로 설정할 수 있다. 그러나, 이에 한정하는 것은 아니며, 상술한 것은 설명의 이해를 위한 하나의 예시로서, 제1 셀 뱅크는 디바이스의 주 전력 공급원으로서, 제2 셀 뱅크는 디바이스의 보조 전력 공급원으로서 충분히 기능할 수 있는 만큼 그 구성 비율이 달라질 수 있다.
일반적으로, 예를 들어 디바이스가 자동차인 경우, 네비게이션, 블랙박스, 오디오 등과 같은 부가 장치들에 대한 전력 공급원으로서 납축 전지를 사용하는데, 본원발명은 기존의 납축 전지를 대체하여 상기 제2 셀 뱅크를 구성하고, 상기 제2 셀 뱅크를 구성하는 배터리 셀들이 기존의 납축 전지 역할인 상기 부가 장치들에 대한 전력 공급원으로서 기능하도록 하며, 이들 배터리 셀 중 하나를 교체용 셀로 설정함으로써, 새로운 교체용 셀을 별도로 구비할 필요가 없어 회로 구성을 보다 간략화 시킬 수 있고, 교체용 셀도 전력 공급원으로서 사용 중이던 상태이므로 주 전력 공급원으로서 사용되고 있던 고장 셀을 교체용 셀로 교체하더라도 미 사용된 별도의 배터리 셀로 교체하는 것에 비해 제1 셀 뱅크의 나머지 정상 배터리 셀들과 보다 균일한 SOH 상태를 유지할 수 있어, 배터리 셀들의 수명 관리의 효율성을 높여줄 수 있다.
가. 교체용 셀(1222)
교체용 셀은, 제1 셀 뱅크(112)를 구성하는 셀 중 특정 셀에 병렬 연결선 또는 CID 동작으로 인한 연결 고장이 발생하는 경우, 고장 셀을 대체하는 역할로서 기능할 수 있다.
이러한 교체용 셀은, 상기 제2 셀 뱅크(122)를 구성하는 배터리 셀들 중 어느 하나의 셀로 설정될 수 있다.
예를 들어, 도 1에 보이는 것처럼 제2 셀 뱅크(122)의 배터리 셀들 중, 제1 셀 뱅크(112)의 배터리 셀과 가장 인접한 위치의 배터리 셀을 교체용 셀(1222)로 설정할 수 있다. 이 경우, 복잡하지 않은 회로 구성으로 제1 셀 뱅크에서 발생한 고장 셀을 교체용 셀로 교체해주는 것이 구현 가능하다.
1.3. 스위치(130)
스위치는, 후술하는 제어부의 제어에 따라 온/오프 동작하여 제1 셀 뱅크에서 발생한 고장 셀을 교체용 셀이 대체하도록 그 연결 흐름을 제어하는 구성으로서, 제1 스위치(132) 및 제2 스위치(134)를 포함할 수 있다.
가. 제1 스위치(132)
제1 스위치는, 제2 셀 뱅크(122)에 속한 교체용 셀(1222)과 제1 셀 뱅크 (112)를 병렬로 연결하는 제1 병렬 연결 라인(a) 상에 구비되어, 제1 셀 뱅크(112)의 배터리 셀들과 제2 셀 뱅크(122)의 교체용 셀(1222) 간의 전기적 연결 흐름을 제어하는 구성일 수 있다. 여기서, 도 1에 보이는 것과 같이 제1 병렬 연결 라인(a)은 배터리 셀을 기준으로 그 상단부 및 하단부에 모두 형성되므로, 제1 스위치(132) 또한 배터리 셀의 상단부 및 하단부에 각각 구비된다.
제1 스위치(132)는, 제1 셀 뱅크(112)에서 고장 셀이 발생하지 않은 정상적인 상태에서는 오프(Off) 상태로 제어되어, 도 2에 보이는 것처럼 제1 셀 뱅크(112)와 교체용 셀(1222) 간의 전기적 연결 흐름을 차단한다.
이후, 예를 들어 제1 셀 병렬 라인의 제1 셀 뱅크(112a)에서 고장 셀이 발생한 경우, 제1 셀 병렬 라인에 속하는 제1 스위치(132a)는 온(On) 상태로 제어되어, 도 3에 보이는 것처럼, 제1 셀 뱅크(112a)의 배터리 셀들과 교체용 셀(1222a) 간의 전기적 연결 흐름을 개방하여, 교체용 셀(1222a)이 제1 셀 뱅크(112)의 구성원으로서 그 기능을 수행하도록 할 수 있다.
나. 제2 스위치(134)
제2 스위치는, 제2 셀 뱅크(122)에 속한 교체용 셀(1222)과 그 나머지 셀을 병렬로 연결하는 제2 병렬 연결 라인(b) 상에 구비되어, 제2 셀 뱅크(122)의 교체용 셀(1222)과 그 나머지 셀 간의 연결 흐름을 제어하는 구성일 수 있다. 여기서, 도 1에 보이는 것과 같이 배터리 팩에 다수(N)개의 셀 병렬 라인을 구성하는 경우, 제2 병렬 연결 라인(b)은 제1 내지 제N-1 셀 병렬 라인까지 배터리 셀을 기준으로 그 상단부에만 형성되되, 최하단에 위치하는 제N 셀 병렬 라인에는 배터리 셀을 기준으로 상단부 및 하단부에 모두 형성된다. 따라서, 제2 스위치(134)는 제1 내지 제N-1 셀 병렬 라인까지는 셀 병렬 라인 당 하나만 구비되되, 제N 셀 병렬 라인에는 배터리 셀을 기준으로 상/하단에 모두 구비된다.
이러한 제2 스위치(134)는, 제1 셀 뱅크(112)에서 고장 셀이 발생하지 않은 정상적인 상태에서는 온(On) 상태로 제어되어, 도 2에 보이는 것처럼 제2 셀 뱅크(122)의 교체용 셀(1222)과 그 나머지 셀 간을 전기적으로 연결하여, 교체용 셀(1222)이 제2 셀 뱅크(122)의 구성원로서 기능하도록 할 수 있다.
이후, 도 3에 보이는 것처럼 예를 들어 제1 셀 병렬 라인의 제1 셀 뱅크(112a)에서 고장 셀이 발생한 경우, 제1 셀 병렬 라인의 제2 스위치(134a)는 오프(Off) 상태로 제어되고, 제2 셀 병렬 라인의 제2 스위치(134b)는 온(On) 상태로 제어되어, 제2 셀 뱅크(122a)의 교체용 셀(1222a)과 그 나머지 배터리 셀 간의 전기적 연결 흐름을 차단하여 교체용 셀(1222a)을 제2 셀 뱅크(122a)로부터 분리하면서, 제2 배터리 모듈(120)을 구성하는 나머지 배터리 셀들을 직/병렬 상태로 상호 전기적으로 연결할 수 있다.
다. 제3 스위치(136)
도 1에 보이는 것과 같이 배터리 팩(100)에 하나의 셀 병렬 라인을 복수 (N)개로 구성하는 경우, 제1~제N 셀 병렬 라인 중 제1 및 제N 셀 병렬 라인을 제외한 그 사이에 구성된 셀 병렬 라인들, 즉 제2 내지 제N-1 셀 병렬 라인에서 각 제2 셀 뱅크의 각 배터리 셀은 대향하는 인접 셀 병렬 라인의 제2 셀 뱅크의 각 배터리 셀과 직렬로 연결되는데, 이 때 그 직렬 연결 라인(c) 상에 연결 흐름을 제어하는 제3 스위치(136)가 추가로 구비될 수 있다.
제3 스위치(136)는, 고장 셀을 대체하여 제1 셀 뱅크(112)에 병렬 연결되는 교체용 셀과 제2 배터리 모듈(120)의 나머지 배터리 셀들과의 연결을 차단하는 역할을 수행할 수 있다.
초기 모든 제3 스위치(136)는 온(On) 상태로 제어되어 각 셀 병렬 라인에 구성된 교체용 셀들을 상호 직렬 연결하되, 예를 들어 제1 병렬 라인의 제1 셀 뱅크(112a)에서 고장 셀이 발생하면, 제1 셀 병렬 라인의 교체용 셀(1222a)과 제2 셀 병렬 라인의 교체용 셀(1222b) 간의 직렬 연결 라인(c) 상에 구비된 제3 스위치(136a)는 오프(Off) 상태로 제어되어 전기적 연결 흐름을 차단할 수 있다.
1.4. 제어부(미도시)
제어부는, 외부의 고장 셀 감지 시스템에서의 고장 셀 감지 여부에 따라 제1 스위치(132), 제2 스위치(134) 및 제3 스위치의 온/오프를 제어하여, 제1 셀 뱅크(112)에서 발생한 고장 셀을 제2 셀 뱅크(122)의 교체용 셀(1222)이 대체할 수 있도록 하는 구성이다.
<실시 예 1: 셀 병렬 라인을 단일로 구성하는 경우>
보다 구체적으로, 앞서 설명한 것처럼 제1 셀 뱅크(112)에 고장 셀이 발생하지 않은 정상적인 상태에서는 제1 스위치(132)를 오프(Off) 상태, 제2 스위치(134)를 온(On) 상태로 제어하여, 제1 셀 뱅크(112)와 제2 셀 뱅크(122)를 전기적으로 분리하고 교체용 셀(1222)이 제2 셀 뱅크(122)의 구성원으로서 기능하도록 할 수 있다.
그 상태에서, 외부의 고장 셀 감지 시스템에서 제1 셀 뱅크(112)에 속한 배터리 셀들 중에서, 예를 들어 병렬 연결선 오픈 또는 CID 동작에 의한 고장 셀이 발생하였음을 알리는 제어신호를 수신하면, 상기 제어신호를 바탕으로 해당 고장 셀이 속한 제1 셀 뱅크(112)를 포함하는 셀 병렬 라인에 구성된 제1 스위치(132)는 온(On) 상태로, 제2 스위치(134)는 오프(Off) 상태로 제어하여, 교체용 셀(1222)을 제2 셀 뱅크(122)로부터 분리하고, 제1 셀 뱅크(112)에 속하도록 함으로써 교체용 셀(1222)이 해당 고장 셀을 대체하여 제1 셀 뱅크(112)의 구성원으로서 기능하도록 할 수 있다.
<실시 예 2: 셀 병렬 라인을 다수 구성하는 경우>
도 1에 보이는 것처럼 셀 병렬 라인을 다수(N) 구성하는 경우, 상술한 제3 스위치(136)를 추가로 제어할 수 있다.
실시 예 2의 경우, 고장 셀이 발생하지 않은 정상적인 상태에서는 배터리 팩의 모든 제1 스위치(132)는 오프(Off) 상태로 제어하고, 제1 셀 병렬 라인의 제2 스위치(134a) 및 제N 셀 병렬 라인의 하단부에 위치한 제2 스위치(134n)는 온(On) 상태로, 나머지 제2 스위치들은 오프(Off) 상태로 제어하며, 추가로 제3 스위치(136)는 온(On) 상태로 제어하여 각 셀 병렬 라인의 제2 셀 뱅크를 구성하는 배터리 셀들을 직/병렬 상태로 상호 전기적으로 연결할 수 있다.
이후, 예를 들어 제1 셀 병렬 라인의 제1 셀 뱅크(112a)에서 고장 셀이 발생하였다면, 제1 셀 병렬 라인의 제1 스위치(132a)를 온(On) 상태로, 제2 스위치(134a)는 오프(Off) 상태로, 제3 스위치(136a)를 오프(Off) 상태로 전환 제어하여, 제1 셀 병렬 라인의 교체용 셀(1222a)을 제2 배터리 모듈(120)로부터 분리하면서 제1 셀 뱅크(112a)에 병렬 연결하여, 상기 교체용 셀(1222a)이 제1 배터리 모듈(110)로서 기능하도록 할 수 있다. 추가로, 제1 셀 병렬 라인의 다음 라인인 제2 셀 병렬 라인의 제2 스위치(134b)를 온(On) 상태로 전환 제어하여, 제2 배터리 모듈(120)을 구성하는 나머지 배터리 셀들을 직/병렬 상태로 상호 전기적으로 연결할 수 있다.
여기서, 외부의 고장 셀 감지 시스템이라 함은, 예를 들어 본 발명의 출원인이 출원한 대한민국 특허출원 제 10-2019-0122268호, 제 10-2019-0122269호에 개시된 방식으로 병렬 연결선 오픈 또는 CID 동작에 의한 고장 셀을 감지하는 시스템으로 구성될 수 있다.
이와 같이 구성되는 외부의 고장 셀 감지 시스템으로부터의 제어신호는, 배터리 팩(100)에 포함된 제1 배터리 모듈(110) 중 고장 셀이 속한 제1 셀 뱅크 또는 셀 병렬 라인을 식별할 수 있도록, 예를 들어 셀 뱅크 식별번호 또는 셀 병렬 라인 식별번호 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 셀 병렬 라인에 포함된 제1 셀 뱅크(112a)에서 고장 셀이 발생한 경우, 외부의 고장 셀 감지 시스템으로부터의 제어신호는 제1 셀 병렬 라인 식별번호 또는 해당 제1 셀 뱅크(112a) 식별번호를 포함하며, 이를 전달 받은 제어부는, 상기 제어신호를 바탕으로 제1 셀 병렬 라인에 속한 제1 셀 뱅크(112a)에 고장 셀이 발생한 것으로 인식하고, 제1 셀 병렬 라인에 위치하는 제1 스위치(132a)를 온(On) 상태로, 제2 스위치(134a)를 오프(Off) 상태로 제어하여, 도 3과 같이 교체용 셀(1222a)이 고장 셀을 대체하여 기능하도록 교체할 수 있다.
이와 같이, 본원발명은 병렬 연결된 배터리 셀들 중 병렬 연결선 또는 CID 동작에 의한 고장 셀이 발생하는 경우, 간단한 스위칭 동작으로 고장 셀을 정상적인 교체용 셀로 교체하여 고장 셀을 대체하도록 함으로써, 고장 셀과 병렬 연결된 나머지 정상 배터리 셀들에 상기 고장 배터리 셀에 흐르던 전류에 의해 과전류가 흐르게 되어 정상 배터리 셀들에 과부하가 걸리는 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 이에 나머지 배터리 정상 배터리 셀들의 열화를 촉진시켜 배터리의 성능 및 수명을 감소시키는 문제를 원천적으로 해결할 수 있다.
또한, 본원발명은 교체용 셀을 미 사용된 새로운 배터리 셀로서 별도로 구비하는 것이 아니라, 기존의 납축 전지를 대체하여 디바이스에 장착된 부가 장치들에 대한 전력 공급원으로 기능하던 배터리 셀을 교체용 셀로 설정함으로써, 미 사용된 배터리 셀에 비해, 전력 공급원으로 사용되고 있던 제1 셀 뱅크의 배터리 셀들과 셀 열화 정도, 즉 SOH의 균형을 맞출 수 있기 때문에, 배터리 셀들의 수명이 보다 균일하게 유지될 수 있는 효과도 가져올 수 있다.
2. 셀 스위칭 방법(도 4 참조)
본 발명에 따른 병렬 연결 셀의 셀 스위칭 방법은, 하기와 같은 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
2.1. 셀 병렬 라인 형성단계(S100)
셀 병렬 라인 형성단계는, 다수 개의 배터리 셀(101)들을 병렬로 배열하여 하나의 셀 병렬 라인을 형성하는 단계이다.
이러한 셀 병렬 라인은, 도 1에 보이는 것처럼, 배터리 팩(100)에 하나 이상 구성될 수 있으며, 그 경우 하나의 셀 병렬 라인을 구성하는 배터리 셀들은 그에 각각 대향하는 인접한 셀 병렬 라인을 구성하는 배터리 셀들과 직렬로 연결된다.
이 때, 셀 병렬 라인을 구성하는 모든 배터리 셀들이 전기적으로 병렬 연결되는 것은 아니고, 또한 하나의 셀 병렬 라인을 구성하는 모든 배터리 셀들이 그들 각각에 대향하는 인접한 셀 병렬 라인을 구성하는 모든 배터리 셀들과 전기적으로 직렬로 연결되는 것은 아니며, 그 역할/기능에 따라 구분되어 직/병렬 연결 상태로 전기적으로 상호 연결된다. 이에 대해서는, 후술하는 셀 뱅크 설정단계에서 구체적으로 설명하도록 한다.
2.2. 셀 뱅크 설정단계(S200)
배터리 팩이 장착된 디바이스에 대한 주 전력 공급원과 보조 전력 공급원을 구분하기 위하여, 셀 병렬 라인을 구성하는 배터리 셀들 중 제1 셀부터 순차적으로 인접한 소정 개수의 배터리 셀들을 병렬로 연결하여 하나의 그룹인 제1 셀 뱅크(112)로, 그 나머지 배터리 셀들을 병렬로 연결하여 하나의 그룹인 제2 셀 뱅크(122)로 설정하며, 제1, 2 셀 뱅크(112, 122)는 전기적으로 분리된 상태이다.
한편, 제2 셀 뱅크(122)를 구성하는 배터리 셀들 중, 제1 셀 뱅크(112)와 가장 인접한 위치의 배터리 셀은 교체용 셀(1222)로 구성된다.
상기 교체용 셀이라 함은, 앞서 설명한 것처럼 제1 셀 뱅크(112)에서 병렬 연결선 오픈 또는 CID 동작에 의한 고장 셀이 발생하는 경우, 상기 제2 셀 뱅크(122)로부터 전기적으로 분리하면서 제1 셀 뱅크의 배터리 셀들에 연결하여 상기 고장 셀을 대체하는 역할을 수행하는 배터리 셀을 의미한다.
상술한 것처럼, 상기 교체용 셀(1222)을 중심으로 하여, 상기 교체용 셀과 제1 셀 뱅크(112)의 배터리 셀들과의 병렬 연결 라인(a) 상에는 제1 스위치(132)가 구비되고, 상기 교체용 셀과 제2 셀 뱅크(122)의 나머지 배터리 셀들과의 병렬 연결 라인(b) 상에는 제2 스위치(134)가 구비되어, 제1, 2 스위치(112, 122)에 의해 현재 제1 셀 뱅크(112)에 고장 셀이 발생하지 않은 정상적인 상태에서 교체용 셀(1222)은 제1 셀 뱅크(112)로부터는 전기적으로 분리되고, 제2 셀 뱅크(122)에 연결되어 제2 셀 뱅크(122)의 구성원으로서 기능한다.
한편, 도 1에 보이는 것과 같이, 셀 병렬 라인이 하나 이상인 경우, 셀 병렬 라인 별(제1 셀 병렬 라인~제N 셀 병렬 라인)로 동일한 개수의 배터리 셀들을 제1 셀 뱅크(112a~122n)로 설정하고, 하나의 셀 병렬 라인에서 제1 셀 뱅크를 구성하는 배터리 셀들은 병렬로 연결하고, 셀 병렬 라인 별로 대향하는 제1 셀 뱅크의 배터리 셀들은 직렬로 연결하여, 배터리 팩(100)에 포함된 제1 셀 뱅크(112a~112n)를 구성하는 모든 배터리 셀들을 직/병렬 상태로 상호 전기적으로 연결함으로써 제1 배터리 모듈(110)을 구성한다.
또한, 셀 병렬 라인에서 제2 셀 뱅크(122)를 구성하는 배터리 셀들 또한 병렬로 연결하고, 셀 병렬 라인 별(제1 셀 병렬 라인~제N 셀 병렬 라인)로 대향하는 제2 셀 뱅크의 배터리 셀들은 직렬로 연결하여, 배터리 팩(100)에 포함된 제2 셀 뱅크(122a~122n)를 구성하는 모든 배터리 셀들을 직/병렬 상태로 상호 전기적으로 연결함으로써 제2 배터리 모듈(120)을 구성한다.
이와 같이 구성되는 제1 배터리 모듈(110)의 제1 셀 뱅크들(112a~112n)은, 배터리 팩이 장착된 디바이스에서 주 전력 공급원으로서 기능할 수 있다. 배터리 팩이 장착된 디바이스가, 예를 들어 자동차인 경우, 제1 배터리 모듈의 제1 셀 뱅크들(112a~112n)은, 모터 구동을 위한 전력을 제공하는 모터 구동용 배터리 모듈로서 기능하는 것이다.
한편, 제2 배터리 모듈(120)의 제2 셀 뱅크들(122a~122n)은, 배터리 팩이 장착된 디바이스에서 보조 전력 공급원으로서 기능할 수 있다. 상기 디바이스가 예를 들어 자동차인 경우, 제2 배터리 모듈의 제2 셀 뱅크들(122a~122n)은, 오디오, 네비게이션, 블랙박스 등 자동차에 장착된 부가 장치들의 구동을 위한 전력을 제공하는 부가 장치 구동용 배터리 모듈로서 기능하는 것이다.
따라서, 제1, 2 셀 뱅크 설정 시, 셀 병렬 라인의 배터리 셀들 중, 제2 셀 뱅크(122)보다 많은 배터리 셀의 개수를 제1 셀 뱅크(112)로 설정하는 것이 바람직하다.
일반적으로, 예를 들어 디바이스가 자동차인 경우, 네비게이션, 블랙박스, 오디오 등과 같은 부가 장치들에 대한 전력 공급원으로서 납축 전지를 사용하는데, 본원발명은 기존의 납축 전지를 대체하여 상기 제2 셀 뱅크를 구성하고, 상기 제2 셀 뱅크를 구성하는 배터리 셀들이 기존의 납축 전지 역할인 상기 부가 장치들에 대한 전력 공급원으로서 기능하도록 하며, 이들 배터리 셀 중 하나를 교체용 셀로 설정함으로써, 새로운 교체용 셀을 별도로 구비할 필요가 없어 회로 구성을 보다 간략화 시킬 수 있고, 교체용 셀도 전력 공급원으로서 사용 중이던 상태이므로 주 전력 공급원으로서 사용되고 있던 고장 셀을 교체용 셀로 교체하더라도 미 사용된 별도의 배터리 셀로 교체하는 것에 비해 제1 셀 뱅크의 나머지 정상 배터리 셀들과 보다 균일한 SOH 상태를 유지할 수 있어, 배터리 셀들의 수명 관리의 효율성을 높여줄 수 있다.
2.3. 고장 셀 감지단계(S300)
고장 셀 감지단계는, 상기 셀 뱅크 설정단계(S200)에서 설정한 제1 셀 뱅크(112)에 포함되는 배터리 셀들 중, 병렬 연결선 오픈 또는 CID 동작에 의한 고장 셀이 발생하였는지를 감지하는 단계이다.
앞서 설명한 것처럼, 병렬 연결된 제1 셀 뱅크(112)의 배터리 셀들 중 고장 셀의 발생 여부를 감지하는 것은, 외부의 고장 셀 감지 시스템에 의해 수행될 수 있으며, 고장 셀 감지 시 이를 나타내는 제어신호를 제어부(미도시)로 전송하여, 상기 제어부가 제1 셀 뱅크(112)에 고장 셀이 발생하였음을 인지할 수 있도록 할 수 있다.
이 때, 제어부(미도시)가 상기 외부의 고장 셀 감지 시스템으로부터 전달 받는 제어신호는, 배터리 팩에 포함된 제1 배터리 모듈 중 고장 셀이 속한 제1 셀 뱅크 또는 셀 병렬 라인을 식별할 수 있도록, 예를 들어 셀 뱅크 식별번호 또는 셀 병렬 라인 식별번호 등을 포함할 수 있다.
여기서, 외부의 고장 셀 감지 시스템이라 함은, 예를 들어 본 발명의 출원인이 출원한 대한민국 특허출원 제 10-2019-0122268호, 제 10-2019-0122269호에 개시된 방식으로 병렬 연결선 오픈 또는 CID 동작에 의한 고장 셀을 감지하는 시스템으로 구성될 수 있다.
2.4. 고장 셀 교체단계(S400)
고장 셀 교체단계는, 상기 고장 셀 감지단계(S300)에서 제1 셀 뱅크(112)의 배터리 셀들 중 병렬 연결선 오픈 또는 CID 동작에 의한 고장 셀이 발생한 것으로 감지된 경우, 상기 교체용 셀(1222)을 제2 셀 뱅크(122)로부터 전기적으로 분리하고, 제1 셀 뱅크(112)에 병렬 연결하여 상기 고장 셀을 대체할 수 있도록 교체하는 단계이다.
이러한 고장 셀 교체단계는, 아래와 같은 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
가. 교체용 셀 분리단계(S410)
교체용 셀 분리단계는, 교체용 셀(1222)을 제2 셀 뱅크(122)로부터 전기적으로 분리하는 단계이다.
이 단계는, 애초 제2 셀 뱅크(122)의 구성원으로서 동작하고 있는 교체용 셀(1222)을 제2 셀 뱅크(122)로부터 전기적으로 분리하는 것으로서, 교체용 셀(1222)과 제2 셀 뱅크(122)의 나머지 배터리 셀들과의 병렬 연결 라인(b) 상에 구비된 제2 스위치(134)를 오프(Off) 시키는 것으로 구현될 수 있다.
나. 교체용 셀 연결단계(S420)
상기 교체용 셀 분리단계(S410)에서 교체용 셀을 제2 셀 뱅크(122)로부터 전기적으로 분리한 후, 상기 교체용 셀(1222)을 제1 셀 뱅크(112)에 병렬 연결하여 고장 셀을 대체하도록 하는 단계이다.
이 단계는, 상기 교체용 셀(1222)과 제1 셀 뱅크(112)의 배터리 셀들과의 병렬 연결 라인(a) 상에 구비된 제1 스위치(132)를 온(On) 시키는 것으로 구현될 수 있다.
이와 같은 단계를 통해, 애초 제2 셀 뱅크(122)의 구성원으로서 기능하고 있던 교체용 셀(112)을 제2 셀 뱅크(122)로부터 전기적으로 분리하고 제1 셀 뱅크(112)로 병렬 연결해줌으로써, 상기 교체용 셀(1222)이 제1 셀 뱅크(112)에 발생한 고장 셀을 대체하여 제1 셀 뱅크(112)의 구성원으로서 동작하도록 할 수 있다.
예를 들어, 제1 셀 병렬 라인에 포함된 제1 셀 뱅크(112a)에서 고장 셀이 발생한 경우, 외부의 고장 셀 감지 시스템으로부터 제어신호를 전달 받은 제어부 (미도시)는, 제1 셀 병렬 라인에 위치하는 제1 스위치(132a)를 온(On) 상태로, 제2 스위치(134a)는 오프(Off) 상태로 전환 제어하여, 도 3에 보이는 것처럼 교체용 셀(1222a)을 제2 셀 뱅크(122a)로부터 전기적으로 분리 시키면서 제1 셀 뱅크(112a)의 배터리 셀들과 전기적으로 병렬 연결하여, 교체용 셀(1222a)이 고장 셀을 대체하여 제1 셀 뱅크(112a)의 구성원으로서 기능하도록 하는 것이다.
이와 같이, 본원발명은 병렬 연결된 배터리 셀들 중 병렬 연결선 또는 CID 동작에 의한 고장 셀이 발생하는 경우, 간단한 스위칭 동작으로 고장 셀을 정상적인 교체용 셀로 교체하여 고장 셀을 대체하도록 함으로써, 고장 셀과 병렬 연결된 나머지 정상 배터리 셀들에 상기 고장 배터리 셀에 흐르던 전류에 의해 과전류가 흐르게 되어 정상 배터리 셀들에 과부하가 걸리는 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 이에 나머지 배터리 정상 배터리 셀들의 열화를 촉진시켜 배터리의 성능 및 수명을 감소시키는 문제를 원천적으로 해결할 수 있다.
또한, 본원발명은 교체용 셀을 미 사용된 새로운 배터리 셀로서 별도로 구비하는 것이 아니라, 기존의 납축 전지를 대체하여 디바이스에 장착된 부가 장치들에 대한 전력 공급원으로 기능하던 배터리 셀을 교체용 셀로 설정함으로써, 미 사용된 배터리 셀에 비해, 전력 공급원으로 사용되고 있던 제1 셀 뱅크의 배터리 셀들과 셀 열화 정도, 즉 SOH의 균형을 맞출 수 있기 때문에, 배터리 셀들의 수명이 보다 균일하게 유지될 수 있는 효과도 가져올 수 있다.
한편, 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.
100: 배터리 팩
101: 배터리 셀
110: 제1 배터리 모듈
112: 제1 셀 뱅크
120: 제2 배터리 모듈
122: 제2 셀 뱅크
1222: 교체용 셀
130: 스위치
132: 제1 스위치
134: 제2 스위치
136: 제3 스위치
a: 제1 병렬 연결 라인
b: 제2 병렬 연결 라인
c: 직렬 연결 라인

Claims (10)

  1. 다수 개의 배터리 셀들이 병렬로 배열되어 형성되는 셀 병렬 라인을 하나 이상 포함하는 배터리 팩에 있어서,
    상기 셀 병렬 라인을 구성하는 배터리 셀들 중 제1 셀부터 순차적으로 인접한 소정 개수의 배터리 셀들을 병렬로 연결하여 구성되는 제1 셀 뱅크; 및
    상기 셀 병렬 라인을 구성하는 배터리 셀들 중 상기 제1 셀 뱅크로 설정된 배터리 셀들을 제외한 나머지 셀들을 병렬로 연결하여 구성되는 제2 셀 뱅크;
    를 포함하여 구성되며,
    상기 제1 셀 뱅크와 제2 셀 뱅크는 전기적으로 분리되며,
    상기 제2 셀 뱅크의 배터리 셀들 중, 상기 제1 셀 뱅크와 가장 인접한 위치의 배터리 셀을 교체용 셀로 설정하고, 상기 제1 셀 뱅크에서 고장 셀이 발생하는 경우, 상기 교체용 셀을 제2 셀 뱅크로부터 전기적으로 분리하고 제1 셀 뱅크로 병렬 연결하여 상기 고장 셀을 대체하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 셀 뱅크에서 발생하는 고장 셀을 교체용 셀로 교체하기 위한 스위칭 동작하는 스위치; 를 더 포함하여 구성되며,
    상기 스위치는,
    상기 제2 셀 뱅크의 교체용 셀과 제1 셀 뱅크의 배터리 셀들을 병렬로 연결하는 제1 병렬 연결 라인 상에 구비되어, 상기 교체용 셀과 제1 셀 뱅크 간의 연결 흐름을 제어하는 제1 스위치; 및
    상기 제2 셀 뱅크의 교체용 셀과 그 나머지 셀들을 병렬로 연결하는 제2 병렬 연결 라인 상에 구비되어, 상기 교체용 셀과 그 나머지 셀들 간의 연결 흐름을 제어하는 제2 스위치;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 셀 뱅크에서 병렬 연결선 오픈 또는 CID 동작에 의한 고장 셀의 발생 여부에 따라, 상기 제1 및 제2 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 제어부; 를 더 포함하여 구성되는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 셀 뱅크에서 고장 셀이 발생하지 않은 정상적인 상태인 경우, 상기 제1 스위치를 오프(Off) 시키고, 제2 스위치는 온(On) 시켜, 상기 교체용 셀을 제1 셀 뱅크의 배터리 셀들과의 연결은 차단하고, 제2 셀 뱅크의 나머지 배터리 셀들과 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 셀 뱅크에서 고장 셀이 발생하면, 상기 제1 스위치를 온(On) 시키고, 제2 스위치는 오프(Off) 시켜, 상기 교체용 셀을 제2 셀 뱅크로부터 분리 시키면서 상기 제1 셀 뱅크의 배터리 셀들에 연결하여, 상기 고장 셀을 교체용 셀로 교체하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 셀 뱅크는 배터리 팩이 장착되는 디바이스에 대한 주 전력 공급원으로 동작하며, 상기 제2 셀 뱅크는 상기 디바이스에 대한 보조 전력 공급원으로 동작하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 다수 개의 배터리 셀들을 병렬로 배열하여 셀 병렬 라인을 형성하는 셀 병렬 라인 형성단계;
    상기 셀 병렬 라인을 이루는 배터리 셀들 중 제1 셀부터 순차적으로 소정 개수의 배터리 셀들을 병렬로 연결하여 제1 셀 뱅크로, 상기 제1 셀 뱅크로 설정된 배터리 셀들을 제외한 나머지 배터리 셀들을 병렬로 연결하여 제2 셀 뱅크로 각각 설정하는 셀 뱅크 설정단계;
    상기 제1 셀 뱅크에서 병렬 연결선 오픈 또는 CID 동작에 의한 고장 셀이 발생하였는지를 감지하는 고장 셀 감지단계;
    상기 제1 셀 뱅크에서 고장 셀이 발생한 경우, 상기 고장 셀을 상기 제2 셀 뱅크에 속한 교체용 셀로 교체하는 고장 셀 교체단계;
    를 포함하여 구성되는 셀 스위칭 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고장 셀 교체단계는,
    상기 제2 셀 뱅크의 교체용 셀과 그 나머지 배터리 셀들과의 병렬 연결 라인 상에 구비된 제2 스위치를 오프(Off) 시켜, 상기 교체용 셀을 제2 셀 뱅크로부터 전기적으로 분리하는 교체용 셀 분리단계;
    상기 교체용 셀과 제1 셀 뱅크의 배터리 셀들과의 병렬 연결 라인 상에 구비된 제1 스위치를 온(On) 시켜, 상기 제2 셀 뱅크로부터 분리한 교체용 셀을 제1 셀 뱅크에 병렬 연결하는 교체용 셀 연결단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 셀 스위칭 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 교체용 셀은,
    상기 제2 셀 뱅크의 배터리 셀들 중, 상기 제1 셀 뱅크와 가장 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 셀 스위칭 방법.
  10. 제7항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 셀 뱅크는 배터리 팩이 장착되는 디바이스에 대한 주 전력 공급원으로 동작하며, 상기 제2 셀 뱅크는 상기 디바이스에 대한 보조 전력 공급원으로 동작하는 것을 특징으로 하는 셀 스위칭 방법.
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