WO2014084631A1 - 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치 및 그 방법 - Google Patents

배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치 및 그 방법 Download PDF

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WO2014084631A1
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battery module
battery
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series
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PCT/KR2013/010909
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박세호
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에스케이이노베이션 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a cell balancing device and method thereof of a battery module, and more particularly, to a cell balancing device and a method of a battery module to obtain an energy saving effect by recovering and using a current discharged during cell balancing.
  • a battery used in an electric vehicle or a hybrid vehicle uses electricity output from a battery pack in which a plurality of battery cells are connected in series.
  • a method of uniformly balancing the charging voltage of each battery cell included in the battery pack a method of increasing the voltage by supplying a charging current to a battery cell having a relatively low voltage, and discharging the battery cell by discharging a relatively high voltage
  • a method of lowering, determining a balancing target voltage from the voltage of each battery cell, discharging a battery cell higher than the target voltage and charging a battery cell lower than the target voltage is used.
  • the cell balancing method as described above is implemented by a cell balancing unit connected to each battery cell.
  • the cell balancing unit includes a switching element for controlling the start and end of the cell balancing operation and a discharge resistor for discharging the battery cell voltage.
  • active cell balancing has low efficiency, complicated circuits, and switching noise.
  • Patent Document 1 Domestic Publication No. 2011-117992
  • the present invention is to solve the above problems, by connecting a plurality of auxiliary cells in parallel to the battery cell to charge the current discharged during the cell balancing process, and when reusing to connect the secondary cell in series to increase the charge voltage
  • the present invention provides a cell balancing device and a method of a battery module capable of generating a charging current.
  • the auxiliary cell unit including n auxiliary cells; An auxiliary relay unit connecting the n auxiliary cells in series or in parallel; A main relay unit connecting the auxiliary cells and the battery module connected in series by the auxiliary relay unit or the auxiliary cells connected in parallel with the battery module; And a control unit controlling the auxiliary relay unit and the main relay unit.
  • the apparatus of the present invention further includes a battery connecting portion located between the main relay unit and the battery module to connect the main relay unit and the battery module under the control of the controller.
  • the main relay unit of the device of the present invention when the series connection of the auxiliary cells of the charging relay for connecting the positive terminal of the first auxiliary cell of the auxiliary cells connected in series and any one of the output terminal of the battery module; And a common relay connecting the negative terminal of the last auxiliary cell of the auxiliary cells connected in series with the other output terminal of the battery module when the auxiliary cells are connected in series.
  • the main relay unit of the device of the present invention when the parallel connection of the auxiliary cells discharge relay for connecting any one of the output terminal of the positive terminal and the battery module of the auxiliary cell; And a common relay connecting the negative terminal of the auxiliary cell to the other output terminal of the battery module when the auxiliary cells are connected in parallel.
  • the auxiliary relay unit of the device of the present invention the anode parallel connection line for connecting the anodes of the auxiliary cells to each other; A cathode parallel connection line for connecting cathodes of the auxiliary cells to each other; A plurality of series connection lines positioned between adjacent poles of the auxiliary cell; Connecting the anodes of the respective auxiliary cells and the anode parallel connection lines when the auxiliary cells are connected in parallel, and connecting the anodes of the respective auxiliary cells corresponding to the plurality of series connection lines when the auxiliary cells are connected in series; 1 auxiliary relay; And connecting the negative electrode of each auxiliary cell and the negative electrode parallel connection line when the auxiliary cells are connected in parallel, and connecting the negative electrode of each auxiliary cell corresponding to the plurality of series connection lines when the auxiliary cells are connected in series. And a second auxiliary relay.
  • the apparatus of the present invention further includes a current limiting portion located between the battery module and the main relay portion for switching in accordance with a pulse control signal to limit the current.
  • the current limiting unit of the device of the present invention is located between the battery module and the main relay unit for switching the current limiting switch in accordance with the pulse control signal; An inductor connected in series with the current limiting switch; And a capacitor connected in parallel with the current limiting switch.
  • the main relay unit of the device of the present invention is characterized in that it provides a connection of the battery cell and the auxiliary cell unit of the battery module.
  • auxiliary relay unit of the device of the present invention is characterized in that for connecting a certain number of auxiliary cells in series when the auxiliary cell in series.
  • the method of the present invention comprises the steps of (A) the controller to determine the voltage state of the battery modules to identify the battery module that needs to be discharged; (B) discharging the identified battery modules to a plurality of auxiliary cells connected in parallel; (C) determining, by the controller, a voltage module of the battery modules to identify a battery module requiring charging; And (D) charging the battery module identified by the controller to a plurality of auxiliary cells connected in series.
  • the control unit controls the first auxiliary relay so that the positive poles of the plurality of auxiliary cells are connected to the positive parallel connection line, and the second auxiliary relay is controlled to Allowing cathodes of the plurality of auxiliary cells to be connected to the cathode parallel connection line;
  • the control unit controls the discharge relay of the main relay unit so that the positive parallel connection line of the auxiliary relay unit is connected to the battery connection unit, and also controls the common relay so that the negative parallel connection line of the auxiliary relay unit is connected to the battery connection unit step;
  • (B-3) controlling the battery connection unit to be connected to the corresponding battery module.
  • the control unit (D-1) controls the first auxiliary relay so that the positive poles of the plurality of auxiliary cells are connected to the series connection line, and the second auxiliary relay is controlled to control the plurality of auxiliary cells. Allowing the cathode of the auxiliary cell of to be connected to the series connection line;
  • the control unit controls the charging relay of the main relay unit so that one terminal of the first switch of the first auxiliary relay unit of the auxiliary relay unit and the battery connection unit are connected, and the common relay is controlled to control the charging relay of the second auxiliary relay unit of the auxiliary relay unit. Making the terminal of the last switch connect with the battery connection;
  • the controller to control the battery connection unit to connect the auxiliary cells connected in series with the corresponding battery module.
  • control unit is characterized in that for connecting a certain number of auxiliary cells in series when the auxiliary cells in series.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a cell balancing device of a battery module according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating an operation of discharging from the battery module of FIG. 1 to an auxiliary cell.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating an operation of charging a battery module from the auxiliary cell of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram for charging a battery module to a target voltage from the auxiliary cell of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a cell balancing method of a battery module according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a cell balancing device of a battery module according to a first embodiment of the present invention.
  • the cell balancing device of the battery module includes a battery connection unit 100, a controller 110, an auxiliary cell unit 120, a main relay unit 130, a current limiting unit 140, and an auxiliary relay unit. 150 is provided.
  • One side of the battery connection unit 100 is connected to the discharge line and the common line of the main relay unit 130, or is connected to the charging line and the common line.
  • the other side of the battery connection unit 100 is connected to each of the positive terminal and the negative terminal of the plurality of battery modules, or when the battery modules are connected in series is connected to the highest positive terminal and the lowest negative terminal of the battery module connected in series.
  • the battery connection unit 100 is connected to the highest positive terminal and the lowest negative terminal of the battery cells connected in series when a plurality of battery cells inside the battery module are connected in series.
  • the battery module includes a plurality of battery cells, the plurality of battery cells are connected in series or in parallel to each other to supply power to the outside through the positive terminal and the negative terminal.
  • the controller 110 measures the voltage of each battery module to perform cell balancing for each battery module.
  • controller 110 measures the voltage of each battery cell in the battery module to perform cell balancing for each battery cell.
  • the method of performing the cell balancing on each battery module (or battery cell) by the controller 110 may increase the voltage by supplying a charging current to a battery module (or battery cell) having a relatively low voltage.
  • a method of lowering the voltage by discharging a relatively high battery module (or battery cell), setting a balancing target voltage from the voltage of each battery module (or battery cell), and discharging a battery module (or battery cell) having a voltage higher than the target voltage. And a battery module (or battery cell) lower than the target voltage is used.
  • the auxiliary cell unit 120 is for charging the current discharged at the time of cell balancing in the battery module for later use and includes a plurality of auxiliary cells (120-1 ⁇ 120-n).
  • auxiliary cell unit 120 a plurality of auxiliary cells 120-1 to 120-n are connected in series or in parallel by the auxiliary relay unit 150.
  • auxiliary cells 120-1 to 120-n When a plurality of auxiliary cells 120-1 to 120-n are connected in series, all n auxiliary cells may be connected, and a certain number of auxiliary cells may be connected thereto.
  • the quantity of the plurality of auxiliary cells 120-1 to 120-n connected in series depends on the target voltage required by the series connection.
  • the main relay unit 130 is connected by using the battery connection unit 100 and the discharge line and the common line to connect the battery connection unit 100 and the auxiliary cell unit 120, or the battery connection unit 100 and the charging line And a common line to connect the battery connection unit 100 and the auxiliary cell unit 120.
  • the main relay unit 130 includes a discharge relay 130-1, a charge relay 130-2, and a common relay 130-3.
  • the discharge relay 130-1 includes a relay switch SW31
  • the charge relay 130-2 includes a relay switch SW32 and a diode D3, and a common relay 130-3.
  • the diode D3 prevents reverse current flow so that the current flow of the charging relay 130-2 is unidirectional.
  • the discharge relay 130-1 is connected to a positive connection terminal of the battery connection unit 100 through a discharge line to provide a positive connection in parallel between the battery connection unit 100 and the plurality of auxiliary cells 120-1 to 120-n.
  • a plurality of auxiliary cells 120-1 to 120-n are charged by connecting a positive parallel connection line to a current to flow from the battery module to the plurality of auxiliary cells 120-1 to 12-n.
  • the common relay 130-3 is connected through a negative connection terminal and a common line of the battery connection unit 100 to provide a negative parallel connection to provide a parallel connection of the negative electrodes of the plurality of auxiliary cells 120-1 to 120-n.
  • a discharge current is provided to the plurality of auxiliary cells 120-1 to 120-n in the battery module to be charged.
  • the charging relay 130-2 is connected to the positive connection terminal of the battery connection unit 100 through a charging line to connect the external charging device with the battery connection unit 100 so that the external charging device charges the battery module.
  • the charging relay 130-2 is connected to the positive connection terminal of the battery connection unit 100 using a charging line, so that the positive electrode of the highest auxiliary cell is connected when the plurality of auxiliary cells 120-1 to 120-n are connected in series.
  • the terminal and the battery connection unit 100 are connected so that the auxiliary cells 120-1 to 120-n connected in series charge the battery module.
  • the common relay 130-3 is connected to the negative connection terminal of the battery connection unit 100 through a common line, and thus the lowest negative terminal and the battery connection unit when the plurality of auxiliary cells 120-1 to 120-n are connected in series.
  • the negative connection terminal of the (100) By connecting the negative connection terminal of the (100) to the charging current is provided to the battery module in the plurality of auxiliary cells (120-1 ⁇ 120-n) to be charged.
  • the current limiting unit 140 is for limiting the amount of current flowing through the current limiting switch (SW40), the inductor (L40), the capacitor (C40) and diode (D40).
  • the current limiting switch SW40 is positioned between the positive connection terminal of the battery connection unit 100 and the discharge relay 130-1 to connect or short-circuit the current output from the battery connection unit 100.
  • the inductor L40 is connected in series with the current limiting switch SW40, and the capacitor C40 is connected in parallel with the current limiting switch to limit current flow.
  • the current limiting by the inductor L40 and the capacitor C40 is performed by the pulse modulation switching operation of the current limiting switch SW40.
  • the inductor (L40) and the capacitor (C40) prevents a rapid current flow.
  • the diode D40 serves to prevent reverse current flow.
  • the auxiliary relay unit 150 includes a positive parallel connection line 150-1, a negative parallel connection line 150-2, a series connection line 150-3, a first auxiliary relay 150-4, and a first auxiliary relay 150-4. It consists of two auxiliary relays 150-5.
  • the anode parallel connection line 150-1 allows the anodes to be connected in parallel when the anodes of the auxiliary cells 120-1 to 120-n are connected.
  • the cathode parallel connection line 150-2 allows the cathodes to be connected in parallel when the cathodes of the auxiliary cells 120-1 to 120-n are connected.
  • the series connection line 150-3 is to provide a series connection between adjacent auxiliary cells 120-1 to 120-n, and between the negative electrode and the positive electrode of the adjacent auxiliary cells 120-1 to 120-n. Located in the adjacent one of the auxiliary cells (120-1 ⁇ 120-n) of the adjacent one is connected and the other is connected to the anode provides a series connection of the adjacent auxiliary cells (120-1 ⁇ 120-n) .
  • the first auxiliary relay 150-4 includes n switches 150-4-1 to 150-4-n corresponding to the anodes of the respective auxiliary cells.
  • one terminal is connected to the positive parallel connection line and the other terminal is positive in the auxiliary cells 120-1 to 120-n when the auxiliary cells are connected in parallel. It is connected to the terminal.
  • the first switch of the first auxiliary relay 150-4 is connected to the charging line of the main relay unit 130, and the second switch is connected to one terminal of the first series connection line.
  • the first switch is connected continuously in such a way that it is connected to the second series connection line.
  • the second auxiliary relay 150-5 includes n switches 150-5-1 to 150-5-n corresponding to each auxiliary cell.
  • the n switches of the second auxiliary relay 150-5 have one terminal connected to the negative parallel line when the auxiliary cells are connected in parallel, and the other terminal is connected to the negative terminals of the auxiliary cells 120-1 to 120-n. Connected.
  • the last switch of the second auxiliary relay 150-5 is connected to the common line of the main relay unit 130, and the first switch is connected to one terminal of the first series connection line.
  • the first switch is connected continuously in such a way that it is connected to the second series connection line.
  • the controller 120 measures the voltage of each battery cell for each of the battery modules or inside the battery module.
  • the controller 120 identifies the battery module or battery cell that needs to be discharged by referring to the measured voltage of the battery module or battery cell.
  • control unit 120 controls the discharge relay 130-1 of the main relay unit 130 as shown in FIG. 2 so that the positive parallel connection line of the auxiliary relay unit 150 is connected to the battery connection unit 100. And the negative relay connecting line of the auxiliary relay unit 150 to be connected to the battery connection unit 100 by controlling the common relay 130-3.
  • controller 120 controls the first auxiliary relay 150-4 so that the positive poles of the plurality of auxiliary cells are connected to the positive parallel connection line, and the second auxiliary relay 150-5 controls the plurality of auxiliary relays. Ensure that the cathode of the cell is connected to the cathode parallel connection line.
  • controller 120 controls the battery connection unit 100 to be connected to the corresponding battery module or battery cell.
  • the battery connection unit 100, the discharge relay 130-1 of the main relay unit 130, the common relay 130-3, and the first auxiliary relay 150-4 and the second of the auxiliary relay unit 150 are provided.
  • a discharge current flows from the battery module or the battery cell to the auxiliary cell to charge the auxiliary cell.
  • the controller 120 may refer to the measured battery module or battery cell voltage to charge a specific battery module or battery cell. Or identify the battery cell.
  • the controller 120 controls the charging relay 130-2 of the main relay unit 130 as shown in FIG. 3 to control the charge relay 130-2 of the first auxiliary relay 150-1 of the auxiliary relay unit 150.
  • the terminal of the first switch and the battery connection unit 100 are connected to each other, and the terminal of the last switch of the second auxiliary relay 150-5 of the auxiliary relay unit 150 is controlled by controlling the common relay 130-3. To be connected to the battery connection unit 100.
  • controller 120 controls the first auxiliary relay 150-4 so that the positive poles of the plurality of auxiliary cells are connected to the series connection line, and the second auxiliary relay 150-5 controls the plurality of auxiliary cells. Make sure the cathode of is connected to the series connection line.
  • controller 120 controls the battery connection unit 100 to be connected to the corresponding battery module or battery cell.
  • the battery connection unit 100, the charging relay 130-2 of the main relay unit 130, the common relay 130-3, and the first auxiliary relay 150-4 and the second of the auxiliary relay unit 150 are provided.
  • the battery module or battery cell charging current flows from the auxiliary cell to charge the battery module or the battery cell.
  • control unit 120 controls the first auxiliary relay and the second auxiliary relay as shown in FIG. 4 so that the main relay unit in a state in which a certain number of auxiliary cells are connected in series in the plurality of auxiliary cells. It can be connected to the corresponding battery cell through
  • the battery cell may be charged to a target voltage.
  • FIG. 5 is a flowchart of a cell balancing method of a battery module according to a first embodiment of the present invention.
  • the controller measures the voltage of each battery cell for each of the battery modules or inside the battery module (S100).
  • the control unit uses a voltage measuring unit (not shown) installed in each of the battery modules or a voltage measuring unit (not shown) installed in each of the battery cells, respectively, for each of the corresponding battery modules or each of the battery cells. The voltage for can be measured.
  • the controller identifies the battery module or the battery cell that needs to be discharged by referring to the measured voltage of the battery module or the battery cell (S110).
  • the determination may be performed by the controller comparing the voltage values of the plurality of battery modules or the battery cells with a reference voltage value that is already set.
  • the controller controls the first auxiliary relay so that the positive poles of the plurality of auxiliary cells are connected to the positive parallel connection line, and the second auxiliary relay controls the negative poles of the plurality of auxiliary cells to be connected to the negative electrode parallel connection line ( S120).
  • the controller controls the discharge relay of the main relay unit so that the positive parallel connection line of the auxiliary relay unit is connected to the battery connection unit, and the negative parallel connection line of the auxiliary relay unit is connected to the battery connection unit by controlling the common relay.
  • the controller controls the battery connection unit to be connected to the corresponding battery module or battery cell (S130).
  • the discharge relay of the main relay part, the common relay, and the first auxiliary relay and the second auxiliary relay part of the battery the battery module or the battery cell is discharged from the battery cell to the auxiliary cell.
  • the controller may refer to the measured voltage of the battery module or the battery cell to refer to the measured battery module or battery cell or battery cell that needs to be charged.
  • the control unit controls the first auxiliary relay so that the positive poles of the plurality of auxiliary cells are connected to the series connection lines, and the second auxiliary relay controls the negative poles of the plurality of auxiliary cells to be connected to the series connection lines (S150). .
  • control unit controls the charging relay of the main relay unit so that one end of the first switch of the first auxiliary relay unit of the auxiliary relay unit and the battery connection unit are connected, and the common relay is controlled to control the charging relay of the second auxiliary relay unit of the auxiliary relay unit. Make sure the terminal on the last switch is connected to the battery connection.
  • the controller controls the battery connection unit to be connected to the corresponding battery module or battery cell (S160).
  • the charging relay of the main relay unit, the common relay, and the first auxiliary relay unit and the second auxiliary relay unit of the battery module or the battery cell charging current in the auxiliary cell Flows to charge the battery module or battery cell.
  • the controller may control the first auxiliary relay and the second auxiliary relay to be connected to the corresponding battery cell through the main relay in a state in which a plurality of auxiliary cells are connected in series in a plurality of auxiliary cells.
  • the battery cell may be charged to a target voltage.
  • control unit 110 control unit

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치에 관한 것으로, 특히 셀 밸런싱시에 방전되는 전류를 회수하여 사용함으로 에너지 절감 효과를 얻을 수 있도록 한 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치에 관한 것으로, n개의 보조셀을 포함하는 보조셀부; 상기 n개의 보조셀을 직렬 연결시키거나 병렬 연결시키는 보조 릴레이부; 상기 보조 릴레이부에 의해 직렬 연결된 보조셀들과 배터리 모듈을 연결시키거나 상기 병렬 연결된 보조셀들을 배터리 모듈과 연결시키는 주릴레이부; 및 상기 보조 릴레이부와 주릴레이부를 제어하는 제어부를 포함하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치 및그 방법이 제공된다.

Description

배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치 및 그 방법
[관련출원의 상호참조]
본 출원은 2012년 11월 30일 출원된 한국특허 출원번호 제10-2012-0138268호를 우선권 주장하고 있으며, 상기 특허 문헌의 내용은 참조를 위해 본 발명에 모두 포함된다.
본 발명은 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 셀 밸런싱시에 방전되는 전류를 회수하여 사용함으로 에너지 절감 효과를 얻을 수 있도록 한 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 화석 에너지의 고갈과 환경오염으로 인해 화석 에너지를 사용하지 않고 전기 에너지를 이용하는 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 대한 관심이 높아지고 있다.
이러한 전기 자동차나 하이브리드 자동차가 주행하기 위해서는 고출력을 요구하는 구동 모터를 구동시켜야 한다. 이를 위해 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 사용되는 배터리는 다수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 배터리 팩으로부터 출력되는 전기를 전원으로 이용하고 있다.
이러한 배터리 팩에 포함되어 있는 다수의 배터리 셀은 안정성과 수명향상, 그리고 고출력을 얻기 위해 각 배터리 셀의 전압을 균일하게 유지할 필요가 있다.
배터리 팩에 포함된 각 배터리 셀의 충전 전압을 균일하게 밸런싱하는 방법에는, 전압이 상대적으로 낮은 배터리 셀에 충전 전류를 공급하여 전압을 상승시키는 방법, 전압이 상대적으로 높은 배터리 셀을 방전시켜 전압을 하강시키는 방법, 각 배터리 셀의 전압으로부터 밸런싱 목표 전압을 정하고 목표 전압보다 전압이 높은 배터리 셀은 방전시키고 목표 전압보다 낮은 배터리 셀은 충전시키는 방법 등이 사용된다.
위와 같은 셀 밸런싱 방법은 각 배터리 셀과 연결된 셀 밸런싱부에 의해 구현된다. 셀 밸런싱부는 셀 밸런싱 동작의 시작과 종료를 제어하는 스위칭 소자와 배터리 셀 전압을 방전시키는 방전 저항을 포함한다.
그런데, 이와 같이 셀 밸런싱부를 이용하여 배터리 셀의 밸런싱을 이루는 과정에서 특히 수동형 셀 밸런싱의 경우에 방전만 하기 때문에 배터리 팩의 전체의 충전량이 바이패스하는 에너지 만큼 줄어들게 되어 에너지 손실이 발생한다.
이와 달리 능동형 셀 밸런싱의 경우에는 효율이 낮고 회로가 복잡하고 스위칭 노이즈 등이 발생하는 문제점이 있다
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 국내공개특허 2011-117992호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배터리 셀에 병렬로 다수개의 보조 셀을 연결하여 셀 밸런싱 과정에서 방전되는 전류를 충전하고, 재사용시에는 보조셀을 직렬로 연결하여 충전 전압을 높여 충전 전류를 발생시킬 수 있는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, n개의 보조셀을 포함하는 보조셀부; 상기 n개의 보조셀을 직렬 연결시키거나 병렬 연결시키는 보조 릴레이부; 상기 보조 릴레이부에 의해 직렬 연결된 보조셀들과 배터리 모듈을 연결시키거나 상기 병렬 연결된 보조셀들을 배터리 모듈과 연결시키는 주릴레이부; 및 상기 보조 릴레이부와 주릴레이부를 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명의 장치는 상기 주릴레이부와 배터리 모듈 사이에 위치하여 상기 제어부의 제어에 의해 상기 주릴레이부와 배터리 모듈을 연결시키는 배터리 연결부를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 장치의 상기 주릴레이부는 상기 보조셀들의 직렬 연결시에는 직렬 연결된 보조셀중의 첫번째 보조셀의 양극과 배터리 모듈의 어느 하나의 출력 단자를 연결시키는 충전 릴레이; 및 상기 보조셀들의 직렬 연결시에는 직렬 연결된 보조셀중의 마지막 보조셀의 음극과 배터리 모듈의 다른 하나의 출력 단자를 연결시키는 공통 릴레이를 포함한다.
또한, 본 발명의 장치의 상기 주릴레이부는 상기 보조셀들의 병렬 연결시에는 보조셀의 양극 단자와 배터리 모듈의 어느 하나의 출력 단자를 연결시키는 방전 릴레이; 및 상기 보조셀들의 병렬 연결시에 보조셀의 음극 단자와 배터리 모듈의 다른 하나의 출력 단자를 연결시키는 공통 릴레이를 포함한다.
또한, 본 발명의 장치의 상기 보조 릴레이부는 상기 보조셀들의 양극들을 서로 연결시키기 위한 양극 병렬 연결 라인; 상기 보조셀들의 음극들을 서로 연결시키기 위한 음극 병렬 연결 라인; 상기 보조셀의 인접하는 서로 다른 극 사이에 위치하는 다수의 직렬 연결 라인; 상기 보조셀들의 병렬 연결시에 각각의 보조셀의 양극과 상기 양극 병렬 연결 라인을 연결시키고, 상기 보조셀의 직렬 연결시에 다수의 직렬 연결 라인과 대응되는 각각의 보조셀의 양극을 연결시키는 제1 보조 릴레이; 및 상기 보조셀들의 병렬 연결시에 각각의 보조셀의 음극과 상기 음극 병렬 연결 라인을 연결시키고, 상기 보조셀의 직렬 연결시에 다수의 직렬 연결 라인과 대응되는 각각의 보조셀의 음극을 연결시키는 제2 보조 릴레이를 포함한다.
또한, 본 발명의 장치는 상기 배터리 모듈과 상기 주릴레이부 사이에 위치하여 펄스 제어 신호에 따라 스위칭하여 전류를 제한하기 위한 전류 제한부를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 장치의 상기 전류 제한부는 배터리 모듈과 주릴레이부 사이에 위치하여 펄스 제어 신호에 따라 스위칭하는 전류 제한용 스위치; 상기 전류 제한용 스위치와 직렬 연결된 인덕터; 및 상기 전류 제한용 스위치와 병렬 연결된 커패시터를 포함한다.
또한, 본 발명의 장치의 상기 주릴레이부는 상기 배터리 모듈의 해당 배터리 셀과 보조셀부의 연결을 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 장치의 상기 보조릴레이부는 상기 보조셀의 직렬 연결시에 일정 개수의 보조셀을 직렬 연결하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 방법은 (A) 제어부가 배터리 모듈들의 전압 상태를 파악하여 방전이 필요한 배터리 모듈의 파악하는 단계; (B) 상기 제어부가 파악된 배터리 모듈을 병렬 연결된 다수의 보조셀로 방전시키는 단계; (C) 상기 제어부는 배터리 모듈들의 전압 상태를 파악하여 충전이 필요한 배터리 모듈의 파악하는 단계; 및 (D) 상기 제어부가 파악된 배터리 모듈을 직렬 연결된 다수의 보조셀로 충전시키는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 방법의 상기 (B) 단계는 (B-1) 제어부가 제1 보조 릴레이를 제어하여 다수의 보조셀의 양극이 양극 병렬 연결 라인에 접속되도록 하고, 제2 보조 릴레이를 제어하여 다수의 보조셀의 음극이 음극 병렬 연결 라인에 접속되도록 하는 단계; (B-2) 상기 제어부가 주릴레이부의 방전 릴레이을 제어하여 보조 릴레이부의 양극 병렬 연결 라인이 배터리 연결부와 연결되도록 하며, 또한 공통 릴레이를 제어하여 보조 릴레이부의 음극 병렬 연결 라인이 배터리 연결부와 연결되도록 하는 단계; 및 (B-3) 상기 제어부가 배터리 연결부를 제어하여 해당 배터리 모듈과 연결되도록 하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 방법의 상기 (D) 단계는 (D-1) 제어부가 제1 보조 릴레이를 제어하여 다수의 보조셀의 양극이 직렬 연결 라인에 접속되도록 하고, 제2 보조 릴레이를 제어하여 다수의 보조셀의 음극이 직렬 연결 라인에 접속되도록 하는 단계; (D-2) 제어부가 주릴레이부의 충전 릴레이을 제어하여 보조 릴레이부의 제1 보조 릴레이의 제1 스위치의 일단자와 배터리 연결부가 연결되도록 하며, 또한 공통 릴레이를 제어하여 보조 릴레이부의 제2 보조릴레이의 마지막 스위치의 단자가 배터리 연결부와 연결되도록 하는 단계; 및 (D-3) 제어부는 배터리 연결부를 제어하여 해당 배터리 모듈과 직렬 연결된 보조셀들이 연결되도록 하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 방법의 상기 (D) 단계에서 상기 제어부는 보조셀들의 직렬 연결시에 일정 개수의 보조셀을 직렬 연결하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 셀 밸런싱 과정에서 방전되는 전류를 보조셀을 이용하여 재사용하도록 하여 에너지 손실을 방지할 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명에 따르면, 다수의 보조셀을 직렬로 변환시켜 충전 전압을 높여서 배터리 셀을 충전할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈로부터 보조셀로 방전시 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 도 1의 보조셀로부터 배터리 모듈의 충전시 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 도 1의 보조셀로부터 배터리 모듈을 목표 전압으로 충전하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법의 흐름을 도시한 도면이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치는 배터리 연결부(100), 제어부(110), 보조셀부(120), 주릴레이부(130), 전류 제한부(140) 및 보조릴레이부(150)를 구비하고 있다.
상기 배터리 연결부(100)는 일측이 주릴레이부(130)의 방전 라인 및 공통 라인과 접속되거나, 또는 충전 라인 및 공통 라인과 접속된다.
그리고, 배터리 연결부(100)의 다른측은 다수의 배터리 모듈의 각각의 양극 단자와 음극 단자에 접속되거나, 배터리 모듈들이 직렬 연결된 경우에 직렬 연결된 배터리 모듈의 최상위 양극 단자와 최하위 음극 단자에 접속된다.
물론 배터리 연결부(100)는 배터리 모듈의 내부의 배터리 셀들이 다수개가 직렬 연결된 경우에 직렬 연결된 배터리 셀들의 최상위 양극 단자와 최하위 음극 단자에 접속된다. 여기에서, 배터리 모듈은 다수의 배터리 셀을 포함하며, 다수의 배터리 셀은 서로 직렬 연결되거나 병렬로 연결되어 양극 단자와 음극 단자를 통하여 외부에 전력을 공급한다.
다음으로, 제어부(110)는 각각의 배터리 모듈의 전압을 측정하여 각각의 배터리 모듈에 대한 셀 밸런싱을 수행한다.
또한, 제어부(110)는 배터리 모듈의 내부의 각각의 배터리 셀에 대한 전압을 측정하여 각각의 배터리 셀에 대한 셀 밸런싱을 수행한다.
상기 제어부(110)가 각각의 배터리 모듈(또는 배터리 셀)에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 방법은 전압이 상대적으로 낮은 배터리 모듈(또는 배터리 셀)에 충전 전류를 공급하여 전압을 상승시키는 방법, 전압이 상대적으로 높은 배터리 모듈(또는 배터리 셀)을 방전시켜 전압을 하강시키는 방법, 각 배터리 모듈(또는 배터리 셀)의 전압으로부터 밸런싱 목표 전압을 정하고 목표 전압보다 전압이 높은 배터리 모듈(또는 배터리 셀)은 방전시키고 목표 전압보다 낮은 배터리 모듈(또는 배터리 셀)은 충전시키는 방법 등이 사용된다.
한편, 보조셀부(120)는 배터리 모듈에서 셀 밸런싱시에 방전되는 전류를 충전하여 이후에 사용하기 위한 것으로 다수의 보조셀(120-1~120-n)을 포함한다.
이러한 보조셀부(120)에 있어서 다수의 보조셀(120-1~120-n)은 보조릴레이부(150)에 의해 직렬 연결되거나 병렬 연결된다.
상기 다수의 보조셀(120-1~120-n)이 병렬 연결될 때에는 상기 배터리 모듈에서 방전되는 전류를 충전하기 위한 경우이고, 직렬 연결될 때에는 상기 배터리 모듈에 충전 전류를 제공하기 위한 경우이다.
그리고, 다수의 보조셀(120-1~120-n)이 직렬 연결되는 경우에는 n개의 보조셀이 모두 연결될 수도 있고, 그중에 일정 수량의 보조셀이 연결될 수도 있다.
이러한 다수의 보조셀(120-1~120-n)의 직렬 연결되는 수량은 직렬 연결에 의해 요구되는 목표 전압에 따라 달라진다.
다음으로, 주릴레이부(130)는 배터리 연결부(100)와 방전 라인 및 공통 라인을 이용하여 연결되어 배터리 연결부(100)와 보조셀부(120)를 연결시키거나, 배터리 연결부(100)와 충전 라인 및 공통 라인을 이용하여 연결되어 배터리 연결부(100)와 보조셀부(120)를 연결시킨다.
이러한 주릴레이부(130)는 방전 릴레이(130-1), 충전 릴레이(130-2) 및 공통 릴레이(130-3)로 이루어져 있다. 여기에서, 방전 릴레이(130-1)는 릴레이 스위치(SW31)를 구비하고 있으며, 충전릴레이(130-2)는 릴레이 스위치(SW32)와 다이오드(D3)를 구비하고 있으며, 공통 릴레이(130-3)는 릴레이 스위치(SW33)를 구비하고 있다. 상기 다이오드(D3)는 역방향 전류 흐름을 방지하여 충전 릴레이(130-2)의 전류 흐름이 단방향을 갖도록 한다.
상기 방전 릴레이(130-1)는 배터리 연결부(100)의 양극 연결 단자에 방전 라인을 통하여 연결되어 배터리 연결부(100)를 다수의 보조셀(120-1~120-n)의 양극 병렬 연결을 제공하는 양극 병렬 연결 라인과 연결시켜 배터리 모듈에서 다수의 보조셀(120-1~12-n)로 전류가 흐르도록 하여 다수의 보조셀(120-1~120-n)이 충전되도록 한다.
이때, 공통 릴레이(130-3)는 배터리 연결부(100)의 음극 연결 단자와 공통 라인을 통해 연결되어 다수의 보조셀(120-1~120-n)의 음극의 병렬 연결을 제공하는 음극 병렬 연결 라인과 배터리 연결부(100)의 음극 연결 단자를 연결시켜 배터리 모듈에서 다수의 보조셀(120-1~120-n)로 방전 전류가 제공되어 충전되도록 한다.
그리고, 충전 릴레이(130-2)는 배터리 연결부(100)의 양극 연결 단자에 충전 라인을 통하여 연결되어 외부 충전 장치를 배터리 연결부(100)와 연결시켜 외부 충전 장치가 배터리 모듈을 충전하도록 한다.
또한, 충전 릴레이(130-2)는 배터리 연결부(100)의 양극 연결 단자에 충전 라인을 이용하여 연결되어 다수의 보조셀(120-1~120-n)의 직렬 연결시에 최상위 보조셀의 양극 단자와 배터리 연결부(100)를 연결시켜 직렬 연결된 보조셀(120-1~120-n)이 배터리 모듈을 충전하도록 한다.
이때, 공통 릴레이(130-3)는 배터리 연결부(100)의 음극 연결 단자와 공통 라인을 통해 연결되어 다수의 보조셀(120-1~120-n)의 직렬 연결시에 최하위 음극 단자와 배터리 연결부(100)의 음극 연결 단자를 연결시켜 다수의 보조셀(120-1~120-n)에서 배터리 모듈로 충전 전류가 제공되어 충전되도록 한다.
한편, 전류 제한부(140)는 흐르는 전류의 양을 제한하기 위한 것으로 전류 제한용 스위치(SW40)와, 인덕터(L40)와, 커패시터(C40) 및 다이오드(D40)로 이루어져 있다.
여기에서, 전류 제한용 스위치(SW40)는 배터리 연결부(100)의 양극 연결 단자와 방전 릴레이(130-1) 사이에 위치하여 배터리 연결부(100)에서 출력되는 전류를 연결하거나 단락시킨다.
그리고, 인덕터(L40)는 상기 전류 제한용 스위치(SW40)에 직렬 연결되어 있고, 커패시터(C40)은 전류 제한용 스위치에 병렬 연결되어 전류 흐름을 제한한다.
이러한 인덕터(L40)와 커패시터(C40)에 의한 전류 제한은 전류제한용스위치(SW40)의 펄스 변조 스위칭 동작에 의해 이루어진다.
즉, 상기 전류 제한용 스위치(SW40)의 온 또는 오프를 일정한 폭이나 주기를 가지는 펄스 제어 신호에 따라 진행하도록 하면 인덕터(L40)와 커패시터(C40)는 급격한 전류 흐름을 방지한다. 여기에서 다이오드(D40)는 역방향 전류 흐름을 방지하는 역할을 한다.
다음으로, 보조 릴레이부(150)는 양극 병렬 연결 라인(150-1), 음극 병렬 연결 라인(150-2), 직렬 연결 라인(150-3), 제1 보조 릴레이(150-4) 및 제2 보조 릴레이(150-5)로 이루어져 있다.
상기 양극 병렬 연결 라인(150-1)은 보조셀(120-1~120-n)의 양극들이 접속되는 경우에 양극들이 병렬 연결되도록 한다.
그리고, 상기 음극 병렬 연결 라인(150-2)은 보조셀(120-1~120-n)의 음극들이 접속되는 경우에 음극들이 병렬 연결되도록 한다.
또한, 직렬 연결 라인(150-3)은 인접하는 보조셀(120-1~120-n) 간의 직렬 연결을 제공하기 위한 것으로 인접하는 보조셀(120-1~120-n)의 음극과 양극 사이에 위치하여 인접하는 보조셀(120-1~120-n)의 어느 하나의 음극이 연결되고 다른 하나가 양극이 연결되면 인접하는 보조셀(120-1~120-n)의 직렬 연결을 제공한다.
그리고, 상기 제1 보조 릴레이(150-4)는 각각의 보조셀의 양극에 대응되는 n개의 스위치(150-4-1~150-4-n)로 이루어져 있다.
상기 제1 보조 릴레이(150-4)의 n개의 스위치는 보조셀의 병렬 연결시에는 하나의 단자가 상기 양극 병렬 연결 라인에 연결되고 다른 단자가 보조셀(120-1~120-n)의 양극 단자와 연결된다.
이와 달리 보조 셀의 직렬 연결시에는 제1 보조 릴레이(150-4)의 첫번째 스위치는 주릴레이부(130)의 충전 라인과 연결되고 2번째 스위치는 첫번째 직렬 연결라인의 일단자와 연결되며, 3번째 스위치는 2번째 직렬 연결 라인에 연결되는 식으로 연속적으로 연결된다.
그리고, 상기 제2 보조 릴레이(150-5)는 각각의 보조셀에 대응되는 n개의 스위치(150-5-1~150-5-n)로 이루어져 있다.
상기 제2 보조 릴레이(150-5)의 n개의 스위치는 보조셀의 병렬 연결시에는 하나의 단자가 음극 병렬 라인에 연결되고 다른 단자가 보조셀(120-1~120-n)의 음극 단자와 연결된다.
이와 달리 보조셀의 직렬 연결시에는 제2 보조 릴레이(150-5)의 마지막 스위치는 주릴레이부(130)의 공통 라인과 연결되고 1번째 스위치는 첫번째 직렬 연결라인의 일단자와 연결되며, 2번째 스위치는 2번째 직렬 연결 라인에 연결되는 식으로 연속적으로 연결된다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
상기 제어부(120)는 배터리 모듈의 각각에 대하여 또는 배터리 모듈 내부의 각각의 배터리 셀의 전압을 측정한다.
그리고, 상기 제어부(120)는 측정된 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전압을 참고하여 방전이 필요한 배터리 모듈 또는 배터리 셀을 파악한다.
이후에, 상기 제어부(120)는 도 2에 도시된 바와 같이 주릴레이부(130)의 방전 릴레이(130-1)를 제어하여 보조 릴레이부(150)의 양극 병렬 연결 라인이 배터리 연결부(100)와 연결되도록 하며, 또한 공통 릴레이(130-3)를 제어하여 보조 릴레이부(150)의 음극 병렬 연결 라인이 배터리 연결부(100)와 연결되도록 한다.
또한, 제어부(120)는 제1 보조 릴레이(150-4)를 제어하여 다수의 보조셀의 양극이 양극 병렬 연결 라인에 접속되도록 하고, 제2 보조 릴레이(150-5)를 제어하여 다수의 보조셀의 음극이 음극 병렬 연결 라인에 접속되도록 한다.
또한, 제어부(120)는 배터리 연결부(100)를 제어하여 해당 배터리 모듈 또는 배터리 셀과 연결되도록 한다.
이처럼, 배터리 연결부(100), 주릴레이부(130)의 방전 릴레이(130-1), 공통 릴레이(130-3) 그리고 보조 릴레이부(150)의 제1 보조 릴레이(150-4)와 제2 보조 릴레이(150-5)를 통하여 해당 배터리 모듈 또는 배터리 셀과 보조셀이 연결되면 배터리 모듈 또는 배터리 셀에서 보조셀로 방전 전류가 흘러 보조셀이 충전된다.
한편, 상기 제어부(120)는 상기 배터리 모듈 또는 배터리 모듈의 각각의 배터리 셀의 전압을 측정한 결과, 측정된 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전압을 참고하여 특정 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 충전이 필요한 배터리 모듈 또는 배터리 셀을 파악한다.
이후에, 상기 제어부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 주릴레이부(130)의 충전 릴레이(130-2)를 제어하여 보조 릴레이부(150)의 제1 보조 릴레이(150-1)의 제1 스위치의 일단자와 배터리 연결부(100)가 연결되도록 하며,또한 공통 릴레이(130-3)를 제어하여 보조 릴레이부(150)의 제2 보조릴레이(150-5)의 마지막 스위치의 단자가 배터리 연결부(100)와 연결되도록 한다.
또한, 제어부(120)는 제1 보조 릴레이(150-4)를 제어하여 다수의 보조셀의 양극이 직렬 연결 라인에 접속되도록 하고, 제2 보조 릴레이(150-5)를 제어하여 다수의 보조셀의 음극이 직렬 연결 라인에 접속되도록 한다.
또한, 제어부(120)는 배터리 연결부(100)를 제어하여 해당 배터리 모듈 또는 배터리 셀과 연결되도록 한다.
이처럼, 배터리 연결부(100), 주릴레이부(130)의 충전 릴레이(130-2), 공통 릴레이(130-3) 그리고 보조 릴레이부(150)의 제1 보조 릴레이(150-4)와 제2 보조 릴레이(150-5)를 통하여 해당 배터리 모듈 또는 배터리 셀과 보조셀이 연결되면 보조셀에서 배터리 모듈 또는 배터리 셀 충전 전류가 흘러 배터리 모듈 또는 배터리 셀이 충전된다.
이와 같은 충전 과정에서 상기 제어부(120)는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제1 보조 릴레이와 제2 보조 릴레이를 제어하여 다수의 보조셀에서 특정 개수의 보조셀이 직렬 연결된 상태에서 상기 주릴레이부를 통하여 해당 배터리 셀과 연결되도록 할 수 있다
이처럼 특정 개수의 보조셀이 다수 연결된 상태에서 상기 주릴레이부를 통하여 해당 배터리 셀과 연결되면 해당 배터리 셀을 목표 전압까지 충전되도록 설정할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 셀 밸런싱 과정에서 방전되는 전류를 보조셀을 이용하여 재사용하도록 하여 에너지 손실을 방지할 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명에 따르면, 다수의 보조셀을 직렬로 변환시켜 충전 전압을 높여서 배터리 셀을 충전할 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법의 흐름도이다.
먼저, 제어부는 배터리 모듈의 각각에 대하여 또는 배터리 모듈 내부의 각각의 배터리 셀의 전압을 측정한다(S100). 이때, 제어부는 배터리 모듈의 각각에 설치되어있는 전압 측정부(미도시)나 배터리 셀의 각각에 설치되어 있는 전압 측정부(미도시)를 이용하여 해당 배터리 모듈의 각각에 대한 또는 배터리 셀의 각각에 대한 전압을 측정할 수 있다.
이처럼 상기 제어부는 측정된 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전압을 참고하여 방전이 필요한 배터리 모듈 또는 배터리 셀을 파악한다(S110). 이러한 파악은 제어부가 다수의 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전압값을 비교하거나 이미 설정된 기준 전압값과 비교하여 수행할 수 있다.
그리고, 제어부는 제1 보조 릴레이를 제어하여 다수의 보조셀의 양극이 양극 병렬 연결 라인에 접속되도록 하고, 제2 보조 릴레이를 제어하여 다수의 보조셀의 음극이 음극 병렬 연결 라인에 접속되도록 한다(S120).
이후에, 상기 제어부는 주릴레이부의 방전 릴레이를 제어하여 보조 릴레이부의 양극 병렬 연결 라인이 배터리 연결부와 연결되도록 하며,또한 공통 릴레이를 제어하여 보조 릴레이부의 음극 병렬 연결 라인이 배터리 연결부와 연결되도록 한다.
또한, 제어부는 배터리 연결부를 제어하여 해당 배터리 모듈 또는 배터리 셀과 연결되도록 한다(S130).
이처럼, 배터리 연결부, 주릴레이부의 방전 릴레이, 공통 릴레이 그리고 보조 릴레이부의 제1 보조 릴레이와 제2 보조 릴레이를 통하여 해당 배터리 모듈 또는 배터리 셀과 보조셀이 연결되면 배터리 모듈 또는 배터리 셀에서 보조셀로 방전 전류가 흘러 보조셀이 충전된다.
한편, 상기 제어부는 상기 배터리 모듈 또는 배터리 모듈의 각각의 배터리 셀의 전압을 측정한 결과, 측정된 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전압을 참고하여 특정 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 충전이 필요한 배터리 모듈 또는 배터리 셀을 파악한다(S140).
그리고, 제어부는 제1 보조 릴레이를 제어하여 다수의 보조셀의 양극이 직렬 연결 라인에 접속되도록 하고, 제2 보조 릴레이를 제어하여 다수의 보조셀의 음극이 직렬 연결 라인에 접속되도록 한다(S150).
이후에, 상기 제어부는 주릴레이부의 충전 릴레이를 제어하여 보조 릴레이부의 제1 보조 릴레이의 제1 스위치의 일단자와 배터리 연결부가 연결되도록 하며,또한 공통 릴레이를 제어하여 보조 릴레이부의 제2 보조릴레이의 마지막 스위치의 단자가 배터리 연결부와 연결되도록 한다.
또한, 제어부는 배터리 연결부를 제어하여 해당 배터리 모듈 또는 배터리 셀과 연결되도록 한다(S160).
이처럼, 배터리 연결부, 주릴레이부의 충전 릴레이, 공통 릴레이 그리고 보조 릴레이부의 제1 보조 릴레이와 제2 보조 릴레이를 통하여 해당 배터리 모듈 또는 배터리 셀과 보조셀이 연결되면 보조셀에서 배터리 모듈 또는 배터리 셀 충전 전류가 흘러 배터리 모듈 또는 배터리 셀이 충전된다.
이와 같은 충전 과정에서 상기 제어부는 상기 제1 보조 릴레이와 제2 보조 릴레이를 제어하여 다수의 보조셀에서 특정 개수의 보조셀이 직렬 연결된 상태에서 상기 주릴레이부를 통하여 해당 배터리 셀과 연결되도록 할 수 있다
이처럼 특정 개수의 보조셀이 다수 연결된 상태에서 상기 주릴레이부를 통하여 해당 배터리 셀과 연결되면 해당 배터리 셀을 목표 전압까지 충전되도록 설정할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 셀 밸런싱 과정에서 방전되는 전류를 보조셀을 이용하여 재사용하도록 하여 에너지 손실을 방지할 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명에 따르면, 다수의 보조셀을 직렬로 변환시켜 충전 전압을 높여서 배터리 셀을 충전할 수 있도록 한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
[부호의 설명]
100 : 배터리 연결부
110 : 제어부
120 : 보조셀부
120-1~120-n : 보조셀
130 : 주릴레이부
130-1 : 방전 릴레이
130-2 : 충전 릴레이
130-3 : 공통 릴레이
140 : 전류 제한부
150 : 보조 릴레이부
150-1 : 양극 병렬 연결 라인
150-2 : 음극 병렬 연결 라인
150-3 : 직렬 연결 라인
150-4, 150-5 : 보조 릴레이

Claims (13)

  1. n개의 보조셀을 포함하는 보조셀부;
    상기 n개의 보조셀을 직렬 연결시키거나 병렬 연결시키는 보조 릴레이부;
    상기 보조 릴레이부에 의해 직렬 연결된 보조셀들과 배터리 모듈을 연결시키거나 상기 병렬 연결된 보조셀들을 배터리 모듈과 연결시키는 주릴레이부; 및
    상기 보조 릴레이부와 주릴레이부를 제어하는 제어부를 포함하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 주릴레이부와 배터리 모듈 사이에 위치하여 상기 제어부의 제어에 의해 상기 주릴레이부와 배터리 모듈을 연결시키는 배터리 연결부를 더 포함하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 주릴레이부는
    상기 보조셀들의 직렬 연결시에는 직렬 연결된 보조셀중의 첫번째 보조셀의 양극과 배터리 모듈의 어느 하나의 출력 단자를 연결시키는 충전 릴레이; 및
    상기 보조셀들의 직렬 연결시에는 직렬 연결된 보조셀중의 마지막 보조셀의 음극과 배터리 모듈의 다른 하나의 출력 단자를 연결시키는 공통 릴레이를 포함하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 주릴레이부는
    상기 보조셀들의 병렬 연결시에는 보조셀의 양극 단자와 배터리 모듈의 어느 하나의 출력 단자를 연결시키는 방전 릴레이; 및
    상기 보조셀들의 병렬 연결시에 보조셀의 음극 단자와 배터리 모듈의 다른 하나의 출력 단자를 연결시키는 공통 릴레이를 포함하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 릴레이부는
    상기 보조셀들의 양극들을 서로 연결시키기 위한 양극 병렬 연결 라인;
    상기 보조셀들의 음극들을 서로 연결시키기 위한 음극 병렬 연결 라인;
    상기 보조셀의 인접하는 서로 다른 극 사이에 위치하는 다수의 직렬 연결 라인;
    상기 보조셀들의 병렬 연결시에 각각의 보조셀의 양극과 상기 양극 병렬 연결 라인을 연결시키고, 상기 보조셀의 직렬 연결시에 다수의 직렬 연결 라인과 대응되는 각각의 보조셀의 양극을 연결시키는 제1 보조 릴레이; 및
    상기 보조셀들의 병렬 연결시에 각각의 보조셀의 음극과 상기 음극 병렬 연결 라인을 연결시키고, 상기 보조셀의 직렬 연결시에 다수의 직렬 연결 라인과 대응되는 각각의 보조셀의 음극을 연결시키는 제2 보조 릴레이를 포함하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 모듈과 상기 주릴레이부 사이에 위치하여 펄스 제어 신호에 따라 스위칭하여 전류를 제한하기 위한 전류 제한부를 더 포함하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전류 제한부는
    배터리 모듈과 주릴레이부 사이에 위치하여 펄스 제어 신호에 따라 스위칭하는 전류 제한용 스위치;
    상기 전류 제한용 스위치와 직렬 연결된 인덕터; 및
    상기 전류 제한용 스위치와 병렬 연결된 커패시터를 포함하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 주릴레이부는 상기 배터리 모듈의 해당 배터리 셀과 보조셀부의 연결을 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조릴레이부는 상기 보조셀의 직렬 연결시에 일정 개수의 보조셀을 직렬 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 장치.
  10. (A) 제어부가 배터리 모듈들의 전압 상태를 파악하여 방전이 필요한 배터리 모듈의 파악하는 단계;
    (B) 상기 제어부가 파악된 배터리 모듈을 병렬 연결된 다수의 보조셀로 방전시키는 단계;
    (C) 상기 제어부는 배터리 모듈들의 전압 상태를 파악하여 충전이 필요한 배터리 모듈의 파악하는 단계; 및
    (D) 상기 제어부가 파악된 배터리 모듈을 직렬 연결된 다수의 보조셀로 충전시키는 단계를 포함하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 (B) 단계는
    (B-1) 제어부가 제1 보조 릴레이를 제어하여 다수의 보조셀의 양극이 양극 병렬 연결 라인에 접속되도록 하고, 제2 보조 릴레이를 제어하여 다수의 보조셀의 음극이 음극 병렬 연결 라인에 접속되도록 하는 단계;
    (B-2) 상기 제어부가 주릴레이부의 방전 릴레이을 제어하여 보조 릴레이부의 양극 병렬 연결 라인이 배터리 연결부와 연결되도록 하며, 또한 공통 릴레이를 제어하여 보조 릴레이부의 음극 병렬 연결 라인이 배터리 연결부와 연결되도록 하는 단계; 및
    (B-3) 상기 제어부가 배터리 연결부를 제어하여 해당 배터리 모듈과 연결되도록 하는 단계를 포함하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 (D) 단계는
    (D-1) 제어부가 제1 보조 릴레이를 제어하여 다수의 보조셀의 양극이 직렬 연결 라인에 접속되도록 하고, 제2 보조 릴레이를 제어하여 다수의 보조셀의 음극이 직렬 연결 라인에 접속되도록 하는 단계;
    (D-2) 제어부가 주릴레이부의 충전 릴레이을 제어하여 보조 릴레이부의 제1 보조 릴레이의 제1 스위치의 일단자와 배터리 연결부가 연결되도록 하며, 또한 공통 릴레이를 제어하여 보조 릴레이부의 제2 보조릴레이의 마지막 스위치의 단자가 배터리 연결부와 연결되도록 하는 단계; 및
    (D-3) 제어부는 배터리 연결부를 제어하여 해당 배터리 모듈과 직렬 연결된 보조셀들이 연결되도록 하는 단계를 포함하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 (D) 단계에서 상기 제어부는 보조셀들의 직렬 연결시에 일정 개수의 보조셀을 직렬 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀 밸런싱 방법.
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