KR20130091692A - 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치는, 배터리 팩과 모터부를 연결하는 도선에 흐르는 전류로부터 유도 전류를 발생시키는 전류 유도부를 포함함으로써 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀에 상기 유도 전류를 공급할 수 있다. 이로 인해, 해당 배터리 셀을 충전시킴으로써 다수개의 배터리 셀 간의 전압 편차를 줄일 수 있으며, 방전(bucking) 방법과 비교할 때 가격 경쟁력도 확보할 수 있다. 또한, 짧은 시간 내에 전압 편차를 줄일 수 있으며, 배터리 팩의 파워를 향상시킬 수 있으며, 배터리 팩의 열화 및 수명 단축을 방지할 수 있다.

Description

배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BALANCING CELL VOLTAGE IN BATTERY PACK}
본 출원은 2012년 2월 8일자로 출원된 한국특허출원 제10-2012-0012708호에 기초한 우선권을 주장하며, 이 출원의 내용 전부는 본 출원에 참조로서 인용된다.
배터리 팩 내의 셀 전압을 밸런싱하는 장치 및 방법이 개시된다. 더욱 상세하게는, 배터리 팩에 전기적으로 연결된 도선에 흐르는 전류에 의하여 발생되는 유도 전류를 이용하여 배터리 팩 내의 셀 간의 전압 편차를 줄일 수 있는 밸런싱 장치 및 방법이 개시된다.
최근 화석 에너지의 고갈과 환경 오염으로 인해 화석 에너지 대신, 전기 에너지를 이용하는 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 대한 관심이 높아지고 있다.
이러한 전기 자동차나 하이브리드 자동차 등에 사용되는 대용량 배터리 팩에는 반복적으로 충방전이 가능한 다수의 배터리 셀이 포함된다. 배터리 팩의 충방전 시에는 각 셀의 충전 상태(State Of Charge, SOC)를 적절히 유지하고 과충전이나 과방전과 같은 이상 상황으로부터 배터리 팩을 보호해야 하며, 예컨대, 셀 전압 측정 장치를 사용하여 각 셀의 전압을 주기적으로 측정하여 모니터링 할 필요성이 있다.
일반적으로 배터리 팩은 다수개의 배터리 셀과, 배터리 셀들의 전압을 감지하는 셀 전압 감지부와, 셀 전압 감지부로부터 얻은 정보를 이용하여 배터리 셀의 과충전 또는 과방전을 방지하고, 용량 등을 계산하는 제어부로 이루어져 있다.
배터리 팩을 이루는 각각의 배터리 셀은 제조 공정상의 여러 가지 이유, 예컨대 내부 저항 등의 재질적 특성 인해 용량 편차가 존재하며, 배터리 팩의 사용 환경에 따른 후발적인 요인, 예컨대, 배터리 셀 내부 임피던스의 변화 등에 의하여 용량 편차가 발생한다. 이에 따라, 충방전 사이클을 통하여 각 배터리 셀에 충전 또는 방전되는 전압에는 편차가 발생한다. 그리고, 이러한 편차는 특정 배터리 셀의 과충전 또는 특정 배터리 셀의 과방전을 야기한다.
또한, 배터리 팩을 이루고 있는 일부 특정한 배터리 셀의 과충전이나 과방전은 배터리 팩의 용량을 감소시킬 뿐만 아니라 배터리 팩을 열화(degrade)시키고, 수명을 단축시킨다.
이와 같이, 특정 배터리 셀의 과충전이나 과방전에 따른 문제점을 해결하기 위하여, 통상적으로 배터리 팩은 직렬 연결된 다수의 배터리 셀의 전압 차이를 최소화하는 밸런싱 회로를 갖는다.
밸런싱 회로는 각 배터리 셀의 전압을 센싱하고, 각 배터리 셀들의 전압이 적정값 이상 차이 날 경우, 전압이 상대적으로 높은 배터리 셀을 강제로 방전시켜, 모든 배터리 셀의 전압을 동일하게 만든다.
보다 상세하게 설명하면, 복수 개의 배터리 셀 중에서 높은 전압을 갖는 배터리 셀에 방전용 저항(Buck 저항)을 연결하여 저항을 통해 배터리가 가지고 있는 에너지의 일부를 소모버림으로써 전체 배터리 팩에 포함된 복수 개의 배터리 셀 사이의 전압 차이를 줄이는 방법을 사용하게 된다.
그러나, 이 방법은 배터리 팩이 갖는 전체 에너지량을 줄인다는 단점과, 방전 시간이 오래 걸린다는 단점이 있으며, 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
복수 개의 배터리 셀 중에서 높은 전압을 갖는 배터리 셀의 전압을 낮추는 방법이므로, 전압 밸런싱을 통하여 충분히 높은 전압을 나타내는 배터리 셀이 낮은 전압을 갖도록 전압이 강하된다. 만약, 어느 하나의 배터리 셀만 전압이 낮고 나머지 대부분의 배터리 셀의 전압이 높다고 하더라도, 전체 배터리 셀은 낮은 전압으로 통일되며, 이러한 경우 특히 배터리 팩의 에너지 손실이 극심하게 된다.
또한, 특정 배터리 셀의 방전이 진행됨에 따라 배터리 셀의 전압은 계속적으로 낮아지게 되는데, 저항값은 고정되어 있으므로 옴의 법칙(V=IR)에 의해 전압이 낮아지면 전류량도 함께 낮아진다. 즉, 방전이 진행됨에 따라 전압과 전류과 함께 감소하게 되고, 방전량은 전압과 전류의 곱에 비례하기 때문에, 방전이 진행됨에 따라 방전효율은 매우 가파르게 낮아지게 된다.
한편, 전압이 높은 배터리 셀을 폐루프로 상대로 만들어서 방전이 일어나게 하기 위하여 통상적으로 스위치 소자가 사용되는데, 스위치 소자는 SSR(Solid State Relay)이 사용되는 경우가 많다. 그러나, SSR은 허용 최대 전류량의 수치가 높지 않아서, SSR을 사용하는 경우, 낮은 전류로 방전을 수행할 수 밖에 없다. 따라서, SSR은 높은 전압을 갖는 배터리 셀을 방전속도를 더욱 느리게 한다는 문제가 있다.
그리고, 방전속도가 느려지면 결국 제한된 시간 내에 적절한 양만큼의 방전이 수행될 수 없고, 불완전하게 방전된 상태에서 배터리 팩이 운용될 수 밖에 없는 문제가 있다.
한국공개특허공보 제10-2009-0123821호
배터리 팩에서 흐르는 전류에 의한 유도 전류를 발생시켜 배터리 팩 내의 셀 간의 전압 편차를 줄일 수 있는 밸런싱 장치 및 방법이 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치는: 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 상기 배터리 팩과 전기적으로 연결되어 전류가 흐를 수 있는 도선; 상기 도선을 감싸는 전류 유도부; 상기 도선에 흐르는 전류에 의하여 상기 전류 유도부에서 발생되는 유도 전류를 각각의 배터리 셀에 선택적으로 공급할 수 있는 복수 개의 스위치를 갖는 스위치부; 및 상기 복수 개의 스위치 중 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀과 연결된 스위치를 작동시키는 제어부;를 포함한다.
바람직하게, 상기 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치는: 상기 복수 개의 배터리 셀의 전압을 모니터링 하며, 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀인 저전압 배터리 셀을 판단하는 모니터링부를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 제어부는 상기 모니터링부에 의하여 검출된 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치를 작동시킨다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀인 저전압 배터리 셀의 전압이 나머지 배터리 셀의 전압에 대응될 때까지 상기 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치를 작동시킨다.
바람직하게, 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀인 저전압 배터리 셀이 복수 개인 경우, 상기 제어부는 각각의 저전압 배터리 셀의 전압이 나머지 배터리 셀의 전압에 대응될 때까지, 각각의 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치를 개별적으로 작동시킨다.
바람직하게, 상기 배터리 셀은 리튬 이차전지이다.
바람직하게, 상기 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치는, 상기 도선을 통해 상기 배터리 팩과 연결되는 모터부를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 전류 유도부는 솔레노이드 코일이다.
바람직하게, 상기 솔레노이드 코일은 도전율이 5.8 x 106 mhos/m 이상인 금속 또는 금속 합금 재질이다.
바람직하게, 상기 스위치는 SSR(Solid State Relay)이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 방법은: 배터리 팩에 포함된 복수 개의 배터리 셀의 전압을 모니터링 하는 단계(S10); 상기 배터리 팩과 전기적으로 연결되어 전류가 흐를 수 있는 도선을 감싸는 전류 유도부에 유도 전류가 발생하는 단계(S20); 및 상기 복수 개의 배터리 셀 중 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀에 상기 유도 전류를 공급하여 상기 복수 개의 배터리 셀의 전압을 균일하게 하는 단계(S30);를 포함한다.
바람직하게, 상기 복수 개의 배터리 셀 각각에는 스위치가 연결되며, 상기 S30단계는, 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀인 저전압 배터리 셀의 전압이 나머지 배터리 셀의 전압에 대응될 때까지 상기 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치가 작동하는 것에 의하여 수행된다.
바람직하게, 상기 저전압 배터리 셀이 복수 개인 경우, 상기 S30단계는, 각각의 저전압 배터리 셀의 전압이 나머지 배터리 셀의 전압에 대응될 때까지 각각의 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치가 개별적으로 작동하는 것에 의하여 수행된다.
바람직하게, 상기 배터리 팩은 상기 도선을 통해 모터부에 연결된다.
바람직하게, 상기 전류 유도부는 솔레노이드 코일이다.
바람직하게, 상기 솔레노이드 코일은 도전율이 5.8 x 106 mhos/m 이상인 금속 또는 금속 합금 재질이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치는, 배터리 팩과 모터부를 연결하는 도선에 흐르는 전류에 의하여 유도 전류가 발생되는 전류 유도부를 포함함으로써 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀에 상기 유도 전류를 공급할 수 있다.
이로 인해, 해당 배터리 셀을 충전시킴으로써 복수 개의 배터리 셀 간의 전압 편차를 줄일 수 있으며, 방전(bucking) 방법을 사용하는 전압 밸런싱 장치와 비교시 가격 경쟁력도 확보할 수 있다.
또한, 짧은 시간 내에 전압 편차를 줄일 수 있으며, 배터리 팩의 파워를 향상시킬 수 있으며, 배터리 팩의 열화 및 수명 단축을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
실시예의 설명에 있어서, 각 팩, 셀, 또는 부 등이 각 팩, 셀, 또는 부 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 측에 따른 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치는, 복수 개의 배터리 셀(110)을 포함하는 배터리 팩(100), 배터리 팩(100)과 전기적으로 연결되어 전류가 흐를 수 있는 도선(200), 도선(200)을 감싸는 전류 유도부(300), 도선(200)에 흐르는 전류에 의하여 전류 유도부(300)에서 발생되는 유도 전류를 각각의 배터리 셀(110)에 선택적으로 공급할 수 있는 복수 개의 스위치를 갖는 스위치부(400), 복수 개의 스위치 중 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀(110)과 연결된 스위치를 작동시키는 제어부(700)을 포함한다.
또한, 본 발명의 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치는, 도선(200)을 통해 배터리 팩(100)과 연결되는 모터부(500), 복수 개의 배터리 셀(110)의 전압을 모니터링 하며 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀(110)인 저전압 배터리 셀을 판단하는 모니터링부(600)를 더 포함할 수 있다.
배터리 팩(100)은 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 및 플러그인 하이브리드 자동차 등의 모터부(500)를 구동시키기 위한 에너지를 공급하는 역할을 한다. 배터리 팩(100)은 복수 개의 배터리 셀들(110)을 포함하며, 이 복수 개의 배터리 셀들(110)은 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬을 병용한 방식에 의하여 서로 전기적으로 연결된다. 배터리 셀(110)은 충전 및 방전이 가능한 이차 전지일 수 있으며, 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
배터리 팩(100)은, 상술한 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 및 플러그인 하이브리드 자동차 등의 운송 수단뿐만 아니라, 파워 툴(Power Tool), 또는 전력 저장용 시스템 등의 중대형 장치 전원으로 다양하게 이용될 수 있다.
배터리 팩(100)과 모터부(500)는 도선(200)에 의하여 전기적으로 연결되어 있으므로, 배터리 팩(100)으로부터의 전류는 도선(200)을 통해 모터부(500)로 이동할 수 있다. 모터부(500)는 배터리 팩(100)으로부터 전달된 전기 에너지를 역학적 에너지로 변환 할 수 있다.
모터부(500)로는 AC 모터 또는 DC 모터가 사용될 수 있으며, 모터부(500)는 전기 자동차 등의 운송 수단 또는 전력 저장용 시스템의 구동을 위한 장치로 다양하게 이용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 배터리 팩(100) 및 모터부(500)를 연결하는 도선(200)에는, 도선(200)을 감싸는 전류 유도부(300)가 구비된다. 전류 유도부(300)는 도선(200)에 흐르는 전류를 이용하여 유도 전류를 발생시킬 수 있으며, 이 전류 유도부(300)로는 도선(200)의 외부를 균일하게 감고 있는 솔레노이드 코일(solenoid coil)이 채용될 수 있다. 도 1에 도시된 것과 같이 전류 유도부(300)는 도선(200)의 일부 가닥을 감싸거나, 도선(200)의 모든 가닥을 감쌀 수 있다.
이하에서는, 상기 전류 유도부(300)에 유도 전류가 발생하는 원리에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
통상적으로 제1 전선의 주위를 코일형상의 제2 전선이 둘러싸고 있는 경우, 제1 전선에 전류를 흘리면 코일형상의 제2 전선이 이루고 있는 원통형 공간의 외부에는 거의 자기장이 형성되지 않고, 원통형 공간의 내부에는 비교적 균일한 크기의 자기장이 형성될 수 있다. 동시에 코일형상의 제2 전선에는 유도 전류가 흐르게 된다.
본 발명의 경우, 도선(200)이 제1 전선에 해당하며, 전류 유도부(300)가 제2 전선에 해당한다. 따라서, 도선(200)에 전류가 흐르면, 전류 유도부(300)에는 유도 전류가 흐르게 된다.
솔레노이드 코일을 이루고 있는 물질 및 형태에 따라 유도 용량이 결정되며, 유도 용량이 클수록 전류 유도부(300)에 흐르는 유도 전류의 크기가 커진다. 그리고 유도 용량의 값은 하기의 식에서 구한 값과 같다.
L = μ0n2lA
L: 유도 용량
μ0: 진공에서의 투자율
n: 단위길이당 감긴 도선의 수
l: 솔레노이드 코일의 길이
A: 솔레노이드 코일의 단면적
이때, 전류 유도부(300), 즉, 솔레노이드 코일은 전기 전도성이 우수한 금속 또는 금속 합금 재질로 형성될 수 있으며, 바람직하게 도전율이 5.8 x 106 mhos/m 이상(예컨대, 5.8 x 106 ~ 6.17 x 107)인 금속 또는 금속 합금으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 솔레노이드 코일은 구리 재질로 형성될 수 있고, 반드시 구리 재질이어야만 하는 것은 아니며, 전기 전도성이 우수한 물질이라면 상기의 예에 제한되지 않는다.
배터리 팩(100)의 충전 및 방전 과정을 통해 배터리 팩(100)과 모터부(500)를 연결하는 도선(200)에 전류가 발생되고, 도선(200) 주위에 형성된 자기력을 통해 솔레노이드 코일로 이루어진 전류 유도부(300)에서 유도 전류가 발생된다. 발생된 유도 전류는 스위치부(400)를 통해 전압이 낮은 배터리 셀(110)에 공급될 수 있다.
이미 설명한 바와 같이, 스위치부(400)는 복수 개의 스위치를 가지며, 이 복수 개의 스위치는, 전류 유도부(300)에서 발생되는 유도 전류를 각각의 배터리 셀(110)에 선택적으로 공급할 수 있다. 그리고, 상기 스위치로는 반도체 계전기인 SSR(Solid State Relay)이 채용될 수 있다. 스위치로 SSR을 사용함으로써 스위칭 수명을 늘릴 수 있으며, 보다 신뢰성 있는 스위칭을 할 수 있다.
한편, 모니터링부(600)는 복수 개의 배터리 셀(110)의 전압을 모니터링하며, 전압 모니터링은 상시 수행되거나, 주기적으로 수행될 수 있다. 반드시 규칙적으로 모니터링이 수행되어야만 하는 것은 아니며 불규칙적으로 모니터링이 수행될 수도 있다. 또한, 모니터링부(600)는 전압이 낮은 배터리 셀(110)인 저전압 배터리 셀을 판단한다.
그리고, 제어부(700)는 상기 모니터링부(600)에 의하여 검출된 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치를 작동시키며, 바람직하게는, 저전압 배터리 셀의 전압이 나머지 배터리 셀의 전압에 대응될 때까지 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치를 작동시킨다.
제어부(700)의 스위치 제어 방식에 대한 이해를 돕기 위하여 이하와 같이 예를 들어 설명하도록 한다.
충전 또는 방전 중인 대부분의 배터리 셀(110)이 20V를 나타내고 있는 상황에서, 특정 배터리 셀이 15V를 나타낸다고 가정한다.
이 경우, 15V를 나타내는 특정 배터리 셀이 저전압 배터리 셀에 해당하며, 모니터링부(600)는 전체 배터리 셀(110) 중 저전압 배터리 셀을 판단하게 된다. 그리고, 제어부(700)는 이 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치를 작동시키게 된다. 이 스위치가 작동하게 되면, 전류 유도부(300)로부터의 유도 전류가 저전압 배터리 셀에 인가되며, 저전압 배터리 셀은 유도 전류에 의하여 충전된다.
모니터링부(600)는 전압 모니터링을 계속적으로 수행하고 있으므로, 상기 저전압 배터리 셀의 전압이 나머지 배터리 셀(110)이 나타내는 전압에 대응되는 전압에 도달하였는지 여부를 알 수 있다. 만약, 상기 저전압 배터리 셀의 전압이 나머지 배터리 셀(110)이 나타내는 전압에 대응되는 전압에 도달하게 되면, 제어부는 상기 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치의 작동을 정지시키게 되고, 결국, 저전압 배터리 셀을 포함한 모든 배터리 셀(110)의 전압이 서로 대응되게 된다.
여기서, 배터리 셀(110)의 '전압이 서로 대응된다'는 것은 배터리 셀(110) 간의 전압이 서로 동일한 것을 의미할 수 있다. 다만, '전압이 서로 대응된다'는 것이, 전압이 수학적으로 완벽하게 동일한 수치를 나타내는 경우만을 한정하는 것은 아니며, 보다 포괄적인 의미를 나타내는 것이다. 예컨대, 각 배터리 셀(110)의 전압이 20V가 되어야 할 경우, 모든 배터리 셀(110)의 전압이 정확히 20V가 되는 경우뿐만 아니라, 전압들 간에 통상적으로 허용되는 차이가 있는 경우도 '전압이 서로 대응된다'의 의미에 포함된다. 만약, 0.1V의 전압 차이는 배터리 팩(100)의 운용상 허용되는 수치라면, 각 배터리 셀(110)의 전압이 19.9V~20.1V의 범위 내에 있다면 각 배터리 셀(110)의 전압은 서로 대응되는 것이다.
지금까지는, 제어부(700)가 단 하나의 저전압 배터리 셀을 제어하는 것에 대하여 설명하였으나, 저전압 배터리 셀은 복수 개일 수도 있다. 이 경우, 제어부(700)는 각각의 저전압 배터리 셀의 전압이 나머지 배터리 셀의 전압에 대응될 때까지, 각각의 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치를 개별적으로 작동시키게 된다.
예컨대, 각 배터리 셀(110)의 전압이 20V가 되어야 하며, 제1 저전압 배터리 셀은 17V를 나타내고, 제2 저전압 배터리 셀은 15V를 나타내고 있는 상황을 가정해 보기로 한다.
이 경우, 제어부(700)는, 제1 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치와 제2 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치를 작동시키게 된다. 이 스위치가 작동하게 되면, 전류 유도부(300)로부터의 유도 전류가 제1 저전압 배터리 셀과 제2 저전압 배터리 셀에 인가되며, 제1 저전압 배터리 셀과 제2 저전압 배터리 셀이 모두 유도 전류에 의하여 충전된다.
제1 저전압 배터리 셀이 제2 저전압 배터리 셀보다 높은 전압을 나타내고 있었기 때문에, 제1 저전압 배터리 셀이 먼저 20V로 충전될 것이며, 제1 저전압 배터리 셀의 전압이 나머지 배터리 셀(110)의 전압인 20V에 대응되면 제어부(700)는 제1 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치를 작동 정지시킨다. 이 때에도 제2 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치는 계속 작동하고 있는 상태로 유지된다.
이어서, 제2 저전압 배터리 셀의 전압이 나머지 배터리 셀(110)의 전압인 20V에 대응되면 제어부(700)는 제2 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치를 작동 정지시킨다.
이와 같이, 제어부(700)는 각각의 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치를 개별적으로 작동시키는 것에 의하여, 모든 배터리 셀(110)의 전압을 서로 대응시킬 수 있다.
3개 이상의 저전압 배터리 셀이 존재하는 경우의 제어부(700)의 제어 방식은 상술한 예시를 통하여 당업자가 충분히 예상할 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 이미 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치에 대한 설명에서 밸런싱 방법에 관한 내용이 구체적으로 설명되어 있으나, 이하에서는 도 2를 참조하여, 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 방법을 요약적으로 설명하도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 방법은, 배터리 팩(100)에 포함된 복수 개의 배터리 셀(110)의 전압을 모니터링 하는 단계(S10); 배터리 팩(100)과 전기적으로 연결되어 전류가 흐를 수 있는 도선(200)을 감싸는 전류 유도부(300)에 유도 전류가 발생하는 단계(S20); 및 복수 개의 배터리 셀(110) 중 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀에 유도 전류를 공급하여 복수 개의 배터리 셀(110)의 전압을 균일하게 하는 단계(S30);를 포함한다.
상기 S10, S20, S30단계가 시계열적으로 나열된 것은 아니다. S10단계는 배터리 팩(100)이 충방전되는 동안 계속적으로 수행될 수 있고, S20단계도 도선(200)에 전류가 흐르는 동안에 계속적으로 수행될 수 있다. 다만, S30단계는 저전압 배터리 셀이 있는 경우에만 수행된다.
복수 개의 배터리 셀(110) 각각에는 스위치가 연결되어 있으며, S30단계는, 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀인 저전압 배터리 셀의 전압이 나머지 배터리 셀(110)의 전압에 대응될 때까지 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치가 작동하는 것에 의하여 수행된다.
저전압 배터리 셀이 복수 개인 경우라면, 상기 S30단계는, 각각의 저전압 배터리 셀의 전압이 나머지 배터리 셀(110)의 전압에 대응될 때까지 각각의 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치가 개별적으로 작동하는 것에 의하여 수행된다.
더욱 상세하게 설명하면, 모니터링부(600)를 통해 배터리 팩(100) 내의 배터리 셀(110)의 전압이 모니터링 되며, 나머지 배터리 셀(110)에 비해 상대적으로 전압이 낮은 저전압 배터리 셀이 검출된다.
모니터링부(600)는 저전압 배터리 셀의 정보를 제어부(700)에 전달한다.
제어부(700)는 스위치부(400)를 통해 전류 유도부(300)로부터 공급된 유도 전류를 제어할 수 있으며, 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치만을 작동하여 저전압 배터리 셀에만 유도 전류가 공급될 수 있도록 한다. 유도 전류를 공급받은 저전압 배터리 셀은 유도 전류에 의하여 충전되어 나머지 배터리 셀(110)들과 대응되는 전압을 갖게 된다.
이 때, 저전압 배터리 셀은 복수 개 존재할 수 있다. 이 경우, 복수 개의 저전압 배터리 셀에 유도 전류가 모두 공급되며, 이 중에서 특정 저전압 배터리 셀이 더 이상 유도 전류에 의한 충전이 필요하지 않게 되면 그 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치의 작동은 정지된다. 따라서, 각각의 저전압 배터리 셀의 유도 전류에 의한 충전완료 시점은 각각 개별적으로 제어될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치는, 배터리 팩(100)과 모터부(500)를 연결하는 도선(200)에 흐르는 전류로부터 유도 전류를 발생시키는 전류 유도부(300)를 포함함으로써 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀에 유도 전류를 공급할 수 있다.
이로 인해, 해당 배터리 셀을 충전시킴으로써 다수개의 배터리 셀(110) 간의 전압 편차를 줄일 수 있으며, 방전(bucking) 방법과 비교할 때 가격 경쟁력도 확보할 수 있다. 또한, 짧은 시간 내에 전압 편차를 줄일 수 있으며, 배터리 팩(100)의 파워를 향상시킬 수 있고, 배터리 팩(100)의 열화 및 수명 단축을 방지할 수 있다.
한편, 종래기술의 방전용 저항(Buck 저항)을 사용하여 배터리 셀(110)의 전압을 밸런싱 하는 방법은 높은 전압을 갖는 배터리 셀(110)의 전압을 낮추는 방법을 사용하므로, 전체 배터리 팩(100)의 에너지량을 줄인다는 단점이 있었다. 그러나, 본 발명의 경우, 전압이 높은 배터리 셀(110)에 대응되는 전압이 되도록 전압이 낮은 배터리 셀의 전압을 높이는 방법을 사용하기 때문에 배터리 팩(100) 전체의 에너지를 증가시킨다는 장점이 있다.
또한, 전압이 낮은 배터리 셀을 충전시키기 위한 에너지원은 전류가 흐르는 도선(200)에 의하여 전류 유도부(300) 발생하는 유도 전류이므로, 배터리 팩(100) 자체로부터 충전을 위한 에너지를 끌어올 필요가 없다는 장점이 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 배터리 팩 110 : 배터리 셀
200 : 도선 300 : 전류 유도부
400 : 스위치부 500 : 모터부
600 : 모니터링부 700 : 제어부

Claims (16)

  1. 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩;
    상기 배터리 팩과 전기적으로 연결되어 전류가 흐를 수 있는 도선;
    상기 도선을 감싸는 전류 유도부;
    상기 도선에 흐르는 전류에 의하여 상기 전류 유도부에서 발생되는 유도 전류를 각각의 배터리 셀에 선택적으로 공급할 수 있는 복수 개의 스위치를 갖는 스위치부; 및
    상기 복수 개의 스위치 중 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀과 연결된 스위치를 작동시키는 제어부;를 포함하는 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 배터리 셀의 전압을 모니터링 하며, 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀인 저전압 배터리 셀을 판단하는 모니터링부를 더 포함하는 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 모니터링부에 의하여 검출된 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치를 작동시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀인 저전압 배터리 셀의 전압이 나머지 배터리 셀의 전압에 대응될 때까지 상기 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치를 작동시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀인 저전압 배터리 셀이 복수 개인 경우, 상기 제어부는 각각의 저전압 배터리 셀의 전압이 나머지 배터리 셀의 전압에 대응될 때까지, 각각의 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치를 개별적으로 작동시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도선을 통해 상기 배터리 팩과 연결되는 모터부를 더 포함하는 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전류 유도부는 솔레노이드 코일인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 솔레노이드 코일은 도전율이 5.8 x 106 mhos/m 이상인 금속 또는 금속 합금 재질인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스위치는 SSR(Solid State Relay)인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 장치.
  11. 배터리 팩에 포함된 복수 개의 배터리 셀의 전압을 모니터링 하는 단계(S10);
    상기 배터리 팩과 전기적으로 연결되어 전류가 흐를 수 있는 도선을 감싸는 전류 유도부에 유도 전류가 발생하는 단계(S20); 및
    상기 복수 개의 배터리 셀 중 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀에 상기 유도 전류를 공급하여 상기 복수 개의 배터리 셀의 전압을 균일하게 하는 단계(S30);를 포함하는 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수 개의 배터리 셀 각각에는 스위치가 연결되며,
    상기 S30단계는, 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀인 저전압 배터리 셀의 전압이 나머지 배터리 셀의 전압에 대응될 때까지 상기 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치가 작동하는 것에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 저전압 배터리 셀이 복수 개인 경우, 상기 S30단계는, 각각의 저전압 배터리 셀의 전압이 나머지 배터리 셀의 전압에 대응될 때까지 각각의 저전압 배터리 셀에 연결된 스위치가 개별적으로 작동하는 것에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 상기 도선을 통해 모터부에 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 전류 유도부는 솔레노이드 코일인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 솔레노이드 코일은 도전율이 5.8 x 106 mhos/m 이상인 금속 또는 금속 합금 재질인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 내의 셀 전압 밸런싱 방법.
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