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WO2018088685A1 - 배터리 팩 - Google Patents

배터리 팩 Download PDF

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WO2018088685A1
WO2018088685A1 PCT/KR2017/010129 KR2017010129W WO2018088685A1 WO 2018088685 A1 WO2018088685 A1 WO 2018088685A1 KR 2017010129 W KR2017010129 W KR 2017010129W WO 2018088685 A1 WO2018088685 A1 WO 2018088685A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cell
discharge
cell balancing
circuit
cells
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2017/010129
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김화수
트래뜨니그토마스
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
Samsung SDI Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung SDI Co Ltd filed Critical Samsung SDI Co Ltd
Priority to US16/347,540 priority Critical patent/US11411255B2/en
Publication of WO2018088685A1 publication Critical patent/WO2018088685A1/ko
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • An embodiment relates to a battery pack.
  • Green vehicles use high voltage batteries to store electrical energy from a variety of energy sources.
  • the battery may not only pollute the environment when the remaining charge is left, but when the battery terminal is connected by a conductor such as a piece of metal while the remaining charge remains, heat may be generated to explode the battery or cause a fire.
  • the technical problem to be solved by the embodiment is to provide a battery pack that can completely discharge the battery quickly and safely.
  • a battery pack includes a battery including a plurality of cells, a cell balancing circuit including a discharge circuit for each of the plurality of cells, and a control signal input from an external source.
  • a controller for outputting a full discharge instruction signal, a mechanical switch for outputting a second full discharge signal by mechanical operation, and each cell through the discharge circuit when the first full discharge signal and the second full discharge signal are received.
  • a cell balancing controller that controls the cell balancing circuit so that a full discharge of the cell is performed.
  • the cell balancing controller may control the cell balancing circuit so that the full discharge is performed only on the remaining cells except the abnormal cells among the plurality of cells.
  • the cell balancing circuit may further include a plurality of voltage sensors that detect cell voltages of the plurality of cells, and the cell balancing controller may detect the abnormal cell based on the cell voltage detected by the voltage sensor. .
  • the controller may detect an abnormal cell among the plurality of cells and transfer information about the abnormal cell to the cell balancing controller.
  • the cell balancing controller may control the cell balancing circuit such that complete discharge using the discharge circuit is sequentially performed on the plurality of cells.
  • the cell balancing controller may divide the plurality of cells into a plurality of cell groups, and control the cell balancing circuit so that a time point at which complete discharge using the discharge circuit starts is different between the plurality of cell groups.
  • the cell balancing circuit further includes a plurality of voltage sensors for detecting cell voltages of each of the plurality of cells, and the cell balancing controller is configured to use the discharge circuit for each cell in accordance with the cell voltage of each cell.
  • the cell balancing circuit may be controlled to have a different starting point of discharge.
  • the cell balancing controller may control the cell balancing circuit to terminate the complete discharge using the discharge circuit for a cell having a discharge current less than a predetermined value.
  • the cell balancing controller may control the cell balancing circuit to end the complete discharge using the discharge circuit for the cell where the cell voltage reaches the discharge end voltage.
  • the controller may set the discharge end voltage based on a control signal received from the outside.
  • the discharge end voltage may be a discharge end voltage of each cell.
  • the discharge end voltage may be set based on an operating voltage of the cell balancing controller.
  • the discharge circuit may include a discharge resistor and a switch forming a discharge path of each cell, and the cell balancing controller may control the switch to control complete discharge of each cell.
  • the cell balancing controller may control the cell balancing circuit to perform cell balancing to mitigate the voltage difference between the plurality of cells when cell balancing is requested.
  • FIG. 1 and 2 schematically illustrate a battery pack according to an embodiment.
  • FIG. 3 schematically illustrates a method of completely discharging a battery pack according to an exemplary embodiment.
  • Electrically connecting two components includes not only connecting the two components directly, but also connecting the two components via other components.
  • Other components may include switches, resistors, capacitors, and the like.
  • the expression “connecting”, when there is no expression “directly connecting”, means to connect electrically.
  • FIG. 1 and 2 schematically illustrate a battery pack according to an embodiment.
  • a battery pack 10 includes a battery 100, a cell balancing circuit 110, a cell balancing controller 120, a controller 130, and a mechanical switch 140. can do.
  • the battery 100 may be a high voltage battery including a plurality of cells cell1, ce112, cell3, and cell4 connected in series with each other.
  • each cell may be a secondary battery capable of charging and discharging.
  • Secondary batteries used as cells include nickel-cadmium batteries, lead-acid batteries, nickel metal hydride batteries (NiMH), lithium-ion batteries, and lithium polymer batteries. battery) and the like.
  • the battery 100 includes four cells as an example, but the present invention is not limited thereto, and the number of cells included in the battery 100 may correspond to that of the battery pack 10. Can be changed according to design specifications.
  • the cell balancing circuit 110 includes a discharge circuit for each of the plurality of cells cell1, ce112, cell3, and cell4 constituting the battery 100, and the plurality of cells cell1, ce112, cell3, and cell4 through the discharge circuit. Performs a cell balancing operation to alleviate the voltage difference.
  • the cell balancing circuit 110 may include a plurality of discharge resistors R1, R2, R3, and R4 and a plurality of switches SW1, SW2, SW3, and SW4. Each of the discharge resistors R1, R2, R3, and R4 and the switches SW1, SW2, SW3, and SW4 are connected between both ends of each of the cells cell1, ce112, cell3, and cell4, and each cell (cell1, ce112, cell3). , to form a discharge path of cell4).
  • the switches SW1, SW2, SW3, and SW4 open or close the discharge paths of the cells cell1, ce112, cell3, and cell4.
  • a discharge current flows through the discharge path for the discharge resistors R1, R2, R3, and R4 to discharge the corresponding cell.
  • the switches SW1, SW2, SW3, and SW4 may be controlled by the cell balancing controller 120.
  • the cell balancing circuit 110 may further include a plurality of voltage sensors S1, S2, S3, and S4.
  • Each voltage sensor S1, S2, S3, S4 may be connected between both ends of each cell cell1, ce112, cell3, cell4 and used to detect the cell voltage of each cell (cell1, ce112, cell3, cell4). have.
  • the cell balancing controller 120 When the cell balancing controller 120 receives a signal indicating the cell balancing from the controller 130, the cell balancing controller 120 based on the voltage, current, and state of charge (SOC) of each of the cells cell1, ce112, cell3, and cell4.
  • SOC state of charge
  • the cell balancing circuit 110 may be controlled to perform cell balancing on the cells cell1, ce112, cell3, and cell4.
  • the discharging function of the cell balancing circuit 110 may be used for fast and safe full discharge of the battery 100 when the battery pack 10 is disposed of.
  • the full discharge function of the battery 100 should only be operated at the time of disposal, and may cause serious problems in case of malfunction. For example, if the full discharge function malfunctions due to a communication error or the like while the vehicle on which the battery pack 10 is mounted may be a serious threat to vehicle safety.
  • the cell balancing controller 120 in order to minimize an error in the process of transmitting the full discharge instruction to the cell balancing circuit 110, the cell balancing controller 120 finally controls the cell balancing circuit 110. Allow operation to be determined.
  • the cell balancing controller 120 may control the full discharge function of the cell balancing circuit 110 to operate only when receiving a signal indicating a complete discharge from a plurality of devices that are completely independent of each other because there is no correlation.
  • the cell balancing controller 120 may control the full discharge function of the cell balancing circuit 110 to operate only when a signal indicating a full discharge is received from both the controller 130 and the mechanical switch 140. have.
  • the controller 130 When the controller 130 requests a full discharge of the battery pack 10 from a device 20 (for example, an electronic control unit (ECU) in a vehicle) external to the battery pack 10, the controller 130 completely discharges the battery 100.
  • the signal indicating may be transferred to the cell balancing controller 120.
  • the controller 130 may receive a complete discharge request from the external device 20 through a communication line such as a controller area network (CAN) bus.
  • the controller 130 may transmit a signal indicating the complete discharge of the battery 100 to the cell balancing controller 120 through a communication line.
  • CAN controller area network
  • the mechanical switch 140 is located outside the battery pack 10 and can be operated by mechanical manipulation. When the mechanical switch 140 is manually operated by the user, the mechanical switch 140 may transmit a signal indicating the complete discharge to the cell balancing controller 120.
  • the mechanical switch 140 may be disposed outside the battery pack 10 to facilitate a user's manipulation. As the mechanical switch 140, a jumper switch or the like may be used.
  • the cell balancing controller 120 When the cell balancing controller 120 receives a signal indicating full discharge from both the controller 130 and the mechanical switch 140, the cell balancing controller 120 switches the full discharge function of the plurality of cells cell1, cell2, cell3, and cell4 to operate. Drive (SW1, SW2, SW3, SW4).
  • Each cell (cell1, cell2, cell3, cell4) may be exposed to risks such as fire if continuously discharged due to the chemical properties. Therefore, the cell balancing controller 120 stops the full discharge to ensure safety for the cells that reach a predetermined state while performing the full discharge using the cell balancing circuit 110 to discard the battery pack 10. Can be.
  • the cell balancing controller 120 may end the complete discharge for a cell whose current flowing through the discharge resistor during the complete discharge using the cell balancing circuit 110 is less than the discharge end current.
  • the cell balancing controller 120 may detect a current flowing through the discharge resistors R1, R2, R3, and R4 for each of the plurality of cells cell1, cell2, cell3, and cell4 (not shown). It may further include.
  • the cell balancing controller 120 may end the complete discharge for the cell in which the cell voltage reaches the discharge end voltage during the complete discharge using the cell balancing circuit 110.
  • the cell balancing controller 120 is a cell of each cell (cell1, cell2, cell3, cell4) through a plurality of voltage sensors (S1, S2, S3, S4) during the full discharge function of the cell balancing circuit 110 Voltage can be continuously monitored.
  • the discharge end voltage as a reference for stopping the complete discharge of each cell can be set to the discharge final voltage of each cell (cell1, cell2, cell3, cell4) have.
  • the discharge termination voltage may be set differently according to the specification of the battery 100.
  • the discharge end voltage as a reference for stopping the complete discharge of each of the cells cell1, cell2, cell3, and cell4 may be set corresponding to the operating voltage of the cell balancing controller 120.
  • the discharge end voltage is set as the discharge end voltage when the operating voltage of the cell balancing controller 120 and the discharge end voltage of each cell (cell1, cell2, cell3, cell4) are 10V and 2V, respectively.
  • the discharge path of each cell (cell1, cell2, cell3, cell4) is opened to stop the complete discharge. Therefore, when the operating voltage of the cell balancing controller 120 is greater than the sum of the discharge end voltages of each of the cells cell1, cell2, cell3, and cell4, the discharge end voltage corresponds to the operating voltage of the cell balancing controller 120. Can be set.
  • the discharge end voltage serving as a reference for stopping the complete discharge of each of the cells cell1, cell2, cell3, and cell4 may be set by the controller 130.
  • the controller 130 may set the discharge end voltage based on a control signal received from the outside.
  • the cell balancing controller 120 may terminate the discharge by opening a switch on the discharge path for the cell determined to satisfy the complete discharge termination condition.
  • a process of detecting an abnormal cell among the plurality of cells cell1, cell2, cell3, and cell4 may be performed before performing a full discharge using the cell balancing circuit 110.
  • a complete discharge using the cell balancing circuit 110 may be performed only on a normal cell except for the abnormal cell among the plurality of cells cell1, cell2, cell3, and cell4.
  • the process of detecting an abnormal cell among the plurality of cells cell1, cell2, cell3, and cell4 may be performed by the cell balancing controller 120.
  • the cell balancing controller 120 may detect the cell voltage of each cell (cell1, cell2, cell3, cell4) through the voltage sensors (S1, S2, S3, S4), and may detect the abnormal cell based on this.
  • the process of detecting an abnormal cell among the plurality of cells cell1, cell2, cell3, and cell4 may be performed by the controller 130.
  • the controller 130 detects an abnormal cell among a plurality of cells (cell1, cell2, cell3, cell4), and transmits information on the abnormal cell when transmitting a signal indicating a complete discharge. You can also send.
  • the full discharge function using the cell balancing circuit 110 may be sequentially operated on the plurality of cells cell1, cell2, cell3, and cell4.
  • the cell balancing controller 120 divides the plurality of cells (cell1, cell2, cell3, cell4) into a plurality of cell groups, so that the time points at which complete discharge using the cell balancing circuit 110 is different between the cell groups are different. Can be controlled.
  • the cell balancing controller 120 detects the cell voltage of each cell cell1, cell2, cell3, and cell4 through the voltage sensors S1, S2, S3, and S4, and according to the cell voltage, each cell (cell1, cell2, Cell 3 and cell 4 may be controlled to have different timings at which complete discharge starts using the cell balancing circuit 110. For example, the higher the cell voltage, the faster the complete discharge time can be controlled.
  • the battery pack 10 may further include an output device 150 such as a buzzer or a light emitting device.
  • the cell balancing controller 120 may output a complete discharge state through the output device 150 when the complete discharge function using the cell balancing circuit 110 is performed.
  • the cell balancing controller 120 may output that the complete discharge is completed through a sound output device such as a buzzer when all of the cells (cell1, cell2, cell3, cell4) is completed.
  • the cell balancing controller 120 may control the lighting of a light emitting device such as an LED to display a complete discharge state of each cell (cell1, cell2, cell3, cell4).
  • the cell balancing controller 120 may transmit a full discharge state to an upper controller (not shown) or display (not shown) such as an ECU of a vehicle through a communication line when the full discharge function using the cell balancing circuit 110 is performed. .
  • the cell balancing controller 120 or the controller 130 may be performed by a processor implemented by one or more central processing units (CPUs), microprocessors, or other chipsets. have.
  • FIG. 3 schematically illustrates a method of completely discharging a battery pack according to an exemplary embodiment.
  • the cell balancing controller 120 of the battery pack 10 receives a signal indicating full discharge from both the controller 130 and the mechanical switch 140 (S110).
  • the complete discharge function using the balancing circuit 110 is executed (S120).
  • step S120 the cell balancing controller 120 controls the switches SW1, SW2, SW3, and SW4 of the cell balancing circuit 110 to close the discharge path, thereby discharging the discharge resistors R1, R2, R3, and R4. This allows full discharge to be performed.
  • the cell balancing controller 120 may control the cell balancing circuit 110 to operate the full discharge function using the cell balancing circuit only for the normal cell among the plurality of cells cell1, cell2, cell3, and cell4. have. In this case, the cell balancing controller 120 may further perform the step of determining the abnormal cell of the plurality of cells (cell1, cell2, cell3, cell4) before the step S120.
  • the cell balancing controller 120 continuously monitors the states of the plurality of cells (cell1, cell2, cell3, cell4) when the complete discharge starts, so that the state of each cell (cell1, cell2, cell3, cell4) is the complete discharge termination condition. It is determined whether to satisfy (S130).
  • the cell balancing controller 120 may determine that the complete discharge end condition is satisfied when the discharge current of each cell cell1, cell2, cell3, or cell4 is less than the discharge end current. For example, the cell balancing controller 120 may determine that the complete discharge end condition is satisfied when the cell voltage of each cell cell1, cell2, cell3, cell4 reaches the discharge end voltage.
  • the cell balancing controller 120 switches the switches SW1, SW2, SW3, to terminate the full discharge using the cell balancing circuit 110 when the state of each cell cell1, cell2, cell3, or cell4 satisfies the complete discharge termination condition. SW4) are opened (S140).
  • the complete discharge complete state is output through the output device 150 or the complete discharge is output to the upper controller (S150).
  • the battery is completely discharged by using the cell balancing circuit, so that it is possible to safely discharge the battery safely in a state where the battery pack is mounted in the system without a separate discharge device.
  • the cell balancing circuit by continuously flowing the maximum current available using the cell balancing circuit, there is an effect that the complete discharge time can be shortened.

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Abstract

배터리 팩은, 복수의 셀을 포함하는 배터리, 상기 복수의 셀 각각에 대한 방전 회로를 포함하는 셀 밸런싱 회로, 외부로부터 입력되는 제어신호에 기초하여 제1 완전 방전 지시 신호를 출력하는 제어기, 기계적인 조작에 의해 제2 완전 방전 신호를 출력하는 기계적 스위치, 및 상기 제1 완전 방전 신호 및 상기 제2 완전 방전 신호가 수신되면, 상기 방전 회로를 통해 각 셀의 완전 방전이 실행되도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어하는 셀 밸런싱 제어기를 포함할 수 있다.

Description

배터리 팩
실시 예는 배터리 팩에 관한 것이다.
최근 CO2 규제 등 환경 규제가 강화됨에 따라 친환경 차량에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에 따라 자동차 회사들은 하이브리드(Hybrid) 차량이나 플러그인 하이브리드(Plug-in Hybrid) 차량뿐만 아니라, 순수 전기 차량 또는 수소 차량에 대해 연구 및 제품 개발을 활발히 진행하고 있다.
친환경 차량에는 다양한 에너지원으로부터 얻어지는 전기 에너지를 저장하기 위해 고전압 배터리가 적용된다.
배터리는 충전 잔량이 남아 있는 경우 환경을 오염시킬 수 있을 뿐만 아니라 충전 잔량이 남은 상태에서 금속조각 등 전도체에 의해 배터리 단자가 연결되는 경우 열이 발생하여 배터리가 폭발하거나 화재가 발생할 우려가 있다.
따라서, 배터리의 폐기시 매우 주의해야 할 필요가 있으며, 폐기하기 전에 배터리를 완전 방전 시켜 안정적인 상태로 만드는 것이 중요하다.
실시 예를 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는 빠르고 안전하게 배터리를 완전 방전시킬 수 잇는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위한 실시 예에 따른 배터리 팩은, 복수의 셀을 포함하는 배터리, 상기 복수의 셀 각각에 대한 방전 회로를 포함하는 셀 밸런싱 회로, 외부로부터 입력되는 제어신호에 기초하여 제1 완전 방전 지시 신호를 출력하는 제어기, 기계적인 조작에 의해 제2 완전 방전 신호를 출력하는 기계적 스위치, 및 상기 제1 완전 방전 신호 및 상기 제2 완전 방전 신호가 수신되면, 상기 방전 회로를 통해 각 셀의 완전 방전이 실행되도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어하는 셀 밸런싱 제어기를 포함할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 제어기는, 상기 복수의 셀 중 이상 셀을 제외한 나머지 셀에 대해서만 상기 완전 방전이 실행되도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 회로는 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압을 검출하는 복수의 전압 센서를 더 포함하며, 상기 셀 밸런싱 제어기는, 상기 전압 센서를 통해 검출되는 셀 전압을 토대로 상기 이상 셀을 검출할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 복수의 셀 중 이상 셀을 검출하여, 상기 이상 셀에 대한 정보를 상기 셀 밸런싱 제어기로 전달할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 제어기는, 상기 복수의 셀에 대해 순차적으로 상기 방전 회로를 이용한 완전 방전이 실행되도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 제어기는, 상기 복수의 셀을 복수의 셀 그룹으로 구분하고, 상기 복수의 셀 그룹 간에 상기 방전 회로를 이용한 완전 방전이 시작되는 시점이 서로 다르도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 회로는 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압을 검출하는 복수의 전압 센서를 더 포함하며, 상기 셀 밸런싱 제어기는, 상기 각 셀의 셀 전압에 따라서 상기 각 셀에 대해 상기 방전 회로를 이용한 완전 방전이 시작되는 시점이 다르도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 제어기는, 방전 전류가 소정 치 미만인 셀에 대해서는 상기 방전 회로를 이용한 완전 방전을 종료하도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 제어기는, 셀 전압이 방전 종료 전압에 도달한 셀에 대해서는 상기 방전 회로를 이용한 완전 방전을 종료하도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어할 수 있다.
상기 제어기는 외부로부터 수신되는 제어 신호에 기초하여 상기 방전 종료 전압을 설정할 수 있다.
상기 방전 종료 전압은 상기 각 셀의 방전 종지 전압일 수 있다.
상기 방전 종료 전압은 상기 셀 밸런싱 제어기의 작동 전압에 기초하여 설정될 수 있다.
상기 방전 회로는, 상기 각 셀의 방전 경로를 형성하는 방전 저항 및 스위치를 포함하며, 상기 셀 밸런싱 제어기는 상기 스위치를 제어하여 상기 각 셀의 완전 방전을 제어할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 제어기는, 셀 밸런싱이 요청되면 상기 복수의 셀 간 전압차를 완화시키는 셀 밸런싱을 수행하도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어할 수 있다.
실시 예에 따른 배터리의 폐기를 위한 완전 방전 시 안전성 확보가 가능하고, 완전 방전 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 실시 예에 따른 배터리 팩의 완전 방전 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 여러 실시 예들에 대하여 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 실시 예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.
실시 예들을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 붙이도록 한다. 따라서 이전 도면에 사용된 구성요소의 참조 번호를 다음 도면에서 사용할 수 있다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 실시 예들은 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께 및 영역을 과장하여 나타낼 수 있다.
2개의 구성요소를 전기적으로 연결한다는 것은 2개의 구성요소를 직접(directly) 연결할 경우뿐만 아니라, 2개의 구성요소 사이에 다른 구성요소를 거쳐서 연결하는 경우도 포함한다. 다른 구성요소는 스위치, 저항, 커패시터 등을 포함할 수 있다. 실시 예들을 설명함에 있어서 연결한다는 표현은, 직접 연결한다는 표현이 없는 경우에는, 전기적으로 연결한다는 것을 의미한다.
이하, 필요한 도면들을 참조하여 실시 예에 따른 배터리 팩에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 배터리 팩(10)은 배터리(100), 셀 밸런싱 회로(110), 셀 밸런싱 제어기(120), 제어기(130) 및 기계적 스위치(140)를 포함할 수 있다.
배터리(100)는 서로 직렬 연결되는 복수의 셀(cell1, ce112, cell3, cell4)을 포함하는 고전압 배터리일 수 있다. 또한, 각 셀은 충방전이 가능한 이차 전지일 수 있다. 셀로 사용되는 이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등이 포함될 수 있다.
한편, 도 2에서는 배터리(100)가 4개의 셀을 포함하는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 본 발명은 이로 한정되는 것은 아니어서, 배터리(100)에 포함되는 셀의 개수는 배터리 팩(10)의 설계 사양에 따라서 변경이 가능하다.
셀 밸런싱 회로(110)는 배터리(100)를 구성하는 복수의 셀(cell1, ce112, cell3, cell4) 각각에 대한 방전 회로를 포함하며, 방전 회로를 통해 복수의 셀(cell1, ce112, cell3, cell4) 간의 전압 차를 완화하는 셀 밸런싱 동작을 수행한다.
셀 밸런싱 회로(110)는 복수의 방전 저항(R1, R2, R3, R4) 및 복수의 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)를 포함할 수 있다. 각 방전 저항(R1, R2, R3, R4) 및 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)는, 각 셀(cell1, ce112, cell3, cell4)의 양단 사이에 연결되어 각 셀(cell1, ce112, cell3, cell4)의 방전 경로를 형성한다.
스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)는 각 셀(cell1, ce112, cell3, cell4)의 방전 경로를 개방하거나 닫는 기능을 수행한다. 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)에 의해 방전 경로가 닫히면, 방전 저항(R1, R2, R3, R4)에 위해 방전 경로로 방전 전류가 흘러 대응하는 셀이 방전된다.
스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)는 셀 밸런싱 제어기(120)에 의해 제어될 수 있다.
셀 밸런싱 회로(110)는 복수의 전압 센서(S1, S2, S3, S4)를 더 포함할 수 있다. 각 전압 센서(S1, S2, S3, S4)는 각 셀(cell1, ce112, cell3, cell4)의 양단 사이에 연결되어 각 셀(cell1, ce112, cell3, cell4)의 셀 전압을 검출하기 위해 사용될 수 있다.
셀 밸런싱 제어기(120)는 제어기(130)로부터 셀 밸런싱을 지시하는 신호가 수신되면, 각 셀(cell1, ce112, cell3, cell4)의 전압, 전류, 충전 상태(state of charge, SOC)를 토대로 복수의 셀(cell1, ce112, cell3, cell4)에 대한 셀 밸런싱이 수행되도록 셀 밸런싱 회로(110)를 제어할 수 있다.
실시 예에서는, 배터리 팩(10)의 폐기 시 배터리(100)의 빠르고 안전한 완전 방전을 위해 셀 밸런싱 회로(110)의 방전 기능을 이용할 수 있다.
배터리(100)의 완전 방전 기능은 폐기 시에만 동작해야 하며, 오작동 시 심각한 문제를 초래할 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩(10)이 장착된 차량이 주행 중 통신 오류 등으로 인해 완전 방전 기능이 오작동할 경우, 차량 안전에 심각한 위협이 될 수 있다.
따라서, 실시 예에서는 셀 밸런싱 회로(110)로 완전 방전 지시를 전달하는 과정에서의 오류를 최소화하기 위해, 셀 밸런싱 회로(110)를 최종적으로 제어하는 셀 밸런싱 제어기(120)에 의해 완전 방전 기능의 작동 여부가 결정되도록 한다. 또한, 셀 밸런싱 제어기(120)는 상호 연관 관계가 없어 서로 완전히 독립된 복수의 장치로부터 완전 방전을 지시하는 신호를 수신하는 경우에만 셀 밸런싱 회로(110)의 완전 방전 기능이 동작하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 셀 밸런싱 제어기(120)는 제어기(130)와 기계적 스위치(140) 모두에게서 완전 방전을 지시하는 신호를 수신하는 경우에만 셀 밸런싱 회로(110)의 완전 방전 기능이 동작하도록 제어할 수 있다.
제어기(130)는 배터리 팩(10) 외부의 장치(20)(예를 들어, 차량 내 ECU(electronic control unit))로부터 배터리 팩(10)의 완전 방전이 요청되면, 배터리(100)의 완전 방전을 지시하는 신호를 셀 밸런싱 제어기(120)로 전달할 수 있다. 제어기(130)는 CAN(controller area network) 버스 등의 통신선을 통해 외부 장치(20)로부터 완전 방전 요청을 수신할 수 있다. 또한, 제어기(130)는 통신선을 통해 배터리(100)의 완전 방전을 지시하는 신호를 셀 밸런싱 제어기(120)로 전송할 수 있다.
기계적 스위치(140)는 배터리 팩(10) 외부에 위치하며, 기계적인 조작에 의해 작동할 수 있다. 기계적 스위치(140)는 사용자에 의해 수동으로 조작되면, 완전 방전을 지시하는 신호를 셀 밸런싱 제어기(120)로 전송할 수 있다. 기계적 스위치(140)는 사용자의 조작이 용이하도록 배터리 팩(10)의 외부에 배치될 수 있다. 기계적 스위치(140)는 점퍼 스위치(jumper switch) 등이 사용될 수 있다.
셀 밸런싱 제어기(120)는 제어기(130)와 기계적 스위치(140) 모두에게서 완전 방전을 지시하는 신호가 수신되면, 복수의 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)에 대한 완전 방전 기능이 작동하도록 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)를 구동한다.
각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)은 화학적 특성으로 인해 지속적으로 방전 시킬 경우 화재 등의 위험에 노출될 수 있다. 따라서, 셀 밸런싱 제어기(120)는 배터리 팩(10)의 폐기를 위해 셀 밸런싱 회로(110)를 이용한 완전 방전을 실행하는 중에, 소정 상태에 도달한 셀에 대해서는 안전성 확보를 위해 완전 방전을 중단할 수 있다.
예를 들어, 셀 밸런싱 제어기(120)는 셀 밸런싱 회로(110)를 이용한 완전 방전 중 방전 저항을 흐르는 전류가 방전 종료 전류 미만인 셀에 대해서는 완전 방전을 종료할 수 있다. 이 경우, 셀 밸런싱 제어기(120)는 복수의 셀(cell1, cell2, cell3, cell4) 각각에 대해 방전 저항(R1, R2, R3, R4)을 흐르는 전류를 검출할 수 있는 전류 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
또한, 예를 들어, 셀 밸런싱 제어기(120)는 셀 밸런싱 회로(110)를 이용한 완전 방전 중 셀 전압이 방전 종료 전압에 도달한 셀에 대해서는 완전 방전을 종료할 수도 있다. 이 경우, 셀 밸런싱 제어기(120)는 셀 밸런싱 회로(110)의 완전 방전 기능 작동 중 복수의 전압 센서(S1, S2, S3, S4)를 통해 각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 셀 전압을 지속적으로 모니터링할 수 있다.
각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 완전 방전을 중단하기 위한 기준이 되는 방전 종료 전압은, 각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 방전 종지 전압(discharge final voltage)으로 설정될 수 있다. 방전 종지 전압은, 배터리(100)의 사양에 따라 다르게 설정될 수 있다.
각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 완전 방전을 중단하기 위한 기준이 되는 방전 종료 전압은, 셀 밸런싱 제어기(120)의 작동 전압에 대응하여 설정될 수도 있다. 예를 들어, 셀 밸런싱 제어기(120)의 작동 전압과 각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 방전 종지 전압이 각각 10V, 2V인 상태에서 방전 종지 전압을 방전 종료 전압으로 설정한 경우, 각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 셀 전압이 방전 종료 전압에 도달하기 전에 배터리(100)의 전압이 셀 밸런싱 제어기(120)의 작동 전압보다 낮아져 셀 밸런싱 제어기(120)의 동작이 멈추는 상황이 발생할 수 있다. 셀 밸런싱 제어기(120)의 작동이 멈출 경우, 각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 방전 경로가 개방되어 완전 방전이 중단될 수 있다. 따라서, 각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 방전 종지 전압을 모두 합한 전압보다 셀 밸런싱 제어기(120)의 작동 전압이 큰 경우, 방전 종료 전압은 셀 밸런싱 제어기(120)의 작동 전압에 대응하여 설정될 수 있다.
각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 완전 방전을 중단하기 위한 기준이 되는 방전 종료 전압은, 제어기(130)에 의해 설정될 수도 있다. 이 경우, 제어기(130)는 외부로부터 수신되는 제어 신호에 기초하여 방전 종료 전압을 설정할 수 있다.
셀 밸런싱 제어기(120)는 완전 방전 종료 조건을 만족한 것으로 판단되는 셀에 대해서는, 방전 경로 상의 스위치를 오픈하여 방전을 종료할 수 있다.
이상 셀의 경우 완전 방전을 위한 지속적인 방전은 화재 발생 등을 초래할 수 있다. 따라서, 실시 예에서는 셀 밸런싱 회로(110)를 이용한 완전 방전을 수행하기 전에, 복수의 셀(cell1, cell2, cell3, cell4) 중 이상 셀을 검출하는 과정을 수행할 수 있다. 그리고, 복수의 셀(cell1, cell2, cell3, cell4) 중 이상 셀을 제외한 정상 셀에 대해서만 셀 밸런싱 회로(110)를 이용한 완전 방전이 수행되도록 제어할 수 있다.
복수의 셀(cell1, cell2, cell3, cell4) 중 이상 셀을 검출하는 과정은 셀 밸런싱 제어기(120)에 의해 수행될 수 있다. 셀 밸런싱 제어기(120)는 전압 센서(S1, S2, S3, S4)를 통해 각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 셀 전압을 검출하고, 이를 토대로 이상 셀을 검출 할 수 있다.
복수의 셀(cell1, cell2, cell3, cell4) 중 이상 셀을 검출하는 과정은 제어기(130)에 의해 수행될 수도 있다. 이 경우, 제어기(130)는 외부로부터 완전 방전이 요청되면 복수의 셀(cell1, cell2, cell3, cell4) 중 이상 셀을 검출하고, 완전 방전을 지시하는 신호 송신 시, 이상 셀에 대한 정보를 함께 전송할 수도 있다.
배터리(100)를 구성하는 셀의 개수가 많을 경우, 모든 셀에 대해 동시에 셀 밸런싱 회로(110)를 이용한 완전 방전 기능을 작동시킬 경우, 방전 전류의 크기가 너무 커서 화재 등의 위험에 노출될 수 있다. 따라서, 실시 예에서는 복수의 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)에 대해 순차적으로 셀 밸런싱 회로(110)를 이용한 완전 방전 기능을 작동시킬 수 있다.
셀 밸런싱 제어기(120)는, 복수의 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)을 복수의 셀 그룹으로 구분하고, 셀 그룹 간에는 셀 밸런싱 회로(110)를 이용한 완전 방전이 시작되는 시점이 서로 다르도록 제어할 수 있다.
셀 밸런싱 제어기(120)는, 전압 센서(S1, S2, S3, S4)를 통해 각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 셀 전압을 검출하고, 셀 전압에 따라서 각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)에 대해 셀 밸런싱 회로(110)를 이용한 완전 방전이 시작되는 시점이 서로 다르도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 셀 전압이 높은 셀일수록 완전 방전 시점이 빠르도록 제어할 수 있다.
배터리 팩(10)은 부저, 발광장치 등의 출력장치(150)를 더 포함할 수 있다. 셀 밸런싱 제어기(120)는, 셀 밸런싱 회로(110)를 이용한 완전 방전 기능이 수행되면, 출력장치(150)를 통해 완전 방전 상태를 출력할 수 있다.
예를 들어, 셀 밸런싱 제어기(120)는 모든 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)에 대해 완전 방전이 완료되면, 부저(buzzer) 등의 음향출력장치를 통해 완전 방전이 완료되었음을 출력할 수 있다. 예를 들어, 셀 밸런싱 제어기(120)는 LED 등의 발광장치의 점등을 제어하여 각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 완전 방전 상태를 표시할 수도 있다.
셀 밸런싱 제어기(120)는, 셀 밸런싱 회로(110)를 이용한 완전 방전 기능이 수행되면, 통신선을 통해 차량의 ECU 등 상위 제어기(미도시) 또는 디스플레이(미도시)로 완전 방전 상태를 전달할 수도 있다.
전술한 구조의 배터리 팩(10)에서 셀 밸런싱 제어기(120) 또는 제어기(130)는 하나 이상의 중앙 처리 유닛(central processing unit, CPU)이나 마이크로프로세서, 기타 칩셋 등으로 구현되는 프로세서에 의해 수행될 수 있다.
도 3은 실시 예에 따른 배터리 팩의 완전 방전 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 실시 예에 따른 배터리 팩(10)의 셀 밸런싱 제어기(120)는 제어기(130) 및 기계적 스위치(140) 모두로부터 완전 방전을 지시하는 신호가 수신됨에 따라(S110), 셀 밸런싱 회로(110)를 이용한 완전 방전 기능 실행시킨다(S120).
상기 S120 단계에서, 셀 밸런싱 제어기(120)는 셀 밸런싱 회로(110)의 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)를 제어하여 방전 경로를 닫음으로써, 방전 저항(R1, R2, R3, R4)에 의해 완전 방전이 수행되도록 할 수 있다.
상기 S120 단계에서, 셀 밸런싱 제어기(120)는 복수의 셀(cell1, cell2, cell3, cell4) 중 정상 셀에 대해서만 셀 밸런싱 회로를 이용한 완전 방전 기능이 작동하도록 셀 밸런싱 회로(110)를 제어할 수 있다. 이 경우, 셀 밸런싱 제어기(120)는, 상기 S120 단계 이전에 복수의 셀(cell1, cell2, cell3, cell4) 중 이상 셀을 판정하는 단계를 추가로 수행할 수 있다.
셀 밸런싱 제어기(120)는 완전 방전이 시작되면, 복수의 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 상태를 지속적으로 모니터링하여 각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 상태가 완전 방전 종료 조건을 만족하는지를 판단한다(S130).
예를 들어, 셀 밸런싱 제어기(120)는 각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 방전 전류가 방전 종료 전류 미만이면, 완전 방전 종료 조건을 만족한 것으로 판단할 수 있다. 또한, 예를 들어, 셀 밸런싱 제어기(120)는 각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 셀 전압이 방전 종료 전압에 도달하면, 완전 방전 종료 조건을 만족한 것으로 판단할 수 있다.
셀 밸런싱 제어기(120)는 각 셀(cell1, cell2, cell3, cell4)의 상태가 완전 방전 종료 조건을 만족하면, 셀 밸런싱 회로(110)를 이용한 완전 방전을 종료하도록 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)들을 개방한다(S140).
그리고, 출력장치(150)를 통해 완전 방전 완료 상태를 출력하거나, 완전 방전이 완료되었음을 상위 제어기로 출력한다(S150).
전술한 실시 예에 따르면 셀 밸런싱 회로를 이용하여 배터리의 완전 방전을 수행함으로써, 별도의 방전 장치 없이 배터리 팩이 시스템에 장착된 상태에서 배터리를 안전하게 완전 방전 시키는 것이 가능하다. 또한, 셀 밸런싱 회로를 이용하여 가용할 수 있는 최대 전류를 연속적으로 흘려 보냄으로써, 완전 방전 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
(부호의 설명)
10: 배터리 팩
100: 배터리
110: 셀 밸런싱 회로
120: 셀 밸런싱 제어기
130: 제어기
140: 기계적 스위치
150: 출력장치

Claims (14)

  1. 복수의 셀을 포함하는 배터리,
    상기 복수의 셀 각각에 대한 방전 회로를 포함하는 셀 밸런싱 회로,
    외부로부터 입력되는 제어신호에 기초하여 제1 완전 방전 지시 신호를 출력하는 제어기,
    기계적인 조작에 의해 제2 완전 방전 신호를 출력하는 기계적 스위치, 및
    상기 제1 완전 방전 신호 및 상기 제2 완전 방전 신호가 수신되면, 상기 방전 회로를 통해 각 셀의 완전 방전이 실행되도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어하는 셀 밸런싱 제어기를 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 제어기는, 상기 복수의 셀 중 이상 셀을 제외한 나머지 셀에 대해서만 상기 완전 방전이 실행되도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 회로는 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압을 검출하는 복수의 전압 센서를 더 포함하며,
    상기 셀 밸런싱 제어기는, 상기 전압 센서를 통해 검출되는 셀 전압을 토대로 상기 이상 셀을 검출하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 이상 셀을 검출하여, 상기 이상 셀에 대한 정보를 상기 셀 밸런싱 제어기로 전달하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 제어기는, 상기 복수의 셀에 대해 순차적으로 상기 방전 회로를 이용한 완전 방전이 실행되도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 제어기는, 상기 복수의 셀을 복수의 셀 그룹으로 구분하고, 상기 복수의 셀 그룹 간에 상기 방전 회로를 이용한 완전 방전이 시작되는 시점이 서로 다르도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어하는 배터리 팩.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 회로는 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압을 검출하는 복수의 전압 센서를 더 포함하며,
    상기 셀 밸런싱 제어기는, 상기 각 셀의 셀 전압에 따라서 상기 각 셀에 대해 상기 방전 회로를 이용한 완전 방전이 시작되는 시점이 다르도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어하는 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 제어기는, 방전 전류가 소정 치 미만인 셀에 대해서는 상기 방전 회로를 이용한 완전 방전을 종료하도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어하는 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 제어기는, 셀 전압이 방전 종료 전압에 도달한 셀에 대해서는 상기 방전 회로를 이용한 완전 방전을 종료하도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어기는 외부로부터 수신되는 제어 신호에 기초하여 상기 방전 종료 전압을 설정하는 배터리 팩.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 방전 종료 전압은 상기 각 셀의 방전 종지 전압인 배터리 팩.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 방전 종료 전압은 상기 셀 밸런싱 제어기의 작동 전압에 기초하여 설정되는 배터리 팩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 방전 회로는, 상기 각 셀의 방전 경로를 형성하는 방전 저항 및 스위치를 포함하며,
    상기 셀 밸런싱 제어기는 상기 스위치를 제어하여 상기 각 셀의 완전 방전을 제어하는 배터리 팩.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 제어기는, 셀 밸런싱이 요청되면 상기 복수의 셀 간 전압차를 완화시키는 셀 밸런싱을 수행하도록 상기 셀 밸런싱 회로를 제어하는 배터리 팩.
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