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KR101136151B1 - 이차 전지 - Google Patents

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KR101136151B1
KR101136151B1 KR1020100007460A KR20100007460A KR101136151B1 KR 101136151 B1 KR101136151 B1 KR 101136151B1 KR 1020100007460 A KR1020100007460 A KR 1020100007460A KR 20100007460 A KR20100007460 A KR 20100007460A KR 101136151 B1 KR101136151 B1 KR 101136151B1
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relay
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박종두
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Abstract

본 발명에서는 전지셀의 전압을 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 이차 전지가 개시된다.
일 예로, 복수의 전지셀을 구비하고, 상기 전지셀의 전압을 각각 측정하는 이차 전지에 있어서, 상기 전지셀에 연결되어 상기 전지셀의 전압을 순차적으로 저장하는 용량성 소자와, 상기 전지셀과 용량성 소자의 사이에서 상기 전지셀을 상기 용량성 소자에 순차적으로 연결하는 릴레이와, 및 상기 용량성 소자에 연결되어 상기 전지셀의 전압을 인가받고, 상기 전지셀의 전압을 컨버팅하는 A/D 컨버터를 포함하는 이차 전지가 개시된다.

Description

이차 전지{Secondary Battery}
본 발명은 이차 전지에 관한 것이다.
통상적으로, 이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지를 의미한다. 이러한 이차 전지는 소형의 경우 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고, 대형의 경우 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 모터를 구동하기 위해 사용되고 있다. 특히, 전기 자동차 등에 사용되는 경우, 전지셀이 갖는 용량의 한계 때문에 여러 개의 전지셀을 직병렬로 연결하여 하나로 묶어서 제조하고 있다.
그런데 하나의 이차 전지를 구성하는 전지셀들은 각각 특성이 조금씩 다르기 때문에 동일한 충방전 조건이라고 하더라도 동일한 출력을 제공할 수 없다. 따라서, 전지셀들을 밸런싱하여 전지셀의 수명을 증가시키기 위한 여러 노력들이 이루어지고 있다.
본 발명은 전지셀의 전압을 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차 전지는 복수의 전지셀을 구비하고, 상기 전지셀의 전압을 각각 측정하는 이차 전지에 있어서, 상기 전지셀에 연결되어 상기 전지셀의 전압을 순차적으로 저장하는 용량성 소자; 상기 전지셀과 용량성 소자의 사이에서 상기 전지셀을 상기 용량성 소자에 순차적으로 연결하는 릴레이; 및 상기 용량성 소자에 연결되어 상기 전지셀의 전압을 인가받고, 상기 전지셀의 전압을 컨버팅하는 A/D 컨버터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 릴레이는 상기 용량성 소자에 저장된 전지셀의 전압을 상기 A/D 컨버터가 컨버팅한 이후, 다음 전지셀을 상기 용량성 소자에 연결할 수 있다.
그리고 상기 릴레이는 상기 용량성 소자의 방전을 수행하지 않고, 상기 전지셀을 연속적으로 연결하여 상기 전지셀의 전압을 상기 용량성 소자에 저장할 수 있다.
또한, 상기 전지셀의 각각에는 과충전된 전지셀을 선택하는 제 1 스위칭 소자 및 상기 제 1 스위칭 소자에 직렬로 연결되어 상기 과충전된 전지셀을 방전시키는 저항성 소자가 더 연결될 수 있다.
또한, 상기 용량성 소자의 양단에는 기준 전압원 및 상기 기준 전압원에 직렬로 연결된 제 2 스위칭 소자가 연결될 수 있다.
또한, 상기 제 2 스위칭 소자는 상기 용량성 소자에 상기 전지셀의 전압이 인가되기 이전에 턴온되어, 상기 기준 전압원의 기준 전압을 상기 용량성 소자에 저장할 수 있다.
또한, 상기 기준 전압원의 기준 전압은 상기 전지셀의 전압보다 높을 수 있다.
또한, 상기 릴레이는 옵티컬 모스 릴레이(Optical MOS Relay)로 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 이차 전지는 용량성 소자가 연속적으로 연결되는 전지셀의 전압값을 저장하도록 하여 별도의 방전 동작을 구비하지 않음으로써, 전지셀의 전압 측정을 빠르게 수행할 수 있고, 방전 경로에서 발생할 수 있는 누설 전류를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 이차 전지는 전지셀의 전압이 인가되기 전에 기준 전압원으로 용량성 소자를 초기화함에 따라 전지셀의 전압 측정을 보다 빠르고 정확하게 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 시스템 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 사용되는 센싱부를 확대 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 사용되는 센싱부를 도시한 회로도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에서 전지셀의 전압을 측정하는 과정을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 센싱부를 구성하는 용량성 소자의 양단 전압을 시간에 따라 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지에 사용되는 센싱부를 확대 도시한 구성도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지에서 전지셀의 전압을 측정하는 과정을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 센싱부를 구성하는 용량성 소자의 양단 전압을 시간에 따라 도시한 것이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 시스템 구성도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 사용되는 센싱부를 확대 도시한 구성도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 사용되는 센싱부를 도시한 회로도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 배터리 관리 시스템(1)과 전지팩(2)을 포함한다. 또한, 전류 라인(3), 전류 센서(4), 냉각팬(5)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템(1)은 전지팩(2)의 충전 및 방전하거나 보호하기 위한 여러 구성을 포함한다. 상기 배터리 관리 시스템(1)은 센싱부(10), 모터 컨트롤 유닛(Motor Control Unit, MCU, 20), 내부 전원 공급부(30), 셀 밸런싱부(40), 저장부(50), 통신부(60), 보호회로부(70), 파워온 리셋부(80), 외부 인터페이스(90)를 포함할 수 있다.
상기 센싱부(10)는 전지팩(2)의 전체 전압, 상기 전지팩(2)을 구성하는 서브팩(210 내지 280)의 개별적 전압 및 상기 서브팩(210 내지 280)을 구성하는 전지셀(211 내지 285)의 개별적 전압을 감지할 수 있다. 또한, 상기 센싱부(10)는 상기 전지셀(211 내지 285)의 온도 및 주변 온도를 측정할 수 있다. 이를 위해, 상기 센싱부(10)는 제어부(110)에 연결된 셀전압 측정부(120), 팩전압 측정부(130), 팩전류 측정부(140), 온도 측정부(150)를 포함할 수 있다. 또한, 셀전압 측정부(130), 팩전압 측정부(130) 및 팩전류 측정부(140)에서 측정된 전지셀의 전압, 서브팩의 전압 및 서브팩의 전류는 A/D 컨버터(160)에 인가되어 컨버팅되어, 상기 모터 컨트롤 유닛(20)으로 인가된다.
그 중에서도, 상기 셀전압 측정부(120)는 전지셀(211 내지 285)을 각각 측정하기 위하여, 전지셀(211 내지 285) 각각에 연결된 릴레이(RL), 상기 릴레이(RL)에 연결되어 전지셀(211 내지 285)의 전압을 인가받아 상기 A/D 컨버터(160)에 인가하는 용량성 소자(C)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 릴레이(RL)는 상기 전지셀(211 내지 285) 중에서 전압을 측정하고자 하는 것을 선택한다. 상기 릴레이(RL)는 상기 전지셀(211 내지 285)을 순차적으로 상기 용량성 소자(C)와 연결하여, 상기 용량성 소자(C)로부터 전압이 측정되도록 한다. 상기 릴레이(RL)은 옵티컬 모스 릴레이(Optical MOS Relay)로 이루어질 수 있으며, 상기 전지셀(211 내지 285)을 상기 용량성 소자(C)에 연속적으로 연결한다. 이 때, 상기 용량성 소자(C)는 방전됨이 없이, 연속적으로 연결되는 전지셀(211 내지 285)의 전압값을 저장하고 있게 된다. 따라서, 별도의 방전이 필요 없으므로, 전지셀(211 내지 285)의 전압 측정이 빠르게 이루어질 수 있고, 방전 경로에서 발생할 수 있는 누설 전류를 방지할 수 있다.
상기 모터 컨트롤 유닛(20)은 상기 센싱부(10)로부터 전달받은 전압값 및 온도값들에 기초하여, 상기 배터리(2)의 SOC(state of charging) 및 SOH(state of health)를 판단한다. 상기 모터 컨트롤 유닛(20)은 상기 배터리 팩(2)의 충전 및 방전 동작을 제어한다.
상기 내부 전원 공급부(30)는 통상적으로 보조 배터리(미도시)를 이용하여 상기 배터리 관리 시스템(1)에 전원을 공급한다. 상기 내부 전원 공급부(30)는 외부의 전원을 통해 충전 동작을 수행할 수 있다. 일 예로, 본 발명의 배터리 팩(2)이 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 자동차 등에 사용되는 배터리 팩인 경우, 상기 내부 전원 공급부(30)는 자동차의 납축 전지로부터 전원을 공급받아 충전을 수행할 수 있다.
상기 셀 밸런싱부(40)는 상기 배터리 팩(2)을 구성하는 서브팩(210 내지 280)의 배터리 셀들간 충전 및 방전 상태를 균일화하는 동작을 수행한다. 셀 밸런싱부(40)는 충전 상태가 높은(방전 상태가 낮은) 전지셀에 연결된 제 1 스위칭 소자(SW1)를 턴온하여, 저항성 소자(R3)에 의한 방전 경로를 형성한다. 따라서, 충전 상태가 높은(방전 상태가 낮은) 전지셀은 방전을 통해 밸런싱을 유지할 수 있다. 한편, 셀 밸런싱부(40)는 상기 배터리 셀 중에서 충전 상태가 낮은(방전 상태가 높은) 셀은 충전시킴으로써, 각 배터리 셀들이 균일한 정도의 충전 상태를 갖도록 유지시킨다.
상기 저장부(50)는 상기 배터리 관리 시스템(1)이 오프될 때, 오프되기 직전의 SOC, SOH와 같은 데이터값들을 저장한다. 따라서, 이후 상기 배터리 관리 시스템(1)이 다시 온되면, 상기 모터 컨트롤 유닛(20)이 마지막 오프된 시점의 데이터값들을 불러올 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 저장부(50)는 전기적으로 쓰고 지울 수 있는 비휘발성 저장장치로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 저장부(50)는 EEPROM으로 이루어질 수 있으나 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.
상기 통신부(60)는 모터의 제어부 또는 엔진 컨트롤 유닛(미도시)과 통신을 수행한다. 상기 통신부(60)는 상기 모터가 상기 배터리(2)의 전력을 이용할 수 있도록 하고, 상기 모터가 구동되지 않을 때는 엔진이 구동될 수 있도록 한다.
한편, 상기 보호회로부(70)는 외부의 충격, 과전류, 과전압 등으로부터 상기 배터리를 보호한다. 또한, 상기 파워온 리셋부(80)는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(1)이 턴온되면, 전체 시스템을 리셋시킨다. 또한, 상기 외부 인터페이스(90)는 냉각팬(5), 충방전 전류 라인(3)의 메인 스위치(92) 등의 디바이스를 상기 모터 컨트롤 유닛(20)에 연결한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에서 전지셀의 전압을 측정하는 동작을 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에서 전지셀의 전압을 측정하는 과정을 도시한 것이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 센싱부를 구성하는 용량성 소자의 양단 전압을 시간에 따라 도시한 것이다.
먼저, 도 4 를 참조하면, 상기 릴레이(RL)는 상기 전지셀(211 내지 285) 중에서 하나(예를 들면, 첫 번째 전지셀(211))를 상기 용량성 소자(C)에 연결한다. 따라서, ①번 경로를 따라서, 상기 전지셀(211)의 전압이 상기 용량성 소자(C)에 저장된다. 이 때, 상기 용량성 소자(C)의 용량은 전지셀(211)의 용량에 비해 매우 작은 값을 갖기 때문에 상기 동작에 의해 상기 전지셀(211)의 전위는 거의 변하지 않음은 물론이다. 이후, 상기 릴레이(RL)는 상기 전지셀(211)과 용량성 소자(C) 사이의 경로를 차단한다. 그리고 ②번 경로를 따라서, 용량성 소자(C)에 저장된 전압이 상기 A/D 컨버터(160)에 인가되어, 첫 번째 전지셀(211)의 전압이 측정될 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 이후 상기 릴레이(RL)는 예를 들어 두 번째 전지셀(212)을 상기 용량성 소자(C)에 연결한다. 이 때, 상기 용량성 소자(C)는 첫 번째 전지셀(211)의 전압을 저장하고 있는 상태에서, ①번 경로를 따라서 상기 두 번째 전지셀(212)와 연결된다. 그리고 첫 번째 전지셀(211)와 두 번째 전지셀(212)의 전압이 상이한 경우, 상기 용량성 소자(C)는 상기 두 번째 전지셀(212)의 전압에 도달할 때까지 변하게 된다. 그리고 상기 용량성 소자(C)가 두 번째 전지셀(212)의 전압을 저장하고 있는 상태에서 릴레이(RL)가 두 번째 전지셀(212)과 용량성 소자(C)의 사이 경로를 차단한다. 또한, ②번 경로를 따라 용량성 소자(C)에 저장된 두 번째 전지셀(212)의 전압이 A/D 컨버터(160)에 도달하여 측정된다.
또한, 이후의 전지셀들은 동일한 방식을 통해 순차적으로 용량성 소자(C)를 통해 측정되며, 상기 용량성 소자(C)의 양단에서 측정되는 전압은 도 6과 같이 나타난다. 결국, 상기 용량성 소자(C)가 방전되는 과정 없이 연속적으로 연결되는 전지셀(211 내지 285)의 전압값을 측정할 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같이 전지셀(211 내지 285)의 전압 측정이 빠르게 이루어질 수 있고, 방전 경로에서 발생할 수 있는 누설 전류를 방지할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지에 사용되는 센싱부를 확대 도시한 구성도이다. 앞선 실시예와 동일한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였으며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 7을 참조하면, 셀전압 측정부(120')는 용량성 소자(C)의 양단에 저항성 소자(R4), 제 2 스위칭 소자(SW2), 기준 전압원(Vs)이 더 연결된 구성을 갖는다.
그리고 상기 제 2 스위칭 소자(SW2)는 상기 용량성 소자(C)에 전지셀(211 내지 285)의 전압이 각각 인가되기 직전에 턴온된다. 따라서, 상기 기준 전압원(Vs)의 기준 전압으로 용량성 소자(C)가 초기화될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지에서 전지셀의 전압을 측정하는 동작을 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지에서 전지셀의 전압을 측정하는 과정을 도시한 것이다. 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 센싱부를 구성하는 용량성 소자의 양단 전압을 시간에 따라 도시한 것이다.
먼저, 도 8을 참조하면, 상기 릴레이(RL)가 전지셀(211 내지 285)과 용량성 소자(C)의 경로를 차단한 상태에서 상기 제 2 스위칭 소자(SW2)가 턴온된다. 따라서, 상기 기준 전압원(Vs)의 기준 전압이 ①번 경로를 따라 상기 용량성 소자(C)에 인가되며, 상기 기준 전압으로 상기 용량성 소자(C)의 저장 전압값이 초기화된다.
그리고 상기 제 2 스위칭 소자(SW2)는 턴오프되고, 상기 릴레이(RL)는 상기 전지셀(211 내지 285) 중에서 하나(예를 들어, 첫 번째 전지셀(211))과 용량성 소자(C)의 경로를 연결한다. 따라서 ②번 경로를 따라서, 상기 첫 번째 전지셀(211)의 전압에 해당되는 전압이 용량성 소자(C)에 저장된다.
다음으로, 상기 릴레이(RL)는 상기 전지셀(211)과 용량성 소자(C) 사이의 경로를 차단하고, ③번 경로를 따라서 상기 용량성 소자(C)에 저장된 첫 번째 전지셀(211)의 전압이 상기 A/D 컨버터(160)에 인가되어 측정될 수 있다.
또한, 도 9를 참조하면, ①번 경로를 따라 용량성 소자(C)는 기준 전압원(Vs)의 기준 전압에 의해 초기화된다. 또한, 상기 릴레이(RL)에 의해 두 번째 전지셀(212)이 상기 용량성 소자(C)와 연결되어 ②번 경로를 따라 두 번째 전지셀(212)의 전압이 용량성 소자(C)에 저장된다. 또한, 릴레이(RL)가 두 번째 전지셀(212)와 용량성 소자(C) 사이의 경로를 차단한 상태에서 ③번 경로를 따라 용량성 소자(C)가 A/D 컨버터에 연결되어, 저장된 두 번째 전지셀(212)의 전압이 인가된다.
또한, 이후의 전지셀들도 역시 동일한 방식으로 전압이 측정된다. 따라서, 상기 용량성 소자(C)의 양 단에서 나타나는 전압값을 도 10과 같은 결과를 나타낼 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는 용량성 소자(C)를 초기화함에 따라 전지셀(211 내지 285)의 전압 측정을 더욱 빠르고 정확하게 수행할 수 있고, 방전 경로에서 발생할 수 있는 누설 전류를 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 ()를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
1; 배터리 관리 시스템 2; 전지팩
210 내지 280; 서브팩 211 내지 285; 전지셀
10; 센싱부 120; 셀전압 측정부
160; A/D 컨버터 RL; 릴레이
C; 용량성 소자 Vs; 기준 전압원

Claims (8)

  1. 복수의 전지셀을 구비하고, 상기 전지셀의 전압을 각각 측정하는 이차 전지에 있어서,
    상기 전지셀에 연결되어 상기 전지셀의 전압을 순차적으로 저장하는 용량성 소자;
    상기 전지셀과 용량성 소자의 사이에서 상기 전지셀을 상기 용량성 소자에 순차적으로 연결하는 릴레이; 및
    상기 용량성 소자에 연결되어 상기 전지셀의 전압을 인가받고, 상기 전지셀의 전압을 컨버팅하는 A/D 컨버터를 포함하되,
    상기 릴레이는 상기 용량성 소자에 저장된 전지셀의 전압을 상기 A/D 컨버터가 컨버팅한 이후, 다음 전지셀을 상기 용량성 소자에 연결하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 릴레이는 상기 용량성 소자의 방전을 수행하지 않고, 상기 전지셀을 연속적으로 연결하여 상기 전지셀의 전압을 상기 용량성 소자에 저장하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지셀의 각각에는 과충전된 전지셀을 선택하는 제 1 스위칭 소자 및 상기 제 1 스위칭 소자에 직렬로 연결되어 상기 과충전된 전지셀을 방전시키는 저항성 소자가 더 연결된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 용량성 소자의 양단에는 기준 전압원 및 상기 기준 전압원에 직렬로 연결된 제 2 스위칭 소자가 연결된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 스위칭 소자는 상기 용량성 소자에 상기 전지셀의 전압이 인가되기 이전에 턴온되어, 상기 기준 전압원의 기준 전압을 상기 용량성 소자에 저장하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 기준 전압원의 기준 전압은 상기 전지셀의 전압보다 높은 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 릴레이는 옵티컬 모스 릴레이(Optical MOS Relay)로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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