KR20180026947A

KR20180026947A - 전력 공급 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩

Info

Publication number: KR20180026947A
Application number: KR1020160113901A
Authority: KR
Inventors: 송정주
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2016-09-05
Filing date: 2016-09-05
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2036-09-05
Also published as: KR102610269B1

Abstract

전력 공급 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩과 전기 자동차가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 공급 회로는, 상호 직렬 연결이 가능하도록 구성된 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 위한 것이다. 상기 전력 공급 회로는, 상기 제1 배터리 모듈의 양극 단자와 부하의 양극 단자를 연결하는 제1 메인 전력 라인을 통한 전류 경로를 개폐하는 제1 메인 스위치; 상기 제2 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 부하의 양극 단자를 연결하는 제1 서브 전력 라인을 통한 전류 경로를 개폐하는 제1 비상 스위치; 및 상기 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈 각각이 정상 상태인지 판정하고, 상기 제1 메인 스위치 및 상기 제1 비상 스위치를 개별적으로 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

전력 공급 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩{POWER SUPPLY CIRCUIT, AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}

본 발명은 전력 공급 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀들 중 일부가 비정상 상태가 되는 경우, 정상 상태에 있는 배터리 셀만을 선택적으로 이용하여, 부하에 대한 전력 공급을 유지하는 전력 공급 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.

최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

배터리의 최소 단위를 배터리 셀이라고 칭할 수 있으며, 다수개가 직렬 연결된 배터리 셀은 배터리 모듈을 구성할 수 있다. 또한, 다수의 배터리 모듈이 직렬 또는 병렬로 연결됨으로써 배터리 팩을 구성할 수 있다.

전기 자동차 등에 탑재되는 배터리 팩은 서로 직렬 또는 병렬로 연결되는 복수의 배터리 모듈을 포함하는 것이 일반적이다. 이러한 배터리 팩에 포함된 각각의 배터리 모듈과 그에 포함된 배터리 셀들의 상태는 BMS(Battery Management System)가 탑재된 컨트롤러에 의해 모니터링된다. 상기 컨트롤러는 상기 모니터링된 상태를 기초로, 밸런싱 동작, 냉각 동작, 충전 동작, 방전 동작 등을 제어하기 위한 신호를 출력할 수 있다.

한편, 배터리 팩에 포함되는 개개의 배터리 모듈 및/또는 배터리 셀은 사용 환경이나 외부 충격 등과 같은 다양한 원인으로 인해, 정상 상태를 벗어날 수 있다. '정상 상태'란, 안전 상의 문제없이 충전 동작 및 방전 동작이 가능한 상태를 의미한다. 이때, 정상 상태를 벗어난 배터리 셀은 '비정상 상태'에 있다고 할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀이 과열, 과충전 또는 과방전된 경우, 비정상 상태에 있다고 할 수 있다. 다른 예로, 배터리 셀에 연결된 전력 라인이 단선된 경우, 배터리 셀 자체의 이상 여부과 무관하게, 그 배터리 셀은 비정상 상태에 있다고 할 수 있다.

이와 관련된 종래 기술로서 한국 공개특허공보 제10-2012-0051464호(이하, '특허문헌 1'이라고 함) 및 한국 공개특허공보 제10-2013-0040575호(이하, '특허문헌 2'라고 함)가 개시된 바 있다. 특허문헌 1은 배터리에 고장이 발생된 경우 비상 주행 모드에 진입하여, 차량의 최고 속도와 주행 거리를 제한하는 전기 자동차용 비상 주행 제어 방법을 개시한다. 특허문헌 2는 복수의 배터리 각각의 고장 여부를 판단하는 방법을 개시한다.

특허문헌 1 및 2에 따르면, 배터리 셀의 고장으로 인한 안전 상의 문제를 어느 정도 해소할 수 있다. 하지만, 특허문헌 1에 따른 비상 주행을 위해서는 고장난 배터리를 계속 사용해야만 한다는 제약이 존재한다. 또한, 특허문헌 2는 각 배터리 셀의 내부 압력을 기초로 고장을 검출하는 방법만을 제공하는 데에 그치고 있다.

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀들이 정상 상태에 있는지 개별적으로 판정하고, 비정상 상태에 있는 일부 배터리 셀들을 배터리 팩으로부터 선택적으로 제거 가능하도록 구성된 전력 공급 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다양한 실시예는 다음과 같다.

본 발명의 일 측면에 따른 전력 공급 회로는, 상호 직렬 연결이 가능하도록 구성된 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 위한 것으로서, 상기 제1 배터리 모듈의 양극 단자와 부하의 양극 단자를 연결하는 제1 메인 전력 라인을 통한 전류 경로를 개폐하는 제1 메인 스위치; 상기 제2 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 부하의 양극 단자를 연결하는 제1 서브 전력 라인을 통한 전류 경로를 개폐하는 제1 비상 스위치; 및 상기 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈 각각이 정상 상태인지 판정하고, 상기 제1 메인 스위치 및 상기 제1 비상 스위치를 개별적으로 제어하는 제어부;를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 제1 배터리 모듈에 포함된 모든 배터리 셀들이 정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제1 메인 스위치의 턴온을 허용하면서 상기 제1 비상 스위치를 턴오프한다. 만약, 상기 제1 배터리 모듈에 포함된 모든 배터리 셀들이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제1 메인 스위치를 턴오프하고 상기 제1 비상 스위치의 턴온을 허용한다. 이 경우, 상기 제1 배터리 모듈은, 서로 직렬 연결 가능하도록 구성된 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀을 포함한다. 또한, 상기 제2 배터리 모듈은, 서로 직렬 연결 가능하도록 구성된 제3 배터리 셀 및 제4 배터리 셀을 포함한다.

또한, 상기 제2 배터리 모듈의 음극 단자와 상기 부하의 음극 단자를 연결하는 제2 메인 전력 라인을 통한 전류 경로를 개폐하는 제2 메인 스위치; 및

상기 제1 배터리 모듈의 음극 단자와 상기 부하의 음극 단자를 연결하는 제2 서브 전력 라인을 통한 전류 경로를 개폐하는 제2 비상 스위치;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부는, 상기 제2 배터리 모듈에 포함된 모든 배터리 셀들이 정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제2 메인 스위치의 턴온을 허용하면서 상기 제2 비상 스위치를 턴오프할 수 있다. 만약, 상기 제2 배터리 모듈에 포함된 모든 배터리 셀들이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제2 메인 스위치를 턴오프하고 상기 제2 비상 스위치의 턴온을 허용할 수 있다.

또한, 복수의 스위치를 포함하고, 상기 제1 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나를 상기 제1 배터리 모듈로부터 선택적으로 분리 가능하도록 구성된 제1 셀 제거 회로; 및 복수의 스위치를 포함하고, 상기 제2 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나를 상기 제2 배터리 모듈로부터 선택적으로 분리 가능하도록 구성된 제2 셀 제거 회로;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부는, 상기 제1 셀 제거 회로에 포함된 복수의 스위치와 상기 제2 셀 제거 회로에 포함된 복수의 스위치를 개별적으로 제어할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 제1 셀 제거 회로는, 상기 제1 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 제1 배터리 셀의 양극 단자 사이에 연결되는 제1 직렬 스위치; 상기 제1 배터리 셀의 음극 단자와 상기 제2 배터리 셀의 양극 단자 사이에 연결되는 제2 직렬 스위치; 상기 제1 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 제1 배터리 셀의 음극 단자에 연결되는 제1 병렬 스위치; 및 상기 제1 배터리 셀의 음극 단자와 상기 제2 배터리 셀의 음극 단자에 연결되는 제2 병렬 스위치;를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부는, 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 중 상기 제1 배터리 셀만이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제1 직렬 스위치 및 상기 제2 병렬 스위치를 턴오프하고, 상기 제2 직렬 스위치 및 상기 제1 병렬 스위치를 턴온할 수 있다. 만약, 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 중 상기 제2 배터리 셀만이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제2 직렬 스위치 및 상기 제1 병렬 스위치를 턴오프하고, 상기 제1 직렬 스위치 및 상기 제2 병렬 스위치를 턴온할 수 있다.

다른 구현예에 따르면, 상기 제1 셀 제거 회로는, 상기 제1 배터리 셀의 음극 단자와 상기 제2 배터리 셀의 양극 단자의 사이에 연결되는 제5 직렬 스위치; 상기 제2 배터리 셀의 음극 단자와 상기 제1 배터리 모듈의 음극 단자의 사이에 연결되는 제6 직렬 스위치; 상기 제1 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 제2 배터리 셀의 양극 단자에 연결되는 제5 병렬 스위치; 및 상기 제2 배터리 셀의 양극 단자와 상기 제1 배터리 모듈의 음극 단자에 연결되는 제6 병렬 스위치;를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부는, 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 중 상기 제1 배터리 셀만이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제5 직렬 스위치 및 상기 제6 병렬 스위치를 턴오프하고, 상기 제6 직렬 스위치 및 상기 제5 병렬 스위치를 턴온할 수 있다. 만약, 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 중 상기 제2 배터리 셀만이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제6 직렬 스위치 및 상기 제5 병렬 스위치를 턴오프하고, 상기 제5 직렬 스위치 및 상기 제6 병렬 스위치를 턴온할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 제2 셀 제거 회로는, 상기 제2 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 제3 배터리 셀의 양극 단자 사이에 연결되는 제3 직렬 스위치; 상기 제3 배터리 셀의 음극 단자와 상기 제4 배터리 셀의 양극 단자 사이에 연결되는 제4 직렬 스위치; 상기 제2 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 제3 배터리 셀의 음극 단자에 연결되는 제3 병렬 스위치; 및 상기 제3 배터리 셀의 음극 단자와 상기 제4 배터리 셀의 음극 단자에 연결되는 제4 병렬 스위치;를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부는, 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀 중 상기 제3 배터리 셀만이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제3 직렬 스위치 및 상기 제4 병렬 스위치를 턴오프하고, 상기 제4 직렬 스위치 및 상기 제3 병렬 스위치를 턴온할 수 있다. 만약, 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀 중 상기 제4 배터리 셀만이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제4 직렬 스위치 및 상기 제3 병렬 스위치를 턴오프하고, 상기 제3 직렬 스위치 및 상기 제4 병렬 스위치를 턴온할 수 있다.

다른 구현예에 따르면, 상기 제2 셀 제거 회로는, 상기 제3 배터리 셀의 음극 단자와 상기 제4 배터리 셀의 양극 단자의 사이에 연결되는 제7 직렬 스위치; 상기 제4 배터리 셀의 음극 단자와 상기 제2 배터리 모듈의 음극 단자의 사이에 연결되는 제8 직렬 스위치; 상기 제2 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 제4 배터리 셀의 양극 단자에 연결되는 제7 병렬 스위치; 및 상기 제4 배터리 셀의 양극 단자와 상기 제2 배터리 모듈의 음극 단자에 연결되는 제8 병렬 스위치;를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부는, 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀 중 상기 제3 배터리 셀만이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제7 직렬 스위치 및 상기 제8 병렬 스위치를 턴오프하고, 상기 제8 직렬 스위치 및 상기 제7 병렬 스위치를 턴온할 수 있다. 만약, 상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀 중 상기 제4 배터리 셀만이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제8 직렬 스위치 및 상기 제7 병렬 스위치를 턴오프하고, 상기 제7 직렬 스위치 및 상기 제8 병렬 스위치를 턴온할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상기 전력 공급 회로;를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 자동차는 사기 배터리 팩을 포함한다.

본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀들이 정상 상태에 있는지 개별적으로 판정하고, 비정상 상태에 있는 일부 배터리 셀들을 배터리 팩으로부터 선택적으로 제거할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀들 중 비정상 상태에 있는 배터리 셀을 제외한 나머지 배터리 셀을 이용하여, 부하에 대한 전력 공급을 유지할 수 있다. 이에 따라, 배터리 팩에 포함된 일부의 배터리 셀들이 비정상 상태에 있더라도, 부하에 대한 연속적인 전력 공급이 가능하므로, 전기 자동차 등에서 갑작스런 전원 차단에 따른 위험을 방지할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 및 전력 공급 회로를 포함하는 전기 자동차의 기능적 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 전력 공급 회로가 수행하는 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 공급 회로의 기능적 구성을 보여주는 블록도이다.
도 6 내지 도 8은 도 5에 도시된 제1 셀 제거 회로 및 제2 셀 제거 회로의 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 공급 회로의 기능적 구성을 보여주는 블록도이다.
도 10 및 도 11은 도 9에 도시된 제3 셀 제거 회로 및 제4 셀 제거 회로의 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 본 발명의 실시예들에 따른 전력 공급 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10) 및 전력 공급 회로(30)를 포함하는 전기 자동차(1)의 기능적 구성을 보여주는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 전기 자동차(1)는 배터리 팩(10), 부하(20), 제1 메인 전력 라인(110), 제2 메인 전력 라인(120), 제1 서브 전력 라인(130), 제2 서브 전력 라인(140) 및 전력 공급 회로(30)를 포함할 수 있다.

배터리 팩(10)은 서로 직렬 연결 가능하도록 구성된 복수의 배터리 모듈(11, 12)을 포함할 수 있다. 각 배터리 모듈은 서로 직렬 연결 가능하도록 구성된 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 각 배터리 셀은 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등과 같이 반복적인 충방전이 가능한 배터리의 최소 단위일 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 배터리 팩(10)이 상호 직렬 연결되도록 구성된 제1 배터리 모듈(11) 및 제2 배터리 모듈(12)만을 포함하는 것으로 가정한다.

부하(20)는 배터리 팩(10)으로부터 전력을 공급받아 구동되도록 구성된 장치이다. 부하(20)에는 배터리 팩(10)의 양극 단자(10a)에 접속되는 양극 단자(20a) 및 배터리 팩(10)의 음극 단자(10b)에 접속되는 음극 단자(20b)가 구비된다. 구현예에 따라, 부하(20)는 링크 커패시터(21), 인버터(22) 및 전기 모터(23)를 포함할 수 있다. 링크 커패시터(21)의 양 단은 양극 단자(20a) 및 음극 단자(20b)에 개별적으로 접속된다. 인버터(22)는 전기 라인을 통해 전기 모터(23)에 전력을 공급할 수 있다. 예컨대, 인버터(22)는 배터리 팩(10)으로부터 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환한 후 전기 모터(23)에 공급할 수 있다.

제1 메인 전력 라인(110)은 제1 배터리 모듈(11)의 양극 단자(11a)와 부하(20)의 양극 단자(20a)를 연결하도록 구성된다. 제1 배터리 모듈(11)은 배터리 팩(10)에 포함된 배터리 모듈들 중 가장 높은 전위를 가지는 것일 수 있다. 이 경우, 제1 배터리 모듈(11)의 양극 단자(11a)와 배터리 팩(10)의 양극 단자(10a)의 전위는 실질적으로 동일할 수 있다.

제2 메인 전력 라인(120)은 제2 배터리 모듈(12)의 음극 단자(12b)와 부하(20)의 음극 단자(20b)를 연결하도록 구성된다. 제2 배터리 모듈(12)은 배터리 팩(10)에 포함된 배터리 모듈들 중 가장 낮은 전위를 가지는 것일 수 있다. 이 경우, 제2 배터리 모듈(12)의 음극 단자(12b)와 배터리 팩(10)의 음극 단자(10b)의 전위는 실질적으로 동일할 수 있다.

제1 서브 전력 라인(130)은 제2 배터리 모듈(12)의 양극 단자(12a)와 부하(20)의 양극 단자(20a)를 연결하도록 구성된다.

제2 서브 전력 라인(140)은 제1 배터리 모듈(11)의 음극 단자(11b)와 부하(20)의 음극 단자(20b)를 연결하도록 구성된다.

전력 공급 회로(30)는 센싱부(200), 제1 메인 스위치(111), 제2 메인 스위치(121), 제1 비상 스위치(131), 제2 비상 스위치(141), 프리차지 회로(150) 및 제어부(300)를 포함할 수 있다.

센싱부(200)는 배터리 팩(10)과 물리적 및/또는 전기적으로 연결되어, 배터리 팩(10)과 관련된 파라미터를 측정할 수 있다. 구체적으로, 센싱부(200)는 배터리 팩(10), 배터리 모듈들(11, 12) 및 배터리 셀의 상태에 따라 변화하는 적어도 한 종류 이상의 파라미터를 미리 정해진 주기마다 측정할 수 있다. 예컨대, 센싱부(200)에 의해 측정 가능한 파라미터로는 전압, 전류, 온도 또는 압력 등을 들 수 있다. 센싱부(200)는 측정된 결과를 나타내는 측정 데이터(D)를 후술할 제어부(300)에 제공할 수 있다. 또한, 센싱부(200)는 링크 커패시터(21)의 양단(20a, 20b) 사이에 인가된 전압의 측정이 가능하도록 구성될 수 있다. 도 1에는 센싱부(200)가 배터리 팩(10)으로부터 물리적으로 분리되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 즉, 센싱부(200)에 포함된 적어도 하나의 센서는 배터리 팩(10)에 직접적으로 장착되도록 구현될 수 있다.

제1 메인 스위치(111)는 제1 메인 전력 라인(110)을 통한 전류 경로를 개폐하도록 구성된다. 구체적으로, 제1 메인 스위치(111)는 제1 메인 전력 라인(110)에 구비될 수 있는바, 이 경우 제1 메인 스위치(111)의 양단은 각각 배터리 팩(10)의 양극 단자(10a)와 부하(20)의 양극 단자(20a)에 연결될 수 있다. 제1 메인 스위치(111)에 의해 배터리 팩(10)과 부하(20)가 서로 전기적으로 연결되거나 분리될 수 있다.

제2 메인 스위치(121)는 제2 메인 전력 라인(120)을 통한 전류 경로를 개폐하도록 구성된다. 구체적으로, 제2 메인 스위치(121)는 제2 메인 전력 라인(120)에 구비될 수 있는바, 이 경우 제2 메인 스위치(121)의 양단은 각각 배터리 팩(10)의 음극 단자(10b)와 부하(20)의 음극 단자(20b)에 연결될 수 있다. 제2 메인 스위치(121)에 의해 배터리 팩(10)과 부하(20)가 서로 전기적으로 연결되거나 분리될 수 있다.

제1 비상 스위치(131)는 제1 서브 전력 라인(130)을 통한 전류 경로를 개폐하도록 구성된다. 구체적으로, 제1 비상 스위치(131)는 제1 서브 전력 라인(130)에 구비될 수 있는바, 이 경우 제1 비상 스위치(131)의 양단은 각각 제2 배터리 모듈(12)의 양극 단자(12a)와 부하(20)의 양극 단자(20a)에 연결될 수 있다.

제2 비상 스위치(141)는 제2 서브 전력 라인(140)을 통한 전류 경로를 개폐하도록 구성된다. 구체적으로, 제2 비상 스위치(141)는 제2 서브 전력 라인(140)에 구비될 수 있는바, 이 경우 제2 비상 스위치(141)의 양단은 각각 제1 배터리 모듈(11)의 음극 단자(11b)와 부하(20)의 음극 단자(20b)에 연결될 수 있다.

프리차지 회로(150)는 서로 직렬 연결되는 프리차지 스위치(151) 및 프리차지 저항(152)을 포함할 수 있다. 이러한 프리차지 회로(150)는 제1 메인 스위치(111)에 병렬 연결될 수 있다.

프리차지 회로(150)는 배터리 팩(10)의 양단 전압과 부하(20)의 양단 전압 간의 차이로 인한 돌입 전류를 억제하기 위해, 링크 커패시터(21)를 프리 차지할 수 있다. 구체적으로, 제1 메인 스위치(111)가 턴오프된 상태에서 프리차지 스위치(151)를 턴온하면, 프리차지 저항(152)를 통과하면서 제한된 전류에 의해 링크 커패시터(21)에 대한 프리 차지가 이루어질 수 있다.

전술한, 제1 메인 스위치(111), 제2 메인 스위치(121), 제1 비상 스위치(131), 제2 비상 스위치(141) 및 프리차지 스위치(151)는, 전자식 컨택터, 릴레이, MOSFET, 사이리스터 등 공지의 스위칭 소자들 중 어느 하나 또는 둘 이상을 조합하여 구현되는 것일 수 있다.

제어부(300)는 제1 메인 스위치(111), 프리차지 스위치(151), 제2 메인 스위치(121), 제1 비상 스위치(131) 및 제2 비상 스위치(141)의 동작 위치를 개별적으로 제어 가능하도록 구성된다. 제1 메인 스위치(111), 프리차지 스위치(151), 제2 메인 스위치(121), 제1 비상 스위치(131) 및 제2 비상 스위치(141) 각각은 제어부(300)로부터 출력되는 신호에 응답하여, 열린 위치 및 닫힌 위치 중 어느 하나로부터 다른 하나로 전환 가능하도록 구성될 수 있다. 제어부(300)를 '컨트롤러'라고 칭할 수 있다.

이러한 제어부(300)는 제1 제어 모듈(310), 제2 제어모듈(320) 및 메모리(330)를 포함할 수 있다. 제1 제어 모듈(310)과 제2 제어모듈(320)은 각각 적어도 하나의 마이크로프로세서를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서는, 하드웨어적으로 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.

제1 제어 모듈(310)은 센싱부(200)로부터 제공되는 측정 데이터(D)를 기초로, 배터리 팩(10)의 상태를 모니터링한다. 구체적으로, 제1 제어 모듈(310)은 적어도 하나의 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management Sytem)을 포함할 수 있고, 각 BMS는 배터리 팩(10)에 포함된 각 배터리 모듈(11, 12)의 상태를 모니터링할 수 있다. 또한, 제1 제어 모듈(310)은 각 배터리 모듈(11, 12)에 포함된 각 배터리 셀의 상태를 모니터링할 수 있다.

또한, 제1 제어 모듈(310)은 센싱부(200)로부터 제공되는 데이터를 기초로, 배터리 팩(10), 배터리 모듈 및 배터리 셀 각각의 상태를 판정할 수 있다. 예컨대, 제1 제어 모듈(310)은 배터리 팩(10), 배터리 모듈 및 배터리 셀 각각의 상태를 정상 상태 및 비정상 상태 중 어느 하나로 판정할 수 있다.

또한, 제1 제어 모듈(310)은 비정상 상태로 판정된 배터리 셀의 비정상 정도를 나타내는 비정상 레벨(abnormal level)을 연산할 수 있다. 이때, 배터리 셀이 정상 상태로부터 많이 벗어날수록, 해당 배터리 셀에 대해 연산되는 비정상 레벨은 증가한다. 또한, 제1 제어 모듈(310)는 각 배터리 셀의 비정상 레벨을 종합한 결과를 기초로, 각 배터리 모듈(11, 12)의 비정상 레벨을 연산할 수도 있다.

일 예로, 배터리 셀의 정상적인 구동을 보장할 수 있는 적정 온도 범위가 10도 이상 40도 이하로 설정되었다고 가정해보자. 만약, 배터리 팩(10)에 포함되는 제1 배터리 셀의 온도가 40도와 45도 사이 또는 5도와 10도 사이로 측정되었다면, 제1 제어 모듈(310)은 상기 제1 배터리 셀의 비정상 레벨로 '1'을 연산될 수 있다. 반면, 상기 제1 배터리 셀의 온도가 45도와 50도 사이 또는 0도와 5도 사이인 경우, 제1 배터리 셀의 비정상 레벨로 '2'가 연산될 수 있다.

제1 제어 모듈(310)은 배터리 팩(10), 배터리 모듈들(11, 12) 또는 배터리 셀 각각에 대한 모니터링의 결과를 나타내는 진단 데이터를 제2 제어모듈(320)에 제공할 수 있다.

제2 제어모듈(320)은 제1 제어 모듈(310)로부터 제공되는 상기 진단 데이터를 기초로, 제1 메인 스위치(111), 프리차지 스위치(151), 제2 메인 스위치(121), 제1 비상 스위치(131) 및 제2 비상 스위치(141)를 개별적으로 제어하기 위한 신호를 출력하도록 구성된다. 구체적으로, 제1 메인 스위치(111)는 제1 신호(S1)에 응답하여, 턴온 또는 턴오프될 수 있다. 제2 메인 스위치(121)는 제2 신호(S2)에 응답하여, 턴온 또는 턴오프될 수 있다. 제1 비상 스위치(131)는 제3 신호(S3)에 응답하여, 턴온 또는 턴오프될 수 있다. 제2 비상 스위치(141)는 제4 신호(S4)에 응답하여, 턴온 또는 턴오프될 수 있다. 프리차지 스위치(151)는 제5 신호(S5)에 응답하여, 턴온 또는 턴오프될 수 있다.

메모리(330)는 전력 공급 회로(30)의 전반적인 동작에 요구되는 각종 데이터들 및 명령어를 저장할 수 있다. 제1 제어 모듈(310)은 메모리(330)에 저장된 데이터들 및 명령어를 참조하여, 배터리 팩(10)에 포함된 각 배터리 모듈 및/또는 배터리 셀이 정상 상태에 있는지 판정하기 위한 프로세스를 실행할 수 있다. 또한, 제2 제어모듈(320)은 메모리(330)에 저장된 데이터들 및 명령어를 참조하여, 제1 메인 스위치(111), 제2 메인 스위치(121), 제1 비상 스위치(131), 제2 비상 스위치(141) 및 프리차지 스위치(151)의 동작 위치를 개별적으로 제어하기 위한 신호를 출력할 수 있다.

이러한 메모리(330)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.

도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 전력 공급 회로(30)가 수행하는 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 설명의 편의를 위해, 도 1에 도시된 부하(20)를 단순화시켜 도시하였다.

도 2는 제1 배터리 모듈(11) 및 제2 배터리 모듈(12)이 모두 정상 상태인 것으로 판정된 경우, 전력 공급 회로(30)에 의해 수행되는 동작을 보여준다. 이때, 어느 한 배터리 모듈이 정상 상태라는 것은, 그 배터리 모듈에 포함된 모든 배터리 셀이 정상 상태라는 것을 의미할 수 있다. 또한, 어느 한 배터리 모듈이 비정상 상태라는 것은, 그 배터리 모듈에 포함된 모든 배터리 셀들 중 소정 개수(예, 1개) 이상이 비정상 상태라는 것을 의미할 수 있다.

먼저 도 2를 참조하면, 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(11) 및 제2 배터리 모듈(12)이 모두 정상 상태인 것으로 판정되면, 제1 서브 전력 라인(130) 및 제2 서브 전력 라인(140)을 통한 전류 경로를 차단하기 위해, 제1 비상 스위치(131) 및 제2 비상 스위치(141)를 턴오프한다. 즉, 제1 비상 스위치(131) 및 제2 비상 스위치(141) 각각은 제어부(300)로부터 제공되는 제3 신호(S3) 및 제4 신호(S4)에 응답하여, 턴오프된다.

또한, 제어부(300)는 제1 메인 전력 라인(110) 및 제2 메인 전력 라인(120)을 통gks 전류 경로의 형성이 가능하도록, 제1 메인 스위치(111) 및 제2 메인 스위치(121)의 턴온을 허용한다. 제1 메인 스위치(111) 및 제2 메인 스위치(121)의 턴온이 허용되고 있는 동안, 외부(예, 차량의 ECU)로부터 전력 공급 요청이 수신되는 경우, 제어부(300)는 제1 메인 스위치(111) 및 제2 메인 스위치(121) 각각의 턴온을 지시하는 제1 신호(S1) 및 제2 신호(S2)를 출력한다. 제1 메인 스위치(111) 및 제2 메인 스위치(121) 각각은 제어부(300)로부터 제공되는 제1 신호(S1) 및 제2 신호(S2)에 응답하여, 턴온된다.

이에 따라, 배터리 팩(10)의 양극 단자(10a) → 제1 메인 스위치(111) → 부하(20) → 부하(20) → 제2 메인 스위치(121) → 배터리 팩(10)의 음극 단자(10b)로 이루어진 전류 경로(CF1)를 통해 배터리 팩(10)으로부터 부하(20)로의 전력 공급이 가능해진다.

도 3은 제1 배터리 모듈(11) 및 제2 배터리 모듈(12) 중 제2 배터리 모듈(12)만이 정상 상태인 것으로 판정된 경우, 전력 공급 회로(30)에 의해 수행되는 동작을 보여준다. 즉, 도 3은 제1 배터리 모듈(11)이 비정상 상태이고, 제2 배터리 모듈(12)은 정상 상태인 경우를 예시한다.

도 3을 참조하면, 제어부(300)는 제1 배터리 모듈(11)이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 제1 메인 전력 라인(110) 및 제2 서브 전력 라인(140)을 통한 전류 경로를 차단하기 위해, 제1 메인 스위치(111) 및 제2 비상 스위치(141)를 턴오프한다. 즉, 제1 메인 스위치(111) 및 제2 비상 스위치(141) 각각은 제어부(300)로부터 제공되는 제1 신호(S1) 및 제4 신호(S4)에 응답하여, 턴오프된다.

또한, 제어부(300)는 제1 서브 전력 라인(130) 및 제2 메인 전력 라인(120)을 통한 전류 경로의 형성이 가능하도록, 제1 비상 스위치(131) 및 제2 메인 스위치(121)의 턴온을 허용한다. 제1 비상 스위치(131) 및 제2 메인 스위치(121)의 턴온이 허용되고 있는 동안, 외부(예, 차량의 ECU)로부터 전력 공급 요청이 수신되는 경우, 제어부(300)는 제1 비상 스위치(131) 및 제2 메인 스위치(121) 각각의 턴온을 지시하는 제3 신호(S3) 및 제2 신호(S2)를 출력한다. 제1 비상 스위치(131) 및 제2 메인 스위치(121) 각각은 제어부(300)로부터 제공되는 제3 신호(S3) 및 제2 신호(S2)에 응답하여, 턴온된다.

이에 따라, 제2 배터리 모듈(12)의 양극 단자(12a) → 제1 비상 스위치(131) → 부하(20) → 제2 메인 스위치(121) → 제2 배터리 모듈(12)의 음극 단자(12b)로 이루어진 전류 경로(CF2)를 통해 제2 배터리 모듈(12)로부터 부하(20)로의 전력 공급이 가능해진다.

도 4는 제1 배터리 모듈(11) 및 제2 배터리 모듈(12) 중 제1 배터리 모듈(11)만이 정상 상태인 것으로 판정된 경우, 전력 공급 회로(30)에 의해 수행되는 동작을 보여준다. 즉, 도 4은 제1 배터리 모듈(11)이 정상 상태이고, 제2 배터리 모듈(12)은 비정상 상태인 경우를 예시한다.

도 4를 참조하면, 제어부(300)는 제2 배터리 모듈(12)이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 제2 메인 전력 라인(120) 및 제1 서브 전력 라인(130)을 통한 전류 경로를 차단하기 위해, 제2 메인 스위치(121) 및 제1 비상 스위치(131)를 턴오프한다. 즉, 제2 메인 스위치(121) 및 제1 비상 스위치(131) 각각은 제어부(300)로부터 제공되는 제2 신호(S2) 및 제3 신호(S3)에 응답하여, 턴오프된다.

또한, 제어부(300)는 제1 메인 전력 라인(110) 및 제2 서브 전력 라인(140)을 통한 전류 경로의 형성이 가능하도록, 제1 메인 스위치(111) 및 제2 비상 스위치(141)의 턴온을 허용한다. 제1 메인 스위치(111) 및 제2 비상 스위치(141)의 턴온이 허용되고 있는 동안, 외부(예, 차량의 ECU)로부터 전력 공급 요청이 수신되는 경우, 제어부(300)는 제1 메인 스위치(111) 및 제2 비상 스위치(141) 각각의 턴온을 지시하는 제1 신호(S1) 및 제4 신호(S4)를 출력한다. 제1 메인 스위치(111) 및 제2 비상 스위치(141) 각각은 제어부(300)로부터 제공되는 제1 신호(S1) 및 제4 신호(S4)에 응답하여, 턴온된다.

이에 따라, 제1 배터리 모듈(11)의 양극 단자(11a) → 제1 메인 스위치(111) → 부하(20) → 제2 비상 스위치(141) → 제1 배터리 모듈(11)의 음극 단자(11b)로 이루어진 전류 경로(CF3)를 통해 제1 배터리 모듈(11)로부터 부하(20)로 전기 에너지의 공급이 가능해진다.

한편, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와는 달리, 제2 메인 스위치(121), 제2 서브 전력 라인(140) 및 제2 비상 스위치(141)는 전력 공급 회로(30)로부터 생략될 수 있다. 만약, 전력 공급 회로(30)가 제2 메인 스위치(121), 제2 서브 전력 라인(140) 및 제2 비상 스위치(141)를 포함하지 않는 형태로 구현되는 경우, 제어부(300)는 제1 메인 스위치(111), 제1 비상 스위치(131) 및 프리차지 스위치(151) 각각의 동작 위치만을 개별적으로 제어하도록 구성될 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 공급 회로(30)의 기능적 구성을 보여주는 블록도이다. 도 1과 비교할 때, 전력 공급 회로(30)에 제1 셀 제거 회로 및 제2 셀 제거 회로가 더 포함된다는 점에서만 상이하므로, 동일한 구성에 대하여는 동일한 참조 부호를 부여하고, 제1 셀 제거 회로 및 제2 셀 제거 회로를 중심으로 설명하기로 한다.

도 5를 참조하면, 제1 배터리 모듈(11)은 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2)을 포함한다. 제1 셀 제거 회로는 복수의 스위치(SS1, SS2, SP1, SP2)를 포함하고, 제1 배터리 모듈(11)에 포함된 복수의 배터리 셀들(B1, B2) 중 적어도 하나를 제1 배터리 모듈(11)로부터 선택적으로 분리 가능하도록 구성될 수 있다. 이때, 제1 셀 제거 회로는 제어부(300)로부터 제공되는 신호가 지시하는 배터리 셀만을 제1 배터리 모듈(11)로부터 전기적으로 분리할 수 있다. 예컨대, 제1 셀 제거 회로는 제1 배터리 모듈(11)에 포함된 비정상 상태의 배터리 셀만을 분리할 수 있다.

또한, 제2 배터리 모듈(12)은 제3 배터리 셀(B3) 및 제4 배터리 셀(B4)을 포함한다. 제2 셀 제거 회로는 복수의 스위치(SS3, SS4, SP3, SP4)를 포함하고, 제2 배터리 모듈(12)에 포함된 복수의 배터리 셀들(B3, B4) 중 적어도 하나를 제2 배터리 모듈(12)로부터 선택적으로 분리 가능하도록 구성될 수 있다. 이때, 제2 셀 제거 회로는 제어부(300)로부터 제공되는 신호가 지시하는 배터리 셀만을 제2 배터리 모듈(12)로부터 전기적으로 분리할 수 있다. 예컨대, 제2 셀 제거 회로는 제2 배터리 모듈(12)에 포함된 비정상 상태의 배터리 셀만을 분리할 수 있다.

제어부(300)는 제1 셀 제거 회로에 포함되는 복수의 스위치(SS1, SS2, SP1, SP2)를 개별적으로 제어할 수 있고, 제2 셀 제거 회로에 포함되는 복수의 스위치(SS3, SS4, SP3, SP4)를 개별적으로 제어할 수 있다.

제1 셀 제거 회로는 제1 직렬 스위치(SS1), 제2 직렬 스위치(SS2), 제1 병렬 스위치(SP1) 및 제2 병렬 스위치(SP2)를 포함할 수 있다.

제1 직렬 스위치(SS1)는 상기 제1 배터리 모듈(11)의 양극 단자(11a)와 상기 제1 배터리 셀(B1)의 양극 단자 사이에 연결된다. 제2 직렬 스위치(SS2)는 상기 제1 배터리 셀(B1)의 음극 단자와 상기 제2 배터리 셀(B2)의 양극 단자 사이에 연결된다. 제1 병렬 스위치(SP1)는 상기 제1 배터리 모듈(11)의 양극 단자(11a)와 상기 제1 배터리 셀(B1)의 음극 단자에 연결된다. 제2 병렬 스위치(SP2)는 상기 제1 배터리 셀(B1)의 음극 단자와 상기 제2 배터리 셀(B2)의 음극 단자에 연결된다.

제어부(300)는 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2) 각각이 정상 상태인지 판정할 수 있다. 또한, 제어부(300)는 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2)에 대한 판정의 결과를 기초로, 제1 직렬 스위치(SS1), 제2 직렬 스위치(SS2), 제1 병렬 스위치(SP1) 및 제2 병렬 스위치(SP2)의 동작 위치를 개별적으로 제어할 수 있다.

제1 직렬 스위치(SS1)가 턴오프되고 제1 병렬 스위치(SP1)가 턴온된 경우, 제1 배터리 셀(B1)은 제1 배터리 모듈(11)로부터 전기적으로 분리된다. 반면, 제2 직렬 스위치(SS2)가 턴오프되고 제2 병렬 스위치(SP2)가 턴온된 경우, 제2 배터리 셀(B2)은 제1 배터리 모듈(11)로부터 전기적으로 분리된다.

제2 셀 제거 회로는 제3 직렬 스위치(SS3), 제4 직렬 스위치(SS4), 제3 병렬 스위치(SP3) 및 제4 병렬 스위치(SP4)를 포함할 수 있다.

제3 직렬 스위치(SS3)는 상기 제2 배터리 모듈(12)의 양극 단자(12a)와 상기 제3 배터리 셀(B3)의 양극 단자 사이에 연결된다. 제4 직렬 스위치(SS4)는 상기 제3 배터리 셀(B3)의 음극 단자와 상기 제4 배터리 셀(B4)의 양극 단자 사이에 연결된다. 제3 병렬 스위치(SP3)는 상기 제2 배터리 모듈(12)의 양극 단자(12a)와 상기 제3 배터리 셀(B3)의 음극 단자에 연결된다. 제4 병렬 스위치(SP4)는 상기 제3 배터리 셀(B3)의 음극 단자와 상기 제4 배터리 셀(B4)의 음극 단자에 연결된다.

제어부(300)는 제3 배터리 셀(B3) 및 제4 배터리 셀(B4) 각각이 정상 상태인지 판정할 수 있다. 또한, 제어부(300)는 제3 배터리 셀(B3) 및 제4 배터리 셀(B4)에 대한 판정의 결과를 기초로, 제3 직렬 스위치(SS3), 제4 직렬 스위치(SS4), 제3 병렬 스위치(SP3) 및 제4 병렬 스위치(SP4)의 동작 위치를 개별적으로 제어할 수 있다.

제3 직렬 스위치(SS3)가 턴오프되고 제3 병렬 스위치(SP3)가 턴온된 경우, 제3 배터리 셀(B3)은 제2 배터리 모듈(12)로부터 전기적으로 분리된다. 반면, 제4 직렬 스위치(SS4)가 턴오프되고 제4 병렬 스위치(SP4)가 턴온된 경우, 제4 배터리 셀(B4)은 제2 배터리 모듈(12)로부터 전기적으로 분리된다.

도 6 내지 도 8은 도 5에 도시된 제1 셀 제거 회로 및 제2 셀 제거 회로의 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.

도 6은 제1 내지 제4 배터리 셀(B1~B4)이 모두 정상 상태로 판정된 경우, 제1 셀 제거 회로 및 제2 셀 제거 회로에 의해 수행되는 동작을 보여준다.

도 6을 참조하면, 제어부(300)는 제1 내지 제4 직렬 스위치(SS1~SS4)를 모두 턴온할 수 있다. 또한, 제어부(300)는 제1 내지 제4 병렬 스위치(SP1~SP4)를 모두 턴오프할 수 있다. 이에 따라, 제1 내지 제4 배터리 셀(B1~B4)들 간의 직렬 연결이 이루어질 수 있다. 결과적으로, 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이, 제어부(300)에 의해 제1 비상 스위치(131) 및 제2 비상 스위치(141)가 턴오프되고, 제1 메인 스위치(111) 및 제2 메인 스위치(121)의 턴온이 허용된다.

도 7은 제1 배터리 셀(B1)만이 비정상 상태로 판정된 경우, 제1 셀 제거 회로 및 제2 셀 제거 회로에 의해 수행되는 동작을 보여준다. 즉, 도 7은 제2 내지 제4 배터리 셀(B2~B4)이 정상 상태이고, 제1 배터리 셀(B1)은 비정상 상태인 경우를 예시한다.

도 7을 참조하면, 제어부(300)는 상기 제1 직렬 스위치(SS1) 및 상기 제2 병렬 스위치(SP2)를 턴오프하고, 상기 제2 직렬 스위치(SS2) 및 상기 제1 병렬 스위치(SP1)를 턴온할 수 있다. 또한, 제어부(300)는 상기 제3 직렬 스위치(SS3) 및 상기 제4 직렬 스위치(SS4)를 턴온하고, 상기 제3 병렬 스위치(SP3) 및 상기 제4 병렬 스위치(SP4)를 턴오프할 수 있다.

이에 따라, 배터리 팩(10)으로부터 제1 배터리 셀(B1)이 전기적으로 분리되어, 제2 내지 제4 배터리 셀(B2~B4)들 간의 직렬 연결이 이루어질 수 있다.

도 8은 제2 및 제3 배터리 셀(B2, B3)만이 비정상 상태로 판정된 경우, 제1 셀 제거 회로 및 제2 셀 제거 회로에 의해 수행되는 동작을 보여준다. 즉, 도 8은 제1 및 제4 배터리 셀(B4)이 정상 상태이고, 제2 배터리 셀(B2) 및 제3 배터리 셀(B3)은 비정상 상태인 경우를 예시한다.

도 8을 참조하면, 제어부(300)는 상기 제1 직렬 스위치(SS1) 및 상기 제2 병렬 스위치(SP2)를 턴온하고, 상기 제2 직렬 스위치(SS2) 및 상기 제1 병렬 스위치(SP1)를 턴오프할 수 있다. 또한, 제어부(300)는 상기 제3 직렬 스위치(SS3) 및 상기 제4 병렬 스위치(SP4)를 턴오프하고, 상기 제3 병렬 스위치(SP3) 및 상기 제4 직렬 스위치(SS4)를 턴온할 수 있다.

이에 따라, 배터리 팩(10)으로부터 제2 및 제3 배터리 셀(B2, B3)이 전기적으로 분리되어, 제1 및 제4 배터리 셀(B1, B4) 간의 직렬 연결이 이루어질 수 있다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 공급 회로(30)의 기능적 구성을 보여주는 블록도이다. 도 5와 비교할 때, 전력 공급 회로(30)는 제1 셀 제거 회로 및 제2 셀 제거 회로가 각각 제3 셀 제거 회로 및 제4 셀 제거 회로로 대체된다는 점에서만 상이하므로, 동일한 구성에 대하여는 동일한 참조 부호를 부여하고, 제3 셀 제거 회로 및 제4 셀 제거 회로를 중심으로 설명하기로 한다.

도 9를 참조하면, 제3 셀 제거 회로는 복수의 스위치(SS5, SS6, SP5, SP6)를 포함하고, 제1 배터리 모듈(11)에 포함된 복수의 배터리 셀들(B1, B2) 중 적어도 하나를 제1 배터리 모듈(11)로부터 선택적으로 분리 가능하도록 구성될 수 있다. 이때, 제3 셀 제거 회로는 제어부(300)로부터 제공되는 신호를 기초로, 제1 배터리 모듈(11)에 포함된 비정상 상태의 배터리 셀만을 분리할 수 있다.

또한, 제4 셀 제거 회로는 복수의 스위치(SS7, SS8, SP7, SP8)를 포함하고, 제2 배터리 모듈(12)에 포함된 복수의 배터리 셀들(B3, B4) 중 적어도 하나를 제2 배터리 모듈(12)로부터 선택적으로 분리 가능하도록 구성될 수 있다. 이때, 제4 셀 제거 회로는 제어부(300)로부터 제공되는 신호를 기초로, 제2 배터리 모듈(12)에 포함된 비정상 상태의 배터리 셀만을 분리할 수 있다.

제어부(300)는 제3 셀 제거 회로에 포함되는 복수의 스위치(SS5, SS6, SP5, SP6)를 개별적으로 제어할 수 있고, 제4 셀 제거 회로에 포함되는 복수의 스위치(SS7, SS8, SP7, SP8)를 개별적으로 제어할 수 있다.

제3 셀 제거 회로는 제5 직렬 스위치(SS5), 제6 직렬 스위치(SS6), 제5 병렬 스위치(SP5) 및 제6 병렬 스위치(SP6)를 포함할 수 있다.

제5 직렬 스위치(SS5)는 제1 배터리 셀(B1)의 음극 단자와 상기 제2 배터리 셀(B2)의 양극 단자의 사이에 연결된다. 제6 직렬 스위치(SS6)는 제2 배터리 셀(B2)의 음극 단자와 상기 제1 배터리 모듈(11)의 음극 단자(11b)의 사이에 연결된다. 제5 병렬 스위치(SP5)는 제1 배터리 모듈(11)의 양극 단자(11a)와 상기 제2 배터리 셀(B2)의 양극 단자에 연결된다. 제6 병렬 스위치(SP6)는 제2 배터리 셀(B2)의 양극 단자와 상기 제1 배터리 모듈(11)의 음극 단자(11b)에 연결된다.

제어부(300)는 제1 배터리 셀(B1) 및 제2 배터리 셀(B2) 각각이 정상 상태에 있는지에 대한 판정의 결과를 기초로, 제5 직렬 스위치(SS5), 제6 직렬 스위치(SS6), 제5 병렬 스위치(SP5) 및 제6 병렬 스위치(SP6)의 동작 위치를 개별적으로 제어할 수 있다.

제5 직렬 스위치(SS5)가 턴오프되고 제5 병렬 스위치(SP5)가 턴온되는 경우, 제1 배터리 셀(B1)은 제1 배터리 모듈(11)로부터 전기적으로 분리된다. 반면, 제6 직렬 스위치(SS6)가 턴오프되고 제6 병렬 스위치(SP6)가 턴온된 경우, 제2 배터리 셀(B2)은 제1 배터리 모듈(11)로부터 전기적으로 분리된다.

제4 셀 제거 회로는 제7 직렬 스위치(SS7), 제8 직렬 스위치(SS8), 제7 병렬 스위치(SP7) 및 제8 병렬 스위치(SP8)를 포함할 수 있다.

제7 직렬 스위치(SS7)는 제3 배터리 셀(B3)의 음극 단자와 상기 제4 배터리 셀(B4)의 양극 단자의 사이에 연결된다. 제8 직렬 스위치(SS8)는 제4 배터리 셀(B4)의 음극 단자와 상기 제2 배터리 모듈(12)의 음극 단자(12b)의 사이에 연결된다. 제7 병렬 스위치(SP7)는 제2 배터리 모듈(12)의 양극 단자와 상기 제4 배터리 셀(B4)의 양극 단자에 연결된다. 제8 병렬 스위치(SP8)는 제4 배터리 셀(B4)의 양극 단자와 상기 제2 배터리 모듈(12)의 음극 단자(12b)에 연결된다.

제어부(300)는 제3 배터리 셀(B3) 및 제4 배터리 셀(B4) 각각이 정상 상태에 있는지에 대한 판정의 결과를 기초로, 제7 직렬 스위치(SS7), 제8 직렬 스위치(SS8), 제7 병렬 스위치(SP7) 및 제8 병렬 스위치(SP8)의 동작 위치를 개별적으로 제어할 수 있다.

제7 직렬 스위치(SS7)가 턴오프되고 제7 병렬 스위치(SP7)가 턴온되는 경우, 제3 배터리 셀(B3)은 제2 배터리 모듈(12)로부터 전기적으로 분리된다. 반면, 제8 직렬 스위치(SS8)가 턴오프되고 제8 병렬 스위치(SP8)가 턴온되는 경우, 제4 배터리 셀(B4)은 제2 배터리 모듈(12)로부터 전기적으로 분리된다.

도 10 및 도 11은 도 9에 도시된 제3 셀 제거 회로 및 제4 셀 제거 회로의 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.

도 10은 제2 배터리 셀(B2)만이 비정상 상태로 판정된 경우, 제3 셀 제거 회로 및 제4 셀 제거 회로에 의해 수행되는 동작을 보여준다. 즉, 도 11은 제1, 제3 및 제4 배터리 셀(B1, B3, B4)이 정상 상태이고, 제2 배터리 셀(B2)은 비정상 상태인 경우를 예시한다.

도 10을 참조하면, 제어부(300)는 상기 제5 직렬 스위치(SS5) 및 상기 제6 병렬 스위치(SP6)를 턴온하고, 상기 제6 직렬 스위치(SS6) 및 상기 제5 병렬 스위치(SP5)를 턴오프할 수 있다. 또한, 제어부(300)는 상기 제7 직렬 스위치(SS7) 및 상기 제8 직렬 스위치(SS8)를 턴온하고, 상기 제7 병렬 스위치(SP7) 및 상기 제8 병렬 스위치(SP8)를 턴오프할 수 있다.

이에 따라, 배터리 팩(10)으로부터 제2 배터리 셀(B2)이 전기적으로 분리되어, 제1, 제3 및 제4 배터리 셀(B1, B3, B4)들 간의 직렬 연결이 이루어질 수 있다.

도 11은 제1 및 제4 배터리 셀(B1, B4)만이 비정상 상태로 판정된 경우, 제3 셀 제거 회로 및 제4 셀 제거 회로에 의해 수행되는 동작을 보여준다. 즉, 도 11은 제1 및 제4 배터리 셀(B1, B4)이 비정상 상태이고, 제2 배터리 셀(B2) 및 제3 배터리 셀(B3)은 정상 상태인 경우를 예시한다.

도 11을 참조하면, 제어부(300)는 상기 제5 직렬 스위치(SS5) 및 상기 제6 병렬 스위치(SP6)를 턴오프하고, 상기 제6 직렬 스위치(SS6) 및 상기 제5 병렬 스위치(SP5)를 턴온할 수 있다. 또한, 제어부(300)는 상기 제7 직렬 스위치(SS7) 및 상기 제8 병렬 스위치(SP8)를 턴온하고, 상기 제7 병렬 스위치(SP7) 및 상기 제8 직렬 스위치(SS8)를 턴오프할 수 있다.

이에 따라, 배터리 팩(10)으로부터 제1 및 제4 배터리 셀(B1, B4)이 전기적으로 분리되어, 제2 및 제3 배터리 셀(B2, B3) 간의 직렬 연결이 이루어질 수 있다.

도 7, 도 8, 도 10 및 도 11을 참조하여 전술한 실시예들에 따른 전력 공급 회로(30)는, 배터리 팩(10)에 포함된 복수의 배터리 셀들(B1~B4) 중 일부의 배터리 셀이 비정상 상태로 판정되고, 나머지 배터리 셀은 정상 상태로 판정된 경우, 정상 상태로 판정된 배터리 셀만을 이용하여 부하(20)에 대한 전력 공급이 가능하다는 장점이 있다.

일 구현예에 따르면, 배터리 팩(10)에 포함된 배터리 셀들(B1~B4)이 모두 비정상 상태인 경우, 제어부(300)는 배터리 셀들(B1~B4) 중 비정상 레벨이 상대적으로 낮은 소정 개수의 배터리 셀들만을 이용하여, 부하(20)에 대한 전력 공급을 유지할 수도 있다.

한편, 도 1 내지 도 11에는 배터리 팩(10)와 전력 공급 회로(30)가 서로 별개인 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 전력 공급 회로(30)은 배터리 팩(10)에 포함될 수도 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.

1: 전기 자동차
10: 배터리 팩
20: 부하
30: 전력 공급 회로
110: 제1 메인 전력 라인
120: 제2 메인 전력 라인
130: 제1 서브 전력 라인
140: 제2 서브 전력 라인
111: 제1 메인 스위치
121: 제2 메인 스위치
131: 제1 비상 스위치
141: 제2 비상 스위치
150: 프리차지 회로
151: 프리차지 스위치
152: 프리차지 저항
SS1~SS8: 제1 내지 제8 직렬 스위치
SP1~SP8: 제1 내지 제8 병렬 스위치
200: 센싱부
300: 제어부
310: 제1 제어모듈
320: 제2 제어모듈
330: 메모리

Claims

상호 직렬 연결이 가능하도록 구성된 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 위한 전력 공급 회로에 있어서,
상기 제1 배터리 모듈의 양극 단자와 부하의 양극 단자를 연결하는 제1 메인 전력 라인을 통한 전류 경로를 개폐하는 제1 메인 스위치;
상기 제2 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 부하의 양극 단자를 연결하는 제1 서브 전력 라인을 통한 전류 경로를 개폐하는 제1 비상 스위치; 및
상기 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈 각각이 정상 상태인지 판정하고, 상기 제1 메인 스위치 및 상기 제1 비상 스위치를 개별적으로 제어하는 제어부;를 포함하되,
상기 제어부는,
상기 제1 배터리 모듈에 포함된 모든 배터리 셀들이 정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제1 메인 스위치의 턴온을 허용하면서 상기 제1 비상 스위치를 턴오프하고,
상기 제1 배터리 모듈에 포함된 모든 배터리 셀들이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제1 메인 스위치를 턴오프하고 상기 제1 비상 스위치의 턴온을 허용하되,
상기 제1 배터리 모듈은,
서로 직렬 연결 가능하도록 구성된 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀을 포함하고,
상기 제2 배터리 모듈은,
서로 직렬 연결 가능하도록 구성된 제3 배터리 셀 및 제4 배터리 셀을 포함하는, 전력 공급 회로.
제1항에 있어서,
상기 제2 배터리 모듈의 음극 단자와 상기 부하의 음극 단자를 연결하는 제2 메인 전력 라인을 통한 전류 경로를 개폐하는 제2 메인 스위치; 및
상기 제1 배터리 모듈의 음극 단자와 상기 부하의 음극 단자를 연결하는 제2 서브 전력 라인을 통한 전류 경로를 개폐하는 제2 비상 스위치;를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 제2 배터리 모듈에 포함된 모든 배터리 셀들이 정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제2 메인 스위치의 턴온을 허용하면서 상기 제2 비상 스위치를 턴오프하고,
상기 제2 배터리 모듈에 포함된 모든 배터리 셀들이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제2 메인 스위치를 턴오프하고 상기 제2 비상 스위치의 턴온을 허용하는, 전력 공급 회로.
제1항에 있어서,
복수의 스위치를 포함하고, 상기 제1 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나를 상기 제1 배터리 모듈로부터 선택적으로 분리 가능하도록 구성된 제1 셀 제거 회로; 및
복수의 스위치를 포함하고, 상기 제2 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나를 상기 제2 배터리 모듈로부터 선택적으로 분리 가능하도록 구성된 제2 셀 제거 회로;를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 제1 셀 제거 회로에 포함된 복수의 스위치와 상기 제2 셀 제거 회로에 포함된 복수의 스위치를 개별적으로 제어하는, 전력 공급 회로.
제3항에 있어서,
상기 제1 셀 제거 회로는,
상기 제1 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 제1 배터리 셀의 양극 단자 사이에 연결되는 제1 직렬 스위치;
상기 제1 배터리 셀의 음극 단자와 상기 제2 배터리 셀의 양극 단자 사이에 연결되는 제2 직렬 스위치;
상기 제1 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 제1 배터리 셀의 음극 단자에 연결되는 제1 병렬 스위치; 및
상기 제1 배터리 셀의 음극 단자와 상기 제2 배터리 셀의 음극 단자에 연결되는 제2 병렬 스위치;를 포함하는, 전력 공급 회로.
제4항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 중 상기 제1 배터리 셀만이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제1 직렬 스위치 및 상기 제2 병렬 스위치를 턴오프하고, 상기 제2 직렬 스위치 및 상기 제1 병렬 스위치를 턴온하며,
상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 중 상기 제2 배터리 셀만이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제2 직렬 스위치 및 상기 제1 병렬 스위치를 턴오프하고, 상기 제1 직렬 스위치 및 상기 제2 병렬 스위치를 턴온하는, 전력 공급 회로.
제3항에 있어서,
상기 제2 셀 제거 회로는,
상기 제2 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 제3 배터리 셀의 양극 단자 사이에 연결되는 제3 직렬 스위치;
상기 제3 배터리 셀의 음극 단자와 상기 제4 배터리 셀의 양극 단자 사이에 연결되는 제4 직렬 스위치;
상기 제2 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 제3 배터리 셀의 음극 단자에 연결되는 제3 병렬 스위치; 및
상기 제3 배터리 셀의 음극 단자와 상기 제4 배터리 셀의 음극 단자에 연결되는 제4 병렬 스위치;를 포함하는, 전력 공급 회로.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀 중 상기 제3 배터리 셀만이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제3 직렬 스위치 및 상기 제4 병렬 스위치를 턴오프하고, 상기 제4 직렬 스위치 및 상기 제3 병렬 스위치를 턴온하며,
상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀 중 상기 제4 배터리 셀만이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제4 직렬 스위치 및 상기 제3 병렬 스위치를 턴오프하고, 상기 제3 직렬 스위치 및 상기 제4 병렬 스위치를 턴온하는, 전력 공급 회로.
제3항에 있어서,
상기 제1 셀 제거 회로는,
상기 제1 배터리 셀의 음극 단자와 상기 제2 배터리 셀의 양극 단자의 사이에 연결되는 제5 직렬 스위치;
상기 제2 배터리 셀의 음극 단자와 상기 제1 배터리 모듈의 음극 단자의 사이에 연결되는 제6 직렬 스위치;
상기 제1 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 제2 배터리 셀의 양극 단자에 연결되는 제5 병렬 스위치; 및
상기 제2 배터리 셀의 양극 단자와 상기 제1 배터리 모듈의 음극 단자에 연결되는 제6 병렬 스위치;를 포함하는, 전력 공급 회로.
제8항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 중 상기 제1 배터리 셀만이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제5 직렬 스위치 및 상기 제6 병렬 스위치를 턴오프하고, 상기 제6 직렬 스위치 및 상기 제5 병렬 스위치를 턴온하며,
상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 중 상기 제2 배터리 셀만이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제6 직렬 스위치 및 상기 제5 병렬 스위치를 턴오프하고, 상기 제5 직렬 스위치 및 상기 제6 병렬 스위치를 턴온하는, 전력 공급 회로.
제3항에 있어서,
상기 제2 셀 제거 회로는,
상기 제3 배터리 셀의 음극 단자와 상기 제4 배터리 셀의 양극 단자의 사이에 연결되는 제7 직렬 스위치;
상기 제4 배터리 셀의 음극 단자와 상기 제2 배터리 모듈의 음극 단자의 사이에 연결되는 제8 직렬 스위치;
상기 제2 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 제4 배터리 셀의 양극 단자에 연결되는 제7 병렬 스위치; 및
상기 제4 배터리 셀의 양극 단자와 상기 제2 배터리 모듈의 음극 단자에 연결되는 제8 병렬 스위치;를 포함하는, 전력 공급 회로.
제10항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀 중 상기 제3 배터리 셀만이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제7 직렬 스위치 및 상기 제8 병렬 스위치를 턴오프하고, 상기 제8 직렬 스위치 및 상기 제7 병렬 스위치를 턴온하며,
상기 제3 배터리 셀 및 상기 제4 배터리 셀 중 상기 제4 배터리 셀만이 비정상 상태인 것으로 판정되면, 상기 제8 직렬 스위치 및 상기 제7 병렬 스위치를 턴오프하고, 상기 제7 직렬 스위치 및 상기 제8 병렬 스위치를 턴온하는, 전력 공급 회로.
제1항 내지 제11항 중 어느 하나에 따른 전력 공급 회로;
를 포함하는, 배터리 팩.
제12항에 따른 배터리 팩;
을 포함하는, 전기 자동차.