KR102063937B1 - 배터리 팩 관리 장치 및 관리 방법 - Google Patents

배터리 팩 관리 장치 및 관리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 팩의 과전류 상황에서, MCU와 같은 릴레이 제어 유닛이 오작동되더라도, 이러한 릴레이 제어 유닛의 오작동과 관계 없이, 배터리 팩의 과전류가 신속하고 정확하게 차단될 수 있도록 구조가 개선된 배터리 팩 관리 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 팩 관리 장치는, 하나 이상의 이차 전지를 포함하는 셀 어셈블리와 상기 셀 어셈블리의 이차 전지를 충방전하기 위한 전류가 흐르는 충방전 경로를 구비하는 배터리 팩을 관리하는 장치로서, 상기 배터리 팩의 충방전 경로 상에 구비되어 상기 충방전 경로를 선택적으로 개폐하는 릴레이; 상기 릴레이로 턴온 전류를 공급하여 상기 릴레이를 턴온시키는 전류 공급부; 상기 배터리 팩의 충방전 경로 상에 구비된 션트 저항; 상기 션트 저항 양단의 전압을 증폭하여 출력하는 증폭기; 상기 증폭기에 의해 출력된 전압과 기준 전압을 비교하는 비교기; 상기 비교기의 출력단에 연결되어, 상기 비교기의 출력단으로부터 공급되는 전류에 의해 열을 발생시키는 발열 저항; 및 상기 릴레이와 상기 전류 공급부 사이에 위치하고, 상기 발열 저항의 발열에 의해 상기 전류 공급부로부터 상기 릴레이로의 턴온 전류를 제한하는 전류 제한부를 포함한다.

Description

배터리 팩 관리 장치 및 관리 방법{Apparatus and method for managing battery pack}
본 발명은 배터리 팩을 관리하는 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 릴레이를 제어하는 제어 유닛이 비정상 상태에서도 배터리 팩에 이상 전류가 흐를 때 보호 기능이 수행될 수 있도록 구성된 배터리 팩 관리 장치와 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 배터리 팩 관리 방법 등에 관한 것이다.
근래에 들어서, 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 사용 및 개발이 확대됨에 따라, 이에 사용되는 배터리 팩에 대한 관심이 집중되고 그 연구 또한 활발히 진행되고 있다.
특히, 최근에는 스마트폰을 비롯하여, 노트북이나 넷북, 울트라북 등과 같은 다양한 형태의 휴대용 컴퓨터가 널리 이용되고 있다. 이러한 휴대용 컴퓨터는 컴퓨터로서의 뛰어난 성능과 기능을 제공함과 동시에 이동성이라는 편리함까지 갖추고 있으므로, 많은 사용자들에게 이용되고 있다. 따라서, 이제는 각 가정이나 회사는 물론, 강의실이나 도서관, 버스, 전철 등에서도 이러한 휴대용 컴퓨터가 이용되는 모습을 쉽게 볼 수 있으며, 그 사용은 대중들에게 점차 보편화 되어 가고 있다.
이러한 휴대용 컴퓨터를 비롯하여 여러 장치에 사용되는 배터리 팩에는, 셀이라고도 불리는 이차 전지가 통상적으로 하나 이상 포함된다. 그리고, 현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 그 중, 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높다는 등의 장점으로 인해 더욱 각광을 받고 있다.
이처럼 배터리 팩의 적용 영역이 더욱 확장됨에 따라, 이러한 배터리 팩에 대한 안전성이 매우 중요한 이슈로 부각되고 있다. 특히, 노트북이나 휴대폰 등의 경우, 사용 인구가 급격히 증가하고 있고, 배터리의 폭발은 휴대용 전자제품의 파손을 가져올 뿐만 아니라 인명 피해 내지 화재로 연결될 수 있다는 점에서 배터리의 안전성 확보가 시급하다. 따라서, 배터리 팩에는 일반적으로 배터리 팩의 충방전을 관리하고 안전성을 확보하기 위한 관리 장치가 구비된다.
이러한 배터리 팩 관리 장치에는 다양한 구성이 포함될 수 있는데, 대표적으로는 충방전 전류가 흐르는 경로에 구비된 션트 저항(센스 저항), 이러한 션트 저항으로부터 전류를 센싱하여 과전류 시 충방전 경로 상의 릴레이를 차단하는 MCU(Micro Controller Unit) 등의 제어 유닛을 들 수 있다.
이러한 구성에 있어서, 배터리 팩에 과전류가 흐르는 경우, 제어 유닛, 이를테면 MCU가 정상적인 상태에서는, 릴레이를 턴오프시킴으로써 배터리 팩의 충방전 경로를 차단시킬 수 있다. 하지만, MCU와 같은 제어 유닛은, 전자 부품으로서 고장 내지 일시적인 오작동의 위험성을 갖고 있다. 물론, 기술이 발전함에 따라 근래에는 이러한 MCU 등의 고장이나 오작동의 발생 가능성이 많이 낮아지긴 하였지만, 단 한 번의 오작동에도 배터리 팩 자체는 물론이고, 배터리 팩으로부터 전원을 공급받는 장비의 손상을 가져올 수 있다.
특히, 최근에는 배터리 팩으로부터 구동 전원을 공급받는 순수 전기 자동차 및 하이브리드 자동차를 비롯한 전기 자동차에 대한 상용화가 본격적으로 이루어지고 있다. 그런데, 이러한 전기 자동차의 경우, 배터리 팩에 과전류가 흐를 때, 배터리 팩 자체는 물론이고, 전기 자동차의 전원 계통에도 손상을 가할 수 있다. 더욱이, 전기 자동차의 운행 중에 배터리 팩이나 전기 자동차의 전원 계통에 이상이 발생하면, 큰 사고로 이어질 수 있기 때문에, 배터리 팩의 과전류 발생 시 이를 적절하게 차단하는 것은 더욱 중요하다 할 수 있다. 뿐만 아니라, 전기 자동차에 이용되는 배터리 팩의 경우, 출력 전류가 매우 크기 때문에, 과전류 상황은 더욱 위험하며, 심한 경우 화재를 발생시킬 수도 있다.
또한, 최근에는 스마트 그리드 시스템의 구축이나 신재생 에너지에 대한 관심이 더욱 증대되면서, 전력을 저장하기 위한 전력저장장치(ESS; Energy Storage System)에 대한 개발 및 생산이 보다 활발하게 이루어지고 있다. 그런데, 이러한 전력저장장치에 포함된 배터리 팩의 경우, 매우 방대한 양의 이차 전지가 포함될 수 있기 때문에, MCU에 과부하가 걸리는 경우가 많으며, 이로 인해 MCU의 오작동 발생 가능성이 높아질 수 있다. 뿐만 아니라, 전력저장장치에는 많은 MCU가 포함되기 때문에, 고장 내지 오작동이 일어난 MCU의 파악이 쉽지 않으며, 특정 MCU에서 오작동이 발생하더라도 즉각적인 대처가 쉽지 않다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 팩의 과전류 상황에서, MCU와 같은 릴레이 제어 유닛이 오작동되더라도, 이러한 릴레이 제어 유닛의 오작동과 관계 없이, 배터리 팩의 과전류가 신속하고 정확하게 차단될 수 있도록 구조가 개선된 배터리 팩 관리 장치와 방법, 그리고 이러한 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 등을 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 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩 관리 장치는, 하나 이상의 이차 전지를 포함하는 셀 어셈블리와 상기 셀 어셈블리의 이차 전지를 충방전하기 위한 전류가 흐르는 충방전 경로를 구비하는 배터리 팩을 관리하는 장치로서, 상기 배터리 팩의 충방전 경로 상에 구비되어 상기 충방전 경로를 선택적으로 개폐하는 릴레이; 상기 릴레이로 턴온 전류를 공급하여 상기 릴레이를 턴온시키는 전류 공급부; 상기 배터리 팩의 충방전 경로 상에 구비된 션트 저항; 상기 션트 저항 양단의 전압을 증폭하여 출력하는 증폭기; 상기 증폭기에 의해 출력된 전압과 기준 전압을 비교하는 비교기; 상기 비교기의 출력단에 연결되어, 상기 비교기의 출력단으로부터 공급되는 전류에 의해 열을 발생시키는 발열 저항; 및 상기 릴레이와 상기 전류 공급부 사이에 위치하고, 상기 발열 저항의 발열에 의해 상기 전류 공급부로부터 상기 릴레이로의 턴온 전류를 제한하는 전류 제한부를 포함한다.
여기서, 상기 전류 제한부는, PTC 소자 또는 TCO 소자일 수 있다.
또한, 상기 비교기는, 상기 증폭기에 의해 출력된 전압이 상기 기준 전압보다 큰 경우 출력단으로 전류를 출력하고, 상기 증폭기에 의해 출력된 전압이 상기 기준 전압보다 작은 경우 출력단으로 전류를 출력하지 않도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 증폭기 및 상기 비교기 중 적어도 하나는, OP AMP일 수 있다.
또한, 상기 릴레이는, 상기 전류 공급부로부터 전류가 일정 크기 이상 지속적으로 공급됨에 따라 턴온 상태를 유지하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩 관리 장치는, 상기 전류 공급부로 하여금 상기 릴레이로 턴온 전류를 공급하도록 상기 전류 공급부를 제어하는 제어 유닛을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어 유닛은, 상기 비교기로 상기 기준 전압을 가변적으로 공급하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩 관리 장치는, 상기 비교기로 상기 기준 전압을 고정적으로 공급하는 기준 전원을 더 포함할 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 팩 관리 장치를 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 팩 관리 장치를 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩 관리 방법은, 하나 이상의 이차 전지를 포함하는 셀 어셈블리와 상기 셀 어셈블리의 이차 전지를 충방전하기 위한 전류가 흐르는 충방전 경로를 구비하는 배터리 팩을 관리하는 방법으로서, 증폭기에 의해 션트 저항 양단의 전압이 증폭되는 단계; 상기 증폭기에 의해 증폭된 전압과 기준 전압이 비교기로 입력되는 단계; 상기 증폭기에 의해 증폭된 전압이 상기 기준 전압보다 높은 경우, 상기 비교기의 출력단으로 일정 크기 이상의 전류가 출력되는 단계; 상기 비교기의 출력단으로 일정 크기 이상의 전류가 출력되어 상기 비교기의 출력단에 구비된 발열 저항이 발열되는 단계; 상기 발열 저항의 발열에 의해 전류 공급부로부터 릴레이로 공급되는 턴온 전류가 제한되는 단계; 및 상기 릴레이가 턴오프되는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, MCU와 같은 릴레이 제어 유닛과는 별도로, 배터리 팩에 과전류가 흐르는 경우, 신속하고 정확하게 배터리 팩의 충방전 경로가 차단될 수 있다.
특히, 본 발명의 경우, 과전류 상황에서 고장 내지 일시적인 오작동으로 인해 제어 유닛에 의한 릴레이의 턴오프가 제대로 이루어지지 못한 경우, 별도로 구성된 회로를 통해 릴레이가 턴오프되도록 하여, 배터리 팩의 충방전 경로가 차단되도록 할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 팩의 과전류 상황에서 배터리 팩의 안전성이 확보될 수 있다. 또한, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, MCU와 같은 제어 유닛의 오작동을 보완할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 릴레이가 제대로 동작하지 못할 정도의 높은 온도 조건에서 릴레이를 향하는 턴오프 전류 신호를 제한함으로써, 비정상적인 고온 상황에서 MCU와 같은 제어 유닛의 제어 없이도 릴레이가 자동적으로 턴오프되도록 할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 측면에 의하면, 종래 배터리 팩 관리 장치에서 션트 저항 등을 그대로 이용할 수 있으며, 그 이외에 추가로 많은 수의 부품을 포함시키거나 과도한 설계 변경을 하지 않아도 된다.
그러므로, 본 발명의 이러한 측면에 의하면 경제적이고 효율적인 배터리 팩 관리 장치의 구성이 가능하다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 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 관리 장치의 동작 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 관리 장치의 연결 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 관리 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
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 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 관리 장치의 동작 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 또한, 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 관리 장치의 연결 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩 관리 장치는, 릴레이(100), 전류 공급부(200), 션트 저항(300), 증폭기(400), 비교기(500), 발열 저항(600) 및 전류 제한부(700)를 포함할 수 있다. 그리고, 이러한 배터리 팩 관리 장치가 관리하는 배터리 팩에는, 셀 어셈블리(10)와 충방전 경로(P)가 구비될 수 있다.
여기서, 셀 어셈블리(10)는, 하나 이상의 이차 전지를 포함한다. 특히, 1개의 이차 전지만으로는 배터리 팩의 고출력 내지 고용량을 확보하기 어려우므로, 셀 어셈블리(10)에는 다수의 이차 전지가 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 이차 전지에는 외장재가 파우치 형태로 구성된 파우치형 이차 전지 또는 외장재가 금속 캔으로 구성된 캔형 이차 전지 등, 다양한 형태의 이차 전지가 포함될 수 있다. 셀 어셈블리(10)에 다수의 이차 전지가 포함되는 경우, 이차 전지 사이는 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 연결될 수 있다. 다만, 도 2에서는 셀 어셈블리(10)에 4개의 이차 전지가 직렬로 연결된 구성이 도시되어 있으나, 이는 일례에 불과할 뿐, 셀 어셈블리(10)에는 다양한 개수의 이차 전지가 다양한 연결 형태로 포함될 수 있다.
상기 충방전 경로(P)는, 셀 어셈블리(10)의 이차 전지를 충전 내지 방전시키기 위한 전류가 흐르는 경로이다. 상기 충방전 경로(P)는, 배터리 팩에서 충전기나 부하와 같은 외부 장치와 연결되기 위해 외부로 노출된 팩 단자와 셀 어셈블리(10) 사이의 전원 경로라 할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성을 참조하면, 셀 어셈블리(10)의 양극 단자와 양극 팩 단자(Pack +) 사이, 및 셀 어셈블리(10)의 음극 단자와 음극 팩 단자(Pack -) 사이의 전류 경로가 충방전 경로(P)라 할 수 있다.
상기 릴레이(100)는, 배터리 팩의 충방전 경로(P) 상에 구비될 수 있다. 그리고, 상기 릴레이(100)는, 이러한 배터리 팩의 충방전 경로(P)를 선택적으로 개폐시킬 수 있다. 상기 릴레이(100)는, 전자기적인 현상을 이용하여 전류 경로를 개폐시키는 전자적 스위치라 할 수 있다. 특히, 상기 릴레이(100)는, 코일에 전류를 흘리면 자석이 되는 성질을 이용하는 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 코일(110)과 스위치(120)를 구비할 수 있다. 상기 릴레이(100)에는, 전자기 릴레이, 리드 릴레이, 프로그램 릴레이, 반드체 릴레이 등 다양한 형태가 포함될 수 있다.
상기 전류 공급부(200)는, 릴레이(100)로 턴온 전류를 공급할 수 있다. 그리고, 이와 같이 릴레이(100)로 턴온 전류가 공급되면, 릴레이(100)는 턴온되어 충방전 경로에 전류가 흐를 수 있다. 즉, 상기 전류 공급부(200)는, 릴레이(100)를 턴온시킬 수 있다.
여기서, 상기 전류 공급부(200)는, 릴레이(100)의 코일(110) 양단에 연결되어, 릴레이(100)의 코일(110)로 턴온 전류를 공급할 수 있다. 그리고, 릴레이(100)의 코일(110)로 턴온 전류가 공급되면, 코일(110) 주변의 스위치(120)가 이동되어 개폐될 수 있다. 예를 들어, 릴레이(100)의 코일(110)로 턴온 전류가 공급되면, 릴레이(100)의 코일(110)은 전자석이 되어, 철편을 이동시킬 수 있다. 그리고, 이와 같은 과정에서, 철편에 구비된 스위치(120)의 접점이 열리거나 닫힐 수 있다.
바람직하게는, 상기 릴레이(100)는, 전류 공급부(200)로부터 전류가 일정 크기 이상 지속적으로 공급됨에 따라 턴온 상태를 유지하도록 구성될 수 있다.
즉, 상기 릴레이(100)는, 전류가 공급될 때에만 스위치(120) 접점의 개폐가 이루어지고, 전류가 멈추면 스프링 등의 복원력에 의해 이전 상태로 돌아가도록 구성될 수 있다. 특히, 릴레이(100)는, 전류 공급부(200)에 의해 코일(110)로 일정 수준 이상의 전류가 공급되면, 스위치(120)가 닫혀짐으로써, 턴온 상태가 되도록 구성될 수 있다. 이러한 릴레이(100) 구성에서, 전류 공급부(200)가 코일(110)로 일정 수준 이상의 전류를 공급하지 못하면, 릴레이(100)의 스위치(120)는 열릴 수 있다. 예를 들어, 전류 공급부(200)가 릴레이(100)의 코일(110)로 전류를 전혀 공급하지 못하거나 전류를 공급하더라도 그 크기가 일정 수준 미만인 경우, 릴레이(100)는 턴오프 상태가 될 수 있다.
상기 션트 저항(300)은, 배터리 팩의 충방전 경로 상에 구비될 수 있다. 상기 션트 저항(300)은, 그 자체의 저항값과 양단에서 측정된 전압값을 통해 전류가 측정되도록 할 수 있다. 상기 션트 저항(300)의 저항값은, 배터리 팩의 종류 등에 따라 다양하게 구성될 수 있다.
한편, 상기 릴레이(100), 전류 공급부(200), 션트 저항(300) 등은, 종래 배터리 팩에 구비된 구성요소를 그대로 이용해도 무방하고, 별도로 마련될 수도 있다.
상기 증폭기(400)는, 션트 저항(300)에 연결되어, 션트 저항(300) 양단의 전압을 증폭하여 출력할 수 있다. 션트 저항(300)은, 일반적으로 저항값이 작게 설계되기 때문에 전압값이 크지 않을 수 있다. 하지만, 상기 증폭기(400)를 통해, 션트 저항(300) 양단의 전압값은 크게 증폭될 수 있다.
특히, 상기 증폭기(400)는, 도 2에 도시된 바와 같이, OP AMP(OPerating AMPlifier; 연산 증폭기)로 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 증폭기(400)의 두 입력단은, 션트 저항(300) 양단에 연결될 수 있다. 그리고, 상기 증폭기(400)의 하나의 출력단은, 비교기(500)로 연결될 수 있다. 따라서, 션트 저항(300) 양단의 전압은, 증폭기(400)로 입력되어 증폭된 후, 비교기(500)로 입력될 수 있다.
상기 비교기(500)는, 상기 증폭기(400)에 의해 출력된 전압과 기준 전압을 비교할 수 있다. 그리고, 이와 같은 비교 결과에 따라 서로 다른 신호를 출력할 수 있다. 즉, 상기 비교기(500)는, 2개의 입력값을 비교하고, 비교 결과에 따라 출력이 서로 달라지도록 할 수 있다.
특히, 상기 비교기(500)는, 도 2에 도시된 바와 같이, OP AMP로 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 비교기(500)는, 2개의 입력단(제1 입력단, 제2 입력단)과 1개의 출력단을 구비할 수 있다.
상기 비교기(500)의 두 입력단 중 하나의 입력단, 즉 제1 입력단은 증폭기(400)와 연결될 수 있다. 더욱이, 증폭기(400)도 OP AMP로 구현된 경우, 증폭기(400)의 출력단은 비교기(500)의 제1 입력단에 직접 연결될 수 있다. 따라서, 증폭기(400)의 출력 전압은 +로 표시된 비교기(500)의 제1 입력단으로 입력될 수 있다. 또한, 상기 비교기(500)에서 -로 표시된 제2 입력단에는 기준 전압이 공급될 수 있다. 따라서, 상기 비교기(500)는, 2개의 입력단으로 각각 입력된 증폭기(400)의 증폭 전압과 기준 전압을 서로 비교할 수 있다.
상기 비교기(500)는, 이러한 비교 결과에 따라 출력단으로 서로 다른 신호를 출력할 수 있다.
바람직하게는, 상기 비교기(500)는, 증폭기(400)에 의해 출력된 전압이 기준 전압보다 큰 경우 출력단으로 전류를 출력하고, 증폭기(400)에 의해 출력된 전압이 기준 전압보다 작은 경우 출력단으로 전류를 출력하지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 비교기(500)는, 증폭기(400)에 의한 증폭 전압이 기준 전압보다 큰 경우 출력단으로 5V의 전압을 출력하고, 증폭기(400)에 의한 증폭 전압이 기준 전압보다 작은 경우 출력단으로 0V의 전압을 출력하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 비교기(500)는, 증폭기(400)로부터 입력된 전압이 기준 전압보다 크면 출력단에 소정 전압이 출력되도록 하고, 그렇지 않으면 출력단에 전압이 전혀 출력되지 않도록 구성될 수 있다.
상기 발열 저항(600)은, 비교기(500)의 출력단에 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 발열 저항(600)은, 일단이 비교기(500)의 출력단에 직접 연결되고, 타단이 접지되도록 구성될 수 있다. 따라서, 비교기(500)가 비교 결과에 따라 출력단으로 전원을 출력하면, 발열 저항(600)에는 전류가 흐를 수 있다. 그리고, 발열 저항(600)은, 이러한 전류의 흐름을 통해 열을 발생시킬 수 있다.
상기 전류 제한부(700)는, 릴레이(100)와 전류 공급부(200) 사이에 위치할 수 있다. 특히, 상기 전류 제한부(700)는, 발열 저항(600)에 인접하는 위치에 배치되어, 발열 저항(600)의 발열 여부 내지 발열 크기에 따라, 턴온 전류를 차단하도록 구성될 수 있다.
이를테면, 상기 전류 제한부(700)는, 발열 저항(600)이 열을 발생시키면, 릴레이(100)로 공급되는 턴온 전류를 제한할 수 있다. 즉, 상기 전류 제한부(700)는, 발열 저항(600)이 발열하지 않거나 발열량이 소정 수준 미만이라면, 전류 공급부(200)로부터 릴레이(100)로 공급되는 턴온 전류를 제한하지 않는다. 하지만, 상기 전류 제한부(700)는, 발열 저항(600)이 발열하여 그 발열량이 소정 수준 이상이라면, 전류 공급부(200)로부터 릴레이(100)로 공급되는 턴온 전류를 제한할 수 있다. 그러므로, 이 경우, 전류 공급부(200)가 턴온 전류를 공급하더라도 릴레이(100)는 턴온되지 않을 수 있다.
특히, 전류 제한부(700)는, 발열 저항(600)의 발열에 의해, 저항값이 변함으로써 릴레이(100)와 전류 공급부(200) 사이의 전류 경로를 제한할 수 있다. 예를 들어, 상기 전류 제한부(700)는, 발열 저항(600)의 발열에 의해, 저항값이 무한대에 가깝도록 크게 증대되어 릴레이(100)와 전류 공급부(200) 사이의 전류 경로를 완전히 차단할 수 있다. 또는, 상기 전류 제한부(700)는, 발열 저항(600)의 발열에 의해, 저항값이 다소 증대되어 릴레이(100)의 코일(110)로 공급되는 턴온 전류의 크기를 감소시킬 수 있다. 이 경우, 릴레이(100)의 코일(110)로 턴온 전류가 공급되더라도, 전류의 크기가 작아 릴레이(100)의 스위치(120)는 접점이 연결되지 않아 릴레이(100)가 턴온되지 않도록 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전류 제한부(700)는, PTC 소자일 수 있다.
PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자는, 온도에 따라 저항값이 변하는 소자이다. 즉, 상기 PTC 소자는, 낮은 온도에서는 저항값이 낮고, 높은 온도에서는 저항값이 높을 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 팩 관리 장치에서, 이러한 PTC 소자는 일단이 릴레이(100)의 코일(110)에 직접 연결되고, 타단이 전류 공급부(200)에 직접 연결될 수 있다. 따라서, 상기 PTC 소자는, 온도가 일정 수준 이상 높아지는 경우, 양단으로 더 이상 전류가 흐르지 못하게 할 수 있다.
특히, 상기 PTC 소자는, 발열 저항(600)에 인접하는 위치에 배치되어, 발열 저항(600)의 발열에 의해 저항값이 변경되도록 구성될 수 있다. 더욱이, 상기 PTC 소자는, 발열 저항(600)에 전류가 흘러 열이 발생되는 경우, 발생된 열로 인해 저항값이 상승하도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 상기 PTC 소자는, 발열 저항(600)의 발열 여부에 따라 저항값이 변경될 수 있을 만한 위치 및/또는 사양을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 PTC 소자는, 발열 저항(600)에 접촉하거나 그에 최대한 근접하여, 이를테면 발열 저항(600)과 수 mm 이내의 거리에 배치될 수 있다.
다만, 본 발명에 따른 전류 제한부(700)가, 이러한 PTC 소자로 한정되는 것은 아니며, 다른 소자로 구현될 수도 있다. 예를 들어, 상기 전류 제한부(700)는, TCO 소자일 수 있다. TCO(Thermal Cut-Off) 소자는, 온도 퓨즈로서 금속 케이스 내에 유기물 입자의 감온 소자가 수용되는 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 TCO 소자는, 일정 온도 이상으로 증가시 감온 소자가 용융 액화되어 접점이 열리도록 할 수 있다. 그 밖에, 상기 전류 제한부(700)는, 다른 퓨즈나 FET(Field Effect Transistor)로 구현될 수도 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩 관리 장치는, 제어 유닛(800)을 더 포함할 수 있다.
상기 제어 유닛(800)은, 전류 공급부(200)를 제어할 수 있다. 특히, 상기 제어 유닛(800)은, 전류 공급부(200)로 하여금 릴레이(100)로 턴온 전류를 공급하도록 할 수 있다. 즉, 상기 제어 유닛(800)이 전류 공급부(200)에게 턴온 전류를 공급하도록 제어 신호를 전송하면, 전류 공급부(200)는 릴레이(100)로 턴온 전류를 공급할 수 있다. 그리고, 상기 제어 유닛(800)이 전류 공급부(200)에게 턴온 전류를 공급하지 않도록 제어 신호를 전송하면, 전류 공급부(200)는 릴레이(100)로 턴온 전류를 공급하지 않을 수 있다.
상기 제어 유닛(800)은, 전류 공급부(200)를 제어하는 구성요소로서, 본 발명에 따른 배터리 팩 관리 장치에서 새롭게 구비된 것일 수 있으나, 종래 배터리 팩 관리 장치나 배터리 팩 또는 배터리 팩에 연결된 다른 장비의 관리 시스템에 구비된 것일 수 있다. 특히, 상기 제어 유닛(800)은, MCU(Micro Controller Unit)일 수 있다. MCU는, 일반적인 배터리 팩에 많이 포함되는 구성요소로서, 셀 어셈블리(10)의 과충전이나 과방전, 과전압 및 과전류 등과 같은 배터리 팩의 이상 상황을 판단할 수 있다. 그리고, MCU는, 이러한 이상 상황 발생 시, FET나 퓨즈 등을 제어하여 배터리 팩의 보호 동작을 수행할 수 있다. 또한, 상기 제어 유닛(800)은, ASIC(Application Specific Integrated Circuit)과 같이, 다양한 제품으로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩 관리 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 기준 전원(Ref)을 더 포함할 수 있다.
상기 기준 전원(Ref)은, 비교기(500)로 기준 전압을 공급할 수 있다. 따라서, 상기 비교기(500)는, 이와 같이 기준 전원(Ref)에 의해 공급되는 기준 전압을 증폭기(400)에 의해 증폭된 전압과 비교할 수 있다. 특히, 상기 기준 전원(Ref)은, 기준 전압을 고정적으로 공급할 수 있다. 즉, 상기 기준 전원(Ref)은, 동일한 크기의 전압을 비교기(500)의 하나의 입력단에 계속해서 공급할 수 있다.
한편, 비교기(500)로 입력되는 기준 전압은, 기준 전원이 아닌 다른 구성 요소에 의해 공급될 수 있다. 예를 들어, 상기 제어 유닛(800)은, 비교기(500)로 기준 전압을 공급하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 비교기(500)로 공급되는 기준 전압은, MCU와 같은 제어 유닛(800)에 의해 공급될 수 있다. 이때, 상기 제어 유닛(800)은, 비교기(500)로 기준 전압을 가변적으로 공급할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어 유닛(800)은, 충전 시와 방전 시에 비교기(500)로 입력되는 기준 전압을 서로 다른 크기로 공급할 수 있다. 또는, 상기 제어 유닛(800)은, 방전 시에도 배터리 팩의 방전 상태, 또는 부하의 종류나 상태 등에 따라 서로 다른 크기의 기준 전압을 비교기(500)로 입력할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 비교기(500)의 기준 전압이 상황에 따라 적절한 크기로 변경되도록 함으로써, 배터리 팩의 사양이나 구동 상태, 부하 등의 변화 등에 따라 능동적으로 대처하여 배터리 팩이 효율적으로 관리되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩 관리 장치는, 배터리 팩 자체에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 팩 관리 장치를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩 관리 장치는, 자동차에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 자동차는, 상술한 배터리 팩 관리 장치를 포함할 수 있다. 특히, 하이브리드 자동차를 포함한 전기 자동차의 경우, 배터리 팩으로부터 구동력을 얻기 때문에, 배터리 팩에 대한 안전성 확보는 매우 중요하다 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 팩 관리 장치가 적용되는 경우, 자동차용 배터리 팩의 효과적인 안전성 확보가 이루어질 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 관리 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩 관리 방법에 의하면, 먼저 증폭기에 의해 션트 저항 양단의 전압이 증폭된다(S110). 그리고, 증폭기에 의해 증폭된 전압과 기준 전압이 비교기로 입력된다(S120). 다음으로, 증폭 전압과 기준 전압이 서로 비교되어(S130), 증폭 전압이 기준 전압보다 크면, 비교기의 출력단으로 일정 크기 이상의 전류가 출력된다(S140). 다음으로, 이처럼 비교기의 출력단으로 출력된 전류에 의해, 발열 저항이 열을 발생시킨다(S150). 그러면, 이러한 발열 저항의 발열에 의해, 전류 공급부로부터 릴레이로 공급되는 턴온 전류가 제한될 수 있다(S160). 그리고 이러한 턴온 전류의 제한에 의해, 릴레이는 턴오프될 수 있다(S170). 여기서, 이전 상태에서 릴레이가 턴온 상태인 경우, 상기 S170 단계에서는 이러한 턴온 상태가 더 이상 유지되지 못하고 턴오프 상태로 변경될 수 있다. 또한, 이전 상태에서 릴레이가 턴오프 상태인 경우, 상기 S170 단계에서는, 전류 공급부에 의해 턴온 전류가 공급되더라도, 릴레이는 턴온되지 않고 턴오프 상태가 그대로 유지될 수 있다.
이상과 같이, 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.
10: 셀 어셈블리
P: 충방전 경로
100: 릴레이
110: 코일, 120: 스위치
200: 전류 공급부
300: 션트 저항
400: 증폭기
500: 비교기
600: 발열 저항
700: 전류 제한부
800: 제어 유닛

Claims (11)

  1. 하나 이상의 이차 전지를 포함하는 셀 어셈블리와 상기 셀 어셈블리의 이차 전지를 충방전하기 위한 전류가 흐르는 충방전 경로를 구비하는 배터리 팩을 관리하는 장치에 있어서,
    코일과 스위치를 구비하며 상기 배터리 팩의 충방전 경로 상에 위치하여 상기 충방전 경로를 선택적으로 개폐하는 릴레이;
    상기 릴레이의 코일 양단에 연결되어 상기 릴레이의 코일로 턴온 전류를 공급하여 상기 릴레이의 스위치를 턴온시키는 전류 공급부;
    상기 배터리 팩의 충방전 경로 상에 구비된 션트 저항;
    상기 션트 저항 양단의 전압을 증폭하여 출력하는 증폭기;
    2개의 입력단과 하나의 출력단을 구비하는 OP AMP로 구현되며, 상기 2개의 입력단 중 하나의 입력단에 상기 증폭기에 의해 출력된 전압이 입력되고 다른 하나의 입력단에 기준 전압이 입력되어, 상기 증폭기에 의해 출력된 전압과 상기 기준 전압을 비교하며, 비교 결과에 따라 상기 출력단에 서로 다른 신호를 출력하는 비교기;
    상기 비교기의 출력단에 직접 연결되어, 상기 비교기의 출력단으로부터 공급되는 전류에 의해 열을 발생시키는 발열 저항; 및
    상기 릴레이의 코일과 상기 전류 공급부 사이에 위치하고, 상기 발열 저항의 발열에 의해 상기 전류 공급부로부터 상기 릴레이의 코일로 공급되는 턴온 전류를 제한하는 전류 제한부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류 제한부는, PTC 소자 또는 TCO 소자인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 관리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비교기는, 상기 증폭기에 의해 출력된 전압이 상기 기준 전압보다 큰 경우 출력단으로 전류를 출력하고, 상기 증폭기에 의해 출력된 전압이 상기 기준 전압보다 작은 경우 출력단으로 전류를 출력하지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 관리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 증폭기는, OP AMP인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 관리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 릴레이는, 상기 전류 공급부로부터 전류가 일정 크기 이상 지속적으로 공급됨에 따라 턴온 상태를 유지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩 관리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전류 공급부로 하여금 상기 릴레이로 턴온 전류를 공급하도록 상기 전류 공급부를 제어하는 제어 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 관리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 비교기로 상기 기준 전압을 가변적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 관리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 비교기로 상기 기준 전압을 고정적으로 공급하는 기준 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 관리 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩 관리 장치를 포함하는 배터리 팩.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩 관리 장치를 포함하는 자동차.
  11. 하나 이상의 이차 전지를 포함하는 셀 어셈블리와 상기 셀 어셈블리의 이차 전지를 충방전하기 위한 전류가 흐르는 충방전 경로를 구비하는 배터리 팩을 관리하는 방법에 있어서,
    증폭기에 의해 션트 저항 양단의 전압이 증폭되는 단계;
    상기 증폭기에 의해 증폭된 전압과 기준 전압이 OP AMP로 구현된 비교기의 2개의 입력단으로 각각 입력되는 단계;
    상기 증폭기에 의해 증폭된 전압이 상기 기준 전압보다 높은 경우, 상기 비교기의 출력단으로 일정 크기 이상의 전류가 출력되는 단계;
    상기 비교기의 출력단으로 일정 크기 이상의 전류가 출력되어 상기 비교기의 출력단에 직접 연결된 형태로 구비된 발열 저항이 발열되는 단계;
    상기 발열 저항의 발열에 의해 전류 공급부로부터 릴레이의 코일로 공급되는 턴온 전류가 제한되는 단계; 및
    상기 턴온 전류의 제한으로 상기 릴레이의 스위치가 턴오프되는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 관리 방법.
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