KR102657834B1 - 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 회로 및 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법 - Google Patents

직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 회로 및 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리의 초기 충전 시 필요한 높을 전력을 그룹 별로 분리하여 진행함으로써 전원을 공급하는 인버터의 정격사양을 낮출 수 있도록 구현한 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 회로 및 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법에 관한 것으로, 상기 배터리 트레이부에 배터리를 안착시키는 배터리 안착 단계; 상기 배터리 트레이부에 안착되어 있는 배터리의 전기적 극성 발현을 위해 상기 배터리 트레이부에 안착되어 있는 배터리에 초기 충전을 수행하는 극성 발현 단계; 상기 지그부를 상기 배터리 트레이부에 밀착시킨 뒤 상기 배터리 트레이부에 안착되어 있는 배터리의 충방전을 수행하는 배터리 충방전 단계; 상기 배터리 트레이부에서 충방전의 수행 중에 있는 다수 개의 배터리 중 다른 배터리에 앞서서 특정 배터리를 배터리의 직렬 연결로부터 분리시키는 개별 배터리 분리 단계; 및 모든 배터리의 충방전이 완료되면 상기 지그부를 상기 배터리 트레이부로부터 분리시킨 뒤 상기 배터리 트레이부를 충방전 장치로부터 인출시키는 배터리 분리 단계;를 포함한다.

Description

직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 회로 및 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법{Series-connected battery equalization charge/discharge circuit and series-connected battery equalization charge/discharge method}
본 발명은 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 회로 및 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리의 초기 충전 시 필요한 높을 전력을 그룹 별로 분리하여 진행함으로써 전원을 공급하는 인버터의 정격사양을 낮출 수 있도록 구현한 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 회로 및 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법에 관한 것이다.
배터리는 전기 캐비닛, 배터리 카, 전기 자동차, 전기 비행기, 전기 선박, 전기장난감 자동차, 전기장난감 선박, 전기장난감 비행기 및 전동도구 등과 같은 전기 장치에 광범위하게 사용된다. 배터리 셀은 니켈 카드뮴 배터리 셀, 니켈 수소 배터리 셀, 리튬 이온 배터리 셀 및 이차 알칼리성 아연 망간 배터리 셀을 포함할 수 있다.
그러나, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같은 종래의 "개별 구조형" 의 활성화 장비의 전력변환 회로 구성의 경우, 각 배터리(=Cell) 간 독립된 구성으로 장비의 동작 중 1EA 이상의 배터리가 고장이 발생되더라도 남은 배터리는 정상 충/방전 작업이 가능하였으나, 단, 공정POWER MODUE(AC to DC 혹은 DC to DC)가 회로 구성 수량 만큼 필요함에 따라 설비구조가 커지고 비용이 증가한다는 문제점을 가지고 있었다.
또한, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같은 종래의 "병렬 구조형" 의 활성화 장비의 전력변환 회로 구성의 경우, 1개 이상의 배터리가 고장 시 전체에 영향을 발생함에 따라 적용하기 어렵다는 문제점을 가지고 있었다.
그리고, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같은 종래의 "직렬 구조형" 의 활성화 장비의 전력변환 회로 구성의 경우, 1개 이상의 배터리가 고장 시 전체에 영향을 발생함에 따라 적용하기 어렵다는 문제점을 가지고 있었다.
한편, 전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
한국등록특허 제10-1533881호 (2015.07.06. 공고) 한국등록특허 제10-0148936호 (1998.10.15. 공고)
본 발명의 일측면은 초기에 배터리에 전원이 없을 때 배터리에 전류 공급을 할 수 없다는 종래의 충방전 기술을 개선한 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같은 직렬 구조 회로분리형 회로 구조를 통해 배터리의 고장 혹은 밸런스 조정이 필요한 1개 이상의 배터리를 회로적으로 분리하여 직렬회로를 유지함으로써, 배터리의 초기 충전 시 필요한 높을 전력을 그룹 별로 분리하여 진행함으로써 전원을 공급하는 인버터의 정격사양을 낮출 수 있도록 구현한 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 회로 및 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법을 제공한다.
다수 개의 배터리 셀 중 특정 배터리 셀의 고장 발생시 해당 셀을 배터리들의 직렬회로로부터 분리하여 공정 중단 없이 잔여 셀의 공정이 정상 수행 가능하도록 구현하는 동시에, 각 배터리 셀의 밸런스 차이가 발생 시 해단 배터리 셀만의 연결분리를 통해 해당 배터리만 충/방전 동작을 정지할 수 있도록 구현한 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 회로 및 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법을 제공한다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 회로는, 조립이 완료된 다수 개의 배터리가 차례로 안착되는 배터리 트레이부; 상기 배터리 트레이부와 대향하면서 이격 설치되며, 충방전 공정이 시작되면 상기 배터리 트레이부와 밀착되어 상기 배터리 트레이부에 안착되는 각 배터리를 서로 직렬 연결시켜 주는 지그부; 상기 지그부에 의해 직렬 연결된 각 배터리로 전원을 공급하여 충전을 수행하거나 각 배터리에 기 충전되어 있던 전원을 방전시켜 주는 충방전부; 상기 충방전부에 의한 배터리의 충방전 도중에 각 배터리의 정상 충방전 여부를 판독하며, 상기 지그부에 의해 이루어지는 배터리의 직렬 연결로부터 특정 배터리를 분리시켜 특정 배터리로 공급되는 전원을 개별적으로 차단시켜 주는 충방전 제어부; 및 충방전 도중 상기 배터리 트레이부에 안착되어 있는 배터리의 이상 여부를 모니터링 하는 이상 모니터링부;를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 지그부는, 상기 배터리 트레이부와 대향하면서 이격 설치되는 슬라이더; 상기 배터리 트레이부와 대향하는 상기 슬라이더의 전단을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 설치되며, 충방전 공정이 시작되면 상기 배터리 트레이부와 밀착되어 상기 배터리 트레이부에 안착되는 각 배터리를 서로 직렬 연결시켜 주는 직렬 연결 커넥터; 및 상기 직렬 연결 커넥터를 전진 이동시켜 상기 배터리 트레이부와 밀착시켜 주는 밀착 실린더;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 직렬 연결 커넥터는, 상기 배터리 트레이부에 안착되는 배터리의 "+"단자와 연결되는 제1 단자와 대향하며 상기 슬라이더의 전단에 설치되는 제3 단자; 상기 배터리 트레이부에 안착되는 배터리의 "-"단자에 연결되는 제2 단자와 대향하며 상기 슬라이더의 전단에 설치되는 제4 단자: 전원을 전달받는 제1 노드와 상기 제3 단자 사이에 설치되는 제1 스위치; 및 상기 제1 노드와 상기 제4 단자의 전단에서 인접하여 배치되는 다른 직렬 연결 커넥터로 전원을 전달하는 제2 노드 사이에 설치되는 제2 스위치;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 충방전 제어부는, 배터리의 충방전 시 상기 제1 스위치는 "Short"시켜 주고 상기 제2 스위치는 "Open"시켜 주며, 상기 제1 스위치는 "Open"시켜 주고 상기 제2 스위치는 "Short"시켜 배터리의 직렬 연결로부터 특정 배터리를 분리시켜 줄 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법은, 상기 배터리 트레이부에 배터리를 안착시키는 배터리 안착 단계; 상기 배터리 트레이부에 안착되어 있는 배터리의 전기적 극성 발현을 위해 상기 배터리 트레이부에 안착되어 있는 배터리에 초기 충전을 수행하는 극성 발현 단계; 상기 지그부를 상기 배터리 트레이부에 밀착시킨 뒤 상기 배터리 트레이부에 안착되어 있는 배터리의 충방전을 수행하는 배터리 충방전 단계; 상기 배터리 트레이부에서 충방전의 수행 중에 있는 다수 개의 배터리 중 다른 배터리에 앞서서 특정 배터리를 배터리의 직렬 연결로부터 분리시키는 개별 배터리 분리 단계; 및 모든 배터리의 충방전이 완료되면 상기 지그부를 상기 배터리 트레이부로부터 분리시킨 뒤 상기 배터리 트레이부를 충방전 장치로부터 인출시키는 배터리 분리 단계;를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 극성 발현 단계는, 상기 배터리 트레이부에 안착되어 있는 배터리를 기 설정된 개수의 배터리로 이루어지는 다수 개의 그룹으로 분리하는 그룹 분리 단계; 및 상기 그룹 분리 단계에 의해 분리된 다수 개의 그룹으로 전류를 공급하여 배터리에 초기 충전을 수행하는 초기 충전 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 그룹 분리 단계는, 상기 초기 충전 단계에 의한 충전 시 동일 그룹의 배터리가 동시에 충전이 이루어질 수 있도록 동일 그룹의 배터리의 경우 해당 동일 그룹의 배터리를 담당하는 각 직렬 연결 커넥터의 제1 스위치는 "Short"시켜 주고 제2 스위치는 "Open"시켜 주며, 충전이 이루어지지 않는 다른 그룹에 속하는 배터리의 경우 해당 다른 그룹의 배터리를 담당하는 각 직렬 연결 커넥터의 각 제1 스위치는 "Open"시켜 주고 각 제2 스위치는 "Short"시켜 줄 수 있다.
일 실시예에서, 상기 초기 충전 단계는, 상기 그룹 분리 단계에 의해 분리된 다수 개의 그룹으로 순차적으로 전류를 공급하여 순차적으로 각 그룹을 구성하는 배터리의 초기 충전을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 초기 충전 단계는, 각 그룹 별로 1초 미만의 시간 동안 200 내지 300A의 전류를 공급하여 초기 충전을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법은, 상기 개별 배터리 분리 단계에 의해 배터리의 직렬 연결로부터 분리된 배터리를 상기 배터리 트레이부로부터 인출시켜 주는 배터리 개별 인출 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법은, 모든 배터리의 충전이 완료된 후, 전압 체크 시 전압이 상승하는 미완충 배터리의 경우 전압이 상승하지 아니할 때까지 상기 배터리 충방전 단계와 상기 개별 배터리 분리 단계를 반복 수행하는 배터리 안정화 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법은, 배터리의 충방전 도중 고열이 발생하는 배터리를 탐지할 수 있도록 충방전 중인 각 배터리의 온도를 개별적으로 측정하는 온도 측정 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 개별 배터리 분리 단계는, 상기 온도 측정 단계에 의해 이상 고온이 측정된 배터리를 배터리의 직렬 연결로부터 분리시킬 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 초기에 배터리에 전원이 없을 때 배터리에 전류 공급을 할 수 없다는 종래의 충방전 기술을 개선한 것으로서, 배터리의 초기 충전 시 필요한 높을 전력을 그룹 별로 분리하여 진행함으로써 전원을 공급하는 인버터의 정격사양을 낮출 수 있다.
전원부 구성 수량이 적고 케이블이 직렬구성됨에 따라 제조비용이 낮아지며, 배터리의 초기 충전시 필요한 높은 전력을 채널별로 분리하여 진행함으로써 인버터의 정격사양을 낮출 수 있으며, 배터리 셀 고장이 발생시 해당 셀을 직렬회로로부터 분리하여 공정 중단 없이 잔여 셀의 공정의 정상수행이 가능할 뿐만 아니라, 각 배터리 셀의 밸런스 차이가 발생 시 연결분리를 통해 해당 배터리만 충/방전 동작을 정지할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.
도 1은 종래 활성화 장비의 전력변환 회로 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 직렬 구조 회로분리형 회로의 개념을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리(C) 균등 충/방전 회로의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 특정 배터리의 배터리의 직렬 연결로부터의 개별 분리를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법을 설명하는 순서도이다.
도 6은 도 5의 배터리 충방전 단계를 설명하는 도면이다.
도 7은 도 6의 배터리 분리 단계를 설명하는 도면이다.
도 8은 도 5의 극성 발현 단계를 설명하는 순서도이다.
도 9는 도 5의 개별 배터리 분리 단계를 설명하는 순서도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법을 설명하는 순서도이다.
도 11은 본 발명에 따른 배터리 단위화를 설명하는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리(C) 균등 충/방전 회로의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리(C) 균등 충/방전 회로(10)는, 배터리 트레이부(100), 지그부(200), 충방전부(300) 충방전 제어부(400) 및 이상 모티터링부(설명의 편의상 도면에는 도시하지 않음)를 포함한다.
배터리 트레이부(100)는, 조립이 완료된 다수 개의 배터리(C)가 차례로 안착된다.
일 실시예에서, 배터리 트레이부(100)는, 가압 방식을 통해 20 내지 40 개 이상의 배터리 설치 규격 또는 80 이상의 배터리 설치 규격 등과 같이 다양하게 제작될 수 있다.
본 발명에 따른 충방전 대상이 되는 배터리1 개는, 배터리 Cell 1 개 단위에 해당하며, 5V , 200 ~ 300A에 해당할 수 있다.
지그부(200)는, 배터리 트레이부(100)와 대향하면서 이격 설치되며, 충방전 공정이 시작되면 충방전 제어부(400)의 구동 제어에 의해 도 6에 도시된 바와 같이 배터리 트레이부(100)와 밀착되어 배터리 트레이부(100)에 안착되는 각 배터리(C)를 서로 직렬 연결시켜 준다.
일 실시예에서, 지그부(200)는, 슬라이더(210), 직렬 연결 커넥터(220) 및 밀착 실린더(230)를 포함할 수 있다.
슬라이더(210)는, 배터리 트레이부(100)와 대향하면서 이격 설치되며, 배터리 트레이부(100)와 대향하는 전단을 따라 배터리(C)의 개수에 대응하여 직렬 연결 커넥터(220)가 반복적으로 설치된다.
직렬 연결 커넥터(220)는, 배터리 트레이부(100)와 대향하는 슬라이더(210)의 전단을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 반복적으로 설치되며, 충방전 공정이 시작되면 배터리 트레이부(100)와 밀착되어 배터리 트레이부(100)에 안착되는 각 배터리(C)를 서로 직렬 연결시켜 준다.
일 실시예에서, 직렬 연결 커넥터(220)는, 제3 단자(221), 제4 단자(222), 제1 스위치(223) 및 제2 스위치(224)를 포함할 수 있다.
제3 단자(221)는, 배터리 트레이부(100)에 안착되는 배터리(C)의 "+"단자와 연결되는 제1 단자(T1)와 대향하며 슬라이더(210)의 전단에 설치된다.
제4 단자(222)는, 배터리 트레이부(100)에 안착되는 배터리(C)의 "-"단자에 연결되는 제2 단자(T2)와 대향하며 슬라이더(210)의 전단에 설치된다.
제1 스위치(223)는, 전원을 전달받는 제1 노드(N1)와 제3 단자(221) 사이에 설치되어 제1 노드(N1)와 제3 단자(221) 사이를 개폐한다.
제2 스위치(224)는, 제1 노드(N1)와 제4 단자(222)의 전단에서 인접하여 배치되는 다른 직렬 연결 커넥터(220)로 전원을 전달하는 제2 노드(N2) 사이에 설치되어 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이를 개폐한다.
밀착 실린더(230)는, 충방전 제어부(400)에 의해 신장 구동되어 직렬 연결 커넥터(220)를 전진 이동시켜 배터리 트레이부(100)와 밀착시켜 준다.
충방전부(300)는, 지그부(200)에 의해 직렬 연결된 각 배터리(C)로 전원을 공급하여 충전을 수행하거나 각 배터리(C)에 기 충전되어 있던 전원을 방전시켜 준다.
충방전 제어부(400)는, 충방전부(300)에 의한 배터리(C)의 충방전 도중에 각 배터리(C)의 정상 충방전 여부를 판독하며, 지그부(200)에 의해 이루어지는 배터리(C)의 직렬 연결(S)로부터 특정 배터리(C)를 분리시켜 특정 배터리(C)로 공급되는 전원을 개별적으로 차단시켜 준다.
일 실시예에서, 충방전 제어부(400)는, 도 6에 도시된 바와 같이 배터리(C)의 충방전 시 제1 스위치(223)는 "Short"시켜 주고 제2 스위치(224)는 "Open"시켜 주며, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 스위치(223c)는 "Open"시켜 주고 제2 스위치(224c)는 "Short"시켜 배터리(C)의 직렬 연결(S)로부터 특정 배터리(C-1)를 분리시켜 줄 수 있다.
종래의 직렬 충반전은, 1ea가 불량일 시 나머지 배터리들 충전이 안됨에 따라 이를 염두하여 1ea씩 하기에는 효율이 낮다는 문제점을 가지고 있었고, 병렬 충방전은 cell 간섭이 생겨 밸런스가 무너지고 다른 cell에 전압이 높아져 고전류가 흐르게 된다는 문제점을 가지고 있었다.
이에 따라, 상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리(C) 균등 충/방전 회로(10)는, 병렬에서 적용할 수는 있으나 직렬 대비 전압이 낮아져 효용이 떨어져 약 10 ~ 15% 정도의 버리는 전력 발생한 바, 직렬을 채택하여 구현하였다.
이상 모니터링부는, 충방전 도중 배터리 트레이부(100)에 안착되어 있는 배터리(B)의 이상 여부를 모니터링 하며, 이상이 발생된 경우 해당 배터리(B)의 이상 여부를 충방전 제어부(400)로 통지한다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리(C) 균등 충/방전 회로(10)는, 전원부 구성 수량이 적고 케이블이 직렬구성됨에 따라 제조비용이 낮아지며, 배터리의 초기 충전시 필요한 높은 전력을 채널별로 분리하여 진행함으로써 인버터의 정격사양을 낮출 수 있으며, 배터리 셀 고장이 발생시 해당 셀을 직렬회로로부터 분리하여 공정 중단 없이 잔여 셀의 공정의 정상수행이 가능할 뿐만 아니라, 각 배터리 셀의 밸런스 차이가 발생 시 연결분리를 통해 해당 배터리만 충/방전 동작을 정지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법을 설명하는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법은, 도 3 내지 도 4의 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 회로를 이용한 충/방전 방법으로서, 우선 배터리 트레이부(100)에 배터리(C)를 안착시킨다(S110).
배터리 트레이부(100)에 안착되어 있는 배터리(C)의 전기적 극성 발현을 위해 배터리 트레이부(100)에 안착되어 있는 배터리(C)에 초기 충전을 수행한다(S120).
일반적인 충방전은 충전전류만 맞추면 되지만, 본 발명에 따른 극성 발현 단계(S120)에서의 충방전은 초기에 높은 전류를 일정 시간 가해서 배터리를 동작 상태로 만들어 주는 과정에 해당한다.
극성 발현 단계(S120)에서, 배터리는 공정 초기에 전류가 배터리에 공급되면 특성치를 나타내는 상태로 동작되는데, 위 초기 전류는 1초 미만으로 200 ~ 300A를 공급(보통 대비 2 내지 3배 정도)하게 된다.
여기서, 극성 발현 단계(S120)는, 전기적 극성 발현 관련으로, 짧은 시간 높은 전류를 배터리 트레이부(100) 내의 모든 배터리(C)에 공급해야 하기 때문에 높은 인버터 정격사양이 필요한데, 충전에 필요한 전기에너지와 비교하면 극성 발현을 위해 순간적으로 상당한 전기에너지가 필요하기 때문이다.
이를 위해, 인버터 정격사양을 낮추기 위한 안으로 스위치 조절을 통해 배터리를 채널 별로 분리(단위화)하여 전류를 공급할 수 있도록 한다.
예를 들어, 40개 배터리를 2개씩 20그룹으로 만들고 1초미만 200~300A 전류를 20번 공급하는 등과 같이 수행될 수 있을 것이다.
일반적인 충방전 기술은 초기에 배터리에 전원이 없을 때 배터리에 전류 공급을 못하나, 상술한 바와 같은 단계를 가지는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법은, 최초 충전을 통해 배터리(C)들에 전기적 극성을 가지도록 하며, 이때 Power Module인 충방전부(300)의 부담이 없도록 도 11에 도시된 바와 같이 각 배터리(C)를 소정의 개수로 구성되는 다수 개의 그룹별(P1, P2 등)로 구성할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 지그부(200)를 배터리 트레이부(100)에 밀착시킨 뒤 배터리 트레이부(100)에 안착되어 있는 배터리(C)의 충방전을 수행한다(S130).
도 4에 도시된 바와 같이 배터리 트레이부(100)에서 충방전의 수행 중에 있는 다수 개의 배터리(C) 중 다른 배터리(C)에 앞서서 분리의 필요성(예를 들어, 전압, 전류, 용량, 및 DCIR 중 어느 하나에 문제가 발생 또는 불량 혹은 화재가능성이 예측되는 등)이 있는 특정 배터리(C-1)를 배터리(C)의 직렬 연결(S)로부터 분리시킨다(S140).
이를 통해, 배터리의 충/방전 중 개별 배터리를 분리해 가며 측정된 배터리 고유상태(배터리 충/방전을 하지 않는 상태)를 확인하도록 하며, 충/방전이 완료된 배터리에 대해 라인을 분리하고 나머지 배터리들도 공정이 완료될 때까지 진행하게 된다.
여기서, 개별 배터리 분리 단계(S140)는, 충전 중인 타 배터리와 관계 없이 충전 완료된 배터리를 개별적으로 분리 및 진입할 수 있어 후술하는 배터리 안정화 단계(충전 검사 단계라고 보면 될 것)의 시간을 줄일 수 있으며, 안정화 단계 진입을 위해 배터리 트레이부(100)에서 해당 배터리를 분리하면, 나머지 배터리 충전 효율이 높아지는데, 즉 충전 미완료된 배터리를 기다릴 필요가 없어 안정화 단계 시간을 줄일 수 있는 동시에 충전중인 배터리들의 충전 효율은 높아지도록 할 수 있다.
모든 배터리(C)의 충방전이 완료되면 도 7에 도시된 바와 같이 지그부(200)를 배터리 트레이부(100)로부터 분리시킨 뒤 배터리 트레이부(100)를 충방전 장치로부터 인출시킨다(S150).
배터리 충/방전 공정이 모두 마무리되면 배터리 상태정보를 상위에 보내고(배터리 데이터 및 불량 셀 발생시 발생정보 등 필요한 데이터 송부) 배터리 트레이부(100)를 장 충/방전 장비에서 인출 하도록 한다.
상술한 바와 같은 단계를 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법은, 배터리 충방전 단계(S130)에 의해 모든 배터리(C)의 충전이 완료된 후, 전압 체크 시 전압이 상승하는 미완충 배터리(C)의 경우 전압이 상승하지 아니할 때까지 배터리 충방전 단계(S130)와 개별 배터리 분리 단계(S140)를 반복 수행하는 배터리 안정화 단계(설명의 편의상 도면에는 도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 배터리 안정화 단계는, 충전 완료된 배터리 중에서도 전압이 상승하는 것들을 검출하기 위함으로써, 각 배터리들의 전압 체크 후 전압이 상승하는 배터리들은 배터리 충방전 단계(S130)와 개별 배터리 분리 단계(S140)를 반복 수행되도록 한다.
상술한 바와 같은 단계를 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법은, 배터리(C)의 충방전 도중 고열이 발생하는 배터리(C)를 탐지할 수 있도록 충방전 중인 각 배터리(C)의 온도를 개별적으로 측정하는 온도 측정 단계(설명의 편의상 도면에는 도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 개별 배터리 분리 단계(S140)는, 온도 측정 단계에 의해 이상 고온이 측정된 배터리(C)를 배터리(C)의 직렬 연결(S)로부터 분리시켜 고열이 발생된 배터리(C)를 분리시켜 화재의 발생 등의 위험을 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 배터리 충방전 단계(S130)는, 도 4에 도시된 바와 같이 개별 배터리 분리 단계(S140)에 의해 배터리(C)의 직렬 연결(S)로부터 분리된 배터리(C-1)를 제외한 나머지 배터리(C)의 충방전은 공정 중단 없이 정상 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 개별 배터리 분리 단계(S140)는, 도 4에 도시된 바와 같이 충방전 제어부(400)에 의해 분리 대상인 배터리(C-1)와 연결되는 직렬 연결 커넥터(220)를 구성하는 제1 스위치(223c)를 "Open"시켜 주고 분리 대상인 배터리(C-1)와 연결되는 직렬 연결 커넥터(220)를 구성하는 제2 스위치(224c)를 "Short"시켜 배터리(C)의 직렬 연결(S)로부터 분리 대상인 배터리(C-1)를 분리시켜 줄 수 있다.
도 8은 도 5의 극성 발현 단계를 설명하는 순서도이다.
도 8을 참조하면, 극성 발현 단계(S122)는, 우선, 배터리 트레이부(100)에 안착되어 있는 배터리(C)를 기 설정된 개수(예를 들어, 2 개 내지 5 개 등)의 배터리(C)로 이루어지는 다수 개의 그룹으로 분리한다(S121).
그룹 분리 단계(S121)에 의해 분리된 다수 개의 그룹으로 전류를 공급하여 배터리(C)에 초기 충전을 수행한다(S122).
일 실시예에서, 그룹 분리 단계(S121)는, 기 충전 단계에 의한 충전 시 동일 그룹의 배터리(C)가 동시에 충전이 이루어질 수 있도록 동일 그룹의 배터리(C)의 경우(도 11의 P1의 경우) 해당 동일 그룹의 배터리(C)를 담당하는 각 직렬 연결 커넥터의 제1 스위치는 "Short"시켜 주고 제2 스위치는 "Open"시켜 주며, 충전이 이루어지지 않는 다른 그룹에 속하는 배터리(C)의 경우(도 11의 P2의 경우) 해당 다른 그룹의 배터리(C)를 담당하는 각 직렬 연결 커넥터의 각 제1 스위치는 "Open"시켜 주고 각 제2 스위치는 "Short"시켜 줄 수 있다.
일 실시예에서, 초기 충전 단계(S122)는, 그룹 분리 단계에 의해 분리된 다수 개의 그룹으로 순차적으로 전류를 공급하여 순차적으로 각 그룹을 구성하는 배터리(C)의 초기 충전을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 초기 충전 단계(S122)는, 각 그룹 별로 1초 미만의 시간 동안 200 내지 300A의 전류를 공급하여 초기 충전을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같은 단계를 가지는 극성 발현 단계(S122)는, 초기에 배터리에 전원이 없을 때 배터리에 전류 공급을 할 수 없다는 종래의 충방전 기술을 개선한 것으로서, 배터리의 초기 충전 시 필요한 높을 전력을 그룹 별로 분리하여 진행함으로써 전원을 공급하는 인버터의 정격사양을 낮출 수 있다.
도 9는 도 5의 개별 배터리 분리 단계를 설명하는 순서도이다.
도 9를 참조하면, 개별 배터리 분리 단계(S140)는, 충방전의 수행 중에 있는 각 배터리(C)의 정상 충방전 여부를 판단한다(S141).
충방전 판단 단계(S141)에 의해 부적합으로 판단된 배터리(C)를 배터리(C)의 직렬 연결(S)로부터 분리시킨다(S142).
여기서, 부적합으로 판단된 배터리(C)의 분리 방법은 상술한 바와 같다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법을 설명하는 순서도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법은, 배터리 분리 단계(S150) 이전에 개별 배터리 분리 단계(S140)에 의해 배터리(C)의 직렬 연결(S)로부터 분리된 배터리(C)를 배터리 트레이부(100)로부터 인출시켜 주는 배터리 개별 인출 단계(S160)를 더 포함한다.
상술된 실시예들은 예시를 위한 것이며, 상술된 실시예들이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 상술된 실시예들이 갖는 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술된 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 명세서를 통해 보호받고자 하는 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 회로
100: 배터리 트레이부
200: 지그부
210: 슬라이더
220: 직렬 연결 커넥터
230: 밀착 실린더
300: 충방전부
400: 충방전 제어부

Claims (10)

  1. 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 회로를 이용한 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법에 있어서,
    상기 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 회로의 배터리 트레이부에 배터리를 안착시키는 배터리 안착 단계;
    상기 배터리 트레이부에 안착되어 있는 배터리의 전기적 극성 발현을 위해 상기 배터리 트레이부에 안착되어 있는 배터리에 초기 충전을 수행하는 극성 발현 단계;
    상기 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 회로의 지그부를 상기 배터리 트레이부에 밀착시킨 뒤 상기 배터리 트레이부에 안착되어 있는 배터리의 충방전을 수행하는 배터리 충방전 단계;
    상기 배터리 트레이부에서 충방전의 수행 중에 있는 다수 개의 배터리 중 다른 배터리에 앞서서 특정 배터리를 배터리의 직렬 연결로부터 분리시키는 개별 배터리 분리 단계; 및
    모든 배터리의 충방전이 완료되면 상기 지그부를 상기 배터리 트레이부로부터 분리시킨 뒤 상기 배터리 트레이부를 충방전 장치로부터 인출시키는 배터리 분리 단계;를 포함하고,
    상기 배터리 트레이부는,
    조립이 완료된 다수 개의 배터리가 차례로 안착되는 것을 특징으로 하며,
    상기 지그부는,
    상기 배터리 트레이부와 대향하면서 이격 설치되며, 충방전 공정이 시작되면 상기 배터리 트레이부와 밀착되어 상기 배터리 트레이부에 안착되는 각 배터리를 서로 직렬 연결시켜주고,
    상기 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 회로는,
    상기 지그부에 의해 직렬 연결된 각 배터리로 전원을 공급하여 충전을 수행하거나 각 배터리에 기 충전되어 있던 전원을 방전시켜 주는 충방전부;
    상기 충방전부에 의한 배터리의 충방전 도중에 각 배터리의 정상 충방전 여부를 판독하며, 상기 지그부에 의해 이루어지는 배터리의 직렬 연결로부터 특정 배터리를 분리시켜 특정 배터리로 공급되는 전원을 개별적으로 차단시켜 주는 충방전 제어부; 및
    충방전 도중 상기 배터리 트레이부에 안착되어 있는 배터리의 이상 여부를 모니터링 하는 이상 모니터링부;를 포함하며,
    상기 지그부는,
    상기 배터리 트레이부와 대향하면서 이격 설치되는 슬라이더;
    상기 배터리 트레이부와 대향하는 상기 슬라이더의 전단을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 설치되며, 충방전 공정이 시작되면 상기 배터리 트레이부와 밀착되어 상기 배터리 트레이부에 안착되는 각 배터리를 서로 직렬 연결시켜 주는 직렬 연결 커넥터; 및
    상기 직렬 연결 커넥터를 전진 이동시켜 상기 배터리 트레이부와 밀착시켜 주는 밀착 실린더;를 포함하고,
    상기 직렬 연결 커넥터는,
    상기 배터리 트레이부에 안착되는 배터리의 "+"단자와 연결되는 제1 단자와 대향하며 상기 슬라이더의 전단에 설치되는 제3 단자;
    상기 배터리 트레이부에 안착되는 배터리의 "-"단자에 연결되는 제2 단자와 대향하며 상기 슬라이더의 전단에 설치되는 제4 단자:
    전원을 전달받는 제1 노드와 상기 제3 단자 사이에 설치되는 제1 스위치; 및
    상기 제1 노드와 상기 제4 단자의 전단에서 인접하여 배치되는 다른 직렬 연결 커넥터로 전원을 전달하는 제2 노드 사이에 설치되는 제2 스위치;를 포함하며,
    상기 충방전 제어부는,
    배터리의 충방전 시 상기 제1 스위치는 "Short"시켜 주고 상기 제2 스위치는 "Open"시켜 주며, 상기 제1 스위치는 "Open"시켜 주고 상기 제2 스위치는 "Short"시켜 배터리의 직렬 연결로부터 특정 배터리를 분리시켜 주고,
    상기 극성 발현 단계는,
    상기 배터리 트레이부에 안착되어 있는 배터리를 기 설정된 개수의 배터리로 이루어지는 다수 개의 그룹으로 분리하는 그룹 분리 단계; 및
    상기 그룹 분리 단계에 의해 분리된 다수 개의 그룹으로 전류를 공급하여 배터리의 극성 발현을 수행하는 초기 충전 단계;를 포함하며,
    상기 그룹 분리 단계는,
    상기 초기 충전 단계에 의한 충전 시 동일 그룹의 배터리가 동시에 충전이 이루어질 수 있도록 동일 그룹의 배터리의 경우 해당 동일 그룹의 배터리를 담당하는 각 직렬 연결 커넥터의 제1 스위치는 "Short"시켜 주고 제2 스위치는 "Open"시켜 주며, 충전이 이루어지지 않는 다른 그룹에 속하는 배터리의 경우 해당 다른 그룹의 배터리를 담당하는 각 직렬 연결 커넥터의 각 제1 스위치는 "Open"시켜 주고 각 제2 스위치는 "Short"시켜 주고,
    상기 초기 충전 단계는,
    상기 그룹 분리 단계에 의해 분리된 각 그룹에 순차적으로 특정 시간 동안 특정 전류를 공급하여 각 그룹을 구성하는 배터리의 극성 발현을 수행하는, 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개별 배터리 분리 단계는,
    충방전의 수행 중에 있는 각 배터리의 정상 충방전 여부를 판단하는 충방전 판단 단계; 및
    상기 충방전 판단 단계에 의해 부적합으로 판단된 배터리를 배터리의 직렬 연결로부터 분리시키는 부적합 배터리 분리 단계;를 포함하는, 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 개별 배터리 분리 단계에 의해 배터리의 직렬 연결로부터 분리된 배터리를 상기 배터리 트레이부로부터 인출시켜 주는 배터리 개별 인출 단계;를 더 포함하는, 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 초기 충전 단계는,
    각 그룹 별로 1초 미만의 시간 동안 200 내지 300A의 전류를 공급하여 초기 충전을 수행하는, 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    모든 배터리의 충전이 완료된 후, 전압 체크 시 전압이 상승하는 미완충 배터리의 경우 전압이 상승하지 아니할 때까지 상기 배터리 충방전 단계와 상기 개별 배터리 분리 단계를 반복 수행하는 배터리 안정화 단계;를 더 포함하는, 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    배터리의 충방전 도중 고열이 발생하는 배터리를 탐지할 수 있도록 충방전 중인 각 배터리의 온도를 개별적으로 측정하는 온도 측정 단계;를 더 포함하는, 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 개별 배터리 분리 단계는,
    상기 온도 측정 단계에 의해 이상 고온이 측정된 배터리를 배터리의 직렬 연결로부터 분리시키는, 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배터리 충방전 단계는,
    상기 개별 배터리 분리 단계에 의해 배터리의 직렬 연결로부터 분리된 배터리를 제외한 나머지 배터리의 충방전은 공정 중단 없이 정상 수행되는, 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 개별 배터리 분리 단계는,
    상기 충방전 제어부에 의해 분리 대상인 배터리와 연결되는 상기 직렬 연결 커넥터를 구성하는 상기 제1 스위치를 “Open”시켜 주고 분리 대상인 배터리와 연결되는 상기 직렬 연결 커넥터를 구성하는 상기 제2 스위치를 “Short”시켜 배터리의 직렬 연결로부터 분리 대상인 배터리를 분리시켜 주는, 직렬 연결형 배터리 균등 충/방전 방법.
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