WO2024005418A1 - 직렬 배터리 충방전 장치에 적용되는 파우치형 배터리 셀의 직렬 연결 구조 - Google Patents

직렬 배터리 충방전 장치에 적용되는 파우치형 배터리 셀의 직렬 연결 구조 Download PDF

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WO2024005418A1
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charging
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battery cells
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조정구
조규민
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(주)그린파워
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Definitions

  • the present invention relates to a series connection structure of battery cells, and in particular, to a battery cell series connection structure applied to a device that charges and discharges by connecting a plurality of pouch-type battery cells in series, by simplifying the cable structure for connecting each battery cell in series. It relates to a battery cell series connection structure of a serial battery charging and discharging device for pouch-type battery cells that dramatically shortens the cable length and thereby minimizes losses and costs due to the cable.
  • Secondary batteries are used in a variety of equipment, including portable electronic devices, electric vehicles, and energy storage devices, and demand is rapidly increasing due to the explosive growth of electric vehicles.
  • the demand for secondary batteries is expected to increase further in the future to overcome problems such as resource depletion and destruction of the global environment caused by fossil fuels.
  • the manufacturing process of secondary batteries largely consists of an electrode creation process, an assembly process, and an activation process.
  • the electrode creation process is the process of creating the anode and cathode of the secondary battery
  • the assembly process is the process of stacking electrodes and separators, then rolling them and packaging them with aluminum sheets
  • the activation process is the process of charging and discharging the secondary battery to change the chemistry inside the secondary battery. This is the process of activating (forming) materials to make secondary batteries usable.
  • the activation process is the most time-consuming process.
  • the activation process involves initial charging (de-gassing) of gases generated from the cell while charging at a constant current to an SOC level of about 30% when the battery cell is assembled, and then SOC 100%. It goes through the main charging process of charging to and then discharging again.
  • the current activation process adopts a method of activating by attaching a separate charge and discharge device to each battery cell.
  • numerous activation equipment must be used and a cable must be connected separately to each battery cell, which requires a lot of space. It has the problem of taking up . In particular, space problems and high costs are serious because thick cables must be connected to activate large capacity battery cells of 100A or more.
  • the present invention was created to solve the above problems, and the purpose of the present invention is to connect a plurality of pouch-type battery cells in series, a charging switch connected in series to each battery cell, and both ends of the charging switch and the battery cell to be short-circuited.
  • Shiki is a battery cell serial connection structure applied to a serial battery charging and discharging device comprised of a bypass switch.
  • the cable length is dramatically reduced by simplifying the structure of the harness cable for serializing multiple battery cells.
  • the goal is to provide a method and structure for serial wiring battery cells that shortens the cable length and minimizes cable wiring losses and cable wiring costs.
  • the present invention is a battery cell serial connection structure applied to a serial battery charging and discharging device that charges or discharges by connecting in series a plurality of pouch-type battery cells with electrodes disposed at both ends, wherein the plurality of One or more trays in which pouch-type battery cells are stored horizontally;
  • a charging switch connected in series to each of the pouch-type battery cells;
  • a bypass switch connected to both ends of the series-connected pouch-type battery cell and the charging switch;
  • the plurality of pouch-type battery cells include a first battery cell in which a (+) electrode is arranged in one direction, and a first battery cell in which a (+) electrode is arranged in an opposite direction to the first battery cell and connected in series with the first battery cell. Consisting of a plurality of alternating battery pairs comprising two battery cells,
  • a first charging switch and a first bypass switch of the first battery cell are connected in series to the (+) electrode at the end of the plurality of alternating battery pairs, and a second charging switch of the second battery cell is connected to the (-) electrode. and a second bypass switch is connected in series, and ends of the first and second bypass switches are connected to each other,
  • It includes a common bypass cable connected between a point where the first battery cell and the second battery cell are connected in series and a point where the first and second bypass switches are connected to each other,
  • Alternating battery pairs adjacent to each other have a point where the second charging switch and the second bypass switch of one alternating battery pair are connected to each other and the first charging switch and the first bypass switch of the other alternating battery pair are connected to each other.
  • the length of the cable can be dramatically shortened by simplifying the structure of the harness cable for serializing a plurality of pouch-type battery cells, and through this, the cable length can be shortened. This can minimize losses and cable wiring costs. Due to the above, the serial battery charging and discharging device according to the present invention has the advantage of minimizing cost, minimizing size, and performing the activation process very efficiently.
  • Figure 1 is a conceptual diagram of a pouch-type battery activation device.
  • Figure 2 is an example wiring diagram of a pouch-type battery cell in a conventional individual charging and discharging method.
  • Figure 3 is a configuration diagram of a conventional serial battery charging and discharging device.
  • Figure 4 is a circuit diagram of a conventional serial battery charging and discharging device.
  • Figure 5 is an example wiring diagram of a pouch-type battery cell in a conventional serial battery charging and discharging method.
  • Figure 6 is a circuit diagram of a serial battery charging and discharging device according to the present invention.
  • Figure 7 is a diagram for explaining a method of alternating battery cells in a tray for wiring pouch-type battery cells in the serial battery charging and discharging device according to the present invention.
  • Figure 8 is a diagram for explaining the alternating tray arrangement method for wiring pouch-type battery cells in the serial battery charging and discharging device according to the present invention.
  • Figure 1 is a conceptual diagram of a pouch-type battery activation device.
  • the physically manufactured battery is made usable by activating the internal chemicals using a battery activation device.
  • the activation process involves initial charging (de-gassing) of gases generated from the cell while charging at a constant current to an SOC level of about 30% when the battery cell is assembled, and then SOC 100%. It goes through the main charging process of charging to and then discharging again.
  • the battery activation device includes a power supply device 400 that rectifies and transforms alternating current electricity supplied from an external power source, and performs the function of charging the target battery by receiving electricity supplied from the power supply device 400. It may be configured to include a battery charging and discharging device.
  • a battery charging and discharging device for charging pouch-type battery cells is configured to include at least one tray (121, 122) in which battery cells (100) to be charged within the device are accommodated, and these trays (121, 122) It is formed in the shape of a plate with a thickness, and has an accommodating space inside which at least one battery cell is accommodated.
  • the battery charging and discharging device is configured to include a unit charging and discharging unit that performs the operation of charging and discharging a plurality of batteries by electrically connecting to the electrode leads of the plurality of battery cells 100 mounted on the trays 121 and 122.
  • the unit charge/discharge unit may be arranged in one-to-one correspondence with a plurality of battery cells and may include a plurality of charge/discharge grippers 130 that hold the electrode leads of the corresponding battery cells.
  • the partition 140 ensures that the power supply 400 and the battery cells are placed in a space isolated from each other so that heat generated from the power supply 400 does not affect the battery cells.
  • FIG. 2 is an example wiring diagram of a pouch-type battery cell in a conventional individual charging and discharging method.
  • FIG. 2 illustrates a cable wiring configuration when charging and discharging is performed by attaching an individual power supply device 400 to each battery cell.
  • an electrode corresponding to each battery cell is separately provided for each power device 400, and a cable is connected from each electrode of the battery cell to the corresponding electrode of the individual power device 400. It consists of individually connected structures.
  • this problem is that the length of the cable connected between the power supply 400 and the (+) and (-) electrodes of the battery cell is long, so a lot of space is required for cable wiring, and high costs and high losses occur. This exists.
  • battery cell balancing is performed by adjusting the charging time and bypass time of each battery cell by installing a charging switch connected in series to each battery cell and a bypass switch that shorts the charging switch and the battery cell.
  • a method has been proposed.
  • a conventional serial battery charging and discharging device includes a battery in which a plurality of battery cells 100 are connected in series, a charging switch 200 connected in series to each battery cell 100, and each battery cell ( 100) and a bypass switch 300 that shorts both ends of the charging switch 200, a voltage sensor (not shown) that senses the voltage of each battery cell 100, a current sensor 600 that measures the charging and discharging current, and a charging It may be configured to include a charge/discharge power supply device 400 and a controller 500 that provide discharge current.
  • This conventional serial battery charging and discharging device has a charging switch 200 connected in series with the battery cell, shorts both ends of the battery cell 100 and the charging switch 200, and operates as a toggle with the charging switch 200.
  • the bypass switch 300 When the bypass switch 300 is configured and the charging switch is turned on for a specific battery cell, the battery cell is charged or discharged, and when the bypass switch is turned on, the battery cell rests without charging or discharging. Due to this operation, multiple battery cells are controlled to charge and discharge at the same level.
  • the cable length can be dramatically reduced, which has the advantage of reducing costs, losses, and space.
  • the length of the cable must be long to serially connect a plurality of pouch-type battery cells with electrodes disposed at both ends.
  • FIG. 5 is an example wiring diagram of a pouch-type battery cell in a conventional series charging and discharging method.
  • the cable length (solid line) for serial connection between adjacent battery cells is long.
  • a bypass cable 890 must be additionally connected to each battery cell to connect the bypass switch, which makes the structure complicated and adds additional costs. There are drawbacks.
  • the present invention provides a new type of battery cell serial connection that can be implemented by simplifying the structure of the harness cable for serializing multiple pouch-type battery cells compared to the prior art.
  • the serial battery charging and discharging device includes a charging switch 200 connected in series to each battery cell 100, and both ends of each battery cell 100 and the charging switch 200.
  • the basic configuration includes a charging switch 200 and a bypass switch 300 that operates as a toggle.
  • each of the charging switch and the bypass switch may be a switch in which one active switch and one diode are connected in parallel in reverse directions.
  • either the charging switch or the bypass switch may have a structure in which two or more switches in which one active switch and one diode are connected in parallel in opposite directions are connected in series.
  • the serial battery charging and discharging device includes a battery cell 100 and a charging switch 200 in order to simplify the structure of the cable for serializing a plurality of pouch-type battery cells compared to the prior art. ) and the arrangement method of the bypass switch 300 is different from the conventional one.
  • Figure 6 is a circuit diagram of serial battery charging and discharging decoration according to the present invention.
  • the serial battery charging and discharging device is characterized by partially changing the positions of the charging switch and the corresponding battery cells so that two battery cells are directly connected compared to the conventional serial battery charging and discharging device of FIG. 4. am. That is, the position of the charging switch is symmetrically placed at both ends of two adjacent battery cells connected in series so that the two adjacent battery cells are directly connected. For example, when the position of the charging switch 200 is connected to the (+) terminal of a specific battery cell, it is connected to the (-) terminal in the next battery cell, and again to the (+) terminal in the next battery cell, thereby connecting two adjacent battery cells. It can be seen that the positions of the charging switches of the battery cells are configured to be symmetrical to each other. This has the advantage of simplifying the power circuit configuration and making the cell's voltage and current sensing circuits structurally easier.
  • the electrode directions of the pouch-type battery cells connected in series are alternately arranged to connect a plurality of pouch-type battery cells in series.
  • the cable length can be configured to the shortest possible.
  • Figure 7 is a diagram for explaining the battery cell alternating distribution method within the tray for wiring pouch-type battery cells in the series battery charging and discharging method according to the present invention
  • Figure 8 is a diagram for explaining the serial battery charging and discharging method according to the present invention. This is a drawing to explain the alternating tray arrangement method for wiring pouch-type battery cells.
  • the electrode directions of the pouch-type battery cells connected in series are alternated by alternating the electrode direction of each battery cell accommodated in the same tray. It can be placed by changing it to .
  • the serial battery charging and discharging device in the case of the serial battery charging and discharging device according to the present invention, when an even number of trays 121 and 122 are provided, the arrangement directions of adjacent trays are arranged so that the inside of each tray is alternated.
  • the direction of the electrodes of the battery cells accommodated in can be alternately arranged, and through this, the electrodes of the battery cells connected in series can be alternately arranged. Meanwhile, even when an odd number of trays are provided, the method of alternating battery cells as described above can be applied.
  • the length of the cable for connecting the battery cells in series becomes shorter than before as different electrodes are arranged adjacent to each other. That is, in the conventional case where battery cells connected in series are arranged in one direction, the connecting cable must be connected to the left and right sides of the jig to connect multiple pouch-type battery cells in series, which increases the cable length and complicates the cable.
  • the cable length can be configured to be shorter.
  • the loss caused by the cable can be minimized by minimizing the length of the cable for serial connection of battery cells.
  • bypass cables unlike general connection cables, current does not flow in normal times, and only bypass current that bypasses the battery cell flows during charging or discharging, so there is no additional loss.
  • a plurality of pouch-type battery cells connected in series include first battery cells 101, 102, 103 in which the (+) electrode is arranged in one direction, and the first battery cell 101 in which the (+) electrode is disposed. It may be configured to include a plurality of alternating battery pairs including second battery cells (111, 112, 113) arranged in the opposite direction and connected in series with the first battery cells (101, 102, 103).
  • First and second battery cells included in a plurality of alternating battery pairs may be disposed on the same tray.
  • the entire trays can be arranged alternately by reversing the directions of the upper tray 121 and the lower tray 122, and can be provided separately on each tray.
  • the first charging switch and the first bypass switch of the first battery cell are connected in series to the (+) electrode at the end of the plurality of alternating battery pairs, and the second charging switch of the second battery cell is connected to the (-) electrode.
  • the switch and the second bypass switch are connected in series, and the ends of the first and second bypass switches are connected to each other.
  • It is configured to include a common bypass cable 891 connected between a point where the first battery cell and the second battery cell are connected in series and a point where the first and second bypass switches are connected to each other.
  • Alternating battery pairs adjacent to each other have a point where the second charging switch and the second bypass switch of one alternating battery pair are connected to each other and the first charging switch and the first bypass switch of the other alternating battery pair are connected to each other. They are connected through a connection cable 892 that connects the points to each other.
  • (+) terminal of the power supply is connected to the point where the first charging switch and the first bypass switch of the alternating battery pair located at the highest among the alternating battery pairs are connected, and the alternating battery pair located at the lowest among the alternating battery pairs
  • the (-) terminal of the power supply device is connected to the point where the second charging switch and the second bypass switch are connected.
  • the case where the first and second battery cells are placed in the same tray and the case where the first and second battery cells are placed on adjacent trays have been described as different embodiments, but are not necessarily limited thereto. no.
  • the first and second battery cells of some of the alternating battery pairs among the plurality of alternating battery pairs are disposed in the same tray, and the first and second batteries of each of the remaining alternating battery pairs among the plurality of alternating battery pairs are disposed in the same tray.
  • the series connection structure of battery cells according to the present invention can be applied even when cells are placed on adjacent trays.
  • Gripper 140 Bulkhead between jig part and charging part
  • Controller 600 Current sensor

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Abstract

본 발명은 배터리 셀의 직렬 연결 구조에 관한 것으로서 특히 다수의 파우치형 배터리 셀을 직렬 연결하여 충방전하는 장치에 적용되는 배터리 셀 직렬 연결구조로서, 각 배터리 셀을 직렬 연결하기 위한 케이블 구조를 단순화시킴으로써 케이블 길이를 획기적으로 단축시키며, 이를 통해 케이블로 인한 손실 발생이 최소화될 수 있도록 하는 직렬 배터리 충방전 장치에 적용되는 파우치형 배터리 셀의 직렬 연결 구조에 관한 것이다.

Description

직렬 배터리 충방전 장치에 적용되는 파우치형 배터리 셀의 직렬 연결 구조
본 발명은 배터리 셀의 직렬 연결 구조에 관한 것으로서 특히 다수의 파우치형 배터리 셀을 직렬 연결하여 충방전하는 장치에 적용되는 배터리 셀 직렬 연결구조로서, 각 배터리 셀을 직렬 연결하기 위한 케이블 구조를 단순화시킴으로써 케이블 길이를 획기적으로 단축시키며, 이를 통해 케이블로 인한 손실 및 비용 발생이 최소화될 수 있도록 하는 파우치형 배터리 셀에 대한 직렬 배터리 충방전 장치의 배터리 셀 직렬 연결구조에 관한 것이다.
2차전지는 휴대용 전자기기부터 전기자동차, 에너지 저장장치 등 다양한 장비에 사용 되고 있으며, 전기자동차의 폭발적인 성장으로 그 수요가 급증하고 있다. 2차전지는 자원 고갈 및 화석연료로 인한 지구 환경 파괴 등의 문제를 극복하기 위해 향후에는 그 수요가 더욱 증가할 것으로 예상된다. 최근, 배터리가 대용량화 되면서 단위 배터리 셀도 100A 이상의 대용량 배터리 셀이 개발 보급 되고 있다.
2차전지의 제조 과정을 살펴보면, 2차전지의 제조 과정은 크게 전극생성 과정, 조립 과정 및 활성화(formation) 과정으로 구성된다. 전극 생성 과정은 2차전지의 양극과 음극을 생성하는 과정이고, 조립 과정은 전극과 분리막을 쌓은 후 말아서 알루미늄 시트로 포장하는 과정이고, 활성화 과정은 2차전지를 충방전함으로써 2차전지 내부의 화학물질을 활성화(formation)하여 2차전지를 실제로 사용 가능하게 만드는 과정이다. 이러한 과정들 중 활성화 과정은 시간이 가장 많이 소요되는 과정이다. 활성화 과정은 배터리 셀이 조립이 완료되면 초기에 30% 정도의 SOC 레벨까지 정전류로 충전을 하면서 셀에서 발생하는 가스를 빼주는(de-gassing) 초기충전(pre-charging)과 그 이후에 SOC 100%까지 충전 했다가 다시 방전을 시키는 본 충전(main charging) 과정을 거친다.
현재의 활성화 공정은 배터리 셀 각각에 별도의 충방전 장치를 붙여서 활성화하는 방법을 채택하고 있어서 2차전지의 생산성을 높이기 위해서는 수많은 활성화 장비를 사용해야 하고 각 배터리 셀마다 케이블이 따로 연결되어야 하기 때문에 많은 공간을 차지하는 문제점을 가지고 있다. 특히 100A 이상의 대용량 배터리 셀 활성화를 위해서는 굵은 케이블이 연결되어야 하기 때문에 공간문제와 고원가 문제는 심각한 상황이다.
이런 문제점을 개선하기 위해서 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결한 상태에서 하나의 충방전 장치로 충방전을 수행하는 방식들이 연구되고 있다. 이 경우에 많은 배터리 셀을 직렬로 연결하여 한꺼번에 충방전을 수행함으로서 활성화 장비의 원가와 케이블 하네스를 줄이고 활성화 장비의 사이즈를 획기적으로 줄일수 있는 장점이 있다. 하지만, 이는 배터리 셀간 용량 편차로 인한 배터리 셀간 충전 밸런싱이 안되는 문제가 있다. 최근, 이 문제를 해결하기 위해서 각 배터리 셀에 직렬로 연결된 충전 스위치와 충전 스위치와 배터리 셀을 단락시키는 바이패스 스위치를 달아서 각 배터리 셀의 충전 시간과 바이패스 시간을 조절함으로서 배터리 셀 밸런싱을 수행하는 방법이 제안된 바 있다.
그럼에도 불구하고 전극이 양끝단에 배치된 파우치형 셀에 대해서는 여전히 다수의 배터리 셀을 직렬 시키기기 위한 케이블의 구조가 복잡하다는 한계가 존재한다. 예컨대, 상기와 같이 바이패스 스위치를 구비하는 직렬 배터리 충방전 장치의 경우 연결 케이블뿐만 아니라 바이패스 스위치를 연결하기 바이패스 케이블이 각 배터리 셀마다 추가로 연결되어야 하기 때문에 구조가 복잡하고 비용이 많이 드는 단점이 존재한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 다수의 파우치형 배터리 셀이 직렬 연결되며, 각 배터리 셀에 직렬로 연결된 충전 스위치와 충전 스위치와 배터리 셀 양단을 단락시키는 바이패스 스위치를 포함하여 구성되는 직렬 배터리 충방전 장치에 적용되는 배터리 셀 직렬 연결구조로서, 전력회로 구성을 달리하여 다수의 배터리 셀을 직렬 시키기 위한 하네스 케이블의 구조를 단순화시킴으로써 케이블 길이를 획기적으로 단축시키며, 이를 통해 케이블로 인한 손실 발생 및 케이블 결선을 위한 비용이 최소화될 수 있도록 하는 배터리 셀의 직렬 결선 방법 및 이를 위한 구조를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전극이 양 끝단에 배치되는 다수의 파우치형 배터리 셀들을 직렬 연결하여 충전 또는 방전하는 직렬 배터리 충방전 장치에 적용되는 배터리 셀 직렬 연결구조로서, 상기 다수의 파우치형 배터리 셀이 수평으로 수납되는 하나 이상의 트레이; 상기 파우치형 배터리 셀 각각에 직렬 연결된 충전 스위치; 상기 직렬 연결된 파우치형 배터리 셀과 충전 스위치의 양 끝단에 연결되는 바이패스 스위치; 상기 다수의 파우치형 배터리 셀은, (+) 전극이 일 방향으로 배치되는 제1 배터리 셀과, (+) 전극이 제1 배터리 셀과 반대 방향으로 배치되고 상기 제1 배터리 셀과 직렬 연결되는 제2 배터리 셀을 포함하는 복수의 교번 배터리 쌍을 포함하여 구성되고,
상기 복수의 교번 배터리 쌍의 끝단에 있는 (+) 전극에 제1 배터리 셀의 제1 충전 스위치 및 제1 바이패스 스위치가 직렬로 연결되고, (-) 전극에 제2 배터리 셀의 제2 충전 스위치 및 제2 바이패스 스위치가 직렬로 연결되고, 상기 제1 및 제2 바이패스 스위치의 끝단이 서로 연결되고,
상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀이 직렬 연결된 지점과 제1 및 제2 바이패스 스위치가 서로 연결된 지점 사이에 연결되는 공통 바이패스 케이블을 포함하고,
서로 인접하는 교번 배터리 쌍은 어느 하나의 교번 배터리 쌍의 제2 충전 스위치와 제2 바이패스 스위치가 서로 연결된 지점과 다른 하나의 교번 배터리 쌍의 제1 충전 스위치와 제1 바이패스 스위치가 서로 연결되는 지점 간을 서로 연결하는 연결 케이블을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치에 적용되는 배터리 셀 직렬 연결구조를 제안한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치에 의하는 경우 다수의 파우치형 배터리 셀을 직렬 시키기 위한 하네스 케이블의 구조를 단순화시킴으로써 케이블의 길이를 획기적으로 단축할 수 있으며, 이를 통해 케이블로 인한 손실 발생 및 케이블 결선을 위한 비용이 최소화될 수 있도록 할 수 있다. 이상의 것들로 인해서 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치는 원가를 최소화하고 사이즈를 최소화하며, 활성공정을 매우 효율적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 파우치형 배터리 활성화 장치 개념도이다.
도 2는 종래의 개별 충방전 방식에서 파우치형 배터리 셀의 결선 예시도이다.
도 3은 종래의 직렬 배터리 충방전 장치의 구성도이다.
도 4는 종래의 직렬 배터리 충방전 장치의 회로도이다.
도 5는 종래의 직렬 배터리 충방전 방식에서 파우치형 배터리 셀의 결선 예시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치의 회로도이다.
도 7은 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치에서 파우치형 배터리 셀의 결선을 위한 트레이 내 배터리 셀 교번 배열 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치에서 파우치형 배터리 셀의 결선을 위한 트레이 교번 배열 방식을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 이하의 상세한 설명은 예시적인 것에 지나지 않으며, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것에 불과하다.
도 1은 파우치형 배터리 활성화 장치 개념도이다.
물리적으로 제작이 완료된 배터리는 배터리 활성화 장치를 이용해서 내부의 화학물질을 활성화시킴으로써 실제로 사용 가능토록 동작하게 된다. 활성화 과정은 배터리 셀이 조립이 완료되면 초기에 30% 정도의 SOC 레벨까지 정전류로 충전을 하면서 셀에서 발생하는 가스를 빼주는(de-gassing) 초기충전(pre-charging)과 그 이후에 SOC 100%까지 충전 했다가 다시 방전을 시키는 본 충전(main charging) 과정을 거친다.
이와 관련하여, 배터리 활성화 장치는 외부전원으로부터 공급되는 교류 전기를 정류 및 변압하는 전원장치(400)를 구비하고, 전원장치(400)로부터 공급되는 전기를 수전해서 대상 배터리를 충전시키는 기능을 수행하는 배터리 충방전 장치를 포함하여 구성될 수 있다.
파우치형 배터리 셀의 충전을 위한 배터리 충방전 장치는 장치 내 충전 대상이 되는 배터리 셀(100)이 수용되는 적어도 하나 이상의 트레이(121, 122)를 포함하여 구성되며, 이러한 트레이(121, 122)는 두께를 갖는 플레이트 형상으로 형성되고, 내부에 적어도 하나 이상의 배터리 셀이 수용되는 수용공간을 갖는다.
배터리 충방전 장치는, 트레이(121, 122)에 장착된 복수 개의 배터리 셀(100)의 전극 리드와 전기적으로 연결하여 복수 개의 배터리를 충방전 하는 동작을 수행하는 단위 충방전 유닛을 포함하여 구성될 수 있으며, 단위 충방전 유닛은 복수 개의 배터리 셀에 일대일로 대응하여 배치되되, 대응하는 배터리 셀의 전극 리드를 압지하는 복수 개의 충방전용 그립퍼(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
격벽(140)은 전원장치(400)에서 발생되는 열이 배터리 셀에 영향을 미치지 않도록 전원장치(400)와 배터리 셀이 서로 격리된 공간에 배치되도록 한다.
한편, 배터리 충방전 장치에서, 배터리 셀을 충방전 하기 위해서는 전원장치를 통한 배터리 셀로의 전기 공급이 이루어져야 하며, 이를 위해서는 배터리 셀 간 혹은 배터리 셀과 전원장치(400) 사이에 전기적 연동을 위한 케이블 배선을 필요로 한다. 이는, 직렬 연결하여 충방전을 진행하고자 하는 배터리 셀이 늘어나는 경우 더 복잡한 케이블 배선을 필요로 한다.
도 2는 종래의 개별 충방전 방식에서 파우치형 배터리 셀의 결선 예시도이다. 이러한, 도 2는 배터리 셀 각각에 개별 전원장치(400)를 붙여 충방전을 진행하는 경우의 케이블 배선 형태에 대하여 예시하고 있다.
도 2를 참조하면, 개별 결선 방식에 의하는 경우 전원장치(400)별로 각 배터리 셀에 대응하는 전극이 별도 구비되며, 이에 배터리 셀의 각 전극에서 개별 전원장치(400)의 대응하는 전극으로 케이블이 개별 연결되는 구조로 이루어진다. 하지만, 이는 전원장치(400)와 배터리 셀의 (+), (-) 전극과의 사이에 연결되는 케이블의 길이가 길어서 케이블 배선을 위한 많은 공간을 필요로 하고, 고비용, 고손실이 발생한다는 문제점이 존재한다.
이런 문제점을 개선하기 위해서 앞서 설명한 바와 같이 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결한 상태에서 하나의 충방전 장치로 충방전을 수행하는 방식이 제안된 바 있다. 이 경우에 많은 배터리 셀을 직렬로 연결하여 한꺼번에 충방전을 수행함으로서 활성화 장비의 원가와 케이블 하네스를 줄이고 활성화 장비의 사이즈를 획기적으로 줄일수 있는 장점이 있다. 하지만, 이는 배터리 셀간 용량 편차로 인한 배터리 셀간 충전 밸런싱이 안되는 문제가 있다.
최근, 이 문제를 해결하기 위해서 각 배터리 셀에 직렬로 연결된 충전 스위치와 충전 스위치와 배터리 셀을 단락시키는 바이패스 스위치를 달아서 각 배터리 셀의 충전 시간과 바이패스 시간을 조절함으로서 배터리 셀 밸런싱을 수행하는 방법이 제안된 바 있다.
도 3 및 도 4는 종래의 직렬 배터리 충방전 장치의 구성도 및 회로도이다. 예컨대, 도 3 및 도 4를 참조하면, 종래의 직렬 배터리 충방전 장치는 다수의 배터리 셀(100)이 직렬 연결된 배터리, 각 배터리 셀(100)에 직렬 연결된 충전 스위치(200), 각 배터리 셀(100)과 충전 스위치(200) 양단을 단락시키는 바이패스 스위치(300), 각 배터리 셀(100)의 전압을 센싱하는 전압센서(미도시), 충방전 전류를 측정하는 전류 센서(600), 충방전 전류를 제공하는 충방전 전원장치(400) 및 제어기(500)를 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같은 종래의 직렬 배터리 충방전 장치는 배터리 셀과 직렬로 충전 스위치(200)가 연결이 되고, 배터리 셀(100)과 충전 스위치(200) 양단을 단락시키고 충전 스위치(200)와 토글로 동작하는 바이패스 스위치(300)가 구성이 되어 특정 배터리 셀에 충전 스위치가 켜지면 해당 배터리 셀은 충전 또는 방전을 하게 되고, 바이패스 스위치가 켜지면 해당 배터리 셀은 충전 또는 방전을 하지 않고 쉬게 된다. 이런 동작으로 인해서 다수의 배터리 셀들이 동일한 수준으로 충방전을 하도록 제어한다.
이러한 종래의 직렬 배터리 충방전 장치의 구성에 의하는 경우 배터리 충방전 과정에 있어서 각 배터리 셀의 충전 스위치 충전 시간과 바이패스 스위치 바이패스 시간을 조절함으로써 배터리 셀 밸런싱을 수행할 수 있다는 장점이 존재한다.
또한, 다수의 배터리 셀을 직렬 연결하여 충방전하기 때문에 케이블 길이를 획기적으로 줄일 수 있어, 원가, 손실 및 공간 절감의 장점이 있다. 그러나, 종래의 직렬 배터리 충방전 장치의 구성에 의하는 경우 여전히 전극이 양 끝단에 배치된 다수의 파우치형 배터리 셀을 직렬 연결하기 위해서는 케이블의 길이가 길어질 수 밖에 없다는 한계가 존재한다.
도 5는 종래의 직렬 충방전 방식에서 파우치형 배터리 셀의 결선 예시도이다. 예컨대, 도 5를 참조하면 여러 개의 파우치형 배터리 셀을 직렬 연결하는 경우 인접한 배터리 셀 간 직렬 연결을 위한 케이블의 길이(실선)가 긴 것을 확인할 수 있다. 더욱이, 종래의 직렬 배터리 충방전 장치의 구성에 의하는 경우 바이패스 스위치를 연결하기 바이패스 케이블(890)이 각 배터리 셀마다 추가로 연결되어야 하기 때문에 이로 인해 구조가 복잡하고 비용이 추가 발생하게 되는 단점이 존재한다.
상기와 같은 직렬 배터리 충방전 장치에 있어서의 한계를 극복하기 위해서 본 발명에서는 다수의 파우치형 배터리 셀을 직렬 시키기 위한 하네스 케이블의 구조를 종래 대비 더 단순화시켜 구현 가능토록 하는 새로운 형태의 배터리 셀 직렬 연결구조를 제안한다. 보다 자세하게는, 서로 직렬 연결되는 파우치형 배터리 셀이 전극 방향을 교번으로 배치하고 충전 스위치(200) 및 바이패스 스위치(300)의 배치를 달리함으로써 케이블의 길이를 종래 대비 감소시키고, 이를 통해 케이블 배선을 위한 많은 공간을 감소시키고, 케이블로 인한 손실이 감소될 수 있도록 한다.
이하, 도 6 내지 도 8을 함께 참조하며, 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치에 적용되는 다수의 파우치형 배터리 셀들의 직렬 연결구조에 대해 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치는 앞서 종래의 직렬 배터리 충방전 장치와 마찬가지로, 각 배터리 셀(100)에 직렬 연결된 충전 스위치(200), 각 배터리 셀(100)과 충전 스위치(200) 양단을 단락시키고, 충전 스위치(200)와 토글로 동작하는 바이패스 스위치(300)를 기본 구성으로 하여 이루어진다.
여기서, 충전 스위치 및 상기 바이패스 스위치 각각은, 하나의 능동 스위치와 하나의 다이오드가 서로 역방향으로 병렬 연결된 스위치일 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 충전 스위치 및 바이패스 스위치 중 어느 하나는, 하나의 능동 스위치와 하나의 다이오드가 서로 역방향으로 병렬 연결된 스위치가 둘 이상 직렬 연결되는 구조일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치는 다수의 파우치형 배터리 셀을 직렬 시키기 위한 케이블의 구조를 종래 대비 더 단순화시켜 구현 가능토록 하기 위해, 배터리 셀(100), 충전 스위치(200) 및 바이패스 스위치(300)의 배치 방법에 있어 종래와 차이점이 존재한다.
도 6은 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장식의 회로도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치의 경우 도 4의 종래의 직렬 배터리 충방전 장치 대비 2개의 배터리 셀이 직접 연결이 되도록 충전 스위치와 해당 배터리 셀의 위치를 일부 바꾼 것이 특징이다. 즉, 인접한 2개의 배터리 셀이 직접 연결이 되도록 충전 스위치의 위치가 직렬 연결된 인접한 2개의 배터리 셀의 양 끝단에 각각 대칭으로 배치된다. 예컨대, 충전 스위치(200)의 위치가 특정 배터리 셀의 (+) 단에 연결되면 다음 배터리 셀에서는 (-) 단에 연결되고, 그 다음 배터리 셀에서는 다시 (+) 단에 연결이 되어 인접한 2개의 배터리 셀의 충전 스위치의 위치가 서로 대칭이 되도록 구성되는 것을 확인할 수 있다. 이렇게 함으로서 전력회로 구성을 단순화하고 셀의 전압 및 전류 센싱 회로도 구조적으로 용이하게 하는 장점을 갖는다.
본 발명에 따른 직렬 배터리 결선 방법에 의하는 경우 이러한 충전 스위치(200)의 배치와 더불어 서로 직렬 연결되는 파우치형 배터리 셀의 전극방향을 교번으로 바꾸어 배치시킴으로써 다수의 파우치형 배터리 셀을 직렬로 연결하기 위한 케이블의 길이를 최단으로 구성할 수 있다.
예컨대, 도 7은 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 방식의 파우치형 배터리 셀의 결선을 위한 트레이 내 배터리 셀 교번 배역 방식을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 방식의 파우치형 배터리 셀의 결선을 위한 트레이 교번 배열 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치의 경우 동일한 트레이 내 수용되는 각 배터리 셀의 전극 방향을 교번으로 바꾸어 배치하는 방법을 통해 서로 직렬 연결되는 파우치형 배터리 셀의 전극 방향이 교번으로 바꾸어 배치되도록 할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치의 경우 트레이(121, 122)가 짝수 개가 구비되는 경우 인접하는 트레이의 배치 방향을 서로 교번되도록 배치함으로써 각 트레이 내부에 수용된 배터리 셀의 전극 방향이 교번으로 바꾸어 배치되도록 할 수 있으며, 이를 통해 서로 직렬 연결되는 배터리 셀의 전극 방향이 교번으로 바꾸어 배치되도록 할 수 있다. 한편, 트레이가 홀수 개가 구비되는 경우에도 상기와 같은 배터리 셀의 교번 배치 방법이 적용될 수 있다.
위와 같이 서로 직렬 연결되는 파우치형 배터리 셀이 교번 배치되는 구조에 의하는 경우 서로 다른 전극이 인접 배치됨에 따라 배터리 셀을 직렬로 연결하기 위한 케이블의 길이가 종래 대비 짧아지게 된다는 장점이 존재한다. 즉, 서로 직렬 연결되는 배터리 셀이 일방향으로 배열되게 되는 종래의 경우 다수의 파우치형 배터리 셀을 직렬로 연결하기 위해서 연결 케이블이 지그의 좌우로 연결이 되어야 하기 때문에 케이블 길이가 길어지고 케이블이 복잡해지는 반면, 본 발명에 의하는 경우 케이블의 길이를 더 짧게 구성할 수 있다
이와 더불어, 본 발명에 따른 직렬 배터리 결선 방법에 의하는 경우 바이패스 스위치를 연결하기 위해서 바이패스 케이블이 각 배터리 셀마다 추가로 연결될 필요가 없으며, 서로 직렬 연결되는 파우치형 배터리 셀 간 하나의 바이패스 케이블을 연결하는 것만으로도 종래의 바이패스 기능을 수행할 수 있다. 이는 기존 대비 바이패스 케이블의 수가 반으로 줄어드는 효과가 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 직렬 배터리 결선 방법에 의하는 경우 배터리 셀의 직렬 연결을 위한 케이블의 길이를 최소화함에 따라 케이블로 인해 발생하게 되는 손실을 최소화할 수 있다. 한편, 바이패스 케이블의 경우 일반 연결 케이블과 달리 평상시 전류가 흐르지 않고, 충전 또는 방전 시 배터리 셀을 바이패스 하는 바이패스 전류만 흐르게 된다는 점에서 추가적인 손실 또한 존재하지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 직렬 배터리 결선 방법에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명에 있어서, 직렬 연결되는 다수의 파우치형 배터리 셀은 (+) 전극이 일 방향으로 배치되는 제1 배터리 셀(101, 102, 103)과, (+) 전극이 제1 배터리 셀(101)과 반대 방향으로 배치되고 제1 배터리 셀(101, 102, 103)과 직렬 연결되는 제2 배터리 셀(111, 112, 113)을 포함하는 복수의 교번 배터리 쌍을 포함하여 구성될 수 있다.
복수의 교번 배터리 쌍에 포함되는 제1 및 제2 배터리 셀은 서로 동일한 트레이에 배치될 수 있다.
혹은 트레이 내에 교번으로 배치가 어려울 경우에 상부 트레이(121)와 하부 트레이(122)의 방향을 반대로 하여 구현함으로써 트레이 전체를 교번으로 배치하고, 각각의 트레이 상에 별도 구비될 수 있다.
이때, 복수의 교번 배터리 쌍의 끝단에 있는 (+) 전극에 제1 배터리 셀의 제1 충전 스위치 및 제1 바이패스 스위치가 직렬로 연결되고, (-) 전극에 제2 배터리 셀의 제2 충전 스위치 및 제2 바이패스 스위치가 직렬로 연결되고, 제1 및 제2 바이패스 스위치의 끝단이 서로 연결된다.
제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀이 직렬 연결된 지점과 제1 및 제2 바이패스 스위치가 서로 연결된 지점 사이에 연결되는 공통 바이패스 케이블(891)을 포함하여 구성된다.
서로 인접하는 교번 배터리 쌍은 어느 하나의 교번 배터리 쌍의 제2 충전 스위치와 제2 바이패스 스위치가 서로 연결된 지점과 다른 하나의 교번 배터리 쌍의 제1 충전 스위치와 제1 바이패스 스위치가 서로 연결되는 지점 간을 서로 연결하는 연결 케이블(892)을 통해 연결된다.
또한, 교번 배터리 쌍 중 최상단에 위치하는 교번 배터리 쌍의 제1 충전 스위치와 제1 바이패스 스위치가 연결된 지점에 전원장치의 (+) 단자가 연결되고, 교번 배터리 쌍 중 최하단에 위치하는 교번 배터리 쌍의 제2 충전 스위치와 제2 바이패스 스위치가 연결된 지점에 전원장치의 (-) 단자가 연결된다.
한편, 본 발명에서는 제1 및 제2 배터리 셀이 동일한 트레이 내 배치되는 경우 및 제1 및 제2 배터리 셀이 인접하는 트레이에 각각 배치되는 경우에 대하여 서로 다른 실시예로서 설명하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 복수의 교번 배터리 쌍 중 일부의 교번 배터리 쌍 각각의 제1 및 제2 배터리 셀은, 동일한 트레이에 배치되고, 복수의 교번 배터리 쌍 중 나머지의 교번 배터리 쌍 각각의 상기 제1 및 제2 배터리 셀은, 인접하는 트레이에 각각 배치되는 경우에 대해서도 본 발명에 따른 배터리 셀의 직렬 연결 구조가 적용될 수 있다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예가 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
[부호의 설명]
100: 파우치형 셀
101, 102, 103: 제1 배터리 셀 111, 112, 113: 제2 배터리 셀
120: 트레이
121: 상부 트레이 122: 하부 트레이
130: 그리퍼 140: 지그부와 충전부 사이의 격벽
200, S11, S21, S31, S41, S51: 충전 스위치
300, S12, S22, S32, S42, S52: 바이패스 스위치
400: 충방전 전원장치
500: 제어기 600: 전류센서
890: 바이패스 케이블
891: 공통 바이패스 케이블 892: 연결 케이블

Claims (3)

  1. 전극이 양 끝단에 배치되는 다수의 파우치형 배터리 셀들을 직렬 연결하여 충전 또는 방전하는 직렬 배터리 충방전 장치에 적용되는 배터리 셀 직렬 연결구조로서,
    상기 다수의 파우치형 배터리 셀이 수평으로 수납되는 하나 이상의 트레이;
    상기 파우치형 배터리 셀 각각에 직렬 연결된 충전 스위치;
    상기 직렬 연결된 파우치형 배터리 셀과 충전 스위치의 양 끝단에 연결되는 바이패스 스위치;
    상기 다수의 파우치형 배터리 셀은 (+) 전극이 일 방향으로 배치되는 제1 배터리 셀과, (+) 전극이 제1 배터리 셀과 반대 방향으로 배치되고 상기 제1 배터리 셀과 직렬 연결되는 제2 배터리 셀을 포함하는 복수의 교번 배터리 쌍을 포함하여 구성되고,
    상기 복수의 교번 배터리 쌍의 끝단에 있는 (+) 전극에 제1 배터리 셀의 제1 충전 스위치 및 제1 바이패스 스위치가 직렬로 연결되고, (-) 전극에 제2 배터리 셀의 제2 충전 스위치 및 제2 바이패스 스위치가 직렬로 연결되고, 상기 제1 및 제2 바이패스 스위치의 끝단이 서로 연결되고,
    상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀이 직렬 연결된 지점과 제1 및 제2 바이패스 스위치가 서로 연결된 지점 사이에 연결되는 공통 바이패스 케이블을 포함하고
    서로 인접하는 교번 배터리 쌍은 어느 하나의 교번 배터리 쌍의 제2 충전 스위치와 제2 바이패스 스위치가 서로 연결된 지점과 다른 하나의 교번 배터리 쌍의 제1 충전 스위치와 제1 바이패스 스위치가 서로 연결되는 지점 간을 서로 연결하는 연결 케이블을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 파우치형 배터리 셀에 대한 직렬 배터리 충방전 장치의 배터리 셀 직렬 연결구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 배터리 셀은
    동일한 트레이에 내에서 교번 배치되는 것을 특징으로 하는 파우치형 배터리 셀에 대한 직렬 배터리 충방전 장치의 배터리 셀 직렬 연결구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 트레이는 짝수 개로 구비되고,
    상기 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀은 인접하는 트레이에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 파우치형 배터리 셀에 대한 직렬 배터리 충방전 장치의 배터리 셀 직렬 연결구조.
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