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WO2015002379A1 - 배터리 팩 보호 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 팩 보호 장치 및 방법 Download PDF

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Publication number
WO2015002379A1
WO2015002379A1 PCT/KR2014/004212 KR2014004212W WO2015002379A1 WO 2015002379 A1 WO2015002379 A1 WO 2015002379A1 KR 2014004212 W KR2014004212 W KR 2014004212W WO 2015002379 A1 WO2015002379 A1 WO 2015002379A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
battery
state
discharge
charging
switch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2014/004212
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
백승문
조영보
오경진
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Chem Ltd
Original Assignee
LG Chem Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LG Chem Ltd filed Critical LG Chem Ltd
Priority to EP14820400.1A priority Critical patent/EP2889984A4/en
Priority to US14/428,179 priority patent/US9774196B2/en
Publication of WO2015002379A1 publication Critical patent/WO2015002379A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H02J7/663—
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from AC mains by converters
    • H02J7/04—Regulation of charging current or voltage
    • H02J7/50—
    • H02J7/61—
    • H02J7/63—
    • H02J7/82—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for protecting a battery, wherein the present invention detects an overcharge state or an overdischarge state of a battery and controls a plurality of switches installed in a charge path and a discharge path of the battery, thereby converting the charge and discharge of the battery into a current state.
  • the present invention relates to a battery protection device and method that can smoothly adjust the charging and discharging time by allowing the user to easily know the current state of charge and discharge of the battery by smoothly extending the battery life.
  • UPS power supplies
  • the technology regarding a battery management system (BMS) for more efficient use and management of batteries is also increasing in importance.
  • the BMS should be able to easily control the state of charge or discharge of the battery to prevent overcharge and overdischarge and protect the battery.
  • a battery has a very high energy density, and when the battery is overcharged above a certain voltage, severely, the structure of the positive electrode active material collapses or the oxidation reaction of the electrolyte is accompanied, and if this continues, the voltage rises and the battery explodes or ignites. Done. In addition, the service life is shortened, and the battery's unstable characteristics pose a risk of an accident, causing a decrease in the overall reliability of the UPS.
  • a conventional battery charge / discharge circuit which can control charge / discharge using only one switch 11 connected in series with a battery and a charge / discharge path.
  • the conventional battery charge / discharge circuit prevents overcharge by opening the switch 11 to block the charging current when overcharge occurs.
  • the discharge current was also unable to move due to the opening of the switch 11.
  • the conventional method may require discharging even when overcharging and charging may be required even when overdischarging, and thus, the charging and discharging are prevented.
  • An object of the present invention relates to a battery protection device and method, which detects an overcharge state or an overdischarge state of a battery and controls conversion of charging and discharging of the battery by controlling a plurality of switches installed in the charge path and the discharge path of the battery.
  • the present invention provides a battery protection device and method for smoothly adjusting to a current state and extending battery life, and allowing a user to easily know a current state of charge and discharge of a battery so that the charging and discharging time can be properly adjusted.
  • the sensing unit for detecting an overcharge state or an over discharge state of the battery; A plurality of switches provided in a charging path and a discharge path of the battery; And when the battery is not in an overcharge state or an overdischarge state, the switch controls the battery to allow both charging and discharging, and a plurality of switches to enable only discharge during overcharge or only charge during overdischarge by an output signal of the detector. It is configured to include a control unit for controlling.
  • the battery protection device may further include a plurality of unidirectional elements in a charge path and a discharge path of the battery.
  • the unidirectional device may be a diode.
  • the plurality of switches may include a first switch provided in the charging path and a second switch provided in the discharge path.
  • the controller may control the discharge to be possible by opening the first switch and closing the second switch.
  • the controller may close the first switch and open the second switch to control only charging.
  • the battery protection device may further include a display unit which displays a charged state or a discharged state of the battery.
  • the display unit may indicate that an overcharge state is detected when the detection unit detects an overcharge state and may display an over discharge state when the detection unit detects an overdischarge state.
  • Battery protection method the step of detecting the overcharge or over-discharge of the battery; Controlling the plurality of switches to enable both charging and discharging of the battery when the battery is not in an overcharge state or an overdischarge state; And controlling the plurality of switches to enable only discharge upon overcharge or only charge upon overdischarge by the output signal of the sensing unit.
  • the controlling of the plurality of switches to enable only discharge upon overcharging or only charge upon overdischarge by the output signal of the sensing unit may include: detecting the overcharge state of the battery in the detecting step; By opening and closing the second switch can be controlled so that only the discharge.
  • the controlling of the plurality of switches to enable only discharge upon overcharging or only charge upon overdischarge by the output signal of the sensing unit may include: detecting the overdischarge state of the battery in the detecting step; The switch can be closed and the second switch can be opened to control only charging.
  • the battery protection method may further include displaying a charging state or a discharging state of the battery.
  • the displaying may include displaying an over discharge state when detecting an overcharge state in the detecting step, and displaying an over discharge state when detecting an over discharge state in the detecting step.
  • the present invention relates to a battery protection device and method, which detects an overcharge state or an overdischarge state of a battery and controls a plurality of switches installed in a charge path and a discharge path of the battery, thereby controlling charging and discharging of the battery.
  • a battery protection device and method which detects an overcharge state or an overdischarge state of a battery and controls a plurality of switches installed in a charge path and a discharge path of the battery, thereby controlling charging and discharging of the battery.
  • FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a conventional battery charge / discharge device.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an electric vehicle to which a battery protection device according to an embodiment of the present invention may be applied.
  • FIG. 3 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a battery protection device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of a specific configuration of a battery protection device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a battery protection method according to an embodiment of the present invention.
  • ... unit described in the specification means a unit for processing one or more functions or operations, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software.
  • the electric vehicle described below refers to a vehicle including one or more electric motors as propulsion force.
  • the energy used to propel electric vehicles includes electrical sources such as rechargeable batteries and / or fuel cells.
  • the electric vehicle may be a hybrid electric vehicle that uses a combustion engine as another power source.
  • FIG. 2 is a view schematically showing an electric vehicle to which the battery protection device 100 according to an embodiment of the present invention may be applied.
  • the battery protection device 100 may be used for household or industrial energy storage system in addition to the electric vehicle.
  • Any technical field may be applied as long as secondary batteries may be applied, such as an Energy Storage System (ESS) or an Uninterruptible Power Supply (UPS) system.
  • ESS Energy Storage System
  • UPS Uninterruptible Power Supply
  • the electric vehicle 1 may include a battery 10, a battery management system (BMS) 20, an electronic control unit (ECU) 30, an inverter 40, and a motor 50.
  • BMS battery management system
  • ECU electronice control unit
  • inverter 40 inverter 40
  • motor 50 a motor 50.
  • the battery 10 is an electric energy source for driving the electric vehicle 1 by providing a driving force to the motor 50.
  • the battery 10 may be charged or discharged by the inverter 40 according to the driving of the motor 50 and / or the internal combustion engine (not shown).
  • the type of the battery 10 is not particularly limited, and the battery 10 may be, for example, a lithium ion battery, a lithium polymer battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a nickel zinc battery, or the like.
  • the battery 10 is formed of a battery pack in which a plurality of battery cells are connected in series and / or in parallel.
  • one or more such battery packs may be provided to form the battery 10.
  • the BMS 20 estimates the state of the battery 10 and manages the battery 10 using the estimated state information.
  • the battery 10 state information such as state of charging (SOC), state of health (SOH), maximum input / output power allowance, and output voltage of the battery 10 is estimated and managed.
  • the charging or discharging of the battery 10 is controlled using the state information, and the replacement time of the battery 10 may be estimated.
  • the BMS 20 may include a battery protection device 100 according to an embodiment of the present invention described below.
  • the battery protection device 100 the charging and discharging of the battery 10 may be more appropriately controlled, and the battery 10 may be protected during overcharging or overdischarging.
  • the ECU 30 is an electronic control device for controlling the state of the electric vehicle 1.
  • the torque degree is determined based on information such as an accelerator, a break, a speed, and the like, and the output of the motor 50 is controlled to match the torque information.
  • the ECU 30 transmits a control signal to the inverter 40 so that the battery 10 can be charged or discharged based on state information such as SOC and SOH of the battery 10 received by the BMS 20. .
  • the inverter 40 causes the battery 10 to be charged or discharged based on the control signal of the ECU 30.
  • the motor 50 drives the electric vehicle 1 based on the control information (for example, torque information) transmitted from the ECU 30 using the electric energy of the battery 10.
  • control information for example, torque information
  • the electric vehicle 1 described above is driven by using the electric energy of the battery 10, it is important to accurately estimate the state of the battery 10, for example, a charged state, a discharge state, an overcharge state, and an overdischarge state. Do.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a battery protection device according to an embodiment of the present invention.
  • the battery protection device 100 may include a detector 110, a switch 120, a controller 130, and a display 140.
  • the battery protection device 100 shown in FIG. 3 is according to an embodiment, and its components are not limited to the embodiment shown in FIG. 3, and some components may be added, changed, or deleted as necessary. have.
  • the detector 110 detects an overcharge state or an overdischarge state of the battery 10.
  • the detection unit 110 may detect only when the charge amount or the discharge amount is more than or less than a predetermined reference value. For example, if the amount of charge flowing into the battery 10 is 100% or more, it may be determined as overcharge. Alternatively, when the discharge amount flowing into the battery 10 is 90% or more or the charge amount is 10% or less, it may be determined as overdischarge.
  • the reference value may be a fixed value preset in the sensing unit 110 as an initial value, or may be a value that is changed by receiving a user input.
  • the switch 120 is a plurality of switches installed in the charging path and the discharge path of the battery 10.
  • the switch 120 may comprise one or more of a limit switch, a relay switch, a proximity switch, a micro switch, and a photoelectric switch.
  • the controller 130 controls the switch 120 to enable both charging and discharging of the battery 10, and controls the switch 120 to allow only charging or only discharging by the output signal of the sensing unit 110. can do.
  • the controller 130 may control the discharge to be possible by opening the switch located on the charging path and closing the switch located on the discharge path.
  • the controller 130 may close the switch located on the charging path and open the switch located on the discharge path to control only charging.
  • the switch 120 may include a first switch 121 installed in the charging path and a second switch 122 installed in the discharge path. have.
  • the charging and discharging paths may further include a plurality of unidirectional elements 151 and 152.
  • the unidirectional elements 151 and 152 may be diodes.
  • the controller 130 closes the first switch 121 installed in the charging path, and closes the second switch 122 provided in the discharge path, thereby allowing the movement of current to be free. Both charging and discharging are possible.
  • the controller 130 opens the first switch 121 installed in the charging path and closes the second switch 122 provided in the discharge path. Movement is limited and current is induced only in the discharge path.
  • the control unit 130 closes the first switch 121 installed in the charging path, and when the second switch 122 installed in the discharge path is opened, the discharge path is formed by the unidirectional element. The movement of the current is limited and the current is induced only in the charging path.
  • the display unit 140 may display a charged state or a discharged state of the battery 10.
  • the display unit 140 may include a liquid crystal display (LCD) device, a light emitting diode (LED) device, a cathode-ray tube (CRT) device, a plasma display panel (PDP) device, and an organic light emitting diode (OLED) device. It may comprise one or more of.
  • LCD liquid crystal display
  • LED light emitting diode
  • CRT cathode-ray tube
  • PDP plasma display panel
  • OLED organic light emitting diode
  • the display unit 140 performs the above-described role, it is noted that the display unit 140 is not limited to the type of display device described above.
  • the display unit 140 may indicate that an overcharge state is detected, and when the detection unit 110 detects an overdischarge state, the display unit 140 may display an overdischarge state.
  • the display unit 140 may select and display one or more charging / discharging states when the sensing unit 110 detects the sensing unit 110. For example, the voltage amount flowing into the battery 10, the charge amount, the discharge amount, the remaining amount, the charge / discharge state, or the current amount can be displayed.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a battery protection method according to an embodiment of the present invention.
  • both the switch 121 (FIG. 4) and the switch 122 (FIG. 4) can be freely charged and discharged in a closed state.
  • the first switch (Fig. 4 121) is opened and the second switch (122 in Fig. 4) is closed (S13), so that only the battery can be discharged (S15).
  • the first switch (121 of FIG. 4) is closed and the second switch (122 of FIG. 4) is opened (S14) to allow only charging of the battery (S16).
  • the description of the controller 130 is applied mutatis mutandis so that redundant description thereof will be omitted.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

배터리 보호 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 배터리 보호 장치는, 배터리의 과충전 상태 또는 과방전 상태를 감지하는 감지부; 배터리의 충전경로와 방전경로에 설치된 복수의 스위치; 배터리가 과충전 상태 또는 과방전 상태가 아닐 경우, 배터리의 충전 및 방전이 모두 가능하도록 스위치를 제어하고, 감지부의 출력 신호에 의해 과충전 시 방전만 가능하도록 또는 과방전 시 충전만 가능하도록 복수의 스위치를 제어하는 제어부; 및 배터리의 충전상태 또는 방전상태를 표시하는 표시부를 포함한다.

Description

배터리 팩 보호 장치 및 방법
본 출원은 2013년 7월 2일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2013-0077181호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 배터리 보호 장치 및 방법에 관한 것으로서, 배터리의 과충전 상태 또는 과방전 상태를 감지하고 배터리의 충전경로와 방전경로에 설치된 복수의 스위치를 제어함으로써, 배터리의 충전과 방전에 대한 변환을 현재 상태에 맞게 원활하게 하여 배터리 수명을 연장할 수 있고, 사용자가 배터리의 현재 충 전과 방전 상태를 쉽게 알 수 있도록 하여 충전 및 방전 시기를 적절하게 조절할 수 있는 배터리 보호 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 산업 및 경제의 급속한 발전으로 전기 기기 및 전자 기기의 보급이 급속하게 확산됨에 따라 안정적인 전력 수급 문제와 우수한 품질의 전력에 대한 요구가 높아짐에 따라 정전 시 안정적인 전력 공급을 위한 무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply; UPS)의 사용이 급격하게 증대되고 있다. 순간 정전, 순간 전압강하 및 고조파 등에 의한 전력 품질의 저하는 산업체에 막대한 경제적 손실을 발생시키게 된다. 이러한 전력 품질의 문제점을 해소하기 위한 일환으로 산업체에서 많이 사용하는 UPS는 전력전자기술의 급속한 발전으로 안정적 동작에 대한 신뢰성은 상당 부분 확보하고 있으나, 에너지 저장용 배터리의 불량으로 인한 정전시의 전력 품질 저하 현상이 종종 발생하고 있다.
이에 따라, 배터리를 보다 효율적으로 사용하고 관리하기 위한 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)에 관한 기술도 중요성이 증가되고 있다. 특히, BMS는 배터리의 충전 상태 또는 방전 상태를 용이하게 조절함으로써 과충전 및 과방전을 방지하고 배터리를 보호할 수 있어야 한다.
일반적으로 배터리는 에너지 밀도가 대단히 높기 때문에, 일정 전압 이상으로 과충전이 되는 경우, 심하면 양극활 물질의 구조가 붕괴되거나 전해액의 산화 반응이 동반되고, 이 경우가 지속되면 전압이 올라가고 전지가 폭발하거나 발화하게 된다. 또한 수명이 단축되며, 배터리의 불안정한 특성으로 사고의 위험성을 가지게 되어 UPS의 전체적인 신뢰도 저하를 야기시킨다.
도 1을 참조하면, 종래의 배터리 충방전 회로가 도시되어 있으며, 이는 배터리와 충방전 경로에 직렬로 연결된 하나의 스위치(11)만을 이용하여 충방전 을 제어할 수 있게 되어 있었다. 그 결과 종래의 배터리 충방전 회로는 과충전이 발생하면 스위치(11)을 개방하여 충전전류를 막음으로써 과충전을 방지하였다. 하지만 스위치(11)의 개방으로 인해 방전전류도 이동이 불가능하였다.
또한 종래의 배터리 충방전 회로는 과방전이 발생하면 스위치(11)을 개방하여 방전전류를 막음으로써 과방전을 방지하였다. 하지만 스위치(11)의 개방으로 인해 충전전류 또한 유입이 불가능하였다.
결국 종래의 방법은 과충전 시에도 방전이 필요할 수 있고, 과방전 시에도 충전이 필요할 수 있는데, 충전과 방전을 모두 못하게 된다는 문제점을 가지고 있었다.
본 발명의 목적은 배터리 보호 장치 및 방법에 관한 것으로서, 배터리의 과충전 상태 또는 과방전 상태를 감지하고 배터리의 충전경로와 방전경로에 설치된 복수의 스위치를 제어함으로써, 배터리의 충전과 방전에 대한 변환을 현재 상태에 맞게 원활하게 하여 배터리 수명을 연장할 수 있고, 사용자가 배터리의 현재 충전과 방전 상태를 쉽게 알 수 있도록 하여 충전 및 방전 시기를 적절하게 조절할 수 있는 배터리 보호 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 장치는, 배터리의 과충전 상태또는 과방전 상태를 감지하는 감지부; 배터리의 충전경로와 방전경로에 설치된 복수의 스위치; 및 배터리가 과충전 상태 또는 과방전 상태가 아닐 경우, 배터리의 충전 및 방전이 모두 가능하도록 스위치를 제어하고, 감지부의 출력 신호에 의해 과충전 시 방전만 가능하도록 또는 과방전 시 충전만 가능하도록 복수의 스위치를 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.
상기 배터리 보호 장치는, 상기 배터리의 충전경로와 방전경로에 복수의 단방향 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 단방향 소자는, 다이오드일 수 있다.
상기 복수의 스위치는, 상기 충전 경로에 설치된 제1 스위치와 상기 방전경로에 설치된 제2 스위치를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 감지부가 과충전 상태를 감지한 경우, 상기 제1 스위치를 개방하고 상기 제2 스위치를 폐쇄하여 방전만 가능하도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 감지부가 과방전 상태를 감지한 경우, 상기 제1 스위치를 폐쇄하고 상기 제2 스위치를 개방하여 충전만 가능하도록 제어할 수 있다.
상기 배터리 보호 장치는, 상기 배터리의 충전상태 또는 방전상태를 표시하는 표시부를 더 포함할 수 있다.
상기 표시부는, 상기 감지부가 과충전 상태를 감지한 경우, 과충전 상태임을 표시하고 상기 감지부가 과방전 상태를 감지한 경우, 과방전 상태임을 표시할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 방법은, 상기 배터리의 과충전 또는 과방전을 감지하는 단계; 상기 배터리가 과충전 상태 또는 과방전 상태가 아닐 경우, 상기 배터리의 충전 및 방전이 모두 가능하도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 단계; 및 상기 감지부의 출력 신호에 의해 과충전 시 방전만 가능하도록 또는 과방전 시 충전만 가능하도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 단계를 포함하여 구성된다.
상기 감지부의 출력 신호에 의해 과충전 시 방전만 가능하도록 또는 과방전 시 충전만 가능하도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 단계는, 상기 감지하는 단계에서 상기 배터리의 과충전 상태를 감지한 경우, 상기 제1 스위치를 개방하고 상기 제2 스위치를 폐쇄하여 방전만 가능하도록 제어할 수 있다.
상기 감지부의 출력 신호에 의해 과충전 시 방전만 가능하도록 또는 과방전 시 충전만 가능하도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 단계는, 상기 감지하는 단계에서 상기 배터리의 과방전 상태를 감지한 경우, 상기 제1 스위치를 폐쇄하고 제2 스위치를 개방하여 충전만 가능하도록 제어할 수 있다.
상기 배터리 보호 방법은, 상기 배터리의 충전상태 또는 방전상태를 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 표시하는 단계는, 상기 감지하는 단계에서 과충전 상태를 감지한 경우, 과방전 상태임을 표시하고, 상기 감지하는 단계에서 과방전 상태를 감지한 경우, 과방전 상태임을 표시할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 보호 장치 및 방법에 관한 것으로서, 배터리의 과충전 상태 또는 과방전 상태를 감지하고 배터리의 충전경로와 방전경로에 설치된 복수의 스위치를 제어함으로써, 배터리의 충전과 방전에 대한 변환을 현재 상태에 맞게 원활하게 하여 배터리 수명을 연장할 수 있고, 사용자가 배터리의 현재 충전과 방전 상태를 쉽게 알 수 있도록 하여 충전 및 방전 시기를 적절하게 조절할 수 있는 배터리 보호 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 배터리 충방전 장치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 장치가 적용될 수 있는 전기 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 장치의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명을 첨부된 도면은 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하에서 서술하는 전기 자동차(electric vehicle)는 추진력으로 하나 또는 그 이상의 전기 모터를 포함하는 차량을 말한다. 전기 자동차를 추진하는데 사용되는 에너지는 재충전 가능한 배터리 및/또는 연료 전지와 같은 전기적 소스(electrical source)를 포함한다. 전기 자동차는 내연 기관(combustion engine)을 또 하나의 동력원으로 사용하는 하이브리드 전기 자동차일 수 있다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 장치(100)가 적용될 수 있는 전기 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2에서 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 장치(100)가 전기 자동차에 적용된 예를 도시하고 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 장치는 전기 자동차 이외에도 가정용 또는 산업용 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)이나 무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply; UPS) 시스템 등 이차 전지가 적용될 수 있는 분야라면 어떠한 기술 분야라도 적용될 수 있다.
전기 자동차(1)는 배터리(10), BMS(Battery Management System, 20), ECU(Electronic Control Unit, 30), 인버터(40) 및 모터(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리(10)는 모터(50)에 구동력을 제공하여 전기 자동차(1)를 구동시키는 전기 에너지원이다. 배터리(10)는 모터(50) 및/또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 인버터(40)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다.
여기서, 배터리(10)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.
또한, 배터리(10)는 복수의 전지 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있는 전지 팩으로 형성된다. 그리고, 이러한 전지 팩이 하나 이상 구비되어 배터리(10)를 형성할 수도 있다.
BMS(20)는 배터리(10)의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)를 관리한다. 예컨대, 배터리(10)의 잔존 용량(State Of Charging; SOC), 잔존 수명(State Of Health; SOH), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리(10) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리(10)의 교체 시기 추정도 가능하다.
또한, BMS(20)는 후술하는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 장치(100)를 포함할 수 있다. 이러한 배터리 보호 장치(100)에 의해 배터리(10)의 충전과 방전을 보다 적절하게 조절할 수 있고, 과충전 시 또는 과방전 시 배터리(10)를 보호할 수 있다.
ECU(30)는 전기 자동차(1)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 액셀러레이터(accelerator), 브레이크(break), 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터(50)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다.
또한, ECU(30)는 BMS(20)에 의해 전달받은 배터리(10)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(40)에 제어 신호를 보낸다.
인버터(40)는 ECU(30)의 제어 신호에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전되도록 한다.
모터(50)는 배터리(10)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(30)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 전기 자동차(1)를 구동한다.
상술한 전기 자동차(1)는 배터리(10)의 전기 에너지를 이용하여 구동되므로, 배터리(10)의 상태, 예를 들어, 충전 상태, 방전 상태, 과충전 상태, 과방전 상태를 정확하게 추정하는 것이 중요하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 장치(100)는 감지부(110), 스위치(120), 제어부(130) 및 표시부(140)를 포함하여 구성 될 수 있다. 도 3에 도시된 배터리 보호 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 3에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
감지부(110)는 배터리(10)의 과충전 상태 또는 과방전 상태를 감지한다. 일 실시예에서, 감지부(110)는 상기 충전량 또는 상기 방전량이 기설정된 기준값 이상 또는 이하인 경우에만 감지할 수 있다. 예를 들어, 배터리(10)로 흘러 들어가는 충전량이 100%이상이면 과충전으로 판단할 수 있다. 또는, 배터리(10)로 흘러 들어가는 방전량이 90%이상이거나 충전량이 10%이하이면 과방전으로 판단할 수 있다. 상기 기준값은 감지부(110)에 초기값으로 미리 설정된 고정값일 수도 있고, 사용자의 입력을 받아 변경되는 값일 수도 있다.
스위치(120)는 배터리(10)의 충전경로와 방전경로에 설치된 복수의 스위치이다. 예를 들어, 스위치(120)는 리미트 스위치, 릴레이 스위치, 근접 스위치, 마이크로 스위치 및 광전 스위치 중 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
제어부(130)는 배터리(10)의 충전 및 방전이 모두 가능하도록 스위치(120)를 제어하고, 감지부(110)의 출력 신호에 의해 충전만 가능하도록 또는 방전만 가능하도록 스위치(120)를 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 감지부(110)에서 과충전 상태를 감지한 경우, 제어부(130)는 충전경로 상에 위치한 스위치를 개방하고 방전경로 상에 위치한 스위치를 폐쇄하여 방전만 가능하도록 제어할 수 있다. 또는, 감지부(110)에서 과방전 상태를 감지한 경우, 제어부(130)는 충전경로 상에 위치한 스위치를 폐쇄하고 방전경로 상에 위치한 스위치를 개방하여 충전만 가능하도록 제어할 수 있다.
이하 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 장치(100)의 제어부(130)의 제어방식에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 장치(100)의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 회로도이다. 도 4에서는 제어부(130)의 도시가 생략되어 있으나, 실제로 제어부(130)는 스위치(120)에 연결되어 스위치(120)를 제어하는 역할을 한다. 도 4을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호 장치(100)에서 스위치(120)는 충전경로에 설치된 제1 스위치(121)와 방전경로에 설치된 제2 스위치(122)를 포함할 수 있다. 또한 충전경로와 방전경로에 복수의 단방향성 소자(151, 152)를 더 포함할 수 있으며, 예로 그 단방향성 소자(151, 152)는 다이오드일 수 있다.
여기서, 과충전 상태 또는 과방전 상태가 아닐 경우, 제어부(130)가 충전경로에 설치된 제1 스위치(121)를 폐쇄하고, 방전경로에 설치된 제 2스위치(122)를 폐쇄하여 전류의 이동이 자유로워 충전과 방전 모두 가능해진다.
또한, 과충전 상태일 경우, 제어부(130)가 충전경로에 설치된 제1 스위치(121)를 개방하고, 방전경로에 설치된 제 2스위치(122)를 폐쇄하면 단방향성 소자에 의해 충전경로로의 전류의 이동이 제한되고, 방전경로로만 전류가 유도된다.
또는, 과방전 상태일 경우, 제어부가(130)가 충전경로에 설치된 제1 스위치(121)를 폐쇄하고, 방전경로에 설치된 제 2스위치(122)가 개방하면 단반향성 소자에 의해 방전경로로의 전류의 이동이 제한되고, 충전경로로만 전류가 유도된다.
다시 도 3으로 돌아와서, 표시부(140)는 배터리(10)의 충전상태 또는 방전상태를 표시할 수 있다. 예를 들어, 표시부(140)는 LCD(Liquid Crystal Display)장치, LED(Light Emitting Diode)장치, CRT(Cathode-Ray Tube)장치, PDP(Plasma Display Panel)장치, OLED(Organic Light Emitting Diode)장치 중의 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 표시부(140)가 상술한 역할을 수행하는 한 표시부(140)는 상기 기술된 표시장치의 종류에 제한되지 않음을 유의한다.
표시부(140)는 감지부(110)에서 과충전 상태를 감지한 경우, 과충전 상태임을 표시하고 감지부(110)에서 과방전 상태를 감지한 경우, 과방전 상태임을 표시할 수 있다. 표시부(140)는 감지부(110)가 감지를 할 때, 하나 이상의 충방전 상태를 선택하여 표시할 수 있다. 예를 들어, 배터리(10)로 흘러들어가는 전압량, 충전량, 방전량, 잔량, 충방전상태 또는 전류량을 표시할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배리터 보호 방법이 시작되면, 먼저 배터리의 과충전 또는 과방전이 있는지 여부를 감지하고(S11), 과충전 상태인지 과방전 상태인지를 판단한다(S12). 단계(S11) 및 단계(S12)의 과정은 감지부(110)에 대한 설명이 준용되므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
그리고 배터리가 과충전 또는 과방전을 감지하지 아니한 경우, 배터리의 충전 및 방전 모두를 가능하게 한다(S17). 이 때 스위치(도4의 121)와 스위치(도4의 122)는 모두 폐쇄된 상태로 자유롭게 충방전이 가능하다.
그리고 배터리가 과충전되는 것으로 판단되는 경우, 제1 스위치(도4 121)를 개방하고 제2 스위치(도4의 122)를 폐쇄하여(S13), 배터리의 방전만 가능하도록 한다(S15).
또는 배터리가 과방전되는 것으로 판단되는 경우, 제1 스위치(도4의 121)를 폐쇄하고 제2 스위치(도4의 122)를 개방하여(S14), 배터리의 충전만 가능하도록 한다(S16). 단계(S13) 및 단계(S14)의 과정은 제어부(130)에 대한 설명이 준용되므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
그 다음 과충전 상태 또는 과방전 상태가 아닐 경우에는 종료한다.
전술한 배터리 보호 방법은 도면에 제시된 순서도를 참조로 하여 설명되었다. 간단히 설명하기 위하여 상기 방법은 일련의 블록들로 도시되고 설명되었으나, 본 발명은 상기 블록들의 순서에 한정되지 않고, 몇몇 블록들은 다른 블록들과 본 명세서에서 도시되고 기술된 것과 상이한 순서로 또는 동시에 일어날 수도 있으며, 동일한 또는 유사한 결과를 달성하는 다양한 다른 분기, 흐름 경로, 및 블록의 순서들이 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 방법의 구현을 위하여 도시된 모든 블록들이 요구되지 않을 수도 있다.
이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은, 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.

Claims (13)

  1. 배터리의 과충전 상태 또는 과방전 상태를 감지하는 감지부;
    상기 배터리의 충전경로와 방전경로에 설치된 복수의 스위치; 및
    상기 배터리가 과충전 상태 또는 과방전 상태가 아닐 경우, 상기 배터리의 충전 및 방전이 모두 가능하도록 상기 복수의 스위치를 제어하고, 상기 감지부의 출력 신호에 의해 과충전 시 방전만 가능하도록 또는 과방전 시 충전만 가능하도 록 상기 복수의 스위치를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 충전경로와 방전경로에 복수의 단방향성 소자를 더 포함 하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단방향성 소자는 다이오드인 것을 특징으로 하는 배터리 보호 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 스위치는,
    상기 충전경로에 설치된 제1 스위치와 상기 방전경로에 설치된 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 감지부가 과충전 상태를 감지한 경우, 상기 제1 스위치를 개방하고 상기 제2 스위치를 폐쇄하여 방전만 가능하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 감지부가 과방전 상태를 감지한 경우, 상기 제1 스위치를 폐쇄하고 상기 제2 스위치를 개방하여 충전만 가능하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 충전상태 또는 방전상태를 표시하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 표시부는,
    상기 감지부가 과충전 상태를 감지한 경우, 과충전 상태임을 표시하고 상기 감지부가 과방전 상태를 감지한 경우, 과방전 상태임을 표시하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 장치.
  9. 배터리의 과충전 또는 과방전을 감지하는 단계;
    상기 배터리가 과충전 상태 또는 과방전 상태가 아닐 경우, 상기 배터리 의 충전 및 방전이 모두 가능하도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 단계; 및
    상기 감지부의 출력 신호에 의해 과충전 시 방전만 가능하도록 또는 과방 전 시 충전만 가능하도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 감지부의 출력 신호에 의해 과충전 시 방전만 가능하도록 또는 과방전 시 충전만 가능하도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 단계는,
    상기 감지하는 단계에서 상기 배터리의 과충전 상태를 감지한 경우, 상기 제1 스위치를 개방하고 제2 스위치를 폐쇄하여 방전만 가능하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 감지부의 출력 신호에 의해 과충전 시 방전만 가능하도록 또는 과방전 시 충전만 가능하도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 단계는,
    상기 감지하는 단계에서 상기 배터리의 과방전 상태를 감지한 경우, 상기 제1 스위치를 폐쇄하고 제2 스위치를 개방하여 충전만 가능하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 배터리의 충전상태 또는 방전상태를 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 표시하는 단계는,
    상기 감지하는 단계에서 과충전 상태를 감지한 경우, 과충전 상태임을 표 시하고 상기 감지하는 단계에서 과방전 상태를 감지한 경우, 과방전 상태임을 표시하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 방법.
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