KR101572923B1 - 배터리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리 팩에서 위크 셀이 발생 시, 스페어 셀이 대체하되, 배터리 팩을 구성하는 정상 셀의 전압과 위크 셀의 전압이 유사범위에 대응할 경우, 위크 셀로 스페어 셀을 다시 대체함으로써 스페어 셀의 수명을 증가시키고, 위크 셀을 재 활용하는 배터리 시스템을 제안한다.

Description

배터리 시스템{Battery system}

본 발명은 배터리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 어레이 연결되는 배터리 팩의 셀들 중 위크 셀(Weak cell)이 발생 시, 스페어 셀로 대체하여 구동하되, 어레이를 구성하는 정상 셀의 전압이 위크 셀과 유사범위에 들어가는 경우 스페어 셀을 어레이 내에 재 배치함으로서, 스페어 셀과 위크 셀의 활용도를 높이고, 아울러, 스페어 셀의 수명을 증가시키는 배터리 시스템에 관한 것이다.

통상적으로 배터리 팩은 복수의 셀이 직렬 또는 직병렬 어레이 구조를 이루어 부하 장치에 요구되는 출력전압과 출력전류에 대응하도록 구성되고 있다. 이러한 배터리 팩은 복수의 셀이 직렬로 연결되어 출력전압을 높일 때, 각 셀의 특성에 따라 각 셀의 전압은 상이할 수 있다. 전원 선과 인접한 셀의 전압이 높고, 전원선과 이격된 셀의 전압이 낮은 경향도 있으나, 이보다는, 셀의 충방전 특성 차에 기인하는 경우가 더 많다. 이에 따라, 유사한 전기적 특성을 가진 셀을 직렬 또는 직병렬 어레이 연결하여 배터리 팩을 구성하고 있으나, 실제 사용 현장에서는 전기적 특성 차이를 갖는 셀에 의해 전체 배터리 팩의 방전 지속시간과 수명을 떨어뜨리는 경우가 종종 발생하고 있다. 배터리 팩을 구성하는 셀들 중 전기적 특성이 다른 셀은 통상 위크 셀(Weak cell)이라 하며, 위크 셀은 어레이에서 제거되고, 정상 셀로 대체될 필요가 있다.

이에 대해, 공개특허 10-2014-0015433호는 직렬 연결되는 복수의 셀 중 위크 셀이 발생하는 경우, 스위칭 제어를 통해 정상 셀로 위크 셀을 대체하도록 함으로써 복수의 셀로 이루어지는 배터리 팩의 전기적인 충방전 특성을 유지하는 배터리를 제안한 바 있다. 공개특허 10-2014-0015433은 위크 셀을 예비 셀로 대체함으로써 위크 셀에 의한 배터리 팩의 전기적 특성 악화를 차단하고 있다.

한편, 배터리 팩이 상용 전원(AC)과 연결되는 경우에는 위크 셀을 정상 셀로 대체하는 대체 구성을 통해 배터리 팩의 전기적인 특성을 유지할 수 있다. 그러나, 배터리 팩이 산악지역, 민간인 비 거주지역, 군사지역과 같은 지역에서 운용되는 독립전원 장치에 적용되는 경우,

1) 위크 셀을 대체하는 예비 셀은 위크 셀의 발생과 더불어 그 수명이 저하되기 시작하므로, 독립전원 장치의 장치 안정성을 떨어뜨리게 된다.

2) 위크 셀이 갖고 있는 충방전 능력이 전혀 활용되지 못한다.

3) 배터리 팩에서 추가적으로 위크 셀이 발생하고 그 수가 예비 셀의 수를 능가할 경우, 대응방안이 없다.

본 발명의 목적은 위크 셀을 재 활용할 수 있도록 하고, 스페어 셀의 수명을 증가시킴으로써, 이후의 유지 관리를 용이하게 하며, 독립전원 장치에 적용될 때, 장수명 고 신뢰성을 확보할 수 있는 배터리 시스템을 제공함에 있다.

상기한 목적은 어레이 연결되는 복수의 셀, 스페어 셀 및 어레이 연결되는 복수의 셀 중 위크 셀이 발생 시, 위크 셀을 상기 어레이에서 분리하고, 스페어 셀로 위크 셀로 대체하며, 스페어 셀을 포함하여 구성되는 어레이의 셀 평균 전압이 위크 셀의 전압과 동일 또는 유사 범위에 대응하는 경우, 위크 셀과 스페어 셀을 재 교체하여 위크 셀의 전력을 이용하고, 스페어 셀의 전력소모를 최소화하는 루트 설정부에 의해 달성된다.

상기한 목적은 본 발명에 따라, 어레이 연결되는 복수의 셀 모듈, 스페어 셀 모듈 및 어레이 연결되는 셀 모듈 중 위크 모듈(Weak module)이 발생 시, 위크 모듈을 어레이에서 분리하고, 스페어 모듈로 위크 모듈을 대체하며, 스페어 모듈을 포함하여 구성되는 어레이의 셀 또는 셀 모듈의 평균 전압이 위크 모듈의 전압과 동일 또는 유사 범위에 대응하는 경우, 위크 모듈과 스페어 모듈을 재 교체하여 위크 모듈의 전력을 이용하고 스페이 모듈의 전력소모를 최소화하는 루트 설정부에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 위크 셀이 발생 시, 스페어 셀이 대체하되, 배터리 팩을 구성하는 정상 셀의 전압과 위크 셀의 전압이 유사범위에 대응할 경우, 위크 셀로 스페어 셀을 다시 대체함으로써 스페어 셀의 수명을 증가시키고, 위크 셀을 재 활용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 배터리 시스템이 적용되는 독립전원 시스템의 개념도를 도시한다.
도 2 내지 도 6은 전류패스 설정부가 어레이의 노드와 연결되어 스페어 셀을 어레이에 연결 또는 연결 해제하는 방법에 대한 참조도면을 도시한다.
도 7은 위크 셀의 유사범위를 설명하기 위한 참조도면을 도시한다.
도 8은 스페어 셀을 모듈로 구성한 일 예를 도시한다.

본 명세서에서 언급되는 셀(Cell)은 배터리 팩(Pack)을 구성하는 셀을 의미하는 것으로서, 전기적으로 충전 및 방전이 가능한 것을 의미한다.

본 명세서에서 언급되는 셀은 리튬-이온 계열, 리튬-폴리머 계열 및 리튬-인산철 계열의 것이 언급되나, 이 외에도, 니켈-카드뮴, 납축전지, 니켈-수소를 비롯하여 충전 및 방전이 가능한 다양한 형태의 2차 전지를 지칭할 수 있다. 다만 한정하지는 않는다.

본 명세서에서 언급되는 배터리 팩은 셀이 직렬 연결되거나 또는 직병렬 연결된 것일 수 있다. 본 명세서에서는 셀의 직렬 또는 직병렬 연결 구조를 "어레이"라고 표현하며, 셀이 어레이 연결되었다는 것은 셀이 직렬 연결되었다는 의미로 이해되어야 한다.

본 명세서에서는 설명과 이해의 편의를 위해 직렬 연결된 셀의 구조, 즉 직렬된 어레이 구조의 셀을 중심으로 설명한다. 그러나, 배터리 팩의 출력전압과 출력전류를 증가시키기 위해 셀은 직렬로만 연결되지는 않으며, 부분적으로는 병렬로도 연결됨은 당업자에게 자명한 것이다. 이는 설명과 이해의 편의를 위한 것이므로, 도해되고 설명된 것에 한정되어 본 발명이 이해되지 않아야 할 것이다.

본 명세서에서 언급되는 "독립전원 장치"는 산악 지역, 군사 지역, 민간인 비 거주지역을 비롯, 등산로, 관리대상 시설 주변에 설치되어 전기 자동차(또는 하이브리드 카), 휴대단말기(예컨대 스마트폰), 조명장치 및 CCTV와 같은 부하 장치에 전원을 공급하는 장치를 의미할 수 있다.

본 명세서에서 언급되는 "위크 셀(Weak cell)"은 배터리 팩에서 어레이를 이루는 셀들 중 주변 셀 대비 출력 전압이 떨어지는 셀을 의미할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 배터리 시스템이 적용되는 독립전원 시스템의 개념도를 도시한다.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 배터리 시스템은 도시된 독립전원 장치(50)에 적용되며, 독립전원 장치(50)의 하우징(51)에 수납되고, 독립전원 장치(50)와 연결되는 전기자동차(11), 휴대단말기(12), 조명장치(13) 및 CCTV(14)와 같은 장치에 전원을 공급할 수 있다.

독립전원 장치(50)는 하우징(51) 외부로 노출되는 안테나(53)를 통해 관리 서버(미도시)로 실시예에 따른 배터리 시스템의 상태정보를 제공할 수 있다. 상태정보는 실시예에 따른 배터리 시스템을 구성하는 배터리 팩(130) 또는 배터리 팩(130)을 구성하는 각 셀(C1 내지 Cn)의 전기적인 특성 정보에 대응하는 것으로, 각 셀(C1 내지 Cn)의 전압, 전류, 충전특성 정보, 방전특성 정보, 각 셀(C1 내지 Cn)의 잔량 및 온도에 대한 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라, 관리 서버(미도시)는 실시예에 따른 배터리 시스템의 배터리 팩(130)의 상태 또는 배터리 팩(130)을 구성하는 각 셀(C1 내지 Cn)의 상태를 상시 모니터링 할 수 있다.

한편, 독립전원 장치(50)는 배치되는 위치의 특성 상, 상용 교류(AC)에 의해 외부 전원을 공급받기 어렵다. 따라서, 독립전원 장치(50)는 자가 발전을 통해 부하 장치(11, 12, 13, 14)에 전원을 공급해야 하며, 도 1에서, 태양전지 패널(10)이 이에 해당할 수 있다. 물론, 태양전지 패널(10) 이외에, 풍력 발전기나 조력 발전기가 독립전원 장치(50)에 연결되어 독립전원 장치(50)로 전력을 공급할 수 있음은 물론이다.

태양전지 패널(10)에서 생성되는 전력은 충전회로(110)로 제공되고, 충전회로(110)는 이를 배터리 팩(130)의 충전에 적합한 전압과 전류로 변환하여 배터리 팩(130)에 제공할 수 있다. 배터리 팩(130)은 복수의 셀(C1 내지 Cn)로 구성되며, 각 셀은 루트 설정부(120)에 의해 충전제어를 받을 수 있다. 루트 설정부(120)는 배터리 팩(130)을 구성하는 각 셀(C1 내지 Cn)에 대해 BMS(Battery Management System) 제어를 수행하여, 각 셀(C1 내지 Cn)에 대한 셀 벨런싱을 수행할 수 있다. 또한 루트 설정부(120)는 스페어 셀(140)을 이용하여 배터리 팩을 구성하는 셀들 중 어느 하나를 대체할 수 있다.

도 1에서 배터리 팩(130)은 셀(C1 내지 Cn)이 직렬로 어레이 연결되는 것을 예시하고 있다. 그러나, 도 1에 도시된 배터리 팩은 셀(C1 내지 Cn)을 직렬로 어레이를 구성할 수 있는 것은 물론이고, 출력 전류를 충족하기 위해, 병렬로도 어레이를 이룰 수 있다. 다만 한정하지는 않는다.

배터리 팩(130)에서 셀(C1 내지 Cn)은 C1 - C2 - C3 .... Cn의 순서에 따라 어레이를 이루고 있다. 어레이를 이루는 셀(C1 내지 Cn) 중 어느 하나가 위크 셀(Weak cell)인 경우, 루트 설정부(120)는 위크 셀로 판정된 셀(예컨대 C2)을 어레이에서 제거하고, 그 대신 스페어 셀(140)을 셀(C2)의 자리에 그대로 배치하여 셀(C2)를 대체하도록 한다. 이러한 대체를 위해, 루트 설정부(120)는 스페어 셀(140)의 양극단자와 음극 단자를 셀(C1)과 셀(C3) 사이에 연결할 수 있으며, 이러한 연결은 스위칭 제어를 통해 처리될 수 있다.

바람직하게는, 루트 설정부(120)는 BMS(121) 및 전류패스 설정부(122)를 포함하여 구성될 수 있다.

BMS(121)는 배터리 팩(130)을 구성하는 각 셀(C1 내지 Cn)을 충전 시, 각 셀이 균등한 전압으로 충전되도록 셀 벨런싱을 수행한다. 배터리 팩(130)을 구성하는 각 셀은 전기적인 충방전 특성이 상이할 수 있으며, 각 셀의 전기적인 특성에 따라 서로 상이한 시간과 충전 전압을 주어 각 셀(C1 내지 Cn)별로 충전할 수 있다. 또한, BMS(121)는 각 셀(C1 내지 Cn)별 충전특성을 파악하고, 각 셀(C1 내지 Cn) 중 위크 셀이 있는가를 판단할 수 있다. 위크 셀은 충전특성이나 방전특성이 주변 셀과 차별되는 셀을 의미할 수 있다. 예컨대, 배터리 팩(130)을 만충하였을 때, 각 셀(C1 내지 Cn)의 전압이 3.2V라고 가정할 때, 배터리 팩(130)을 구성하는 셀(C1 내지 Cn) 중 만충 후 전압이 2.5V - 2.9V범위를 갖는 것이 존재할 경우, 해당 셀을 위크 셀이라 할 수 있다. 위크 셀은 배터리 팩(130)의 전체 출력 전압이나 전류를 떨어뜨릴 수 있으며, 배터리 팩(130) 전체의 출력 전압이 낮아지는 만큼 배터리 팩(130)이 부하 장치(11, 12, 13, 14)에 전원을 공급하는 시간은 짧아질 수 있다. 이는 부하 장치(11, 12, 13, 14)의 충전에 요구되는 전압이 낮아지는데 따른다.

위크 셀이 발생 시, 전류패스 설정부(122)는 위크 셀을 어레이에서의 연결에서 제거하고, 스페어 셀(140)로 위크 셀로 대체 연결할 수 있는데, 이를 위해, 전류패스 설정부(122)는 어레이의 각 노드와 연결되고, 각 노드에 대해 스위칭 제어하여 스페어 셀(140)을 원하는 위치에 연결할 수 있다. 이는 도 2 내지 도 6을 함께 참조하여 설명하도록 한다.

도 2 내지 도 6은 전류패스 설정부(122)가 어레이의 노드와 연결되어 스페어 셀(140)을 어레이에 연결 또는 연결 해제하는 방법에 대한 참조도면을 도시한다.

먼저, 도 2를 참조하면, 배터리 팩(130)에 수납되는 셀은 도 2에 도시된 바와 같이 각 셀(C1 내지 Cn)이 이웃하는 셀과 전도체에 의해 연결되며, 이웃하는 셀을 상호 연결하는 전도체는 노드(N 내지1 Nn)를 형성한다. 즉, 노드(N1 내지 Nn)는 셀과 셀이 연결되는 연결지점에 대응한다. 도 2에서, 셀(C1)의 양극(+)과 셀(C2)의 음극(-)은 전기적으로 연결되어 노드(N2)를 형성하고, 셀(C2)의 양극(+)과 셀(C3)의 음극(-)이 전기적으로 연결되어 노드(N3)를 형성하는 것을 볼 수 있다.

다음으로, 도 3은 셀과 셀 사이에 스위치(S1 내지 Sn)가 배치되고, 스위치에 의해 어레이를 이루는 셀 중 어느 하나를 어레이에서 제거할 수 있도록 구성되는 일 예를 도시한다.

도 3에서, 셀(C1)과 셀(C2)은 스위치(S2)에 의해 연결된다. 스위치(S2)는 셀(C1)의 양극(+)과 셀(C2)의 음극(-)을 오픈(Open) 시키거나, 또는 단락시킬 수 있다. 스위치(S2)와 전기적으로 접촉하는 셀(C1)의 양극(+)은 노드(N2)에 대응하고, 스위치(S2)와 전기적으로 접촉하는 셀(C2)의 음극(-)은 노드(N3)에 대응한다. 이러한 결선에 따라, 셀(C1 내지 Cn)은 각각이 어레이에 포함되거나 또는 어레이에서 제거될 수 있다. 이제, 도 4를 참조하여 전류패스 설정부(122)가 각 셀(C1 내지 Cn)을 어떻게 어레이에서 제거하고, 스페어 셀(140)을 어레이에 연결하는지 살펴보도록 한다.

도 4를 참조하면, 셀(C1 내지 Cn)은 어레이를 이루고, 셀(C1 내지 Cn 중 어느 하나)과 셀(C1 내지 Cn 중 이웃하는 다른 하나) 사이에는 스위칭 소자(S1 내지 Sn)가 배열될 수 있다. 스위칭 소자(S1 내지 Sn)는 전류패스 설정부(122)에 의해 온-오프 제어될 수 있다. 예컨대, 전류패스 설정부(122)가 스위치(S1)를 턴-온 시키면 셀(C1)과 셀(C2)이 단락 상태를 이루어 전기적으로 연결 상태가 된다.

마찬가지로, 전류패스 설정부(122)는 나머지 스위치(S2 내지 Sn)에 대해서도 온-오프 제어를 수행함으로써, 어레이를 이루는 셀들 중 원하지 않는 셀을 어레이에서 제거할 수 있다.

전류패스 설정부(122)는 BMS(121)에서 위크 셀(Weak cell)로 판단하는 셀(C1 내지 Cn 중 적어도 하나)이 어레이에 위치하는 경우, 어레이에 위치하는 위크 셀의 양극(+)과 음극(-)에 위치하는 스위치(S1 내지 Sn 중 적어도 둘)를 제어하여 위크 셀을 어레이에서 제거할 수 있다.

도 5와 도 6은 전류패스 설정부(122)가 어레이에서 위크 셀을 제거하는 과정에 대한 개념도를 도시한 것으로서, 도 5의 (a)는 위크 셀(C2)을 포함하는 어레이의 연결 구조를 개념적으로 도시한 것으로, 도 5의 (a)를 살펴보면, 셀(C1)과 셀(C3)의 출력 전압이 셀(C2) 대비 높은 것을 알 수 있다. 셀(C2)는 위크 셀(C2)로서, 어레이 연결되는 타 셀(C1, C3) 대비 출력 전압이 낮으며, 어레이를 구성하는 셀(C1, C2, C3)이 배터리 팩(130)을 형성할 때, 배터리 팩(103)의 출력 전압을 낮추게 된다.

도 5의 (b)는 전류패스 설정부(122)가 스위치(S1 내지 Sn 중 적어도 두 개) 제어를 통해 위크 셀(C2)을 어레이에서 제거한 것을 개념적으로 도시한다.

전류패스 설정부(122)는 스위치 제어를 통해 위크 셀(C2)을 어레이에서 제거하고, 대신 위크 셀(C2) 보다 출력 전압이 높은 스페어 셀(140)이 셀(C1)과 셀(C3) 사이에 배치되도록 전류 패스를 형성할 수 있다. 이에 따라, 어레이에 배열되는 셀은, 셀(C1) - 스페어 셀(140) - 셀(C3)이 되며, 이 어레이를 포함하는 배터리 팩(130)의 출력전압은 위크 셀(C2)이 배치될 때보다 증가하게 된다. 도 5의 (a)와 도 5의 (b)를 상세히 설명하면 아래와 같다.

- 아래 -

셀( C2 )이 위크 셀일 때,

전류패스 설정부(122)는 위크 셀(C2)의 양극(+)과 음극(-)에 위치하는 스위치(S1, S2)를 제어하여 위크 셀(C2)을 어레이에서 제거한다. 그리고, 스페어 셀(140)의 양극(+)과 음극(-)을 각각 노드(N2)와 노드(N3)에 연결한다. 이를 통해 스페어 셀(140)은 위크 셀(C2)을 대체하여 배치되며, 기존의 어레이에서 정상 작동하게 된다.

한편, 실시예에 따른 전류패스 설정부(122)는 어레이에서 위크 셀을 제거한 이후, 재차 위크 셀을 재활용하도록 전류패스를 재 설정할 수 있다. 이는 도 6을 참조하여 설명하도록 한다.

도 6을 참조하면, 위크 셀(C2)의 만충 전압이 주변의 정상 셀(C1, C3 내지 Cn) 대비 작은 셀에 대응하나, 위크 셀(C2)의 전압이 정상 셀(C1, C3 내지 Cn) 대비 작기는 하지만, 그렇다고 사용이 불가한 셀을 의미하는 것은 아니다.

만일, 정상 셀(C1, C3, 스페어 셀)의 전압이 Vf로 낮아지고, 전압(Vf)이 위크 셀(C2)의 전압과 유사범위 내에 있거나 또는 위크 셀(C2)보다 낮아지는 경우, 위크 셀(C2)은 어레이 내에 재 배치하여 이용될 수 있다.

여기서, 유사범위는,

1) 위크 셀(C2)의 전압이 정상 셀(C1, C3, 스페어 셀)의 평균 전압 대비 95% 내지 105%인 경우,

2) 위크 셀(C2)의 전압이 정상 셀(C1, C3, 스페어 셀) 중 어느 하나와 비교할 때, 95% 내지 105% 인 경우,

3) 위크 셀(C2)의 전압이 정상 셀(C1, C3, 스페어 셀) 중 최대 전압 셀(C1, C3, 스페어 셀 중 어느 하나) 대비 95% 내지 105%인 경우를 의미할 수 있다. 이는 위크 셀(C2)의 출력 전압과 정상 셀(C1, C3, 스페어 셀)의 전압이 유사해짐을 의미하며, 위크 셀(C2)의 전압과 정상 셀(C1, C3, 스페어 셀)의 전압이 유사할 때, 위크 셀(C2)이 어레이에 배치된 스페어 셀(140)을 대체하더라도 어레이로 구성되는 배터리 팩(130)의 전압이 낮아지지 않음을 나타낸다.

도 6은 위크 셀(C2)이 어레이에 재 배치되고, 스페어 셀(140)은 다시 고립되는 것을 나타내고 있다. 이후, 스페어 셀(140)은 차후 재 사용을 위해, 충전회로(110)에 의해 충전되고, 위크 셀(C2)의 출력 전압이 타 셀(C1, C3) 대비 낮을 때, 위크 셀(C2)을 대체할 수 있도록 준비된다.

도 7은 위크 셀의 유사범위를 설명하기 위한 참조도면을 도시한다.

도 7을 참조하여 설명하면, BMS(121)는 배터리 팩(130) 내부에서 어레이를 이루는 셀(C1 내지 Cn)이 만충된 후, 각 셀(C1 내지 Cn)의 전압을 모니터링 한다. 도 7에서, 셀(C1)의 전압은 3.2V, 셀(C2)의 전압은 2,8V) 셀(C3)의 전압은 3.1V 이며, Cn의 전압은 3.2v를 나타내고 있으며, 셀(C1 내지 Cn) 중 셀(C2)의 전압은 2.8V로서, 주변 셀(C1, C3 내지 Cn) 대비 현저히 낮은 것을 볼 수 있다. BMS(121)는 셀(C2)을 위크 셀로 판단하고, 이를 전류패스 설정부(122)로 통보한다.

전류패스 설정부(122)는 도 5와 도 6을 통해 설명한 바와 같이, 위크 셀(C2)을 어레이에서 제거하고, 스페어 셀(140)로 위크 셀(C2)를 대체하여 어레이의 전류패스를 형성할 수 있다. 이후, BMS(121)는 배터리 팩(130)을 구성하는 정상 셀(C1, 스페어 셀, C3 내지 Cn)의 전압을 모니터링 하며, 정상 셀(C1, 스페어 셀, C3 내지 Cn)의 평균 전압, 또는 정상 셀(C1, 스페어 셀, C3 내지 Cn) 중 최대 전압이 위크 셀(C2)의 전압과 비교하여 유사범위에 속하는가를 판단하고, 그 결과를 전류패스 설정부(122)로 통보할 수 있다.

BMS(121)의 판단 결과, 위크 셀(C2)의 전압이 정상 셀(C1, 스페어 셀, C3 내지 Cn)과 유사범위를 이루는 가를 판단할 수 있다.

만일, 정상 셀(C1, 스페어 셀, C3 내지 Cn)의 평균 전압(또는 정상 셀 중 최대 전압)이 위크 셀(C2)의 출력 전압(2.8V)과 유사범위를 이루는 경우, 전류패스 설정부(122)는 위크 셀(C2)로 스페어 셀(140)을 대체할 수 있다.

이처럼, 위크 셀(C2)이 스페어 셀(140)을 대체하여 재 사용되도록 함으로써, 스페어 셀(140)의 전력 소모를 최소화하고, 이를 통해 실시예에 따른 배터리 시스템을 탑재하는 독립전원 장치(50)의 유지 보수에 소요되는 기간을 증가시킬 수 있다.

한편, 도 1 내지 도 7의 실시예는 하나의 스페어 셀을 이용하여 위크 셀을 대체하는 배터리 시스템을 설명하였다. 그러나, 스페어 셀의 개수는 하나일 필요가 없고, 둘 셋 또는 그 이상일 수 있음은 자명하다.

또한, 스페어 셀이 단일 셀의 형태를 가지지 않고, 복수의 셀 모듈의 형태로 구성될 수도 있다. 이는 도 8과 도 9를 참조하여 설명하도록 한다.

도 8은 스페어 셀을 모듈로 구성한 일 예를 도시한다.

도 8을 참조하면, 배터리 팩은 모듈 단위의 셀을 병렬 연결 후, 각 모듈을 직렬 연결하여 전류 용량과 전압을 증가시키는 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 스페어 셀 모듈(240)은 복수의 셀이 병렬 연결되는 형태를 취할 수 있으며, 전류 용량이 단일 셀 대비 증대될 수 있다. 스페어 셀 모듈(240)은 어레이를 구성하는 셀 모듈(C1 내지 Cn) 중 위크 셀 모듈을 대체하여 연결되며, 이후, 정상 셀 모듈(C1, C2, C3, C5 내지 Cn)의 출력전압이 낮아져서 위크 셀 모듈(C4)가 유사범위에 속하는 경우, 위크 셀 모듈(C4)이 재차 스페어 셀 모듈(240)을 대체할 수 있다. 이러한 대체 구성은 전술한 도 1 내지 도 7을 통해 설명된 루트 설정부(120)에 의해 결정되며, 루트 설정부(120)는 단일 셀과 마찬가지로, 셀 모듈에 대해서도 동일하게 스페어 셀 모듈(240) - 위크 셀(240)의 교체를 진행할 수 있음은 물론이다. 이하, 중복되는 설명은 생략하도록 하며, 위크 셀 모듈(C4)과 스페어 셀 모듈(240)에 대해 전류패스를 설정하는 방법은 도 1 내지 도 7을 통해 설명된 바를 준용하도록 한다.

C1 내지 Cn : 셀 S1 내지 Sn : 스위치
122 : 전류패스 설정부 140 : 스페어 셀

Claims (7)

1. 어레이 연결되는 복수의 셀;
   스페어 셀; 및
   상기 어레이 연결되는 복수의 셀 중 위크 셀이 발생 시, 상기 위크 셀을 상기 어레이에서 분리하고, 상기 스페어 셀로 상기 위크 셀로 대체하며,
   상기 스페어 셀을 포함하여 구성되는 상기 어레이의 셀 평균 전압이 상기 위크 셀의 전압과 동일 또는 유사범위에 대응하는 경우, 상기 위크 셀과 상기 스페어 셀을 재 교체하여 상기 위크 셀의 전력을 이용하고, 상기 스페어 셀의 전력소모를 최소화하는 루트 설정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유사범위는,
   상기 어레이 연결되는 셀의 평균 전압, 상기 어레이 연결된 셀 중 최대전압 셀의 전압 또는 상기 어레이 연결되는 셀의 최저 전압 중 하나가,
   상기 위크 셀의 전압 대비 95% 내지 105% 범위인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 루트 설정부는,
   상기 어레이 연결되는 각 셀에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 BMS(Battery Management System); 및
   상기 어레이 연결되는 각 셀의 노드와 연결되며, 상기 각 셀의 노드를 상기 어레이에 연결 또는 연결 해제하는 전류패스 설정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
4. 어레이 연결되는 복수의 셀 모듈;
   스페어 셀 모듈; 및
   상기 어레이 연결되는 셀 모듈 중 위크 모듈(Weak module)이 발생 시, 상기 위크 모듈을 상기 어레이에서 분리하고, 상기 스페어 모듈로 상기 위크 모듈을 대체하며,
   상기 스페어 모듈을 포함하여 구성되는 상기 어레이의 셀 또는 셀 모듈의 평균 전압이 상기 위크 모듈의 전압과 동일 또는 유사범위에 대응하는 경우, 상기 위크 모듈과 상기 스페어 모듈을 재 교체하여 상기 위크 모듈의 전력을 이용하고 상기 스페이 모듈의 전력소모를 최소화하는 루트 설정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 루트 설정부는,
   상기 어레이 연결되는 각 셀 또는 셀 모듈에 대한 셀 밸런싱을 수행하는 BMS(Battery Management System); 및
   상기 어레이 연결되는 각 셀 모듈의 노드와 연결되며, 상기 각 셀 모듈의 노드를 상기 어레이에 연결 또는 연결 해제하는 전류패스 설정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
6. 제4항에 있어서,
   상기 유사범위는,
   상기 어레이 연결되는 셀 모듈의 평균 전압, 상기 어레이 연결된 셀 모듈 중 최대전압 또는 최저 전압 중 하나가,
   상기 위크 셀의 전압 대비 95% 내지 105% 범위인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
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