KR101674855B1 - 저온 환경에서의 리튬 배터리 보호 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 배터리의 상태를 관리하는 BMS의 전원을 컨트롤러에서 공급하여 배터리의 충전이 불가능한 동절기 저온 환경에서 리튬 배터리가 완전 방전되는 것을 방지할 수 있도록 하는 동절기 저온 환경에서의 리튬 배터리 보호 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 저온 환경에서의 리튬 배터리 보호 시스템은 저온 환경에서 리튬 배터리의 충방전을 제어하여 보호하는 시스템으로서, 외부로부터 공급되는 전원을 통하여 충전되며, 충전된 전원을 방전시켜 외부로 출력하는 리튬 계열의 배터리 모듈(300)과; 외부로부터 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 배터리 모듈(300)을 충전시키고, 배터리 모듈(300)의 방전 시 배터리 모듈(300)의 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 충전 및 방전 기능을 수행하는 양방향 인버터(200)와; 상기 배터리 모듈(300)의 전압과 전류 및 온도를 측정하여 관리하고, 배터리 모듈(300)의 충전 및 방전 동작을 제어하는 BMS(400)와; 상기 BMS(400)의 배터리 모듈 충전 및 방전 동작 제어 환경을 설정하며, 상기 BMS(400)의 제어 신호에 따라 인버터(200)의 동작을 제어하여 배터리 모듈(300)의 충전 및 방전 동작을 제어하며, 상기 BMS(400)에 동작 전원을 공급하여 BMS(400)가 배터리 모듈(300)의 전원을 소모시키지 않고 배터리 모듈(300)을 관리할 수 있도록 해주는 컨트롤러(100);를 포함하여 이루어져, 배터리의 과방전을 방지하여 고장율을 감소시킬 수 있도록 제공된다.
본 발명에 따른 저온 환경에서의 리튬 배터리 보호 시스템은 저온 환경에서 리튬 배터리의 충방전을 제어하여 보호하는 시스템으로서, 외부로부터 공급되는 전원을 통하여 충전되며, 충전된 전원을 방전시켜 외부로 출력하는 리튬 계열의 배터리 모듈(300)과; 외부로부터 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 배터리 모듈(300)을 충전시키고, 배터리 모듈(300)의 방전 시 배터리 모듈(300)의 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 충전 및 방전 기능을 수행하는 양방향 인버터(200)와; 상기 배터리 모듈(300)의 전압과 전류 및 온도를 측정하여 관리하고, 배터리 모듈(300)의 충전 및 방전 동작을 제어하는 BMS(400)와; 상기 BMS(400)의 배터리 모듈 충전 및 방전 동작 제어 환경을 설정하며, 상기 BMS(400)의 제어 신호에 따라 인버터(200)의 동작을 제어하여 배터리 모듈(300)의 충전 및 방전 동작을 제어하며, 상기 BMS(400)에 동작 전원을 공급하여 BMS(400)가 배터리 모듈(300)의 전원을 소모시키지 않고 배터리 모듈(300)을 관리할 수 있도록 해주는 컨트롤러(100);를 포함하여 이루어져, 배터리의 과방전을 방지하여 고장율을 감소시킬 수 있도록 제공된다.
Description
본 발명은 리튬 배터리 보호 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬 배터리의 상태를 관리하는 BMS의 전원을 컨트롤러에서 공급하여 배터리의 충전이 불가능한 동절기 저온 환경에서 리튬 배터리가 완전 방전되는 것을 방지할 수 있도록 하는 동절기 저온 환경에서의 리튬 배터리 보호 시스템에 관한 것이다.
주 전원이 상실되었을 때 설비 또는 부하가 지속적으로 동작할 수 있도록 전원을 공급하는 장치로 무정전 전원공급장치(UPS ; Uninterruptible Power Supply)가 있다. 또한, 전력을 저장하였다가 전력 소모가 많은 피크 시간대에 저장된 전력을 공급하여 사용할 수 있도록 하는 장치로서 에너지 저장 장치(ESS; Energy Storage System)가 있는데, 이러한 무정전 전원공급장치 및 에너지 저장 장치는 비상 또는 유휴 전력을 이용하여 전력을 안정적으로 공급할 수 있도록 한다는 점에서 최근에 부각되고 있는 장치 중 하나이다.
이러한 무정전 전원공급장치나 에너지 저장 장치는 일반적으로 인버터나 절체스위치 등의 전력변환모듈과, 변압기 및 필터, 컨트롤러, 축전지부 등으로 구성된다. 종래에는 전력을 저장하는 축전지로 납축전지가 주로 이용되었으나, 근래에는 수명, 무게 크기 등에서 큰 장점이 있는 리튬이온이나 리튬 폴리머 등의 리튬 계열 배터리가 주로 이용된다.
리튬 계열의 배터리는 통상 5℃~40℃의 조건에서 충전이 이루어지는데, 영하에서의 충전은 전지 내 리튬 이온의 화학 반응성이 현저히 떨어지기 때문에 배터리의 노화를 가져오게 된다. 따라서, 동절기나 추운 지역에서는 영하권에서 배터리 충전이 가능하도록 배터리 온도를 충전 가능한 온도로 유지하기 위한 히터 장치를 시스템에 추가하게 되는데, 이러한 히팅 장치의 추가는 시스템의 구성을 복잡하게 하고 제작 비용이 많이 소요되며 시스템의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 리튬 계열의 배터리는 복수의 셀을 직렬로 연결하여 전압을 높여서 사용하게 되는데, 이때 셀 간 전압, 전류, 온도 등을 관리하기 위하여 BMS(Battery Management System)가 사용된다.
도 1은 이러한 종래 BMS가 적용된 배터리 시스템의 구성도로서, 외부로부터 입력되는 교류전원(AC INPUT)은 컨트롤러(Controller)(10)의 제어에 따라 인버터(Inverter)(20)를 통하여 배터리(30)를 충전시키게 된다. 또한, 배터리(30)의 전원 공급이 필요한 경우, 배터리(30)에 충전된 DC 전원은 컨트롤러(10)의 제어에 따라 인버터(20)를 통하여 교류로 변환되어 부하에 교류 전원을 공급(AC OUTPUT)하게 된다. 한편, BMS(40)는 컨트롤러(10)의 IGNITION 신호에 따라 구동되어, 배터리(30)의 충전 가능한 온도 범위를 설정한 후 온도 범위를 벗어났을 경우 CHARGE DISCHARGE B/D(25)에 충전 정지 신호를 전송하여 배터리 충전이 정지되도록 제어하게 된다. 또한, BMS(40)는 충전 및 방전시에 복수의 셀로 구성된 리튬 배터리의 셀 간 전압 편차가 최소화되도록 제어하게 되는데, 이렇게 배터리(30)의 셀 간 전압, 전류, 온도의 관리 및 충전, 방전을 관리하는 BMS(40)는 배터리(30)로부터 전원을 공급받아 동작하게 된다.
하지만, 동절기 저온 환경에서 장시간 BMS(40)의 충전 정지 명령으로 배터리가 충전이 되지 않는 경우에도 CHARGE DISCHARGE B/D(25)의 충전/방전 릴레이의 구동 전력이 계속 소모되게 된다. 이러한 충전/방전 릴레이의 소모전력과 BMS(40)의 소모전력에 의해 배터리(30)는 계속 방전하게 되고, 저온 상태가 장기간 지속되게 되면 결국 배터리(30)가 과방전되는 현상이 발생하며, 배터리 전압이 동작 정지전압 이하로 방전되면 충전 가능한 조건이 되어도 재기동이 불가능해 배터리를 교체하거나 재생을 시켜야하는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 동절기 저온 환경이 지속되는 경우에도 리튬 배터리가 완전 방전되는 것을 방지할 수 있도록 하는 저온 환경에서의 리튬 배터리 보호 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명은 동절기 저온 환경에서도 배터리의 SOC(State of charge)를 유지하여 배터리의 라이프사이클을 유지하여 수명을 연장시킬 수 있도록 하는 저온 환경에서의 리튬 배터리 보호 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬 배터리 보호 시스템은 저온 환경에서 리튬 배터리의 충방전을 제어하여 보호하는 시스템으로서, 외부로부터 공급되는 전원을 통하여 충전되며, 충전된 전원을 방전시켜 외부로 출력하는 리튬 계열의 배터리 모듈과; 외부로부터 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 배터리 모듈을 충전시키고, 배터리 모듈의 방전 시 배터리 모듈의 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 충전 및 방전 기능을 수행하는 양방향 인버터와; 상기 배터리 모듈의 전압과 전류 및 온도를 측정하여 관리하고, 배터리 모듈의 충전 및 방전 동작을 제어하는 BMS와; 상기 BMS의 배터리 모듈 충전 및 방전 동작 제어 환경을 설정하며, 상기 BMS의 제어 신호에 따라 인버터의 동작을 제어하여 배터리 모듈의 충전 및 방전 동작을 제어하며, 상기 BMS에 동작 전원을 공급하여 BMS가 배터리 모듈의 전원을 소모시키지 않고 배터리 모듈을 관리할 수 있도록 해주는 컨트롤러;를 포함하여 이루어진다.
상기 BMS는 배터리 모듈의 온도를 측정하여, 측정된 온도가 정상적인 충전가능 온도범위에 있는 경우 설정된 충전 및 방전 동작 제어 환경에 따라 배터리 모듈의 충전 및 방전을 제어하는 신호를 컨트롤러에 전송하고, 상기 배터리 모듈의 온도가 충전이 불가능한 저온 온도 이하로 떨어지는 경우 컨트롤러에 충전 정지 신호를 전송하여 배터리 모듈의 충전이 정지되도록 하고, 설정된 방전 동작 제어 환경에 따라 배터리 모듈의 방전을 제어하는 신호를 컨트롤러에 전송하게 된다.
또한, 상기 BMS는 배터리 모듈의 온도가 정상적인 충전가능 하한 온도와 충전이 불가능한 저온 온도 사이에 위치하는 경우, 설정된 충전 및 방전 동작 제어 환경에 따라 배터리 모듈의 충전 및 방전을 제어하되, 배터리 모듈의 충전은 펄스충전 방식으로 저율 충전을 수행하여 배터리의 손상을 방지하게 된다.
여기에서, 배터리 모듈의 정상적인 충전가능 온도범위는 5℃∼40℃로 설정되고, 충전이 불가능한 저온 온도는 -10℃로 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 컨트롤러는 배터리 모듈의 방전 시 배터리의 과방전을 보호하기 위해, 상기 배터리 모듈의 전압이 설정된 방전종지전압에 도달하면 인버터의 동작을 정지시켜, 더 이상 배터리 방전이 이루어지지 않도록 하게 된다.
한편, 상기 컨트롤러에는 컨트롤러 및 BMS의 동작 환경을 설정하고 표시하는 설정부 및 표시부와, 상기 BMS를 통하여 측정되는 배터리 모듈의 상태가 비정상인 경우 이를 외부로 경고하는 경보 제공부와, 상기 BMS의 배터리 모듈 제어 신호에 따라 인버터의 동작을 제어하는 인버터 동작제어부와, 외부로부터 전원을 공급받아 상기 컨트롤러 및 BMS에 동작 전원을 공급하는 전원부가 구비된다.
상기 전원부에는 외부로부터 전원이 입력되는 전원 입력모듈과, 상기 전원 입력모듈을 통하여 입력되는 전원을 컨트롤러 및 BMS에서 사용 가능한 전원으로 변환하는 동작전원 변환모듈과, 상기 동작전원 변환모듈을 통하여 변환된 전원을 BMS에 동작 전원으로 공급하는 BMS 전원 공급모듈이 구비된다.
여기에서, 상기 전원 입력모듈은 외부로부터 입력되는 AC INPUT 전원과, 부하로 전원을 공급하는 AC OUTPUT 전원과, 인버터의 정류 전원을 입력받아, 이 중 어느 하나의 전원을 동작전원 변환모듈에 공급하여 안정적인 전원 공급이 이루어질 수 있도록 한다.
또한, 상기 전원 입력모듈은 외부로부터 입력되는 전원이 정전에 따라 차단되는 경우, 상기 배터리 모듈의 전원 또는 AC OUTPUT 전원을 공급받아 무정전으로 BMS에 전원을 공급하게 된다.
본 발명에 따른 리튬 배터리 보호 시스템은 설정된 저온환경 이하에서는 리튬 배터리의 충전을 정지하고, 저온환경 이상에서는 펄스 충전방식으로 저율 충전하여 최소의 리튬이온 이동으로 장시간 충전함으로써, 고율 충전에 따른 배터리의 손상을 방지하여 고장율을 크게 감소시킬 수 있으며, 종래 저온 환경에서 필요하였던 히터 및 관련 장치들이 필요 없어 설치비용을 절감하고, 전력비 절감 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 저온 환경에서 종래 배터리에서 공급되는 BMS의 공급 전원을 컨트롤러에서 공급하도록 함으로써, 배터리의 과방전을 방지하여 수명 증대 및 사후관리 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 BMS가 적용된 배터리 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 리튬 배터리 보호 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 컨트롤러의 블록 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 BMS에서 배터리 모듈의 충전 동작을 제어하는 기준이 되는 온도 일례,
도 5는 본 발명에 따른 리튬 배터리 보호 시스템의 동작 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 리튬 배터리 보호 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 컨트롤러의 블록 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 BMS에서 배터리 모듈의 충전 동작을 제어하는 기준이 되는 온도 일례,
도 5는 본 발명에 따른 리튬 배터리 보호 시스템의 동작 과정을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 배터리 보호 시스템의 구성도를 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 리튬 배터리 보호 시스템은 전원을 충방전하는 리튬 계열의 배터리 모듈(300)과, 교류 전원과 직류 전원을 변환하는 인버터(200)와, 상기 인버터(200)의 동작을 제어하여 배터리 모듈(300)의 충전 및 방전 동작을 제어하는 컨트롤러(100)와, 상기 배터리 모듈(300)의 상태를 감시하고 관리하는 BMS(Battery Management System)(400)를 포함하여 이루어진다.
상기 배터리 모듈(300)에는 리튬이온 또는 리튬폴리머 등의 리튬 계열 배터리가 구비되는데, 이 리튬 계열 배터리는 통상 5℃∼40℃의 기온 환경에서 충전이 이루어지며, 5℃ 미만으로 떨어지게 되면 정상적인 충전이 불가능하게 된다. 상기 배터리 모듈(300)은 평소 정상 운전 모드(Normal Mode)에서는 충전 상태를 유지하고, 교류 전원에 이상이 발생하는 경우 인버터 운전 모드(Inverter Mode)로 동작하여 배터리 모듈 방전을 통하여 인버터(200)에 전원을 공급하게 된다. 즉, 상기 배터리 모듈(300)에는 정상 운전 모드의 경우 정전압(CV : Constant Voltage) 및 정전류(CC : constant Currents)가 인버터(200)를 통하여 입력되어 충전되며, 충전이 완료되면 충전을 정지하고 대기 상태를 유지하다가, 배터리 모듈 방전에 따라 배터리 모듈(300)의 전압이 방전 종지 전압까지 방전되면 다시 인버터(200)를 통하여 정전압 및 정전류를 공급받아 재 충전되게 된다.
상기 인버터(200)는 컨트롤러(100)의 제어에 따라 외부로부터 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 배터리 모듈(300)에 공급함으로써 배터리 모듈(300)을 충전하거나, 배터리 모듈(300)의 방전에 따라 유입되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 외부로 출력하는 양방향 인버터(200)이다. 상기 배터리 모듈(300)에서 방전되는 전원은 인버터(200)를 통하여 교류 전원으로 변환된 후 변압기를 거쳐 교류 전원을 필요로 하는 부하로 공급(AC OUTPUT)되게 된다. 또한, 상기 인버터(200)는 컨트롤러(100)에 구동 전원을 공급하는 역할도 수행하게 된다.
상기 컨트롤러(100)는 BMS(400)에 전원을 공급하고 BMS(400)의 배터리 모듈 충전 및 방전 제어 환경을 설정하며, BMS(400)의 제어 신호에 따라 인버터(200)의 동작을 제어하여 배터리 모듈(300)의 충전 및 방전 동작이 이루어지도록 제어하게 된다. 본 발명의 실시예에서 상기 컨트롤러(100)는 평상시 AC INPUT 전원과 AC OUTPUT 전원 및 인버터(200)로부터 전원을 공급받게 되고, 정전시에는 AC OUTPUT 전원 및 배터리 모듈(300)로부터 전원을 공급받게 되는데, 이는 정전이나 배터리 충전 불능 또는 방전 등 비상 상황에서도 안정적인 전원이 입력되어야 BMS(400)에 안정적으로 전원을 공급하여 인버터(200)를 정상적으로 제어할 수 있도록 하기 위한 것이다.
상기 BMS(400)는 컨트롤러(100)로부터 전원을 공급받아 구동되며, 배터리 모듈(300)의 전압과 전류 및 온도 등을 측정하여 관리하고, 배터리 모듈(300)의 셀 간 전압 및 전류 밸런스를 수행하는 장치이다. 이 BMS(400)는 측정되는 배터리 모듈(300)의 상태에 따라 배터리 모듈(300)의 충전 및 방전 동작을 제어하는 신호를 컨트롤러(100)에 전송함으로써, 배터리 모듈(300)의 충방전 동작을 제어하게 된다. 이와 같이, 본 발명에서 상기 BMS(400)는 종래 배터리 모듈(300)로부터 전원을 공급받는 대신, 컨트롤러(100)로부터 전원을 공급받아 동작하게 되므로, 종래 배터리 모듈(300)의 충전이 불가능한 경우 배터리 모듈(300)의 전원을 소모시켜 배터리가 완전히 방전되는 문제를 해결할 수 있도록 하고 있다. 이러한 BMS(400)는 컨트롤러(100)의 IGINITION 신호에 따라 구동된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 컨트롤러의 블록 구성도를 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 컨트롤러(100)에는 컨트롤러(100) 및 BMS(400)의 동작 환경을 설정하는 설정부(120)와, 컨트롤러(100) 및 BMS(400)의 동작 상태를 표시하는 표시부(130)와, BMS(400)를 통하여 측정되는 배터리 모듈(300) 상태가 비정상인 경우 이를 경고하는 경보 제공부(140)와, BMS(400)의 신호에 따라 인버터(200)의 동작을 제어하는 인버터 동작제어부(150)와, 컨트롤러(100) 및 BMS(400)에 전원을 공급하는 전원부(160)와, 컨트롤러(100)를 통하여 설정되고 측정되는 데이터가 저장되는 메모리부(190)와, 상기 각 구성부의 동작을 제어하는 중앙제어부(110)가 구비된다.
상기 설정부(120)는 컨트롤러(100)의 동작 환경 뿐만 아니라 BMS(400)의 동작 제어 환경도 설정하게 되는데, 이 설정부(120)를 통하여 설정되는 BMS(400)의 배터리 모듈 동작 제어 환경으로는 배터리 모듈(300)의 충전가능 온도범위, 충전이 불가능한 저온 온도와, 배터리 과보호를 위한 방전종지전압/SHUTDOWN 전압/BATTERY LOW VTG PROTECTION 전압 등이 설정된다. 상기 설정부(120)를 통하여 설정되는 제어 환경에 따라 BMS(400)는 배터리 모듈(300)의 상태를 감시하여 배터리 모듈(300)의 동작을 제어하게 된다. 상기 표시부(130)는 설정부(120)를 통하여 설정되는 컨트롤러(100) 및 BMS(400)의 동작 제어 환경 정보와, 컨트롤러(100) 및 BMS(400)의 동작 상태 정보, 배터리 모듈(300)의 상태 정보 등이 표시된다.
상기 경보 제공부(140)는 BMS(400)를 통하여 감시되는 배터리 모듈(300)의 상태에 오류가 발생하는 경우 이를 경고하는 장치로서, 경보 제공부(140)는 BMS(400)를 통하여 파악되는 배터리 모듈(300)의 온도가 정상 범위에 있지 않거나, 배터리 모듈 전압이 정상 범위에 있지 않은 경우 이를 부저나 램프 등을 통해 경고하게 된다.
상기 인버터 동작제어부(150)는 배터리 모듈(300)의 상태를 감시하는 BMS(400)로부터 배터리 모듈 제어 신호를 전송받아 인버터(200)의 동작을 제어함으로써 배터리 모듈(300)의 충방전 동작을 제어하게 된다. 본 발명의 실시예에서 상기 인버터 동작제어부(150)는 소프트웨어 및 하드웨어를 통하여 BMS(400)로부터 전송되는 제어 신호에 따라 인버터(200)의 동작을 제어하게 된다. 즉, 상기 인버터 동작제어부(150)는 BMS(400)로부터 배터리 고장 또는 BMS 고장 신호가 입력되면, 인버터 내부 또는 이와 연계된 DC RELAY S/W를 동작시켜 배터리 모듈(300)의 충전 또는 방전 운전을 정지하여 시스템을 보호하고, 경보 제공부(140)를 통하여 경고 신호를 발생시키게 된다. 또한, BMS(400)로부터 배터리 충전 가능 온도 이상의 신호가 입력되면 인버터(200)의 충전 동작(PFC PWM 충전 모드)을 정지하여 배터리 모듈(300)을 보호하고, 인버터(200) 내부에 포함된 평활회로부(DC LINK)에서 배터리 전압을 검출하여 상시 감시하고 이상시 충전 방전 운전을 정지하게 된다. 또한, 배터리 모듈(300)의 수명을 연장하기 위하여 배터리 모듈(300)의 만 충전시 충전 동작을 정지하고, 배터리 전압이 설정 전압(90∼95％)까지 방전되면, 펄스 충전 방식으로 다시 재충전을 반복 수행하게 된다.
상기 전원부(160)는 컨트롤러(100) 및 BMS(400)에 동작 전원을 공급하는 전원공급장치로서, 이 전원부(160)에는 외부로부터 전원이 입력되는 전원 입력모듈(161)과, 입력되는 전원을 컨트롤러(100) 및 BMS(400)에서 사용 가능한 전원으로 변환하는 동작전원 변환모듈(170)과, BMS(400)에 동작 전원을 공급하는 BMS 전원 공급모듈(180)이 구비된다.
본 발명의 실시예에서 상기 전원 입력모듈(161)은 평소 정상적인 운전 모드(Normal Mode) 상태에서는 배터리 모듈(300)의 전원을 소비하지 않고 안정적으로 전원을 공급받기 위해 AC INPUT 전원 입력(161a), AC OUTPUT 전원 입력(161b) 및 인버터 전원 입력(161c)을 공급받고, 정전 등의 비정상적인 상황에 따른 인버터 운전 모드(Inverter Mode) 상태에서는 AC OUTPUT 전원 입력(161b) 및 배터리 모듈 전원 입력(161d)을 공급받게 된다. 이렇게 공급받은 전원 중 상태가 양호한 전원이 동작전원 변환모듈(170)에 의해 컨트롤러(100) 및 BMS(400) 동작 전원으로 변환되며, 변환된 전원은 BMS 전원 공급모듈(180)을 통하여 BMS(400)에 전원을 공급하게 된다. 이와 같이, 상기 전원부(160)에서는 정상 운전 모드에서 AC INPUT 전원과 AC OUTPUT 전원 및 인버터(200)로부터 전원을 공급받기 때문에, 이중 어느 하나의 입력 전원 상태가 양호하지 않더라도 다른 입력 전원을 통하여 안정적으로 전원을 공급받을 수 있어, BMS(400)에 안정적으로 전원을 공급할 수 있게 된다. 또한, 정전 등에 의해 AC INPUT 전원이 공급되지 않는 경우에도, AC OUTPUT 전원 및 배터리 모듈(400)로부터 전원을 공급받을 수 있기 때문에 무정전 상태로 BMS(400)에 안정적인 전원을 공급할 수 있게 된다.
상기 메모리부(190)는 컨트롤러(100)를 통하여 획득되는 데이터가 저장되는 기억 장치로서, 이 메모리부(190)에는 설정부(120)를 통하여 설정되는 컨트롤러(100)의 동작 환경과, BMS(400)의 메모리 모듈 동작 제어 환경, 예를 들면 배터리 모듈(300)의 충전가능 온도범위, 충전 불가능한 저온 온도와, 배터리 과보호를 위한 방전종지전압/SUUTDOWN 전압/BATTERY LOW VTG PROTECTION 전압 등의 정보와, BMS(400)를 통하여 획득되는 배터리 모듈(300)의 상태 정보 및 인버터(200)의 구동 정보 등이 저장된다.
상기 BMS(400)는 컨트롤러(100)의 설정부(120)를 통하여 설정된 배터리 동작 제어 환경에 따라 배터리 모듈(300)의 충전 및 방전 동작을 제어하는 신호를 컨트롤러(100)에 전송하게 된다. 본 발명에 적용된 리튬 계열의 배터리는 저온 환경에서 정상적인 충전이 이루어질 수 없기 때문에, BMS(400)에서는 배터리 모듈(300)의 온도에 따라 배터리 모듈(300)의 충전 동작을 제어하게 되는데, 도 4는 BMS에서 배터리 모듈의 충전 동작을 제어하는 기준이 되는 온도 일례를 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 BMS(400)는 정상적인 고율충전 가능온도인 5℃∼40℃의 온도범위에서는 충전 조건에 따라 정상적인 배터리 고율충전이 이루어질 수 있도록 제어하고, 충전정지온도인 저온 온도 -10℃ 이하에서는 배터리 충전이 이루어지지 않도록 제어하며, 정상적인 고율충전 가능 하한 온도와 저온 사이인 5℃∼-10℃ 사이에서는 펄스충전 방식에 따른 저율충전(약 20시간 율:0.05C)으로 배터리 모듈(300)의 충전이 이루어질 수 있도록 제어하게 된다. 일반적으로 리튬 배터리는 저온시 전해질 내 이온의 이동도가 낮아져, 전류의 흐름이 나빠지고 동시에 배터리의 출력이 떨어지게 된다. 따라서 본 발명에서는 5℃∼-10℃ 사이의 저온 환경에서 최적의 효율과 수명에 적합한 0.05C의 장시간 저율 충전 방식으로 충전을 함으로써 고율 충전에 따른 배터리 손상을 방지하며 충전이 이루어질 수 있도록 제어하게 된다.
한편, 컨트롤러(100)는 배터리 모듈(300)의 방전 시 배터리의 과방전을 보호하기 위해, 배터리 전압이 방전종지전압(배터리 CELL 3.27V)에 도달하면 인버터(200)를 정지시키고, 이후 기기 SHUTDOWN 전압(배터리 CELL 3.19V)에 도달 시에는 배터리 스위치를 "OFF" 시켜 더 이상 배터리가 방전되지 않도록 관리한다. 그리고 BMS(400)에서는 배터리 전압이 배터리 과방전 보호 기능 중 "Battery low vtg. protection"의 설정값(배터리 CELL 3.15V)에 도달하게 되면, 컨트롤러(100)에 "Battery Fault"를 전송하고, 컨트롤러(100)는 배터리 스위치를 "OFF" 시켜 장치가 SHUTDOWN 되도록 하여, 배터리 모듈(300)이 2중으로 보호되도록 한다.
이러한 BMS(400)와 컨트롤러(100)의 동작 제어 환경인 충전가능 온도범위, 저온 온도와, 방전종지전압/SHUTDOWN 전압/BATTERY LOW VTG PROTECTION 전압 등은 컨트롤러(100)의 설정부(120)를 통하여 설정되는데, 이러한 설정값은 운전 환경이나 조건에 따라 적절히 변경될 수 있음은 당연하다.
이하, 상기의 구성으로 이루어진 리튬 배터리 보호 시스템을 통하여 리튬 배터리 모듈이 과방전이 보호되는 과정에 대하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 배터리 보호 시스템의 동작 과정을 나타낸 흐름도이다.
단계 S100 : 시스템이 턴온되면, 컨트롤러(100)는 전원부(160)를 통하여 입력되는 전원을 BMS 동작 전원으로 변환하여, BMS(400)에 IGNITION 신호로 전원을 공급하게 된다.
단계 S110, S120 : BMS(400)가 IGINITION 신호를 정상적으로 수신하게 되면(S110), BMS(400)는 배터리 모듈(300)의 동작 상태, 즉 배터리 모듈(300)의 동작 모드와 전압, 온도 등의 상태를 측정하여 감시하게 된다(S120).
단계 S130, S140, S150 : BMS(400)는 측정되는 배터리 모듈(300)의 상태 중 배터리 모듈(300)의 온도를 분석하여, 배터리 모듈(300)의 온도가 정상적인 고율충전가능 온도범위(5℃∼40℃)에 있는 경우(S130), 배터리 모듈(300)을 고율충전 대기 및 방전 대기 상태로 유지한 후(S140), 기 설정된 충전 및 방전 조건에 따라 배터리 모듈(300)의 고율충전 및 방전을 제어하는 신호를 컨트롤러(100)에 전송하여, 컨트롤러(100)가 인버터(200)의 동작을 제어하여 배터리 모듈(300)의 충전 및 방전을 제어할 수 있도록 한다(S150).
단계 S160, S170, S180 : 한편, BMS(400)는 배터리 모듈(300)의 온도가 충전이 불가능한 저온 온도(-10℃) 이하에 있는 경우(S130), 충전에 따른 배터리 모듈(300)의 파손을 방지하기 위하여 충전을 차단시키는 충전 정지 상태를 유지하고, 방전은 가능하도록 대기 상태를 유지하여(S170), 설정된 방전 조건에 따라 배터리의 방전을 제어하는 신호를 컨트롤러(100)에 전송하여 배터리 모듈(300)의 충전은 차단된 상태로 방전 동작만 이루어지도록 제어하게 한다(S180).
단계 S161, S162 : 한편, 배터리 모듈(300)의 온도가 정상적인 충전가능 하한 온도(5℃)와 저온 온도(-10℃) 사이에 위치하게 되면, BMS(400)는 방전은 대기 상태를 유지하고 충전은 일반적인 충전이 아닌 저율충전이 이루질 수 있도록 대기 상태를 유지하다가(S161), 설정된 충전 및 방전 조건에 따라 배터리 모듈(300)의 저율충전 및 방전을 제어하는 신호를 컨트롤러(100)에 전송하여, 배터리 모듈(300)의 충전 및 방전이 이루어질 수 있도록 한다(S162).
이와 같이, 본 발명에서는 배터리 모듈(300)의 온도가 충전 불가능한 저온으로 떨어지면 BMS(400)에서 배터리 모듈(300)의 충전을 정지시켜 배터리 모듈(300)을 보호할 수 있도록 하며, 이 과정에서 BMS(400)는 배터리 모듈(300)이 아닌 컨트롤러(100)부터 전원을 공급받아 구동함으로써 저온시 배터리 모듈(300)의 전원이 소모되지 않아 배터리 모듈(300)의 완전 방전을 방지할 수 있게 된다. 또한, 배터리 모듈(300)의 온도가 배터리 충전 하한 온도와 저온 온도 사이에 위치하는 경우 펄스 충전 방식으로 매우 미세한 전류로 저율 충전하여 배터리 모듈(300)의 손상을 방지하면서 배터리 모듈(300)의 충전이 이루어질 수 있도록 한다.
이러한 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100 : 컨트롤러(Controller) 110 : 중앙제어부
120 : 설정부 130 : 표시부
140 : 경보 제공부 150 : 인버터 동작제어부
160 : 전원부 161 : 전원 입력모듈
161a : AC INPUT 전원 입력 161b : AC OUTPUT 전원 입력
161c : 인버터 전원 입력 161d : 배터리 모듈 전원 입력
170 : 동작전원 변환모듈 180 : BMS 전원 공급모듈
190 : 메모리부 200 : 인버터(Inverter)
300 : 배터리 모듈 400 : BMS(Battery Management System)
120 : 설정부 130 : 표시부
140 : 경보 제공부 150 : 인버터 동작제어부
160 : 전원부 161 : 전원 입력모듈
161a : AC INPUT 전원 입력 161b : AC OUTPUT 전원 입력
161c : 인버터 전원 입력 161d : 배터리 모듈 전원 입력
170 : 동작전원 변환모듈 180 : BMS 전원 공급모듈
190 : 메모리부 200 : 인버터(Inverter)
300 : 배터리 모듈 400 : BMS(Battery Management System)
Claims (9)
- 외부로부터 공급되는 전원을 통하여 충전되며, 충전된 전원을 방전시켜 외부로 출력하는 리튬 계열의 배터리 모듈(300)과; 외부로부터 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 배터리 모듈(300)을 충전시키고, 배터리 모듈(300)의 방전 시 배터리 모듈(300)의 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 충전 및 방전 기능을 수행하는 양방향 인버터(200)와; 상기 배터리 모듈(300)의 전압과 전류 및 온도를 측정하여 관리하고, 배터리 모듈(300)의 충전 및 방전 동작을 제어하는 BMS(400)와; 상기 BMS(400)의 배터리 모듈 충전 및 방전 동작 제어 환경을 설정하며, 상기 BMS(400)의 제어 신호에 따라 인버터(200)의 동작을 제어하여 배터리 모듈(300)의 충전 및 방전 동작을 제어하는 컨트롤러(100);를 포함하는 리튬 배터리 보호 시스템으로서,
상기 컨트롤러(100)에는 상기 컨트롤러(100) 및 BMS(400)의 동작 환경을 설정하고 표시하는 설정부(120) 및 표시부(130)와, 상기 BMS(400)를 통하여 측정되는 배터리 모듈(300)의 상태가 비정상인 경우 이를 외부로 경고하는 경보 제공부(140)와, 상기 BMS(400)의 배터리 모듈 제어 신호에 따라 인버터(200)의 동작을 제어하는 인버터 동작제어부(150)와, 외부로부터 전원을 공급받아 상기 컨트롤러(100) 및 BMS(400)에 동작 전원을 공급하는 전원부(160)가 구비되되,
상기 전원부(160)에는 외부로부터 공급되는 AC INPUT 전원과 부하로 전원을 공급하는 AC OUTPUT 전원 및 인버터(200)의 정류 전원을 입력받는 전원 입력모듈(161)과, 상기 전원 입력모듈(161)을 통하여 입력되는 전원 중 어느 하나의 전원을 컨트롤러(100) 및 BMS(400)에서 사용 가능한 전원으로 변환하는 동작전원 변환모듈(170)과, 상기 동작전원 변환모듈(170)을 통하여 변환된 전원을 BMS(400)에 동작 전원으로 공급하여 BMS(400)에서 배터리 모듈(300)의 전원을 소모시키지 않고 동작될 수 있도록 해주는 BMS 전원 공급모듈(180)이 구비되는 것을 특징으로 하는 리튬 배터리 보호 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 BMS(400)는 배터리 모듈(300)의 온도를 측정하여, 측정된 온도가 정상적인 충전가능 온도범위에 있는 경우 설정된 충전 및 방전 동작 제어 환경에 따라 배터리 모듈(300)의 충전 및 방전을 제어하는 신호를 컨트롤러(100)에 전송하고,
상기 배터리 모듈(300)의 온도가 충전이 불가능한 저온 온도 이하로 떨어지는 경우 컨트롤러(100)에 충전 정지 신호를 전송하여 배터리 모듈(300)의 충전이 정지되도록 하고, 설정된 방전 동작 제어 환경에 따라 배터리 모듈(300)의 방전을 제어하는 신호를 컨트롤러(100)에 전송하며,
상기 배터리 모듈(300)의 온도가 정상적인 충전가능 하한 온도와 충전이 불가능한 저온 온도 사이에 위치하는 경우, 설정된 충전 및 방전 동작 제어 환경에 따라 배터리 모듈(300)의 충전 및 방전을 제어하되, 배터리 모듈(300)의 충전은 펄스충전 방식으로 저율 충전을 수행하여 배터리의 손상을 방지하는 것을 특징으로 하는 리튬 배터리 보호 시스템.
- 삭제
- 제 2항에 있어서,
상기 배터리 모듈(300)의 정상적인 충전가능 온도범위는 5℃∼40℃로 설정되고, 상기 충전이 불가능한 저온 온도는 -10℃로 설정되는 것을 특징으로 하는 리튬 배터리 보호 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 컨트롤러(100)는 배터리 모듈(300)의 방전 시 배터리의 과방전을 보호하기 위해, 상기 배터리 모듈(300)의 전압이 설정된 방전종지전압에 도달하면 인버터(200)의 동작을 정지시켜, 더 이상 배터리 방전이 이루어지지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 리튬 배터리 보호 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 전원 입력모듈(161)은 외부로부터 입력되는 전원이 정전에 따라 차단되는 경우, 상기 배터리 모듈(300)의 전원 또는 AC OUTPUT 전원을 공급받아 무정전으로 BMS(400)에 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 리튬 배터리 보호 시스템.
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