KR101962957B1 - 배터리의 수명 연장 및 보호기능이 포함된 배터리 보호시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소발열소자를 이용한 배터리의 온도보상기능과 탄소슈퍼캐패시터를 이용한 배터리 방전방지기능이 포함된 배터리 보호시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 수명연장 및 보호기능이 포함된 배터리 보호 시스템은, 충전과 방전기능을 수행할 수 있는 2차 전지인 납축전지;와, 상기 납축전지의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서인 열전대(thermocouple);와, 상기 열전대로부터 납축전지의 온도에 대한 판단이 가능하고, 상기 납축 전지는 탄소 발열장치인 탄소섬유에 의해서 둘러싸여 있어서 온도 유지가 가능하고, 상기 탄소발열장치인 탄소섬유는 상기 납축전지와 릴레이(relay, 계전기)를 통해서 전기적으로 접속하고 있어서, 상기 납축전지로부터 전원의 공급과 차단이 자유로우며, 상기 릴레이는 상기 납축전지의 일측에 연결되어 있는 온도 센서인 열전대로의 온도 측정 결과에 따라서 -10℃에서는 상기 탄소 발열장치인 탄소섬유에 전력을 공급하여 상기 탄소섬유에서 방출되는 복사열을 이용하여 상기 납축 전지의 온도를 상승시키고, 0℃에서는 상기 탄소 발열장치인 탄소섬유에 공급되는 전력을 차단하는 PID(Proportional Integral Derivative) 방식으로 컨트롤러에 장착되어 있는 CPU(Central Panel Unit)을 제어하여, 상기 납축전지의 온도 보상 기능을 실현하며, 상기 납축전지의 일측에는 순간적으로 과전류에 의한 전력소모가 예상되는 LAMP, 전광판, 경광등(Warning light), 싸이렌(Siren) 또는 스피커 앰프(speaker amp)를 사용하는 경우에는, 제1전지로서 슈퍼 캐패시터를 사용하여 제2전지인 납축전지에서의 20% 이상의 방전심도(Depth of Discharge; DOD)를 방지할 수 있는 것일 수 있다.

Description

배터리의 수명 연장 및 보호기능이 포함된 배터리 보호시스템{BATTERY PROTECTING SYSTEM CONTAINING EXTENSION OF BATTERY LIFE AND PROTECTION OF BATTERY }
본 발명은 탄소발열소자를 이용한 배터리의 온도보상기능과 탄소슈퍼캐패시터를 이용한 배터리 방전방지기능이 포함된 배터리 보호시스템에 관한 것이다.
에너지 저장장치는 분산전원, 스마트그리드 환경 등과 같이 차세대 전력공급망에서 핵심적인 구성으로 중요성이 높아지고 있으며, 최근 태양광, 태양열, 풍력, 바이오 등과 같은 신재생 에너지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 신재생 에너지를 저장하는 장치로 부각되고 있으며, 에너지 저장장치는 2차 전지로써, 여러 번 충전 및 방전이 가능하지만, 그 수명이 정해져 있기 때문에 사용환경 및 목적에 맞는 효율적인 충전 및 방전의 스케줄링이 필요하다.
에너지 저장장치는 데이터 센터분야와 전기차 분야에서 주로 이용되고 있다. 데이터 센터는 항온 항습을 유지하기 위하여 엄청난 양의 전력을 필요로 하고, 비상정전시를 위한 대비책도 마련되어 있어야 한다. 따라서 에너지 저장장치를 통해 전자 장비들의 냉각에 소비되는 엄청난 양의 전력을 보조적으로 공급하면서 비상 정전시에는 독립적으로 전력을 공급할 수 있는 전력 관리시스템이 사용되고 있다.
이 경우 에너지 저장장치가 충분한 에너지를 저장하고 있기만 하면, 에너지 저장장치를 사용하는 목적 달성이 가능하다. 그리고 전기차 분야에서는 자동차라는 이동수단의 특성으로 인해 급속 충전이 필수적이고, 전기차 내부에 안정적으로 전력을 공급이 요구되어 이를 위하여 에너지 저장장치가 사용되고 있다.
이와 관련하여 에너지 저장장치는 단시간에 효율적으로 충전할 수 있는 충전방법 및 충전기 하드웨어에 관한 발명과 에너지 저장장치에 잔존하는 에너지의 양(state of charge)을 신뢰성있게 측정하는 발명이 주로 이루어지고 있다.
최근 들어 화석 연료의 고갈과 대기오염의 심화로 인해 친환경에너지에 대한 요구가 급증하고 있다. 이에 따라 이차 전지로부터 공급되는 전기 에너지를 사용하여 운행이 가능한 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 전기 구동자동차의 상용화가 선진국을 중심으로 활발하게 진행되고 있다.
전기 구동자동차가 운행될 때, 이차전지의 방전심도(DOD: Depth of Discharge)는 전기구동 자동차의 주행가능 거리를 가늠하게 하고, 이차전지의 방전심도(Depth of Discharge)는 전기구동자동차의 주행가능 거리를 가늠하게 하고, 이차전지의 충전 또는 방전의 개시와 종료를 제어하는 데, 필요한 파라미터이다.
도 1은 납축전지 배터리의 방전심도와 충전회수의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 납축전지의 경우, 납축전지인 2차 전지의 수명은 상기 납축전지의 충방전회수에 의해서 결정된다. 충방전 회수는 배터리의 물성 중 방전심도(Depth of Discharge; DOD)에 의해서 결정될 수 있다.
방전심도는 배터리가 가지고있는 용량의 몇%를 방전했는가를 나타내는 수치이다.
따라서 2차 전지라고 알려져 있는 납축전지의 경우에도, 배터리의 수명은 방전심도(용량의 몇%를 방전했는가)에 달려 있다.
도 1을 참조하면, 딥사이클 배터리(deep cycle battery)는 20%만 방전한다면, 4000회 이상(즉 10년 이상, 1년은 365회)를 사용할 수 있어야 한다. 여기서 참고적으로 딥 사이클 배터리라는 것은 대부분의 용량을 사용하여 정기적으로 심하게 방전되도록 설계된 납축 전지(lead-acid battery)를 의미한다.
이와 반대로 스타터 배터리(예; 대부분의 자동차 배터리)는 엔진을 크랭킹 하기 위해서 짧고 고전류의 버스트를 제공하도록 설계되어 있어 용량의 일부만을 자주 방전하는 특성을 갖습니다. 즉 딥사이클배터리를 시동배터리로 사용할 수 있지만, 크랭크 전류가 낮으면 특대형 배터리가 필요할 수 있음을 의미한다.
딥사이클 배터리는 제조업체 및 배터리 구성에 따라 용량의 45%~75% 사이를 방전하도록 설계되어 있다. 이러한 배터리는 20% 충전까지 사이클링할 수 있지만, 비용 대비 최대 수명은 평균사이클을 약 45% 방전을 유지하는 것이다.
즉 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리의 방전깊이(DOD)와 충방전사이클 수 사이에는 역의 상관관계가 존재한다고 할 수 있다.
그러나 현재 설치되어 있는 배터리의 경우에는 수명이 5년이 안되는 시스템이 많다. 이 이유는 배터리의 수명을 보호할 수 있는 방안을 채택하지 않기 때문이며, 본 발명에서는 이러한 보호 기능을 구비하기 위한 필요성을 절감하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
(0001)한국공개특허공보: 10-2013-0074046, 에너지 저장장치의 충방전 제어 방법 및 시스템
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 납축전지와 같은 딥사이클배터리라고 할 수 있는 2차 전지의 사용시에 온도 보상 기능을 적용하여 상기 납축전지의 온도 하강에 따른 용량 저하를 최소화하고, 이때 온도 보상을 위한 방법으로 일반적인 히터를 제공하지 않고, 발열시 전력 소모가 적고, 열효율적인 차원에서 운영될 수 있는 온도 보상 시스템이 적용된 배터리 보호시스템을 제공하는데 있다.
또한, 종래의 캐패시터(capacitor)에 사용되고 있는 고유물질인 유전체는 없고 또한 전지와 같이 충방전에 화학반응을 이용하지 않는 표면적이 큰 활성탄을 이용하고, 유전체의 거리를 짧게 하여 소형으로 F단위의 매우 큰 정전용량을 얻을 수 있는 슈퍼 캐패시터(supercapacitor)를 LAMP, 전광판, 경광등, 싸이렌, 스피커 앰프와 같이 순간적인 과전류에 의한 과전력 소모가 발생하는 전기장치에 대하여 과전류에 의한 순간 20% 이상의 순간 DOD를 방지할 수 있는 제1전원으로서 슈퍼 캐패시터를 채용하여 2차 전지이고 충방전 특성에 고전류에 의한 영향을 많이 받는 납축전지를 보호할 수 있는 배터리 보호 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 수명 연장 및 보호기능이 포함된 배터리 보호 시스템은, 충전기능과 방전기능을 수행할 수 있는 2차 전지인 납축전지와, 상기 충전기능과 방전기능은 서로 반대되는 기능이라고 할 수 있는데 이의 회수를 극대화하기 위해서는 2차 전지인 납축 전지에 대한 보호가 필요하다고 할 수 있다.
이를 위해서 본 발명에서는, 두 가지 방법을 사용하는 데, 첫번째는 납축 전지의 방전심도(Depth of Discharge)가 온도에 따라 달라진다는 특성에 주목하여 온도 보상 기능(Compensation of Temperature)을 수행할 수 있는 탄소 섬유를 포함하는 탄소발열장치를 상기 납축전지의 외주면에 말아 보온성능을 높임과 동시에 탄소발열장치에서 발생하는 열을 직접적으로 납축전지에 전달하는 방법을 사용하여 납축전지가 -10℃ 미만의 온도를 가지게 됨으로써 저하되는 방전 심도(DOD)의 저하를 방지할 수 있는 배터리 보호 시스템을 제공한다.
특히 상기 탄소발열장치인 탄소섬유를 포함하는 면상 발열체와 납축전지의 온도를 측정하여 이를 제어하는 온도 조절방식을 PIV(Proportional Integral Derivative) 제어를 적용하여 -10℃가 되면, 탄소 발열장치를 가열하여 곧바로 납축전지의 온도를 향상시킬 수 있으며, 0℃가 되면, 상기 탄소발열장치를 가열하는 공정을 중단하여 필요없는 가열을 통한 에너지 낭비의 최소화를 달성할 수 있다.
이때 -10℃에서 탄소 발열장치를 ON시키는 공정과 0℃에서 탄소발열장치를 OFF시키는 온도 범위는 임의적인 것으로서, 예를 들면, 35℃에서 ON하고 45℃에서 OFF할 수 있도록 변형할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전지인 슈퍼 캐패시터에 대한 사용은 상기 제1 전지를 통해서 흐르는 전류에 대한 측정을 통해서, 정상전류라고 판단되는 경우 제2 전지인 납축전지를 구동하는 것일 수 있다.
여기서 정상 전류라고 하는 것은 순간적인 과전류에 의하여 본 발명에서 주된 전지라고 할 수 있는 납축전지의 방전심도가 20% 이상이 되지 않는 전류를 지칭하는 것일 수 있다. 이와 같이 납축전지를 통해서 흐르는 전류가 방전심도 20%를 초과하는 경우에는 배터리에 대한 충방전회수가 줄어들면서 배터리의 수명이 감소되는 현상이 발생할 수 있는 정도의 전류로서, 실험적인 측정을 통해서 결정하여 제1 전지와 제2 전지의 구동선택에 대한 제어를 할 수 있도록 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 배터리 수명 연장 및 보호 기능이 포함된 배터리 보호 시스템은 납축전지의 방전심도와 빙점 특성을 고려하여 상기 납축전지가 빙점에 도달하여 배터리의 사용이 정지되는 것을 방지할 수 있는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 수명 연장 및 보호 기능을 포함하는 배터리 보호 시스템의 운영방법에 있어서, LAMP, 전광판, 경광등(Warning light), 싸이렌(Siren) 또는 스피커 앰프(speaker amp)를 사용하는 경우에는,
(1) 제1 전지인 슈퍼캐패시터를 사용해서 과전류흐름으로부터 제2 전지인 납축전지를 보호하는 단계(s10);와, (2) 정상 전류가 흐르는 경우, 제2 납축전지를 사용해서 구동하는 단계(s20);와, (3) 상기 납축전지를 사용하는 동안, 납축전지의 주변온도하강으로 인한 납축전지의 방전심도(Depth of Discharge)가 저하되는 현상을 막기 위하여 상기 납축전지의 외주면으로 탄소섬유를 포함하는 탄소발열장치를 감싸고 상기 납축전지와 탄소 발열장치를 릴레이를 통해서 전기적으로 접속시켜 상기 납축전지의 온도를 체크하는 단계(s30);와, (4) 상기 납축전지의 온도가 -10℃이하인 경우 상기 탄소발열장치를 구동시키는 단계(s40); 및 (5) 상기 납축전지의 온도가 0℃ 이상에서는 상기 탄소 섬유를 포함하는 탄소발열장치의 구동을 정지시키는 단계(s50);를 포함하되, 상기 납축전지의 충방전회수와 직접 관련성이 있다고 볼 수 있는, 방전심도를 실시간으로 체크하여 상기 납축전지의 빙점이 높아지는 현상에 대응하여 상기 제2 전지인 납축전지의 구동을 정지시켜 가동시키는 것일 수 있다.
즉 본원 발명의 일 실시예인 배터리의 수명 연장 및 보호 기능을 포함하는 배터리 보호시스템의 운영에 있어서는 배터리로 사용되는 납축전지의 충방전 특성상 사용할 수 있는 내구 연한이라고 볼 수 있는 방전심도에 대한 산정을 통하여 납축전지인 배터리의 빙점을 미리 판단하여 이에 맞추어 배터리의 구동 상태를 제어할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 과전류 보호 수단으로 슈퍼 캐패시터(탄소 슈퍼 캐패시터)를 보유하고 있는 경우에는 각종 큰 과부하가 시작 전원으로 주어지는 경우에도 이에 대한 제1 전지인 슈퍼캐패시터에서 처리할 수 있고 이에 대한 효과로 제2 전지인 충방전 전지를 보호할 수 있어서, 전지 운영상의 극대화를 달성할 수 있다.
또한, 상기 납축전지는 온도에 따라 방전심도가 변화하는 특성을 가지고 있는 바, 이와 같은 온도 특성에 대한 보완수단으로서, 탄소섬유를 포함하는 발열장치를 납축전지의 외주면에 두르는 방법을 사용하고 상기 탄소섬유를 포함하는 발열장치에 대한 구동수단으로 납축전지를 사용하면서도 니켈 선에 대한 가열방식인 주울히팅방식을 사용하는 것이 아니라, 원적외선을 방사하고 복사열을 제공하는 방식을 사용하여 에너지 절약 효과를 높일 수 있을 뿐만 아니라 납축전지에 직접 열전달을 하는 방식을 사용하므로 납축 전지 가열에 필요한 잠열등이 필요하지 않아서 전력 용량을 절약할 수 있고, 납축전지의 온도변화 특성에 대한 즉각적인 대응이 가능할 수 있다.
도 1은 납축전지 배터리의 방전심도와 충전회수의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지인 납축전지의 외관을 탄소섬유를 포함하고 있는 탄소발열장치가 둘러싸고 있는 것을 모식적으로 보여주는 사진이다.
도 3은 온도 변화에 따른 납축 전지의 용량 변화 곡선을 보여주는 그래프이다.
도 4는 황산 수용액을 전해질로 사용한 경우의 납축전지의 작동원리를 모식적으로 보여주는 그림이다.
도 5는 충방전 과정 진행에 따른 납축전지의 빙점 특성을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차전지인 납축전지와 발열장치인 탄소섬유, 제어장치인 CPU와 컨트롤러의 연결상태를 모식적으로 보여주는 블록도이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
일반적으로 전지라고 하는 것은 적당한 물질 간의 접촉 전위 차이를 이용하여 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것으로서, 그 종류는 매우 다양하다. 전지를 기술적으로 분류하면, 망간 전지, 알카리 전지, 수은 전지, 산화은 전지 등과 같이 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜 방전만이 행하여지는 일차전지, 납축전지, 금속 수소화물을 음극활물질로 하는 Ni-MH(니켈-메탈 하이드라이드) 전지, 밀페형 니켈-카드뮴 전지와 리튬 금속 전지, 리튬 이온전지(Lithium Ion Battery), 리튬-폴리머 전지(Lithium Polymer Battery)와 같은 리튬군 전지와 같이 방전과 충전을 반복할 수 있는 이차전지, 탄화 수소류의 연소열을 그대로 전기에너지로 변환시키는 연료 전지 그리고 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양 전지 등으로 분류할 수 있다.
최근 집적 반도체 디바이스를 사용한 VTR카메라, 일체형 VTR, 오디오, 랩탑형 퍼스널 컴퓨터, 휴대용 전화기와 같은 새로운 포터블 전자기기나 작은 사이즈이면서 방대한 데이터를 기록 보존할 수 있는 메모리 카드 등의 개발과 보급 뿐만 아니라, 포터블 기기의 소형화, 경량화 및 코드리스화의 가속화에 따라 전지는 새로운 에너지원 및 전력 저장장치로서 주목받고 있다. 상기한 용도로서 유용한 전지의 개발은 에너지 밀도를 향상시켜 고성능화하고, 고용량화하며 환경을 오염시키지 않도록 해야 한다.
이중 일차전지는 용량이 적고, 수명이 짧으며, 재활용되지 않으므로 환경오염을 일으킬 수 있는 문제점이 있다. 그러나, 이차전지는 재충전하여 사용할 수도 있고 수명이 길며, 전압도 일차전지보다 성능이 월등하고, 효율성이 크며, 폐기물의 발생도 적어 환경 보호 측면에서도 우수하다.
이러한 이차전지 중 본원 발명에서는 장수명을 가지고 있는 납-산 전지(lead-acid)에 대하여 대상으로 이의 특성을 제어하는 것을 목표로 하고 있기 때문에 이에 한정하여 기술하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 납축전지에 대한 온도 보상 특성을 보강하기 위하여 탄소섬유를 포함하는 탄소 발열장치(300)가 납축전지(110)의 외주면을 둘러싸고 있는 것을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 탄소 섬유를 포함하는 탄소 발열장치(300)는 외부의 전원으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 이와 같이 외부의 전원을 끌어와서 사용한다고 하더라도 실제로 탄소섬유를 포함하는 탄소 발열장치(300)에서 일정한 온도를 유지하기위해 필요한 전력은 텅스텐을 발열체로 사용한 경우에 비하여 1/4 이하로 줄어든다고 볼 수 있다.
즉 이것에 대하여 예를 들어 설명하자면, 텅스텐 발열체의 경우에는 가열방식이 본 발명의 복사 가열이 아닌 저항 가열 방식이고, 45V로 2~3A의 전력을 사용하는 정도가 되어야 본원 발명의 일 실시예에 따른 납축전지(110)의 온도를 일정하게 유지하는 기능을 수행할 수 있지만, 탄소섬유를 포함하는 탄소발열 장치(300)의 경우에는 12V의 전압에 1A이하의 전류를 흘려주는 조건 하에서 상기 탄소 섬유를 포함하는 납축전지의 온도를 45℃까지 유지할 수 있는 효과가 있다.
그럼 먼저 납축전지의 온도별로 방전심도 변화가 나타나는 경향에 대하여 먼저 살펴 보기로 한다
도 3은 온도 변화에 따른 납축 전지의 용량 변화 곡선을 보여주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 상온이라고 할 수 있는 25℃에서 100% 충전되어 있다고 볼 수 있다. 이러한 상태에서 납축전지(110)의 온도가 떨어지게 되면, 사용가능한 용량이 온도에 따라 심하게 변동되는 특성을 갖는다.
즉 0℃에서는, 축전지 정격 용량이 85%로 줄어들게 되고, 온도가 -20℃가 되면, 사용가능 용량이 약 40% 정도까지 감소되는 특성을 갖는다.
따라서 납축 전지(110)를 2차 전지로 사용하기 위해서는, -10℃이하의 온도에서 사용하는 경우가 없어야 상술한 온도 저하에 따른 방전심도(Depth of Discharge)의 저하를 막을 수 있다.
이와 같은 취지에서 본원 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 연장 및 보호 기능이 포함된 배터리 보호 시스템(100)의 배터리 수명 보호 기능을 온도 측면에서 달성할 수 있다.
또한 납축 전지(110)의 경우에는, 빙점이 되면, 배터리 보호 시스템(100)이 작동하지 않게되는 특성이 있기 때문에 이에 대하여 살펴 볼 필요가 있다.
이러한 원리를 이해하기 위해서는 납축전지 배터리(110)의 작동원리에대하여 알아보는 것이 필요할 것이다.
일단 납축전지(Lead Acid Battery, 110)는 2차 전지로서 가장 오래 전부터 사용되어 온 전지이다. 이 전지의 (+)극 활성 물질은 PbO2이고, (-)극의 활성 물질은 Pb인데 황산 수용액(H2SO4)을 전해질로 사용한다.
이 양전극이 모두 방전을 하게 되는 경우 PbSO4가 생성될 수 있다.
각 전극에서의 반응식은 반응식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[반응식 1]
Figure 112018062709670-pat00001
반응식 1이 나타내는 바와 같이, 전지가 충전될 때(←방향)는 반응에 의하여 황산이 생기므로 황산의 농도가 높아지며, 반대로 방전될 때(→방향)에는, 황산이 소모되는 반응에 의해 황산의 농도가 감소한다.
도 4는 황산 수용액을 전해질로 사용한 경우의 납축전지의 작동원리를 모식적으로 보여주는 그림이다.
도 4를 참조하면, 황산수용액이 PbSO4로 변화되면서 방전 과정이 이루어지고, PbSO4가 황산 수용액으로 변화되면서 충전 과정이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 충방전 과정이 진행되는 동안에 H2O과 황산 수용액의 양이 변화하는 것으로부터 전해질 용액이 갖는 빙점이 변화하리라는 것을 쉽게 예측할 수 있다.
도 5는 충방전 과정 진행에 따른 납축전지의 빙점 특성을 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 완전 방전 시에는, 황산 수용액이 거의 PbSO4로 변환된 상태이기 때문에 이온화(물에 황산 이온의 첨가)에 의한 빙점 강하 현상이 적게 발생하게 되고, 거의 물의 어는 점에 가까운 온도(실험적으로 -8℃)에서 빙점이 발생하게 된다. 이에 반해 황산이 생성되는 충전반응에서는, 빙점이 -57℃에서 발생하게된다는 것을 쉽게 예상할 수 있다.
도 5와 같은 빙점 특성 곡선을 보면, 용량이 60%만 있으면, -30℃에서 어는점인 빙점이 발생하게 된다. 같은 원리로 도 3에서 설명한 바와 같이 -20℃에서 용량의 40%가 손실된 상태이기 때문에 약간의 방전이 발생하게 되면, 납축전지(110)는 빙점이 되어 배터리 보호 시스템(100)은 정지할 수 밖에 없는 상황이 펼쳐지게 된다.
따라서 이러한 납축전지(110)에 포함된 용액이 배터리 보호 시스템(100)을 구동하기 위해서는 납축전지(110)에 대한 온도보상(Temperature Compensation)이 이루어져야 한다.
온도보상이란 의미는 그것이 사용되는 요소에 따라 조금씩 다를수 있겠지만 전자회로나 부품에 있어서 온도보상이란 개념은 주변 온도에 따라 성능 변화를 보이면 곤란한 부품이 있을 경우 주변온도를 체크할 수 있는 부품을 사용한 별도의 제어 회로를 내장하여 주변온도 변화에 상관없이 일정한 성능을 낼 수 있도록 도와주는 것을 온도보상이라고 한다.
온도를 보상하기 위하여 텅스텐(W)과 같은 일반 전기 히터를 사용하게 되면, 전력의 소모가 너무 커서(앞의 예에서 45V의 전압과 2~3A의 전류를 소모하는 조건이 되어야 온도보상이 이루어지게 된다.) 문제가 발생할 수 있지만 본원 발명의 배터리의 수명 연장 및 보호 기능이 포함된 배터리 시스템(100)에서는 12V의 전압과 1A이하의 적은 전력을 사용하는 탄소 섬유를 포함하는 탄소발열장치(300)를 사용하여 주울히팅이 아닌 복사 방식으로 납축전지(110)를 가열할 수 있어서, 전력 소모에 비하여 효율적인 배터리인 납축전지(110)의 온도 보상이 가능해져 납축전지(110)의 사용용량이 증가할 뿐만 아니라, 장시간 정상적으로 배터리 보호시스템(100)의 운영이 가능해지게 된다.
이때 납축전지(110)의 사용용량이 85% 이하가 되면 납축전지(110) 및 배터리 보호시스템(100) 자가 보호 알고리즘(Algorithm)을 적용하여 납축전지의 방전용량을 20% 내로 유지함에 따라 배터리인 납축전지(110)의 수명을 연장할 수 있다.
탄소섬유를 포함하는 탄소 발열 장치(300)는, 일반섬유사와 탄소섬유사로 직조된 발열부와, 상기 발열부의 일부 또는 여러 부분에 형성되며, 탄소섬유사와 동사로 직조되어 발열부로 열을 전도하는 도전부로 이루어지고 상기 도전부에는 탄소액이 도포되어, 상기 도전부의 결합력이 강화되어 과도한 물리력이 가해지지 않는 한 형태의 안정성을 유지할 수 있다.
상기 발열부의 일반 섬유사는 2가닥이 1조를 이루어 이를 꼬아 꼬임부가 형성되며, 상기 일반섬유사의 꼬임부로 탄소섬유사가 통과한 형태로 직조되어, 상기 일반 섬유사의 간격 및 꼬임횟수와 상기 탄소섬유사의 배치에 따라 상기 발열부의 밀도 및 발열량을 조절할 수 있는 특징을 갖는 발열장치가 될 수 있다.
이와 같이 탄소섬유사를 포함하여 복사 가열에 의한 가열이 가능하기 때문에 전류소모량을 줄이면서도, 잠열 등에 의한 에너지 저장 효과 없이 바로 납축 전지(110)에 대한 가열 및 열전달이 가능하도록 구성되어 있어서 납축전지(110)로부터 공급되는 전력이라고 하더라도 적은 양의 전력 소모로 온도 보상 효과를 달성할 수 있게 된다.
특히 릴레이(230)를 통한 전력의 공급이 이루어지기 때문에 필요온도에 맞추어 납축 전지(110)의 온도를 자유롭게 조절할 수 있는 특징이 있다.
납축전지(110)의 온도 보상이 자유롭게 이루어짐에 따라 딥사이클 배터리라고 할 수 있는 납축전지에서 배터리수명을 보장하는 기능을 달성할 수 있게 된다.
또한 두 번째의 기능으로서 순간적인 과전류의 흐름에 의한 방전심도(Depth of Discharge) 기능에 대하여 설명하면 과전류를 필요로 하는 순간적으로 과전류에 의한 전력소모가 예상되는 LAMP, 전광판, 경광등(Warning light), 싸이렌(Siren) 또는 스피커 앰프(speaker amp)를 사용하는 경우를 예로 들 수 있다.
즉 방전 용량(DOD)이 20% 이상이 되면, 납축 전지(110)의 충전회수는 줄어들면서 납축전지(110)의 수명이 줄어드는 효과가 발생하게 된다.
이에 대한 대응방안으로서 본원 발명에서는 탄소 슈퍼캐패시터(Super Capacitor)를 사용한다. 이와 같은 슈퍼캐패시터를 제1 전지라고 칭할 수 있다.
슈퍼캐퍼시터는 축전 용량이 대단히 큰 캐퍼시터로 울트라 캐패시터 또는 우리말로 초고용량 캐패시터라고 한다 학술적인 용어로는 기존의 정전기식(electrostatic) 또는 전해식(electrolytic)과 구분해 전기화학식 캐패시터라고 불리운다. 슈퍼캐패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한이온의 이동이나 표면 화학반응에 의한 추전현상을 이용한다. 이에 따라 급속 충방전이 가능하고, 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명특성으로 보조배터리나 배터리 대체용으로 사용할 수 있는 차세대 에너지 저장장치로서 각광받고 있다.
이러한 차세대 에너지 저장장치인 슈퍼 캐패시터는 대용량의 전기를 빠르게 저장하고 꺼내어 사용할 수 있고, 2차 전지보다 100배 이상의 고출력이며 반영구적으로 사용이 가능해 휴대전화 디지털 카메라의 플래시, 하이브리드자동차 등 응용분야가 다양하다.
즉 슈퍼 캐패시터는 석유를 대체해 이산화탄소배출이 없는 친환경 청정대체에너지인 태양광, 풍력, 수소 연료 전지등의 신재생 에너지 저장장치로 중요도를 갖는다고 할 수 있다.
슈퍼캐패시터는 종래의 캐패시터에 사용되고 있는 고유물질인 유전체는 없고 또한 전지와 같이 충방전에 있어서 화학반응을 이용하지 않는다. 그 특징은 표면적이 큰 활성탄을 사용하고 유전체의 거리를 짧게 하여 소형으로 F단위의 매우 큰 정전용량을 얻을 수 있으며, 과충전, 과방전을 해도 전지와 같이 수명에 영향을 주는 일이 없어 환경성이 뛰어나다고 할 수 있다.
전자 부품으로서 땜납으로 붙일 수 있으므로 2차 전지와 같이 단락이나 접속 불안정이 일어나지 않는다. 종래의 전기화학반응을 이용하는 2차 전지에 비해 슈퍼캐패시터는 전하 자체를 물리적으로 축전하는 방법을 사용하고 있어 충방전 시간의 조절이 가능하고, 긴 수명 높은에너지 밀도 등을 얻을 수 있다.
표 1은 각종 전기에너지 저장장치의 특성을 비교한 표이다.
전기에너지 저장장치의 비교표
비교항목 납 니켈카드뮴 슈퍼캐패시터
출력밀도(W/kg) 100-130 100-160 10-300
에너지 밀도(Wh/Kg) 40-45 45-53(메모리 효과) 2-4(15-40)
방전심도(%) 50-70 80-100 94-100
싸이클 수명 300-1000 300-500 10000-
충전효율 -0.82 -0.72 -0.95
잔량계측 곤란(~30%) 곤란(~25%) 용이(~10%)
충전시간 5-10hr 15min-8hr 3-30sec
표 1에서 보여지는 바와 같이 최근에는 2차 전지에 비해 충방전속도와 사이클 수명이 우수해, 2차 전지의 병용 및 대체 가능한 에너지 저장장치로 각광을 받고 있다.본 발명에서도 과전류를 필요로 하는 순간적으로 과전류에 의한 전력소모가 예상되는 LAMP, 전광판, 경광등(Warning light), 싸이렌(Siren) 또는 스피커 앰프(speaker amp)를 사용하는 경우에 슈퍼캐패시터를 제 1 전지로 사용하고, 제2 전지로 정상 전류(순간 20% 이상의 DOD 가 발생한 이후, 제1 전지를 통해서 흐르는 전류에 대한 측정을 통해서, 정상전류(20% 이상의 DOD가 발생하지 않는전류))라고 판단되는 경우 제2 전지인 납축전지(110)를 구동하는 알고 리즘을 적용할 수 있다.
이와 같이 제2 전지인 납축전지(110)의 일측에 제1 전지인 슈퍼캐패시터를 장착하여 배터리의 수명 연장 및 보호 기능을 포함하는 배터리 보호시스템(100)을 운영하게 되면, 배터리 보호 기능의 두번째 요소를 달성할 수 있게 된다.
이하에서는 본원 발명의 일 실시예인 배터리 수명 연장 및 보호기능을 포하하는 배터리 보호 시스템의 운영방법에 대해서 논의한다.
배터리수명 연장 및 보호기능을 포함하는배터리 보호 시스템(100)의 운영방법은, LAMP, 전광판, 경광등(Warning light), 싸이렌(Siren) 또는 스피커 앰프(speaker amp)를 사용하는 경우에는, (1) 제1 전지인 슈퍼캐패시터를 사용해서 과전류흐름으로부터 제2 전지인 납축전지(110)를 보호하는 단계(s10)가 진행될 수 있다. 이와 같은 과정은 두번째 납축전지(110)의 수명 연장을 위한 수단임은 전술한 바와 같다.
이와 같은 과도 전류가 흐르고 난 후 일정 시간이 지나게 되면, 정상 전류가 흐르게 되는 단계(s20)으로 진행하게 되고, 이때는 제1 전지인 슈퍼캐패시터의 작동을 멈추고 제2 전지인 납축전지(110)의 구동이 이루어질 수 있다.
납축 전지(110)의 경우에는 온도에 대한 특수성이 있기 때문에, 이와 같이 제2 전지를 구동하는 중간에는 제2 전지에 대하여 온도 측정 수단(주로 열전대(thermocouple)를 사용할 수 있다.)을 통한 온도체크와 온도 보상이 이루어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 수명 연장 및 보호기능이 탑재된 배터리 보호시스템(100)의 전체적인 구성을 보여주는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 충전기능과 방전기능을 수행할 수 있는 2차 전지인 납축전지(110)와, 상기 충전기능과 방전기능은 서로 반대되는 기능이라고 할 수 있는데 이의 회수를 극대화하기 위해서는 2차 전지인 납축 전지에 대한 보호를 수행할 수 있는 탄소발열장치(300)와 상기 탄소발열장치(300)의 구동상태를 조절할 수 있는 컨트롤러(200)를 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러(200)에는 중앙제어장치(Control Panel Unit, 220)과 릴레이(230)을 포함할 수 있다.
상기 릴레이(230)는 탄소발열장치(300)와 전기적으로 접속되어 있어서, ON/OFF 기능을 수행할 수 있다. 이에 대한 제어방식으로 PID(Proportional Integral Derivative) 방식을 사용하여 납축전지(110)의 온도를 -10~0℃를 유지하도록 하여 배터리 보호시스템(100)을 보호할 수 있다(s20-s50).
이때 실시간으로 상기 납축전지(110)의 충방전회수와 직접 관련성이 있다고 볼 수 있는, 방전심도(DOD)를 실시간으로 체크하여 상기 납축전지(110)의 빙점이 높아지는 현상에 대응하여 상기 제2 전지인 납축전지(110)의 구동을 정지시켜 배터리 보호 시스템(100)의 보호가 가능해질 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 배터리 보호 시스템 110: 납축전지
120: 온/습센서 200: 컨트롤러
210: 온습센서연결수단 220: CPU
230: 릴레이(Relay) 300; 탄소 발열장치

Claims (4)

  1. 충전과 방전기능을 수행할 수 있는 2차 전지인 납축전지;
    상기 납축전지의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서인 열전대(thermocouple);
    상기 열전대로부터 납축전지의 온도에 대한 판단이 가능하고,
    탄소 섬유를 포함하는 탄소발열장치가 상기 납축전지의 외주면에 말아져 상기 납축전지의 보온성능을 높임과 동시에 탄소발열장치에서 발생하는 열을 직접적으로 상기 납축전지에 전달하여 상기 납축전지가 -10℃ 미만의 온도를 가지게 됨으로써 발생되는 상기 납축전지의 방전 심도의 저하를 방지하고,
    상기 탄소발열장치인 탄소섬유는 상기 납축전지와 릴레이(relay, 계전기)를 통해서 전기적으로 접속하고 있어서, 상기 납축전지로부터 전원의 공급과 차단이 자유로우며, 상기 탄소발열장치가 상기 납축전지의 외주면에 말아져 잠열에 의한 에너지 저장없이 상기 납축전지에 대한 가열 및 열전달이 가능하도록 구성되어 상기 납축전지의 전류소모량을 줄일 수 있고,
    상기 릴레이는 상기 납축전지의 일측에 연결되어 있는 온도 센서인 열전대로의 온도 측정 결과에 따라서 -10℃에서는 상기 탄소 발열장치인 탄소섬유에 전력을 공급하여 상기 탄소섬유에서 방출되는 복사열을 이용하여 상기 납축 전지의 온도를 상승시키고, 상기 납축 전지의 온도가 0℃가 되면 상기 탄소 발열장치인 탄소섬유에 공급되는 전력을 차단하는 PID(Proportional Integral Derivative) 방식으로 컨트롤러에 장착되어 있는 CPU(Central Panel Unit)을 제어하여,
    탄소 섬유를 포함하는 탄소발열장치를 상기 납축전지의 외주면에 말아 보온성능을 높임과 동시에 탄소발열장치에서 발생하는 열을 직접적으로 납축전지에 전달하는 방법을 사용하여 납축전지가 -10℃ 미만의
    상기 납축전지의 온도 보상 기능을 실현하며,
    상기 납축전지의 일측에는 순간적으로 과전류에 의한 전력소모가 예상되는 LAMP, 전광판, 경광등(Warning light), 싸이렌(Siren) 또는 스피커 앰프(speaker amp)가 사용되는 경우에는,
    제1전지로서 슈퍼 캐패시터를 상기 LAMP, 전광판, 경광등(Warning light), 싸이렌(Siren) 또는 스피커 앰프(speaker amp)사용하여 제2전지인 납축전지에서의 20% 이상의 방전심도(Depth of Discharge; DOD)를 방지할 수 있는 것을 특징으로 하되,
    상기 제1 전지인 슈퍼 캐패시터에 대한 사용은 상기 제1 전지를 통해서 흐르는 전류에 대한 측정을 통해서, 정상전류(여기서 정상 전류(normal current)라 함은 납축 전지의 사용시에 방전 심도가 20% 이상을 넘지 않는 수준의 전류를 지칭한다)라고 판단되는 경우 상기 제1 전지인 슈퍼 캐패시터를 중지시키고,
    상기 제2 전지인 납축전지를 구동함으로써,
    상기 납축전지가 빙점에 도달하여 배터리의 사용이 정지되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 배터리의 수명연장 및 보호 기능이 포함된 배터리 보호시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 충전과 방전기능을 수행할 수 있는 2차 전지인 납축전지와, 상기 납축전지의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서인 열전대(thermocouple)와, 상기 열전대로부터 납축전지의 온도에 대한 판단이 가능하고, 탄소 섬유를 포함하는 탄소발열장치가 상기 납축전지의 외주면을 말아 상기 납축전지의 보온성능을 높임과 동시에 탄소발열장치에서 발생하는 열을 직접적으로 상기 납축전지에 전달하여 상기 납축전지가 -10℃ 미만의 온도를 가지게 됨으로써 발생되는 상기 납축전지의 방전 심도의 저하를 방지하고, 상기 탄소발열장치인 탄소섬유는 상기 납축전지와 릴레이(relay, 계전기)를 통해서 전기적으로 접속하고 있어서, 상기 납축전지로부터 전원의 공급과 차단이 자유로우며, 상기 탄소발열장치가 상기 납축전지의 외주면에 말아져 잠열에 의한 에너지 저장없이 상기 납축전지에 대한 가열 및 열전달이 가능하도록 구성되어 상기 납축전지의 전류소모량을 줄일 수 있고, 상기 릴레이는 상기 납축전지의 일측에 연결되어 있는 온도 센서인 열전대로의 온도 측정 결과에 따라서 -10℃에서는 상기 탄소 발열장치인 탄소섬유에 전력을 공급하여 상기 탄소섬유에서 방출되는 복사열을 이용하여 상기 납축 전지의 온도를 상승시키고, 상기 납축 전지의 온도가 0℃가 되면 상기 탄소 발열장치인 탄소섬유에 공급되는 전력을 차단하는 PID(Proportional Integral Derivative) 방식으로 컨트롤러에 장착되어 있는 CPU(Central Panel Unit)을 제어하여, 상기 탄소 섬유를 포함하는 탄소발열장치를 상기 납축전지의 외주면에 말아 보온성능을 높임과 동시에 탄소발열장치에서 발생하는 열을 직접적으로 납축전지에 전달하는 방법을 사용하여 납축전지가 -10℃ 미만의 상기 납축전지의 온도 보상 기능을 실현하는 배터리의 수명 연장 및 보호기능을 포함하는 배터리 보호 시스템의 운영방법으로,
    상기 납축전지의 일측에는 순간적으로 과전류에 의한 전력소모가 예상되는 LAMP, 전광판, 경광등(Warning light), 싸이렌(Siren) 또는 스피커 앰프(speaker amp)가 사용되는 경우에는,
    (1) 제1 전지인 슈퍼캐패시터를 사용해서 과전류흐름으로부터 제2 전지인 납축전지를 보호하는 단계(s10);
    (2) 정상 전류가 흐르는 경우, 제2 납축전지를 사용해서 구동하는 단계(s20);
    (3) 상기 납축전지를 사용하는 동안, 납축전지의 주변온도하강으로 인한 납축전지의 방전심도(Depth of Discharge)가 저하되는 현상을 막기 위하여 상기 납축전지의 외주면으로 탄소섬유를 포함하는 탄소발열장치를 감싸고 상기 납축전지와 탄소 발열장치를 릴레이를 통해서 전기적으로 접속시켜 상기 납축전지의 온도를 체크하는 단계(s30);
    (4) 상기 납축전지의 온도가 -10℃이하인 경우 상기 탄소발열장치를 구동시키는 단계(s40); 및
    (5) 상기 납축전지의 온도가 0℃ 이상에서는 상기 탄소 섬유를 포함하는 탄소발열장치의 구동을 정지시키는 단계(s50);를 포함하되,
    상기 납축전지의 충방전회수와 직접 관련성이 있다고 볼 수 있는, 방전심도를 실시간으로 체크하여 상기 납축전지의 빙점이 높아지는 현상에 대응하여 상기 제2 전지인 납축전지의 구동을 정지시켜, 배터리의 수명 연장 및 보호기능을 포함하는 배터리 보호 시스템의 운영방법.
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