KR20070101496A - 다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩의 충방전 모니터링시스템 - Google Patents

다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩의 충방전 모니터링시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 다수의 리튬 2차 단위전지가 다병렬 및 다직렬로 연결된 리튬 2차전지 팩의 충·방전 모니터링 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 모니터링 시스템은, 다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩(10)과; 리튬 2차전지 팩(10)과 직렬 연결되며, 직렬 연결부의 전압 측정점과 전기적으로 연결된 보호회로(20)와; 2차전지 팩을 구성하는 각 단위병렬블록(10A1)의 전압과 전류 및 온도 등을 검출하는 충·방전 감지 센서(30)와; 충·방전 감지 센서(30)로부터 검출 정보를 전송 받은 후 이를 모니터(M) 상에 표시하고, 이상이 발생한 단위병렬블록(10A1)이 포함된 병렬블록(10A)에 대한 입·출력 차단 신호를 보호회로(20)로 전송하는 마이크로 콘트롤러(40) 등으로 구성된다.
본 발명의 모니터링 시스템은, 안전사고의 발생 없이 대용량의 2차전지 팩을 구성하여 사용할 수 있도록 하여 주는 장점이 있다.
2차전지, 리튬 2차전지, 충전, 방전

Description

다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩의 충방전 모니터링 시스템{The monitering system for charging and discharging lithium rechargable battery pack}
도 1은 본 발명 제1실시예 모니터링 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명 제2실시예 모니터링 시스템의 구성도.
((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))
10. 리튬 2차전지 팩 10A. 병렬블록
10A1. 단위병렬블록 20. 보호회로
30. 충·방전 감지 센서 40. 마이크로 콘트롤러
C. 단위전지 M. 모니터
본 발명은, 다수의 리튬 2차 단위전지를 병렬 연결하여 단위병렬블록을 구성 하고, 이 단위병렬블록 다수를 다시 병렬 연결하여 병렬블록으로 구성한 후, 이 병렬블록 다수를 직렬로 연결한 다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩의 충·방전 시 각 단위병렬블록 및 직렬 연결된 병렬블록별 상태를 모니터링 할 수 있도록 함으로써, 대용량의 2차전지 사용시 단위전지나 단위 병렬블록의 이상으로부터 초래될 수 있는 폭발, 화재 등을 방지할 수 있도록 한, 다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩의 충·방전 모니터링 방법에 관한 것이다.
전자 기술의 발전과 더불어 다양한 휴대용 전자 기기들이 개발되었으며, 각종 휴대용 장치들을 작동시키기 위한 동력원으로 개발된 것이, 반복하여 충·방전이 가능한 2차전지이다.
상기의 2차전지로는, 가장 초기에 개발되었고 현재에도 자동차의 시동용 동력원으로서 널리 사용되고 있으며 산성 전해액을 사용하는 납축전지, 납축전지보다 고가이나 수명이 길며 신뢰성이 높고 알칼리성 전해액을 사용하는 니켈카드뮴전지, Ni-MH 전지 등이 있으나, 수명을 다한 납축전지, 니켈카드뮴전지, Ni-MH 전지 등은 중금속을 함유하고 있기 때문에 전지를 폐기하는 과정에서 환경 문제를 일으키게 된다는 문제점이 있다.
또한, 반복 충전하여 사용하는 상기의 2차전지는, 충전 횟수가 증가함에 따라 전지의 성능이 급속히 저하될 뿐만 아니라, 수명도 빠르게 단축되는 단점이 있다.
따라서, 근래에는, 상기와 같은 종래의 2차전지보다 성능이 우수한 리튬 2차전지가 개발되었는 바, 리튬 2차전지는, 카드뮴이나 납 등과 같은 공해 물질을 사 용하지 않기 때문에 친 환경적이며, 사이클 성능이 크면서 자가 방전이 적고 메모리 효과가 거의 없을 뿐 아니라, 충방전 시의 에너지 변환 효율과 출력 밀도도 높은 장점을 가지고 있다.
리튬 2차전지는, 발생 전압이 3.6V로서, 현재까지는 주로 휴대폰, 캠코더, 디지털 카메라, 노트북 등의 가전 생활 기기에 사용되어 왔으나, 최근에는 수송용으로도 많은 연구가 진행되고 있다.
상기와 같은 리튬 2차전지를 효율적으로 사용하기 위해서는, 단위전지 다수를 병렬로 연결하여 단위병렬블록을 구성하고, 단위병렬블록 다수를 직렬로 연결하거나, 상기 단위병렬블록 다수를 다시 병렬 연결하여 대용량의 병렬블록을 구성한 후 이 병렬블록 다수를 직렬로 연결하는 것이 필수적이나, 리튬 2차전지들을 다병렬 및 다직렬로 연결하여 리튬 2차전지 팩으로 구성하고자 하는 경우, 단위전지 및 단위병렬블록 또는 병렬블록들간의 바란싱(balancing)을 정확히 맞추기 어려운 문제가 있다. 여기서, 바란싱이란, 단위전지나 블록간의 전압, 임피던스, 용량 등이 같도록 조합하는 것을 의미한다.
그리고, 바란싱 되지 않은 단위전지들이나 블록들을 조합하거나, 바란싱 된 단위전지들이나 블록들을 조합하였다 하더라도 조합된 리튬 2차전지 팩을 충·방전하는 과정에서 바란싱이 틀어지게 되는 경향이 있으며, 바란싱이 맞지 않은 상태의 조합은, 충전 시 일부 블록의 과충전을 초래하게 되고, 이러한 과충전이 반복되면 각 블록을 구성하는 단위전지의 어노드(anode)에 침상 결정(dendrite)이 석출하게 된다.
또한, 단위전지의 어노드에 침상 결정이 석출되면 반응 활성도가 커지게 되면서 격리막(seperrator)이 뚫리게 될 수 있고, 그 결과, 단위전지간 단락에 의한 급격한 에너지 방출에 의해 폭발 등을 일으킬 수도 있게 된다.
뿐만 아니라, 단위전지들 또는 블록들간 내부 임피던스가 다를 경우 각 단위전지나 블록에 흐르는 전류가 다르게 흐르게 될 뿐 아니라, 과충전 등에 의해 단위전지 내부에 단락이 발생하게 되면, 병렬로 연결된 다른 단위전지에서 문제가 발생된 단위전지 측으로 급격한 전류가 흐르게 되면서 내부 온도가 상승하게 되고, 그 결과, 병렬로 연결된 단위전지 모두가 손상을 입게 된다.
즉, 리튬 2차 단위전지를 다병렬 및 다직렬로 조합하여 대용량으로 구성할 경우에는 각 단위전지는 물론, 각 블록간의 전압, 내부저항, 용량이 같도록 조합하여야만 하며, 그렇지 못할 경우에는 2차전지 팩의 수명이 떨어지게 될 뿐만 아니라, 바란싱을 맞춘 경우에도 반복된 충·방전에 의해 단위전지의 내부저항이 증가하게 되면서 발열, 발화 등이 일어날 수도 있다.
그러나, 종래의 2차 리튬전지 팩은, 그 내부에, 충·방전시 일정한 전류가 흐르도록 하여 주는 보호회로에는 FET(Field Effect Transistor)만이 내장됨으로써, 직렬로 연결된 단위전지들이나 블록들의 과충전과 과방전만이 방지될 수 있도록 하고 있다.
즉, 종래의 2차 리튬전지 팩은, 직렬 연결된 단위전지들이나 블록들간의 과충전과 과방전만이 방지될 수 있도록 한 구조로서, 병렬 연결된 단위전지들 또는 블록들간의 특성 변화를 전혀 알 수 없을 뿐 아니라, 다병렬 구조에 적합치 않기 때문에 운송용으로도 사용할 수 있을 정도의 대용량 리튬 2차전지 팩을 구성할 수 없었다.
본 발명은, 다직렬 구조의 종래 리튬 2차전지 팩이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 다수의 리튬 2차전지를 다병렬 및 다직렬 구조의 대용량 2차전지 팩으로 구성할 수 있도록 하여 운송용 동력원으로 사용이 가능하면서도, 병렬 연결된 단위전지들이나 블록들간의 특성 차이로 인해 발생될 수 있는 안정성의 문제를 사전에 예방할 수 있도록 하는 동시에, 문제가 발생한 부분만을 선택적으로 교체할 수 있도록 함으로써, 2차전지 팩의 수명을 향상시킬 수 있는 다병렬 및 다직렬 구조를 갖는 2차전지 팩의 모니터링 시스템을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은, 2차 리튬 단위전지들이 병렬 조합된 단위병렬블록 각각의 이상 유무를 개별적으로 감지하는 충·방전 감지 센서에 의해 달성된다.
본 발명 다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩의 충·방전 모니터링 시스템은, 리튬 2차 단위전지들을 같은 갯수씩 병렬 연결하여 단위병렬블록을 구성하고, 이 단위병렬블록 다수를 다시 병렬로 연결하여 병렬블록을 구성하며, 이 병렬블록 다수를 직렬로 연결한, 다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩의 충·방전을 모니터링 하 기 위한 시스템이다.
즉, 본 발명의 충·방전 모니터링 시스템은, 각 단위병렬블록은 물론, 동일 갯수씩의 단위병렬블록들이 병렬로 재연결된 병렬블록의 충·방전 상태를 실시간으로 감지한 후 이를 모니터 상에 디스플레이 하는 동시에, 이상 발생시 해당 단위병렬블록이 속한 병렬블록에 대한 전류의 흐름을 차단하도록 함에 기술적 특징이 있다.
본 발명의 충·방전 모니터링 시스템은, 다수의 단위전지들이 다병렬 및 다직렬로 연결된 리튬 2차전지 팩과; 2차전지 팩의 입·출력 전류를 일정하게 유지시켜 주는 보호회로와; 각 단위병렬블록의 상태를 개별적으로 실시간 감지하는 충·방전 감지 센서와; 충·방전 감지 센서로부터 감지 정보를 입력받은 후 이를 모니터 상에 디스플레이 하는 동시에, 임의의 단위병렬블록에서 이상이 감지되었을 경우 보호회로를 통하여 이상 단위병렬블록을 포함하고 있는 병렬블록에 대한 전류의 입·출력을 차단하는 마이크로 콘트롤러 등으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩의 모니터링 시스템은, 크게 두가지 방식으로 2차전지 팩의 충·방전 상태를 모니터링 하게 되는 바, 보호회로는, 다수 단위병렬블록이 병렬 연결된 각 병렬블록에 걸리는 충·방전 시의 직렬측 전압을 검출하게 되며, 검출 전압이 설정값 이상일 경우에는 해당 병렬블록에 대한 충·방전 전류를 차단하거나, 바이 패스 시켜 더 이상 충·방전이 이루어지지 않도록 하게 된다.
그리고, 충·방전 감지 센서는, 각 병렬블록을 구성하는 단위병렬블록들에 대하여, 단위병렬블록별로 연결된 저항을 통하여 각 단위병렬블록의 전류와 전압을 검출하는 동시에, 각 단위병렬블록별로 부착된 온도 센서에 의해 감지된 단위병렬블록의 온도를 검출한 후 검출 정보를 마이크로 컨트롤러로 전송하게 된다.
그리고, 마이크로 콘트롤러는, 상기 충·방전 감지 센서로부터 전송받은 각 단위병렬블록별 충·방전 시의 전압과 전류 및 온도를 기입력된 설정값과 비교하여 그 현황을 모니터에 디스플레이 하며, 설정값을 벗어나게 되는 경우에는 모니터 상에 경고 메시지를 띄운다.
그러나, 측정값이 설정값을 지나 위험값에 도달하게 되는 경우에는 보호회로에 차단 신호를 전송하여 문제가 발생한 단위병렬블록을 포함하고 있는 병렬블록에 대한 전류의 입·출력을 차단하게 된다.
즉, 본 발명의 충·방전 모니터링 시스템에서, 직렬 연결되어 전지 팩을 구성하게 되는 다수 병렬블록 각각의 충·방전 이상 시에 대한 검출 및 대응은, 보호회로에 의해 이루어지도록 하고, 각 병렬블록을 구성하는 다수 단위병렬블록 각각의 충·방전 이상 시에 대한 검출은 충·방전 감지 센서에 의해 이루어지도록 한 후 마이크로 컨트롤러의 제어를 통하여 보호회로가 수행하게 된다.
상기 본 발명의 목적과 기술적 구성을 비롯한 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 아래의 설명에 의해 명확하게 이해될 것이다.
도 1에 본 발명 다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩의 모니터링 시스템 구성도를 도시하였다.
도시된 바와 같이, 리튬 2차 단위전지(C) 다수가 병렬로 연결되어 하나의 단위병렬블록(10A1)을 이루고, 이러한 단위병렬블록(10A1) 다수가 다시 병렬 연결되어 병렬블록(10A)을 구성하며, 동일한 수의 단위병렬블록(10A1)으로 구성된 병렬블록(10A) 다수가 서로 직렬로 연결된 다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩(10)과;
상기 리튬 2차전지 팩(10)과 직렬 연결된 상태에서 직렬 연결된 (n+1)개의 병렬블록(10A)들간 전압 측정점(N1, N2, ..., Nn, n은 2이상의 자연수)과 전기적으로 연결되고, 각 병렬블록(10A)의 전압이 설정값 이상이 되는 경우 해당 병렬블록(10A)에 대한 전류의 입·출력을 차단하며, 상기 리튬 2차전지 팩(10)의 충·방전 시 전류의 입·출력 게이트(gate)가 되는 보호회로(20)와;
상기 리튬 2차전지 팩(10)의 각 병렬블록(10A)을 구성하는 각 단위병렬블록(10A1)과 저항 및 온도 센서를 매개로 하여 연결되며, 저항과 온도 센서를 통하여 각 단위병렬블록(1A1)의 전압과 전류 및 온도를 검출한 후 검출 정보를 이하의 마이크로 콘트롤러(40)로 전송하는 충·방전 감지 센서(30)와;
상기 충·방전 감지 센서(301)로부터 전송받은 각 단위병렬블록(10A1)의 검출값을 모니터(M) 상에 표시하고, 각 검출값이 설정값 이상일 경우 경고 메시지를 발하도록 하며, 임의의 단위병렬블록(10A1)에 대한 검출값이 위험값에 도달한 경우 그 단위병렬블록이 포함된 병렬블록(10A)에 대한 입·출력 차단 신호를 보호회로(20)로 전송하는 마이크로 콘트롤러(40) 등으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명 다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩의 모니터링 시스템은, 같은 수의 단위병렬블록(10A1)들을 병렬로 재연결한 병렬블록(10A) 다수를 직렬로 조합한 후 전체 전지 팩의 양 단을 보호회로(20)에 연결하게 되는 바, 이 보호회로(20)는 종래에 개발된 보호회로(20)로써, 직렬 연결된 병렬블록(N1, ..., Nn)들간의 전압을 제어하는 역할을 수행하게 되나, 이상 병렬블록 발견시, 마이크로 콘트롤러를 통하여, 이에 대한 정보를 모니터 상에 디스플레이 할 수 있도록 한 점이, 단순히 입·출력 전류를 차단만 하던 종래의 보호회로와 구별되는 부분이다.
즉, 본 발명의 시스템을 작동시키게 되면, 보호회로는 각 병렬블록에 걸린 전압을 체크하여 이상 병렬블록이 있는 경우 해당 병렬블록의 입·출력 전류를 차단하면서 해당 병렬블록으로 입·출력되는 전류를 바이 패스시키는 동시에, 마이크로 콘트롤러를 통하여 이상 병렬블록에 대한의 정보를 모니터에 디스플레이 하게 된다.
그리고, 상기 병렬블록을 구성하는 각 단위병렬블록에 대한 이상 유무는 충·방전 감지 센서와 마이크로 콘트롤러에 의해 검출되고, 이상이 있는 단위병렬블록에 대한 정보를 모니터에 디스플레이 하게 된다.
또한, 본 발명의 충·방전 모니터링 시스템은, 상기와 같은 다병렬 및 다직렬 2차전지 팩의 경우, 각 단위병렬블록과 병렬블록을 모니터링 하게 되나, 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 단위전지(C)로 단위병렬블록(10A1)만을 구성하고, 단위병렬블록(10A1) 다수로 병렬블록(10A)을 구성하지 않고, 단위병렬블록(10A1) 다수 를 직접 직렬로 연결하는 경우, 충·방전 감지 센서는, 각 단위병렬블록(10A1)이 아닌 각 단위전지(C)의 이상 유무를 체크하게 되고, 보호회로(20)는, 각 병렬블록(10A)이 아닌 각 단위병렬블록(10A1)의 이상 유무를 파악하게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩의 모니터링 시스템은, 다수의 단위전지로 구성된 각 단위병렬블록의 이상 유무를 실시간으로 감지하는 바, 대용량의 2차전지 팩을 구성하여 사용시 안전사고의 발생을 방지할 수 있기 때문에 용양에 관계 없이 2차전지 팩을 조합할 수 있으며, 2차전지 팩에서 문제 발생시 팩 전체가 아닌, 문제된 단위병렬블록이나 병렬블록 또는 단위전지만을 신속하고도 정확히 교체할 수 있는 장점이 있다.

Claims (2)

  1. 리튬 2차 단위전지(C) 다수가 병렬 연결되어 하나의 단위병렬블록(10A1)을 이루고, 단위병렬블록(10A1) 다수가 병렬 연결되어 병렬블록(10A)을 구성하며, 병렬블록(10A) 다수가 직렬로 연결된 다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩(10)과;
    상기 리튬 2차전지 팩(10)과 직렬 연결되며, 병렬블록(10A)들간의 전압 측정점과 전기적으로 연결된 보호회로(20)와;
    상기 병렬블록(10A)을 구성하는 각 단위병렬블록(10A1)과 저항 및 온도 센서를 매개로 하여 연결되며, 각 단위병렬블록(1A1)의 전압과 전류 및 온도를 마이크로 콘트롤러(40)로 전송하는 충·방전 감지 센서(30)와;
    상기 충·방전 감지 센서(301)로부터 전송받은 각 단위병렬블록(10A1)의 검출값을 모니터(M) 상에 표시하고, 각 검출값이 설정값 이상일 경우 경고 메시지를 발하도록 하며, 임의의 단위병렬블록(10A1)에 대한 검출값이 위험값에 도달한 경우 그 단위병렬블록이 포함된 병렬블록(10A)에 대한 입·출력 차단 신호를 보호회로(20)로 전송하는 마이크로 콘트롤러(40)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩의 모니터링 시스템.
  2. 리튬 2차 단위전지(C) 다수가 병렬 연결되어 하나의 단위병렬블록(10A1)을 이루고, 단위병렬블록(10A1) 다수가 직렬 연결된 다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩(10)과;
    상기 리튬 2차전지 팩(10)과 직렬 연결되며, 단위병렬블록(10A1)간의 전압 측정과 전기적으로 연결된 보호회로(20)와;
    상기 단위병렬블록(10A1)을 구성하는 각 단위전지(C)와 저항 및 온도 센서를 매개로 하여 연결되며, 각 단위전지(C)의 전압과 전류 및 온도를 마이크로 콘트롤러(40)로 전송하는 충·방전 감지 센서(30)와;
    상기 충·방전 감지 센서(301)로부터 전송받은 각 단위전지(C)의 검출값을 모니터(M) 상에 표시하고, 각 검출값이 설정값 이상일 경우 경고 메시지를 발하도록 하며, 임의의 단위전지(C)에 대한 검출값이 위험값에 도달한 경우 그 단위전지가 포함된 단위병렬블록(10A1)에 대한 입·출력 차단 신호를 보호회로(20)로 전송하는 마이크로 콘트롤러(40)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다병렬 및 다직렬 리튬 2차전지 팩의 모니터링 시스템.
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