KR20230041486A - 이종 셀을 포함하는 전력 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 전력 장치는, 제1 배터리 셀; 상기 제1 배터리 셀과 다른 종류의 제2 배터리 셀; 상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀 중 어느 하나를 외부 단자에 연결하는 제어기를 포함한다.

Description

이종 셀을 포함하는 전력 장치{BATTERY DEVICE INCLUDING DIFFERENT KINDS OF CELLS}

본 발명은 이종 셀을 포함하는 전력 장치에 관한 것이다.

현재 상용되고 있는 스마트 폰(smart phone), 태블릿(tablet) PC 등의 모바일(mobile) 전자 장치에 전원을 공급하기 위해 필수적으로 사용되는 것이 바로 배터리(battery)이다. 상기 배터리는 일반적으로 재충전이 가능한 2차 전지로 구성되는데, 상기 2 차 전지의 종류로는 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소(Ni-MH) 전지, 납축전지(Lead_Acid), 리튬 이온(Li-ion) 전지, 리튬 폴리머(Li-Po) 전지 등을 들 수 있다.

일반적으로, 배터리 팩(pack)은 하나 또는 그 이상의 셀(cell)로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 배터리 팩 내에 다수의 배터리 셀이 존재한다 하더라도, 상기 배터리 셀은 단일한 종류의 배터리 셀로 구성되는 것이 일반적이다. 예를 들어, 태블릿 PC의 경우, 리튬 이온 배터리 셀 3개가 병렬로 연결되어 하나의 배터리 팩을 구성할 수 있다.

한국등록특허공보 10-1278505호(2013.07.02.)

본 발명의 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 전력 장치는, 제1 배터리 셀; 상기 제1 배터리 셀과 다른 종류의 제2 배터리 셀; 상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀 중 어느 하나를 외부 단자에 연결하는 제어기를 포함한다.

상기 제1 배터리 셀은 리튬이온 셀일 수 있다.

상기 제2 배터리 셀은 니켈-수소 셀일 수 있다.

상기 전력 장치는 상기 제1 및 제2 배터리 셀을 실장하는 하우징을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면 배터리의 충전시간을 대폭 축소할 수 있으며, 배터리의 수명을 연장할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 전력 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 1 내지 도 2를 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.

- ESS 배터리 운영현황 및 문제점

· 출력 다변화 및 순간적인 정격 전류용량 이상의 과부하 출력으로 인한 ESS 배터리 수명 저하 문제

· 충전시작시 급격한 전위차 발생에 따른 배터리 부담 가중

· ESS 배터리 출력 부족으로 인한 전압 강하 문제

· 정격이상의 출력으로 인한 배터리 화재 등 안전 사고 문제

- 과부하 대응 가능 병렬 운전 ESS용 배터리 뱅크 설계

· 최근 일본, 중국을 중심으로 충전 30 C-rate, 방전 50 C-rate 이상의 고성능 니켈 수소 배터리가 개발됨

· 주 배터리 80%(리튬계열 배터리, 에너지 저장용) 및 보조 배터리20%(고성능 니켈수소, 과부하 대응 및 에너지 저장 보조용)를 활용한 병렬 운전 ESS용 배터리 뱅크 설계 (지적재산권 확보 가능),

· 순간적 과부하 damping을 통한 주 배터리 수명연장 및 충방전 속도 향상

· 경제성, 순간과부하 대응 능력, 설치 용량 등을 고려한 주 배터리와 보조배터리의 최적 조합 비율 연구

- 최적 병렬 운전을 위한 ESS용 운영 제어기 설계 및 알고리즘 개발

· 병렬운전 제어 가능 ESS용 배터리 운영 제어기(BMS) 설계

· 주 배터리와 보조 배터리의 방전 특성 연구 및 이를 통한 방전 구간 최적 제어 알고리즘 개발

· 주 배터리와 보조 배터리의 충방전량 및 패턴 연구 및 이를 통한 최적 병렬 운전 제어 알고리즘 개발 (지적재산권 확보 가능)

· 과부하 검출 알고리즘 및 ESS 수명 연장을 위한 보조 배터리 활용 극대화 알고리즘 개발

* 출력안정성 향상 및 배터리 수명연장

- 기존의 ESS 배터리의 경우 한 종류의 배터리시스템으로 출력용량이 배터리 사양으로 국한됨

- 보통의 ESS에 사용되는 배터리의 경우 설치비용의 부담으로 인하여 고가의 고출력 셀을 사용하기 어려움

- 주 출력은 주 배터리가 부담하며, 순간적인 과부하나 돌입전류 등에 의한 배터리 충격을 고출력 Ni-MH 배터리가 완화하여 출력 안정 및 배터리 수명을 향상 시킬 수 있음

* 설치 면적의 축소화 가능

- ESS의 사용특성에 따라 사용시간은 짧으나 최대 출력용량 산정으로 인하여 많은 용량의 배터리를 설치하는 경우가 있음(UPS, 풍력발전출력안정화용)

- 고성능 Ni-MH 배터리를 병렬구성하여 시스템을 구성할 경우 배터리 설비용량을 대폭 축소할 수 있으며, 설치면적 또한 축소가 가능함

* ESS 종합효율 향상

- 고성능 Ni-MH 배터리는 내부저항이 상당히 작고 발열이 낮아 잦은 충방전에도 탁월한 효율 특성을 보임

- 주 배터리의 충방전 피로를 완화시켜 ESS 종합효율 향상이 기대됨

* 배터리 화재 예방

- 과도한 충방전에 의한 배터리 과열 및 화재 발생 가능성 증가

- 배터리 셀 표면온도 측정으로 셀의 과열상태 판단 곤란으로 열폭주에 따른 화재감지 어려움(표면온도 50℃의 경우 셀 내부 온도는 150℃ 이상)

- 충방전시 Ni-MH 배터리에서 발생하는 수소를 검출하여 셀 내부 온도 예측이 가능한 시스템 구축 가능

* 기존의 보조배터리를 활용한 ESS 운영시스템과의 차별성

- 기존의 보조배터리를 활용한 ESS 운영시스템은 단순히 보조 배터리를 병렬로 연결하여 별도의 전자적인 제어 없이 물리. 화학적으로 연계되어 동작하는 시스템이었으나, 본 개발과제를 통해 개발되는 시스템은 이종의 배터리 상태를 모니터링하고 출력을 제어함으로서 기술적 우위에 있다고 판단됨.

- 그밖에, 본 발명은 리튬이온(Li-ion) 셀과 니켈-수소 셀(Ni-MH)을 예로 들어 설명하고 있으나, 이와 달리, 니켈-카드뮴(Ni-Cd), 리튬 폴리머(Li-Po) 전지, 리튬인산철(Li-FePO4) 가운데 선택될 수 있으며, 다른 종류로 결정될 수 있다.

- 서로 다른 복수의 셀은 서로 다른 충방전율을 가지며, 이를 통해 충방전특성을 상호 보완할 수 있다.

- 복수의 셀은 하우징에 실장된 상태에서 충방전될 수 있으며, 필요에 따라 선택된 하나의 셀만 쉽게 교체가 가능하다.

- 제어기는 복수의 셀에 외부 전원을 동시 또는 선택적으로 공급할 수 있으며, 복수의 셀로부터 동시 또는 선택적으로 외부에 전원을 공급할 수 있다.

본 발명을 바람직한 실시예들을 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다.

Claims (3)

1. 제1 배터리 셀;
   상기 제1 배터리 셀과 다른 종류의 제2 배터리 셀;
   상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀 중 어느 하나를 외부 단자에 연결하는 제어기를 포함하는, 전력 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 배터리 셀은 리튬이온 셀이며,
   상기 제2 배터리 셀은 니켈-수소 셀인, 전력 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 전력 장치는 상기 제1 및 제2 배터리 셀을 실장하는 하우징을 더 포함하는, 전력 장치.

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