KR101299091B1 - 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 장치 - Google Patents

리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 장치 Download PDF

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Abstract

리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 직류 전원 백업 시스템은 전원을 백업하고자 하는 장치에 무정전 전압을 제공하기 위한 직류 전원 백업 시스템을 이루는 한 쌍의 캐비넷을 A 및 B라 할 때 각 A와 B 캐비넷은 다수 개의 리튬 계열 이차전지들이 직렬 접속된 복수 개의 단위 팩(10)들이 실장되고 유지보수 시 일정량의 전원을 공급할 수 있도록 A, B 캐비넷은 병렬로 접속됨으로써 A와 B 캐비넷의 전원을 공유한다. 상기 복수 개의 단위 팩(10)들은 다수 개의 리튬이온 단전지들(100)과 상기 단전지들(100)을 수납하는 케이스(102)와, 전면을 향하여 배치되고 상기 단전지들(100)로부터의 전압을 공급하는 도전판(106)과, 상기 도전판(106)에 접속되며 전면으로 돌출된 볼트 형상의 단자(108), 및 임의로 선택된 단전지의 표면에 부착되는 온도 센서(112)를 구비하고, 상기 단위 팩(10)의 후면에는 배터리 팩 유니트(20, BPU : Battery Pack Unit)가 장착되며, 좌우 또는 상하의 단위 팩(10)은 전기적으로 도통시키는 연결판(12)에 의하여 직렬 접속되고 단위 팩(10) 개수에 상응하게 구비되는 안착룸들에 적층 및 나열되어 실장됨으로써 A, 및 B 캐비넷을 이루고, 상기 배터리 팩 유니트(20)는 온도 및 전압 측정부(202)와, 장애 검출부(204)와, 각 전지의 충전량이 일정하지 않으면 셀 밸런싱(Cell Balancing)에 의하여 각 배터리 셀의 충전량을 일정하게 조절하는 셀 밸런싱부(206), 및 단위 팩(10)의 고유 식별자 정보(208)를 저장하고 데이지 체인(Daisy Chain) 기반의 접속 환경을 제공하는 RS-485 인터페이스(210) 및 한 쌍의 RS-485 포트(212)를 포함한다. 또한, 상기 직류 전원 백업 시스템은 배터리 시스템 제어를 수행하는 배터리 매니지먼트 유니트(90, BMU: Battery Management Unit)을 포함한다.
본 발명에 따르면 다수 개의 리튬 계열의 단전지를 단위 팩의 형태로 구성하고 상기 단위 팩마다 제어 보드인 배터리 팩 유니트를 구비시켜 리튬전지를 직접 관리하고 각 전지의 전압 및 온도를 감지하며 수집된 정보를 기반으로 과충전/과방전과 같은 각 전지의 장애 상태를 검출한다. 각 전지의 충전량이 일정하지 않으면 셀 밸런싱(Cell Balancing)의 기능으로 각 전지의 충전량을 일정하게 조절함으로써 다수 개의 리튬 계열 단전지로 구성됨에도 폭발의 위험성이 없다. 또한, 배터리 팩 유니트는 데이지 체인 기반으로 단위 팩들을 거쳐 정보 및 장애상태를 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트로 전달하고 상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트와 연동하여 배터리의 상태 관리 및 제어를 지원함으로써 배선량이 최소로 하면서도 다양한 제어 및 모니터링이 가능하여 유지보수가 용이하다.

Description

리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 장치{DC power supply backup system using litium series end cell batteries}
본 발명은 직류 전원 백업 장치에 관한 것으로 더 상세하게는 리튬이온 배터리 또는 리튬 폴리머 배터리와 같은 리튬 계열의 단전지들을 사용하는 것으로 유피에스 장치와 같은 직류 전원 백업 장치에 관한 것이다.
UPS(uninterruptible power supply)는 상용 전원에서 발생 가능한 전원 장애를 극복하여 양질의 안정된 교류 전력을 공급하는 장치로 무정전전원공급장치라고도 한다. 일반 전원 또는 예비 전원 등을 사용할 때 전압 변동, 주파수 변동, 순간 정전, 과도 전압 등으로 인한 전원 이상을 방지하고 항상 안정된 전원을 공급하여 주는 장치이다. 컴퓨터의 보급 확대와 더불어 그 수요가 급증하고 있다.
최근에는 금융, 방송, 산업 등 신뢰성이 요구되는 시스템이 증가함에 따라 병렬운전 UPS의 도입이 확산되고 있으며 정보화 사회로의 급진전으로 모든 시스템이 네트워크화 됨에 따라 UPS도 네트워크상에서 관리할 필요성이 증대되었으며 공급자인 UPS 제조업체에서도 원격으로 감시, 제어할 뿐만 아니라 원격 진단, 사후 관리를 함으로서 제품의 고부가가치화, 신뢰성 제고 및 경비절감 등을 꾀하고 있다.
UPS 장치는 무정전을 위하여 배터리의 백업이 요구되는데, 종래의 UPS 장치용 백업 장치는 일반적으로 대형으로 구현하기 위하여 납축 전지 또는 Ni-Cd 전지를 사용하고 있다. 하지만 납축 전지는 리튬이온 전지와 같은 이차전지에 비하여 효율이 낮고 장치의 크기가 커지기 때문에 공간을 많이 차지할 뿐만 아니라 메모리 효과가 있어 수명이 짧다는 문제점이 있다. 따라서, 공간측면이나 유지보수 측면을 고려하면 리튬계열의 이차 전지를 사용하는 것이 바람직한데, 리튬 계열의 이차 전지는 폭발의 위험성이 높다는 문제점이 있다. 또한, 종래의 이차전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템은 배선량이 많아 유지보수가 용이하지 않다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다수 개의 리튬계열의 단전지인 이차전지를 사용함으로써 종래 납축 전지 방식의 UPS 장치용 백업 장치에 비하여 공간을 적게 차지하면서도 폭발의 위험성은 제거하며, 배선량을 최소화하여 유지보수가 용이한 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템은,
전원을 백업하고자 하는 장치에 무정전 전압을 제공하기 위한 직류 전원 백업 시스템을 이루는 한 쌍의 캐비넷을 A 및 B라 할 때 각 A와 B 캐비넷은 다수 개의 리튬 계열 이차전지들이 직렬 접속된 복수 개의 단위 팩(10)들이 실장되고 유지보수 시 일정량의 전원을 공급할 수 있도록 A, B 캐비넷은 병렬로 접속됨으로써 A와 B 캐비넷의 전원을 공유하는 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템으로서,
상기 복수 개의 단위 팩(10)들은 다수 개의 리튬이온 단전지들(100)과 상기 단전지들(100)을 수납하는 케이스(102)와, 전면을 향하여 배치되고 상기 단전지들(100)로부터의 전압을 공급하는 도전판(106)과, 상기 도전판(106)에 접속되며 전면으로 돌출된 볼트 형상의 단자(108), 및 임의로 선택된 단전지의 표면에 부착되는 온도 센서(112)를 구비하고, 상기 단위 팩(10)의 후면에는 배터리 팩 유니트(20, BPU : Battery Pack Unit)가 장착되며, 좌우 또는 상하의 단위 팩(10)은 전기적으로 도통시키는 연결판(12)에 의하여 직렬 접속되고 단위 팩(10) 개수에 상응하게 구비되는 안착룸들에 적층 및 나열되어 실장됨으로써 A, 및 B 캐비넷을 이루고,
상기 배터리 팩 유니트(20)는,
상기 온도 센서(112)로부터 연장된 케이블(200)이 접속되어 상기 단위 팩(10)을 구성하는 각 리튬 계열 전지의 온도를 측정하고 단위 팩(10)의 직렬 접속 전압을 측정하는 온도 및 전압 측정부(202)와;
상기 온도 및 전압 측정부(202)로부터 수집된 전압 및 온도 정보를 기반으로 과충전/과방전 상태를 포함하는 각 전지의 장애 상태를 검출하는 장애 검출부(204)와;
각 전지의 충전량이 일정하지 않으면 셀 밸런싱(Cell Balancing)에 의하여 각 배터리 셀의 충전량을 일정하게 조절하는 셀 밸런싱부(206); 및
상기 온도 및 전압 측정부(202)로부터의 전압 및 온도 정보 및 상기 장애 검출부(204)로부터의 장애 상태 정보를 외부로 전달함으로써 배터리의 상태 관리 및 제어를 지원하는 것으로 단위 팩(10)의 고유 식별자 정보(208)를 저장하고 데이지 체인(Daisy Chain) 기반의 접속 환경을 제공하는 RS-485 인터페이스(210) 및 한 쌍의 RS-485 포트(212);를 포함하고,
상기 직류 전원 백업 시스템은,
한 쌍인 A 및 B 캐비넷에 각각 설치되는 것으로 RS-485 인터페이스를 사용한 데이지 체인(Daisy Chain) 기반으로 고유의 식별자 정보(208)를 가지는 각각의 배터리 팩 유니트(20)와 접속하여 상기 배터리 팩 유니트(20)로부터 전압/온도 정보 및 장애 상태를 전달받아 과충전 및 과방전 제어, 팬 회전 속도 제어, 전압 및 온도 모니터링 정보 제공을 포함하는 배터리 시스템 제어를 수행하는 배터리 매니지먼트 유니트(90, BMU: Battery Management Unit)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리 매니지먼트 유니트(90)는,
상기 배터리 팩 유니트와 RS-485 인터페이스를 사용한 데이지 체인(Daisy Chain) 기반으로 접속되어 상기 BPU의 정보를 수집하고 시스템을 제어하며, BPU의 정보 관리 및 제어 및 과방전, 과충전 검출 및 차단을 담당하고, 상기 BPU에서 검출된 전지 전압, 온도, 장애상태를 실시간으로 감지함으로써 각 리튬 이온 계열의 전지 정보를 실시간으로 파악하고, 과충전 상태시 전지를 보호하기 위한 예비 알람 발생 및 과충전 차단, 과방전 상태시 전지를 보호하기 위해 예비 알람 발생 및 과방전 차단 기능을 수행하고 과방전 상태 이외의 어떠한 상태에서도 외부 장비로 전원을 공급하도록 지원하며, BSCU에서 검출되는 전체 시스템의 전압 및 충, 방전 전류를 기반으로 과방전 전류 차단 기능 및 과충전 전류 차단 기능을 수행하는 주제어모듈인 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900, LECU : Line Element Control Unit)와;
상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)에서 관리하는 정보 및 제어를 수집하여 BMS GUI와 연동하는 기능을 담당하고, 해당 국사에 연결된 PC의 GUI와 연동하여 BMS의 상태 관리 및 제어를 지원하며, 최대 2식의 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)와 연동하여 상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)의 상태 관리 및 임계값 변경, 장애 발생 보고, 배터리 시스템 제어 기능을 제공하고, 상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)의 정보를 기반으로 전면부 표시부인 LCD(903)에게 BMS 정보를 표시할 수 있도록 각종 정보 및 장애상태를 전달하는 기능을 수행하며, BMS 관리 프로그램인 BMS GUI로 정보를 전달하고 상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)가 수집한 정보를 TCP/IP 네트워크를 통해 원격으로 운용자에게 전달하는 통신 모듈인 배터리 컨트롤 유니트(902, BCU : Battery Control Unit)와;
주제어 모듈인 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)의 고장시 전체 배터리 시스템의 전압 및 충전 전류 및 방전 전류를 검출하여 검출된 전압 및 충전 전류를 기초로 과충전 및 과방전 차단 기능을 제공하며 전체 배터리 시스템의 전압 및 전류를 관리하고 과충전 및 과방전을 검출 및 차단하는 보조 제어 모듈인 배터리 서브 콘트롤 유니트(904, BSCU : Battery Sub Control Unit); 및
배터리 컨트롤 유니트(902, BCU)와 LCD(903) 및 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900: LECU)와 배터리 서브 콘트롤 유니트(904, BSCU) 사이의 인터페이스 및 전원 공급하고 A,B 캐비넷의 배터리 매니지먼트 유니트(90, BMU) 사이에서 이중화 형태로 전원 제공하여 팩불량 장애시에도 배터리 매니지먼트 유니트(90, BMU)로부터 안정적인 전원공급을 받을수 있도록 전원 이중화를 위한 케이블이 A,B 캐비넷의 배터리 매니지먼트 유니트(90, BMU)간 결속되어 이루어지는 보드 콘트롤 인터페이스 유니트(910, BCIU : Board Control Interface Unit);를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)는,
각 전지의 온도를 기반으로 팬 속도를 제어하는 것을 팬 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 다수 개의 리튬 계열의 단전지를 단위 팩의 형태로 구성하고 상기 단위 팩마다 제어 보드인 배터리 팩 유니트를 구비시켜 리튬전지를 직접 관리하고 각 전지의 전압 및 온도를 감지하며 수집된 정보를 기반으로 과충전/과방전과 같은 각 전지의 장애 상태를 검출한다. 각 전지의 충전량이 일정하지 않으면 셀 밸런싱(Cell Balancing)의 기능으로 각 전지의 충전량을 일정하게 조절함으로써 다수 개의 리튬 계열 단전지로 구성됨에도 폭발의 위험성이 없다. 또한, 배터리 팩 유니트는 데이지 체인 기반으로 단위 팩들을 거쳐 정보 및 장애상태를 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트로 전달하고 상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트와 연동하여 배터리의 상태 관리 및 제어를 지원함으로써 배선량이 최소로 하면서도 다양한 제어 및 모니터링이 가능하여 유지보수가 용이하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에 적용되는 단위 팩 구조를 도시한 사시도,
도 2는 도 1에 도시한 단위팩의 상면도,
도 3은 도 1에 도시한 단위 팩에 구비되는 배터리 팩 유니트의 구조를 도시한 블록도,
도 4는 도 1에 도시한 단위 팩의 후면에 구비되는 배터리 팩 유니트의 구현예를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 직류 전원 백업 시스템에 구비되는 배터리 팩 유니트의 작용 효과를 설명하기 위한 도면,
도 6은 배터리 팩 유니트에 구비되는 셀 밸런싱부의 구조의 일 예를 나타낸 회로도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템을 구성하는 캐비넷 실장 구조를 도시한 사시도,
도 8은 도 7에 도시한 직류 전원 백업 시스템의 전기적인 결선 상태를 설명하기 위한 도면,
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템의 구조를 각각 전면 및 후면을 기준으로 나타낸 블록도,
도 11은 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템의 제어 흐름을 설명하기 위한 도면,
도 12는 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템을 구성하고 고유의 식별자 정보를 가지는 배터리 팩 유니트들이 RS-485 인터페이스를 사용한 데이지 체인(Daisy Chain) 기반으로 배터리 매니지먼트 유니트와 통신하는 구조를 설명하기 위한 블록도,
도 13은 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에 구비되는 배터리 매니지먼트 유니트의 세부 구조의 일예를 나타낸 블록도,
도 14는 도 13의 구조에서 각 구성 요소들이 전원을 공급받는 구조를 설명하기 위한 도면,
도 15는 도 13의 배터리 매니지먼트 유니트에 구비되는 충전부 및 방전부의 작용 효과를 설명하기 위한 블록도,
도 16은 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에서 지원하여 원격지의 컴퓨터에서 제공하는 GUI의 일예로 배전류, 온도, 및 팬 상태를 모니터링하는 화면을 나타낸 도면,
도 17은 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에서 지원하여 원격지의 컴퓨터에서 제공하는 GUI의 일예로 단위 팩의 상세 상태 정보를 모니터링하는 화면을 나타낸 도면,
도 18 및 도 19는 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에서 지원하여 원격지의 컴퓨터에서 제공하는 GUI의 일예로 시스템 상세 정보를 모니터링하는 화면을 나타낸 도면,
도 20 및 도 21은 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에서 지원하여 원격지의 컴퓨터에서 제공하는 GUI의 일예로 시스템의 제어 실행 또는 알람 제어를 설정하거나 알람 등급을 설정하는 화면을 나타낸 도면, 및
도 22는 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에서 지원하여 원격지의 컴퓨터에서 제공하는 GUI의 일예로 시스템에서 발생한 알람 또는 알람 해제와 시스템에 수행된 제어 이력을 검색하는 화면을 나타낸 도면.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 실시예에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에 적용되는 단위 팩 구조를 사시도로써 나타내었고, 도 2에는 도 1에 도시한 단위팩의 상면도를 나타내었다.
본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템은 전원을 백업하고자 하는 장치에 무정전 전압을 제공하기 위한 직류 전원 백업 시스템을 이루는 한 쌍의 캐비넷을 A 및 B라 할 때 각 A와 B 캐비넷은 다수 개의 리튬 계열 이차전지들이 직렬 접속된 복수 개의 단위 팩(10)들이 실장되고 유지보수 시 일정량의 전원을 공급할 수 있도록 A, B 캐비넷은 병렬로 접속됨으로써 A와 B 캐비넷의 전원을 공유하는 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템으로서, 상기 복수 개의 단위 팩(10)들은 도 1에 도시한 바와 같이 다수 개의 리튬이온 단전지들(100)과 상기 단전지들(100)을 수납하는 케이스(102)와, 전면을 향하여 배치되고 상기 단전지들(100)로부터의 전압을 공급하는 도전판(106)과, 상기 도전판(106)에 접속되며 전면으로 돌출된 볼트 형상의 단자(108), 및 도 2에 도시한 바와 같이 임의로 선택된 단전지의 표면에 부착되는 온도 센서(112)를 구비하고, 상기 단위 팩(10)의 후면에는 배터리 팩 유니트(20, BPU : Battery Pack Unit)가 장착되며, 좌우 또는 상하의 단위 팩(10)은 전기적으로 도통시키는 연결판(12)에 의하여 직렬 접속되고 단위 팩(10) 개수에 상응하게 구비되는 안착룸들에 적층 및 나열되어 실장됨으로써 A, 및 B 캐비넷을 이룬다.
도 3에는 도 1에 도시한 단위 팩에 구비되는 배터리 팩 유니트의 구조를 블록도로써 나타내었으며, 도 4에는 도 1에 도시한 단위 팩의 후면에 구비되는 배터리 팩 유니트의 구현예를 나타내었다. 도 3 및 도 4는 참조하면 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에 구비되는 단위 팩에는 상기 배터리 팩 유니트(20)이 구비되며, 상기 배터리 팩 유니트(20)는 상기 온도 센서로부터 연장된 케이블(200)이 접속되어 상기 단위 팩(10)을 구성하는 각 리튬 계열 전지의 온도를 측정하고 단위 팩(10)의 직렬 접속 전압을 측정하는 온도 및 전압 측정부(202)와, 상기 온도 및 전압 측정부(202)로부터 수집된 전압 및 온도 정보를 기반으로 과충전/과방전 상태를 포함하는 각 전지의 장애 상태를 검출하는 장애 검출부(204)와, 각 전지의 충전량이 일정하지 않으면 셀 밸런싱(Cell Balancing)에 의하여 각 배터리 셀의 충전량을 일정하게 조절하는 셀 밸런싱부(206), 및 상기 온도 및 전압 측정부(202)로부터의 전압 및 온도 정보 및 상기 장애 검출부(204)로부터의 장애 상태 정보를 외부로 전달함으로써 배터리의 상태 관리 및 제어를 지원하는 것으로 단위 팩(10)의 고유 식별자 정보(208)를 저장하고 데이지 체인(Daisy Chain) 기반의 접속 환경을 제공하는 RS-485 인터페이스(210) 및 한 쌍의 RS-485 포트(212)를 포함한다.
도 5에는 본 발명에 따른 직류 전원 백업 시스템에 구비되는 배터리 팩 유니트의 작용 효과를 설명하기 위한 도면을 나타내었다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 직류 전원 백업 시스템에 구비되는 배터리 팩 유니트(20)는 단위 팩(10)의 후면에 장착되어 배터리 전압, 온도를 센싱하여 배터리 매니지먼트 유니트(90)에 정보를 제공한다.
도 6에는 배터리 팩 유니트에 구비되는 셀 밸런싱부의 구조의 일 예를 회로도로써 나타내었다. 도 6을 참조하면, 각각의 셀의 충전량에 따라 충전전류를 조절하여 충전량이 높은 셀의 충전전류를 조절하여 충전량이 낮은 셀에 더 많은 전류를 공급하게 된다.
도 7에는 본 발명의 실시예에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템을 구성하는 캐비넷 실장 구조를 사시도로써 나타내었으며, 도 8에는 도 7에 도시한 직류 전원 백업 장치의 전기적인 결선 상태를 설명하기 위한 도면을 나타내었다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템은 단위 팩이 연결판(12)에 의하여 단위 팩(10)들이 직렬 접속되어 전압이 승압된다.
도 9 및 도 10에는 본 발명의 실시예에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템의 구조를 각각 전면 및 후면을 기준으로 나타내었다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템은 전원을 백업하고자 하는 장치에 무정전 전압을 제공하기 위한 직류 전원 백업 시스템을 이루는 한 쌍의 캐비넷을 A 및 B라 할 때 각 A와 B 캐비넷은 다수 개의 리튬 계열 이차전지들이 직렬 접속된 복수 개의 단위 팩(10)들이 실장되고 유지보수 시 일정량의 전원을 공급할 수 있도록 A, B 캐비넷은 병렬로 접속됨으로써 A와 B 캐비넷의 전원을 공유하는 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템으로서, 한 쌍인 A 및 B 캐비넷에 각각 설치되는 것으로 RS-485 인터페이스를 사용한 데이지 체인(Daisy Chain) 기반으로 도 3에 도시한 바와 같이 딥 스위치(DIP SW)와 같은 하드웨어를 사용하는 것과 같은 방법으로 고유의 식별자 정보(208)를 가지는 각각의 배터리 팩 유니트(20)와 접속하여 상기 배터리 팩 유니트(20)로부터 전압/온도 정보 및 장애 상태를 전달받아 단위 팩(10)들의 과충전 및 과방전 제어, 팬 회전 속도 제어, 전압 및 온도 모니터링 정보 제공을 포함하는 배터리 시스템 제어를 수행하는 배터리 매니지먼트 유니트(90, BMU: Battery Management Unit)을 구비한다.
도 11에는 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템의 제어 흐름을 설명하기 위한 도면을 나타내었다. 도 11을 참조하면 배터리 매니지먼트 유니트(90, BMU: Battery Management Unit)은 주제어모듈인 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900, LECU : Line Element Control Unit)과, 배터리 컨트롤 유니트(902, BCU : Battery Control Unit), 및 보조 제어 모듈인 배터리 서브 콘트롤 유니트(904, BSCU : Battery Sub Control Unit)를 구비한다.
라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900, LECU)은 상기 배터리 팩 유니트와 RS-485 인터페이스를 사용한 데이지 체인(Daisy Chain) 기반으로 접속되어 상기 BPU의 정보를 수집하고 시스템을 제어하며, BPU의 정보 관리 및 제어 및 과방전, 과충전 검출 및 차단을 담당하고, 상기 BPU에서 검출된 전지 전압, 온도, 장애상태를 실시간으로 감지함으로써 각 리튬 이온 계열의 전지 정보를 실시간으로 파악하고, 과충전 상태시 전지를 보호하기 위한 예비 알람 발생 및 과충전 차단, 과방전 상태시 전지를 보호하기 위해 예비 알람 발생 및 과방전 차단 기능을 수행하고 과방전 상태 이외의 어떠한 상태에서도 외부 장비로 전원을 공급하도록 지원하며, BSCU에서 검출되는 전체 시스템의 전압 및 충, 방전 전류를 기반으로 과방전 전류 차단 기능 및 과충전 전류 차단 기능을 수행한다. 또한, 상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(LECU)에서는 상기 배터리 팩 유니트(BPU)에서 측정된 각 전지의 온도를 기반으로 팬(FAN)을 가동하여 전지들에게 최적의 온도 상태를 제공하는 기능을 한다. 즉, A 및 B 캐비넷의 병렬 연결 및 제어에 의하여 외부로 공급할 수 있는 전원이 있는 경우, 예컨대, 과방전 상태가 아닌 경우에는 어떠한 상황에서도 외부 장비로 전원을 안정적으로 공급한다.
배터리 컨트롤 유니트(902, BCU)은 상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900, LECU)에서 관리하는 정보 및 제어를 수집하여 BMS GUI와 연동하는 기능을 담당하고, 해당 국사에 연결된 PC의 GUI와 연동하여 BMS의 상태 관리 및 제어를 지원하며, 최대 2식의 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)와 연동하여 상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)의 상태 관리 및 임계값 변경, 장애 발생 보고, 배터리 시스템 제어 기능을 제공하고, 상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)의 정보를 기반으로 전면부 표시부인 LCD(903)에게 BMS 정보를 표시할 수 있도록 각종 정보 및 장애상태를 전달하는 기능을 수행한다. 또한, 배터리 컨트롤 유니트(902, BCU)은 TCP/IP 통신 인터페이스를 구비하여 상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900: LECU)가 수집한 정보를 TCP/IP 네트워크를 통해 BMS 관리 프로그램인 BMS GUI로 정보를 전달함으로써 원격에 위치하는 해당 국사의 운용자가 모니터링할 수 있다.
배터리 서브 콘트롤 유니트(904, BSCU)은 주제어 모듈인 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900: LECU)의 고장시 전체 배터리 시스템의 전압 및 충전 전류 및 방전 전류를 검출하여 검출된 전압 및 충전 전류를 기초로 과충전 및 과방전 차단 기능을 제공하며 전체 배터리 시스템의 전압 및 전류를 관리하고 과충전 및 과방전을 검출 및 차단한다.
위에서와 같이 본 발명에 따르면 주 제어 장치인 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900: LECU)가 고장시에는 각 전지들이 보호되지 않음을 감안하여 배터리 서브 콘트롤 유니트(904, BSCU)에서 단위 팩 단위의 전압 및 전류가 아닌 시스템 전체 전압 및 전류 상태를 기반으로 과충전 및 과방전을 차단한다는 것에 주목할 필요가 있다.
도 12에는 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템을 구성하고 고유의 식별자 정보를 가지는 배터리 팩 유니트들이 RS-485 인터페이스를 사용한 데이지 체인(Daisy Chain) 기반으로 배터리 매니지먼트 유니트와 통신하는 구조를 설명하기 위한 블록도를 나타내었다. 도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템은 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템을 구성하고 고유의 식별자 정보를 가지는 배터리 팩 유니트들이 RS-485 인터페이스를 사용한 데이지 체인(Daisy Chain) 기반으로 배터리 매니지먼트 유니트와 통신함으로써 연결 케이블이 간소화되어 유지보수가 용이하다.
도 13에는 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에 구비되는 배터리 매니지먼트 유니트(90)의 세부 구조의 일예를 블록도로써 나타내었다. 도 13을 참조하면, 배터리 매니지먼트 유니트(90)은 배터리 컨트롤 유니트(902, BCU)와 LCD(903) 및 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900: LECU)와 배터리 서브 콘트롤 유니트(904, BSCU) 사이의 인터페이스 및 전원 공급하고 A,B 캐비넷의 배터리 매니지먼트 유니트(90, BMU) 사이에서 이중화 형태로 전원 제공하여 팩불량 장애시에도 배터리 매니지먼트 유니트(90, BMU)로부터 안정적인 전원공급을 받을수 있도록 전원 이중화를 위한 케이블이 A,B 캐비넷의 배터리 매니지먼트 유니트(90, BMU)간 결속되어 이루어지는 보드 콘트롤 인터페이스 유니트(910, BCIU : Board Control Interface Unit)을 포함한다. 즉, 보드 콘트롤 인터페이스 유니트(910, BCIU)은 도 14에 도시한 바와 같이 DC/DC 변환부로부터 전원 전압을 공급받아 각 구성 요소들에게 동작 전원을 공급하며, 배터리 컨트롤 유니트(902)와 LCD(903) 사이의 인터페이스 및 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900: LECU)와 배터리 서브 콘트롤 유니트(904, BSCU) 사이의 인터페이스를 담당한다.
배터리 서브 콘트롤 유니트(904, BSCU)는 주제어모듈인 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)의 고장시 전체 배터리 시스템의 전압(Volt Sense#1, Volt Sense #2) 및 충전 전류 및 방전 전류를 검출하여 검출된 전압 및 충전 전류를 기초로 충전 제어 신호(Charge Control) 또는 방전 제어 신호(Discharge Control)를 출력하여 충전부(920) 및 방전부(922)에서 충전 또는 방전을 수행하도록 함으로써 과충전 및 과방전 차단 기능을 제공하며 전체 배터리 시스템의 전압 및 전류를 관리한다.
본 발명에 따르면 단위 팩마다 배터리 팩 유니트(BPU, 20)를 구비시켜 리튬전지를 직접 관리하며, 각 전지의 전압 및 온도를 감지하며 수집된 정보를 기반으로 과충전/과방전과 같은 각 전지의 장애 상태를 검출하고 각 전지의 충전량이 일정하지 않으면 셀 밸런싱(Cell Balancing)의 기능으로 각 전지의 충전량을 일정하게 조절함으로써 다수 개의 리튬 계열 단전지로 구성됨에도 폭발의 위험성이 없다. 또한, 배터리 팩 유니트(BPU, 20)는 데이지 체인 기반으로 단위 팩(10)들을 거쳐 정보 및 장애상태를 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(LECU)로 전달하고 상기 LECU와 연동하여 배터리의 상태 관리 및 제어를 지원함으로써 배선량이 최소화되고 유지보수가 용이하다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 직류 전원 백업 시스템은 직 병렬 구조로 구성되어 각 전지의 전압을 측정할 수 있는 구조로 구성되어 있으며 유지보수 시 일정량의 전원을 공급할 수 있도록 A, B 병렬 구조로 구성되어 A와 B의 BMS의 전원을 공유하는 것이 가능하므로 전지 불량 시에도 관리할 수 있다.
도 15에는 도 13의 배터리 매니지먼트 유니트에 구비되는 충전부 및 방전부의 작용 효과를 설명하기 위한 블록도를 나타내었다. 도 15를 참조하면, 충전부(920)와 방전부(922)를 분리하여 과충전 차단시에도 시스템을 위한 정상적인 백업이 가능하다는데 주목할 필요가 있다.
한편, 위에서 설명한 바와 같이 해당 국사의 컴퓨터내에 저장되는 프로그램 코드들이 중앙처리장치(CPU)에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 구현되는 GUI 프로그램 모듈에 의하여 상기 컴퓨터의 화면상에 GUI가 얻어진다. 도 16에 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에서 지원하여 원격지의 컴퓨터에서 제공하는 GUI의 일예로 배전류, 온도, 및 팬 상태를 모니터링하는 화면을 나타내었다. 도 16을 참조하면, 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에서 지원하여 원격지의 컴퓨터에서 제공하는 GUI는 메인 화면으로서 화면상의 제1 영역(1602)에 전체 그룹과 배터리 시스템의 트리 계위를 표시하도록 하는 단계와, 배터리팩 유니트(BPU)의 고유 정보를 사용하여 제2 영역(1604)에 배터리 시스템 뷰를 표시하도록 하는 단계를 수행하는 프로그램 모듈에 의하여 얻어진다. 또한 알람과 최근 이력 관리 리스트를 확인할 수 있는 선택 컬럼을 제공한다.
도 17에는 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에서 지원하여 원격지의 컴퓨터에서 제공하는 GUI의 일예로 단위 팩의 상세 상태 정보를 모니터링하는 화면을 나타내었다. 도 17을 참조하면, 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에서 지원하여 원격지의 컴퓨터에서 제공하는 GUI는 시스템 뷰에서 표시되는 전체 단위 팩들 중에서 하나의 단위 팩을 클릭하면 해당 팩의 상세한 정보창을 표시하는 단계를 수행하는 프로그램 모듈에 의하여 얻어진다. 예컨데 화면상의 제3 영역(1702)에 팩의 연결 실패 알람 발생시 알람 상태임을 표시하는 단계와, 화면상의 제4 영역(1704)에 특정 단위 팩의 온도 정보와 알람 발생시 알람 상태임을 표시하는 단계와, 화면상의 제5 영역(1706)에 시리얼 전압, 잔량 정보, 및 알람 발생시 알람 상태임을 표시하는 단계를 수행하는 GUI 프로그램 모듈에 의하여 얻어질 수 있다.
도 18 및 도 19에는 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에서 지원하여 원격지의 컴퓨터에서 제공하는 GUI의 일예로 시스템 상세 정보를 모니터링하는 화면을 나타내었다. 도 18 및 도 19를 참조하면, 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에서 지원하여 원격지의 컴퓨터에서 제공하는 GUI는 화면상의 제6 영역(1802)상에 선택한 시스템의 A, B 평균 전압과 전류 정보를 표시하는 단계와, 화면상의 제7 영역(1804)상에 선택한 시스템의 A 또는 B의 전압, 전류, 온도, 및 팬 회전 속도 정보를 표시하는 단계와, 화면상의 제8 영역(1806) 상에 선택한 시스템의 A 또는 B의 알람 정보를 표시하는 단계와, 화면상의 제9 영역(1808) 상에 선택한 시스템의 A 또는 B의 전압, 잔량, 온도의 상태 정보를 표시하는 단계, 및 화면상의 제10 영역(1810) 상에 선택한 시스템의 A 또는 B의 상세 정보를 표시하기 위한 버튼을 표시하는 단계를 수행하는 GUI 프로그램 모듈에 의하여 얻어질 수 있다. 상기 버튼을 클릭하면 GUI 프로그램 모듈은 도 19에 도시한 바와 같이 화면상의 제11 영역(1902) 및 제12 영역(1904) 상에 각각 A 캐비넷과 B 캐비넷의 최고 온도, 최저 온도, 최고 전압, 최저 전압을 포함하는 상세 정보를 표시하는 단계를 수행한다.
도 20 및 도 21에는 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에서 지원하여 원격지의 컴퓨터에서 제공하는 GUI의 일예로 시스템의 제어 실행 또는 알람 제어를 설정하거나 알람 등급을 설정하는 화면을 나타내었다. 도 20 및 도 21을 참조하면, GUI 프로그램 모듈은 화면상의 제13, 14, 및 15 영역(2002, 2004, 2006)에 각각 시스템의 제어 실행 또는 알람을 실행하기 위한 임계값을 설정하거나 화면상의 제16 영역(2102)에 알람 등급을 설정하는 선택 및 입력 화면을 표시하는 단계를 수행한다.
도 22에는 본 발명에 따른 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에서 지원하여 원격지의 컴퓨터에서 제공하는 GUI의 일예로 시스템에서 발생한 알람 또는 알람 해제와 시스템에 수행된 제어 이력을 검색하는 화면을 나타내었다. 도 22를 참조하면, 시스템에서 발생한 알람 또는 알람 해제와 시스템에서 수행된 제어 이력을 화면상에 표시하는 단계를 수행함으로써 운용자가 필요에 따라 검색할 수 있도록 한다.
A, B : 한 쌍의 캐비넷
10 : 단위 팩
100 : 리튬이온 단전지들 102 : 케이스
106 : 도전판 108 : 단자
112 : 온도 센서
20 : 배터리 팩 유니트(BPU)
12 : 연결판
202 : 온도 및 전압 측정부 204 : 장애 검출부
206 : 셀 밸런싱부 208 : 고유 식별자 정보(DIP SW)
210 : RS-485 인터페이스 212 : 한 쌍의 RS-485 포트
90 : 배터리 매니지먼트 유니트(BMU)
900 : 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(LECU)
902 : 배터리 컨트롤 유니트(BCU)
904 : 배터리 서브 콘트롤 유니트(BSCU)
910 : 보드 콘트롤 인터페이스 유니트(BCIU)

Claims (3)

  1. 전원을 백업하고자 하는 장치에 무정전 전압을 제공하기 위한 직류 전원 백업 시스템을 이루는 한 쌍의 캐비넷을 A 및 B라 할 때 각 A와 B 캐비넷은 다수 개의 리튬 계열 이차전지들이 직렬 접속된 복수 개의 단위 팩(10)들이 실장되고 유지보수 시 일정량의 전원을 공급할 수 있도록 A, B 캐비넷은 병렬로 접속됨으로써 A와 B 캐비넷의 전원을 공유하는 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템에 있어서,
    상기 복수 개의 단위 팩(10)들은 다수 개의 리튬이온 단전지들(100)과 상기 단전지들(100)을 수납하는 케이스(102)와, 전면을 향하여 배치되고 상기 단전지들(100)로부터의 전압을 공급하는 도전판(106)과, 상기 도전판(106)에 접속되며 전면으로 돌출된 볼트 형상의 단자(108), 및 임의로 선택된 단전지의 표면에 부착되는 온도 센서(112)를 구비하고, 상기 단위 팩(10)의 후면에는 배터리 팩 유니트(20, BPU : Battery Pack Unit)가 장착되며, 좌우 또는 상하의 단위 팩(10)은 전기적으로 도통시키는 연결판(12)에 의하여 직렬 접속되고 단위 팩(10) 개수에 상응하게 구비되는 안착룸들에 적층 및 나열되어 실장됨으로써 A, 및 B 캐비넷을 이루고,
    상기 배터리 팩 유니트(20)는,
    상기 온도 센서(112)로부터 연장된 케이블(200)이 접속되어 상기 단위 팩(10)을 구성하는 각 리튬 계열 전지의 온도를 측정하고 단위 팩(10)의 직렬 접속 전압을 측정하는 온도 및 전압 측정부(202)와; 상기 온도 및 전압 측정부(202)로부터 수집된 전압 및 온도 정보를 기반으로 과충전/과방전 상태를 포함하는 각 전지의 장애 상태를 검출하는 장애 검출부(204)와; 각 전지의 충전량이 일정하지 않으면 셀 밸런싱(Cell Balancing)에 의하여 각 배터리 셀의 충전량을 일정하게 조절하는 셀 밸런싱부(206); 및 상기 온도 및 전압 측정부(202)로부터의 전압 및 온도 정보 및 상기 장애 검출부(204)로부터의 장애 상태 정보를 외부로 전달함으로써 배터리의 상태 관리 및 제어를 지원하는 것으로 단위 팩(10)의 고유 식별자 정보(208)를 저장하고 데이지 체인(Daisy Chain) 기반의 접속 환경을 제공하는 RS-485 인터페이스(210) 및 한 쌍의 RS-485 포트(212);를 포함하고,
    상기 직류 전원 백업 시스템은,
    한 쌍인 A 및 B 캐비넷에 각각 설치되는 것으로 RS-485 인터페이스를 사용한 데이지 체인(Daisy Chain) 기반으로 고유의 식별자 정보(208)를 가지는 각각의 배터리 팩 유니트(20)와 접속하여 상기 배터리 팩 유니트(20)로부터 전압/온도 정보 및 장애 상태를 전달받아 과충전 및 과방전 제어, 팬 회전 속도 제어, 전압 및 온도 모니터링 정보 제공을 포함한 배터리 시스템 제어를 수행하는 배터리 매니지먼트 유니트(90, BMU: Battery Management Unit)을 포함하며,
    상기 배터리 매니지먼트 유니트(90)는,
    상기 배터리 팩 유니트와 RS-485 인터페이스를 사용한 데이지 체인(Daisy Chain) 기반으로 접속되어 상기 BPU의 정보를 수집하고 시스템을 제어하며, BPU의 정보 관리 및 제어 및 과방전, 과충전 검출 및 차단을 담당하고, 상기 BPU에서 검출된 전지 전압, 온도, 장애상태를 실시간으로 감지함으로써 각 리튬 이온 계열의 전지 정보를 실시간으로 파악하고, 과충전 상태시 전지를 보호하기 위한 예비 알람 발생 및 과충전 차단, 과방전 상태시 전지를 보호하기 위해 예비 알람 발생 및 과방전 차단 기능을 수행하고 과방전 상태 이외의 어떠한 상태에서도 외부 장비로 전원을 공급하도록 지원하며, BSCU에서 검출되는 전체 시스템의 전압 및 충, 방전 전류를 기반으로 과방전 전류 차단 기능 및 과충전 전류 차단 기능을 수행하는 주제어모듈인 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900, LECU : Line Element Control Unit);
    상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)에서 관리하는 정보 및 제어를 수집하여 BMS GUI와 연동하는 기능을 담당하고, 해당 국사에 연결된 PC의 GUI와 연동하여 BMS의 상태 관리 및 제어를 지원하며, 최대 2식의 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)와 연동하여 상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)의 상태 관리 및 임계값 변경, 장애 발생 보고, 배터리 시스템 제어 기능을 제공하고, 상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)의 정보를 기반으로 전면부 표시부인 LCD(903)에게 BMS 정보를 표시할 수 있도록 각종 정보 및 장애상태를 전달하는 기능을 수행하며, BMS 관리 프로그램인 BMS GUI로 정보를 전달하고 상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)가 수집한 정보를 TCP/IP 네트워크를 통해 원격으로 운용자에게 전달하는 통신 모듈인 배터리 컨트롤 유니트(902, BCU : Battery Control Unit);
    주제어 모듈인 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)의 고장시 전체 배터리 시스템의 전압 및 충전 전류 및 방전 전류를 검출하여 검출된 전압 및 충전 전류를 기초로 과충전 및 과방전 차단 기능을 제공하며 전체 배터리 시스템의 전압 및 전류를 관리하고 과충전 및 과방전을 검출 및 차단하는 보조 제어 모듈인 배터리 서브 콘트롤 유니트(904, BSCU : Battery Sub Control Unit); 및
    배터리 컨트롤 유니트(902, BCU)와 LCD(903) 및 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900: LECU)와 배터리 서브 콘트롤 유니트(904, BSCU) 사이의 인터페이스 및 전원 공급하고 A,B 캐비넷의 배터리 매니지먼트 유니트(90, BMU) 사이에서 이중화 형태로 전원 제공하여 팩불량 장애시에도 배터리 매니지먼트 유니트(90, BMU)로부터 안정적인 전원공급을 받을수 있도록 전원 이중화를 위한 케이블이 A,B 캐비넷의 배터리 매니지먼트 유니트(90, BMU)간 결속되어 이루어지는 보드 콘트롤 인터페이스 유니트(910, BCIU : Board Control Interface Unit);를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 라인 엘리먼트 콘트롤 유니트(900)는,
    각 전지의 온도를 기반으로 팬 속도를 제어하는 것을 팬 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬계열 단전지를 사용한 직류 전원 백업 시스템.
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