KR100534701B1 - 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머전지 시스템 - Google Patents

Abstract

연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템이 개시된다. 개시된 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템은, 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 보조 동력원으로 이용되도록 다수 개의 리튬 이온 폴리머 전지 셀이 적층되어 이루어진 전지 팩과; 상기 전지 셀의 충방전시 상기 전지 셀의 온도를 감지하는 서미스터와; 상기 서미스터로부터 감지된 온도를 수신하여 읽고, 읽은 온도가 일정 온도 이하인 경우 상기 전지 셀에 충방전을 실시하면 상기 전지 셀의 내부 온도를 상승시키는 DC/DC 컨버터 및 레지스터가 배치된 BMS;를 포함하고, 이때, 상기 DC/DC 컨버터 및 상기 레지스터는 휴지기간 동안에는 상기 전지 셀의 전압 편차를 제어하도록 구비된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 저온시 전지 셀의 내부 온도를 상승시켜 출력 성능을 향상시킬 수 있고, 전지의 전력 제한치를 늘릴 수 있어 차량 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템{LITHIUM-ION POLYMER BATTERY SYSTEM FOR FUEL CELL HYBRID ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저온시 충방전을 실시하여 출력 성능을 향상시키기 위한 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템에 관한 것이다.

최근 하이브리드 전기자동차(HEV; Hybrid Electric Vehicle)의 보조 동력원으로써 리튬 이온 폴리머 전지 시스템에 대한 개발이 진행되어 지고 있다. 이 리튬 이온 폴리머 전지는 Ni-MH(니켈-금속수소) 전지에 비해 전압이 3배 이상 높으며, 상온에서 출력이 매우 높은 것으로 알려져 있다.

따라서 고출력 고밀도 전지인 리튬 이온 폴리머 전지는 자동차 패키징 및 출력 특성을 보완할 수 있는 전지로 개발이 진행되어지고 있다.

연료 전지 하이브리드 전기자동차(FCHEV)는 주동력원으로 스택(stack)을 사용하며, 보조 동력원으로 리튬 이온 폴리머 전지 시스템을 사용하게 된다. 리튬 이온 폴리머 전지 시스템은 리튬 이온 폴리머 전지의 직렬/병렬로 연결되어 원하는 전압 범위 및 전지 용량을 가지게 되며, 전지 관리를 위해 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 BMS라 함), 퓨즈, 안전 스위치 등이 있고, 차량과의 인터페이스(interface)를 위해 릴레이(relay)와 케이블 커넥터들로 구성되어 있다.

그리고 연료 전지 하이브리드 전기자동차는 주동력원인 스택에 의해 구동시 가속, 출발 등에 리튬 이온 폴리머 전지 시스템의 동력을 합하여 모터를 구동하게 되어 있다.

또한 리튬 이온 폴리머 전지 시스템의 출력 성능은 상온(25℃)을 기준할 때 Ni-MH의 출력이 20kW인 것에 대하여 리튬 이온 폴리머 전지는 27kW로 출력 성능이 매우 우수하다. 따라서 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 가속 성능 및 최고속도 등에 좋은 영향을 끼칠 수 있다.

그런데, 상기한 리튬 이온 폴리머 전지는 저온, 즉 -20℃ 이하에서는 전지 출력이 상온 대비 약 16%(4.4kW/27kW)정도로 매우 낮은 값을 나타낸다. 이는 리튬 이온 폴리머 전지 내의 저온시 이온 전도도가 급격하게 떨어지고, 전하 이동 저항(charge transfer resistance)이 증가하기 때문인 것으로 알려져 있다.

따라서 이러한 출력 성능 저하로 인하여 연료 전지 하이브리드 전기자동차에 보조 동력원인 리튬 이온 폴리머 전지 시스템은 초기 시동(start-up)에 따르는 출력 성능을 발휘할 수 없게 되어 차량 운전에 매우 큰 영향을 끼치게 될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 저온시 충방전을 실시하여 출력 성능을 향상시키도록 한 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템은, 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 보조 동력원으로 이용되도록 다수 개의 리튬 이온 폴리머 전지 셀이 적층되어 이루어진 전지 팩과; 상기 전지 셀의 충방전시 상기 전지 셀의 온도를 감지하는 서미스터와; 상기 서미스터로부터 감지된 온도를 수신하여 읽고, 읽은 온도가 일정 온도 이하인 경우 상기 전지 셀에 충방전을 실시하면 상기 전지 셀의 내부 온도를 상승시키는 DC/DC 컨버터 및 레지스터가 배치된 BMS;를 포함하고, 이때, 상기 DC/DC 컨버터 및 상기 레지스터는 휴지기간 동안에는 상기 전지 셀의 전압 편차를 제어하도록 구비된 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템은, 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 보조 동력원으로 이용되도록 다수 개의 리튬 이온 폴리머 전지 셀(이하, 전지 셀이라 함)(10)이 적층되어 이루어진 전지 팩과, 상기 전지 셀(10)의 충방전시 전지 셀(10)의 온도를 감지하는 서미스터(thermistor)(20)와, 이 서미스터(20)로부터 감지된 온도를 수신하여 읽고, 읽은 온도가 일정 온도 이하인 경우 전지 셀(10)에 충방전을 실시하면 전지 셀(10)의 내부 온도를 상승시키도록 구비되는 DC/DC 컨버터(converter)(31) 및 레지스터(resistor)(32)가 배치된 BMS(30)를 포함하여 구성된다.

상기에서 일정 온도는 -10℃이고, 이 일정 온도 이상에서는 충방전 구동을 정지한다.

그리고 상기 DC/DC 컨버터(31) 및 레지스터(32)는 휴지기간 동안에는 전지 셀(10)의 전압 편차를 제어하도록 구비된다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도면을 다시 참조하면, 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템은, 리튬 이온 폴리머 전지 시스템의 저온시 출력 성능을 개선하도록 구비된 것이다. 이를 위해 상기 BMS(30)의 하드웨어(H/W) 상에 DC/DC 컨버터(31)와 레지스터(32)를 장착한다.

한편, 리튬 이온 폴리머 전지는 Ni-MH 전지와 달리 파우치(pouch)형 패키지로 되어 있으며, 전지 두께가 5mm 미만의 얇은 전지 셀(10)로 이루어져 있다. 전지 내부는 하이브리드 전기자동차용 전지 특성상 고출력을 필요로 하기 때문에 전지 표면적은 넓고 두께는 얇게 활물질이 도포되어 있다.

이러한 리튬 이온 폴리머 전지의 특성으로 인해 전지에 충방전을 하게 되면 전지 내부의 온도 변화가 쉽게 일어난다. 따라서 외부 온도가 저온일 때 전지 셀(10)에 충방전을 가하게 되면 전지 내부의 온도가 올라가게 되고 전지 내부의 온도 상승에 따라 이온 전도도는 다시 회복되어지게 되어 전지의 출력 성능은 향상되게 된다.

본 발명에 따른 시스템은 이러한 전지 셀(10)의 특성을 활용하여 외부 온도가 저온시에 연료 전지 하이브리드 차량이 키온(key on)되면 전지 셀(10)에 충방전 효과를 줌으로써 출력 성능을 개선하여 원하는 출력을 사용하도록 하였다.

이를 보다 구체적으로 설명한다.

차량의 키온시 외부온도 및 전지 팩 내부의 온도를 서미스터(20)에 의해 감지하고 이를 BMS(30)에 보내게 되면, 일정 온도(-10℃) 이하에서는 BMS(30) 하드웨어 상에 DC/DC 컨버터(31)와 레지스터(32)를 활용하여 전지 충방전을 실시하도록 한다.

반면, 상기한 일정 온도(-10℃) 이하로 상승시에 출력을 사용할 수 있도록 한다.

상기 DC/DC 컨버터(31) 및 레지스터(32)는 BMS(30)의 제어기 신호를 받아 수 차례의 충방전이 가능하도록 구비되어 있으며, 이러한 충방전에 따른 전지 셀(10)의 온도는 다시 서미스터(20)에 의해 감지되고 이를 BMS(30)에 보내어지게 된다. 충방전 회수는 BMS(30)를 통해 읽혀진 온도가 10℃ 이상이 되면 충방전 구동은 정지하게 된다.

이렇게 상승된 온도하에 구동모터에 전지의 출력이 보조 동력으로 사용되어지게 되며, 온도 상승 후에 DC/DC 컨버터(31) 및 레지스터(32)는 전지 팩을 사용하지 않는 휴지기간 동안에 전지 셀(10) 전압 편차를 제어하는 데에도 사용한다.

첨부된 도 2에는 -30℃에서 방전용량을 시험한 것을 그래프로 나타내 보인 것이다.

도시된 바와 같이, 저온시 전지 셀(10)에 충방전을 실시하면 전지 셀(10)의 내부 온도의 상승에 따라 출력 성능이 향상됨을 보인다. 즉, 도 2 그래프 원내(A)와 같이 전지 셀(10)의 내부 온도 상승에 따라 전압이 상승되어 출력 성능이 향상된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.

저온시 전지 셀의 내부 온도를 상승시켜 출력 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고 전지의 전력 제한치를 늘릴 수 있어 차량 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타내 보인 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 시스템을 이용하여 -30℃에서 방전용량을 시험한 것을 나타내 보인 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10. 전지 셀

20. 서미스터

30. BMS

31. DC/DC 컨버터

32. 레지스터

Claims (3)

1. 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 보조 동력원으로 이용되도록 다수 개의 리튬 이온 폴리머 전지 셀이 적층되어 이루어진 전지 팩과;

   상기 전지 셀의 충방전시 상기 전지 셀의 온도를 감지하는 서미스터와;

   상기 서미스터로부터 감지된 온도를 수신하여 읽고, 읽은 온도가 일정 온도 이하인 경우 상기 전지 셀에 충방전을 실시하면 상기 전지 셀의 내부 온도를 상승시키는 DC/DC 컨버터 및 레지스터가 배치된 BMS;를 포함하고,

   이때, 상기 DC/DC 컨버터 및 상기 레지스터는 휴지기간 동안에는 상기 전지 셀의 전압 편차를 제어하도록 구비된 것을 특징으로 하는 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 일정 온도는 -10℃이고, 상기 일정 온도 이상에서는 충방전 구동을 정지하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템.
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