KR101178102B1

KR101178102B1 - 축전지 충방전 관리 장치 및 그 운용방법

Info

Publication number: KR101178102B1
Application number: KR1020100040935A
Authority: KR
Inventors: 오세웅; 장호석; 정광용; 남긍현
Original assignee: 세방전지(주)
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2012-08-29
Also published as: KR20110121367A

Abstract

본 발명은 축전지의 전류, 전압, 온도를 감시하여 충전 및 방전을 제어하고 축전지의 현재 상태를 데이터로 출력하는 축전지 충방전 관리 장치 및 그 운용방법에 관한 것으로, 축전지에 부동충전 방식으로 충전전압을 공급하는 충전기, 축전지의 전압, 전류, 온도를 검출하고 단위 시간으로 분석과 연산하여 전력소자를 온오프 제어하며 온도보상하고 축전지에 열폭주 현상이 발생하지 않도록 충전전압의 공급을 관리하며 축전지의 현재 상태를 데이터로 출력하는 제어부, 제어부에 접속하여 열폭주 현상이 발생하지 않는 상태로 충전하고 방전하는 축전지 및 충전기와 제어부 사이에 접속하여 축전지의 방전전압을 출력하는 단자부를 포함하는 구성을 특징으로 하여, 니켈수소와 니켈카드늄 및 리튬계열의 축전지를 충전하면서 전압, 전류, 온도를 실시간 감시하므로 열폭주 현상이 발생하지 않고 최적의 상태로 안전하게 충전하며, 최적 충전상태로 유지하고 관리 및 운용하는 효과가 있다.

Description

축전지 충방전 관리 장치 및 그 운용방법{A battery charging discharging management system and operating method thereof}

본 발명은 산업용 축전지의 충전 및 방전을 제어하는 것으로 보다 상세하게는 축전지의 전류, 전압, 온도를 감시하여 충전 및 방전을 제어하고 축전지의 현재 상태를 데이터로 출력하는 축전지 충방전 관리 장치 및 그 운용방법에 관한 것이다.

일반적인 산업용 축전지(rechargeable battery)는 납산축전지(lead acid battery)로 이루어지고, 이러한 축전지를 충전하는 방식에는 고정된 전압을 이용하는 부동충전(floating charging) 방식으로 충전하는 것이 일반적이다.

축전지는 충전(charging)된 전류를 방전(discharge)에 의하여 공급하고, 방전이 진행됨에 따라 내부전압의 전압강하(voltage drop)가 발생하며, 내부전압이 설정된 최저 전압이 될 때까지 방전하고, 허용된 최저 전압이 되기 전에 다시 충전하며 다시 방전에 의하여 전류를 공급하는 과정이 허용된 횟수 동안 반복하므로 반복 재사용이 가능한 배터리(battery)이다.

이러한 축전지를 이(2)차 전지(secondary battery)라 하고, 이하 본 발명의 설명에서는 축전지라고 하기로 하며, 사용되는 전해질 및 양극(+)과 음극(-)으로 사용되는 재료에 의하여 일례로 납(PbO2-Pb), 니켈수소(Ni-MH), 니켈카드늄(Ni-Cd), 리튬이온(LIB), 리튬폴리머(LPB), 리튬이온폴리머(LIPB), 니켈철(NiOOH-Fe), 니켈아연(NiOOH-Zn), 산화은-아연(AgO-Zn), 산화은-카드늄(AgO-Cd), 나트륨-황, 나트륨-금속염화물(FeCl2-Na), 아연-염소(Br2-Zn), 아연-브롬(Be2-Zn), 알루미늄-공기(O2-Al), 니켈-수소(NiOOH-H2), 리튬 2차(고분자-Li) 축전지 등으로 호칭된다.

이하의 설명에서 리튬을 사용하는 모든 축전지를 리튬 계열 축전지라 하기로 한다.

축전지는 완전 방전하는 경우, 즉 과방전(over-discharge)하면 전기적으로 복구 불가능하게 파괴될 수 있으므로, 축전지의 수명연장을 위하여 내부전압이 설정된 일정한 하한점에 도달하면 재충전을 시켜주거나 충전이 재개될 때까지 더 이상 방전되지 않도록 제어하여야 할 필요가 있다.

또한, 축전지는 과충전(overcharge)하는 경우에도 수명에 나쁜 영향을 미친다. 그러므로 축전지는 만충전 또는 완전충전(full charge)과 방전 허용 최저 전압 상태인 완전방전(full discharge)을 정확하게 검출(측정) 및 필요한 제어를 하는 것이 매우 중요하다.

즉, 축전지의 충전과 방전을 제어하는 것이 축전지를 효율적으로 활용하고 수명을 늘리기 위하여 중요하다.

일반적인 축전지의 충전방식 중에 하나인 부동충전 방식은 납산축전지를 충전하기에 적합하지만 니켈수소(Ni-MH), 니켈카드늄(Ni-Cd) 또는 리튬 2차 전지의 충전에는 적합하지 못하다.

니켈수소(Ni-MH), 니켈카드늄(Ni-Cd) 축전지는 특성상 충전이 진행되면서 열의 발생이 점차 증가하고, 전지의 내부 온도가 상승하면 전압강하 현상이 발생하며, 전압강하에 의하여 전류가 증가하면 열폭주(thermal runaway) 현상으로 이어지는 문제가 있다.

축전지에서 열폭주 현상이 발생하면 발열하고 전해액이 증발하여 건조하게 되므로 수명이 짧아지고 급기야 화재가 발생하거나 폭발할 수도 있다.

일반적으로 사용하는 충전기는 납산축전지에 적합하고, 니켈수소(Ni-MH), 니켈카드늄(Ni-Cd), 리튬 계열용 축전지와 같이 충전과정에서 발생하는 열폭주 현상에 적절히 대응하지 못하는 문제가 있다.

따라서 니켈수소(Ni-MH), 니켈카드늄(Ni-Cd), 리튬계열의 2차 전지를 사용하는 산업용 축전지를 충전하면서 열폭주 현상을 감지하여 충전상태를 제어하므로 최적 충전상태를 유지하는 기술을 개발할 필요가 있다.

본 발명은 종래 기술에 의한 문제점 및 필요성을 해소하기 위한 것으로 산업용 축전지를 충전하는데 있어서 전압, 전류, 온도를 실시간(real time)으로 감시하여 열폭주 현상의 발생 없이 충전하는 축전지 충방전 관리 장치 및 그 운용방법을 제공하는 것이 그 목적이다.

또한, 본 발명은 산업용 니켈수소, 니켈카드늄 및 리튬계열 축전지의 최적 충전상태를 유지하면서 안전하게 운용할 수 있는 축전지 충방전 관리 장치 및 그 운용방법을 제공하는 것이 그 목적이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은 축전지에 부동충전 방식으로 충전전압을 공급하는 충전기와, 축전지의 전압, 전류, 온도를 검출하고 단위 시간으로 분석과 연산하여 전력소자를 온오프 제어하며 온도보상하고 축전지에 열폭주 현상이 발생하지 않도록 충전전압의 공급을 관리하며 축전지의 현재 상태를 데이터로 출력하는 제어부와, 제어부에 접속하여 열폭주 현상이 발생하지 않는 상태로 충전하고 방전하는 축전지 및 제어부와 축전지 사이에 접속하여 축전지의 전압을 부하로 출력하는 단자부를 포함하고, 축전지는 니켈수소, 니켈카드늄 및 리튬계열 축전지 중에서 선택된 어느 하나로 구성되어 이루어지는 축전지 충방전 관리장치를 제시한다.

바람직하게, 제어부는 충전기의 충전전압을 해당 제어신호에 의하여 축전지에 공급하고, 축전지의 방전전압을 역방향으로 출력하는 스위치부와, 충전기와 축전지에 접속하고 전류를 추출하는 션트부와, 션트부가 추출한 전류를 분석하여 전압의 크기를 검출하는 전압검출부와, 션트부가 추출한 전류를 분석하여 전류의 크기를 검출하는 전류검출부와, 축전지와 접속하여 온도를 검출하는 온도검출부와, 전압검출부, 전류검출부, 온도검출부가 각각 검출한 값을 단위 시간으로 연산하여 온도보상하고 축전지에서 열폭주 현상이 발생하지 않도록 스위치부의 전력소자를 펄스폭 변조 방식으로 온 오프 제어하는 엠시유 및 엠시유가 검출하여 연산한 전압, 전류, 온도의 값을 데이터 포맷으로 변환하여 출력하는 통신부를 포함하여 이루어지는 구성이다.

그리고 엠시유는, 검출한 온도가 초당 섭씨 5 도 이상 상승하면 전력소자를 오프 제어하는 구성으로 이루어진다.

또한, 엠시유는 검출한 온도가 섭씨 40 내지 50 도의 범위이면 전력소자를 오프 제어하고, 검출한 온도가 섭씨 35 내지 40 도로 복귀하면 전력소자를 온 제어하는 구성으로 이루어진다.

한편, 엠시유는 검출한 온도가 섭씨 25 도를 초과하면 아래의 수학식에 의하여 섭씨 1 도 단위마다 축전지 셀 당 -2.5 밀리볼트(mV)를 적용하여 온도보상하고 펄스폭 변조 방식의 제어신호를 출력하여 온도 보상된 충전제어전압이 출력되도록 하는 구성으로 이루어진다.

[수학식]

{(MT - RT) * -2.5 mV} * CN = TCV

CCV - TCV = TCCV

여기서 MT : 축전지의 온도이고 25 도 이하는 25 도로 함.

RT : 실내온도(섭씨 25 도).

CN : 축전지 셀의 숫자.

TCV : 온도보상전압.

CCV : 충전제어전압.

TCCV : 온도 보상된 충전제어전압.

그리고 엠시유는, 검출한 전압이 초당 10 밀리볼트(mV) 이상으로 하강하면 전력소자를 오프 상태로 제어하는 구성으로 이루어진다.

또한, 션트부는 300 암페어(A)의 단위 전류를 100 미리볼트(mV)로 변환하여 검출하는 저항체이고, 통신부는 RS232 통신과 RS485 통신 중에서 선택된 어느 하나로 통신하고, 온도검출부는 축전지 셀 10개 단위로 온도를 검출하는 구성으로 이루어진다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은 축전지 충방전 관리 장치의 제어부에 의하여 충전할 축전지의 온도를 검출하고 분석하여 기준 온도값 이하가 아니거나 최고 온도값을 초과하거나 단위 초당 섭씨 5도 이상 상승하면 스위치부를 오프 제어하여 충전전압의 공급을 차단하는 제 1 단계와, 온도 분석에서 기준 온도값 이하이고 최고 온도값을 초과하지 않으며 단위 초당 섭씨 5도 이상 증가하지 않으면 온도보상값을 연산하여 충전제어전압을 설정하고 스위치부를 온 제어하여 충전전압을 공급하는 제 2 단계 및 충전전압과 충전전류를 검출하여 분석하고 과충전 차단전압이거나 재충전 시작전압이 아니거나 단위 초당 10 밀리볼트가 하강하면 스위치부를 오프 제어하여 충전전압의 공급을 차단하고 그렇지 않으면 제 1 단계로 궤환하여 충전을 계속하는 제 3 단계를 포함하여 이루어지는 축전지 충방전 관리 장치의 운용방법을 제시한다.

바람직하게 온도, 충전전압, 충전전류는 하나 이상의 단위 축전지 셀로부터 검출한다.

그리고 온도보상값 연산은, 축전지로부터 검출한 온도가 섭씨 25 도를 초과하면 아래의 수학식에 의하여 섭씨 1 도 단위마다 축전지 셀 당 -2.5 밀리볼트(mV)를 적용하여 온도보상하고 펄스폭 변조 방식의 제어신호를 출력하여 온도 보상된 충전제어전압이 출력되도록 하는 구성으로 이루어진다.

상기와 같은 구성의 본 발명은 니켈수소와 니켈카드늄 및 리튬계열 축전지를 충전하는 과정에서 축전지의 전압, 전류, 온도를 실시간 감시하므로 열폭주 현상이 발생하지 않고 최적의 상태로 안전하게 충전하는 산업적 이용효과가 있다.

또한, 상기와 같은 구성의 본 발명은 니켈수소, 니켈카드늄, 리튬계열의 축전지를 최적 충전상태로 유지하면서 안전하게 관리 및 운용할 수 있는 사용상 편리한 효과가 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 축전지 충방전 관리 장치의 기능 구성도,
도 2 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 제어부의 세부 기능 구성도,
도 3 은 일례에 의한 션트부의 참고 사진 도시도,
그리고
도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 축전지 충방전 관리 장치의 운용방법 순서도 이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명과 도면 도시는 생략한다.

축전지(rechargeable battery)는 충전(charge)에 의하여 입력된 전기를 저장하고, 방전(discharge)에 의하여 저장된 전기를 출력하는 장치로 2차 전지로 분류되며 배터리(battery)라고도 한다.

이하의 설명에서 축전지와 배터리를 문맥에 따라 혼용하기로 한다.

축전지의 충전방식에는 부동충전(floating charging), 균등충전(equalized charging), 자동충전(automation charging), 회복충전(recovering charging) 등등의 방식이 있다.

부동충전 방식은 충전기(charger), 축전지(battery), 부하(load)를 병렬(parallel)로 연결하여 충전기가 공급하는 전기 또는 전력으로 축전지를 충전하면서 부하에 전력을 공급하는 방식이다.

즉, 충전기는 축전지와 부하에서 사용하는 동일한 전압을 출력하여 축전지를 충전하는 동시에 부하에 공급하는 방식이다.

이러한 부동충전 방식은 부하의 소모 전력이 큰 경우 충전기와 충전중인 축전지로부터 동시에 전력을 공급하도록 하는 방식이다.

또한, 균등 충전 방식은 여러 개의 축전지를 한조로 하여 장시간 사용하면 각 축전지의 특성 차이에 의하여 충전상태가 균일하지 않고 전위차가 발생하는 것을 축전지의 축전전압보다 약 10 % 높은 전압을 공급하여 충전하므로 각 축전지가 균일한 전압으로 충전 되도록 하는 방식이다.

이외에도 자동충전 방식과 회복충전 방식 등등이 있으며, 자동충전방식은 배터리의 방전량에 따라 충전 초기에는 균등충전방식으로 충전하고 만충전 상태에 도달하면 부동 충전방식으로 자동 변환하여 연속적으로 부동충전하는 방식이고, 회복충전방식은 정전류 충전에 의하여 약한 전류로 40-50시간 충전시킨 다음 방전시키고 다시 충전하는 과정을 여러 번 반복하여 극판이 본래의 상태로 회복되도록 하는 방식이다.

산업용 축전지는 크게 2 가지 종류로 구분할 수 있으며, 그 중 하나의 종류는 대용량이며 오랜 수명을 요구하는 것이고, 다른 종류는 대량의 전류를 흐르게 할 수 있는 고출력용이다.

산업용 고출력 축전지는 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle: HEV), 전기자동차(electric vehicle: EV), 로봇(robot) 등에 사용되는 것이 일반적이다.

축전지는 하나의 셀(cell)당 출력하는 전압이 1-5 볼트(V) 범위 중에서 선택된 어느 하나로 일정하므로 다수의 셀을 직렬로 연결하여 필요한 전압을 만들고, 병렬로 연결하여 필요한 전류 용량을 확보한다.

이들 각각의 축전지 셀은 특성에 차이가 있어 노후하는 속도, 용량, 내부 온도가 다르고, 동일한 용량의 축전지 셀인 경우에도 각 축전지 셀의 충전 전압 레벨이 다르게 나타 날 수 있다.

그러므로 산업용 축전지의 충방전 관리 장치는 각 축전지 셀의 전압을 측정하고 과충전 상태와 과방전 상태를 방지하는 것이 매우 중요하다.

히스테리시스 특성(hysteresis characteristic)은 주어진 값(x)이 대입되는 함수(f(x))가 주어진 값(x)의 과거 값에 영향을 받도록 하는 것이다.

도 1 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 축전지 충방전 관리 장치의 기능 구성도 이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면, 충전기(100), 제어부(200), 축전지(300), 단자부(400)를 포함하는 구성이다.

충전기(100)는 고정된 전압을 충전전압으로 생성하여 출력하는 부동충전방식의 충전기 이다.

제어부(200)는 충전기(100)와 연결되며 축전지(rechargeable battery)(300)의 전압, 전류, 온도를 실시간으로 검출하고, 검출된 값들을 실시간으로 분석하는 동시에 단위 시간으로 변화량 연산 및 허용된 범위를 초과하거나 미달하는지 등의 여부를 판단하여 스위치부를 구성하는 전력소자를 온(on) 상태 및 오프(off) 상태로 스위칭(switching) 제어하므로 충전기(100)의 충전전압을 축전지(300)에 공급하거나 공급되지 않도록 차단한다. 전력소자는 IGBT(insulated gate bipolar transistor, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)로 이루어진다.

이때, 제어부(200)는 축전지(300)에서 열폭주 현상이 발생하는 것을 막기 위하여 실시간으로 온도보상을 하며, 온도보상을 위한 충전제어전압은 전력소자를 펄스폭 변조(pulse width modulation: PWM) 방식으로 실시간 제어하므로 충전기(100)로부터 공급되는 충전전압을 일정하게 낮춘 상태로 출력한다.

한편 제어부(200)는 검출된 온도, 전류, 전압과 현재 충전 중인지, 충전 차단 중인지, 방전 중인지, 최고 온도 이상인지 등의 축전지 상태 정보를 소정 포맷의 데이터로 실시간 출력한다.

축전지(300)는 충전된 전압과 전류를 허용된 전압강하 범위까지 방전하여 출력하고, 다시 충전하며 방전을 통하여 다시 출력하는 과정을 반복하는 재사용이 가능한 것으로 니켈수소(Ni-MH), 니켈카드늄(Ni-Cd) 및 리튬이온(LIB), 리튬폴리머(LPB),리튬이온폴리머(LIPB)를 포함하는 리튬 계열 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 2차 배터리 이다.

이러한 니켈수소(Ni-MH) 또는 니켈카드늄(Ni-Cd) 축전지는 단위 셀(cell) 당 1.2 볼트(V)의 전압을 출력하고, 리튬계열은 2.0 내지 3.8 볼트(V) 전압을 출력하며, 필요한 전압을 확보하기 위하여 다수의 축전지 셀을 직렬(serial) 방식으로 연결하며, 필요한 전류를 확보하기 위하여 다수의 축전지 셀을 병렬(parallel) 방식으로 연결하는 것이 일반적이다.

일예로 24 볼트(V)의 전압을 출력하기 위하여 1.2 볼트의 축전지 셀을 20 개 또는 2.0 볼트의 축전지 셀을 12개 직렬 연결하는 방식이다.

일반적으로 축전지는 충전과정에서 화학적 변화를 일으키면서 열을 발생하고 발생된 열은 내부 온도를 높이며, 높아진 온도는 흐르는 전류의 양을 늘리고, 많은 전류가 흐르면서 온도를 더욱 높이는 과정이 반복되는 열폭주 현상을 발생하는 특성이 있다.

축전지의 열폭주 현상은 특히, 니켈수소, 니켈카드늄 및 리튬 계열 축전지에서 크게 발생되며, 열폭주에 의한 발열현상은 전해액을 증발시켜 축전지의 수명을 줄이고 심하면 화재 등을 발생하기도 하므로 매우 중요한 관리 포인트 이다.

본 발명의 제어부(200)는 축전지(300)의 온도, 전류, 전압 등을 검출하여 열폭주 현상 없이 최적의 상태로 충전하고 축전지(300)의 현재 상태를 데이터로 출력하도록 한다. 이러한 제어부의 상세한 구성은 첨부된 도2 에 상세히 도시되어 있다.

단자부(400)는 부하와 연결되고, 축전지(300)로부터 방전되는 전원을 부하에 출력한다.

도 2 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 제어부의 세부 기능 구성도 이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면, 제어부(200)는 스위치부(210), 션트부(220), 전압검출부(230), 전류검출부(240), 온도검출부(250), 엠시유(260), 통신부(270)를 포함하는 구성이다.

스위치부(210)는 전력소자(212)와 다이오드 소자(214)를 포함하는 구성이고, 전력소자(212)는 엠시유(260)의 펄스폭 변조 방식 제어신호에 의하여 충전기(100)로부터 인가되는 충전전압을 축전지(300)로 공급하거나 차단하며, 다이오드 소자(214)는 축전지(300)로부터 역방향으로 전류가 흐르지 못하게 한다.

단자부(400)는 축전지(300)로부터 방전되는 전압을 출력한다. 이때, 제어부(200)로부터 출력되는 충전용 전압이 단자부(400)로 출력될 수도 있으나, 제어부(200)는 축전지(300)가 연결되지 않은 경우에 충전용 전압을 출력하지 않는 구성으로 이루어진다.

여기서 전력소자(212)는 IGBT 소자로 이루어지는 것으로 큰 용량의 전류 전송을 스위칭 제어한다.

션트부(220)는 흐르는 전류의 크기를 실시간 검출하는 것으로, 정밀도가 높고 저항값은 낮으며 큰 용량의 전류를 흘릴 수 있는 구성이다.

일례로, 본 발명의 션트부(220)는 300 암페아(A)의 단위 전류 당 100 밀리볼트(mV)가 검출되는 구성으로 대용량의 전류를 낮은 레벨의 전압으로 변환하여 실시간 검출하고, 검출된 전압을 분석하므로 흐르는 전류의 용량을 확인할 수 있다.

여기서 션트부(220)는 각각의 축전지 셀 단위 마다 또는 정해진 소정 숫자 단위의 축전지 셀에 흐르는 전류를 검출하도록 구성할 수도 있다.

첨부된 도 3 은 일례에 의하여 실제로 사용되는 션트부의 참고 사진 도시도 이다.

전압검출부(230)는 션트부(220)로부터 검출된 신호를 분석하여 충전전압 또는 방전전압의 크기 또는 레벨을 검출하고 엠시유(260)에 인가하는 구성이다.

전류검출부(240)는 션트부(220)로부터 검출된 신호를 분석하여 충전전류 또는 방전전류의 크기를 검출하고 엠시유(260)에 인가하는 구성이다.

온도검출부(250)는 축전지(300)의 온도를 실시간으로 검출하여 엠시유(260)에 인가하는 구성으로, 하나의 축전지 셀 단위 또는 소정 숫자로 정해진 축전지 셀 단위로 온도를 검출할 수 있다. 10 개의 축전지 셀 단위 마다 온도를 각각 검출하는 것이 비교적 바람직하다.

엠시유(MCU: micro control unit)(260)는 전압검출부(230), 전류검출부(240), 온도검출부(250)로부터 각각 실시간으로 검출하여 인가되는 해당 신호를 입력하고 분석하며 연산하여 현재의 상태를 출력하는 동시에 축전지(300)에서 열폭주 현상이 발생하지 않도록 하는 제어신호를 펄스폭 변조 방식의 신호로 스위치부(210)의 전력소자(212)에 실시간으로 출력하는 구성이다. 그리고 축전지(300)가 연결되지 않은 경우에는 충전용 전류를 공급하지 않도록 차단한다.

또한, 엠시유(260)는 검출되고 분석하며 제어하는 모든 상태의 정보를 통신부(270)에 데이터로 실시간으로 출력한다.

여기서 엠시유(260)는 축전지(300)로부터 검출된 온도(temperature: T)를 초(second) 단위로 분석한다(dT/dt, dT; 단위 시간당 온도 변화, dt; 단위시간(1초)).

분석된 초(second) 단위 시간당 온도 변화가 섭씨 5 도 이상으로 상승하면 즉, dT/dt = +5℃/sec 이면, 엠시유(260)는 열폭주 현상으로 판단하여 오프(off) 상태로 제어하는 신호를 전력소자(212)에 실시간으로 출력한다.

그러므로 스위치부(210)는 충전기(100)와 축전지(300)의 경로를 차단한다. 따라서 충전기(100)로부터 공급되는 충전전압은 축전지(300)에 공급되지 못하여 축전지(300)의 충전이 중단된다.

그리고 엠시유(260)는 검출된 전압을 초 단위로 분석한다(dV/dt, dV; 단위 시간당 전압 변화, dt; 단위시간(1 초)).

분석된 초(second) 단위 시간당 전압 변화가 마이너스(-) 10 밀리볼트(mV) 이상이면 즉, dV/dt = -10 mV/sec 이면, 엠시유(260)는 열폭주 현상에 의하여 축전지 셀의 전압이 떨어지는 것으로 판단하고 오프(off) 상태로 제어하는 신호를 전력소자(212)에 실시간으로 출력한다.

그러므로 스위치부(210)는 충전기(100)로부터 공급되는 충전전압을 축전지(300)에 공급하지 못하고 차단한다.

또한, 엠시유(260)는 축전지(300)로부터 검출된 온도를 분석하여, 섭씨 40 내지 50 도 이상으로 확인되면 열폭주 현상으로 판단하여 오프(off) 상태로 전환하는 펄스폭 변조 제어신호를 전력소자(212)에 실시간으로 출력한다.

그리고 섭씨 35 내지 40 도로 복귀하는 것으로 확인되면 열폭주 현상이 해소된 것으로 판단하여 전력소자(212)를 온(on) 상태로 전환하는 펄스폭 변조 제어신호를 실시간으로 출력한다.

여기서 축전지(300)의 온도가 섭씨 40 도 이상일 때 오프(off) 상태로 제어하고 섭씨 35 도로 복귀할 때 온(on) 상태로 제어하는 방식과, 섭씨 50 도 이상일 때 오프 상태로 제어하고 섭씨 40 도로 복귀할 때 온 상태로 제어하는 방식이 있을 수 있으며, 운용하는 현장의 주변환경에 의하여 어느 하나의 방식을 선택할 수 있다.

한편, 엠시유(260)는 축전지(300)로부터 검출된 온도를 분석하여 섭씨 25 도를 초과 하는 경우에는 실시간 처리에 의하여 온도보상을 한다.

실시간으로 온도보상을 적용하는 수학식은 아래와 같다.

[수학식]

{(MT - RT) * -2.5 mV} * CN = TCV

CCV - TCV = TCCV

여기서 MT : 축전지의 온도이고 25 도 이하는 25 도로 설정함.

RT : 실내온도(섭씨 25 도).

CN : 축전지 셀의 숫자.

TCV : 온도보상전압.

CCV : 충전제어전압.

TCCV : 온도 보상된 충전제어전압.

축전지(300)가 실내 온도인 섭씨 25 도 이하에서 동작하는 경우에는 열폭주 없이 정상적으로 동작하는 상태이고, 섭씨 25 도를 초과하는 경우에는 축전지 셀 단위, 1 도 단위로 온도보상을 실시간으로 처리 해주어야 열폭주 현상을 방지한다.

즉, 엠시유(260)는 축전지(300)로부터 검출한 온도가 섭씨 25도를 초과하면 수학식을 적용하여 섭씨 1 도(1℃) 단위마다 축전지 셀 당 -2.5 밀리볼트(mV)로 온도를 보상한 온도보상전압(TCV)을 실시간으로 연산한다.

충전제어전압(CCV)은 축전지 셀 단위로 충전전압을 적용한 전압이다.

일반적으로 축전지 셀 1 개당 1.2 볼트의 전압을 출력하는 경우 충전전압은 1.2 내지 1.45 볼트를 적용하고 1.4 볼트를 적용하는 것이 비교적 바람직하다.

그러므로 20 개의 축전지 셀로 이루어지는 공업용 축전지의 충전제어전압(CCV)은 20 개 * 1.4 볼트 = 28 볼트로 연산된다.

이러한 충전제어전압(CCV)은 축전지(300)의 온도가 섭씨 25 도 이하인 경우에 적용되고, 섭씨 26 도 부터는 열폭주를 방지하기 위하여 섭씨 25 도를 초과하는 섭씨 1 도에 대하여 온도 보상을 해주어야 한다.

여기서 축전지(300)의 온도가 섭씨 25 도 이하로 검출되는 경우, 섭씨 25 도로 간주하는 것이 연산을 위하여 비교적 매우 바람직하다.

일례로, 공업용 축전지(300)의 온도가 섭씨 30 도 인 경우에 온도보상전압(TCV)은 수학식을 이용하여 {(30-25) * -2.5 mV} * 20 = -25mV로 연산되고, 온도 보상된 충전제어전압(TCCV)은 28 V - 25mV = 27.75 V로 연산된다.

다른 일례로, 공업용 축전지(300)의 온도가 섭씨 35 도 인 경우에 온도보상전압(TCV)은 수학식을 이용하여 {(35-25) * -2.5 mV} * 20 = -50mV로 연산되고, 온도 보상된 충전제어전압(TCCV)은 28 V - 50mV = 27.5 V로 연산된다.

엠시유(260)는 이와 같이 온도 보상된 충전제어전압(TCCV)을 실시간으로 연산하여 펄스폭 변조(PCM) 방식의 제어신호를 전력소자(212)에 출력하므로 충전기(100)로부터 부동충전방식에 의하여 고정된 전압으로 인가되는 충전전압은 온도 보상된 충전제어전압(TCCV)으로 변환되어 축전지(300)에 공급된다.

또한, 엠시유(260)는 축전지(300)로부터 검출된 온도, 전압, 전류, 현재의 상태가 충전 중인지, 방전 중인지, 온도 보상 중인지, 열폭주로 예상되어 차단 중인지 등등의 정보를 데이터로 통신부(270)에 실시간으로 출력한다.

그리고 스위치부(210)의 다이오드 소자(214)는 축전지(300)로부터 방전되는 전류가 역방향으로 흐르지 못하도록 차단한다.

통신부(270)는 엠시유(260)로부터 인가된 데이터를 소정 포맷(format)으로 변환하고, RS-232 방식, RS-485 방식 및 접점출력 방식 중에서 선택된 어느 하나의 방식으로 실시간 통신한다.

도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 축전지 충방전 관리 장치의 운용방법 순서도 이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면, 축전지 충방전 관리 장치의 제어부에 의하여 축전지의 온도를 검출하여 분석한다(S500).

분석된 축전지의 온도가 충전이 허용되는 기준온도 값 이하인지를 판단하고 충전이 허용된 기준온도 값을 초과하면 스위치부를 오프(off) 상태로 제어하여 충전기로부터 충전전압이 축전지로 공급되지 못하도록 한다(S520).

여기서 기준온도는 섭씨 35 내지 40 도 범위이고, 축전지를 설치하여 운용하는 주변환경의 조건에 따라 최적의 온도를 선택하는 것이 바람직하다.

제어부에 의하여 축전지로부터 검출된 온도의 값이 충전을 허용하는 기준온도 값 이하로 확인되면, 열폭주 현상으로 구분하는 온도인 최고 온도값을 초과하는지의 여부를 판단한다(S530).

그리고 최고온도는 섭씨 40 내지 50 도 범위이고, 축전지를 설치하여 운용하는 주변환경의 조건에 따라 최적의 온도를 선택하는 것이 바람직하다.

최고 온도값을 초과하는 경우에는 스위치부를 오프 상태로 실시간 제어하여 충전전압이 축전지로 공급되지 못하도록 차단하므로 축전지의 온도가 상승하지 못하도록 한다(S520).

한편, 최고 온도값을 초과하지 않는 것으로 확인되면 단위 시간당 상승되는 온도의 값을 분석한다. 즉, 제어부는 축전지의 온도 상승 속도를 분석하여 단위 초(second) 당 섭씨 5 도(5℃) 이상 증가하는지를 분석한다(S540).

여기서 축전지의 온도 상승 속도가 단위 초 당 섭씨 5 도 이상 증가하는 것으로 판단하면 열폭주 현상으로 구분하여 스위치부를 오프 상태로 실시간 제어한다(S520).

제어부는 축전지의 온도 상승 속도가 단위 초 당 섭씨 5 도 이하로 판단되는 경우, 수학식을 적용하여 온도 보상된 충전제어전압(TCCV)을 실시간으로 연산하고 연산된 TCCV 값이 적용되도록 설정한다(S550).

온도 보상된 충전제어전압(TCCV)이 설정되어 적용된 상태에서 제어부는 스위치부를 온 상태로 제어하므로 충전기의 충전전압이 축전지로 공급되어 충전되도록 한다(S560).

또한, 제어부는 축전지의 충전 전압과 전류를 실시간으로 검출하고 분석한다(S570).

제어부는 검출되고 분석된 축전지의 전압이 충분하게 충전된 과충전 차단 전압에 도달했는지의 여부를 실시간으로 판단한다(S580).

이러한 판단에서 과충전 차단 전압에 도달한 것으로 확인되면 스위치부를 오프 상태로 실시간 제어한다(S520).

축전지의 전압 분석에서 과충전 차단 전압에 도달한 후에 재충전 시작 전압에 도달 하였는지를 실시간으로 분석 및 확인한다(S590).

재충전 시작 전압은 충전을 다시 시작하는 전압이며 과충전 상태 차단전압보다 낮은 전압으로 설정된다.

여기서 제어부는 축전지의 현재 전압이 재충전 시작 전압보다 높은 값으로 판단되면 스위치부를 계속 오프 상태로 실시간 제어한다(S520).

그러므로 제어부는 과충전 차단 전압과 재충전 시작 전압에 의한 히스테리히스(hysteresis) 특성에 의하여 축전지가 항상 최적의 충전상태를 유지하도록 실시간 제어한다.

또한, 제어부는 축전지의 전압이 단위 초당 하강하는 상태를 분석한다. 즉, 축전지의 전압을 분석하여 단위 초(second) 당 마이너스 10 밀리볼트(-10mV) 이상으로 떨어지는지를 실시간으로 분석한다(S600).

이러한 분석에서 단위 초 당 10 밀리볼트 이상의 전압이 하강하는 경우 스위치부를 오프 상태로 제어한다(S520).

또한, 단위 초 당 10 밀리볼트 이상의 전압이 하강하지 않는 것으로 확인되면 충전을 계속하는 동시에 축전지의 온도 검출과 분석 및 전압과 전류의 검출, 분석을 모두 실시간으로 순차 반복하여 축전지를 최적의 충전상태로 유지한다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

100 : 충전기 200 : 제어부
210 : 스위치부 212 : 전력소자
214 : 다이오드 소자 220 : 션트부
230 : 전압검출부 240 : 전류검출부
250 : 온도검출부 260 : 엠시유
270 : 통신부

Claims

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축전지에 부동충전 방식으로 충전전압을 공급하는 충전기;
상기 축전지의 전압, 전류, 온도를 검출하고 단위 시간으로 분석과 연산하여 전력소자를 온오프 제어하며 온도보상하고 상기 축전지에 열폭주 현상이 발생하지 않도록 상기 충전전압의 공급을 관리하며 상기 축전지의 현재 상태를 데이터로 출력하는 제어부;
상기 제어부에 접속하여 열폭주 현상이 발생하지 않는 상태로 충전하고 방전하는 축전지; 및
상기 제어부와 축전지 사이에 접속하여 상기 축전지의 전압을 부하로 출력하는 단자부; 를 포함하고,
상기 축전지는 니켈수소, 니켈카드늄 및 리튬계열 축전지 중에서 선택된 어느 하나로 구성되어 이루어지며,
상기 제어부는,
상기 충전기의 충전전압을 해당 제어신호에 의하여 상기 축전지에 공급하고, 상기 축전지의 방전전압을 역방향으로 출력하는 스위치부;
상기 충전기와 축전지에 접속하고 전류를 추출하는 션트부;
상기 션트부가 추출한 전류를 분석하여 전압의 크기를 검출하는 전압검출부;
상기 션트부가 추출한 전류를 분석하여 전류의 크기를 검출하는 전류검출부;
상기 축전지와 접속하여 온도를 검출하는 온도검출부;
상기 전압검출부, 전류검출부, 온도검출부가 각각 검출한 값을 단위 시간으로 연산하여 온도보상하고 상기 축전지에서 열폭주 현상이 발생하지 않도록 상기 스위치부의 전력소자를 펄스폭 변조 방식으로 온 오프 제어하는 엠시유; 및
상기 엠시유가 검출하여 연산한 전압, 전류, 온도의 값을 데이터 포맷으로 변환하여 출력하는 통신부; 를 포함하여 이루어지고,
상기 엠시유는,
상기 검출한 온도가 초당 섭씨 5 도 이상 상승하면 상기 전력소자를 오프 제어하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전지 충방전 관리 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 엠시유는,
상기 검출한 온도가 섭씨 40 내지 50 도의 범위이면 상기 전력소자를 오프 제어하고, 상기 검출한 온도가 섭씨 35 내지 40 도로 복귀하면 상기 전력소자를 온 제어하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전지 충방전 관리 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 엠시유는,
상기 검출한 온도가 섭씨 25 도를 초과하면 아래의 수학식에 의하여 섭씨 1 도 단위마다 축전지 셀 당 -2.5 밀리볼트(mV)를 적용하여 온도보상하고 펄스폭 변조 방식의 제어신호를 출력하여 온도 보상된 충전제어전압이 출력되도록 하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전지 충방전 관리 장치.

[수학식]
{(MT - RT) * -2.5 mV} * CN = TCV
CCV - TCV = TCCV

여기서 MT : 축전지의 온도이고 25 도 이하는 25 도로 함.
RT : 실내온도(섭씨 25 도).
CN : 축전지 셀의 숫자.
TCV : 온도보상전압.
CCV : 충전제어전압.
TCCV : 온도 보상된 충전제어전압.
축전지에 부동충전 방식으로 충전전압을 공급하는 충전기;
상기 축전지의 전압, 전류, 온도를 검출하고 단위 시간으로 분석과 연산하여 전력소자를 온오프 제어하며 온도보상하고 상기 축전지에 열폭주 현상이 발생하지 않도록 상기 충전전압의 공급을 관리하며 상기 축전지의 현재 상태를 데이터로 출력하는 제어부;
상기 제어부에 접속하여 열폭주 현상이 발생하지 않는 상태로 충전하고 방전하는 축전지; 및
상기 제어부와 축전지 사이에 접속하여 상기 축전지의 전압을 부하로 출력하는 단자부; 를 포함하고,
상기 축전지는 니켈수소, 니켈카드늄 및 리튬계열 축전지 중에서 선택된 어느 하나로 구성되어 이루어지며,
상기 제어부는,
상기 충전기의 충전전압을 해당 제어신호에 의하여 상기 축전지에 공급하고, 상기 축전지의 방전전압을 역방향으로 출력하는 스위치부;
상기 충전기와 축전지에 접속하고 전류를 추출하는 션트부;
상기 션트부가 추출한 전류를 분석하여 전압의 크기를 검출하는 전압검출부;
상기 션트부가 추출한 전류를 분석하여 전류의 크기를 검출하는 전류검출부;
상기 축전지와 접속하여 온도를 검출하는 온도검출부;
상기 전압검출부, 전류검출부, 온도검출부가 각각 검출한 값을 단위 시간으로 연산하여 온도보상하고 상기 축전지에서 열폭주 현상이 발생하지 않도록 상기 스위치부의 전력소자를 펄스폭 변조 방식으로 온 오프 제어하는 엠시유; 및
상기 엠시유가 검출하여 연산한 전압, 전류, 온도의 값을 데이터 포맷으로 변환하여 출력하는 통신부; 를 포함하여 이루어지고,
상기 엠시유는,
상기 검출한 전압이 초당 10 밀리볼트(mV) 이상으로 하강하면 상기 전력소자를 오프 상태로 제어하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전지 충방전 관리 장치.
축전지에 부동충전 방식으로 충전전압을 공급하는 충전기;
상기 축전지의 전압, 전류, 온도를 검출하고 단위 시간으로 분석과 연산하여 전력소자를 온오프 제어하며 온도보상하고 상기 축전지에 열폭주 현상이 발생하지 않도록 상기 충전전압의 공급을 관리하며 상기 축전지의 현재 상태를 데이터로 출력하는 제어부;
상기 제어부에 접속하여 열폭주 현상이 발생하지 않는 상태로 충전하고 방전하는 축전지; 및
상기 제어부와 축전지 사이에 접속하여 상기 축전지의 전압을 부하로 출력하는 단자부; 를 포함하고,
상기 축전지는 니켈수소, 니켈카드늄 및 리튬계열 축전지 중에서 선택된 어느 하나로 구성되어 이루어지며,
상기 제어부는,
상기 충전기의 충전전압을 해당 제어신호에 의하여 상기 축전지에 공급하고, 상기 축전지의 방전전압을 역방향으로 출력하는 스위치부;
상기 충전기와 축전지에 접속하고 전류를 추출하는 션트부;
상기 션트부가 추출한 전류를 분석하여 전압의 크기를 검출하는 전압검출부;
상기 션트부가 추출한 전류를 분석하여 전류의 크기를 검출하는 전류검출부;
상기 축전지와 접속하여 온도를 검출하는 온도검출부;
상기 전압검출부, 전류검출부, 온도검출부가 각각 검출한 값을 단위 시간으로 연산하여 온도보상하고 상기 축전지에서 열폭주 현상이 발생하지 않도록 상기 스위치부의 전력소자를 펄스폭 변조 방식으로 온 오프 제어하는 엠시유; 및
상기 엠시유가 검출하여 연산한 전압, 전류, 온도의 값을 데이터 포맷으로 변환하여 출력하는 통신부; 를 포함하여 이루어지고,
상기 션트부는 300 암페어(A)의 단위 전류를 100 미리볼트(mV)로 변환하여 검출하는 저항체이고,
상기 통신부는 RS232 통신과 RS485 통신 중에서 선택된 어느 하나로 통신하고,
상기 온도검출부는 축전지 셀 10 개 단위로 온도를 검출하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전지 충방전 관리 장치.
축전지 충방전 관리 장치의 제어부는 충전할 축전지의 온도를 검출하고 분석하여 기준 온도값 이하가 아니거나 최고 온도값을 초과하거나 단위 초당 섭씨 5 도 이상 상승하면 스위치부를 오프 제어하여 충전전압의 공급을 차단하는 제 1 단계;
상기 온도 분석에서 기준 온도값 이하이고 최고 온도값을 초과하지 않으며 단위 초당 섭씨 5 도 이상 증가하지 않으면 온도보상값을 연산하여 충전제어전압을 설정하고 스위치부를 온 제어하여 충전전압을 공급하는 제 2 단계; 및
상기 충전전압과 충전전류를 검출하여 분석하고 과충전 차단전압이거나 재충전 시작전압이 아니거나 단위 초당 10 밀리볼트가 하강하면 스위치부를 오프 제어하여 충전전압의 공급을 차단하고 그렇지 않으면 상기 제 1 단계로 궤환하여 충전을 계속하는 제 3 단계; 를 포함하여 이루어지는 축전지 충방전 관리 장치의 운용방법.
제 8 항에 있어서,
상기 온도, 충전전압, 충전전류는 하나 이상의 단위 축전지 셀로부터 검출하는 것을 특징으로 하는 축전지 충방전 관리 장치의 운용방법.
제 8 항에 있어서, 상기 온도보상값 연산은,
축전지로부터 검출한 온도가 섭씨 25 도를 초과하면 아래의 수학식에 의하여 섭씨 1 도 단위마다 축전지 셀 당 -2.5 밀리볼트(mV)를 적용하여 온도보상하고 펄스폭 변조 방식의 제어신호를 출력하여 온도 보상된 충전제어전압이 출력되도록 하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전지 충방전 관리 장치의 운용방법.

[수학식]
{(MT - RT) * -2.5 mV} * CN = TCV
CCV - TCV = TCCV

여기서 MT : 축전지의 온도이고 25 도 이하는 25 도로 함.
RT : 실내온도(섭씨 25 도).
CN : 축전지 셀의 숫자.
TCV : 온도보상전압.
CCV : 충전제어전압.
TCCV : 온도 보상된 충전제어전압.