KR101397887B1 - 다수의 전지를 직렬 연결한 충방전 시스템에서의 전지접촉부 감시 장치 및 방법 - Google Patents

다수의 전지를 직렬 연결한 충방전 시스템에서의 전지접촉부 감시 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 1개의 2차 전지 혹은 다수의 직렬 연결된 2차 전지열을 충방전을 하는 장치에서 충방전을 위하여 전지를 직접 연결하는 접촉단자 및 회로부분의 접촉저항을 자가진단으로 측정하는 전지접촉부 감시장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

다수의 전지를 직렬 연결한 충방전 시스템에서의 전지접촉부 감시 장치 및 방법{Monitoring device and method of battery contact point at the charging/discharging system with serial connected batteries}
본 발명은 1개의 2차 전지 혹은 다수의 직렬 연결된 2차 전지열을 충방전을 하는 장치에서 충방전을 위하여 전지를 직접 연결하는 접촉단자 및 회로부분의 접촉저항을 자가진단으로 측정하는 전지접촉부 감시장치 및 방법에 관한 것이다.
전지를 충방전하는 회로에서 전지와 직접 접촉하는 접촉단자는 시간이 경과하면서 금속표면에 이물질이 묻거나 산화막 생성 등 다양한 원인으로 접촉특성이 나빠지고 그로 인하여 충방전하는 과정에서 발열현상이 생기며, 심하면 화재로 이어지기도 하는 심각한 문제점이 있다.
또한, 전지접촉부는 통상 육안으로 관찰하기가 어려운 지점에 위치하는 경우가 많고, 육안으로 접촉저항의 변화를 알기는 어렵다.
통상의 2차 전지 충방전 장치들은 전지의 고유전압과 충방전 시에 접촉부에서 발생하는 전위차를 측정하여 접촉저항의 이상 유무를 판단하며, 이 때 충방전 회로의 접촉저항을 측정하기 위하여 별도의 고가의 정밀 전압측정회로를 추가하여야 하므로 비용이 크게 증가하고, 측정시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.
접촉저항이 mΩ 영역에서 전지의 접촉저항을 정밀하게 측정하는 종래의 기술은 전지를 접속하고 발열이 문제가 되지 않을 짧은 시간 동안(통상 100분의 1초 내지 1초 이내) 소정의 전류(mΩ 저항측정이 가능한 수준으로 통상 수A 이상 수십A 이내)를 통전하고, 통전 시 전원장치의 출력전압과 BMS(Battery Management System)를 사용하여 전지 계측부에서 측정한 전압을 비교하여 오음의 법칙에 따라 접촉저항을 연산하는 것이다.
이 때, 전원장치의 출력전압을 정밀하게 측정하기 위하여 절연형(isolated type) 혹은 차동형(differential type) 구조의 전압측정장치가 필요하며, 전지접촉저항이 mΩ영역의 전지접촉부 전압 역시 수 mV 내지 수십 mV에 불과하므로 고가의 정밀한 계측측정장치가 전지 개수만큼 소요되어 비용과 측정시간 역시 많이 소요되는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제특1997-0007366호에 개시된 기술적 구성은 압축단자 접촉저항 측정장치 및 그 방법에 관한 것으로, 압축단자와 도체간에 큰 값의 전류를 흘려주고 압축단자와 전선사이의 전압강하를 측정하거나 접촉면에서 발생하는 열량을 측정하여 접촉저항을 측정하는 기술적 구성이 개시되어 있으나, 다수의 2차 전지를 직렬로 연결하여 충방전하는 시스템에서 각각의 전지접촉부의 접촉저항 측정을 위한 별도의 정밀한 계측기를 추가하지 않고 충방전에 앞서 짧은 시간동안 사전에 전지접촉부의 양호 또는 불량을 인식하여 접촉불량에 따른 사고를 미리 방지하고, 생산성을 높이는 본 발명의 기술적 구성과는 무관하다.
대한민국 공개특허공보 제특2000-0071372호는 회로 기판의 전기 저항 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 전류 공급용 전극 및 전압 측정용 전극을 이용하여 전극의 사이즈나 피치가 작은 회로 기판에도 적용 가능한 전기 저항을 측정하는 기술적 구성이 개시되어 있으나, 다수의 2차 전지를 직렬로 연결하여 충방전하는 시스템에서 각각의 전지접촉부의 접촉저항 측정을 위한 별도의 정밀한 계측기를 추가하지 않고 충방전에 앞서 짧은 시간동안 사전에 접촉부의 양호 또는 불량을 인식하여 접촉불량에 따른 사고를 미리 방지하고, 생산성을 높이는 본 발명의 기술적 구성과는 무관하다.
본 발명이 해결하려는 과제는 2차 전지를 직렬로 연결하여 동시에 충방전하는 회로에서 특히 유용하며, 충방전 시스템의 전체 루프저항을 먼저 측정하고, 직렬로 연결된 각각의 전지를 순차적으로 주 전력회로에 연결하며 각각의 전지 접촉단자의 접촉저항을 측정하여 이상 여부를 충방전 시작 전에 인지하여 충방전 불량 및 화재 등의 사고를 방지하는데 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 다수의 2차 전지를 직렬로 연결하여 높은 직류전압으로 동시에 충방전하는 장치에서 충방전을 실시하기 전에 전지의 접촉저항을 사전에 측정하여 사고를 방지해 주는 기능이 핵심이며, 전지 충방전 회로에서 공통적으로 사용하는 통상의 BMS에서 얻어지는 개별 전지의 전기적 특성을 참조하여 추가로 별도의 고가의 계측설비 설치없이 전지들의 접촉부가 양호 또는 불량한지를 용이하게 인식하는데 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 접촉저항이 접촉점 당 통상 수 mΩ(1,000 분의 1 오음) 내외 (큰 경우에 10 mΩ 정도)에 불과하므로 소정의 큰 전류를 통전하고 미세한 전압을 측정하여야만 측정이 가능하나, 본 발명에서는 다수의 2차 전지를 직렬로 연결하여 직류전압을 높여서 측정에 사용하여 전지들의 접촉부 상태를 용이하게 인식하도록 하는데 있다.
본 발명 과제의 해결 수단은 충방전 시스템의 소형 경량화와 전력변환의 고효율에 적합한 "다수의 전지를 직렬로 연결하여 한 개의 전지 전압에 비하여 높은 직류전원을 충방전에 공유하는 직류마이크로그리드 시스템"과 하나의 양방향 DC<->DC 컨버터와 정전류원으로 충방전하는 시스템에서, 전지 충방전 회로에서 공통적으로 사용하는 통상의 절연형 전지계측부(BMS, Isolated Battery Management System)에서 얻어지는 개별 전지의 전기적 특성을 참조하여 추가로 별도의 고가의 계측설비 없이 직렬로 연결된 각각의 전지를 전기적 및/또는 기계적으로 접촉하는 전지접촉부의 접촉저항을 용이하고 신속하게 측정하는 전지접촉부 감시장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 다수의 2차 전지를 직렬로 연결하여 충방전하는 시스템에서 보다 용이하고 효율적인 방법으로 접촉저항의 이상여부를 사전에 감지하기 위하여, 모든 전지를 충방전 회로에서 분리하고 설정된 전류를 설정된 시간동안 충방전 회로 전체 전압을 측정하여 오음의 법칙에 따라 회로전체 루프저항을 측정하는 수단과, 그 다음에 첫번째 전지를 충방전 회로에 접속하고, 상기 설정된 전류를 설정된 시간동안 흘려 전체 전압이 전지고유전압과 대비하여 변화한 정도로 첫 번째 전지회로의 접촉저항을 측정하는 수단과, 동일한 방법으로 순차적으로 각각의 전지들을 차례로 회로에 접속하여 모든 전지들의 접촉저항을 측정하는 수단을 포함하는 전지접촉부 감시장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 다수의 2차 전지를 직렬로 연결하여 충방전하는 장치에서 보다 용이하고 효율적인 방법으로 접촉저항의 이상여부를 사전에 감지하기 위하여, 모든 전지를 충방전 회로에서 분리하고 설정된 전류를 설정된 시간동안 충방전 회로 전체 전압을 측정하여 오음의 법칙에 따라 회로전체 루프저항을 측정하는 단계와, 그 다음 첫번째 전지를 회로에 접속하고 설정된 전류를 설정된 시간동안 통전시켜 전체전압이 전지고유전압과 대비하여 변화한 정도로 첫 번째 전지회로의 접촉저항을 측정하는 단계와, 동일한 방법으로 순차적으로 직렬 연결된 전지를 차례로 접속하여 모든 전지의 접촉저항을 측정하는 단계를 포함하는 전지접촉부 감시방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 다수의 2차 전지를 직렬로 연결하여 충방전하는 시스템에서 각각의 전지접촉부의 접촉저항을 별도의 정밀한 계측장치를 추가하지 않고 충방전에 앞서 짧은 시간동안 사전에 전지접촉부의 양호 또는 불량을 인식하여 사고를 미리 방지하고, 비용을 절감하며, 생산성을 높이는 유리한 효과가 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 다수의 전지가 직렬로 연결되어 충방전하는 시스템에서 가장 큰 애로사항인 개별 전지의 접촉부 상태를 충방전 시작 전에 수십초 내지 수분사이에 자동으로 인식하여 불량한 접촉부의 전지를 충방전하지 않거나 작업자에 교환을 알려주어 장치의 2차적인 손상과 화재 등의 대형사고를 미리 방지하는데 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 접촉저항이 접촉점 당 통상 수 mΩ(1,000 분의 1 오음) 내외(클 경우에 10 mΩ 정도)에 불과하므로 소정의 큰 전류를 통전하고 미세한 전압을 측정하여야만 접촉저항 측정이 가능하나, 본 발명에서는 다수의 2차 전지를 직렬로 연결하여 직류전압을 높여서 각각의 전지접촉부의 저항을 측정하므로 전지접촉부의 상태를 보다 신속하고 정확하게 인식하는데 있다.
도 1은 다수의 전지를 직렬로 연결하여 충방전하는 시스템에서 본 발명에 따른 전지접촉부 감시장치 및 방법을 이용하여 루프저항을 측정하는 방법을 도시한 것이다.
도 2는 다수의 전지를 직렬로 연결하여 충방전하는 시스템에서 첫 번째 전지접촉부의 접촉저항을 측정하는 방법을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명이 적용되는 다수의 전지를 직렬로 연결한 충방전 시스템의 하나의 실시 예를 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 충방전 시스템을 보다 큰 범위로 적용할 수 있는 시스템의 하나의 실시 예를 도시한 것이다.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다.
본 발명은 다수의 2차 전지를 직렬로 연결하여 직류전압을 높여서 접촉점 당 접촉저항이 통상 수 mΩ(1,000 분의 1Ω) 내외이고, 클 경우에 10 mΩ 정도에 불과한 접촉저항을 용이하게 신속 정확하게 측정하여 직렬로 연결된 전지들의 접촉부 상태를 신속 정확하게 감시하는데 있다.
또한, 본 발명은 하나의 트레이 내에 충방전을 위하여 직렬로 연결된 전지의 수에 따라 측정의 시간이 다소 차이가 있을 수 있지만 각각의 전지에 대하여 충방전을 시작하기 전에 수십초 내지 수분 이내 신속하게 접촉부의 접촉저항을 측정하여 접촉부의 양호 및 불량을 감지하여 충방전 장치의 2차적인 손상과 화재 등의 대형사고를 미리 방지도록 구성되어 있다. 본 발명의 구체적인 실시 예에 대하여 살펴본다.
<실시 예>
<실시 예1>
본 발명의 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다. 도 1은 다수의 전지를 직렬로 연결하여 충방전하는 시스템에서 본 발명에 따른 전지접촉부 감시장치를 이용하여 충방전 시스템의 루프저항을 측정하는 방법을 도시한 것이다.
도 2는 다수의 전지를 직렬로 연결하여 충방전하는 시스템에서 첫 번째 전지접촉부의 접촉저항을 측정하는 방법을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명이 적용되는 다수의 전지를 직렬로 연결하여 직렬 마이크로그리드 충방전 시스템의 하나의 실시 예를 도시한 것이다.
본 발명은 충방전 시스템의 소형 경량화와 전력변환의 고효율에 적합한 "다수의 전지를 직렬로 연결하여 한 개의 전지 전압에 비하여 월등히 높은 직류전원을 충전 및 방전에 공유하는 직류마이크로그리드 시스템"과 하나의 양방향 DC<->DC 컨버터 또는 양방향 DC<->DC 컨버터와 양방향 리니어 정전류원으로 충방전하는 시스템에서 적용하는 것이 효율적이고 바람직하다.
보다 구체적으로, 본 발명은 모든 전지를 충방전 회로에서 분리하고 설정된전류를 설정된 시간동안 충방전 회로에 통전하면서 전체 전압을 측정하여 오음의 법칙에 따라 회로 전체 루프저항을 측정하는 수단과, 그 다음에 첫 번째 전지를 충방전 회로에 접속하고 상기 설정된 전류를 설정된 시간동안 흘려 전체 전압이 전지고유전압과 대비하여 변화한 정도로 첫 번째 전지회로의 접촉저항을 측정하는 수단을 포함된다.
다음은 동일한 방법으로 순차적으로 전지들을 차례로 회로에 접속하여 모든 전지들의 전지접촉부의 접촉저항을 측정하는 수단을 포함한다.
전지접촉부는 도 1과 도 2의 CON#1+, CON#1-, CON#2+, CON#2-, CON#n+ 및 CON#n- 에 해당한다.
본 발명의 기술적 구성에 대하여 구체적으로 기술하기 전에 본 발명의 적용이 용이한 시스템을 하나의 실시 예로 구체적으로 살펴본다.
도 3은 본 발명에 따른 다수의 전지를 직렬로 연결하여 충방전할 수 있는 직렬 마이크로그리드 충방전 시스템이며, 이 시스템에 본 발명에 따른 전지접촉부 감시장치를 적용하여 충방전 시작 전에 신속하게 전지접촉부 상태의 양호 또는 불량 여부를 감시할 수 있다.
도 4은 도 3의 충방전 시스템을 보다 큰범위로 적용할 수 있는 대형 충방전 시스템의 하나의 실시 예를 도시한 것이다.
본 발명이 적용되는 도 3과 도 4를 바탕으로 충방전 시스템의 개략적인 기술적 구성에 대하여 살펴본다.
도 3은 본 발명이 적용되는 직류 마이크로그리드 충방전 시스템이며, 종래의 충방전 장치보다 제작비용이 절감되고, 무게와 크기가 현저히 작으며, 설치 시 차지하는 공간 역시 현저히 작은 이점을 가지고 있다.
본 발명의 명세서에서는 '충전 및 방전'과 '충방전' 용어를 동일한 의미로 혼용 기재한다.
본 발명의 명세서에서는 '직류 마이크로그리드 충방전 시스템'과 이를 줄인 '충방전 시스템' 용어를 동일한 의미로 혼용 기재한다.
본 발명의 명세서에서는 '2차 전지' 및 '전지' 용어를 동일한 의미로 혼용 기재하며, 이는 '리듐 2차 전지'라는 용어를 사용하기도 한다.
도 4에서, 상용 전원이 배전반을 통해서 입력되고, 배전반을 통해서 공급되는 전원은 양방향 AC-DC 컨버터를 거쳐서 직류 전기저장장치에 저장된다.
직류 전기저장장치는 전해콘덴서 및/또는 슈퍼콘덴서(하나의 용량이 수백 페러데이(Faraday)임) 등을 직렬 또는 병렬로 연결하여 필요한 전압과 용량으로 구성한 것이다.
이렇게 구성할 경우에, 충전과 방전이 반드시 동시에 일어나지 않더라도 방전 시 직류상태에서 전력이 직류상태의 전기저장장치에 저장되고, 저장된 직류상태의 전원은 변환 손실 없이 충전에 직접 사용이 가능하다.
직류 전기저장장치(도3의 11)를 거쳐서 나온 전원은 각각의 트레이에 하나씩 설치되어 있는 양방향 DC-DC 컨버터(도3의 12)를 거쳐서 양방향 리니어 정전류원(도3의 13, linear current source)으로 만들어서 각각의 2차 전지를 충방전할 수 있도록 구성되어 있다.
상기 양방향 리니어 정전류원(도3의 13)은 충방전 제어 시 정밀도와 안정성을 높이는 현저한 작용효과가 있으나, 제작비용 등을 고려하여 생략할 수도 있다.
상기 양방향 DC-DC 컨버터(도3의 12)와 양방향 리니어 정전류원(도3의 13, linear current source)은 도 4의 각각의 트레이(tray)마다 하나씩 설치되어 직렬로 연결된 다수의 전지(도3의 24) 각각에 대하여 충방전하도록 구성되어 있다.
양방향 리니어 정전류원(도3의 13)으로 충방전을 하도록 구성하므로 직렬로 연결되는 2차 전지(도3의 24)의 수와 무관하게 안정적으로 충전 및 방전을 할 수 있다.
즉, 직렬로 연결되는 전지(도3의 24)의 수에 따라 달라지는 전압변동과 무관하게 수십 내지 수백의 전지(도3의 24)를 효율적으로 충방전할 수 있다.
직류 마이크로그리드 충방전 시스템에서는 수많은 전지(도3의 24)를 직렬로 연결하여 전지열 양단의 전압을 높여서 전력을 변환하므로 에너지 변환효율(80% 이상)을 높일 수 있으므로 에너지를 크게 절약할 수 있는 유리한 효과가 있다.
직류 마이크로그리드 충방전 시스템은 최적 에너지 변환효율을 구현하고 전력 제어시 분해능을 높이기 위하여 충방전 시스템의 적정전압을 직렬 연결된 전지열 양단의 최대전압의 2배 정도로 설정하도록 구성하는 것이 바람직하나, 이는 변경 설정할 수도 있다.
또한, 하나의 트레이에는 직렬로 연결된 각각의 전지(도3의 24)의 충전 및 방전을 제어하기 위한 콘트롤러(도3의 17)와, 콘트롤러(도3의 17)와 통신수단(도3의 16)으로 연결되어 콘트롤러((도3의 17)를 제어하는 마이크로프로세서(도3의 15, CPU)가 하나씩 설치되어 있다.
콘트롤러(도3의 17)는 직렬로 연결된 각각의 전지(도3의 24)를 안정적이고 효율적으로 충방전하기 위하여 필요한 위치에 온도계, 전압계 및 전류계로 구성된 센서를 설치하고, 각각의 센서로부터 측정된 전지의 온도 및 전압(open circuir voltage)과, 회로의 전류 및 전압 등을 입력받도록 구성되어 있다.
직류 마이크로그리드 충방전 시스템은 충방전을 효율적으로 제어하기 위하여 도 3에 도시된 Vb, ib, ibb1 -45, 전지 양단간의 전압, 전지의 온도 등이 측정대상이며, 이들을 측정하여 제어에 사용하고 있다.
즉, 각각의 전지상태를 나타내는 전압, 전류 및 온도 등을 상호 절연된 상태에서도 정밀한 측정이 가능한 절연형 전지계측부(Isolated Battery Management System, 약어로 "BMS")가 각각의 전지 양단에에 설치되어 있다.
콘트롤러의 메모리에는 양방향 리니어 정전류원(도3의 13)을 이용하여 서로 다른 용량을 가진 다수의 전지(도3의 24)를 동시에 효율적으로 충전 및 방전을 이룰 수 있는 수단을 구비한 제어프로그램이 탑재되어 있다.
또한, 제어프로그램에는 본 발명을 효율적으로 신속 정확하게 접촉저항을 측정할 수 있는 전지접촉부 상태감시 수단이 탑재되어 있다.
각각의 트레이에 설치된 마이크로프로세서(도3의 15, CPU)는 제어장치(도 3, host PC)와 연결되어 유선 또는 무선 통신수단으로 신호를 주고받을 수 있도록 구성되어 있다.
직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 충방전을 위한 회로는 도 3에서 굵은 검은 선을 따라서 이루어지며, 도 3을 통해서 양방향 리니어 정전류원에서 공급되는 정전류가 직렬로 연결된 각각의 전지를 통과하면서 충방전이 이루어지는 것으로 용이하게 이해할 수 있다.
직류 마이크로그리드 충방전 시스템은 직렬로 연결된 다수의 전지를 충방전할 경우에 각각의 전지 내부저항을 포함한 특성 및 용량이 다르기 때문에 콘트롤러(도3의 17)에서 각각의 전지에 대하여 충방전을 제어하되, 제어범위가 클 때에는 정전류 모드에서 릴레이를 온 또는 오프시켜 충방전을 제어하고, 미세한 제어가 필요할 경우에 정전압 모드에서 능동형 밸런스회로(도3의 18)를 동작시켜 제어하도록 구성되어 있다.
도 3에서, 릴레이 양단간에는 릴레이 스누버(relay snubber))가 설치되어 있다. 릴레이 스누버는 릴레이가 하나의 접점에서 또 다른 접점으로 이동하는 순간에 회로의 개방에 따른 전류의 끊김을 방지하고, 접점이 개폐될 때 발생하는 스파크에 의한 접점 손상을 방지하여 릴레이의 내구성을 높이고 회로의 안정적인 동작을 유도하기 위한 것이다.
즉, 릴레이 스누버는 릴레이가 개방되는 순간 전류를 바이패스시켜 회로가 개방되는 현상과 접점의 손상을 방지하여 회로가 안정적으로 동작하고, 릴레이의 내구성을 높이는데 있다.
도 3에서, 릴레이 제어부(도3의 20)는 각각의 전지에 하나씩 설치되어 콘트롤러에서 전송되는 제어신호에 따라 릴레이를 개폐시켜 전지로 흐르는 전류를 제어하는 역할을 한다.
실시 예에서 여기까지의 설명은 본 발명을 효율적으로 적용하여 신속하게 전지접촉부 상태를 감시할 수 있는 다수의 전지를 직렬로 연결하여 충방전하는 직류마이크로 충방전 시스템에 관하여 개략적으로 설명한 것이다.
본 발명은 앞서 설명한 직류 마이크로그리드 충방전 시스템에 용이하게 적용할 수 있음은 물론이고, 이와 균등 내지 유사한 충방전 시스템에 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명에 따른 전지접촉부 상태감시 장치를 변형 적용할 수 있으며, 이러한 변형 또한 본 발명의 보호범위에 속한다.
본 발명의 기술적 구성을 도 1에 기초하여 살펴본다.
도 1은 도 3에 도시된 직류 마이크로그리드 충방전 시스템에서 본 발명에 따른 전지접촉부 감시장치를 사용하여 접촉저항을 측정하는 기술적 구성을 용이하게 이해할 수 있도록 간략하게 도시한 것이다.
전지접촉부 감시장치는 콘트롤러의 제어 하에서 센서에서 측정한 전압, 전류 및 메모리에 미리 설정 저장된 값 등을 이용하여 수행된다.
접촉저항이 mΩ 영역에서, 전지의 접촉저항을 측정하는 종래의 기술은 전지를 접속하고 발열이 문제가 되지 않을 짧은 시간 동안(통상 100분의 1초 내지 1초 이내) mΩ 저항측정이 가능한 수준으로 통상 수A 이상 수십A 이내의 설정된 전류로 통전하고, 통전 시 충방전시스템의 출력 전압과 절연형 전지계측부(BMS)에서 측정한 전지 전압을 비교하여 오음의 법칙에 따라 접촉저항을 연산하도록 구성되어 있다.
종래기술의 경우에, 전원장치의 출력 전압을 정밀하게 측정하기 위하여 절연형(isolated type) 혹은 차동형(differential type) 구조의 측정장치가 필요한데 여기서 전지접촉부의 저항은 mΩ영역이고, 전지접촉부 전압 역시 수mV 내지 수십mV에 불과하므로 이를 측정하기 위하여 고가의 정밀한 측정 장치가 전지 개수만큼 소요되어 부피가 커지고 무게가 무거워지며 비용이 많이 소요되고, 측정시간 역시 많이 소요되는 문제점이 있다.
앞서 설명한 다수의 2차 전지와 실제 연결되는 기구부가 바로 전지접촉부이며, 전기 접촉부의 접촉저항을 인식하는 것이 앞서 설명한 본 발명의 기술적 과제 중의 하나이다.
절연형 전지계측부(BMS)는 각각의 2차 전지의 전지접촉부와 연결 설치되어 상시 전지 전압을 정밀하게 측정하고 있으며, 어떠한 충방전 장치에서도 필수적으로 설치되어 사용되고 있다.
본 발명은 다수의 전지가 직렬로 연결되어 충방전하는 시스템에서 가장 큰 애로사항인 개별 전지의 접촉부 상태를 충방전 시작 전에 수십초 내지 수분사이에 자동으로 인식하여 불량한 접촉부의 전지를 충방전하지 않거나 통신수단 또는 호스트 컴퓨터와 연동하는 모니터 등을 통해서 작업자에게 알려주어 보수하도록 하여 장치의 2차적인 손상과 화재 등의 대형사고를 미리 방지할 수 있는 작용효과가 있다.
충방전을 하기 위하여 각각의 전지들이 접촉하는 접촉점 당 접촉저항이 통상 수 mΩ(1,000 분의 1Ω) 내외(클 경우에 10 mΩ 정도)에 불과하므로 설정된 큰 전류를 통전하고 미세한 전압을 측정하여야만 접촉저항 측정이 가능하나, 본 발명에서는 다수의 2차 전지를 직렬로 연결하여 직류전압을 높여서 전지들의 접촉부 상태를 보다 용이하게 인식할 수 있다.
직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 출력전압은 별도의 출력전압 감지센서가 설치되어 실시간으로 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 출력전압(도3의 Vb)을 측정하고 있다.
도 3에서와 같이 직렬 마이크로그리드 충방전 시스템의 양방향 리니어 정전류원은 하나이므로 다수의 전지를 동시에 충방전 하더라도 직렬 마이크로그리드 충방전 시스템의 출력전압 감지센서는 하나이면 족하다.
도 3의 Vb가 직렬 마이크로그리드 충방전 시스템의 출력 전압(도1의 V0에 해당함)이다.
본 발명에 따른 전지접촉부 감시장치에서, 전지접촉부의 접촉저항을 측정하는 기술적 구성을 보다 상세히 기술한다.
전지접촉부 감시장치는 직렬로 연결된 모든 전지를 릴레이를 동작시켜 전지 충방전 제어 회로부와 분리시키고, 콘트롤러의 메모리에 설정된 전류를 설정된 시간동안 통전하여 전지접촉부를 제외한 전지 충방전 제어 회로부 자체의 루프저항(Z0)을 측정하는 수단을 구비한다.
보다 구체적으로, 전지접촉부 감시장치는 직렬로 연결된 다수의 전지를 충방전하기 위한 직류 마이크로그리드 충방전 시스템에서 충방전에 앞서 직렬로 연결된 모든 전지를 릴레이(도3 참조)를 동작시켜 전지 충방전 제어 회로부와 분리시키고 설정된 전류(mΩ영역에서 용이하게 인식할 수 있는 정도, 하나의 예로 20A)를 설정된 시간(측정에 필요한 최소 시간, 하나의 예로 1초 정도)동안 통전하여 전지접촉부를 제외한 전지 충방전 제어 회로부 자체의 루프저항(수식(1), Z0=V0/통전전류(20A))을 측정하여 메모리에 저장해둔다.
루프저항(Z0) = 충방전 시스템의 출력전압(V0)/통전전류 ----- 수식(1)
여기서, 전지 충방전 제어 회로부는 앞서 설명한 각각의 전지를 충방전할 때 사용되는 전자 소자로 구성된 제어회로를 의미하며, 보다 구체적으로 도 3에서 직렬로 연결된 각각의 전지를 충방전하기 위하여 연결 설치된 회로를 의미한다.
다음은 도 1에서, 첫 번째 전지의 충전을 위하여 사용되는 릴레이를 동작시켜 첫 번째 전지만을 전지 충방전 제어 회로부에 연결하고, 상기 설정된 전류(예시, 20A)를 설정된 시간 동안 통전시키고, 통전 시 측정된 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 출력전압(도3의 Vb 값)과 첫 번째 전지접촉부에 설치된 절연형 전지계측부(BMS)에서 인식한 전지전압을 측정하는 수단을 포함한다.
측정된 충방전 시스템의 출력전압과 인식한 첫 번째 전지전압을 이용하여 수식(2)으로 첫 번째 전지접촉부의 접촉저항을 연산한다.
첫 번째 전지접촉부의 접촉저항 = (측정된 충방전 시스템 출력전압 - 첫 번째 전지전압)/통전전류(예, 20A) - 루프저항(Z0) × (총전지 개수 - 1)/(총전지 개수) ------ 수식(2)
상기 수식(2)에서 구한 값은 첫 번째 전지접촉부의 접촉저항이다.
수식(2)에서 총전지 개수는 하나의 트레이 내에 직렬로 연결된 모든 전지의 합을 의미한다.
다음은 두 번째 전지와 연결된 릴레이를 동작시켜 두 번째 전지만을 전지 충방전 제어 회로부에 연결하고, 상기 설정된 전류(20A)를 설정된 시간 동안 통전시키고, 통전 시 측정된 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 출력전압(도3의 Vb 값)과 두 번째 전지접촉부에 설치된 절연형 전지계측부에서 인식한 두 번째 전지전압을 측정하는 수단을 포함한다.
측정된 충방전 시스템의 출력전압과 인식한 두 번째 전지전압을 이용하여 수식(3)으로 두 번째 전지접촉부의 접촉저항을 연산한다.
두 번째 전지접촉부의 접촉저항 = (측정된 충방전 시스템 출력전압 - 두 번째 전지전압)/통전전류(20A) - 루프저항(Z0) × (총전지 개수 - 1)/(총전지 개수) ------- 수식(3)
상기 수식(3)에서 구한 값은 두 번째 전지접촉부의 접촉저항이다.
다음은 n 번째 전지와 연결되는 릴레이를 동작시켜, n 번째 전지만을 전지 충방전 제어 회로부에 연결하고, 상기 설정된 전류(20A)를 설정된 시간 동안 통전시키고, 통전 시 측정된 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 출력전압(도3의 Vb 값)과 n 번째 전지접촉부에 설치된 절연형 전지계측부에서 인식한 n 번째 전지전압을 측정하는 수단을 포함한다.
상기 설정된 전류(20A)에서 20A는 하나의 예시이고, 그 수치는 크게 또는 작게 변경 사용할 수 있다.
측정된 충방전 시스템의 출력전압과 인식한 n 번째 전지전압을 이용하여 수식(n)으로 n 번째 전지접촉부의 접촉저항을 연산하여 감시할 수 있다.
n 번째 전지접촉부의 접촉저항 = (측정된 충방전 시스템 출력전압 - n 번째 전지전압)/통전전류(20A) - 루프저항(Z0) × (총전지 개수 - 1)/(총전지 개수) --------- 수식(n)
상기 수식(n)에서 얻은 값은 n 번째 전지접촉부의 접촉저항이다.
결론적으로, 하나의 트레이 내에 존재하는 직렬로 연결된 모든 전지접촉부의 접촉저항을 측정할 수 있다.
상기 본 발명에 따라 전지접촉부의 접촉저항 측정에 소요되는 시간은 전체 충방전 시간에 비하여 무시할 수준의 짧은 시간이다.
즉, 본 발명에 따른 전지접촉부 감시장치를 도 3의 직류 마이크로그리드 충방전 시스템에 적용할 경우에 직렬로 연결된 전지의 수에 따라 다소 차이가 있을 수 있지만 수십초 내지 수분 이내 신속 정확하게 전지접촉부의 접촉저항을 측정하여 감시할 수 있다.
종래의 2차 전지의 충방전 시스템에서 2차 전지접촉부의 접촉저항을 완전히 종료하는데 걸리는 시간은 충방전하는 레시피(recipe)에 따라 다르기는 하지만 통상 완전히 끝내는 데는 수 시간이 소요된다.
<실시 예2>
실시 예2는 본 발명에 따른 전지접촉부 감시방법에 관한 것이다.
실시 예2에 따른 전지접촉부 감시방법은 실시 예1에서 기술한 전지접촉부 감시장치를 이용하여 전지접촉부의 접촉저항을 측정하는 방법에 관한 것이며, 이에 기술적 구성을 보다 상세히 살펴본다.
전지접촉부 감시방법은 직렬로 연결된 모든 전지를 릴레이를 동작시켜 전지 충방전 제어 회로부와 분리시키는 단계를 포함한다.
다음은 릴레이를 동작시켜 전지 충방전 제어 회로부와 분리시킨 후, 설정된 전류를 설정된 시간동안 통전시키고, 통전 시 측정된 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 출력전압(도3의 Vb 값)을 통전전류로 나누어 전지접촉부를 제외한 전지 충방전 제어 회로부 자체의 루프저항을 측정하는 단계를 포함한다.
보다 구체적으로, 충방전에 앞서 모든 전지를 릴레이를 이용하여 전지 충방전 제어 회로부와 분리시키고 설정된 전류(mΩ영역에서 용이하게 변별할 수 있는 정도, 예시로 20A)를 설정된 시간(측정에 필요한 최소 시간, 예를 들어 1초 정도)동안 통전시키고, 통전시 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 출력전압을 통전전류로 나누어 전지접촉부를 제외한 전지 충방전 제어 회로부 자체의 루프저항(Z0){수식, Z0=V0/통전전류(20A)}을 측정하여 메모리에 저장해둔다.
이러한 구성은 앞서 설명한 실시 예1의 수식(1)과 동일하다.
여기서, 전지 충방전 제어 회로부는 앞서 설명한 직렬로 연결된 각각의 전지를 충방전할 때 사용되는 제어회로를 의미하며, 보다 구체적으로 도 3에서 직렬로 연결된 각각의 전지를 충방전하기 위하여 연결 설치된 회로를 의미한다.
다음은 첫 번째 전지와 연결되는 릴레이를 동작시켜 첫 번째 전지만을 전지 충방전 제어 회로부에 연결하고, 상기 설정된 전류(예, 20A)를 설정된 시간 동안 통전하면서, 통전시 측정된 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 출력전압(도3의 Vb 값)과 첫 번째 전지접촉부에 설치된 절연형 전지계측부에서 인식한 전지전압을 측정하는 단계를 포함한다.
측정된 충방전 시스템의 출력전압과 인식한 첫 번째 전지전압을 이용하여 수식(2)으로 첫 번째 전지접촉부의 접촉저항을 연산한다.
이러한 구성은 앞서 설명한 실시 예1의 수식(2)과 동일하다.
상기 수식(2)은 첫 번째 전지접촉부의 접촉저항이다.
다음은 두 번째 전지를 전지 충방전 제어 회로부에 연결하고, 상기 설정된 전류(20A)를 설정된 시간 동안 통전하면서, 통전시 측정된 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 출력전압(도3의 Vb 값)과 두 번째 전지접촉부에 설치된 절연형 전지계측부에서 인식한 두 번째 전지전압을 측정하는 단계를 포함한다.
측정된 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 출력전압과 인식한 두 번째 전지전압을 이용하여 수식(3)으로 두 번째 전지접촉부의 접촉저항을 연산한다.
이러한 구성은 앞서 설명한 실시 예1의 수식(3)과 동일하다.
상기 수식(3)은 두 번째 전지접촉부의 저항이다.
다음은 동일한 방법으로, 릴레이를 동작시켜 n 번째 전지를 전지 충방전 제어 회로부에 연결하고, 상기 설정된 전류(예시 20A)를 설정된 시간 동안 통전시키고, 통전시 측정된 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 출력전압(도3의 Vb 값)과 n 번째 전지접촉부에 설치된 절연형 전지계측부에서 인식한 n 번째 전지전압을 측정하는 단계를 포함한다.
측정된 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 출력전압과 인식한 n 번째 전지전압을 이용하여 수식(n)으로 n 번째 전지접촉부의 접촉저항을 연산할 수 있다.
이러한 구성은 앞서 설명한 실시 예1의 수식(n)과 동일하다.
상기 수식(n)은 n 번째 전지접촉부의 접촉저항이다.
이렇게 하여 하나의 트레이 내에 존재하는 직렬로 연결된 모든 전지접촉부의 접촉저항을 측정할 수 있다.
상기 본 발명에 따라 전지접촉부의 접촉저항 측정에 소요되는 시간은 전체 충방전 시간에 비하여 무시할 정도의 짧은 시간이다.
즉, 도 3의 직류 마이크로그리드 충방전 시스템에 본 발명을 적용할 경우에 직렬로 연결된 전지의 수에 따라 다소 차이가 있을 수 있지만 수십초 내지 수분 이내 신속 정확하게 측정할 수 있다.
종래의 2차 전지의 충방전 시스템에서 2차 전지접촉부의 접촉저항을 완전히 종료하는데 걸리는 시간은 충방전하는 레시피(recipe)에 따라 다르기는 하지만 통상 완전히 끝내는 데 수 시간이 소요된다.
본 발명은 1개의 2차 전지 혹은 다수의 직렬 연결된 2차 전지 열을 충방전하는 장치에서 전지를 직접 연결하는 접촉단자 및 회로부분의 접촉저항을 자가진단으로 측정하는 전지접촉부 감시장치 및 방법을 제공하되, 충방전 시작 전에 직류 마이크로그리드 충방전 시스템에서 충방전을 위하여 사용되는 전압 및 전류 측정 센서를 이용하여 신속 정확하게 접촉저항을 측정할 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.
11; 전기저장장치 12; 양방향 DC-DC 컨버터
13; 양방향 리니어 전류전원 14; 호스트 PC
15; CPU 16; 통신 수단
17; 콘트롤러 18; 능동 벨런스회로
19; 보호회로 20; 릴레이 제어부
21; 전압계 22; 온도계
23; 터미널 연결유니트 24; 전지
25; PWM 신호

Claims (12)

  1. 다수의 전지가 직렬로 연결된 전지 충방전 회로의 전지접촉부 감시장치에 있어서,
    각각의 전지와 연결된 릴레이를 동작시켜 전지 충방전 제어 회로부와 분리시키고, 설정된 전류를 설정된 시간동안 통전하면서 통전시 측정한 충방전 시스템의 출력전압과 통전전류를 이용하여 전지접촉부를 제외한 전지 충방전 제어 회로부 자체의 루프저항을 측정하는 수단; 및
    첫 번째 전지를 충방전하기 위하여 설치된 릴레이를 동작시켜, 첫 번째 전지를 전지 충방전 제어 회로부에 연결하고, 상기 설정된 전류를 설정된 시간 동안 통전하고, 통전 시 측정된 충방전 시스템의 출력전압과 첫 번째 전지접촉부에 설치된 절연형 전지계측부에서 측정한 전지전압을 획득하고, 측정된 루프저항, 출력전압 및 첫 번째 전지전압을 이용하여 첫 번째 전지접촉부의 접촉저항을 연산하는 수단을 포함하는 직렬로 연결된 다수의 전지접촉부의 접촉저항을 측정하는 전지접촉부 감시장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지접촉부 감시장치는 첫 번째 전지접촉부의 접촉저항을 연산하는 수단과 동일하게 직렬로 연결된 각각의 전지에 대하여 계속해서 전지접촉부의 접촉저항을 연산하며, n 번째 전지를 충방전하기 위하여 설치된 릴레이를 동작시켜, 마지막 n 번째 전지를 전지 충방전 제어 회로부에 연결하고, 상기 설정된 전류를 설정된 시간 동안 통전하고, 통전시 충방전 시스템의 출력전압과 n 번째 전지접촉부에 설치된 절연형 전지계측부에서 측정한 n 번째 전지전압을 획득하고, 측정된 루프저항, 출력전압 및 n 번째 전지전압을 이용하여 n 번째 전지접촉부의 접촉저항을 연산하는 수단을 포함하는 직렬로 연결된 다수의 전지접촉부의 접촉저항을 측정하는 전지접촉부 감시장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 루프저항은 통전 시 측정한 충방전 시스템의 출력전압을 통전전류로 나눈 값으로 구함을 특징으로 하는 직렬로 연결된 다수의 전지접촉부의 접촉저항을 측정하는 전지접촉부 감시장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지접촉부 감시장치에서, 첫 번째 전지접촉부의 접촉저항이 하기 수식(2)와 같이 주어짐을 특징으로 하는 직렬로 연결된 다수의 전지접촉부의 접촉저항을 측정하는 전지접촉부 감시장치.
    {첫 번째 전지접촉부의 접촉저항 = (측정된 충방전 시스템 출력전압 - 첫 번째 전지전압)/통전전류 - 루프저항(Z0) × (총전지 개수 - 1)/(총전지 개수) ----- 수식(2)}
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 전지접촉부 감시장치에서, n 번째 전지접촉부의 접촉저항이 하기 수식(n)과 같이 주어짐을 특징으로 하는 직렬로 연결된 다수의 전지접촉부의 접촉저항을 측정하는 전지접촉부 감시장치.
    {n 번째 전지접촉부의 접촉저항 = (측정된 충방전 시스템 출력전압 - n 번째 전지전압)/통전전류 - 루프저항(Z0) × (총전지 개수 - 1)/(총전지 개수) ----- 수식(n)}
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전지접촉부 감시장치는 전지접촉부의 상태를 신속 정확하게 인식하도록 하기 위하여 다수의 2차 전지를 직렬로 연결하여 직류전압을 높여서 각각의 전지접촉부의 접촉저항을 측정함을 특징으로 하는 직렬로 연결된 다수의 전지접촉부의 접촉저항을 측정하는 전지접촉부 감시장치.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전지접촉부 감시장치는 사고를 미리 방지하기 위하여 충방전에 앞서 전지접촉부의 접촉저항을 측정하여 전지접촉부의 불량 여부을 인식하도록 구성됨을 특징으로 하는 직렬로 연결된 다수의 전지접촉부의 접촉저항을 측정하는 전지접촉부 감시장치.
  8. 다수의 전지가 직렬로 연결된 전지 충방전 회로의 전지접촉부 감시방법에 있어서,
    각각의 전지와 연결된 릴레이를 이용하여 전지 충방전 제어 회로부와 분리시키는 단계;
    전지 충방전 제어 회로부와 분리시킨 후, 설정된 전류를 설정된 시간동안 통전하면서 통전시 측정한 충방전 시스템의 출력전압과 통전전류를 이용하여 전지접촉부를 제외한 전지 충방전 제어 회로부 자체의 루프저항을 측정하는 단계;
    첫 번째 전지를 충방전하기 위하여 설치된 릴레이를 동작시켜 첫 번째 전지를 전지 충방전 제어 회로부에 연결하고, 상기 설정된 전류를 설정된 시간 동안 통전하고, 통전 시 측정된 충방전 시스템의 출력전압과 첫 번째 전지접촉부에 설치된 절연형 전지계측부에서 측정한 전지전압을 획득하는 단계; 및
    측정된 충방전 시스템의 루프저항, 출력전압 및 첫 번째 전지전압을 이용하여 첫 번째 전지접촉부의 접촉저항을 연산하는 단계를 포함하는 직렬로 연결된 다수의 전지접촉부의 접촉저항을 측정하는 전지접촉부 감시방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 전지접촉부 감시방법은 첫 번째 전지접촉부의 접촉저항을 연산하는 단계에서와 동일하게 직렬로 연결된 각각의 전지에 대하여 계속해서 전지접촉부의 접촉저항을 연산 감시하며, n 번째 전지를 충방전하기 위하여 설치된 릴레이를 동작시켜 n 번째 전지를 전지 충방전 제어 회로부에 연결하고, 상기 설정된 전류를 설정된 시간 동안 통전하고, 통전시 측정된 충방전 시스템의 출력전압과 n 번째 전지접촉부에 설치된 절연형 전지계측부에서 측정한 n 번째 전지전압을 획득하고, 측정된 충방전 시스템의 루프저항, 출력전압 및 n 번째 전지전압을 이용하여 n 번째 전지접촉부의 접촉저항을 연산하는 단계로 이루어진 직렬로 연결된 다수의 전지접촉부의 접촉저항을 측정하는 전지접촉부 감시방법.
  10. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 루프저항은 통전 시 측정한 충방전 시스템의 출력전압을 통전전류로 나눈 값으로 구함을 특징으로 하는 전지 접촉저항을 측정하는 전지접촉부 감시방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 전지접촉부 감시방법에서 첫 번째 전지접촉부의 접촉저항이 하기 수식(2)과 같이 주어짐을 특징으로 하는 직렬로 연결된 다수의 전지접촉부의 접촉저항을 측정하는 전지접촉부 감시방법.
    {첫 번째 전지접촉부의 접촉저항 = (측정된 충방전 시스템 출력전압 - 첫 번째 전지전압)/입력된 전류 - 루프저항(Z0) × (총전지 개수 - 1)/(총전지 개수) ----- 수식(2)}
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 전지접촉부 감시방법에서 n 번째 전지접촉부의 접촉저항이 하기 수식(n)과 같이 주어짐을 특징으로 하는 직렬로 연결된 다수의 전지접촉부의 접촉저항을 측정하는 전지접촉부 감시방법.
    {n 번째 전지접촉부의 접촉저항 = (측정된 충방전 시스템 출력전압 - n 번째 전지전압)/통전전류 - 루프저항(Z0) × (총전지 개수 - 1)/(총전지 개수) ------ 수식(n)}
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