KR101604419B1

KR101604419B1 - 충방전 시험기

Info

Publication number: KR101604419B1
Application number: KR1020140118258A
Authority: KR
Inventors: 윤철오; 오희창; 공웅걸; 윤수영
Original assignee: 주식회사 맥사이언스
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2016-03-17
Also published as: KR20160029248A

Abstract

충방전 시험기는 충전 전류와 방전 전류를 발생하기 위해서 일정 용량의 충전이 가능한 전지인 실험전지; 실험전지와 직렬로 연결되어 있고 실험전지의 충전과 방전을 위한 전력을 공급하는 전원 장치인 서포팅(Supporting)전지; DC-DC 컨버터로 이루어져 서포팅전지가 입력단에 연결되고 실험전지가 출력단에 연결되며 서포팅전지의 전력으로 충전 전류를 흐르게 하여 실험전지를 충전하는 충전용 컨버터; 및 DC-DC 컨버터로 이루어져 서포팅전지가 출력단에 연결되고 실험전지가 입력단에 연결되며 실험전지의 방전 전류가 흐르게 하여 실험전지를 방전한다.

Description

충방전 시험기{Charging and Discharging Testing Device}

본 발명은 충방전 시험기에 관한 것으로서, 특히 단전지의 충방전 반복 시험 시 충전 회로와 방전 회로의 전력 변환 효율을 높여 열 배출량을 크게 감소시키는 충방전 시험기에 관한 것이다.

이차전지의 수요는 정보 통신과 전자 기기의 발달에 따라 증가하고 있다.

이차전지는 수소이온 전지, 리튬이온 전지 및 리튬 폴리머 전지 등이 있으며 제조 후 충방전 과정을 거쳐야 전지의 성능이 완성된다.

이차전지는 생산 공정에서 충방전 시험기에 의해 여러 사이클 동안 충방전 과정을 반복해야 전지로 완성된다.

도 1은 종래 기술에 따른 충방전 시험기의 구성을 나타낸 도면이다.

종래 기술에 따른 충방전 시험기는 쉼(Rest Mode), 충전, 방전의 3가지 상태로 나눌 수 있다. 충방전 시험기는 리튬 이온 전지(10)에서 100A의 용량의 충전 전류와 방전 전류를 발생한다고 가정한다.

리튬 이온 전지(10)는 충방전 반복 시험 대상인 전지이다.

스위치(12)는 고전류 릴레이이고 충방전 중에 리튬 이온 전지(10)를 연결하거나 차단하며 쉼 상태나 비상시 전류를 차단한다.

전류검출저항(Shunt Resistor)(14)은 대략 수백 암페어 전류에서 수십 mV의 전압이 걸리는 저항값을 가진 저항체이다.

충전 정전류 회로(20)는 입력에 비례하는 충전 전류가 흐르게 하는 회로로 수백 와트의 전력 손실이 발생하고 이로 인해 대용량의 히트싱크와 팬이 부착된다.

충전 직류 전원(30)은 충전을 위한 전력을 공급하는 전원 장치로서, 100A의 충전 전류를 발생하기 위해서 8V, 100A의 용량을 가진다.

방전 정전류 회로(40)는 입력에 비례하는 방전 전류가 흐르게 하는 회로로 수백 와트의 전력 손실이 발생하고 이로 인해 대용량의 히트싱크와 팬이 부착된다.

방전 직류 전원(50)은 방전을 위한 전력을 공급하는 전원 장치로서, 100A의 충전 전류를 발생하기 위해서 3V, 100A의 용량을 가진다.

충방전 시험기는 충전 시와 방전 시를 나누어 설명하면 다음과 같다.

종래 기술에 따른 충방전 시험기는 충전 시 전원을 넣고 장치를 초기화한다.

컨트롤러(미도시)는 리튬 이온 전지(10)의 전압을 측정하고(Open Circuit Voltage), 스위치(12)를 연결한다.

충방전 시험기는 충전 직류 전원(30)으로부터 8V 전압, 100A가 충전 정전류 회로(20)로 공급되고 충전 정전류 회로(20)를 통해 충전 전류가 리튬 이온 전지(10)로 충전된다.

컨트롤러는 전류검출저항(14)의 양단의 전압을 측정하여 정해진 크기의 충전 전류가 흐르는지 판단하고 충전 중 리튬 이온 전지의 전압, 전류 및 충전 시간을 체크하여 데이터로 저장한다.

컨트롤러는 기 설정된 충전 완료 조건에 도달하게 되면 쉼 상태로 전환한다.

쉼 상태는 전원을 넣고 장치를 초기화하고 충전 정전류 회로(20)와 방전 정전류 회로(40)에 전류 크기가 0이 입력되며 스위치(12)를 연결하지 않은 상태이다.

충전 직류 전원(30)은 8V 전압이 형성되고, 리튬 이온 전지(10)에 4V 전압이 형성되며 충전 정전류 회로에 4V 전압이 걸린다.

이때, 100A 통전 시 충전 정전류 회로(20)는 4V * 100A = 400W의 열이 발생하고, 충전 직류 전원(30)은 효율이 80%일 때 대략 100W-200W의 열이 발생하게 된다.

종래 기술에 따른 충방전 시험기는 방전 시 전원을 넣고 장치를 초기화한다.

컨트롤러는 리튬 이온 전지(10)의 전압을 측정하고(Open Circuit Voltage), 스위치(12)를 연결한다.

충방전 시험기는 충전 직류 전원(30)으로부터 3V 전압, 100A가 리튬 이온 전지(10)에 공급되고 리튬 이온 전지(10)로부터 방전 전류가 방전 정전류 회로(40)에 공급된다.

컨트롤러는 전류검출저항(14)의 양단의 전압을 측정하여 정해진 크기의 방전 전류가 흐르는지 판단하고 방전 중 리튬 이온 전지(10)의 전압, 전류 및 방전 시간을 체크하여 데이터로 저장한다.

컨트롤러는 기 설정된 방전 완료 조건에 도달하게 되면 쉼 상태로 전환한다.

방전 직류 전원(50)은 3V 전압이 형성되고, 리튬 이온 전지(10)에 3.5V 전압이 형성되며 방전 정전류 회로(40)에 6.5V 전압이 걸린다.

이때, 100A 통전 시 방전 정전류 회로(40)는 6.5V * 100A = 650W의 열이 발생하고, 방전 직류 전원(50)은 효율이 80%일 때 대략 130W의 열이 발생하게 된다.

이와 같은 종래 기술의 충방전 시험기는 100A 충전 시 500W-600W의 열이 배출되고 100A 방전 시 800W의 열이 배출된다.

따라서, 기존의 충방전 시험기는 많은 열을 배출하기 위해서 대형의 히트싱크와 팬이 필요로 하며 이로 인하여 장비 자체가 대형화되는 문제점이 있었다.

기존의 충방전 시험기는 단전지의 경우 전력 변환 효율이 높지 않기 때문에 단전지의 수명과 성능을 실험하기 위해서 불필요하게 많은 열을 배출하게 되고 열을 배출하기 위해 설비 공간 및 에어컨 등의 냉각 장비가 필요하며 필요 전력이 과다하게 발생하므로 별도의 전용 전력 공급 설비가 추가로 필요하다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 실험전지와 실험전지에 충전과 방전을 위한 전력을 공급하는 서포팅(Supporting)전지로 구성되어 실험전지의 충방전 반복 시험 시 충전 회로와 방전 회로의 전력 변환 효율을 높여 열 배출량을 크게 감소시키는 충방전 시험기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 충방전 시험기는,

충전 전류와 방전 전류를 발생하기 위해서 일정 용량의 충전이 가능한 전지인 실험전지;

실험전지와 직렬로 연결되어 있고 실험전지의 충전과 방전을 위한 전력을 공급하는 전원 장치인 서포팅(Supporting)전지;

입력단에 서포팅전지가 연결되고 출력단에 실험전지가 연결되며 서포팅전지의 전력으로 충전 전류를 흐르게 하여 실험전지를 충전하는 충전용 컨버터; 및

출력단에 서포팅전지가 연결되고 입력단에 실험전지가 연결되며 실험전지의 방전 전류가 흐르게 하여 실험전지를 방전하는 방전용 컨버터를 포함한다.

전술한 구성에 의하여, 본 발명은 실험전지와 실험전지에 충전과 방전을 위한 전력을 공급하는 서포팅전지를 직렬로 연결하여 실험전지의 방전 시 서포팅전지에서 에너지를 저장할 수 있어 전력 변환 효율을 크게 높이고 이에 따라 열 배출량을 대폭 감소시키는 효과가 있다.

본 발명은 실험전지와 실험전지에 충전과 방전을 위한 전력을 공급하는 서포팅전지를 직렬로 연결하여 실험전지의 방전 시 서포팅전지에서 에너지를 저장할 수 있어 적은 전력 용량으로 충방전 실험이 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 충방전 시험기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 충방전 시험기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 충방전 시험기의 기능별 개념을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 컨트롤러 측면에서 충방전 시험기의 구성 장치를 모니터링하는 개념을 나타낸 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명의 충방전 시험기는 100A의 용량을 기준으로 충전 전류와 방전 전류를 발생한다고 가정한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 충방전 시험기의 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 충방전 시험기의 기능별 개념을 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 충방전 시험기는 실험전지(100), 서포팅(Supporting)전지(200), 충전용 컨버터(300) 및 방전용 컨버터(400)를 포함한다.

실험전지(100)와 서포팅전지(200)는 직렬로 연결되어 있는 구조이다.

서포팅전지(200)는 실험전지(100) 용량의 최소 2.5배 이상인 전지로 구성한다.

실험전지(100)는 100A의 충전 전류와 방전 전류를 발생하기 위해서 3.7V, 100AH의 용량인 리튬 이온 전지로 구성된다.

서포팅전지(200)는 실험전지(100)의 충전과 방전을 위한 전력을 공급하는 전원 장치로서 100A의 충전 전류와 방전 전류를 발생하기 위해서 3.7V, 200AH의 용량인 리튬 이온 전지로 구성된다.

실험전지(100)와 서포팅전지(200)는 리튬 이온 전지로 구성한다고 기재되어 있지만, 리튬 폴리머 전지 등 충전이 가능한 전지이면 어떠한 전지도 가능하다.

실험전지(100)는 리튬 이온 전지로서 충방전 반복 시험 대상인 전지이다.

서포팅전지(200)는 실험전지(100)의 충전 중에 방전을 수행하고, 실험전지(100)의 방전 중에 충전을 수행하는 전지이다.

스위치(110)는 전지를 연결하거나 차단하는 고전류 릴레이이고 충전과 방전 중에 연결되고 쉼 상태나 비상시 전류를 차단한다.

제1 전류검출저항(Shunt Resistor)(120)은 대략 수백 암페어 전류에서 수십 mV의 전압이 걸리는 저항값을 가진 저항체이다.

충전용 컨버터(300) 및 방전용 컨버터(400)는 직류 전압을 감압 또는 승압하여 원하는 직류 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터로서, 트랜스포머의 듀티 사이클의 온 오프 동안 전력량을 제어하여 출력한다.

충전용 컨버터(300)는 서포팅전지(200)의 전력으로 실험전지(100)를 충전하며, 입력에 비례하는 충전 전류가 흐르게 하는 충전 회로이다.

방전용 컨버터(400)는 입력에 비례하는 방전 전류가 흐르게 하는 방전 회로로서 실험전지(100)의 전압이 고전류를 흐르게 하는데 전압이 부족한 경우, 서포팅전지(200)의 전압을 실험전지(100)에 공급하여 실험전지(100)를 방전시킨다.

충전기(500)는 충전 회로와 방전 회로가 작동하면서 발생하는 전력 손실(5-30%)을 보충하는 장치이다.

충전기(500)는 컨버터의 전력 효율이 70-90%일 때, 실험전지(100)의 충전과 방전 과정을 반복하게 되면, 서포팅전지(200)의 전기량이 계속 감소하며 감소한 전력을 보충해준다.

방전기(520)는 실험전지(100) 또는 서포팅전지(200)가 충전된 상태에서 실험 시 서포팅전지(200)의 과충전을 방지하기 위해서 서포팅전지(200)를 방전시켜 주는 장치이다.

본 발명의 충방전 시험기는 도 3의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 충전 시와 방전 시를 나누어 설명하면 다음과 같다.

충방전 시험기의 충전 시 과정을 설명하면 다음과 같다.

컨트롤러(600)는 실험전지(100)의 전압을 측정하고 충전 시 스위치(110)에 전원을 인가하여 실험전지(100)에 전류가 공급될 수 있도록 한다.

충전용 컨버터(300)는 서포팅전지(200)로부터 충전 전류를 공급받는다. 예를 들면, 서포팅전지(200)는 전지의 효율이 85%일 때, 118A를 충전 전류로 충전용 컨버터(300)로 공급한다.

충전용 컨버터(300)는 서포팅전지(200)로부터 118A를 충전 전류를 입력받아 100A의 충전 전류로 변환하여 실험전지(100)를 충전한다.

컨트롤러(600)는 제1 전류검출저항(120)의 양단의 전압을 측정하여 정해진 크기의 충전 전류가 흐르는지 판단하고 충전 중 실험전지(100)의 전압, 전류 및 충전 시간을 체크하여 데이터로 저장한다.

컨트롤러(600)는 충전 중 전력 손실을 계산하여 충전기(500)로부터 손실분만큼의 전력을 보충하도록 제어한다.

컨트롤러(600)는 기 설정된 충전 완료 조건에 도달하게 되면 쉼 상태로 전환한다.

여기서, 쉼 상태는 충방전 시험기에 전원을 넣으면 장치 초기화에 의해 세팅되고 충전용 컨버터(300)와 방전용 컨버터(400)에 전류 크기가 0이 입력되며, 충전기(500)와 방전기(520)가 오프 상태이며, 스위치(110)에 전원이 인가되지 않은 상태이다.

컨트롤러(600)는 쉼 상태에서 서포팅전지(200)의 전압과 전류량을 데이터로 하여 충전량을 예측한다. 이때, 컨트롤러(600)는 서포팅전지(200)의 충전량이 60%를 초과하면 방전기(520)를 제어하여 충전량을 50%로 감소시키고 40% 미만이면 충전기(500)를 제어하여 서포팅전지(200)의 충전량을 50%로 증가시킨다.

이는 서포팅전지(200)는 50% 정도 충전되어 있을 때 최대의 효율이 나오기 때문이다.

충방전 시험기의 방전 시 과정을 설명하면 다음과 같다.

컨트롤러(600)는 실험전지(100)의 전압을 측정하고 방전 시 스위치(110)에 전원을 인가하여 실험전지(100)에 전류가 공급될 수 있도록 한다.

방전용 컨버터(400)는 실험전지(100)로부터 방전 전류를 공급받는다. 예를 들면, 방전용 컨버터(400)는 효율이 85%일 때, 실험전지(100)로부터 100A를 입력받아 170A로 변환하여 출력한다.

방전용 컨버터(400)는 170A를 출력하므로 서포팅 전지를 70A로 충전하고 실험전지(100)로 100A를 공급한다.

서포팅전지(200)는 방전용 컨버터(400)의 출력된 전류를 이용하여 충전하게 된다.

서포팅전지(200)는 실험전지(100)가 방전을 수행하는 동안 충전을 수행하다가 실험전지(100)가 0V까지 방전하게 되면, 방전 과정에서 전선, 회로 등의 손실된 전류분 만큼 방전하여 실험전지(100)로 공급한다.

실험전지(100)와 서포팅전지(200)는 실험전지(100)를 0V까지 방전하기 위해서 직렬로 연결되어 있다. 즉, 실험전지(100)는 작동 전압이 3V 이상을 유지해야 하므로 OV까지 방전되면, 작동이 불가능하므로 서포팅전지(200)와 직렬로 연결하여 0V까지 방전하여도 작동 전압을 3V 이상 유지할 수 있다.

컨트롤러(600)는 제1 전류검출저항(120)의 양단의 전압을 측정하여 정해진 크기의 방전 전류가 흐르는지 판단하고 방전 중 실험전지(100)의 전압, 전류 및 방전 시간을 체크하여 데이터로 저장한다.

컨트롤러(600)는 방전 중 전력 손실을 계산하여 충전기(500)로부터 손실분만큼의 전력을 보충하도록 제어한다.

컨트롤러(600)는 기 설정된 방전 완료 조건에 도달하게 되면 쉼 상태로 전환한다.

전술한 본 발명의 충방전 시험기는 100A의 용량을 기준으로 하고 있지만 이에 한정하지 않고 200A, 300A 등으로 용량을 증가시키면, 실험전지(100), 서포팅전지(200) 등의 각 전지의 용량을 증가분만큼 증가시켜 구성하면 된다.

본 발명은 실험전지(100)와 실험전지(100)에 충전과 방전을 위한 전력을 공급하는 서포팅전지(200)를 직렬로 연결하여 실험전지(100)의 방전 시 서포팅전지(200)에서 에너지를 저장할 수 있어 전력 변환 효율을 크게 높이고 이에 따라 열 배출량을 대폭 감소시키는 효과가 있다.

본 발명은 기존의 충방전 시험기와 비교하면 충전 및 방전 회로의 전력 변환 효율이 대략 70~90% 정도이고, 열 배출량이 10~30% 정도로 감소하며, 기존의 충방전 시험기의 10-30% 전력 용량이면 충전과 방전 실험이 가능하다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 컨트롤러 측면에서 충방전 시험기의 구성 장치를 모니터링하는 개념을 나타낸 도면이다.

컨트롤러(600)는 스위치(110)의 전원을 인가하여 온 오프 제어한다. 여기서, 스위치(110)는 트랜지스터나 MOS-FET 또는 소형 릴레이를 나타낸다.

충전용 컨버터(300)는 컨트롤러(600)로부터 전압 입력(예를 들어 0~5V), 전류 입력(예를 들어 0~20mA) 또는 주파수 입력(예를 들어 0~100kHz)을 공급받아 입력에 비례하는 실험전지(100)에 전류를 공급한다.

방전용 컨버터(400)는 컨트롤러(600)로부터 전압 입력(예를 들어 0-5V), 전류 입력(예를 들어 0~20mA) 또는 주파수 입력(예를 들어 0~100kHz)을 공급받아 실험전지(100)에 전류를 방전한다.

컨트롤러(600)는 충전기(500)를 온오프시키는 충전 제어 신호를 충전기(500)로 전송하며, 방전기(520)를 온오프시키는 방전 제어 신호를 방전기(520)로 전송한다.

컨트롤러(600)는 Shunt Resistor인 제1 전류검출저항(120)의 양단에 전기적으로 접속하고 제1 전류검출저항(120)에 전류에 비례하는 전압이 발생하므로 이러한 전압을 입력받아 증폭하여 AD 컨버젼(Conversion)하여 실험전지(100)의 전류를 모니터링한다.

컨트롤러(600)는 서포팅전지(200)의 인접하여 구성된 Shunt Resistor인 제2 전류검출저항(220)의 양단에 전기적으로 접속하고, 제2 전류검출저항(220)에 전류에 비례하는 전압이 발생하므로 이러한 전압을 입력받아 증폭하여 AD 컨버젼(Conversion)하여 서포팅전지(200)의 전류를 모니터링한다.

컨트롤러(600)는 실험전지(100)의 전압을 수신하여 AD 컨버젼(Conversion)하여 실험전지(100)의 전압을 모니터링한다.

컨트롤러(600)는 서포팅전지(200)의 전압을 수신하여 AD 컨버젼(Conversion)하여 서포팅전지(200)의 전압을 모니터링한다.

컨트롤러(600)는 충방전 시험기의 충전 제어를 다음과 같이 수행한다.

컨트롤러(600)는 실험전지(100)의 전압/전류, 서포팅전지(200)의 전압/전류를 모니터링하여 안전조건 범위 안에 있는지 판단하고 다음 스텝으로 진행한다.

안전조건은 예를 들면, 전압: 3.0~4.2V, 전류: 0~100A로 설정할 수 있다.

컨트롤러(600)는 전류와 충전 시간 등의 충전 조건을 입력받아 서포팅전지(200)의 충전량과 비교하고 충전이 가능하다고 판단되면 스위치(110)을 닫으며 충전량이 부족하다고 판단되면 충전기(500)를 온 시켜 실험 가능한 전류량만큼 충전한 후 충전 실험을 수행한다.

컨트롤러(600)는 스위치(110)을 닫은 후, 충전용 컨버터(300)에 입력 전압을 인가시켜 실험전지(100)를 충전한다.

컨트롤러(600)는 실험전지(100)의 전압과 전류를 지정된 시간 단위(예를 들면 1초 등)의 간격마다 저장한다.

실험전지(100)의 충전량은 단위시간 × 평균전류의 합이다.

컨트롤러(600)는 서포팅전지(200)의 전압과 전류를 지정된 시간 단위의 간격마다 저장한다.

서포팅전지(200)의 방전량은 단위시간 × 평균전류의 합이며, 방전량으로 SOC(State of Charge[Ah])를 계산한다.

컨트롤러(600)는 실험전지(100)의 전압과 전류, 충전시간, 충전량 등이 충전완료 조건이 되면, 전류가 0이 되도록 충전용 컨버터(300)의 입력 전압을 변경한다.

컨트롤러(600)는 스위치(110)를 개방하고, 실험 중 얻은 데이터를 충방전 시험기에 연결된 PC에 저장하며, 쉼 상태(Rest Mode)로 전환한다. 여기서, 쉼 상태는 충전용 컨버터(300)와 방전용 컨버터(400)에 전류 크기가 0이 입력되며, 충전기(500)와 방전기(520)가 오프 상태이며, 스위치(110)에 전원이 인가되지 않은 상태를 나타낸다.

컨트롤러(600)는 충방전 시험기의 방전 제어를 다음과 같이 수행한다.

컨트롤러(600)는 전류와 방전 시간 등의 방전 조건을 입력받아 서포팅전지(200)의 충전량과 비교하고 방전이 가능하다고 판단되면 스위치(110)을 닫으며 충전량이 크다고 판단되면 방전기(400)를 온 시켜 실험 가능한 전류량만큼 방전한 후 방전 실험을 수행한다.

컨트롤러(600)는 스위치(110)을 닫은 후, 방전용 컨버터(400)에 입력 전압을 인가시켜 실험전지(100)를 방전한다.

실험전지(100)의 방전량은 단위시간 × 평균전류의 합이다.

서포팅전지(200)의 충전량은 단위시간 × 평균전류의 합이며, 충전량으로 SOC(State of Charge[Ah])를 계산한다.

컨트롤러(600)는 실험전지(100)의 전압과 전류, 방전시간, 방전량 등이 방전완료 조건이 되면, 전류가 0이 되도록 방전용 컨버터(400)의 입력 전압을 변경한다.

컨트롤러(600)는 스위치(110)를 개방하고, 실험 중 얻은 데이터를 충방전 시험기에 연결된 PC에 저장하며, 쉼 상태(Rest Mode)로 전환한다.

서포팅전지(200)의 충전 상태는 실험전지(100)의 충전 또는 방전 실험을 성공적으로 수행하는데 있어 매우 중요한 요소이다.

충전 실험 조건은 다음과 같다.

컨트롤러(600)는 도 4에 도시된 바와 같이, 스위치(110)를 개방한 상태에서 서포팅전지(200)의 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage, OCV)의 충전 상태를 체크한다.

컨트롤러(600)는 실험자로부터 실험전지(100)의 충전 목표량을 입력받고, 서포팅전지(200)의 용량이 실험전지(100)의 충전 목표량을 감당할 수 있는지 판단한다. 실험전지(100)의 충전 목표량을 감당할 수 있는 판단 기준은 실험전지(100)의 충전 목표량의 에너지를 서포팅전지(200)가 125% 이상 공급해줄 수 있음을 의미한다.

예를 들면, 실험전지(100)의 충전 목표량이 10A인 경우, 서포팅전지(200)의 용량은 12.5A 이상 되어야 안정적으로 충전 실험이 가능하다.

컨트롤러(600)는 서포팅전지(200)의 용량이 실험전지(100)의 충전 목표량보다 125% 이상인 경우 충전 실험을 수행하며, 125% 이하인 경우, 충전기(500)로부터 부족한 에너지를 충전한다.

다시 말해, 서포팅전지(200)는 충방전 시 발생하는 누설전류, 열 손실 등을 고려하여 충방전 시 각각 25% 여유 공간(용량)이 필요한 것이다.

서포팅전지(200)의 용량은 실험전지(100)의 충전 목표량보다 125% 이상 공급이 가능할 때 원하는 충전 실험이 가능한 것으로 125% 이상으로 설정되어 있지만 이에 한정하지 않고 다양한 범위로 설정이 가능하다.

방전 실험 조건은 다음과 같다.

컨트롤러(600)는 도 4에 도시된 바와 같이, 스위치(110)를 개방한 상태에서 서포팅전지(200)의 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage, OCV)의 방전 상태를 체크한다.

컨트롤러(600)는 실험자로부터 실험전지(100)의 방전 목표량을 입력받고, 서포팅전지(200)의 용량이 실험전지(100)의 방전 목표량을 감당할 수 있는지 판단한다. 실험전지(100)의 방전 목표량을 감당할 수 있는 판단 기준은 실험전지(100)의 방전 목표량의 에너지를 서포팅전지(200)가 125% 이상 받아들일 수 있음을 의미한다.

컨트롤러(600)는 서포팅전지(200)의 용량이 실험전지(100)의 방전 목표량보다 125% 이상인 경우 방전 실험을 수행하며, 125% 이하인 경우, 필요한 에너지 공간을 방전기(520)에 의해 확보한다.

실험 전 서포팅전지(200)의 충전량은 서포팅전지(200)의 총 용량에 50%로 유지하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 서포팅전지(200)의 최대 용량이 25A라고 가정하면, 실험 전 서포팅전지(200)의 충전량을 12.5A로 설정 시 충전 실험 또는 방전 실험을 진행하는 것이다.

실험자가 충전과 방전 실험 중 어느 실험을 진행할 지 알 수 없다.

다시 말해, 서포팅전지(200)는 실험전지(100)의 충전 목표량보다 125% 이상 공급할 수 있어야 하고, 실험전지(100)의 방전 목표량의 에너지를 서포팅전지(200)가 125% 이상 받아들일 수 있어야 하므로 총 용량의 중간 지점의 용량(12.5A)에서 실험을 진행해야 충전 실험과 방전 실험을 충전기(500)와 방전기(520)에 도움을 받지 않고 진행할 수 있게 된다.

예를 들어, 서포팅전지(200)의 최소 용량은 실험전지(100)의 충전 목표량보다 125% 이상 공급할 수 있어야 하고, 실험전지(100)의 방전 목표량의 에너지를 서포팅전지(200)가 125% 이상 받아들일 수 있어야 하므로 실험전지(100)를 기준으로 실험전지(100)의 실험 목표량보다 250% 이상을 가지도록 설계하는 것이 바람직하다.

서포팅전지(200)의 총 용량은 용량이 크면 클수록 충전기(500)와 방전기(520)를 가동할 시간이 줄어들어 절전의 효과가 있고 실험전지(100)의 수명도 연장되므로 실험전지(100)의 최대 목표량의 3배가 적합하다.

예를 들어, 서포팅전지(200)의 총 용량은 실험전지(100)의 최대 충전 목표량이 10A, 최대 방전 목표량이 10A일 때, 실험전지(100)의 충방전에 대한 최대 목표량의 3배(60A)가 바람직하다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 실험전지
110: 스위치
120: 전류검출저항
200: 서포팅전지
300: 충전용 컨버터
400: 방전용 컨버터
500: 충전기
520: 방전기
600: 컨트롤러

Claims

충전 전류와 방전 전류를 발생하기 위해서 일정 용량의 충전이 가능한 전지인 실험전지;
상기 실험전지를 0V까지 방전하기 위해서 상기 실험전지와 직렬로 연결되어 있고 상기 실험전지의 충전과 방전을 위한 전력을 공급하는 전원 장치인 서포팅(Supporting)전지;
입력단에 상기 서포팅전지가 연결되고 출력단에 상기 실험전지가 연결되며 상기 서포팅전지의 전력으로 충전 전류를 흐르게 하여 상기 실험전지를 충전하는 충전용 컨버터;
출력단에 상기 서포팅전지가 연결되고 입력단에 상기 실험전지가 연결되며 상기 실험전지의 방전 전류가 흐르게 하여 상기 실험전지를 방전하는 방전용 컨버터; 및
상기 실험전지와 연결된 제1 전류검출저항의 양단에 전기적으로 접속하고 상기 서포팅전지와 연결된 제2 전류검출저항의 양단에 전기적으로 접속하며 상기 충전용 컨버터, 상기 방전용 컨버터와 전기적으로 접속되어 상기 실험전지와 상기 서포팅전지의 전압과 전류를 모니터링하여 충방전 제어를 수행하는 컨트롤러를 포함하며, 상기 컨트롤러는 전류량과 방전 시간의 방전 조건을 입력받아 상기 서포팅전지의 충전량과 비교하여 충전량이 크다고 판단하면 상기 방전기를 온시켜 상기 방전 조건의 전류량만큼 방전한 후 방전 실험을 수행하고,
상기 컨트롤러는 상기 실험전지의 방전 목표량을 입력받아 상기 서포팅전지의 용량이 상기 실험전지의 방전 목표량보다 125% 이상인 경우 방전 실험을 수행하며 125% 이하인 경우 상기 방전기를 제어하여 필요한 에너지 공간을 확보하도록 제어하며,
상기 서포팅전지는 상기 실험전지가 방전을 수행하는 동안 충전을 수행하다가 상기 실험전지가 방전하게 되면 방전 과정에서 손실된 전류분만큼 방전하여 상기 실험전지로 공급하며, 상기 서포팅전지는 상기 실험전지의 충전 중에 방전을 수행하고 상기 실험전지의 방전 중에 충전을 수행하며,
상기 서포팅전지에 연결되고 상기 서포팅전지의 과충전을 방지하도록 상기 서포팅전지를 방전하는 방전기를 더 포함하고, 상기 서포팅전지에 연결되고, 상기 서포팅전지의 감소한 전력을 보충하는 충전기를 더 포함하며,
상기 컨트롤러는 상기 서포팅전지의 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage, OCV)의 충전 상태를 체크하고, 상기 서포팅전지의 충전량이 60%를 초과하면 상기 방전기를 제어하여 상기 서포팅전지의 충전량을 50%로 감소시키고 상기 서포팅전지의 충전량이 40% 미만이면 상기 충전기를 제어하여 충전량을 50%로 증가시키며,
상기 서포팅전지에 연결되고 상기 서포팅전지의 과충전을 방지하도록 상기 서포팅전지를 방전하는 방전기를 더 포함하고, 상기 서포팅전지에 연결되고, 상기 서포팅전지의 감소한 전력을 보충하는 충전기를 더 포함하며,
상기 서포팅전지는 상기 실험전지의 충전 목표량의 에너지보다 125% 이상을 공급하고, 125% 이하인 경우, 상기 충전기로부터 부족한 에너지를 충전하며,
상기 서포팅전지는 상기 실험전지의 방전 목표량의 에너지보다 125% 이상을 받아들이고, 125% 이하인 경우, 상기 방전기에 의해 필요한 에너지 공간을 확보하는 충방전 시험기.
제1항에 있어서,
상기 서포팅전지는 상기 실험전지의 전력 용량보다 2.5배 이상으로 구성하는 충방전 시험기.
제1항에 있어서,
상기 서포팅전지의 충전량은 충전 실험과 방전 실험을 하기 전에 총 용량에 50%로 충전되어 있는 충방전 시험기.
제1항에 있어서,
상기 서포팅전지는 상기 실험전지의 방전 실험 시 상기 방전용 컨버터의 출력단으로부터 전류를 공급받아 충전되는 충방전 시험기.
제1항에 있어서,
상기 서포팅전지에 연결되고, 상기 서포팅전지의 감소한 전력을 보충하는 충전기를 더 포함하는 충방전 시험기.
제1항에 있어서,
상기 서포팅전지에 연결되고 상기 서포팅전지의 과충전을 방지하도록 상기 서포팅전지를 방전하는 방전기를 더 포함하는 충방전 시험기.
제1항에 있어서,
상기 서포팅전지는 상기 실험전지가 0V까지 방전하는 경우, 방전 실험에서 손실된 전류를 방전하여 상기 실험전지로 공급하는 충방전 시험기.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 서포팅 전지의 총 용량은 상기 실험전지의 최대 충전 목표량과 상기 실험전지의 최대 방전 목표량을 합한 목표량보다 3배 이상으로 설정하는 충방전 시험기.