KR101634721B1 - 리튬 이차전지 어셈블리 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬 이차전지로 이루어진 백업 전지부; 상기 백업 전지부에 대하여 병렬 연결된 우회로부; 및 상기 백업 전지부와 우회로부 사이에 개재되어 스위칭 기능을 제공하는 스위칭부;를 포함하는 리튬 이차전지 어셈블리를 개시한다.

Description

리튬 이차전지 어셈블리 및 그 제어방법{LITHIUM SECONDARY BATTERY ASSEMBLY AND CONTROL METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 리튬 이차전지 어셈블리 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리튬 이차전지의 수명을 개선할 수 있는 구조를 가진 리튬 이차전지 어셈블리 및 그 제어방법에 관한 것이다.

무정전 전원장치(Unintrruptible Power Supply; UPS)는 정전 또는 비상 상황시 부하에 백업 전원을 공급하는 전원장치로서, 항시 동작 안정성이 확보되어야 하는 컴퓨터나 의료기기, 이동통신용 중계기 등에 널리 사용되고 있다.

일반적으로, 무정전 전원장치는 백업 배터리와, 백업 배터리의 직류전력을 교류전력을 변환하는 인버터와, 상용 교류전원의 정전시 백업 배터리의 전력을 선택적으로 부하로 공급하는 제어부 등을 포함하여 구성된다.

무정전 전원장치에 있어서 백업 배터리는 정전시 전력 공급원이 되는 것으로서 주로 납축전지가 사용되고 그밖에 니켈카드뮴 축전지 등이 사용되기도 한다.

그런데, 납축전지 등은 그 부피가 지나치게 큰 관계로 설치와 관리가 용이하지 않은 불편함이 있다. 또한, 납축전지는 장시간 사용시 황산가스가 분출되어 부하장비를 부식시킬 수 있으며, 재활용이 곤란하고 환경오염을 유발할 수 있는 우려도 있다.

최근에는 무정전 전원장치에 사용되는 납축전지를 리튬 이차전지로 대체하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 관련된 특허문헌으로는 한국 공개특허 제2009-0097663호, 한국 공개특허 제2012-0029320호가 있다.

한국 공개특허 제2009-0097663호는 리튬폴리머 배터리를 이용한 무정전시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 리튬폴리머 배터리를 백업 배터리로 채용함과 동시에 독립적인 셀 단위로 충/방전이 이루어지도록 관리해줌으로써, 사용기한의 연장 및 관리상의 용이성을 극대화하는 무정전시스템 및 그 제어방법을 제안하고 있다.

한국 공개특허 제2012-0029320호는 전기 차량 또는 무정전 전원 공급장치 등의 대용량의 전력이 필요한 장치에 적용될 수 있는 대용량 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 제1 단자 어셈블리 및 제2 단자 어셈블리를 구비함으로써 구조의 단순화가 가능하고 열관리 기능과 가스 배출기능을 갖춘 이차전지를 개시하고 있다.

하지만, 종래의 무정전 전원장치에 사용되는 납축전지를 단순히 리튬 이차전지로 교체할 경우에는 CV(정전압) 충전모드의 장시간 유지시 전지 성능이 퇴화하는 문제가 발생하게 된다. 이러한 무정전 전원장치는 많은 업체로부터 다양한 구성으로 출시되고 있으므로 일일이 리튬 이차전지에 걸맞게 충전방식을 수정하기가 곤란한 문제도 있어 이에 대한 대책이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 리튬 이차전지의 수명에 악영향을 끼치는 충전전류를 회피할 수 있는 수단이 마련된 리튬 이차전지 어셈블리와 그 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 리튬 이차전지로 이루어진 백업 전지부; 상기 백업 전지부에 대하여 병렬 연결된 우회로부; 및 상기 백업 전지부와 우회로부 사이에 개재되어 스위칭 기능을 제공하는 스위칭부;를 포함하는 리튬 이차전지 어셈블리를 제공한다.

상기 백업 전지부는 상호 직렬 연결된 복수개의 리튬 이차전지를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 우회로부는 상호 직렬 연결된 복수개의 캐패시터를 구비할 수 있다.

대안으로, 상기 우회로부는 상호 직렬 연결된 복수개의 이차전지를 구비할 수 있다.

상기 스위칭부는 CV 충전모드에서 상기 백업 전지부의 만충전시 상기 우회로부를 충전회로에 접속하고, 상기 백업 전지부의 전압과 상기 우회로부의 전압이 같아지면 상기 우회로부의 접속을 유지한 채로 상기 백업 전지부를 상기 충전회로에서 분리하는 것이 바람직하다.

상기 스위칭부는 방전모드에서 상기 우회로부의 전압이 설정 전압 미만으로 낮아질 경우 상기 백업 전지부를 방전회로에 접속하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 리튬 이차전지 어셈블리를 구비한 무정전 전원장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 리튬 이차전지로 이루어진 백업 전지부와, 캐패시터 또는 이차전지로 이루어진 우회로부가 병렬 연결된 리튬 이차전지 어셈블리에 대하여, CV 충전모드에서 상기 백업 전지부의 만충전시 우회로부를 충전회로에 접속하는 제1단계; 및 상기 우회로부의 전압이 설정 전압 이상일 경우 상기 우회로부의 접속을 유지한 채로 상기 백업 전지부를 상기 충전회로에서 분리하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 어셈블리의 제어방법이 제공된다.

상기 제2단계에서는, 상기 우회로부의 전압이 백업 전지부의 전압과 같아졌을 때 상기 백업 전지부를 상기 충전회로에서 분리하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 정전 또는 비상 상황시 상기 우회로부를 방전모드로 전환하여 백업 전원을 제공할 수 있다.

상기 방전모드에서 상기 우회로부의 전압이 설정 전압 미만으로 낮아질 경우에는 상기 백업 전지부를 방전회로에 접속하는 것이 바람직하다.

본 발명은 리튬 이차전지 어셈블리에 대하여 CV 충전모드를 장시간 유지하더라도 전지 성능이 퇴화 문제가 발생하지 않는 장점이 있다.

따라서, 본 발명을 적용할 경우 기존 납축전지의 문제를 해소하면서도 리튬 이차전지의 수명 저하 문제를 해결할 수 있는 무정전 전원장치를 구현할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬 이차전지 어셈블리의 구성을 개략적으로 도시한 회로도,
도 2는 도 1의 변형예를 도시한 회로도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬 이차전지 어셈블리의 제어방법을 개략적으로 도시한 회로도,
도 4는 본 발명에 따라 제공되는 리튬 이차전지 어셈블리의 충전 과정을 도시한 흐름도,
도 5는 본 발명에 따라 제공되는 리튬 이차전지 어셈블리의 방전 과정을 도시한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬 이차전지 어셈블리의 주요 구성을 개략적으로 도시한 회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬 이차전지 어셈블리는 리튬 이차전지로 이루어진 백업 전지부(100)와, 백업 전지부(100)에 대하여 병렬 연결된 우회로부(110)와, 백업 전지부(100)와 우회로부(110) 사이에 개재된 스위칭부(120)를 포함한다.

백업 전지부(100)는 상호 직렬 연결된 복수개의 리튬 이차전지를 구비한다. 상호 직렬 연결되는 리튬 이차전지의 개수는 리튬 이차전지 어셈블리가 적용되는 전원장치의 사양에 부합하도록 결정된다. 여기서, 리튬 이차전지 어셈블리가 적용되는 전원장치는 무정전 전원장치인 것이 바람직하다. 이해의 편의상 이하에서는 리튬 이차전지가 무정전 전원장치에 적용되는 예를 중심으로 본 발명의 구성을 설명하기로 한다.

우회로부(110)는 백업 전지부(100)에 대하여 병렬 연결되어 리튬 이차전지의 수명에 악영향을 끼치는 충전전류를 백업 전지부(100)에서 회피시키는 기능을 제공한다. 우회로부(110)는 전압유지소자로서 캐패시터가 채용되어 복수개가 상호 직렬 연결된 구조를 갖는다.

대안으로, 우회로부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 전압유지소자로서 이차전지가 채용되어 복수개 상호 직렬 연결된 구조를 갖는 것도 가능하다.

스위칭부(120)는 충,방전 회로에 대하여 백업 전지부(100)와 우회로부(110)를 접속하거나 분리하는 스위칭 기능을 제공한다. 이러한 스위칭부(120)는 통상의 스위칭 소자 및 제어 소자의 유기적인 결합에 의해 구현될 수 있다.

스위칭부(120)는 CV 충전모드에서 백업 전지부(100)의 만충전시 우회로부(110)를 충전회로에 접속하여 우회로부(110)로 충전전류를 우회시킨다. 이후, 백업 전지부(100)의 전압과 상기 우회로부(110)의 전압이 같아지면 우회로부(110)의 접속을 유지한 채로 백업 전지부(100)를 충전회로에서 분리하여 백업 전지부(100)를 이루는 리튬 이차전지의 성능 저하를 방지한다. 이와 같이 백업 전지부(100)가 분리되더라도 무정전 전원장치에서는 정상 전압이 유지되는 것으로 인식하게 되므로 Fault 등의 에러신호를 발생시키지 않는다.

정전 또는 비상 상황시 우회로부(110)는 방전모드로 전환된다. 스위칭부(120)는 방전모드에서 우회로부(110)의 전압이 설정 전압 미만으로 낮아질 경우 백업 전지부(100)를 방전회로에 접속하고 우회로부(110)는 방전회로에서 분리한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면 전술한 리튬 이차전지 어셈블리를 구비한 무정전 전원장치가 제공된다. 무정전 전원장치는 백업 배터리로서 전술한 리튬 이차전지 어셈블리를 포함하고, 그밖에 통상의 UPS와 마찬가지로 백업 배터리의 직류전력을 교류전력을 변환하는 인버터와, 상용 교류전원의 정전시 백업 배터리의 전력을 선택적으로 부하로 공급하는 제어부 등을 포함하여 구성된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬 이차전지 어셈블리의 제어방법을 개략적으로 도시한 회로도이며, 도 4는 본 발명에 따라 제공되는 리튬 이차전지 어셈블리의 충전 과정을 도시한 흐름도, 도 5는 본 발명에 따라 제공되는 리튬 이차전지 어셈블리의 방전 과정을 도시한 흐름도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 최초에 백업 전지부(100)는 스위칭부(120)에 의해 충전회로에 접속되어 CV 충전모드로 정상 충전된다(단계 S100).

이후, 백업 전지부(100)가 만충전 상태가 되면 도 3의 과정 ①과 같이 스위칭부(120)는 우회로부(110)를 충전회로에 접속한다(단계 S110 내지 S120). 이에 따라 백업 전지부(100)와 우회로부(110)는 상호 접속되고, 충전전류는 우회로부(110)로 우회하게 된다.

계속해서, 충전이 지속되어 백업 전지부(100)의 리튬 이차전지 전압과 우회로부(110)의 캐패시터 전압이 같아지면 스위칭부(120)는 도 3의 과정 ②와 같이 충전회로에 대한 우회로부(110)의 접속을 유지한 채로 백업 전지부(100)를 충전회로에서 분리하여 백업 전지부(100)를 보호한다(단계 S130 내지 S140).

정전 또는 비상 상황의 발생시 우회로부(110)는 방전모드로 전환되어 백업 전원을 제공하게 된다(단계 S200).

상기 방전모드에서 우회로부(110)의 전압이 설정 전압 미만으로 낮아질 경우 스위칭부(120)는 도 3의 과정 ③과 같이 백업 전지부(100)를 방전회로에 접속한다. 이에 따라 백업 전지부(100)와 우회로부(110)는 상호 접속되고, 백업 전지부(100)는 방전모드로 전환되고, 이어서 도 3의 과정 ④와 같이 우회로부(110)는 방전회로에서 분리된다(단계 S210 내지 S220).

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬 이차전지 어셈블리는 CV 충전모드에서 백업 전지부(100)의 만충전시 우회로부(110)로 충전전류를 우회시킴으로써 백업 전지부(100)를 이루는 리튬 이차전지의 수명에 악영향을 끼치는 충전전류를 회피할 수 있는 현저한 효과를 제공한다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100: 백업 전지부 110: 우회로부
120: 스위칭부

Claims (11)

1. 리튬 이차전지로 이루어진 백업 전지부;
   상기 백업 전지부에 대하여 병렬 연결된 우회로부; 및
   상기 백업 전지부와 우회로부 사이에 개재되어 스위칭 기능을 제공하는 스위칭부;를 포함하고,
   상기 스위칭부는,
   CV 충전모드에서 상기 백업 전지부의 만충전시 상기 우회로부를 충전회로에 접속하고, 상기 백업 전지부의 전압과 상기 우회로부의 전압이 같아지면 상기 우회로부의 접속을 유지한 채로 상기 백업 전지부를 상기 충전회로에서 분리하고,
   방전모드에서 상기 우회로부의 전압이 설정 전압 미만으로 낮아질 경우 상기 백업 전지부를 방전회로에 접속하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 어셈블리.
2. 제1항에 있어서,
   상기 백업 전지부는 상호 직렬 연결된 복수개의 리튬 이차전지를 구비한 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 어셈블리.
3. 제1항에 있어서,
   상기 우회로부는 상호 직렬 연결된 복수개의 캐패시터를 구비한 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 어셈블리.
4. 제1항에 있어서,
   상기 우회로부는 상호 직렬 연결된 복수개의 이차전지를 구비한 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 어셈블리.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 리튬 이차전지 어셈블리를 구비한 무정전 전원장치.
8. 리튬 이차전지 어셈블리의 제어방법에 있어서,
   리튬 이차전지로 이루어진 백업 전지부와, 캐패시터 또는 이차전지로 이루어진 우회로부가 병렬 연결된 리튬 이차전지 어셈블리에 대하여,
   CV 충전모드에서 상기 백업 전지부의 만충전시 우회로부를 충전회로에 접속하는 제1단계; 및
   상기 우회로부의 전압이 설정 전압 이상일 경우 상기 우회로부의 접속을 유지한 채로 상기 백업 전지부를 상기 충전회로에서 분리하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 어셈블리의 제어방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 제2단계에서,
   상기 우회로부의 전압이 백업 전지부의 전압과 같아졌을 때 상기 백업 전지부를 상기 충전회로에서 분리하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 어셈블리의 제어방법.
10. 제8항에 있어서,
    정전 또는 비상 상황시 상기 우회로부를 방전모드로 전환하여 백업 전원을 제공하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 어셈블리의 제어방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 방전모드에서 상기 우회로부의 전압이 설정 전압 미만으로 낮아질 경우 상기 백업 전지부를 방전회로에 접속하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 어셈블리의 제어방법.

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