KR101930214B1 - 보조 배터리를 구비한 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템 - Google Patents

보조 배터리를 구비한 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 저장 모듈 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 부하의 구동에 필요한 전력을 공급하는 에너지 저장 모듈 시스템으로서, 제2 전지 모듈과, 상기 제2 전지 모듈에 비해서 방전율이 높은 제1 전지 모듈과, 상기 제2 전지 모듈에 상기 제1 전지 모듈을 병렬로 연결 또는 분리하도록 구성된 스위칭 네트워크를 포함하며, 상기 부하에 연결되어 전력을 공급하도록 구성된 에너지 저장 장치와, 상기 제1 전지 모듈의 상태를 나타내는 데이터를 측정하도록 구성된 제1 감지유닛과, 상기 제2 전지 모듈의 상태를 나타내는 데이터를 측정하도록 구성된 제2 감지유닛과, 상기 제1 감지유닛과 제2 감지유닛에서의 데이터를 수신하고, 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하며, 상기 제어신호를 상기 스위칭 네트워크에 송신하는 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 상기 제1 전지 모듈이 상기 제2 전지 모듈에 연결되기 전에 상기 제2 전지 모듈이 먼저 부하에 연결되도록 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하며, 상기 제어기는 상기 제1 감지유닛과 제2 감지유닛으로부터 수신한 데이터를 바탕으로 상기 제2 전지 모듈에 상기 제1 전지 모듈이 선택적으로 연결 또는 분리되도록 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하는 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템을 제공한다.

Description

보조 배터리를 구비한 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템{HYBRID ENERGY STORAGE MODULE SYSTEM WITH SUPPLEMENTARY BATTERY}
본 발명은 에너지 저장 모듈 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주 배터리와 특성이 다른 리튬 전지와 같은 보조 배터리로 납 축전지와 같은 주 배터리를 보완하여, 부하에서 요구되는 전력량의 변화에 따라 적절하게 대응할 수 있는 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템은 남은 전력을 따로 저장했다가 필요한 시기에 공급하는 시스템이다. 에너지 저장 시스템은 저장방식에 따라 크게 물리적 에너지 저장 시스템과 화학적 에너지 저장 시스템으로 구분할 수 있다. 대표적인 물리적 에너지 저장 시스템으로는 양수 발전 시스템과 압축공기저장 시스템, 플라이휠 등을 들 수 있으며, 화학적 에너지저장으로는 리튬전지, 납축전지, NaS 전지 등이 있다.
야간에 버려지는 전기 등을 에너지 저장 시스템에 저장하여 피크 시간대에 사용하면 전력수급 문제를 해결할 수 있다는 점에서 에너지 저장 시스템에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
소규모 에너지 저장 시스템의 일례로 전기 자동차의 배터리가 있다. 전기 자동차는 모터를 이용해서 구동되는 자동차로서 대용량의 배터리가 장착된다. 이러한 배터리로 과거에는 납 축전지가 사용되었으나, 현재는 니켈 수소전지와 리튬 전지 등이 주로 사용되고 있으며, 향후에는 리튬 전지가 주로 사용될 것으로 예상된다.
과거에 사용되었던 납 축전지는 가격이 상대적으로 매우 싸며, 높은 신뢰성을 가진다는 장점이 있으나, 단위 무게당 출력이 낮으며, 부피가 크고, 장시간 사용하면 출력 전압이 저하되며, 방전율이 낮아서 고출력이 요구되는 부하에 자주 노출되는 경우 과열로 수명이 단축되는 문제가 있어서 전기 자동차에는 우선적으로 선택되지 않고, 사용이 기피되고 있다. 또한, 회생제동을 통해서 회수된 전기 에너지의 충전에 적합하지 않다는 문제도 있었다.
리튬 전지는 다른 전지에 비해 고출력, 고밀도 전지로써 각광을 받고 있다. 하지만, 리튬 전지는 가격이 매우 비싸며, 온도에 따라 성능이 크게 좌우되며, 특히 고온에서는 전해질 분해가 일어나며, 이에 따라 수명이 현저하게 떨어진다. 또한, 발화 및 폭발의 위험도 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해서, 공개특허공보 제2010-0001877호, 제2003-0100891호, 제2003-0100893호 등에는 배터리를 냉각하기 위한 방법이 개시되어 있다.
현재 사용되는 납 축전지는 10㎏당 1㎾h 정도의 전기에너지를 저장할 수 있으며, 1㎾h 정도의 전기에너지로 전기 자동차는 5 내지 10㎞를 주행할 수 있다. 따라서 현재의 자동차의 주행거리인 700㎞ 정도를 주행하기 위해서는 고밀도의 납 축전지를 사용하더라도 1톤 정도의 납 축전지가 필요하다. 따라서 납 축전지와 같은 저밀도의 이차전지를 배터리로 사용할 수 없다.
그러나 한 번의 충전으로 100㎞ 정도의 주행이 가능한 전기 자동차는 주행거리가 짧으므로, 반드시 고밀도 전지를 사용할 필요가 없다. 오히려 저가의 납 축전지를 사용할 수 있다면, 비용이 절감되며, 발화 및 폭발의 위험이 없어 냉각을 위한 복잡한 구조가 필요 없다는 장점이 있다. 또한, 전지를 배치할 때 발화나 폭발의 위험을 고려할 필요가 없으므로 좀 더 자유롭게 전지를 배치할 수 있다는 장점도 있다.
그러나 상술한 바와 같이 납 축전지는 장시간 사용하면 출력 전압이 낮아져 주행이 어려우며, 리튬 전지에 비해서 출력이 낮아서 정지 후 출발하거나, 언덕길을 주행하는 경우와 같이 고출력이 요구되는 경우에 대응하기 어렵고, 높은 방전율이 요구되는 부하에 자주 노출되는 경우 수명이 단축되는 문제가 있다. 또한, 납 축전지는 회생제동에 의한 전기에너지의 충전에 활용되기 어렵다는 문제가 있다.
또한, 서로 다른 종류의 전지를 번갈아 가며 사용하는 종래의 하이브리드 전지 시스템은 사용되는 전지 종류의 변화에 따라 에너지량이 급격히 변화하여, 승객이나 사용자가 그 변화에 따른 충격을 느낄 수 있다는 문제점이 있었다. 또한, 에너지 효율도 떨어진다는 문제가 있었다.
또한, 하이브리드 전지 시스템을 장착한 플러그인 하이브리드 자동차에서 주행과 동시에 충전이 필요할 경우 레인지 익스텐더(range extender)를 구동시켜 리튬전지에 충전을 하고 전기자동차의 운행은 납축전지를 사용하게 됨에 따라 필요 이상의 큰 용량의 리튬전지를 구비하여 충전해야 하는 문제가 있었다.
공개특허공보 제2010-0001877호 공개특허공보 제2003-0100891호 공개특허공보 제2003-0100893호 등록특허공보 제10-1281066호 일본 공개특허공보 제2010-093993호
본 발명의 목적은 고출력의 요구에 대응이 가능하면서도, 신뢰성이 높은 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템을 제공하는 것이다. 예를 들어, 한 번의 충전으로 100㎞ 정도의 주행이 가능한 에너지 저장 모듈 시스템으로서 신뢰성이 높고, 가격이 매우 저렴한 전기 자동차용 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 부하의 구동에 필요한 전력을 공급하는 에너지 저장 모듈 시스템으로서,
제2 전지 모듈과, 상기 제2 전지 모듈에 비해서 방전율이 높은 제1 전지 모듈과, 상기 제2 전지 모듈에 상기 제1 전지 모듈을 병렬로 연결 또는 분리하도록 구성된 스위칭 네트워크를 포함하며, 상기 부하에 연결되어 전력을 공급하도록 구성된 에너지 저장 장치와,
상기 제1 전지 모듈의 상태를 나타내는 데이터를 측정하도록 구성된 제1 감지유닛과, 상기 제2 전지 모듈의 상태를 나타내는 데이터를 측정하도록 구성된 제2 감지유닛과,
상기 제1 감지유닛과 제2 감지유닛에서의 데이터를 수신하고, 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하며, 상기 제어신호를 상기 스위칭 네트워크에 송신하는 제어기를 포함하며,
상기 제어기는 상기 제1 전지 모듈이 상기 제2 전지 모듈에 연결되기 전에 상기 제2 전지 모듈이 먼저 부하에 연결되도록 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하며,
상기 제어기는 상기 제1 감지유닛과 제2 감지유닛으로부터 수신한 데이터를 바탕으로 상기 제2 전지 모듈에 상기 제1 전지 모듈이 선택적으로 연결 또는 분리되도록 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하는 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템을 제공한다.
또한, 상기 에너지 저장 장치는 전류제한회로를 더 포함하며, 상기 스위칭 네트워크는 상기 전류제한회로를 상기 제1 전지 모듈 또는 상기 제2 전지 모듈에 선택적으로 연결 또는 분리하도록 구성되며, 상기 제어기는 상기 제1 감지유닛과 제2 감지유닛으로부터 수신한 데이터를 바탕으로 상기 제1 전지 모듈에 상기 제2 전지 모듈을 연결하기 전에 상기 제1 전지 모듈 또는 상기 제2 전지 모듈과 상기 전류제한회로를 연결하도록 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하는 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어기는 상기 제1 전지 모듈이 상기 제2 전지 모듈에서 분리된 후에 상기 제2 전지 모듈이 부하에서 분리되도록 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하는 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어기는 회생제동에 의한 충전시 상기 제1 전지 모듈이 상기 제2 전지 모듈에서 분리된 후 상기 제1 전지 모듈이 충전되도록 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하는 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어기는 상기 제2 감지유닛으로부터 수신한 상기 제2 전지 모듈의 출력단에 흐르는 전류 값의 크기와 전류 값의 기울기가 미리 정해진 값 이상이면, 상기 제2 전지 모듈에 상기 제1 전지 모듈이 연결되도록 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하는 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템을 제공한다.
또한, 상기 스위칭 네트워크에는 상기 제1 전지 모듈로부터 상기 제2 전지 모듈로 전류가 흐르는 것을 방지하는 제1 다이오드와 상기 제2 전지 모듈로부터 상기 제1 전지 모듈로 전류가 흐르는 것을 방지하는 제2 다이오드가 설치된 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템을 제공한다.
또한, 상기 스위칭 네트워크는 상기 제2 전지 모듈과, 상기 제1 전지 모듈과, 상기 전류제한회로를 서로 병렬로 연결하는 네트워크에 설치된 스위치들을 포함하는 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제1 전지 모듈은 리튬 전지 모듈인 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템을 제공한다.
또한, 상기 리튬 전지 모듈은 리튬 폴리머 전지, 리튬 망간 전지, 리튬 철 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 공기 전지 중에서 선택되는 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제2 전지 모듈은 납 축전지 모듈인 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템을 제공한다.
또한, 상기 전류제한회로는 가변저항인 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템은 리튬 전지 모듈과 같은 보조 배터리를 통해서 고출력의 요구에 대응이 가능하면서도, 신뢰성이 높다는 장점이 있다.
또한, 가격이 저렴한 납 축전지 모듈을 주 배터리로 사용하므로, 제조비용이 절감된다.
또한, 기존 하이브리드 배터리 시스템에 비하여 작은 용량의 보조 배터리 사용이 가능하므로 이에 따른 비용절감 효과가 크다.
또한, 리튬 전지의 계속적인 사용에 의해서 리튬 전지의 온도가 상승하는 것을 방지하기 위한 별도의 냉각시스템이 필요성이 낮으므로, 시스템의 구조가 간단하다. 또한, 납 축전지는 상당히 안정적이므로, 리튬 전지만 탑승자의 안전을 고려하여 안전한 위치에 설치하면 되므로, 전기 자동차에 배치하기 용이하다.
도 1은 전기 자동차 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템의 블록도이다.
도 3 내지 7은 도 2에 도시된 에너지 저장 장치의 부품들의 연결 상태에 따른 블록도들이다.
도 8은 도 2에 도시된 제어기의 블록도이다.
도 9는 도 2에 도시된 에너지 저장 장치의 회생제동을 위한 부품들의 연결 상태를 나타낸 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템의 작용을 나타낸 순서도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템의 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다.
다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명의 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템은 다양한 용도로 사용될 수 있으나, 이하에서는 전기 자동차에 사용되는 경우를 예로서 설명한다. 전기 자동차에는 하이브리드카(HEV), 플러그인 하이브리드카(PHEV), 순수 전기차(EV) 등이 포함된다. 그리고 전기 자동차에는 승용차, 승합차, 버스뿐 아니라 스쿠터나 오토바이와 같은 이륜자동차, 휠체어, 전기 지게차, 청소차, 전기 자전거 등도 모두 포함된다. 이하에서는 순수 전기차를 예로 들어 설명한다.
도 1은 전기 자동차 시스템의 구성도이다. 도 1을 참고하면, 전기 자동차는 모터(1), 모터컨트롤러(2), 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템(10), 감속기어(3) 및 회생제동시시템(7)을 포함한다.
전기 자동차의 모터(1)는 모터제너레이터라고도 불린다. 운행 중에 브레이크를 밟았을 때 모터(1)를 발전기로 하여 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템(10)의 리튬 전지 모듈이나 납 축전지 모듈 등과 같은 에너지 저장 장치를 충전하기 때문이다. 이를 회생 제동이라고 한다. 모터(1)는 감속기어(3)를 통해서 바퀴(4)와 연결된다.
모터컨트롤러(2)는 모터제어기와 모터제어기의 명령에 따라서 모터(1)를 구동하기 위해서 배터리의 직류를 3 상 교류로 전환하는 인버터를 포함한다. 인버터는 파워트랜지스터를 On-Off하는 방식으로 직류를 교류로 변환한다.
하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템(10)의 에너지 저장 장치(20)는 일반 자동차용 주유소와 유사한 급속충전소에서 충전할 때 사용되는 급속 충전구(5)와 가정에서 사용하는 일반 전원을 통해서 충전할 수 있는 일반 충전기(6)를 통해서 충전될 수 있다. 또한, 에너지 저장 장치(20)는 회생제동시스템(7)에 의해서 충전될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템의 블록도이다. 도 2를 참조하면, 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템(10)은 에너지 저장 장치(20)와, 제1 감지유닛(21) 및 제2 감지유닛(22)과, 제어기(30)를 포함한다.
도 3은 도 2에 도시된 에너지 저장 장치의 블록도이다. 도 3을 참조하면, 에너지 저장 장치(20)는 제1 전지 모듈, 제2 전지 모듈, 전류제한회로 및 스위칭 네트워크(15)를 포함한다.
제1 전지 모듈은 고출력이 요구될 때 제2 전지 모듈을 보조하기 위한 것으로서, 제2 전지 모듈에 비해서 방전율이 더 높다. 예를 들어, 제1 전지 모듈은 리튬 전지 모듈(11)이고, 제2 전지 모듈은 납 축전지 모듈(12)일 수 있다. 전류제한회로로는 가변저항(16)을 사용할 수 있다.
에너지 저장 장치(20)는 부하의 양단에 연결되어 부하인 모터(1)에 필요한 전력을 공급하는 역할을 한다. 스위칭 네트워크(15)는 리튬 전지 모듈(11), 납 축전지 모듈(12) 및 가변저항(16)을 서로 병렬로 연결하는 도선(13)과 도선(13)에 설치되어 선택적으로 도선(13)을 연결 또는 차단하는 복수의 스위치(14-1~14-4)를 포함한다.
리튬 전지 모듈(11)은 직·병렬로 연결된 다수의 리튬 전지 셀들(미도시)을 포함한다. 전지의 성능은 모을 수 있는 전기에너지(단위는 ㎾h)의 크기와 한 시간에 배터리 용량의 몇 배를 방전할 수 있는지를 나타내는 방전율(C-rate) 등으로 나타낼 수 있다. 리튬 전지는 납 축전지에 비해서 단위 무게당 많은 전기에너지를 저장할 수 있으며, 충방전 속도도 빠르다. 그러나 리튬 전지는 온도가 증가하면 특성이 열화되고, 폭발의 위험성이 있으며, 가격이 매우 비싸다는 문제가 있다. 본 발명에서, 리튬 전지는 음극에 금속 리튬을 사용하는 2차 전지로서, 리튬 폴리머 전지, 리튬 망간 전지, 리튬 철 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 공기 전지 등을 모두 포함한다. 또한, 현재 개발되고 있어나, 향후 개발될 리튬 2차 전지도 사용될 수 있다.
납 축전지 모듈(12)은 직·병렬로 연결된 다수의 납 축전지 셀들(미도시)을 포함한다. 납 축전지는 모을 수 있는 전기에너지의 크기가 작고, 단위 시간당 방전할 수 있는 전력의 크기도 작지만, 가격이 저렴하며 폭발 위험성 등이 없는 안전한 배터리라는 장점이 있다. 납 축전지는 장기간 사용하면 출력 전압이 떨어지며, 일정 시간이 지나야 다시 출력 전압이 회복되는 특성이 있으며, 방전 속도도 느려서 전기 자동차용 배터리로 사용하는데 제약이 따른다. 또한, 충전 속도도 느려서 회생제동에 의한 전기에너지의 충전용으로 사용하기 어렵다는 문제가 있다.
상술한 바와 같이 리튬 전지 모듈(11)은 온도 증가에 따른 열화 문제가 있어서, 냉각 장치 없이 장시간 사용할 수 없으며, 납 축전지 모듈(12)은 출력 전압의 저하로 장시간 사용할 수 없으며, 충방전 속도가 느리다는 문제가 있다. 본 실시예에서는 필요한 경우에만 리튬 전지 모듈(11)을 납 축전지 모듈(12)에 스위칭 네트워크(15)를 이용하여 병렬로 연결하여 사용함으로써 이러한 문제를 개선하였다.
예를 들어, 급가속이나, 언덕길 등판과 같이, 고출력이 필요한 경우에는 리튬 전지 모듈(11)을 납 축전지 모듈(12)에 병렬로 연결하고, 정속 주행과 같이 고출력이 필요하지 않을 경우에는 납 축전지 모듈(12)만을 부하에 연결할 수 있다.
고출력이 필요한 경우 납 축전지 모듈(12)이 부하와 연결된 상태에서 리튬 전지 모듈(11)을 납 축전지 모듈(12) 및 부하에 병렬로 바로 연결할 경우 부하로 전류가 흐르게 된다. 납 축전지 모듈(12)과 리튬 전지 모듈(11) 사이의 전위차가 크지 않고 시스템에 흐르는 전류량이 크지 않을 경우에는 리튬 전지 모듈(11)을 바로 연결할 수 있다.
그러나 전위가 낮은 모듈로 돌입전류(in rush current)가 흐르게 되어 납 축전지 모듈(12) 또는 리튬 전지 모듈(11)이 손상될 가능성이 있는 경우에는, 연결 전에 납 축전지 모듈(12)과 리튬 전지 모듈(11) 사이에 균형을 맞추는 것이 바람직하다. 예를 들어 리튬 전지 모듈(11)의 전위가 높을 경우에는 먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 스위치(14-2)를 끄고, 제1 스위치(14-1), 제3 스위치(14-3), 제4 스위치(14-4)를 켜서, 리튬 전지 모듈(11)을 가변저항(16)과 병렬로 연결한다. 이러한 상태에서 납 축전지 모듈(12)과 리튬 전지 모듈(11) 사이에 균형이 맞을 때까지 잠시 방치한다. 이때, 가변저항(16)의 저항값은 리튬 전지 모듈(11)의 상태에 따라서 적절히 선택할 수 있다. 또한, 처음에는 저항값을 크게 하고, 점차 저항값이 낮아지게 할 수도 있다. 그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 스위치(14-2)를 켜서, 납 축전지 모듈(12)과 리튬 전지 모듈(11)을 병렬로 연결한다. 그리고 잠시 후 도 6에 도시된 바와 같이, 제3 스위치(14-3)를 끈다.
반대로 납 축전지 모듈(12)의 전위가 높을 경우에는 먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 스위치(14-1)를 끄고, 제2 스위치(14-2), 제3 스위치(14-3) 및 제4 스위치(14-4)를 켜서, 리튬 전지 모듈(12)을 가변저항(16)과 병렬로 연결한다. 이러한 상태에서 잠시 방치하여 납 축전지 모듈(12)과 리튬 전지 모듈(11) 사이에 균형이 맞게 되면, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 스위치(14-1)를 켜서, 납 축전지 모듈(12)과 리튬 전지 모듈(13)을 병렬로 연결한다. 그리고 잠시 후 도 6에 도시된 바와 같이, 제3 스위치(14-3)를 끈다.
납 축전지 모듈(12)과 리튬 전지 모듈(11) 사이에 균형이 맞는지는 제1 감지유닛(21) 및 제2 감지유닛(22)에서 측정된 값에 따라서 결정될 수 있으며, 리튬 전지 모듈(11)의 연결이 필요한지는 모터(1)에서 요구하는 출력에 따라서 결정될 수 있다.
제1 감지유닛(21)은 리튬 전지 모듈(11)의 리튬 전지 셀들과 연결되어 셀 각각의 온도 및 전압, 리튬 전지 모듈(11)의 출력단에 흐르는 전류 등을 측정한다. 제1 감지유닛(21)은 하나의 통신선을 이용하여 직렬로 연결되고, 각 셀의 온도 및 전압 등의 정보를 시리얼 통신 방식을 통해서 제어기(15)에 전달할 수 있다.
제2 감지유닛(22)은 납 축전지 모듈(12)의 납 축전지 셀과 연결되어 셀 각각의 온도 및 전압, 납 축전지 모듈(12)의 출력단에 흐르는 전류 등을 측정한 후 각 셀의 온도 및 전압 등의 정보를 제어기(15)에 전달한다.
제어기(30)는 에너지 저장 장치(20)의 리튬 전지 모듈(11)과 납 축전지 모듈(12)의 상태를 모니터링하여 최적의 조건에서 유지 및 사용할 수 있도록 에너지 저장 장치(20)를 관리한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제어기(30)는 수신부(31), 측정부(32), 비교부(33), 신호 생성부(34) 및 송신부(35)를 포함한다. 제어기(30)는 제1 감지유닛(21)과 제2 감지유닛(22)에서 전달받은 정보를 통해서 리튬 전지 모듈(11) 및 납 축전지 모듈(12)의 셀들의 온도, 전압, 모듈의 출력단의 전류 등 상태를 감시한다. 또한, 셀들의 상태와 모터컨트롤러(2)를 통해서 입력받은 정보를 바탕으로 생성된 제어신호를 스위칭 네트워크(15)에 송신하여 리튬 전지 모듈(11), 납 축전지 모듈(12) 및 가변저항(16)의 연결 상태를 변경시킴으로써 에너지 저장 장치(20)를 종합적으로 관리하는 역할을 한다.
수신부(31)는 제1 감지유닛(21)과 제2 감지유닛(22)에서 측정된 온도, 전압, 전류 등의 데이터를 전달받는다. 또한, 모터컨트롤러(2)를 통해서 모터(1) 구동을 위해서 필요한 전력 데이터를 전달받는다.
측정부(32)는 수신부(31)에서 수신된 데이터를 이용하여, 쿨롬 카운트 방식 등으로 리튬 전지 모듈(11) 및 납 축전지 모듈(12)의 충전율(SOC, state of charge)을 측정하며, 건전도(SOH, state of health)를 결정한다. 또한, 부하에 출력할 수 있는 전력을 추정한다. 또한, 전류의 변화율도 계산한다.
비교부(33)는 수신부(31)에서 수신된 데이터를 이용하여, 리튬 전지 셀들의 온도를 미리 정해진 기준온도와 비교하여 리튬 전지 셀들이 안전한 상태인지를 검사한다. 또한, 납 축전지 셀들의 전압을 미리 정해진 기준전압과 비교하여 납 축전지 셀들이 사용할 수 있는 상태인지를 검사한다. 또한, 미리 정해진 납 축전지 모듈(12)의 전류 값 및 전류의 변화율과 비교하여, 납 축전지 모듈(12)에 리튬 전지 모듈(11)을 결합해야 하는 시점인지 여부도 판단한다. 즉, 납 축전지 모듈(12)의 전류 값 및 전류의 변화율이 미리 정해진 값 이상이어서, 납 축전지 모듈(12)의 방전율을 초과하는 방전이 요구되는지 여부를 판단한다.
신호 생성부(34)는 리튬 전지 모듈(11) 및 납 축전지 모듈(12)의 충전율과 리튬 전지 모듈(11)의 온도 및 납 축전지 모듈(12)의 전압, 모터컨트롤러(2)를 통해서 전달받은 주행 상태, 납 축전지 모듈(12)의 전류 값 및 전류의 변화율 등을 고려하여 리튬 전지 모듈(11), 납 축전지 모듈(12) 및 가변저항(16)의 연결 상태를 결정하는 제어신호를 발생시켜 에너지 저장 장치(20)에 전달한다.
예를 들어, 리튬 전지 모듈(11) 및 납 축전지 모듈(12)이 충분하게 충전되어 있으며, 정속 주행 중이라 특별히 고출력이 요구되지 않는다면, 납 축전지 모듈(12)만 사용하도록 할 수 있다.
또한, 계속 리튬 전지 모듈(11)을 함께 사용하여 리튬 전지 모듈(11)의 온도가 기준온도 이상으로 상승한다면, 납 축전지 모듈(12)만 사용하도록 변경하기 위한 제어신호를 발생시켜 에너지 저장 장치(20)에 전달한다.
제어기(30)는 모터컨트롤러(2)의 모터제어기와 연결되어 있어, 정지하였다 다시 출발하거나 언덕길을 주행하는 등 주행상태를 확인할 수 있다. 이하에서는 주행상태에 따른 연결 상태의 변화에 대해서 설명한다. 제어기는 주행상태에 따른 요구에 따라 연결 상태를 변환하지만, 리튬 전지 모듈(11)과 납 축전지 모듈(12)의 상태를 고려할 때, 주행상태에 대응하여 연결 상태를 변환하기 어려운 경우에는 주행상태에 따른 연결 상태 변환에 우선하여, 리튬 전지 모듈(11)과 납 축전지 모듈(12)을 보호하는 방향으로 연결 상태를 전환할 수 있다.
만약, 주행상태에 따라서 큰 출력이 필요한 경우에는 리튬 전지 모듈(11)이 연결된 상태로 전환하기 위한 제어신호를 발생시켜 에너지 저장 장치(20)에 전달한다. 납 축전지 모듈(12)은 충분하게 충전되어 있는 경우에도 꺼내 쓸 수 있는 전력이 낮기 때문이다.
주행상태는 납 축전지 모듈(12)의 전류 값 및 전류의 변화율을 통해서도 판단할 수 있다. 즉, 납 축전지 모듈(12)의 전류 값 및 전류의 변화율이 미리 정해진 값 이상이어서, 납 축전지 모듈(12)의 방전율을 초과하는 방전이 요구된다고 판단되면, 리튬 전지 모듈(11)이 부하에 연결되도록 제어신호를 발생시킨다.
이때, 리튬 전지 모듈(11)을 납 축전지 모듈(12)에 바로 연결할 수도 있으나, 바로 연결하면, 에너지 저장 장치(20)의 출력이 급격히 변화하여, 충격이 생길 수 있다. 따라서 먼저 리튬 전지 모듈(11)을 가변저항(16)과 연결한 후 리튬 전지 모듈(11)이 납 축전지 모듈(12)과 균형이 맞은 상태에서 리튬 전지 모듈(11)을 납 축전지 모듈(12)에 연결하는 것이 바람직하다. 그리고 잠시 후 가변저항(16)을 분리한다.
회생제동에 따른 충전이 필요한 경우에는 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 스위치(14-1)와 제2 스위치(14-2)를 켜고, 제3 스위치(14-3)와 제4 스위치(14-4)를 꺼서, 리튬 전지 모듈(11)이 회생제동시스템(7)과 연결되도록 한다. 납 축전지 모듈(12)은 회생제동에 따른 충전이 거의 되지 않으므로, 회생제동 시에는 리튬 전지 모듈(11)을 납 축전지 모듈(12)과 분리하여, 회생제동시스템(7)과 연결하는 것이 회생제동에 따른 충전효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 리튬 전지 모듈(11)의 충전이 완료되면, 충전된 리튬 전지 모듈(11)을 통해서 납 축전지 모듈(12)을 충전하는 방법으로 납 축전지 모듈(12)을 충전할 수 있다. 상술한 바와 같이, 납 축전지 모듈(12)은 회생제동에 따른 충전이 거의 되지 않는다. 이 경우에는 제어기(30)가 충전된 리튬 전지 모듈(11)과 납 축전지 모듈(12)이 서로 연결되도록 스위칭 네트워크(15)의 연결 상태를 전환할 수 있는 제어 신호를 스위칭 네트워크(15)에 송신한다.
이하, 상술한 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템의 작용을 도 10을 참조하여 설명한다.
차량의 주행이 시작되면, 제1 감지유닛(21)과 제2 감지유닛(22)은 리튬 전지 모듈(11) 및 납 축전지 모듈(12)의 셀들의 온도, 전압, 모듈의 출력단의 전류 등을 측정한다(S1, S2).
다음, 제어기(30)의 측정부(32)는 제1 감지유닛(21)과 제2 감지유닛(22)에서 측정된 데이터를 이용하여, 리튬 전지 모듈(11) 및 납 축전지 모듈(12)의 충전율, 건전도 등을 측정한다(S3). 충전율 측정결과를 통해서 일단 주행이 가능한 상태인지를 판단한다(S4). 측정결과 주행할 수 있는 상태라면 측정된 충전율이 전기 자동차의 운전석에 설치된 디스플레이를 통해서 운전자에게 전달된다. 만약, 리튬 전지 모듈(11)과 납 축전지 모듈(12) 모두 충전율이 낮아서 충전이 필요한 경우에는 전기 자동차의 운전석에 설치된 디스플레이를 통해서 운전자에게 충전이 필요함을 알린다(S12).
다음, 제어기(30)의 비교부(33)는 제1 감지유닛(21)에서 측정된 리튬 전지 모듈(11)의 각 셀의 온도 값과 기준온도를 비교한다(S5). 또한, 제1 감지유닛(22)에서 측정된 납 축전지 모듈(12)의 각 셀의 전압 값과 기준전압을 비교한다(S6). 비교 결과 리튬 전지 모듈(11)의 각 셀의 온도 값이 기준온도 이상이고, 납 축전지 모듈(12)의 각 셀의 전압 값이 기준전압 이하라 주행이 어려운 경우에는 전기 자동차의 운전석에 설치된 디스플레이를 통해서 운전자에게 경고를 하여 운전자가 대처할 수 있도록 한다(S13). 또한, 필요한 경우에는 제어기(30)가 전기 자동차의 운행을 중지시킨다.
다음, 제어기(30)는 모터컨트롤러(2)의 모터제어기 또는 납 축전지 모듈(12)의 전류 값 및 전류의 변화율을 통해서 차량의 주행상태 정보를 수신한다(S8). 예를 들어, 납 축전지 모듈(12)의 전류 값 및 전류의 변화율이 미리 정해진 값 이상일 경우에는 차량이 정지하였다 다시 출발하거나, 언덕길을 주행하고 있는 것으로 판단할 수 있으며, 그렇지 않을 경우에는 차량이 정속으로 주행하고 있는 것을 판단할 수 있다.
S4 내지 S8 단계는 모두 제어기(30)에서 진행되며, 동시에 진행되거나 상술한 순서와 다른 순서로 진행될 수 있다.
다음, 제어기(30)의 신호 생성부(34)는 S4 내지 S8 단계에서 얻어진 결과를 통해서 연결 상태를 결정하여 제어신호를 생성하여, 에너지 저장 장치(20)에 송신한다(S9).
다음, 에너지 저장 장치(20)는 제어신호에 따라서 리튬 전지 모듈(11), 납 축전지 모듈(12) 및 가변저항(16)을 배열한 후 방전한다(S10).
일정시간이 지나(S11)면, S1 내지 S10 단계를 다시 반복한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템의 블록도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템은 제1 다이오드(17)와 제2 다이오드(18)를 더 포함할 수 있다.
제1 다이오드(17)와 제2 다이오드(18)는 납 축전지 모듈(12)에서 리튬 전지 모듈(11)로 또는 반대로 돌입전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 안전장치이다. 상술한 바와 같이, 납 축전지 모듈(12)과 리튬 전지 모듈(11) 사이의 균형을 맞춘 상태에서 리튬 전지 모듈(11)을 연결하면, 돌입전류가 흐를 가능성이 작지만, 만약의 경우를 대비하여 제1 다이오드(17)와 제2 다이오드(18)를 설치할 수 있다. 제2 다이오드(18)는 납 축전지 모듈(12)에서 부하가 아닌 리튬 전지 모듈(11) 쪽으로 전류가 흐르는 것을 차단하며, 제1 다이오드(17)는 리튬 전지 모듈(11)에서 납 축전지 모듈(12)로 전류가 흐르는 것을 차단하고, 부하로만 전류가 흐르도록 한다.
본 실시예의 경우에는 회생제동을 위해서 제1 다이오드(17)와 제2 다이오드(18)의 방향을 변경할 수 있는 별도의 스위칭 장치가 필요할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
예를 들어, 전류제한회로로 가변저항(16)을 사용하는 것으로 설명하였으나, 일반 저항을 사용할 수도 있다. 또한, 복수의 저항을 선택적으로 직렬 또는 병렬로 연결하는 방법으로 저항이 변화하는 전류제한회로를 구성할 수도 있다. 또한, 저항값이 다른 복수의 저항 중 하나의 저항을 선택하는 방식으로 전류제한회로를 구성할 수도 있다.
1: 모터 2: 모터컨트롤러
3: 감속기어
10: 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템
20: 에너지 저장 장치 11: 리튬 전지 모듈
12: 납 축전지 모듈 13: 도선
14: 스위치 16: 가변저항
17: 제1 다이오드 18: 제2 다이오드
21: 제1 감지유닛 22: 제2 감지유닛
30: 제어기 40: 충전회로

Claims (11)

  1. 부하의 구동에 필요한 전력을 공급하는 에너지 저장 모듈 시스템으로서,
    제2 전지 모듈과, 상기 제2 전지 모듈에 비해서 방전율이 높은 제1 전지 모듈과, 상기 제2 전지 모듈에 상기 제1 전지 모듈을 병렬로 연결 또는 분리하도록 구성된 스위칭 네트워크를 포함하며, 상기 부하에 연결되어 전력을 공급하도록 구성된 에너지 저장 장치와,
    상기 제1 전지 모듈의 상태를 나타내는 데이터를 측정하도록 구성된 제1 감지유닛과, 상기 제2 전지 모듈의 상태를 나타내는 데이터를 측정하도록 구성된 제2 감지유닛과,
    상기 제1 감지유닛과 제2 감지유닛에서의 데이터를 수신하고, 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하며, 상기 제어신호를 상기 스위칭 네트워크에 송신하는 제어기를 포함하며,
    상기 제어기는 상기 제1 전지 모듈이 상기 제2 전지 모듈에 연결되기 전에 상기 제2 전지 모듈이 먼저 부하에 연결되도록 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하며,
    상기 제어기는 상기 제1 감지유닛과 제2 감지유닛으로부터 수신한 데이터를 바탕으로 상기 제2 전지 모듈에 상기 제1 전지 모듈이 선택적으로 연결 또는 분리되도록 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하며,
    상기 스위칭 네트워크는 상기 제2 전지 모듈과 상기 제1 전지 모듈을 서로 병렬로 연결하는 네트워크에 설치된 적어도 하나의 스위치를 포함하는 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치는 전류제한회로를 더 포함하며,
    상기 스위칭 네트워크는 상기 전류제한회로를 상기 제1 전지 모듈 또는 상기 제2 전지 모듈에 선택적으로 연결 또는 분리하도록 구성되며,
    상기 제어기는 상기 제1 감지유닛과 제2 감지유닛으로부터 수신한 데이터를 바탕으로 상기 제1 전지 모듈에 상기 제2 전지 모듈을 연결하기 전에 상기 제1 전지 모듈 또는 상기 제2 전지 모듈과 상기 전류제한회로를 연결하도록 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하는 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제1 전지 모듈이 상기 제2 전지 모듈에서 분리된 후에 상기 제2 전지 모듈이 부하에서 분리되도록 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하는 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 회생제동에 의한 충전시 상기 제1 전지 모듈이 상기 제2 전지 모듈에서 분리된 후 상기 제1 전지 모듈이 충전되도록 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하는 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제2 감지유닛으로부터 수신한 상기 제2 전지 모듈의 출력단에 흐르는 전류 값의 크기와 전류 값의 기울기가 미리 정해진 값 이상이면, 상기 제2 전지 모듈에 상기 제1 전지 모듈이 연결되도록 상기 스위칭 네트워크를 제어하는 제어신호를 생성하는 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 네트워크에는 상기 제1 전지 모듈로부터 상기 제2 전지 모듈로 전류가 흐르는 것을 방지하는 제1 다이오드와 상기 제2 전지 모듈로부터 상기 제1 전지 모듈로 전류가 흐르는 것을 방지하는 제2 다이오드가 설치된 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 네트워크는 상기 제2 전지 모듈과, 상기 제1 전지 모듈과, 상기 전류제한회로를 서로 병렬로 연결하는 네트워크에 설치된 스위치들을 포함하는 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전지 모듈은 리튬 전지 모듈인 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 리튬 전지 모듈은 리튬 폴리머 전지, 리튬 망간 전지, 리튬 철 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 공기 전지 중에서 선택되는 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전지 모듈은 납 축전지 모듈인 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 전류제한회로는 가변저항인 하이브리드 에너지 저장 모듈 시스템.
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