KR102015291B1 - 순간 고출력 하이브리드 bms 전지 팩 시스템 - Google Patents

순간 고출력 하이브리드 bms 전지 팩 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102015291B1
KR102015291B1 KR1020180009528A KR20180009528A KR102015291B1 KR 102015291 B1 KR102015291 B1 KR 102015291B1 KR 1020180009528 A KR1020180009528 A KR 1020180009528A KR 20180009528 A KR20180009528 A KR 20180009528A KR 102015291 B1 KR102015291 B1 KR 102015291B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
load
lithium ion
ion battery
auxiliary capacitor
power
Prior art date
Application number
KR1020180009528A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190090612A (ko
Inventor
임명호
Original Assignee
(주)엘앤비파워
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)엘앤비파워 filed Critical (주)엘앤비파워
Priority to KR1020180009528A priority Critical patent/KR102015291B1/ko
Publication of KR20190090612A publication Critical patent/KR20190090612A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102015291B1 publication Critical patent/KR102015291B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M10/4264—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing with capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

본 발명은 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 부하의 양측 단자에 각각 접속되는 제1 및 제2 출력단과, 직렬 구조의 복수의 셀을 가지며 제1 단이 상기 제1 출력단과 연결된 리튬이온 전지와, 상기 리튬이온 전지의 제2 단과 상기 제2 출력단 간에 연결된 하나 이상의 제1 스위치와, 직렬 구조의 복수의 셀을 가지며 제1 단이 상기 제1 출력단과 연결된 보조 캐패시터와, 상기 보조 캐패시터의 제2 단과 상기 제2 출력단 간에 연결된 하나 이상의 제2 스위치, 및 상기 제1 및 제2 스위치의 온오프 동작을 제어하여, 상기 리튬이온 전지 및 상기 보조 캐패시터 중 적어도 하나의 충전 전원을 상기 부하로 제공하는 제어부를 포함하는 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 순간 고출력 방전 능력을 가진 보조 캐패시터를 리튬이온 전지에 대해 하이브리드로 구성하여 부하의 기동 전력 및 급격한 순간 전력 요구 시에 리튬이온 전지 대신 보조 캐패시터에서 순간적인 고출력의 전원을 부하로 방전하여 제공할 수 있고 이를 통해 리튬이온 전지의 수명 단축과 고장 문제를 크게 개선할 수 있는 이점이 있다.

Description

순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템{Hybrid BMS battery pack system having instantaneous high power}
본 발명은 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템에 관한 것으로서, 순간 고출력 방전 능력을 가진 보조 캐패시터를 리튬이온 전지와 하이브리드로 구성하여 부하의 기동 전력 및 급격한 순간 전력 요구 시에 효과적으로 대응할 수 있는 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템에 관한 것이다.
스마트 모빌리티 기기나 무선 청소기 같은 무선 가전 제품들을 구동시키는 전원으로서 리튬이온 전지(리튬전지를 포함한 이차전지)와 배터리 팩에는 배터리 보호를 위하여 PCM(Protection Circuit Module) 또는 BMS(Battery Management System)가 장착된다.
기존의 PCM 파워팩의 경우 셀 밸런싱 기능이 없어 여러 개의 직렬 연결된 셀 중 가장 취약한 셀이 집중적으로 방전되어 셀이 망가지게 되고, 이는 팩 전체의 수명 단축의 결정적 요인이 된다. 더욱이 팩의 수명이 불과 3개월 정도밖에 되지 않아 심각한 문제로 제기되고 있다.
BMS가 장착된 배터리 팩의 경우 모터를 시동할 때 모터 구동에 필요한 정격의 약 3배가 되는 순간 기동력이 요구되는데, 리튬이온 전지의 경우 정격 출력의 3배 이상 방전되면 용량이 정격 용량의 반으로 감소되고 싸이클(수명) 특성이 현저하게 급감하게 되는 문제점이 존재한다.
특히, 이처럼 리튬이온 전지만으로 구성된 파워 팩 제품의 경우 스마트 모빌리티, 물류 로봇 등에서의 전동모터 기반의 고출력 응용 기기에 적용 시, 리튬이온 전지의 통상적인 수명인 300~400 싸이클에 훨씬 못미치는 1/10 수준의 수명에서 고장이 나는 심각한 문제점이 있다.
이와 같이 모터 구동용 배터리의 경우, 높은 방전량을 가지면서 정상 동작 시보다 큰 용량을 만족하기 위해서는 용량의 증가가 필요하지만, 이는 배터리 팩의 부피 및 무게를 증가시키는 요인이 된다. 이외에도, 모터의 순간 기동력에 대응하기 위해 고방전 용량을 갖는 리튬 폴리머 같은 배터리를 사용할 수도 있지만, 가격이 매우 고가이므로 여러가지 제약이 있다.
따라서, 모터 구동 시 고용량의 방전율을 갖는 배터리 팩을 개발할 필요가 있으며, 이는 배터리의 수명과 연동하여 매우 중요한 요소이다. 또한, 모터 구동용 배터리로써의 중요 기능 중 하나인 부스팅 기능(예를 들어, 차량이 언덕을 올라 갈 때 필요한 추가 전력을 제공하는 기능)을 배터리 팩에 부가하게 된다면 배터리 팩의 활용도를 더욱 증가시킬 것으로 기대된다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제2014-0113179호(2014.09.24 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은, 순간 고출력 방전 능력을 가진 보조 캐패시터를 리튬이온 전지에 대해 하이브리드로 구성하여 부하의 기동 전력 및 급격한 순간 전력 요구 시에 효과적으로 대응할 수 있는 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 부하의 양측 단자에 각각 접속되는 제1 및 제2 출력단과, 직렬 구조의 복수의 셀을 가지며 제1 단이 상기 제1 출력단과 연결된 리튬이온 전지와, 상기 리튬이온 전지의 제2 단과 상기 제2 출력단 간에 연결된 하나 이상의 제1 스위치와, 직렬 구조의 복수의 셀을 가지며 제1 단이 상기 제1 출력단과 연결된 보조 캐패시터와, 상기 보조 캐패시터의 제2 단과 상기 제2 출력단 간에 연결된 하나 이상의 제2 스위치, 및 상기 제1 및 제2 스위치의 온오프 동작을 제어하여, 상기 리튬이온 전지 및 상기 보조 캐패시터 중 적어도 하나의 충전 전원을 상기 부하로 제공하는 제어부를 포함하는 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 부하의 전원 공급을 시작하는 초기의 소정 시간 동안, 상기 제1 스위치를 턴 오프 및 상기 제2 스위치를 턴 온시켜, 상기 보조 캐패시터의 충전 전원을 상기 부하로 제공하며, 상기 소정 시간이 경과하면, 상기 제1 스위치를 턴 온 및 상기 제2 스위치를 턴 오프시켜, 상기 리튬이온 전지의 충전 전원을 상기 부하로 지속적으로 제공할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 부하의 전원 공급을 종료하기 직전의 소정 시간 동안, 다시 상기 제1 스위치를 턴 오프 및 상기 제2 스위치를 턴 온시켜, 상기 보조 캐패시터의 충전 전원을 상기 부하로 제공할 수 있다.
또한, 상기 소정 시간은, 2초 내지 5초 범위일 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 부하로 기준파워 이상의 전원을 공급하는 부스팅 모드를 가동할 경우, 상기 제1 및 제2 스위치를 모두 턴 온시켜, 상기 리튬이온 전지 및 상기 보조 캐패시터의 충전 전원을 상기 부하로 동시에 제공할 수 있다.
또한, 상기 상기 리튬이온 전지의 제2 단과 상기 제1 스위치 사이에 연결되며, 상기 부스팅 모드 시에 충방전 전류 비율을 1C로 제한하는 전류 제한 회로를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 스위치는 각각 제1 및 제2 트랜지스터로 구현되고, 상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 트랜지스터를 각각 턴 온 또는 턴 오프시키는 제어 신호를 상기 제1 및 제2 트랜지스터의 게이트 단으로 각각 인가할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 스위치 각각은, 캐스케이드 구조의 2단의 트랜지스터로 구현되며, 상기 2단의 트랜지스터의 게이트에 동일한 제어 신호가 동시 인가될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 리튬이온 전지 및 상기 보조 캐패시터 중 하나의 충전 상태가 기준값 미만이거나 상기 리튬이온 전지 및 상기 보조 캐패시터 간의 충전 상태의 편차가 임계값 이상이면, 상기 부하와의 연결을 차단한 상태에서 상기 제1 및 제2 스위치를 모두 턴 온시켜 상호 간에 충방전이 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 상기 보조 캐패시터에 내장되는 셀의 개수는, 상기 리튬이온 전지에 내장된 셀들에 의한 전체 충전 전압을 상기 보조 캐패시터 내 셀의 목표 충전 전압으로 나눈 결과를 기초로 결정되며, 상기 보조 캐패시터 내 셀의 목표 충전 전압은 2.6 내지 2.8V 범위를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템에 따르면, 순간 고출력 방전 능력을 가진 보조 캐패시터를 리튬이온 전지에 대해 하이브리드로 구성하여 부하의 기동 전력 및 급격한 순간 전력 요구 시에 리튬이온 전지 대신 보조 캐패시터에서 순간적인 고출력의 전원을 부하로 방전하여 제공할 수 있고 이를 통해 리튬이온 전지의 수명 단축과 고장 문제를 크게 개선할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 리튬이온 전지의 배터리 용량을 늘리지 않고도 전동 모터의 기동 전력 및 급격한 순간 전력에 대비할 수 있기에, 배터리 팩 시스템의 소형화가 가능함은 물론 설치 공간을 최소화함으로써 공간 활용도를 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 시스템에서 사용되는 제1 및 제2 구동 모드를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 부스팅 모드를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 적용 가능한 보조 캐패시터의 특징을 나타낸 도면이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템(100)은 제1 출력단(110), 제2 출력단(120), 리튬이온 전지(130), 하나 이상의 제1 스위치(140), 보조 캐패시터(150), 하나 이상의 제2 스위치(160), 제어부(170)를 포함한다.
BMS 전지 팩 시스템(100)의 출력 포트인 제1 출력단(110)과 제2 출력단(120)은 부하(10)의 양측 단자인 음의 단자와 양의 단자에 각각 접속된다.
리튬이온 전지(130) 및 보조 캐패시터(150)는 각각 복수의 셀이 직렬 연결된 구조를 가진다. 리튬이온 전지(130) 및 보조 캐패시터(150)는 제1 및 제2 출력단(110,120) 사이에 병렬로 접속된다.
리튬이온 전지(130)는 제1 단이 제1 출력단(110)과 연결되고 제2 단이 제1 스위치(140)와 연결된다. 여기서, 제1 스위치(140)는 리튬이온 전지(130)의 제2 단과 제2 출력단(120) 사이에 하나 또는 그 이상 연결된다.
마찬가지로, 보조 캐패시터(150)는 제1 단이 제1 출력단(110)과 연결되고 제2 단이 제2 스위치(160)와 연결된다. 여기서, 제2 스위치(160)는 보조 캐패시터(150)의 제2 단과 제2 출력단(120) 사이에 하나 또는 그 이상 연결된다.
도 1의 경우 리튬이온 전지(130)와 제2 출력단(120) 사이에 두 개의 제1 스위치(140)가 직렬 연결되고, 보조 캐패시터(150)와 제2 출력단(120) 사이에 두 개의 제2 스위치(160)가 직렬 연결된 것을 예시하고 있다. 여기서 물론, 두 개의 제1 스위치(140)에 동일한 제어 신호가 동시 인가되어 함께 턴온 또는 턴오프되고, 두 개의 제2 스위치(160)에도 역시 동일한 제어 신호가 인가되어 해당 제어 신호에 맞게 함께 턴온 또는 턴오프된다.
본 발명의 실시예에서 스위치(140,160)는 FET 소자 등과 같은 트랜지스터로 구현될 수 있다. 이때, 도 1과 같이 제1 스위치(140)는 두 개의 제1 트랜지스터가 캐스케이드 연결되고 제2 스위치(140)는 두 개의 제2 트랜지스터가 캐스케이드 연결된 구조를 가질 수 있다. 각 트랜지스터의 게이트에는 제어 신호가 각각 인가되는데, 제어 신호는 해당 게이트를 턴온 또는 턴오프시키는 신호에 해당할 수 있다.
제어부(170)는 제1 및 제2 스위치(140,160) 각각의 온오프 동작을 제어하는 것을 통해, 리튬이온 전지(130) 및 보조 캐패시터(150) 중 적어도 하나의 충전 전원을 부하(10)로 제공한다.
여기서, 제어부(170)는 BMS(Battery Management System)의 일부분에 해당할 수 있다. 또한, 부하(10)는 청소기, 차량, 오토바이, 각종 전자기기 등의 구동에 필요한 전동 모터에 해당할 수 있다.
제어부(170)는 제1 및 제2 스위치(140,160)를 온오프 동작을 제어하여, 리튬이온 전지(130)의 충전 전원만을 부하(10)로 방전하거나, 보조 캐패시터(150)의 충전 전원만을 부하(10)로 방전하거나, 리튬이온 전지(130) 및 보조 캐패시터(150)의 충전 전원을 부하(10)로 함께 방전할 수 있다.
구체적으로, 제1 스위치(140)의 턴 오프 및 제2 스위치(160)의 턴 온 시에는 보조 캐패시터(150)에 충전된 전원이 부하(10)로 방전되고(제1 구동 모드), 반대로 제1 스위치(140)의 턴 온 및 제2 스위치(160)의 턴 오프 시에는 리튬이온 전지(130)에 충전된 전원이 부하로 방전 제공될 수 있다(제2 구동 모드).
물론, 제1 및 제2 스위치(140,160)가 모두 턴 온 상태이면, 리튬이온 전지(130)와 보조 캐패시터(150)의 충전 전원이 부하(10)로 함께 제공될 수 있다(제3 구동 모드; 부스팅 모드).
또한, 제1 구동 모드의 경우, 부하(10)의 초기 기동시 또는 동작 종료시에 일어나는 순간 고출력 방전에 대응하기 위해 사용되고, 제2 동작 모드는 초기 기동 이후부터 동작 종료 이전까지 일반적으로 사용된다. 제3 모드는 부하(10)의 동작 중에 강력한 출력이 요구되는 때,즉 부하(10)의 부스팅(boosting) 가동이 필요할 때 사용된다.
이하에서는 도 2a와 도 2b 및 도 3을 참조로 본 발명의 실시예에 따른 다양한 동작 모드를 더욱 구체적으로 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 시스템에서 사용되는 제1 및 제2 구동 모드를 설명하는 도면이다. 도 2a 및 도 2b는 각각 제1 및 제2 구동 모드를 나타낸다.
우선, 도 2a에서처럼, 제어부(170)는 부하(10)의 전원 공급을 시작하는 초기의 소정 시간(ex, 3초) 동안, 제1 스위치(140)를 턴 오프 및 제2 스위치(160)를 턴 온시켜, 보조 캐패시터(150)의 충전 전원을 부하(10)로 제공한다. 여기서, 소정 시간은 2초 내지 5초 범위일 수 있다.
일반적으로 직류 모터의 초기 시동 시에는 평소 동력의 3배 가량이 요구되며 이는 부하의 순간 기동력으로 정의할 수 있다. 제어부(170)는 이러한 순간 기동력에 대응하기 위하여 부하(10)의 초기 기동 시에는 보조 캐패시터(150)의 충전 전원을 사용하는 제1 구동 모드를 가동함으로써, 부하의 시동이나 종료에 필요한 기동 전원을 공급함은 물론 리튬이온 전지(130)의 용량을 늘리지 않고도 부하의 급격한 전력 변동분에 효과적으로 대응할 수 있도록 한다.
제1 구동 모드를 소정 시간(ex, 3초) 가동한 이후에는, 도 2b와 같이, 제어부(170)각 제1 스위치(140)를 턴 온 및 제2 스위치(160)를 턴 오프시켜, 리튬이온 전지(130)의 충전 전원을 부하(10)로 지속적으로 제공한다. 즉, 부하(10)의 초기 기동 이후부터는 리튬이온 전지(130)의 충전 전원을 소모하는 제2 구동 모드를 가동한다.
이후, 제어부(170)는 부하(10)의 전원 공급을 종료하기 직전의 소정 시간(ex, 3초) 동안, 다시 도 2a와 같이 제1 스위치(140)를 턴 오프 및 제2 스위치(160)를 턴 온시켜, 보조 캐패시터(150)의 충전 전원을 부하(10)로 제공한다.
이처럼, 부하(10)의 동작 종료 직전에 3초 동안 보조 캐패시터(150)를 통해 부하의 동작 종료에 필요한 전원을 부하(10)에 제공하고, 소정 시간(ex, 3초)이 지나면 제1 및 제2 스위치(140,160)를 모두 오프시켜, 부하(10)에 대한 전원 공급을 완전히 차단한다.
더욱 상세하게 설명하면, 부하(10)의 초기 기동 시 3초 동안에는 보조 캐패시터(150)를 사용하는 제1 구동 모드를 구동하고, 이후부터는 리튬이온 전지(130)를 사용하는 제2 구동 모드를 구동하며, 부하(10)의 동작 종료(전원 차단) 3초 직전에는 다시 제1 구동 모드로 전환한 다음 3초가 경과되는 즉시 모든 스위치를 오프시켜 전원 공급을 완전히 차단한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 부스팅 모드를 설명하는 도면이다. 이러한 부스팅 모드의 경우, 앞서 설명한 바와 같이 부하(10)로 기준파워 이상의 전원을 공급하는 모드로서, 예를 들어 스쿠터나 오토바이가 언덕을 올라갈 때, 무선 청소기에서 강력하게 모터를 돌릴 때 등과 같이 파워 모드의 모터 동력이 필요한 경우에 사용된다.
부스팅 모드를 가동할 경우, 제어부(170)는 제1 및 제2 스위치(140,160)를 모두 턴 온 시켜, 리튬이온 전지(130) 및 보조 캐패시터(150)의 충전 전원을 부하(10)로 동시에 제공하도록 한다. 즉, 스위치를 모두 턴온 시키면 도 2a와 도 2b의 두 경로가 함께 형성되고 이에 따라 두 구성 요소의 충전 전원이 부하(10)로 함께 전달된다.
여기서, 리튬이온 전지(130)의 급격한 용량 감소와 그로 인한 사이클(수명) 저하를 방지하기 위해, 도 3에서와 같이, 리튬이온 전지(130)의 제2 단과 제1 스위치(140) 사이에 전류 제한 회로(180)가 추가되는 것이 바람직하다.
이때, 전류 제한 회로(180)는 제어부(170)의 제어에 따라 부스팅 모드 시에 리튬이온 전지(130)의 충방전 전류 비율(Charge/Discharge Rate; C-rate)을 1C로 제한하도록 동작할 수 있다. 이러한 전류 제한 회로(180)는 기 공지된 다양한 방법을 사용할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예는 리튬이온 전지(130) 및 보조 캐패시터(150) 상호 간의 충방전이 가능한 기능을 가진다. 두 요소 간 충방전을 위해서는 제1 및 제2 출력단(120)과 부하(10) 간의 연결을 차단하고 스위치(140,160)를 모두 턴온 시키면 된다. 이때, 리튬이온 전지(130) 및 보조 캐패시터(150) 중 상대적으로 충전량이 많은 쪽에서 적은 쪽으로 충전량을 제공하게 되는데, 충전량이 많은 쪽에서는 방전이 되고 적은 쪽에서는 충전이 된다.
본 발명의 실시예에서 제어부(170)는 리튬이온 전지(130)와 보조 캐패시터(150) 중 어느 하나의 충전 상태가 기준값 미만(ex, 충전량이 25% 미만)이거나, 리튬이온 전지(130) 및 보조 캐패시터(150) 간 충전 상태의 편차가 임계값 이상(충전량의 편차가 25% 이상)일 때, 부하(10)와의 연결을 차단한 상태에서 제1 및 제2 스위치(140,160)를 모두 턴 온시켜 상호 간에 충방전이 이루어지도록 한다.
여기서, 제어부(170)는 출력단과 부하 간에 위치한 보조 스위치를 제어하여 부하(10)와의 연결을 차단시킬 수 있다. 보조 스위치는 제1 출력단(110)과 부하(10) 간, 제2 출력단(120)과 부하(10) 간 중 적어도 한 군데에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 리튬이온 전지(130) 내 각 셀당 충전 전압은 3.0~4.2V 범위일 수 있고, 보조 캐패시터(150) 내 각 셀당 충전 최대 전압은 2.6~2.8V일 수 있다. 물론, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 보조 캐패시터(150)에 내장된 셀 개수는 리튬이온 전지(130)에 내장된 셀들에 의한 전체 충전 전압을, 보조 캐패시터(150) 내 셀의 목표 충전 전압으로 나눈 결과를 기초로 결정될 수 있다. 여기서 목표 충전 전압은 2.6~2.8V 범위일 수 있다.
표 1은 리튬이온 전지(130)의 직렬 셀 개수와 전체 충전 전압, 그리고 보조 캐패시터(150) 내 각 셀당 목표 충전 전압에 따라, 보조 캐패시터(150) 내 직렬 셀의 개수를 연산한 실시예를 나타낸다.
리튬이온 전지 직렬 셀 개수 3 4 5 6 7 8 9
전체 충전 전압 12.6V 16.8V 21V 25.2V 29.4V 33.6V 37.8V
정격 충전 전압 11.1V 14.8V 18.5V 22.2V 25.9V 29.6V 33.3V
보조
캐패시터		 직렬 셀 개수 5 6 8 9 11 12 14
셀 충전전압 2.52V 2.8V 2.625V 2.8V 2.67V 2.8V 2.7V
표 1은 리튬이온 전지(130)의 각 셀당 충전전압이 4.2V인 것을 가정한 것이다. 표 1의 첫 번째 열을 예시하면, 리튬이온 전지(130)의 직렬 셀 개수가 3개인 경우 리튬이온 전지(130)의 전체 충전 전압은 12.6V(=3×4.2V)가 된다.
동일 열에서, 보조 캐패시터(150) 내 셀의 목표 충전 전압은 2.52V이며, 12.6V를 2.52V로 나누면 5가 도출된다. 따라서, 첫번째 열의 경우, 보조 캐패시터(150) 내의 직렬 셀의 개수는 5개를 채택하면 된다.
두 번째 열에서, 리튬이온 전지(130)의 직렬 셀 개수가 4개인 경우 리튬이온 전지(130)의 전체 충전 전압은 16.8V(=4×4.2V)가 된다. 이때 보조 캐패시터(150) 내 셀의 목표 충전 전압이 2.8V이라면, 16.8V를 2.8V로 나누면 6이 도출된다.
물론, 표 1의 경우 보조 캐패시터 내 셀의 목표 충전 전압을 약 2.5V부터 2.8V 까지로 가정하고 있으나, 실질적으로는 2.6~2.8V 범위를 사용할 수 있다. 이와 같이, 보조 캐패시터(150) 내 셀의 개수는 리튬이온 전지(130)의 충전 전압과 보조 캐패시터(150)의 셀당 목표 충전 전압에 맞추어 계산되는 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 적용 가능한 보조 캐패시터의 특징을 나타낸 도면이다. 도 4는 에너지 보조 장치로 사용된 보조 커패시터 내 직렬 셀의 특징을 나타내며 에너캡(enercap)으로 표기되어 있다. 이를 적용한 보조 캐패시터는 기존의 슈퍼 캡에 비해 15배의 전력 밀도를 가지며 1/10의 부피를 가지므로 공간 절약성이 우수하며 낮은 자연 방전율을 가진다.
또한, 동일한 방전율을 가지는 리튬 전지보다 무게 및 부피를 1/4 이상 줄일 수 있으며, 스팟 용접이 필요 없고 일반 캐패시터와 같이 납땜으로 제작 가능하므로 가격 경쟁력이 뛰어난 특징을 가진다.
특히, 리튬 전지의 경우 충전시간이 4시간 정도 소요되고 사용 수명의 희생을 감수한 고속 충전의 경우에도 40분 이상 소요되지만, 에너캡은 3분 충전에 80% 용량의 충전율을 보이며 5분이면 완충되는 장점을 가지고 있다. 이는 에너캡이 용량의 20C 충전과 최대 80C 까지의 방전이 가능하기 때문이다. 이와 같이 에너캡은 5분의 충전으로 본연의 용량을 회복할 수 있어, 작은 용량으로 단시간에 큰 전력 소모를 필요로 하는 곳에서 잦은 충전이 가능한 용도로 적용 가능하다.
이상과 같은 본 발명에 따른 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템에 따르면, 순간 고출력 방전 능력을 가진 보조 캐패시터를 리튬이온 전지에 대해 하이브리드로 구성하여 부하의 기동 전력 및 급격한 순간 전력 요구 시에 리튬이온 전지 대신 보조 캐패시터에서 순간적인 고출력의 전원을 부하로 방전하여 제공할 수 있고 이를 통해 리튬이온 전지의 수명 단축과 고장 문제를 크게 개선할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 리튬이온 전지의 배터리 용량을 늘리지 않고도 전동 모터의 기동 전력 및 급격한 순간 전력에 대비할 수 있으므로, 배터리 팩 시스템의 소형화가 가능함은 물론 설치 공간을 최소화함으로써 공간 활용도를 극대화할 수 있다.
이와 같은 본 발명은 모터의 기동 전력 구동 및 순간 전력이 급격히 필요한 배터리의 응용 분야에 효과적으로 활용될 수 있으며, 특히 배터리 팩의 수명 개선과 유지 비용 절감, 그리고 배터리팩 점유 공간 세이브에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: BMS 전지 팩 시스템 110: 제1 출력단
120: 제2 출력단 130: 리튬이온 전지
140: 제1 스위치 150: 보조 캐패시터
160: 제2 스위치 170: 제어부
180: 전류 제한 회로

Claims (10)

  1. 부하의 양측 단자에 각각 접속되는 제1 및 제2 출력단;
    직렬 구조의 복수의 셀을 가지며 제1 단이 상기 제1 출력단과 연결된 리튬이온 전지;
    상기 리튬이온 전지의 제2 단과 상기 제2 출력단 간에 연결된 하나 이상의 제1 스위치;
    직렬 구조의 복수의 셀을 가지며 제1 단이 상기 제1 출력단과 연결된 보조 캐패시터;
    상기 보조 캐패시터의 제2 단과 상기 제2 출력단 간에 연결된 하나 이상의 제2 스위치; 및
    상기 제1 및 제2 스위치의 온오프 동작을 제어하여, 상기 리튬이온 전지 및 상기 보조 캐패시터 중 적어도 하나의 충전 전원을 상기 부하로 제공하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 부하의 전원 공급을 시작하는 초기의 소정 시간 동안 상기 제1 스위치를 턴 오프 및 상기 제2 스위치를 턴 온하는 제1 구동 모드를 가동하여, 상기 보조 캐패시터의 충전 전원을 부하로 제공하고, 상기 소정 시간이 경과하면 상기 제1 스위치를 턴 온 및 상기 제2 스위치를 턴 오프하는 제2 구동 모드를 가동하여, 상기 리튬이온 전지의 충전 전원을 부하로 지속적으로 제공하며,
    상기 부하의 전원 공급을 종료하기 직전의 소정 시간 동안, 다시 상기 제1 구동 모드를 가동하여 상기 보조 캐패시터의 충전 전원을 부하로 제공하고,
    상기 부하로 기준파워 이상의 전원을 공급하는 부스팅 모드를 가동할 경우, 상기 제1 및 제2 스위치를 모두 턴 온시켜, 상기 리튬이온 전지 및 상기 보조 캐패시터의 충전 전원을 상기 부하로 동시에 제공하는 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 소정 시간은,
    2초 내지 5초 범위인 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 리튬이온 전지의 제2 단과 상기 제1 스위치 사이에 연결되며, 상기 부스팅 모드 시에 충방전 전류 비율을 1C로 제한하는 전류 제한 회로를 더 포함하는 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치는 각각 제1 및 제2 트랜지스터로 구현되고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 및 제2 트랜지스터를 각각 턴 온 또는 턴 오프시키는 제어 신호를 상기 제1 및 제2 트랜지스터의 게이트 단으로 각각 인가하는 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치 각각은,
    캐스케이드 구조의 2단의 트랜지스터로 구현되며, 상기 2단의 트랜지스터의 게이트에 동일한 제어 신호가 동시 인가되는 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 리튬이온 전지 및 상기 보조 캐패시터 중 하나의 충전 상태가 기준값 미만이거나 상기 리튬이온 전지 및 상기 보조 캐패시터 간의 충전 상태의 편차가 임계값 이상이면, 상기 부하와의 연결을 차단한 상태에서 상기 제1 및 제2 스위치를 모두 턴 온시켜 상호 간에 충방전이 이루어지도록 하는 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 캐패시터에 내장되는 셀의 개수는,
    상기 리튬이온 전지에 내장된 셀들에 의한 전체 충전 전압을 상기 보조 캐패시터 내 셀의 목표 충전 전압으로 나눈 결과를 기초로 결정되며,
    상기 보조 캐패시터 내 셀의 목표 충전 전압은 2.6 내지 2.8V 범위를 가지는 순간 고출력 하이브리드 BMS 전지 팩 시스템.
KR1020180009528A 2018-01-25 2018-01-25 순간 고출력 하이브리드 bms 전지 팩 시스템 KR102015291B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180009528A KR102015291B1 (ko) 2018-01-25 2018-01-25 순간 고출력 하이브리드 bms 전지 팩 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180009528A KR102015291B1 (ko) 2018-01-25 2018-01-25 순간 고출력 하이브리드 bms 전지 팩 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190090612A KR20190090612A (ko) 2019-08-02
KR102015291B1 true KR102015291B1 (ko) 2019-10-04

Family

ID=67614050

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180009528A KR102015291B1 (ko) 2018-01-25 2018-01-25 순간 고출력 하이브리드 bms 전지 팩 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102015291B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114464870B (zh) * 2022-02-24 2023-09-12 深圳市天德普储能科技有限公司 一种带有翅片散热结构的锂电池装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100825208B1 (ko) * 2006-02-20 2008-04-25 주식회사 엘지화학 높은 효율성으로 작동되는 하이브리드형 전지팩
KR101130050B1 (ko) 2007-11-21 2012-03-28 주식회사 엘지화학 안전성이 향상된 중대형 전지팩

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100824888B1 (ko) * 2006-08-22 2008-04-23 삼성에스디아이 주식회사 하이브리드 배터리 팩 및 그것의 충전 방법과 방전 방법
KR20140015004A (ko) * 2012-07-27 2014-02-06 비나텍주식회사 배터리 관리 장치 및 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100825208B1 (ko) * 2006-02-20 2008-04-25 주식회사 엘지화학 높은 효율성으로 작동되는 하이브리드형 전지팩
KR101130050B1 (ko) 2007-11-21 2012-03-28 주식회사 엘지화학 안전성이 향상된 중대형 전지팩

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190090612A (ko) 2019-08-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6781343B1 (en) Hybrid power supply device
US10141551B2 (en) Battery system
US8796992B2 (en) Basic unit of lithium-ion battery, battery pack comprising the same, and charge/discharge equalizing method thereof
US6828757B2 (en) Circuit for adjusting charging rate of cells in combination
KR20190141121A (ko) 이중 전력 공급 시스템
US20080174274A1 (en) Battery unit
JP7039773B2 (ja) バッテリーパックを含む電力システム
US20110181245A1 (en) Unitized charging and discharging battery management system and programmable battery management module thereof
KR101772975B1 (ko) 셀 밸런싱 기능이 있는 배터리 모듈 및 그를 갖는 배터리 시스템
EP2402773A2 (en) Power supply device capable of detecting disconnection of ground line
KR101395039B1 (ko) 배터리 보호 회로 모듈 장치
JP5664310B2 (ja) 直流電源装置
JP2006060883A (ja) ２バッテリ型車両用電源装置
KR102015291B1 (ko) 순간 고출력 하이브리드 bms 전지 팩 시스템
WO2015017896A1 (en) Battery balancing system and method
KR101846989B1 (ko) 다중셀 배터리의 액티브 밸런싱 회로
US20090315402A1 (en) Ac-dc conversion device
WO2006136100A1 (en) Power supplying device and power supplying method
JP2009148110A (ja) 充放電器とこれを用いた電源装置
JP3419115B2 (ja) 組電池の充放電保護装置
KR20220153129A (ko) 차량용 전력 시스템
JP4828511B2 (ja) バックアップ電源およびその制御方法
KR102185248B1 (ko) 배터리 디바이스 및 그 동작 방법
JP2003217681A (ja) 二次電池及びその充電装置
CN116231802A (zh) 一种带有充放电管理功能的锂离子储能电池系统及电池堆

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right