KR102015543B1

KR102015543B1 - 배터리 관리 시스템을 포함하는 선박 전원 공급 장치

Info

Publication number: KR102015543B1
Application number: KR1020180060122A
Authority: KR
Inventors: 이성준; 김영철
Original assignee: 이성준; 군산대학교산학협력단
Priority date: 2018-05-28
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2019-10-21

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 선박 전원 공급 장치는, 복수의 배터리 셀을 포함하는 충전 장치; 상기 복수의 배터리 셀 중에서 제 1 배터리 셀들을 관리하는 제 1 슬레이브 BMS(battery management system), 상기 복수의 배터리 셀들 중에서 제 2 배터리 셀들을 관리하는 제 2 슬레이브 BMS, 및 상기 제 1 및 제 2 슬레이브 BMS들을 제어하는 마스터 BMS를 갖는 배터리 관리 시스템; 및 상기 마스터 BMS의 제어에 따라 선박 엔진으로부터 제공된 전원을 이용하여 상기 충전 장치의 복수의 배터리 셀을 충전하기 위한 충전 스위치와, 상기 마스터 BMS의 제어에 따라 상기 충전 장치에 충전한 전원을 부하로 제공하기 위한 방전 스위치를 갖는 충방전 스위치를 포함한다.

Description

배터리 관리 시스템을 포함하는 선박 전원 공급 장치{POWER SUPPLY UNIT FOR SHIP INCLUDING BATTERY MANAGEMENT SYSTEM}

본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 배터리 관리 시스템을 포함하는 선박 전원 공급 장치에 관한 것이다.

최근 들어, 하이브리드 구동 기술을 선박 산업에 접목하려는 시도가 이루어지고 있다. 일반적으로 선박용 하이브리드 시스템, 가스 터빈-전기 및 디젤-전기 시스템은 추진력을 얻기 위해 전력에만 의존한다. 그 결과 선박용 하이브리드 시스템에서는 발전기 또는 모터가 비교적 크게 설치되고 있다. 이러한 가스터빈-전기 및 디젤-전기 시스템의 크기는 실용적인 방식으로 대부분의 선박이나 보트에 장착되기에는 너무 크다. 선박이나 보트에 장착이 용이한 선박용 전원 공급 장치에 대한 개발이 시급하다.

본 발명의 목적은 선박에 용이하게 장착할 수 있고 환경 오염을 줄이는 선박 전원 공급 장치를 제공하는데 있다.

실시 예로서, 상기 제 1 슬레이브 BMS는 상기 제 1 배터리 셀들의 전압, 전류, 그리고 온도를 감지하고, 감지 결과를 상기 마스터 BMS로 제공할 수 있다. 상기 마스터 BMS는 상기 제 1 슬레이브 BMS로부터 제공된 감지 결과에 따라, 상기 충전 스위치 또는 상기 방전 스위치를 제어할 수 있다. 상기 마스터 BMS는, 상기 마스터 BMS의 전체 동작을 제어하는 마이크로 컨트롤러; 상기 충전 장치의 음전압단에 흐르는 전류를 감지하는 전류 센서; 상기 마이크로 컨트롤러의 제어에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 릴레이 드라이버; 상기 배터리 관리 시스템의 전원을 제어하는 전원 제어 유닛; 및 외부 장치와의 통신을 수행하는 통신 유닛을 포함할 수 있다. 상기 충전 장치의 상기 음전압단에 흐르는 전류를 검출하고, 상기 검출된 신호를 상기 전류 센서로 전송하는 홀 센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 선박 전원 공급 장치의 다른 일면은, 선박 엔진으로부터 제공된 전원을 이용하여 복수의 배터리 셀을 충전하고, 상기 충전한 배터리 셀들의 전원을 부하로 제공하기 위한 선박 전원 공급 모듈; 및 상기 선박 전원 공급 모듈의 방수를 위한 하우징 케이스를 포함할 수 있다.

상기 선박 전원 공급 모듈은, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 제 1 배터리 셀들을 관리하는 제 1 슬레이브 BMS(battery management system), 상기 복수의 배터리 셀들 중에서 제 2 배터리 셀들을 관리하는 제 2 슬레이브 BMS, 및 상기 제 1 및 제 2 슬레이브 BMS들을 제어하는 마스터 BMS를 갖는 배터리 관리 시스템; 상기 마스터 BMS의 제어에 따라 상기 선박 엔진으로부터 제공된 전원을 이용하여 상기 복수의 배터리 셀을 충전하기 위한 충전 스위치; 및 상기 마스터 BMS의 제어에 따라 상기 충전한 전원을 상기 부하로 제공하기 위한 방전 스위치를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 선박용 충전 전원 공급 장치 및 그것의 동작 방법에 의하면, 선박 엔진 구동 시 리튬이온 전지를 이용하는 배터리 셀을 충전하고, 조업 중에 선박 엔진을 가동하지 않고도 조명과 같은 부하에 충전한 전원을 이용함으로, 에너지를 효율적으로 사용하고 환경 오염을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 선박 전원 제어 시스템을 예시적으로 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 선박 전원 공급 장치를 예시적으로 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 제 1 슬레이브 BMS를 예시적으로 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 도 2에 도시된 마스터 BMS를 예시적으로 보여주는 블록도이다.
도 5는 도 2에 도시된 선박 전원 공급 장치를 좀 더 구체적으로 보여주는 블록도이다.
도 6은 도 5에서 설명한 배터리 관리 시스템(BMS)의 주요 기능들을 보여주는 도표이다.
도 7은 도 2에 도시된 선박 전원 공급 장치를 모듈화 한 사진이다.
도 8은 도 7에 도시된 선박 전원 공급 장치의 하우징 케이스를 보여주는 사진이다.

아래에서는 도면들을 이용하여 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 내용을 명확하고 상세하게 기재할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 선박 전원 제어 시스템을 예시적으로 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 선박 전원 제어 시스템(100)은 선박 전원 공급 장치(110), 선박 엔진(120), 모니터(130), 그리고 부하(140)를 포함한다. 선박 전원 공급 장치(110)는 충전 장치(111)와 배터리 관리 시스템(BMS: battery management system, 112)을 포함할 수 있다.

선박 전원 공급 장치(110)는 선박 엔진(120)에서 나오는 전기 에너지를 이용하여 충전할 수 있다. 또한, 선박 전원 공급 장치(110)는 충전한 전기 에너지를 선박 엔진(120), 모니터(130), 그리고 부하(140)에 공급할 수 있다. 선박 전원 공급 장치(110)는 충전 장치(111)를 이용하여 전기 에너지를 충전할 수 있다. 충전 장치(111)는 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 예로서, 배터리 셀은 리튬 배터리 셀일 수 있다. 배터리 셀이 직렬로 연결되는 경우에는 높은 레벨의 전원이 공급될 수 있고, 병렬로 연결되는 경우에는 오랜 시간 동안 전원이 공급될 수 있다.

충전 장치(111)는 복수의 배터리 셀을 연결하여 하나의 배터리 팩으로 만들 수 있다. 하나의 배터리 팩에 있는 복수의 배터리 셀은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 충전 장치(111)에는 복수의 배터리 팩이 포함될 수 있다. 충전 장치(111)에 있는 복수의 배터리 팩은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 충전 장치(111)는 복수의 배터리 팩이나 복수의 배터리 셀의 연결 방식을 통해, 공급 전원의 레벨을 높이거나 공급 시간을 늘릴 수 있다.

선박 전원 공급 장치(110)는 선박 엔진(120)의 전기 에너지를 충전 장치(111)에 충전하는 충전 동작이나, 충전 장치(110)의 충전 전원을 모니터(130)나 부하(140) 등에 공급하는 방전 동작을 제어할 수 있다. 선박 전원 공급 장치(110)는 BMS(112)를 통해 충전 장치(111)의 충전 또는 방전 동작을 관리할 수 있다. BMS(120)의 내부 구성 및 동작 원리는 뒤에서 좀 더 자세하게 설명하기로 한다.

선박 엔진(120)은 화석 연료 등을 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있다. 선박 엔진(120)은 생산한 전기 에너지를 이용하여 조업에 필요한 전기 장치를 구동할 수 있다. 선박 엔진(120)은 화석 연료 등을 통해 생산한 전기 에너지를 선박 전원 공급 장치(110)로 제공할 수 있다. 선박 엔진(120)의 전기 에너지는 충전 장치(111)에 충전될 수 있다.

모니터(130)와 부하(140)는 선박 전원 공급 장치(110)로부터 제공되는 충전 전원을 이용하여 동작할 수 있다. 모니터(130)는 선박 전원 제어 시스템(100)의 전체적인 상황을 사용자에게 알릴 수 있다. 사용자는 모니터(130)를 보면서, 선박 전원 제어 시스템(100)의 작동 환경이나 현황, 그리고 이상 유무 등을 확인할 수 있다. 부하(140)는 선박 전원 공급 장치(110)로부터 전원을 공급 받을 수 있다. 부하(140)에는 조업에 필요한 조명, 그물 수확 장치, 비상 전원 공급 장치 등이 포함될 수 있다.

종래의 선박 전원 제어 시스템에서는 선박이 운행 중에 있는 경우에도 화석 연료를 통해 전기 에너지를 생산한다. 그리고 생산한 전기 에너지를 이용하여 조업에 필요한 전기 장치를 구동한다. 그러나 선박 운행 중에 많은 화석 연료를 연소함으로, 매연이나 폐유 등으로 바다의 환경 오염을 야기할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 선박 제어 시스템(100)은 조업 중에 선박 엔진의 가동을 줄일 수 있다. 본 발명의 선박 제어 시스템(100)은 선박이 운항하지 않는 동안에 전기 에너지를 충전할 수 있다. 그리고 조업 중에 충전한 전기 에너지를 이용하여 선박의 전기 장치를 구동함으로, 연료 낭비와 환경 오염을 줄일 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 선박 전원 공급 장치를 예시적으로 보여주는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 선박 전원 공급 장치(110)는 충전 장치(111), 배터리 관리 시스템(BMS, 112), 그리고 충방전 스위치(113)를 포함한다.

충전 장치(111)는 복수의 배터리 팩을 포함할 수 있다. 도 2에서는 예로서 제 1 및 제 2 배터리 팩(101, 102)이 도시되어 있다. 제 1 및 제 2 배터리 팩(101, 102)은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 제 1 및 제 2 배터리 팩(101, 102) 각각은 복수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 여기에서, 배터리 셀은 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등과 같이 다양할 수 있다.

배터리 관리 시스템(BMS, 112)은 제 1 및 제 2 슬레이브 BMS(210, 220)와 마스터 BMS(230)를 포함할 수 있다. 제 1 슬레이브 BMS(210)는 제 1 배터리 팩(101)에 연결되고, 제 2 슬레이브 BMS(220)는 제 2 배터리 팩(102)에 연결될 수 있다. 제 1 및 제 2 슬레이브 BMS(210, 220)는 충전 장치(111)의 제 1 및 제 2 배터리 팩(101, 102)을 관리할 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 슬레이브 BMS(210, 220)는 여러 가지 방식으로 연결될 수 있다. 예를 들면, 제 1 및 제 2 슬레이브 BMS(210, 220)는 캔(CAN) 방식으로 상호간 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 슬레이브 BMS(210, 220)는 RS232, RS422 혹은 IEEE1394 방식으로 전기적으로 연결될 수 있다.

한편, 도 2에 도시된 슬레이브 BMS의 수는 2개이지만, 본 발명의 슬레이브 BMS의 수는 더 많을 수 있다. 배터리 팩의 수만큼 슬레이브 BMS의 개수가 존재할 수 있다. 제 1 및 제 2 슬레이브 BMS(210, 220)는 동일한 내부 구성 및 동작 원리를 갖는 바, 이하에서는 제 1 슬레이브 BMS(210)에 대해서만 설명하기로 한다.

제 1 슬레이브 BMS(210)는 제 1 배터리 팩(101)에 있는 배터리 셀들의 전압, 전류 및 온도 등을 감지하고, 제 1 배터리 팩(101)의 상태 정보를 계산할 수 있다. 제 1 슬레이브 BMS(210)는 제 1 배터리 팩(101)의 상태 정보를 통해, 배터리 용량, 즉 충전 상태(SOC, state of charge)를 계산하거나, 배터리 교체를 위한 노화 수명 예측(SOH, state of health estimation)을 할 수 있다. 제 1 슬레이브 BMS(210)는 제 1 배터리 팩(101)의 안전 사용을 위한 경보(alarm) 및 사전 안전 예방 보호(protection) 조치를 수행할 수 있다. 또한, 제 1 슬레이브 BMS(210)는 제 1 배터리 팩(101)의 진단 기능(diagnosis)을 수행하거나, 냉각 팬을 제어함으로 제 1 배터리 팩(101)을 최적 온도로 유지할 수 있다.

마스터 BMS(230)는 제 1 및 제 2 슬레이브 BMS(210, 220)에 전기적으로 연결될 수 있다. 마스터 BMS(230)는 제 1 및 제 2 슬레이브 BMS(210, 220)로부터 전송된 제 1 및 제 2 배터리 팩(101, 102)의 전압 및/또는 온도를 이용하여, 충전 장치(111)의 배터리 셀들의 전체적인 충전, 방전, 또는 팩 밸런싱(pack balancing) 등을 관리할 수 있다. 즉, 마스터 BMS(230)는 제 1 및 제 2 슬레이브 BMS(210, 220)로부터 배터리 셀의 전압과 온도 및 배터리 팩 전류 등을 입력 받고, SOC(state of charge) 및 SOH(state of health) 등과 같은 다양한 정보를 예측하고, 이를 사용자에게 제공할 수 있다.

마스터 BMS(230)는 과전압 경보(OVA; over voltage alarm), 과전압 보호(OVP; over voltage protection), 고온 충전 보호(CHTP; charge high temperature protection), 저온 충전 보호(CLTP; charge low temperature protection), 과충전 전류 보호(OCCP; over charge current protection), 과방전 전류 보호(ODCP; over discharge current protection) 등과 같은 보호 동작과 셀 밸런싱(cell balancing) 동작을 수행할 수 있다. 예를 들면, 마스터 BMS(230)는 제 1 슬레이브 BMS(210)로부터 제 1 배터리 팩(101)에 흐르는 전류를 입력받고, 제 1 배터리 팩(101)으로 과전류가 입력되거나 출력되지 않도록 관리할 수 있다.

마스터 BMS(230)는 이러한 보호 동작과 셀 밸런싱 동작을 위해, 충방전 스위치(113)를 제어할 수 있다. 마스터 BMS(230)는 충방전 스위치(113)의 온(on) 또는 오프(off)를 직접 제어할 수 있다. 충방전 스위치(1130)는 충방전 온오프 동작을 위해 충전 스위치와 방전 스위치를 포함할 수 있다. 충방전 스위치(113)의 내부 구성 및 동작은 뒤에서 좀 더 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 도 2에 도시된 제 1 슬레이브 BMS를 예시적으로 설명하기 위한 블록도이다. 도 3을 참조하면, 제 1 슬레이브 BMS(210)는 감지 회로(211, 212) 및 밸런싱 회로(213)를 포함한다.

도 3에서는, 제 1 및 제 2 감지 회로(211, 212)가 도시되어 있으나, 감지 회로는 하나의 접적 회로로 구성되거나 이 보다 더 많은 수의 집적 회로로 구성될 수도 있다. 제 1 및 제 2 감지 회로(211, 212) 사이에 더 많은 수의 감지 회로가 존재할 수 있다. 제 2 감지 회로(212)는 제 1 감지 회로(211)와 동일한 동작 원리를 갖는 바, 이하에서는 제 1 감지 회로(211)에 대해 주로 설명될 것이다.

제 1 및 제 2 감지 회로(211, 212)는 제 1 배터리 팩(101)의 전압, 전류 및 온도를 감지하고, 그 결과를 밸런싱 회로(213)로 보내거나 마스터 BMS(230)로 직접 전송할 수 있다. 여기에서, 제 1 감지 회로(211)는 제 1 배터리 셀들(C11, C12, …C1n)의 전압, 전류 및 온도를 감지하고, 제 2 감지 회로(212)는 제 2 배터리 셀들(C21, C22, …C2n)을 감지할 수 있다. 실시 예에 따라서는, 제 1 및 제 2 감지 회로(211, 212)는 충방전 스위치(도 2 참조, 113)를 직접 제어할 수도 있다. 예를 들어, 제 1 감지 회로(211)는 고전압 감지 시 충전 스위치를 차단하도록 제어할 수 있다. 또한, 제 1 감지 회로(211)는 오픈 부하 감지시에 마스터 BMS(230)로 고장 정보를 직접 전송할 수도 있다.

제 1 감지 회로(211)는 제 1 배터리 셀들(C11, C12, …C1n)의 다양한 고장을 감지할 수 있다. 여기에서, 고장은 과전압(over voltage: OV), 저전압(under voltage; UV), 고온(over temperature; OT), 과전류(over current: OC), 저전류(under current: UC), 오픈 로드(open load: OL)를 포함할 수 있다.

제 1 감지 회로(211)는 제 1 배터리 셀들(C11, C12, …C1n)이 과전압 상태일 때, 과전압이 진성인지 또는 가성인지를 판별할 수 있다. 제 1 감지 회로(211)는 과전압(OV), 과전류(OC), 오픈 로드(OL)와 관련한 고장을 정밀하게 감지할 수 있다. 예를 들어, 제 1 감지 회로(211)는 과전압이 피크(peak)에 관련된 가성 과전압인지, 아니면 오픈 로드에 관련된 가성 과전압인지를 감지할 수 있다. 제 1 감지 회로(211)는 주기적으로 제 1 배터리 셀들(C11, C12, …C1n)의 고장을 감지하고, 그 결과를 마스터 BMS(230)로 제공할 수 있다.

밸런싱 회로(213)는 제 1 배터리 팩(101)의 충전이 완료되거나 일정 전압 이상이면서 전류가 흐르지 않는 경우에, 제 1 감지 회로(211)에 셀 밸런싱 명령을 내릴 수 있다. 제 1 감지 회로(211)는 밸런싱 회로(213)로부터 셀 밸런싱 명령을 받고, 밸런싱 동작을 시작하도록 제어할 수 있다. 즉, 제 1 감지 회로(211)는 최저 셀 전압(min-cell voltage)이 미리 설정된 밸런싱 종료 전압(balancing end voltage) 이상이고 셀간 전압 차이가 설정된 값 이상인지를 감지할 수 있다. 밸런싱 회로(213)는 제 1 감지 회로(211)의 감지 결과에 따라 셀 밸런싱 동작을 시작할 수 있다.

도 4는 도 2에 도시된 마스터 BMS를 예시적으로 보여주는 블록도이다. 도 4를 참조하면, 마스터 BMS(230)는 마이크로 컨트롤러(231), 전류 센서(232), 릴레이 드라이버(233), 전원 제어 유닛(234), 그리고 통신 유닛(235)을 포함할 수 있다.

마이크로 컨트롤러(231)는 마스터 BMS(230)의 전체적인 동작을 제어할 수 있다. 마이크로 컨트롤러(231)는 제 1 및 제 2 슬레이브 BMS(210, 220)로부터 충전 장치(111)를 감지한 결과를 수신할 수 있다. 마이크로 컨트롤러(231)는 배터리 셀의 전류 또는 전압 정보, 배터리 셀의 온도 정보 등 이용하여 배터리 셀의 고장을 종합적으로 진단할 수 있다. 마이크로 컨트롤러(231)는 진단 결과에 따라, 충방전 스위치(113)를 제어하거나, 감지 회로(211, 212) 또는 밸런싱 회로(213)를 제어할 수 있다.

마이크로 컨트롤러(231)는 충전 장치(111)의 배터리 셀 전체에 대한 과전압(over voltage), 저전압(under voltage), 고온(over temperature), 과전류(over current), 저전류(under current), 오픈 로드(open load) 등을 판단하고 제어할 수 있다. 마이크로 컨트롤러(231)는 전류 센서(232)에서 전류 정보를 입력 받고, 충전 장치(111)에 과전류가 흐르지 않도록 제어할 수 있다. 또는 충전 장치(111)로부터 과전류가 출력되지 않도록 제어할 수 있다. 전류 센서(232)는 배터리 셀에 연결된 션트(shunt) 저항에 흐르는 전류를 감지하고, 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 이용하여 디지털 정보를 출력하도록 구현될 수 있다.

마이크로 컨트롤러(231)는 릴레이 드라이버(233)를 통해 충방전 스위치(113)를 제어할 수 있다. 릴레이 드라이버(233)는 충방전 스위치(113) 내의 충전 경로(charging path) 또는 방전 경로(discharging path)를 제어할 수 있다. 즉, 릴레이 드라이버(233)는 배터리 셀을 충전하는 경우에는 충전 경로를 턴 온하고, 방전하는 경우에는 방전 경로를 턴 온할 수 있다.

마이크로 컨트롤러(231)는 전원 제어 유닛(234)의 전원 제어 동작을 관리할 수 있다. 전원 제어 유닛(234)은 마이크로 컨트롤러(231)의 제어에 따라, 외부 신호에 응답하여 마스터 BMS(230)의 전원을 관리할 수 있다. 마스터 BMS(230)는 외부 장치(예를 들면, 모니터나 기지국 등)와 통신을 위해서 통신 유닛(235)을 구비할 수 있다. 통신 유닛(235)은 외부 장치(예를 들어, 모니터)와 다양한 통신 방식에 따라 통신할 수 있다. 여기서 통신 방식은 RS232, CAN/RS485 등일 수 있다.

도 5는 도 2에 도시된 선박 전원 공급 장치를 좀 더 구체적으로 보여주는 블록도이다. 도 5에서는, 특히 배터리 관리 시스템(BMS, 112)의 기능과 충방전 스위치(113)의 구조가 좀 더 자세하게 설명될 것이다.

도 5를 참조하면, 선박 전원 공급 장치(110)는 충전 장치(111), 배터리 관리 시스템(BMS, 112), 충방전 스위치(113), 그리고 홀 센서(114)를 포함한다. 충전 장치(111)는 복수의 배터리 팩(101, 102)을 포함할 수 있다. 배터리 관리 시스템(112)는 복수의 슬레이브 BMS(210, 220)와 마스터 BMS(230)를 포함할 수 있다. 마스터 BMS(230)는 마이크로 컨트롤러(231), 전류 센서(232), 그리고 릴레이 드라이버(233)를 포함할 수 있다.

배터리 관리 시스템(BMS, 112)은, 앞에서 설명한 바와 같이, 여러 기능들을 수행할 수 있다. 예를 들면, 배터리 관리 시스템(BMS, 112)은 과전압 보호 및 복귀, 저전압 보호 및 복귀, 저온 충전 보호, 고온 충전 보호, 고온 방전 보호, 과충전 전류 보호, 과방전 전류 보호, 단일/병렬 운전 모드 지원, 기동 및 충전 스위치 입력, 5~12ch 슬레이브 BMS 전지 전압 모니터링, 2ch 슬레이브 BMS 온도 모니터링, 셀 밸런싱 제어 기능, SOC(state of charge) 및 SOH(state of health) 계산 기능, 프리차지 기능, 통신 기능(RS232, CAN2.0 또는 RS485) 등을 수행할 수 있다.

계속해서 도 5를 참조하면, 마스터 BMS(230)는 충방전 스위치(113)를 제어할 수 있다. 충방전 스위치(113)는 충전 스위치(SW1) 및 방전 스위치(SW2)를 포함할 수 있다. 충방전 스위치(113)는 실시 예에 따라 프리차지 스위치(SW3)를 더 포함할 수 있다. 충전 스위치(SW1)는 충전단(CHG)에 연결되고, 방전 스위치(SW2)는 방전단(DCHG)에 연결되며, 프리차지 스위치(SW3)는 프리차지단(PCHG)에 연결될 수 있다.

충전 스위치(SW1)는 릴레이 드라이버(233)의 제어에 따라 충전 장치(111)의 양전압단(+)과 충전단(CHG) 사이를 연결 또는 차단하도록 구현될 수 있다. 여기에서, 충전단(CHG)은 도 1의 선박 엔진(120)에 연결될 수 있다. 즉, 충전 스위치(SW1)는 충전 장치(111)의 양전압단(+)과 선박 엔진(120) 사이의 전기적인 연결을 제어할 수 있다. 충전 스위치(SW1)는 마스터 BMS(230)의 제어에 따라, 충전 장치(111)의 배터리 팩(101, 102)이 정상 상태인 경우에는 턴 온 상태를 유지하지만, 과충전이나 과방전 또는 과전류와 같은 비정상 상태인 경우에는 턴 오프 될 수 있다.

방전 스위치(SW2)는 릴레이 드라이버(233)의 제어에 따라, 충전 장치(111)의 양전압단(+)과 방전단(DSCHG) 사이를 연결 또는 차단하도록 구현될 수 있다. 방전 스위치(SW2)는 충전 장치(111)의 양전압단(+)과 부하(도 1 참조, 140) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 방전 스위치(SW2)는 배터리 팩(101, 102)이 정상 상태인 경우에는 턴 온 상태를 유지하지만, 비정상 상태인 경우에는 턴 오프 될 수 있다.

프리차지 스위치(SW3)는 릴레이 드라이버(233)의 제어에 따라, 충전 장치(111)의 양전압단(+)과 프리차지단(PCHG) 사이를 연결 또는 차단하도록 구현될 수 있다. 실시 예에 따라서는, 프리차지 스위치(SW3)와 양전압단(+) 사이에 레지스터가 더 포함될 수 있다. 프리차지단(PCHG)은 선박 엔진(120)이나 별도의 프리차지 회로(미도시)에 연결될 수 있다. 프리차지 스위치(SW3)는 충전 장치(111)의 배터리 팩(101, 102)을 미리 충전해 놓을 필요가 있는 경우에 턴 온 될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 선박 전원 공급 장치(110)는 홀 센서(114)를 더 포함할 수 있다. 홀 센서(114)는 충전 장치(111)의 음전압단(-)에 흐르는 전류를 감지하고, 감지 결과를 마스터 BMS(230)의 전류 센서(232)로 제공할 수 있다. 홀 센서(113)는 충전 장치(111)의 음전압단(-)을 과전압 또는 과전류로부터 보호하도록 구현될 수 있다.

도 6은 도 5에서 설명한 배터리 관리 시스템(BMS)의 주요 기능들을 보여주는 도표이다. 도 6을 참조하면, 배터리 관리 시스템(BMS, 112)은 배터리 관리를 위한 다양한 기능들을 수행할 수 있다.

과전압 보호 및 복귀 기능(201)은 예를 들면 다음과 같은 방식으로 수행될 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, 슬레이브 BMS(210, 220)는 배터리 셀의 전압을 감지할 수 있다. BMS(112)는 배터리 셀 중에서 어느 하나라도 미리 설정된 과전압 레벨에 도달하면, 과전압 경고(OVA; Over Voltage Alarm) 신호를 생성할 수 있다. 배터리 셀 전압이 계속 상승하여 과전압 방지 레벨에 도달하면, 과전압 방지(Over Voltage Protection) 신호를 생성할 수 있다.

이때 BMS(112)는 과전압 경고 신호 또는 과전압 방지 신호를 충방전 스위치(113)로 제공할 수 있다. 충방전 스위치(113)는 충전 스위치(SW1)를 턴 오프 함으로 배터리 셀을 보호할 수 있다. 한편, 과전압 경고(OVA) 또는 과전압 보호(OVP) 동작을 수행한 후에, 모든 배터리 셀의 전압은 과전압 레벨 이하로 내려갈 수 있다. 이때 BMS(112)는 과전압 경고(OVA) 및 과전압 보호(OVP) 동작을 종료할 수 있다. BMS(112)는 충방전 스위치(113)의 충전 스위치(SW1)를 턴 온 함으로, 배터리 셀을 충전 가능한 상태로 만들 수 있다.

저전압 보호 및 복귀 기능(202)은 다음과 같은 방식으로 수행될 수 있다. BMS(112)는 배터리 셀이 미리 설정된 저전압 레벨에 도달하면, 저전압 경고(UVA; Under Voltage Alarm) 신호를 생성할 수 있다. 배터리 셀 전압이 계속 하강하여 저전압 방지 레벨에 도달하면, 저전압 방지(Under Voltage Protection) 신호를 생성할 수 있다. BMS(112)는 충방전 스위치(113)의 방전 스위치(SW2)를 턴 오프 함으로 과방전으로부터 배터리 셀을 보호할 수 있다. 한편, BMS(112)는 저전압 경고(UVA) 또는 저전압 보호(UVP) 동작이 종료되면, 방전 스위치(SW2)를 턴 온 함으로, 배터리 셀을 방전 가능한 상태로 만들 수 있다.

과충전 또는 과방전 전류 보호 기능(203)은 다음과 같은 방식으로 수행될 수 있다. 배터리 셀에 흐르는 전류가 미리 설정된 과충전 전류 보호 레벨 이상이면, BMS(112)는 과충전 전류 보호(OCCP; over charge current protection) 신호를 생성할 수 있다. BMS(112)는 충전 스위치(SW1)를 턴 오프 함으로 과충전 전류로부터 배터리 셀을 보호할 수 있다.

한편, 배터리 셀에 흐르는 전류가 미리 설정된 과방전 전류 보호 레벨 이상이면, BMS(112)는 과방전 전류 보호(ODCP; over discharge current protection) 신호를 생성할 수 있다. BMS(112)는 방전 스위치(SW2)를 턴 오프 함으로 과방전 전류로부터 배터리 셀을 보호할 수 있다. BMS(112)는 과충전 전류 보호(OCCP) 또는 과방전 전류 보호(ODCP) 동작이 종료되면, BMS 리셋 동작을 통해 과충전 전류 보호 또는 과방전 전류 보호를 해제할 수 있다.

고온 충전 또는 방전 보호 기능(204)은 다음과 같은 방식으로 수행될 수 있다. 배터리 팩의 온도가 미리 설정된 고온 충전 보호 레벨 이상이면, BMS(112)는 충전 고온 보호(CHTP; charge high temperature protection) 신호를 생성할 수 있다. BMS(112)는 충전 스위치(SW1)를 턴 오프 함으로 고온으로부터 배터리 셀을 보호할 수 있다.

한편, 배터리 팩의 온도가 미리 설정된 고온 방전 보호 레벨 이상이면, BMS(112)는 방전 고온 보호(DHTP; discharge high temperature protection) 신호를 생성할 수 있다. BMS(112)는 방전 스위치(SW2)를 턴 오프 함으로 고온으로부터 배터리 셀을 보호할 수 있다. BMS(112)는 고온 충전 보호 레벨 또는 고온 방전 보호 레벨보다 3도 이하로 낮아지면 고온 충전 보호(CHTP) 또는 고온 방전 보호(DHTP) 동작을 종료할 수 있다. BMS(112)는 충전 스위치(SW1) 또는 방전 스위치(SW2)를 턴온 함으로, 충전 가능 상태 또는 방전 가능 상태로 만들 수 있다.

저온 충전 보호 기능(205)은 다음과 같은 방식으로 수행될 수 있다. 배터리 팩의 온도가 미리 설정된 저온 충전 보호 레벨 이하이면, BMS(112)는 충전 저온 보호(CLTP; charge low temperature protection) 신호를 생성할 수 있다. BMS(112)는 충전 스위치(SW1)를 턴 오프 함으로 저온으로부터 배터리 셀을 보호할 수 있다. BMS(112)는 저온 충전 보호 레벨보다 3도 이상 높아지면, 저온 충전 보호(CLTP) 동작을 종료할 수 있다. BMS(112)는 충전 스위치(SW1)를 턴 온 함으로, 충전 가능 상태로 만들 수 있다.

셀 밸런싱 기능(206)은 배터리 셀의 충전이 완료되거나 일정 전압 이상이면서 전류가 흐르지 않는 경우에 수행될 수 있다. 이러한 경우에 마스터 BMS(230)는 슬레이브 BMS(210, 220)에 셀 밸런싱 명령을 내릴 수 있다. 슬레이브 BMS(210, 220)는 마스터 BMS(230)로부터 셀 밸런싱 명령을 받으면, 최소 셀 전압(min-cell voltage)이 미리 설정된 밸런싱 종료 전압(balancing end voltage) 이상이고 배터리 셀 사이의 전압 차이가 설정된 값 이상인지를 감지한다. 이러한 조건이 만족되면, 셀 밸런싱 동작이 수행된다.

배터리 용량 또는 충전 상태(SOC; state of charge) 계산(207)은 전류 적산 방식을 이용할 수 있다. 여기에서, 전류 적산 방식은 1초 단위로 사용 전류를 측정 해서, 이를 적산하는 계산 방법을 의미한다. SOC는 보정될 수 있다. SOC 보정은 예를 들면, 다음과 같은 방식으로 할 수 있다. BMS(112)가 ON 될 때, OCV 전압을 이용하여 테이블화한 값을 읽고 전류 적산 값과 비교한다. 비교 결과 3％ 오차일 때, OCV 전압으로 보정할 수 있다.

도 7은 도 2에 도시된 선박 전원 공급 장치를 모듈화 한 사진이고, 도 8은 도 7에 도시된 선박 전원 공급 모듈의 하우징 케이스를 보여주는 사진이다. 도 8의 하우징 케이스에는 여러 개의 선박 전원 공급 모듈(도 7 참조)이 서로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.

도 8을 참조하면, 하우징 케이스는 기본적으로 방수 기능을 갖는다. 또한, 하우징 케이스는 선박 전원 공급 모듈을 탈착하거나 부착 할 수 있도록 구현될 수 있다. 하우징 케이스의 외부에 있는 전원 단자나 통신 케이블은 방수 설계될 수 있다. 하우징 케이스는 시스템의 동선이 겹치지 않도록 선박 전원 공급 모듈들을 배치할 수 있다. 하우징 케이스는 내부에 설치된 선박 전원 공급 모듈이 중량 및 충격에 견딜 수 있도록 구현될 수 있다.

한편, 상술 된 본 발명의 내용은 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들에 불과하다. 본 발명은 구체적이고 실제로 이용할 수 있는 수단 자체뿐 아니라, 장차 기술로 활용할 수 있는 추상적이고 개념적인 아이디어인 기술적 사상을 포함할 것이다.

100: 선박 전원 제어 시스템
110: 선박 전원 공급 장치
111: 충전 장치
112: 배터리 관리 시스템(BMS)
113: 충방전 스위치
114: 홀 센서
120: 선박 엔진
130: 모니터
140: 부하
210: 제 1 슬레이브 BMS
220: 제 2 슬레이브 BMS
230: 마스터 BMS
311: 충전 스위치
312: 방전 스위치
313: 프리차지 스위치

Claims

운항 중인 선박 엔진으로부터 제공된 전원을 이용하여 복수의 배터리 셀을 충전하는 충전 장치;
상기 복수의 배터리 셀 중에서 제 1 배터리 셀들을 관리하는 제 1 슬레이브 BMS(battery management system), 상기 복수의 배터리 셀들 중에서 제 2 배터리 셀들을 관리하는 제 2 슬레이브 BMS, 및 상기 제 1 및 제 2 슬레이브 BMS들을 제어하는 마스터 BMS를 갖는 배터리 관리 시스템;
상기 충전 장치의 양전압단과 상기 선박 엔진 사이에 연결되고, 상기 마스터 BMS의 제어에 따라 상기 선박 엔진으로부터 제공된 전원을 이용하여 상기 복수의 배터리 셀을 충전하기 위한 충전 스위치; 및
상기 충전 장치의 양전압단과 부하 사이에 연결되고, 상기 마스터 BMS의 제어에 따라 상기 충전한 전원을 상기 부하로 제공하기 위한 방전 스위치를 포함하고,
상기 제 1 슬레이브 BMS는 상기 제 1 배터리 셀들의 전압, 전류, 그리고 온도를 감지하고 감지 결과를 상기 마스터 BMS로 제공하고, 상기 마스터 BMS는 상기 제 1 슬레이브 BMS로부터 제공된 감지 결과에 따라, 상기 충전 스위치 또는 상기 방전 스위치를 제어하고,
상기 배터리 관리 시스템은,
상기 복수의 배터리 셀이 미리 설정된 고온 충전 보호 레벨 이상이면 충전 고온 보호 신호를 생성하고 상기 충전 스위치를 턴 오프 함으로 고온으로부터 상기 복수의 배터리 셀을 보호하는;
상기 복수의 배터리 셀이 미리 설정된 고온 방전 보호 레벨 이상이면 방전 고온 보호 신호를 생성하고 상기 방전 스위치를 턴 오프 함으로 고온으로부터 상기 복수의 배터리 셀을 보호하는;
상기 복수의 배터리 셀이 미리 설정된 저온 충전 보호 레벨 이하이면 충전 저온 보호 신호를 생성하고 상기 충전 스위치를 턴 오프 함으로 저온으로부터 상기 복수의 배터리 셀을 보호하는; 그리고
상기 복수의 배터리 셀의 충전이 완료되거나 일정 전압 이상이면서 전류가 흐르지 않는 경우에 상기 제 1 슬레이브 BMS나 상기 제 2 슬레이브 BMS에 셀 밸런싱 명령을 내리고, 셀 밸런싱 명령을 받은 슬레이브 BMS는 최소 셀 전압이 미리 설정된 밸런싱 종료 전압 이상이고 상기 복수의 배터리 셀 사이의 전압 차이가 설정된 값 이상인지를 감지하고 감지 결과에 따라 셀 밸런싱 동작을 수행하는 선박 전원 공급 장치.
삭제
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제 1 항에 있어서,
상기 마스터 BMS는,
상기 마스터 BMS의 전체 동작을 제어하는 마이크로 컨트롤러;
상기 충전 장치의 음전압단에 흐르는 전류를 감지하는 전류 센서;
상기 마이크로 컨트롤러의 제어에 따라 충방전 스위치를 제어하는 릴레이 드라이버;
상기 배터리 관리 시스템의 전원을 제어하는 전원 제어 유닛;
외부 장치와의 통신을 수행하는 통신 유닛; 및
상기 마스터 BMS는 상기 충전 장치의 상기 음전압단에 흐르는 전류를 검출하고, 상기 검출된 신호를 상기 전류 센서로 전송하는 홀 센서를 포함하는 선박 전원 공급 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 충전 장치, 상기 배터리 관리 시스템, 상기 충전 스위치, 그리고 상기 방전 스위치를 방수하기 위한 하우징 케이스를 더 포함하는 선박 전원 공급 장치.