KR102112726B1 - 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 사용한 개별 배터리 셀 충전 시스템 - Google Patents
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Abstract
스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템이 개시된다. 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템은 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템; 및 상기 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템으로부터 유무선 통신망을 통해 배터리부의 각 배터리 셀의 충전 전압, 충전 전류, 충전량 그리고 전체 배터리 셀의 충전 전압, 충전 전류, 충전량 및 배터리의 온도를 수신받아 표시하며, 배터리부의 각 배터리 셀의 충전 전압을 검출하여 기준치 보다 낮은 각 배터리 셀의 전압은 충전을 계속 유지하며, 기준치 보다 높은 각 배터리 셀의 전압은 충전을 차단하기 위해 밸런싱 조절 신호가 포함된 원격 제어 명령을 전송하는 사용자 단말을 포함한다. 따라서, 배터리부의 각 배터리 셀의 충전 전압/전류의 불균형에 의해 배터리 셀의 손상, 방전의 문제가 발생되는 것을 방지한다.
Description
본 발명은 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 사용한 개별 배터리 셀 충전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광 충전 시스템을 사용하여 CC/CV 충전부와 밸런싱 조절부를 통해 배터리부의 개별 배터리 셀을 충전하며, PC, 스마트폰과 태블릿 PC와 산업용 태블릿 PC 등의 사용자 단말로부터 BMS의 통신부와 제어부를 통해 밸런싱 조절부로 밸런싱 조절 신호를 포함하는 원격 제어 명령을 전송하고 밸런싱 조절부의 스위치 ON/OFF를 제어하여 배터리부의 개별 배터리 셀을 충전한다.
리튬 배터리는 사용 환경에 따라 하나의 배터리가 이용되는 단셀 또는 배터리 사용 용량을 늘리거나, 출력전압 또는 출력전류를 높이기 위한 멀티 셀 배터리 패키지 타입으로 사용된다. 이를 통해 출력전압, 출력전류, 총 배터리 용량을 조절함으로써 여러 형태의 배터리를 제조하여 사용된다.
리튬을 사용하는 이차전지는 다른 배터리(전지들)에 비해 에너지 밀도가 높고 단자 전압이 높아 소형 고용량 배터리의 생산이 가능하며, 알려진 바와 같이 발화, 폭발, 스웰링에 의한 손상의 문제점이 있었다.
또한, 전기 자동차에 사용되는 리튬 배터리 부품은 전기자동차 부품 시장도 확대될 것으로 예상된다.
전기 자동차는 공통적으로 모터로 구동되고, 전기를 저장하는 복수의 배터리 셀이 탑재된 배터리부, 배터리 관리시스템(Battery Management System, BMS), 100~300V 고압의 전기를 수용하는 특수 케이블과 커넥터과 모터 구동용 AC를 생성하는 인버터, 차량전장용 저압 DC로 전환하는 컨버터, 전체 차량의 시스템을 제어하는 차량 제어기가 필요하므로, 리튬 배터리 부품 시장이 확대될 것으로 예상된다.
이와 관련된 선행기술1로써, 특허 등록번호 10-2008518에서는 "멀티 셀 충전 시스템"가 등록되어 있으며, 멀티 셀로 구성된 배터리 시스템에서 셀별 특성을 파악하여 셀의 상태에 따라 개별 충전이 이루어지도록 하고, 셀의 완충 전압을 일치시킴으로 언밸런싱에 의한 특성저하, 소손을 방지하도록 한 멀티 셀 충전 시스템을 제공한다.
특허 등록번호 10-20008519에 개시된 멀티 셀 충전 시스템은
복수의 셀을 연결하여 구성되는 배터리;
상기 배터리에 연결되어 복수의 상기 셀 각각의 상태를 감지하는 배터리 관리부;
상기 배터리에 연결되고 복수의 상기 셀을 각각 충전시키는 충전부; 및
상기 배터리 관리부의 감지 결과에 따른 상기 셀의 상태에 충전이 이루어지도록 상기 충전부를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 복수의 상기 셀 중 미리 지정된 기준에 부합되는 상기 셀은 나머지 셀들과 충전전류, 충전전압 및 충전율 중 어느 하나 이상을 달리하여 충전되도록 상기 충전부를 제어하도록 마련되고,
상기 제어부는 미리 지정된 기준에 부합되는 상기 셀이 충전 진행 중에 미리 지정된 기준을 벗어나는 시점을 판별하고, 상기 시점 이후 상기 셀을 상기 나머지 셀들과 상기 충전전류, 상기 충전전압 및 상기 충전율 중 어느 하나 이상이 일치되도록 하여 충전되도록 상기 충전부를 제어하도록 마련된다.
그러나, 멀티 배터리 셀 충전 시스템은 배터리 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하거나, 이를 직병렬 혼합한 구조의 멀티셀의 경우 이러한 문제점과 함께 배터리 셀간 충전 전압의 불균형이 큰 문제가 되고 있다. 배터리 셀 간 충전 전압의 불균형은 단자전압 불일치에 의해 주로 발생되지만, 배터리 용량 불일치, 방전률 차이 등 다른 요소들에 의해 발생되는 것으로, 배터리 셀 용량의 감소, 배터리셀의 수명 저하, 손상의 원인이 되는 문제점이 있었다.
또한, 태양광 발전설비는 태양광발전수단, 배터리모듈, 배터리모듈관리부, DC-DC 컨버터, 인버터로 구성된다.
상기의 태양광 발전설비에서 생산된 전기는 내부 DC-DC 컨버터에 연결된 DC 부하 또는 인버터에 연결된 AC 부하에서 전력이 소비되거나 배터리모듈에 충전된다.
이러한 태양광 발전설비는 태양광이 비추는 낮에만 발전이 가능하므로, 야간에 전력을 사용하기 위해 반드시 배터리모듈이 필요하다.
배터리모듈(120)은 통상적으로 복수 개의 단위 셀(cell)로 이루어지는 어셈블리로 구성되며, 상기 각 셀은 양극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액, 알루미늄 박막층 등을 포함하며 각 구성요소들 간의 전기화학적인 반응에 의해 충방전이 이루어진다.
배터리의 충방전을 위한 기본적 구조는 셀에서 어셈블리를 거쳐 배터리모듈이 되기까지 물리적인 보호 장치, 다양한 감지수단, SOC(State Of Charge) 등의 추정을 위한 알고리즘이 적용된 펌웨어 등이 필요하다.
상기 배터리모듈은 이차 전지와 이차 전지에 대하여 충전 및 방전을 제어하는 제어회로를 포함하며, 배터리모듈관리부에서 제어회로에 충전 또는 방전의 명령에 따라 이차 전지를 충방전하게 된다.
이와 관련된 선행기술2로써, 특허 등록번호 10-1926341에서는 "태양광 발전설비용 배터리 관리시스템"이 등록되어 있으며, 배터리모듈의 온도를 실시간으로 모니터링하여 선제적으로 조치를 취하므로 배터리모듈의 스웰링을 방지할 수 있도록 된 태양광 발전설비용 배터리 관리 시스템을 제공한다.
태양광 발전설비용 배터리 관리시스템은
태양광 발전수단으로부터 발생한 전기를 인가하여 저장하는 배터리모듈의 온도를 계측하는 온도센서; 상기 배터리모듈을 냉각시키는 열전소자; 상기 배터리모듈에 열을 가하는 가온수단; 상기 온도센서로부터 입력된 온도 정보에 따라 상기 열전소자 및 가온수단을 제어하는 제어부를 포함하는 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템으로서,
상기 온도센서는 열화상카메라인 것이며,
상기 배터리모듈은 가온수단으로 면상발열체가 설치되는 것으로, 배터리모듈(B)의 외장을 전반적으로 균일하게 가온할 수 있는 것이고,
상기 열전소자는 펠티어 효과가 큰 반도체 재료로서 비드머스, 텔루라이드, 안티몬텔 합금 중에서 선택된 한쌍으로 이루어진 것이며,
부가적으로, 상기 배터리모듈의 주변에 지하수를 유입하도록 설치된 온도조절수단을 포함하고,
상기 제어부는 온도센서(10)에 의하여 측정된 온도 정보가 기준 온도의 상한치를 넘을 경우 제어부(50)는 배터리모듈(B)의 열전소자(20)에 지령을 내려 열전소자(20)가 작동되도록 하고, 온도센서(10)에 의하여 측정된 온도 정보가 기준 온도의 하한치보다 낮을 경우 제어부는 배터리모듈(B)의 가온수단(30)에 지령을 내려 가온수단(30)이 작동되도록 하며,
측정된 상기 배터리모듈의 온도가 열전소자나 가온수단을 이용하여 조절하여도 미리 설정된 범위를 초과할 경우 이머전시로 판단하고, 인터페이스를 통해 이머전시 정보를 외부로 출력하며, 상기 태양광 발전수단으로부터 인가되는 전류를 차단하고,
상기 배터리모듈은 표면에 팽창흑연시트가 부착되어, 이방성 히트솔루션으로 배터리모듈을 구성하는 배터리의 일부에서 열이 발생하여 핫스팟을 형성될 때 면방향으로 열을 신속하게 방출하므로 핫스팟으로 인해 배터리모듈의 형상이 변형되는 것을 방지한다.
그러나, 멀티셀 충전 시스템은 소용량 파워 뱅크용뿐만 아니라 전기 자동차, ESS(Energy Storage system)와 같은 대용량 에너지 저장시스템에 적용이 가능하다. 이러한 대용량 에너지 저장시스템은 복수의 대용량 단셀을 직병렬로 혼합하여 구성하는데. 기존과 같이 하나의 입출력 단자를 통해 충전하는 경우 충전을 위해 각 셀에 흐르는 전류가 커지게 되며, 셀에 입력되는 전류의 크기를 작게하는 경우 충전에 막대한 시간이 소요되게 된다.
또한, 이러한 복수의 셀 중 어느 하나의 셀이 다른 셀에 비해 심한 저전압 상태인 경우, 멀티 셀을 하나의 셀로 간주하여 충전을 진행하면, 스웰링, 발화, 폭발과 같은 소손이 발생하는 문제가 발생된다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템을 제공하며, 태양광 충전 시스템을 사용하여 CC/CV 충전부와 밸런싱 조절부를 통해 배터리부의 개별 배터리 셀을 충전하며, PC, 스마트폰과 태블릿 PC와 산업용 태블릿 PC 등의 사용자 단말로부터 BMS의 통신부와 제어부를 통해 밸런싱 조절부로 밸런싱 조절 신호를 포함하는 원격 제어 명령을 전송하고 밸런싱 조절부의 스위치 ON/OFF를 제어하여 배터리부의 개별 배터리 셀을 충전한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템은,
태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템; 및
상기 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템으로부터 유무선 통신망을 통해 배터리부의 각 배터리 셀(B0, B1, B2,B3,..Bn)의 충전 전압, 충전 전류, 충전량 그리고 전체 배터리 셀의 충전 전압, 충전 전류, 충전량 및 배터리의 온도를 수신받아 표시하며, 배터리부의 각 배터리 셀의 충전 전압을 검출하여 기준치 보다 낮은 각 배터리 셀의 전압은 충전을 계속 유지하며, 기준치 보다 높은 각 배터리 셀의 전압은 충전을 차단하기 위해 밸런싱 조절 신호가 포함된 원격 제어 명령을 전송하는 사용자 단말을 포함하며,
상기 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템은 LAN, NB-IoT, LoRa RF, LTE 4G/5G 통신부 중 하나 이상의 통신부를 구비하며, 제어부는 상기 사용자 단말의 원격 제어명령에 따라 밸런싱 조절부로 밸런싱 조절 신호를 전송하여 밸런싱 조절부의 각 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 상기 배터리부의 복수의 배터리 셀 중 단자 전압이 가장 낮은 배터리 셀에 맞춰 다른 배터리 셀이 충전되도록 상기 배터리부의 각 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)이 충전되도록 하며,
상기 제어부는 각 배터리 셀의 과전류와 과충전의 이상 신호 감지 시 상기 사용자 단말로부터 수신된 원격 제어 명령에 따라 상기 밸런싱 조절부로 밸런싱 조절 신호를 전송하여 상기 밸런싱 조절부의 각 배터리의 셀의 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 자동으로 전류를 차단한다.
상기 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템은 LAN, NB-IoT, LoRa RF, LTE 4G/5G 통신부 중 하나 이상의 통신부를 구비하며, 제어부는 상기 사용자 단말의 원격 제어명령에 따라 밸런싱 조절부로 밸런싱 조절 신호를 전송하여 밸런싱 조절부의 각 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 상기 배터리부의 복수의 배터리 셀 중 단자 전압이 가장 낮은 배터리 셀에 맞춰 다른 배터리 셀이 충전되도록 상기 배터리부의 각 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)이 충전되도록 하며,
상기 제어부는 각 배터리 셀의 과전류와 과충전의 이상 신호 감지 시 상기 사용자 단말로부터 수신된 원격 제어 명령에 따라 상기 밸런싱 조절부로 밸런싱 조절 신호를 전송하여 상기 밸런싱 조절부의 각 배터리의 셀의 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 자동으로 전류를 차단한다.
상기 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템은
태양전지부와, 전압 레귤레이터와 역방향전류 흐름 방지부와 과충전 방지 회로 및 과방전 방지회로를 구비하는 태양광 충전 컨트롤러와 DC/DC 컨버터를 구비하며, 태양 에너지에 의해 DC 전압과 전류를 발생하는 태양광 충전 시스템;
상기 태양광 충전 시스템에 연결되며, 상기 배터리부의 각 배터리 셀의 라인을 통해 정전류/정전압을 공급하여 상기 배터리부의 각 배터리 셀들(B0, B1, B2,B3,..Bn)을 개별적으로 충전하는 CC/CV 충전부;
상기 CC/CV 충전부와 밸런싱 조절부에 연결되며, 복수의 배터리 셀(B0, B1, B2,B3,..Bn)을 직렬 또는 병렬 또는 직병렬로 연결하여 구성된 배터리부; 및
상기 배터리부에 연결되며, 상기 배터리부의 각 배터리 셀(B0, B1, B2,B3,..Bn)의 전압, 전류, 충전량, 그리고 전체 배터리의 충전전류, 충전전압, 충전량, 및 배터리의 온도를 수신받아 이를 통신부를 통해 유무선 통신망을 통해 상기 사용자 단말로 전송하고, 상기 사용자 단말로부터 수신된 밸런싱 조절 신호가 포함된 원격 제어 명령을 통신부와 제어부를 통해 밸런싱 조절부로 전송하여 상기 밸런싱 조절부의 각 배터리의 셀의 라인의 스위치 ON/OFF 하도록 하여 상기 배터리부의 개별 배터리 셀(B0, B1, B2,B3,..Bn)이 충전되도록 제어하는 제어부; 및 상기 제어부에 연결되며, LAN, NB-IoT, LoRa RF, LTE 4G/5G 통신부 중 하나 이상의 통신부를 제공하는 통신부를 포함한다.
상기 태양광 충전 시스템은, 태양광이 조사되면 p-n접합부에서 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 (+),(-) 두 전극 간에 광기전력이 발생하여 DC 전류 및 DC 전압을 생성하는 태양 전지부; 상기 태양 전지부에 연결되며, 전압 레귤레이터와 역방향전류 흐름 방지부와 과충전 방지 회로 및 과방전 방지회로를 구비하는 태양광 충전 컨트롤러; 및 상기 태양광 충전 콘트롤러와 연결되고, 태양광에 발생된 DC 전압과 전류를 소정의 DC 전압과 전류로 변환하며, 상기 CC/CV 충전부로 연결되는 DC-DC 컨버터를 포함한다.
상기 배터리부는 리튬 이온 배터리 또는 리튬 폴리머 배터리를 사용한다.
상기 배터리부는 복수의 배터리 셀들이 직렬로 배터리 팩(멀티 배터리 셀 트레이)에 탑재되며, 각 배터리 셀 ID로 구분된다.
태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템은
상기 CC/CV 충전부와 상기 배터리부 사이에 병렬로 연결된 각 배터리의 셀의 라인에 각각 ON/OFF 스위치를 구비하며,
상기 배터리부의 각 배터리 셀(B0, B1, B2,B3,..Bn) 간에 충전 전압/충전전류/충전량의 밸런스를 조절하기 위해, 상기 제어부로부터 밸런싱 조절부로 수신된 밸런싱 조절 신호에 따라 상기 밸런싱 조절부의 각 배터리의 셀의 라인의 스위치 ON/OFF를 하는 밸런싱 조절부를 더 포함한다.
상기 제어부는 상기 사용자 단말의 원격 제어명령에 따라 상기 배터리부의 복수의 배터리 셀(B0, B1, B2,B3,..Bn) 중 미리 지정된 기준에 부합되는 특정 배터리 셀을 기준으로 나머지 배터리 셀의 충전전류, 충전전압, 충전량 중 어느 하나 이상을 달리하여 충전하도록 상기 제어부로부터 상기 밸런싱 조절부로 밸런싱 조절 신호를 전송하여 밸런싱 조절부의 스위치 ON/OFF를 제어하여 상기 배터리부의 각 배터리 셀의 충전되도록 한다.
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상기 제어부는, 상기 밸런싱 조절부와 상기 배터리부의 각 배터리 셀과 라인이 병렬로 연결되고, 상기 밸런싱 조절부의 스위치 전단에 수직 방향으로 병렬로 라인들이 상기 제어부에 연결되며, 상기 배터리부의 전체 배터리 셀의 온도를 측정하기 위해, 어느 하나 또는 둘의 배터리 셀의 라인에 직렬로 가변 저항을 갖는 저항식 온도 센서에 의해 배터리부의 전체 배터리 셀의 온도를 측정한다.
상기 저항식 온도 센서는 배터리부의 전체 배터리 셀의 온도를 측정하기 위해, 온도에 따라 저항 값이 변하는 저항식 온도센서(백금 저항 온도 센서), 또는 PTC 써미스터 또는 NTC 써미스터를 사용한다.
상기 제어부에 연결되며, 상기 배터리부의 각 배터리 셀의 충전전류, 충전전압, 충전량 및 전체 배터리 셀의 충전전류, 충전전압, 충전량 및 배터리의 온도를 표시하는 표시부를 더 포함한다.
본 발명의 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템은 태양광 충전 시스템을 사용하여 CC/CV 충전부와 밸런싱 조절부를 통해 배터리부의 개별 배터리 셀을 충전하며, PC, 스마트폰과 태블릿 PC와 산업용 태블릿 PC 등의 사용자 단말로부터 배터리 관리 시스템(BMS)의 통신부와 제어부를 통해 밸런싱 조절부로 밸런싱 조절 신호를 포함하는 원격 제어 명령을 전송하고 밸런싱 조절부의 스위치 ON/OFF를 제어하여 배터리부의 개별 배터리 셀(B0, B1, B2,B3,..Bn)을 충전하며, 배터리부의 각 배터리 셀의 충전 전압/전류의 불균형에 의해 배터리 셀의 손상, 방전의 문제가 발생되는 것을 방지하는 효과가 있다.
기존 리튬 이온 배터리 BMS(Battery Management System)은 셀 전압 측정이 가능하며, 배터리부의 각 배터리 셀들은 기존에 주로 사용했던 Passive(수동형) 방식이 아닌 Active(능동형) 방식의 배터리 팩에 탑재된다.
이차 전지를 사용하는 전기기기, 전동 퀵보드, 전기 스쿠터, 전기 자전거, 전기 자동차에 사용되는 하나 이상의 배터리들이 '배터리 팩'에 탑재된다. 외부 충격에 견디도록 몇 개의 배터리 셀을 하나의 프레임으로 묶은 '모듈'을 여러 개 모아 BMS와 냉각 장치를 추가한 것이 배터리 팩이다. 배터리 관리 시스템(BMS)의 제어부는 각각의 배터리 셀의 충전 전압, 충전 전류, 충전량를 모니터링하며, 온도를 실시간으로 모니터링하여 제어부(MCU)가 밸런싱 조절부의 각 배터리의 셀의 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 각 배터리 셀간 충전 전압/전류의 불균형에 의해 배터리 셀의 손상, 방전의 문제가 발생되지 않게 하며, 과전류와 과충전 등의 이상 신호 감지 시 자동으로 전류를 차단하여 미리 사고를 방지하는 품질이 좋은 배터리 제품을 출시하여 국내 및 해외 시장을 개척할 예정이다.
도 1은 본 발명에 따른 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템의 블록도이다.
도 2는 태양 충전 시스템, CC/CV 충전부와 배터리부, 제어부를 포함하는 시스템 구성도이다.
도 2는 태양 충전 시스템, CC/CV 충전부와 배터리부, 제어부를 포함하는 시스템 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다. 본 발명의 설명에 있어서 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 자세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면 번호는 동일한 구성을 표기할 때에 다른 도면에서 동일한 도면번호를 부여한다.
도 1은 본 발명에 따른 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템의 블록도이다.
PC, 스마트폰, 태블릿 PC, 산업용 태블릿 등의 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 사용한 개별 배터리 셀 충전 시스템을 제공한다.
스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 사용한 개별 배터리 셀 충전 시스템은 태양광 충전 시스템(10)을 사용하여 CC/CV 충전부(20)와 밸런싱 조절부(21)를 통해 배터리부(30)의 개별 배터리 셀을 충전하며, PC, 스마트폰과 태블릿 PC와 산업용 태블릿 PC 등의 사용자 단말(90)로부터 BMS(Battery Management System)의 통신부(70)와 제어부(40)를 통해 밸런싱 조절부(21)로 밸런싱 조절 신호를 포함하는 원격 제어 명령을 전송하고 밸런싱 조절부(21)의 각각의 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 배터리부(30)의 개별 배터리 셀(B0, B1, B2,B3,..Bn)을 충전한다.
본 발명의 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템은
태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템(10,20,21,30,40); 및
상기 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템으로부터 유무선 통신망(LAN, Wi-Fi, NB-IoT, LoRa RF, LTE 4G/5G)을 통해 배터리부(30)의 각 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)의 충전 전압, 충전 전류, 충전량 그리고 전체 배터리 셀의 충전 전압, 충전 전류, 충전량 및 배터리의 온도를 수신받아 표시하며,
배터리부(30)의 각 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)의 충전 전압을 검출하여 기준치 보다 낮은 각 배터리 셀의 전압은 충전을 계속 유지하며, 기준치 보다 높은 각 배터리 셀의 전압은 충전을 차단하기 위해, 사용자 단말(90)로부터 배터리 관리 시스템(BMS)의 통신부(70)와 제어부(40)를 통해 밸런싱 조절부(21)로 밸런싱 조절 신호를 포함하는 원격 제어 명령을 수신받고, 밸런싱 조절부(21)의 각각의 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 배터리부(30)의 개별 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)을 충전되도록 하는 사용자 단말(90)을 포함하며,
상기 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템은 LAN, NB-IoT, LoRa RF, LTE 4G/5G 통신부 중 하나 이상의 통신부(70)를 구비하며, 제어부(40)는 상기 사용자 단말(90)의 원격 제어명령에 따라 상기 밸런싱 조절부(21)로 밸런싱 조절 신호를 전송하여 밸런싱 조절부(21)의 각 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 상기 배터리부의 복수의 배터리 셀 중 단자 전압이 가장 낮은 배터리 셀에 맞춰 다른 배터리 셀이 충전되도록 상기 배터리부(30)의 각 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)이 충전되도록 하며,
상기 제어부(40)는 배터리부(30)의 각 배터리 셀의 과전류와 과충전의 이상 신호 감지 시 상기 사용자 단말(90)로부터 수신된 원격 제어 명령에 따라 상기 밸런싱 조절부로 밸런싱 조절 신호를 전송하여 상기 밸런싱 조절부(21)의 각 배터리의 셀의 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 자동으로 전류를 차단하여 상기 배터리부(30)의 각 배터리 셀간 충전 전압/전류의 불균형에 의해 배터리 셀의 손상, 방전의 문제를 방지한다.
상기 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템은 LAN, NB-IoT, LoRa RF, LTE 4G/5G 통신부 중 하나 이상의 통신부(70)를 구비하며, 제어부(40)는 상기 사용자 단말(90)의 원격 제어명령에 따라 상기 밸런싱 조절부(21)로 밸런싱 조절 신호를 전송하여 밸런싱 조절부(21)의 각 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 상기 배터리부의 복수의 배터리 셀 중 단자 전압이 가장 낮은 배터리 셀에 맞춰 다른 배터리 셀이 충전되도록 상기 배터리부(30)의 각 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)이 충전되도록 하며,
상기 제어부(40)는 배터리부(30)의 각 배터리 셀의 과전류와 과충전의 이상 신호 감지 시 상기 사용자 단말(90)로부터 수신된 원격 제어 명령에 따라 상기 밸런싱 조절부로 밸런싱 조절 신호를 전송하여 상기 밸런싱 조절부(21)의 각 배터리의 셀의 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 자동으로 전류를 차단하여 상기 배터리부(30)의 각 배터리 셀간 충전 전압/전류의 불균형에 의해 배터리 셀의 손상, 방전의 문제를 방지한다.
구체적으로, 태양광 충전 시스템(10)을 사용하여 CC/CV 충전부(20)를 통해 정전류(Constant Current)/정전압(Constant Voltage) 방식으로 배터리부의 복수의 배터리 셀들(B0,B1,B2,B3,..Bn)을 각각 개별적으로 충전하고,
태양광 충전 시스템을 사용한 개별 배터리 셀 충전 시스템의 제어부(40)와 통신부(70)로부터 유무선 통신망(LAN, Wi-Fi, NB-IoT, LoRa RF, LTE 4G/5G)을 통해 사용자 단말(90)로 배터리부(30)의 각 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)의 전압, 전류, 충전량, 그리고 전체 배터리 셀의 충전전류, 충전전압, 충전량 및 배터리 온도를 전송하여 사용자 단말(90)에 표시한다.
사용자 단말(90)은 PC, 스마트폰과 태블릿 PC와 산업용 태블릿을 사용하며, 유무선 통신망(LAN, NB-IoT, LoRa RF, LTE 4G/5G)을 통해 연결된 태양광 충전 시스템을 사용한 개별 배터리 셀 충전 시스템(10,20,21,30,40)으로부터 수신된 배터리부(30)의 각 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)의 전압, 전류, 충전량, 그리고 전체 배터리 셀의 충전전류, 충전전압, 충전량 및 배터리 온도를 표시하며,
배터리부(30)의 각 배터리 셀의 충전 전압을 검출하여 기준치 보다 낮은 각 배터리 셀의 전압은 충전을 계속 유지하며, 기준치 보다 높은 각 배터리 셀의 전압은 충전을 차단하기 위해, 사용자 단말(90)로부터 배터리 관리 시스템(BMS)의 통신부(70)와 제어부(40)를 통해 밸런싱 조절부(21)로 밸런싱 조절 신호를 포함하는 원격 제어 명령을 전송하고, 밸런싱 조절부(21)의 각각의 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 배터리부(30)의 개별 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)을 충전되도록 한다.
도 2는 태양 충전 시스템, CC/CV 충전부와 배터리부, 제어부를 포함하는 시스템 구성도이다.
상기 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템은
태양전지부와, 전압 레귤레이터와 역방향전류 흐름 방지부와 과충전 방지 회로 및 과방전 방지회로를 구비하는 태양광 충전 컨트롤러와 DC/DC 컨버터를 구비하며, 태양 에너지에 의해 DC 전압과 전류를 발생하는 태양광 충전 시스템(10);
상기 태양광 충전 시스템(10)에 연결되며, 배터리부(30)의 복수의 배터리 셀들로 병렬로 연결된 각각의 배터리 셀의 라인을 통해 정전류(Constant Current)/정전압(Constant Voltage)을 공급하여 배터리부(30)의 각 배터리 셀들(B0, B1, B2,B3,..Bn)을 개별적으로 충전하는 CC/CV 충전부(20);
상기 CC/CV 충전부(20)와 밸런싱 조절부(21)에 연결되며, 복수의 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)을 직렬 또는 병렬 또는 직병렬로 연결하여 구성된 배터리부(30); 및
상기 배터리부(30)에 연결되며, 상기 배터리부(30)의 각 배터리 셀의 전압, 전류, 충전량, 그리고 전체 배터리의 충전전류, 충전전압, 충전량, 및 배터리의 온도를 수신받아 이를 제어부(40)와 연결된 통신부(70)를 통해 유무선 통신망을 통해 사용자 단말(90)로 전송하고, 사용자 단말(90)로부터 수신된 밸런싱 조절 신호가 포함된 원격 제어 명령을 통신부(70)와 제어부(40)를 통해 밸런싱 조절부(21)로 전송하여 밸런싱 조절부(21)의 각 배터리의 셀의 라인의 스위치 ON/OFF 하도록 하여 개별 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)이 충전되도록 제어하는 제어부(MCU)(40); 및
상기 제어부(40)에 연결되며, LAN, NB-IoT, LoRa RF, LTE 4G/5G 통신부 중 하나 이상의 통신부를 제공하는 통신부(70)를 포함한다.
또한, 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템은
상기 CC/CV 충전부(20)와 상기 배터리부(30) 사이에 각 배터리의 셀의 라인에 각각 ON/OFF 스위치를 구비하며,
상기 배터리부(30)의 각 배터리 셀간 충전 전압/전류의 불균형을 해결하고 상기 배터리부의 각 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn) 간에 충전 전압/충전전류/충전량의 밸런스를 조절하기 위해, 상기 사용자 단말(90)의 원격 제어명령에 따라 상기 제어부(MCU)(40)로부터 상기 밸런싱 조절부(21)로 수신된 밸런싱 조절 신호에 따라 밸런싱 조절부(21)의 각 배터리의 셀의 라인의 스위치 ON/OFF를 하는 밸런싱 조절부(21)를 더 포함한다.
상기 사용자 단말(90)의 원격 제어명령에 따라 상기 제어부(40)로부터 전송된 밸런싱 조절 신호에 따라 밸런싱 조절부(21)의 각 배터리 셀 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 배터리부의 각 배터리 셀을 충전하며, 각각의 배터리 셀의 충전 전압/전류의 균형(balance)을 맞추도록 하여, 배터리 셀간 충전 전압/전류의 불균형에 의해 배터리 셀의 손상, 방전의 문제가 발생되는 것을 방지한다.
또한, 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템은
상기 제어부(40)에 연결되며, 배터리부(30)의 각 배터리 셀의 충전전류, 충전전압, 충전량 그리고 전체 배터리 셀의 충전전류, 충전전압, 충전량 및 배터리의 온도를 표시하는 표시부를 더 포함한다.
태양광 충전 시스템(10)은 태양광이 조사되면 p-n접합부에서 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 (+),(-) 두 전극 간에 광기전력이 발생하여 DC 전류 및 DC 전압을 생성하는 태양전지부; 전압 레귤레이터(voltage regulator)와 역방향전류 흐름 방지부(Blocking diode)와 과충전 방지 회로 및 과방전 방지회로를 구비하는 태양광 충전 컨트롤러; 및 충전 콘트롤러와 연결되고 태양광에 발생된 DC 전압과 전류를 소정의 DC 전압과 전류로 변환하며 CC/CV 충전부에 연결되는 DC-DC 컨버터를 포함한다.
구름이 잔뜩 낀 날에, 해가 안비치는 낮이 되면, 배터리부로부터 태양전비부의 태양광 판넬로 거꾸로 전류가 흐를 수 있다. 이를 방지하기 위해, 역방향전류 흐름 방지부는 불로킹 다이오드(Blocking diode)라는 반도체 2극소자를 직렬로 연결 또는 전력손실이 작은 MOSFET 소자를 사용함으로써 단지 태양전지부의 태양광 판넬로부터 배터리로만 전류가 흐르도록 한다.
태양 전지부(PV array)는 집광 효율을 높이기 위한 프렌넬 렌즈(Plannel lens)를 구비하고 태양전지판(PV array)로 구성되며, 프렌넬 렌즈로 집광된 태양 에너지를 솔라셀 어레이로 비추면 PN 반도체의 광기전력 효과(photo-voltaic effect)에 의해 태양 에너지를 전기에너지로 변환하여 DC 전류와 DC 전압을 생성한다. 하나의 태양전지 셀은 DC 0.5V가 생성되며, 직렬로 연결되어 사용된다.
태양전지부는 복수의 태양전지 셀을 사용하며, 태양전지 셀(solar cell)는 97%가 1세대 단결정 실리콘 태양전지로 된 반사방지막이 구비된 초고순도의 PN 반도체를 사용하며, 다결정 실리콘(poly-Si), 비결정질 실리콘(a-Si) 등의 다결정 박막 실리콘 태양전지, 2세대 화합물 반도체(GaAs, InP, GaInAs, CdS, CdTe...), 적층형 태양전지(AlGaAs), 박막 태양전지 등을 사용할 수 있다.
태양전지 셀(solar cell)의 p타입과 n타입 반도체가 접합된 PN 접합부에 태양 복사열이 조사되면(solar radiation) n-타입 반도체에 이동이 자유로운 (-)전하를 갖는 전자(electron), p-타입 반도체의 (+)전하를 갖는 정공(hole)을 생성하여 pn junction을 가로질러 전자의 이동에 따라 빌트-인 전기장을 생성하여 양전하와 음전하의 변동에 따라 전압과 전위가 발생된다. 각각의 태양전지 셀(solar cell)은 태양광이 조사되면 p-n접합부에서 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 (+),(-) 두 전극 간에 광기전력이 발생하여 DC 전류 및 DC 전압이 생성된다.
태양 전지부는 돔형, 오목형, 블록형, 평판형 태양전지 판넬을 사용할 수 있다.
태양광 충전 컨트롤러의 즉 태양전지부로부터의 전류의 역방향 흐름을 방지하고 과충전을 방지하며, 과방전을 막고 과부하를 차단하는 기능과 배터리의 충전 상태를 표시하는 기능을 제공하며, 제어부에 연결된 표시부에 충전전류, 방전전류를 표시하여 디스플레이한다.
태양 전지부와 충전 콘트롤러(charge controller)는 역방향전류 흐름 방지와 과충전/과방전을 방지하며 태양 전지부로부터 발생된 DC 전압과 전류를 CC/CV 충전부(20)로 정전압/정전류 방식으로 정전압과 정전류를 공급하며, CC/CV 충전부(20)는 밸런싱 조절부(21)를 통해 배터리부(30)의 각 배터리셀들을 개별적으로 충전하거나 또는 DC-DC 컨버터를 통해 외부 전기기기(DC 부하)에 직접 전력을 공급하도록 제어한다.
태양 전지부는 배터리가 만충전이 된 상태에서 태양 전지부의 태양광 판넬로부터 계속적으로 전압이 인가되며, 이때 배터리부의 전압이 과도하게 높아지면서 내부의 전해질 속의 물은 산소와 수소로 분해되면서 가스가 발생하며, 이 과정에서 증류수의 손실이 생기며 동시에 가스가 인화되여 배터리부가 폭발할 위험이 발생한다. 결과적으로, 배터리는 열화되고 수명이 단축된다.
태양광 충전 콘트롤러는 배터리의 과충전을 막기 위해, 배터리의 충전 전압이 일정 전압에 도달하면 전류 흐름을 차단시켜 주면 된다.
또한, 태양광 충전 콘트롤러는 배터리의 전압이 일정 전압 이하로 떨어지고 과방전이 발생하면, 다시 전류 흐름을 연결시켜 준다. 이를 전압 레귤레이팅(voltage regulating)이라고 하며, 태양광 충전 컨트롤러의 기본적인 기능이다.
* 태양광 충전 콘트롤러의 과충전 방지 제어 방식
(1) on/off 방식
일부 태양광 컨트롤러는 on/off control 방식을 사용하여 배터리로의 전류 흐름을 완전히 차단 또는 연결을 반복하면서 전류흐름을 조절한다.
태양광 충전 콘트롤러가 충전을 on/off하거나 또는 다음 충전 단계로 넘어갈때의 전압을 충방전 조절점 또는 충방전 설정점(set point) 이라고 한다.
태양광 충전 콘트롤러는 대체로 충방전 설정점(set point)이 고정되어 있으며 일부는 사용자가 직접 또는 조정할 수 있는 제품도 있다.
(2) PWM 방식
다른 일부의 태양광 충전 콘트롤러는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방식을 사용하여 전류 흐름을 점차적으로 증가 또는 감소시킨다.
배터리 종류에 따라 충전 전압이 차이가 나고, PWM 방식은 보다 더 배터리의 전압을 일정하게 지속적으로 유지시켜 준다.
배터리의 빠른 충전과 부드러운 충전은 서로 상충되는 측면이 있기 때문에 두 가지를 동시에 만족시켜주기 위해, 배터리의 종류, 전력사용 패턴과 시스템 설계자의 통계적 경험에 따라 설계된다.
배터리부(30)는 리튬 이온 배터리 또는 리튬 폴리머 배터리를 사용한다.
배터리부(30)는 복수의 배터리 셀들(B0,B1,B2,B3,..Bn)이 직렬로 배터리 팩(멀티 배터리 셀 트레이)에 탑재되며, 각각의 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)은 각 배터리 셀 ID로 구분된다.
또한, 배터리부(30)는 복수의 배터리 셀들(B0,B1,B2,B3,..Bn)이 탑재되며, 재충전이 가능한 이차 전지로 된 각각의 배터리 셀들(B0,B1,B2,B3,..Bn)을 직렬, 병렬로 연결되거나 직병렬 혼합의 멀티 셀로 구성될 수 있으며, 각각의 배터리 셀은 각 배터리 셀 ID로 구분된다.
제어부(40)는 배터리부(30)의 각 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)의 충전 전압, 충전 전류, 충전량, 그리고 전체 배터리의 셀의 충전 전압, 충전 전류, 충전량을 통신부(70)를 통해 사용자 단말(90)로 전송하고, 사용자 단말(90)로부터 수신된 원격 제어명령에 따라 제어부(40)는 밸런싱 조절부(21)로 밸런싱 조절 신호를 전송하며, 밸런싱 조절부(21)는 상기 밸런싱 조절 신호에 따라 밸런싱 조절부(21)의 각 배터리 셀 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 각각의 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)간의 충전 전압/전류의 균형(balance)을 맞추도록 제어되며, 배터리부(30)의 각 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)이 충전된다.
상기 제어부(40)는 상기 사용자 단말(90)의 원격 제어명령에 따라 각각의 배터리 셀 간 충전 전압/전류의 불균형을 해결하고 배터리부(30)의 각 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn) 간에 충전 전압/충전전류/충전량의 밸런스를 조절하기 위해, 사용자 단말(90)의 원격 제어명령에 따라 제어부(40)는 배터리부(30)의 복수의 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn) 중 미리 지정된 기준에 부합되는 특정 배터리 셀을 기준으로 나머지 배터리 셀의 충전전류, 충전전압, 충전량 중 어느 하나 이상을 달리하여 충전하도록 상기 제어부(40)로부터 상기 밸런싱 조절부(21)로 밸런싱 조절 신호를 전송하여 밸런싱 조절부(21)의 스위치 ON/OFF를 제어하여 배터리부(30)의 각 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)을 충전한다.
상기 제어부(40)는 상기 사용자 단말(90)로부터 수신된 원격 제어명령에 따라 상기 제어부(40)로부터 상기 밸런싱 조절부(21)로 밸런싱 조절 신호를 전송하여 밸런싱 조절부(21)의 각 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 배터리부(30)의 복수의 배터리 셀 중 단자 전압이 가장 낮은 배터리 셀에 맞춰 다른 배터리 셀이 충전되도록 상기 배터리부(30)의 각 배터리 셀(B0, B1, B2,B3,..Bn)의 충전되도록 하며, 만충전 상태에서 배터리부(30)의 배터리 셀간 전압/전류 불균형이 발생하는 것을 방지한다.
배터리부(30)는 CC/CV 충전부(20)를 통해 공급되는 정전압과 정전류에 의해 각 배터리 셀들(B0,B1,B2,B3,..Bn)이 충전되고, 배터리부(30)의 출력 단자(B+, B- 단자)를 통해 외부 전기기기에 충전된 전력을 공급한다.
또한, 실시예에서는 제어부(40)와 배터리부(30)의 각 배터리 셀의 어느 하나 또는 둘의 배터리 셀의 라인에 직렬로 가변 저항을 갖는 온도 센서(23)에 의해 배터리부(30)의 전체 복수의 배터리 셀의 온도를 측정한다.
상기 배터리부(30)의 전체 배터리 셀의 온도를 측정하기 위해, 상기 밸런싱 조절부(21)의 스위치 전단과 상기 제어부(40)에 병렬로 연결된 라인의 어느 하나 또는 둘의 배터리 셀의 라인에 직렬로 하나 또는 둘의 온도 센서(23)를 구비하며, 상기 온도 센서에 의해 배터리부의 전체 배터리 셀의 온도를 측정하고,
상기 온도 센서(23)는 온도에 따라 저항 값이 변하는 저항식 온도센서(백금 저항 온도 센서), PTC 써미스터 또는 NTC 써미스터(PTC thermistor, NTC thermistor)를 사용할 수 있다.
상기 온도 센서(23)는 온도에 따라 저항 값이 변하는 저항식 온도센서(백금 저항 온도 센서), PTC 써미스터 또는 NTC 써미스터(PTC thermistor, NTC thermistor)를 사용할 수 있다.
실시예에서는, 배터리부(30)의 복수의 배터리 셀의 온도를 측정하기 위해 온도 센서(23)는 밸런싱 조절부(21)의 스위치 전단과 제어부(40)에 병렬로 연결된 라인의 어느 하나 또는 두 라인에 직렬로 온도 센서(23)를 사용한다. 즉, 하나 또는 두 라인에 하나 또는 두개의 온도 센서(23)가 사용된다.
실시예에서는, 배터리부(30)의 복수의 배터리 셀의 온도를 측정하기 위해 온도 센서는 하나 또는 두 개의 저항식 온도 센서(백금 저항 온도 센서), PTC 써미스터(PTC thermistor) 또는 NTC 써미스터(NTC thermistor)를 사용하였다.
참고로, 써미스터(Thermistor)는 금속산화물 반도체를 사용하며, 이는 금속에 비해 비교적 큰 저항온도계수(TCR: Temperature Coefficient of Resistance)를 갖는 특성을 감지하여 온도에 따라 반도체의 저항값이 변하는 특성을 사용한 온도센서이다. 써미스터의 저항온도계수(TCR)는 일정하지 않고 온도에 따라 달라지는 특성을 갖고 있다. 온도가 증가하면 저항 값이 증가하는 타입을 정온도계수(PTC:positive temperature coefficient) 타입이라 하고, 온도가 증가하면 저항 값이 감소하는 타입을 부온도계수(NTC:negative temperature coefficient) 타입이라 한다.
배터리부(30)의 복수의 배터리 셀의 온도를 측정하는 온도 센서는
온도가 올라가면 저항 값이 증가하는 PTC 써미스터(positive temperature coefficient thermistor)를 사용하거나, 또는
온도가 올라가면 저항 값이 감소하는 NTC 써미스터(negative temperature coefficient thermistor)는 주로 망간·코발트·니켈·철 등 전이금속 산화물의 복합 소결체의 특성을 갖는다.
본 발명의 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템은 태양광 충전 시스템(10)을 사용하여 CC/CV 충전부(20)와 밸런싱 조절부(21)를 통해 배터리부(30)의 개별 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)을 충전하며, PC, 스마트폰과 태블릿 PC와 산업용 태블릿 PC 등의 사용자 단말(90)로부터 배터리 관리 시스템(BMS)의 통신부(70)와 제어부(40)를 통해 밸런싱 조절부(21)로 밸런싱 조절 신호를 포함하는 사용자 단말의 원격 제어명령을 전송하고, 밸런싱 조절부(21)의 각 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 배터리부(30)의 개별 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)을 충전하며, 배터리부(30)의 각 배터리 셀의 충전 전압/전류의 불균형에 의해 배터리 셀의 손상, 방전의 문제가 발생되는 것을 방지한다.
(주)유씨티는 기존 리튬 이온 배터리들 또는 리튬 폴리머 배터리들의 BMS(Battery Management System)은 셀 전압 측정이 가능하며, 배터리부의 각 배터리 셀들은 기존에 주로 사용했던 Passive(수동형) 방식이 아닌 Active(능동형) 방식의 배터리 팩에 탑재하였다.
이차 전지를 사용하는 전기기기, 전동 퀵보드, 전기 스쿠터, 전기 자전거, 전기 자동차에 사용되는 하나 이상의 배터리들이 '배터리 팩'에 탑재된다. 외부 충격에 견디도록 몇 개의 배터리 셀을 하나의 프레임으로 묶은 '모듈'을 여러 개 모아 BMS와 냉각 장치를 추가한 것이 배터리팩이다. BMS의 제어부(MCU)는 각각의 배터리 셀의 충전 전압, 충전 전류, 충전량을 측정하고 배터리의 온도를 사용자 단말로 전송하여 실시간으로 모니터링하고, 제어부(MCU)(40)는 사용자 단말로부터 수신된 원격 제어 명령에 따라 밸런싱 조절부(21)로 밸런싱 조절 신호를 전송하여 밸런싱 조절부(21)의 각 배터리의 셀의 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 배터리부(30)의 각 배터리 셀간 충전 전압/전류의 불균형에 의해 배터리 셀의 손상, 방전의 문제가 발생되지 않게 하며, 과전류와 과충전 등의 이상 신호 감지 시 사용자 단말의 원격 제어명령에 따라 밸런싱 조절부(21)의 각 배터리의 셀의 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 자동으로 전류를 차단하여 미리 사고를 방지하는 고품질의 배터리 제품을 출시하여 국내 및 해외 시장을 개척할 예정이다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 상기와 같이 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시예와 동일한 구성 및 동작에만 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변형하여 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
10: 태양광 충전 시스템 20: CC/CV 충전부
21: 밸런싱 조절부 23: 온도 센서
30: 배터리부 40: 제어부
70: 통신부 90: 사용자 단말
21: 밸런싱 조절부 23: 온도 센서
30: 배터리부 40: 제어부
70: 통신부 90: 사용자 단말
Claims (11)
- 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템; 및
상기 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템으로부터 유무선 통신망을 통해 배터리부의 각 배터리 셀의 충전 전압, 충전 전류, 충전량 그리고 전체 배터리 셀의 충전 전압, 충전 전류, 충전량 및 배터리의 온도를 수신받아 표시하며, 배터리부의 각 배터리 셀의 충전 전압을 검출하여 기준치 보다 낮은 각 배터리 셀의 전압은 충전을 계속 유지하며, 기준치 보다 높은 각 배터리 셀의 전압은 충전을 차단하기 위해 밸런싱 조절 신호가 포함된 원격 제어 명령을 전송하는 사용자 단말을 포함하며,
상기 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템은 LAN, NB-IoT, LoRa RF, LTE 4G/5G 통신부 중 하나 이상의 통신부를 구비하며, 제어부는 상기 사용자 단말의 원격 제어명령에 따라 밸런싱 조절부로 밸런싱 조절 신호를 전송하여 밸런싱 조절부의 각 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 상기 배터리부의 복수의 배터리 셀 중 단자 전압이 가장 낮은 배터리 셀에 맞춰 다른 배터리 셀이 충전되도록 상기 배터리부의 각 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)이 충전되도록 하며,
상기 제어부는 상기 배터리부의 각 배터리 셀의 과전류와 과충전의 이상 신호 감지 시 상기 사용자 단말로부터 수신된 원격 제어 명령에 따라 상기 밸런싱 조절부로 밸런싱 조절 신호를 전송하여 상기 밸런싱 조절부의 각 배터리의 셀의 라인의 스위치 ON/OFF를 제어하여 자동으로 전류를 차단하는, 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템은
태양전지부와, 전압 레귤레이터와 역방향전류 흐름 방지부와 과충전 방지 회로 및 과방전 방지회로를 구비하는 태양광 충전 컨트롤러와 DC/DC 컨버터를 구비하며, 태양 에너지에 의해 DC 전압과 전류를 발생하는 태양광 충전 시스템;
상기 태양광 충전 시스템에 연결되며, 상기 배터리부의 각 배터리 셀의 라인을 통해 정전류/정전압을 공급하여 상기 배터리부의 각 배터리 셀들(B0,B1,B2,B3,..Bn)을 개별적으로 충전하는 CC/CV 충전부;
상기 CC/CV 충전부와 밸런싱 조절부에 연결되며, 복수의 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)을 직렬 또는 병렬 또는 직병렬로 연결하여 구성된 배터리부; 및
상기 배터리부의 각 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)의 전압, 전류, 충전량, 그리고 전체 배터리의 충전전류, 충전전압, 충전량, 및 배터리의 온도를 수신받아 이를 통신부를 통해 유무선 통신망을 통해 상기 사용자 단말로 전송하고, 상기 사용자 단말로부터 수신된 밸런싱 조절 신호가 포함된 원격 제어 명령을 통신부와 제어부를 통해 밸런싱 조절부로 전송하여 상기 밸런싱 조절부의 각 배터리의 셀의 라인의 스위치 ON/OFF 하도록 하여 배터리부의 개별 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn)이 충전되도록 제어하는 제어부; 및
상기 제어부에 연결되며, LAN, NB-IoT, LoRa RF, LTE 4G/5G 통신부 중 하나 이상의 통신부를 제공하는 통신부;
를 포함하는 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 태양광 충전 시스템은
태양광이 조사되면 p-n접합부에서 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 (+),(-) 두 전극 간에 광기전력이 발생하여 DC 전류 및 DC 전압을 생성하는 태양 전지부;
상기 태양 전지부에 연결되며, 전압 레귤레이터와 역방향전류 흐름 방지부와 과충전 방지 회로 및 과방전 방지회로를 구비하는 태양광 충전 컨트롤러; 및
상기 태양광 충전 컨트롤러와 연결되고, 태양광에 발생된 DC 전압과 전류를 소정의 DC 전압과 전류로 변환하며, 상기 CC/CV 충전부로 연결되는 DC-DC 컨버터를 포함하는 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 배터리부는 리튬 이온 배터리 또는 리튬 폴리머 배터리를 사용하는, 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 배터리부는 복수의 배터리 셀들이 직렬로 배터리 팩(멀티 배터리 셀 트레이)에 탑재되며, 각 배터리 셀 ID로 구분되는, 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 CC/CV 충전부와 상기 배터리부 사이에 병렬로 연결된 각 배터리의 셀의 라인에 각각 ON/OFF 스위치를 구비하며,
상기 배터리부의 각 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn) 간에 충전 전압/충전전류/충전량의 밸런스를 조절하기 위해, 상기 사용자 단말의 원격 제어명령에 따라 상기 제어부로부터 밸런싱 조절부로 수신된 밸런싱 조절 신호에 따라 밸런싱 조절부의 각 배터리의 셀의 라인의 스위치 ON/OFF를 하는 밸런싱 조절부를 더 포함하는, 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 제어부는 상기 사용자 단말의 원격 제어명령에 따라 상기 배터리부의 복수의 배터리 셀(B0,B1,B2,B3,..Bn) 중 미리 지정된 기준에 부합되는 특정 배터리 셀을 기준으로 나머지 배터리 셀의 충전전류, 충전전압, 충전량 중 어느 하나 이상을 달리하여 충전하도록 상기 사용자 단말의 원격 제어 명령에 따라 상기 제어부로부터 상기 밸런싱 조절부로 밸런싱 조절 신호를 전송하여 밸런싱 조절부의 스위치 ON/OFF를 제어하여 상기 배터리부의 각 배터리 셀의 충전되도록 하는, 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템. - 삭제
- 제2항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 밸런싱 조절부와 상기 배터리부의 각 배터리 셀과 라인이 병렬로 연결되고, 상기 밸런싱 조절부의 스위치 전단에 수직 방향으로 병렬로 라인들이 상기 제어부에 연결되며, 상기 배터리부의 전체 배터리 셀의 온도를 측정하기 위해, 상기 밸런싱 조절부의 스위치 전단과 상기 제어부에 병렬로 연결된 라인의 어느 하나 또는 둘의 배터리 셀의 라인에 직렬로 하나 또는 둘의 온도 센서를 구비하며, 상기 온도 센서에 의해 배터리부의 전체 배터리 셀의 온도를 측정하는, 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 온도 센서는 배터리부의 전체 배터리 셀의 온도를 측정하기 위해, 온도에 따라 저항 값이 변하는 저항식 온도센서(백금 저항 온도 센서), 또는 PTC 써미스터 또는 NTC 써미스터를 사용하는, 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 제어부에 연결되며, 상기 배터리부의 각 배터리 셀의 충전전류, 충전전압, 충전량 및 전체 배터리 셀의 충전전류, 충전전압, 충전량, 및 배터리의 온도를 표시하는 표시부를 더 포함하는 스마트 기기와 통신되는 태양광 충전 시스템을 구비한 개별 배터리 셀 충전 시스템.
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