KR102243561B1 - 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치 - Google Patents

슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치에 관한 것으로, 전기자동차의 배터리관리시스템에 사용되는 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치에 있어서, 전원과 부하단 사이에 병렬로 연결된 슈퍼커패시터, 상기 전원과 슈퍼커패시터 사이에 연결되고, 제1스위치를 포함하는 충전회로, 상기 전원과 슈퍼커패시터 사이에 상기 충전회로와 병렬로 연결되는 제2스위치, 상기 슈퍼커패시터와 부하단 사이에 연결되는 제3스위치 및 상기 슈퍼커패시터의 전압에 따라 상기 제1 내지 제3스위치의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치{Apparatus for stabilizing a power source for battery management system using super capacitor}
본 발명은 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치에 관한 것이다.
전기자동차는 엔진을 사용하는 자동차의 배터리에 저장된 전력을 모터에 공급하여 주행한다. 배터리에 저장된 전력은 모터에 공급될 뿐 아니라 전기자동차에 사용되는 각종 장치에 전력을 공급하는데, 이렇게 배터리에 저장된 전력을 각종 부하에 공급하고 배터리 셀의 전압/온도 측정, 배터리시스템 전체의 전압/전류 측정, 고전압 릴레이 컨트롤, 절연저항 측정, 고전압 연결 상태 측정과 같은 다양한 전력의 제어를 위한 장치가 배터리관리시스템이다.
배터리관리시스템은 전기자동차의 주행 중 상기한 바와 같은 동작을 위해 항시 동작해어야 하는데, 배터리관리시스템에 공급되는 전원은 전원 케이블의 이상이나 노이즈의 영향으로 불안전한 전원 공급을 받을 수 있어 상기한 바와 같은 동작을 원활히 하지 못할 수 있으며, 배터리관리시스템의 동작이 원활하지 못할 경우 주행 중인 전기자동차가 이상 동작해 사고로 이어질 가능성이 있으므로 배터리관리시스템에 안정적으로 전원을 공급할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
한국공개번호 제10-2012-0052353호("전기자동차의 배터리관리시스템 및 그 방법", 공개일 2012.12.11.)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 의한 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치의 목적은 배터리관리시스템의 전원공급이 불안정해지거나 일정시간동안 전원공급이 되지 않더라도 임시로 배터리관리시스템에 전원을 공급할 수 있는 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치는, 배터리관리시스템에 사용되는 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치에 있어서, 전원과 부하단 사이에 병렬로 연결된 슈퍼커패시터, 상기 전원과 슈퍼커패시터 사이에 연결되고, 제1스위치를 포함하는 충전회로, 상기 전원과 슈퍼커패시터 사이에 상기 충전회로와 병렬로 연결되는 제2스위치, 상기 슈퍼커패시터와 부하단 사이에 연결되는 제3스위치 및 상기 슈퍼커패시터의 전압에 따라 상기 제1 내지 제3스위치의 동작을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 슈퍼커패시터의 출력전압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 충전회로는 상기 제1스위치와 직렬로 연결되는 전류제한저항을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 슈퍼커패시터의 전압이 기준치 이하일 경우 상기 제1스위치를 닫고, 상기 제2스위치와 제3스위치를 열어 상기 슈퍼커패시터를 충전시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 슈퍼커패시터의 전압이 기준치 이상일 경우 상기 제1스위치를 열고, 상기 제2스위치와 제3스위치를 닫아 상기 슈퍼커패시터를 상기 부하단에 연결시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는 사용자가 전기자동차를 턴 오프 시킬 때, 상기 제2스위치를 열어 상기 부하단에 전원을 공급할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 제1스위치를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치에 의하면, 배터리관리시스템의 전원의 출력전압이 순간적으로 차단되거나 노이즈로 인해 감소되더라도 슈퍼커패시터가 이를 보상하기 때문에, 부하단에 안정적으로 전원을 공급할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전기자동차의 이상동작으로 인해 배터리관리시스템의 전원의 출력전압이 차단되더라도, 슈퍼커패시터가 일정 시간동안 부하단에 전원을 공급하기 때문에 운전자는 전기자동차의 이상동작에 대처할 수 있는 시간을 확보할 수 있는 효과가 있다.
덧붙여, 운전자가 전기자동차의 전원을 턴 오프했을 때 슈퍼커패시터에서 일정 시간동안 부하단에 전원을 공급하여 배터리관리시스템의 전원의 출력값이 순간적으로 0이 되더라도, 전기자동차의 전원이 턴 오프된 후 배터리관리시스템에서 수행되는 동작을 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 회로도.
도 2는 본 발명의 일실시예의 제1스위치가 닫히고, 제2 및 제3스위치가 열렸을 때의 등가회로.
도 3은 본 발명의 일실시예의 제1스위치가 열리고, 제2 및 제3스위치가 닫혔을 때의 등가회로.
도 4는 본 발명의 일실시예에서 제어부가 제1 내지 제3스위치를 제어하는 순서도.
도 5는 본 발명의 일실시예에서 전원이 차단되었을 때, 시간별 슈퍼커패시터의 출력단의 출력전압변화를 나타낸 그래프.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치의 회로도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치는 전기자동차의 배터리관리시스템에 사용되는 전원 안정화 장치에 관한 것으로, 슈퍼커패시터(100), 충전회로(200), 제2스위치(220), 제3스위치(230) 및 제어부(300)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 전원(10)은 자동차의 납축전지일 수 있으며, 미리 정해진 출력의 전원을 배터리관리시스템의 부하단(20)에 공급할 수 있으며, 전원(10)의 출력은 일반적으로 12~24V의 직류 전원이 될 수 있다.
도 1에 도시된 부하단(20)은 배터리관리시스템의 동작을 이한 각종 부하들을 포함하며, 실질적으로 전력을 소모한다. 배터리관리시스템의 동작은 배터리 셀의 정렬, 배터리 셀의 상태 측정, 전기자동차에 사용되는 각종 장치들로의 전압분배, 배터리 구동을 위한 고전압 릴레이 및 기타 등등과 같은 동작을 할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전원(10)과 부하단(20) 사이에는 다이오드(30)가 설치되어 전원(10)에서 부하단(20)측으로만 전류가 흐르고, 역방향으로 전류가 흐르지 못하도록 할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 슈퍼커패시터(100)는 전원(10)과 부하단(20) 사이에 병렬로 설치된다. 슈퍼커패시터는 충전용량이 큰 커패시터로, 울트라 커패시터(Ultra Capacitor) 또는 초고용량 커패시터라고 한다.
슈퍼커패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용하기 때문에, 급속 충방전이 가능하고, 높은 충방전 효율을 가지며, 반영구적인 사이클 수명의 특성을 가지고 있다. 본 발명의 일실시예에서 슈퍼커패시터(100)는 1F~수십F의 충전용량을 가지고 있을 수 있으며, 설계사항에 따라 적정 충전용량을 가지도록 설계될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 슈퍼커패시터(100)는 일종의 배터리 역할을 한다. 배터리 대신 슈퍼커패시터를 사용하는 이유는 본 발명의 일실시예가 전기자동차에 사용되기 때문에, 공간의 제약이 있기 때문이다. 배터리관리시스템은 비교적 고전압을 사용하게 되는데, 고전압배터리의 경우 상대적으로 부피가 클 수밖에 없고, 따라서 고전압배터리와 동일한 출력을 내면서도 소형인 슈퍼커패시터를 사용하여 릴레이 컨트롤 등에 필요한 전류를 순간적으로 충분히 끌어 사용하는 것을 용이하도록 할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 충전회로(200)와 제2스위치(220)는 전원(10)과 슈퍼커패시터(100) 사이에 연결되되 서로 병렬로 연결된다.
충전회로(200)는 상황에 따라 슈퍼커패시터(100)를 충전하거나 충전하지 않으며, 서로 직렬로 연결된 제1스위치(210)와 전류제한저항(211)을 포함한다.
도 1에 도시된 제1스위치(210)는 별도의 제어를 통해 열리거나(Turn-Off) 닫혀(Turn-On) 충전회로(200)와 슈퍼커패시터(100)의 연결여부를 결정한다.
제1스위치(210)와 직렬로 연결된 전류제한저항(211)은 충전회로(200)와 슈퍼커패시터(100)가 서로 연결되었을 때, 충전되는 전류의 크기를 제한하기 위해 설치되며 전류제한저항(211)의 크기는 장치의 설계사항에 따라 변경될 수 있다.
제2스위치(220)는 충전회로(200)와 병렬로 연결되고, 제3스위치(230)는 슈퍼커패시터(100)와 부하단(20) 사이에 연결된다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에서 제1 내지 제3스위치(210, 220, 230)는 FET으로 구현될 수 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않고 다양한 종류의 스위치가 사용될 수 있다.
제어부(300)는 일종의 마이크로프로세서로 구현될 수 있으며, 상황에 따라 제1 내지 제3스위치(210, 220, 230)의 동작을 제어한다. 제어부(300)가 제1 내지 제3스위치(210, 220, 230)의 동작을 제어하는 기준은 슈퍼커패시터(100)의 출력전압이 될 수 있으며, 슈퍼커패시터(100)의 출력전압을 모니터링하기 위해 슈퍼커패시터(100)의 출력단(110)에 별도의 전선이 연결될 수 있다.
제어부(300)는 제1스위치(210)를 PWM(Pulse Width Modulation)제어로 제어할 수 있다. PWM제어는 제1스위치(210)에 인가되는 펄스의 폭을 조정하여 제1스위치(210)에 가해지는 전력의 크기를 조절하는 것으로, 제어부(300)에 내장된 타이머카운터를 이용할 수 있다. 제어부(300)에서 제1스위치(210)를 PWM제어를 통해 제어하는 이유는, 슈퍼커패시터(100)의 충전을 제어하기 위함이다. 즉, 제어부(300)는 제1스위치(210)의 PWM제어와 전류제한저항(211)을 통해 슈퍼커패시터(100)의 출력전압이 전원(10)의 출력전압과 동일하거나 일정정도 유사하도록 충전하면서 동시에 슈퍼커패시터(100)의 안전성을 확보할 수 있다.
이하 제어부(300)가 제1 내지 제3스위치(210, 220, 230)를 제어하는 케이스에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 제어부(300)는 슈퍼커패시터(100)의 출력단(110)의 전압, 즉 슈퍼커패시터(100)의 출력전압을 측정한다. 제어부(300)는 측정된 슈퍼커패시터(100)의 출력단(110)의 출력전압이 기준치 이하일 경우 제1스위치(210)는 닫고 제2스위치(220)와 제3스위치(230)를 열어 슈퍼커패시터(100)를 충전시킨다. 제어부(300)가 스위치들을 제어하는 기준이 되는 기준치는 전원(10)의 기준 출력전압과 동일하거나 그 이하일 수 있으며, 몇몇 예로써 전원(10)의 기준 출력전압의 100% 또는 90%일수 있다.
도 2는 제어부(300)가 제1스위치(210)를 닫고, 제2스위치(220)와 제3스위치(230)를 열었을 때의 등가회로를 도시한 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 전원(10)에서 공급되는 출력전압A는 전압B와 전압C로 분기되어 각각 부하단(20)에 전원을 공급하고 슈퍼커패시터(100)를 충전시킨다.
도 2와 같이 슈퍼커패시터(100)를 충전하여, 슈퍼커패시터(100)의 출력단(100)의 출력전압이 기준치 이상이 되었을 경우,(슈퍼커패시터(100)가 충분히 충전되었을 경우) 제어부(300)는 제1스위치(210)를 열고, 제2스위치(220)와 제3스위치(230)를 닫아 슈퍼커패시터(100)를 부하단(20)에 연결시켜, 슈퍼커패시터(100)의 전원을 부하단(20)에 공급한다.
도 3은 제어부(300)가 상기한 바와 같이 제1스위치(210)를 열고, 제2스위치(220)와 제3스위치(230)를 닫았을 경우의 등가회로를 도시한 것으로, 슈퍼커패시터(100)의 출력전압은 전원(10)의 출력전압과 유사하거나 동일하기 때문에, 전원(10)에서 공급되는 전원이 순간적으로 차단되거나 노이즈에 의해서 흔들릴 경우 부족분만큼의 전원출력을 슈퍼커패시터(100)에서 보상할 수 있다. 즉, 슈퍼커패시터(100)가 기준치 이상으로 충전되었을 경우 슈퍼커패시터(100)는 배터리관리시스템의 임시 배터리의 역할을 할 수 있다. 이러한 슈퍼커패시터(100)는 주행 중인 전기자동차의 배터리관리시스템의 전원이 순간적으로 차단되었을 때, 슈퍼커패시터(100)에 충전된 전력을 배터리관리시스템에 공급함으로써 전기자동차가 일정시간만큼(슈퍼커패시터에 충전된 전력이 소진될 동안) 정상적으로 동작하도록 할 수 있고, 제어부(300) 또는 별도의 전기자동차의 제어장치는 상기한 바와 같은 이상상황이 발생했을 경우 운전자에게 경고를 보내 전기자동차의 주행을 정지시키거나 문제를 해결할 수 있는 시간을 확보하도록 할 수 있다.
도 3과 같은 상황에서 슈퍼커패시터(100)는 전원(10)의 출력이 순간적으로 차단되거나 노이즈에 의해서 흔들리는 것 외에도, 운전자가 전기자동차의 전원을 턴 오프(운전자가 전기자동차의 키를 빼는 Key-off와 동일)시키는 경우에도 유용하게 사용될 수 있다. 운전자가 전기자동차의 전원을 턴 오프시킬 경우 배터리관리시스템의 전원(10)의 출력전압은 0으로 감소한다. 일반적으로 전원(10)의 출력전압은 순간적으로 0으로 감소하지 않고, 일정 시간동안 0으로 서서히 감소하도록 설계됨으로써 배터리관리시스템이 배터리 셀의 진단, 배터리 안전성 확인, 전기자동차 전원의 턴 오프 직전의 배터리 및 각종 계기의 상태 저장, 배터리 셀의 밸런싱이 필요한 경우 배터리 셀의 밸런싱을 하는 등의 동작이 수행된 후, 배터리관리시스템이 종료될 수 있도록 한다.
상기한 바와 같은 동작을 위해 전원(10)의 출력전압이 일정 시간동안 0으로 감소하게 하는 것은 전기자동차의 제작 초기에는 정상적으로 작동할 수 있으나, 전기자동차의 주행환경, 노후화 정도 또는 예상치 못한 변수에 의해서 전원(10)의 출력전압이 순간적으로 0으로 감소하여 배터리관리시스템에서 상기한 동작을 할 수 없는 경우가 있을 수 있다.
본 발명의 일실시예는 이러한 상황을 대비하기 위해 슈퍼커패시터(100)의 출력전압이 기준치 이상일 경우 도 3과 같이 부하단(20)에 연결시키고, 제어부(300)는 사용자가 전기자동차의 전원을 턴 오프시킬 경우, 전원을 턴 오프 시킨다는 신호를 수신하여 제2스위치(220)를 열어 슈퍼커패시터(100)가 전원(10)과 연결되지 않도록 하고, 슈퍼커패시터(100)에서 부하단(20)에 전원을 공급함으로써 전기자동차가 턴 오프된 후, 배터리관리시스템이 수행해야할 동작이 정상적으로 동작하도록 할 수 있다.
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 상황과 사용자가 전기자동차의 전원을 턴 오프시킬 때의 순서도를 도시한 것이다.
도 5는 도 3의 상황에서 전원(10)의 출력전압A가 순간적으로 0으로 되었을 경우 시간이 경과함에 따라 변화하는 슈퍼커패시터(100)의 출력단(110)의 출력전압을 측정한 것이다. 도 5A 및 도 5B는 초기 슈퍼커패시터(100)의 출력전압은 13V, 용량은 5F로 공통 조건을 가지며, 도 5A는 배터리관리시스템이 고전압 배터리 구동을 위한 릴레이를 동작시킨다고 가정하여 부하단(20)의 정전류를 1A로 가정하고, 도 5B는 배터리관리시스템이 고전압 배터리 구동을 위한 릴레이를 동작하지 않는다고 가정하여 부하단(20)의 정전류를 150mA로 가정했다. 상기한 조건에서 도 5A 및 도 5B에 각각 도시된 바와 같이 슈퍼커패시터(100)는 20초 및 2분 이상 9V이상에서 동작함을 알 수 있다. 즉, 충분한 전기자동차의 전원이 차단되더라도(이상동작 또는 사용자가 전원을 턴 오프하는 경우) 사용자가 이를 대응할 시간을 충분히 확보할 수 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
10 : 전원
20 : 부하단
30 : 다이오드
100 : 슈퍼커패시터
110 : 슈퍼커패시터의 출력단
200 : 충전회로
210 : 제1스위치
211 : 전류제한저항
220 : 제2스위치
230 : 제3스위치
300 : 제어부

Claims (7)

  1. 배터리관리시스템에 사용되는 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치에 있어서,
    전원과 부하단 사이에 병렬로 연결된 슈퍼커패시터;
    상기 전원과 슈퍼커패시터 사이에 연결되고, 제1스위치를 포함하는 충전회로;
    상기 전원과 슈퍼커패시터 사이에 상기 충전회로와 병렬로 연결되는 제2스위치;
    상기 슈퍼커패시터와 부하단 사이에 연결되는 제3스위치; 및
    상기 슈퍼커패시터의 출력전압에 따라 상기 제1 내지 제3스위치의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 슈퍼커패시터의 전압이 기준치 이상일 경우, 상기 제1스위치를 열고, 상기 제2스위치와 제3스위치를 닫아, 상기 전원에서 상기 부하단으로 공급되는 전원의 부족분을 상기 슈퍼커패시터가 상기 부하단으로 공급하도록 하고,
    이후 상기 전원이 턴 오프될 경우에는, 상기 제2스위치를 열어, 상기 슈퍼커패시터에 의해서만 상기 부하단으로 전원 공급이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 슈퍼커패시터의 출력전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 충전회로는
    상기 제1스위치와 직렬로 연결되는 전류제한저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 슈퍼커패시터의 전압이 기준치 이하일 경우 상기 제1스위치를 닫고, 상기 제2스위치와 제3스위치를 열어 상기 슈퍼커패시터를 충전시키는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 제1스위치를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치.
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