KR102376635B1 - 전기차 재사용 배터리를 활용한 무정전 전원 장치 - Google Patents

전기차 재사용 배터리를 활용한 무정전 전원 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소형 네트워크 서버, 개인용 PC, POS system 등 비교적 저용량 전산장치에서 백업용으로 적용될 수 있는 전기차 재사용 배터리를 활용한 무정전 전원 장치(UPS ; Uninterruptible Power Supply)에 관한 것으로 상세하게는, 외부로부터 공급되는 전원을 통하여 충전되고, 충전된 전원을 방전시켜 부하 설비에 선택적으로 공급하는 리튬이온 배터리;를 포함하되, 상기 배터리는, 전기차로부터 교체 및 회수되는 재사용 배터리인 것이 특징이다.

Description

전기차 재사용 배터리를 활용한 무정전 전원 장치{Uninterruptible power supply using electric vehicle reusable battery}
본 발명은 소형 네트워크 서버, 개인용 PC, POS system 등 비교적 저용량 전산장치에서 백업용으로 적용될 수 있는 전기차 재사용 배터리를 활용한 무정전 전원 장치(UPS ; Uninterruptible Power Supply)에 관한 것이다.
통신, 방송, 병원 및 설비 등의 전원은 고도의 안정성과 신뢰성을 요구하고, 단시간의 정전도 허용하지 않는 경우가 대부분이다. 이것에 부응하기 위해서, 무정전 전원 장치(UPS ; Uninterruptible Power Supply)를 사용하여 전력을 백업하게 된다.
다시 말하자면, 무정전 전원 장치는 정전이나 순간전인 전력의 불안정시 부하에 안정적인 전력을 공급하는 장치로서, 현재 무정전 전원 장치의 에너지 저장소자로 사용되는 대표적인 예로는 이차 납축 전지를 들 수 있다.
이러한 이차 납축 전지는 에너지 밀도가 20 ~ 120 Wh/kg로 높다는 장점이 있지만 출력 밀도가 50 ~ 250 W/kg으로 낮으며, 사이클 수명 특성이 500회로 낮다는 단점이 있다.
이로 인해 이차 납축 전지를 이용하는 무정전 전원 장치는 높은 에너지 밀도로 인해 장시간의 전원 공급에는 탁월한 특성을 지니지만 낮은 수명 특성으로 인해 정기적인 유지 및 보수 비용이 발생하는 문제점이 있다.
이에 따라 최근에는 무정전 전원 장치의 에너지 저장소자로 리튬 이온 배터리를 적용하고 있는 추세이다.
그러나 종래 무정전 전원 장치에 사용되는 리튬 이온 배터리는 이차 납축 전지와 대비하여 다양한 장점을 가지고 있는 반면에 가격이 상대적으로 비싸 리튬 이온 배터리를 적용함에 있어 제조 단가가 상승하게 되는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0113183호(2014.09.24.)
따라서 본 발명의 목적은 소형 네트워크 서버, 개인용 PC, POS system 등 비교적 저용량 전산장치에서 백업용으로 적용될 수 있으며 특히 배터리를 구성함에 있어 전기차로부터 회수 및 교체되는 배터리팩을 활용하여 제작 단가를 절감할 수 있는 전기차 재사용 배터리를 활용한 무정전 전원 장치를 제공하는 것이다.
상술한 문제점들을 해결하기 위한 수단으로서 본 발명의 전기차 재사용 배터리를 활용한 무정전 전원 장치(이하 '본 발명의 무정전 전원 장치'라 칭함)은, 외부로부터 공급되는 전원을 통하여 충전되고, 충전된 전원을 방전시켜 부하 설비에 선택적으로 공급하는 리튬이온 배터리;를 포함하되, 상기 배터리는, 전기차로부터 교체 및 회수되는 재사용 배터리인 것이 특징이다.
하나의 예로써, 상기 배터리에 연결되어 배터리의 상태 정보를 수집하기 위한 배터리컨트롤유닛; 및 상기 배터리컨트롤유닛에서 수집된 상태 정보를 전달받고 이를 모니터링하는 모니터링유닛;을 더 포함하는 것이 특징이다.
하나의 예로써, 상기 배터리컨트롤유닛은, 상기 배터리의 충전 및 평시 전압, 충방전시 입력 및 출력 전류, 내부 온도, 내부 저항을 계측하기 위한 복수의 센서모듈과, 상기 복수의 센서모듈에서 계측된 데이터를 취합하고 상기 모니터링유닛의 요청에 응답하여 취합된 데이터를 송신하는 송수신모듈을 포함하는 것이 특징이다.
하나의 예로써, 상기 배터리컨트롤유닛은, 상기 배터리의 용량과 사용 년한에 기반한 각 계측 데이터별 임계치를 설정하며, 상기 복수의 센서모듈에서 계측된 데이터가 설정된 임계치를 초과하는 경우 알림신호를 생성 및 출력하고 이를 상기 모니터링유닛으로 송신하도록 명령하는 제어모듈을 더 포함하는 것이 특징이다.
하나의 예로써, 상기 제어모듈은, 상기 복수의 센서모듈에서 계측된 데이터를 분석하여 배터리의 과충전 또는 과방전을 감지하며, 감지 결과에 따라 배터리의 충전 또는 방전 작동을 제어하는 것이 특징이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 무정전 전원 장치는, 소형 네트워크 서버, 개인용 PC, POS system 등 비교적 저용량 전산장치에서 백업용으로 적용될 수 있으며 특히 배터리를 구성함에 있어 전기차로부터 회수 및 교체되는 배터리팩을 활용하여 제작 단가의 절감을 통한 경제적인 이점이 있다.
또한 배터리의 상태 정보를 수집하고 이를 모니터링함으로써 재사용이 판정된 전기차용 배터리의 상태를 지속적으로 감시하면서 배터리의 경년 변화 및 부하량에 따른 성능 변화를 용이하게 파악하여 효율적인 관리가 이루어질 수 있도록 하는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무정전 전원 장치의 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 재사용 배터리를 개략적으로 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실 시 예에 따른 배터리컨트롤유닛의 구성을 나타내는 블록도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리컨트롤유닛의 IGBT 소자를 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무정전 전원 장치의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 재사용 배터리를 개략적으로 나타내는 도면이다. 그리고 도 3은 본 발명의 일 실 시 예에 따른 배터리컨트롤유닛의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리컨트롤유닛의 IGBT 소자를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 무정전 전원 장치는 기본적으로 배터리(10), 컨버터(20)와 인버터(30) 및 Static Switch(40)를 포함하여 구성된다.
상기 배터리(10)는 외부로부터 공급되는 DC 전원을 저장하며, AC 입력전원의 정전 등 비상 상황 시 저장된 DC 전원을 상기 인버터(30)로 공급한다.
상기 컨버터(20)는 상시 공급되는 AC 입력전원을 DC 전원으로 변환하고, 상기 배터리(10) 또는 인버터(30)에 변환한 DC 전원을 공급한다.
상기 인버터(30)는 상기 컨버터(20) 또는 배터리(10)로부터 DC 전원을 공급받아 정전압 및 정주파수의 AC 전원으로 변환하고, 변환한 AC 전원을 부하 설비 즉 UPS 시스템의 대상인 소형 네트워크 서버, 개인용 PC, POS system 등의 장치로 공급한다.
상기 Static Switch(40)는 평상 시 기구축된 바이패스 라인을 통해 AC 입력전원이 부하 설비로 공급되도록 하며, 정전과 같은 비상 상황이 감지될 경우 부하 설비의 오작동 및 가동 정지가 방지되도록 대체 전원으로 부하를 절체해 주는 기능을 수행한다.
한편 상기 배터리(10)는 고가의 리튬이온 배터리의 사용으로 인한 경제적인 부담이 저감될 수 있도록 도 2에 도시된 바와 같이 전기차(1)로부터 교체 및 회수되는 재사용 리튬이온 배터리를 사용할 수 있다.
구체적으로 상기 배터리(10)는 외부로부터 공급되는 전원을 통하여 충전될 수 있으며, 충전된 전원을 방전시켜 부하 설비에 전원을 공급하되 전기차(1)로부터 교체 및 회수되는 재사용 리튬이온가 사용될 수 있다.
이때 상기 전기차(1)로부터 교체 및 회수되는 배터리는 초기 출고 시 배터리 성능에 비해 약 20 ~ 30% 감소 성능을 갖는 검증된 재사용 배터리일 수 있으며, 전기차용 배터리팩을 구성하는 하나의 배터리모듈을 재사용 배터리로 활용하는 것이 바람직하다.
한편 본 발명의 일 실시 예에 따른 무정전 전원 장치는 상기 배터리(10)의 상태 정보를 수집하기 위한 배터리컨트롤유닛(60)과, 상기 배터리컨트롤유닛(70)으로부터 수집된 상태 정보를 모니터링하기 위한 모니터링유닛(50)을 더 포함할 수 있다.
일반적으로 전기차 배터리 시스템에서는 팩(Pack) 단위로 BMS(Battery Management System)이 구비되어 있기 때문에 배터리팩 자체를 그대로 재사용할 경우에 기존 구비된 BMS와 연계할 수 있는 프로토콜을 활용할 수 있으나, 앞서 언급한 바와 같이 저용량 부하 설비의 경우 팩 단위가 아닌 배터리 모듈 단위로 사용하기 위해서는 전기차 재사용 배터리(10)에서 기존 BMS 역할을 수행할 수 있는 별도의 데이터 수집수단이 요구된다.
이에 본 발명에서는 재사용 배터리(10)의 상태 정보를 수집하고 이를 모니터링될 수 있도록 배터리컨트롤유닛(60)과 모니터링유닛(50)를 더 포함함으로써, 재사용이 판정된 전기차용 배터리의 상태를 지속적으로 감시하면서 배터리의 경년 변화 및 부하량에 따른 성능 변화를 파악할 수 있도록 하는 것이다.
먼저 상기 배터리컨트롤유닛(60)은 상기 배터리(10)에 연결되어 배터리(10)의 상태 정보를 수집할 수 있다.
일 예로, 상기 배터리컨트롤유닛(60)은 도 3에 도시된 바와 같이 복수의 센서모듈(610)과, 송수신모듈(620)을 포함할 수 있다.
상기 복수의 센서모듈(610)은 상기 배터리(10)의 충전 및 평시 전압, 충방전시 입력 및 출력 전류, 내부 온도, 내부 저항을 각각 계측하고, 계측 데이터를 출력한다.
그리고 상기 송수신모듈(620)은 상기 복수의 센서모듈(610)에서 계측 및 출력된 각각의 계측 데이터를 취합하고 상기 모니터링유닛(50)의 요청에 응답하여 취합된 데이터를 송신하는 송수신모듈(620)을 포함할 수 있다.
이에 더하여 상기 배터리컨트롤유닛(60)은 상기 배터리(10)의 용량과 사용 년한에 기반한 각 계측 데이터별 임계치를 설정하며, 상기 복수의 센서모듈(610)에서 계측된 각각의 계측 데이터가 설정된 임계치를 초과하는 경우 알림신호를 생성 및 출력하고 이를 상기 모니터링유닛(50)으로 송신하도록 명령하는 제어모듈(630)을 더 포함할 수 있다.
이때 상기 제어모듈(630)은 상기 복수의 센서모듈(610)에서 계측된 각 계측 데이터의 초과 정도를 분석하여 상기 알림신호를 단계적으로 출력함으로써 관리자로 하여금 재사용 배터리(1)의 수리 또는 교체에 대한 적정시기를 용이하게 판단할 수 있도록 한다.
그리고 상기 제어모듈(630)은 상기 복수의 센서모듈(10)에서 계측된 데이터를 분석하여 배터리(10)의 과충전 또는 과방전을 감지할 수 있으며, 감지 결과에 따라 배터리(10)의 충전 또는 방전 작동을 제어할 수 있다.
예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제어모듈(630)은 최근에 활용성이 높은 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자(600)를 포함하고 감지 결과에 연동하여 작동할 수 있는 과충전 방지 및 과방전 방지 회로를 설계할 수 있다.
또한 상기 제어모듈(630)은 도면에 도시된 바 없으나, 2차 셀의 직/병렬 시스템의 셀 간 전압 불균형 해결을 위한 벨런싱 회로를 더 포함할 수 있으며,
이상에서 설명한 배터리컨트롤유닛(60)은 도 3에서 각각의 모듈로서 도시되고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 상기 배터리(10)에 전기적으로 접속될 수 있는 One board 형태로 제작되는 것이 바람직하다.
상기 모니터링유닛(50)은 설정된 시간마다 상기 배터리컨트롤유닛(60)에서 수집한 상태 정보를 요청하기 위한 요청신호를 생성하고, 이를 상기 배터리컨트롤유닛(60)에 송신하게 되며, 이에 응답하여 송신하는 상기 배터리컨트롤유닛(60)에서 수집된 상태 정보를 유, 무선 통신망을 통해 전달받아 이를 모니터링할 수 있다.
예를 들면, 상기 모니터링유닛(50)은 RS232 포트에 의한 유선 연결로 상기 배터리컨트롤유닛(60)와 상호 데이터 통신을 수행할 수 있다.
그리고 상기 모니터링유닛(50)은 상기 배터리컨트롤유닛(60)의 센서모듈(610)을 통해 수집되는 계측 데이터 즉 배터리(1)의 충방전 상태, 전압, 전류, 온도 등을 표시할 수 있을 뿐 아니라, 상기 제어모듈(630)로부터 설정된 각 계측 데이터별 임계치의 설정값을 함께 표시할 수 있다.
또한 상기 모니터링유닛(50)은 상기 배터리컨트롤유닛(60)에서 출력되어 전송되는 알림신호를 수신하여 배터리(1)의 경보/위험 상태를 가시적으로 표시하거나 이를 음향 등으로 출력할 수 있따.
이와 같은 모니터링유닛(50)은 관리자가 온라인상으로 접속 가능한 퍼스널컴퓨터(PC), 스마트폰, 태블릿, 셀룰러폰, PDA, 노트북 중 어느 하나일 수 있으며, 사전에 상기 배터리컨트롤유닛(60)으로부터 제공되는 데이터와 처리 결과를 표시할 수 있는 응용소프트웨어와 UI(user interface)가 탑재된 것일 수 있다.
그리고 상기 모니터링유닛(50)은 상기 배터리컨트롤유닛(60)로부터 전달되는 상태 정보는 물론 알림신호 등의 처리 결과 등을 저장하고 이를 누적하여 통계화함으로써 관리자가 언제 어디서든 배터리(1)의 실시간 상태나 과거 기록 등을 조회 및 확인할 수 있도록 한다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
10 : 배터리 20 : 컨버터
30 : 인버터 40 : Static Switch
50 : 모니터링유닛 60 : 배터리컨트롤유닛
610 : 센서모듈 620 : 송수신모듈
630 : 제어모듈

Claims (5)

  1. 외부로부터 공급되는 전원을 통하여 충전되고, 충전된 전원을 방전시켜 부하 설비에 선택적으로 공급하는 리튬이온 배터리;를 포함하되,
    상기 배터리는,
    전기차로부터 교체 및 회수되는 재사용 배터리인 것을 특징으로 하며,
    상기 배터리에 연결되어 배터리의 상태 정보를 수집하기 위한 배터리컨트롤유닛; 및
    상기 배터리컨트롤유닛에서 수집된 상태 정보를 전달받고 이를 모니터링하는 모니터링유닛;을 더 포함하고,
    상기 배터리컨트롤유닛은,
    상기 배터리의 충전 및 평시 전압, 충방전시 입력 및 출력 전류, 내부 온도, 내부 저항을 계측하기 위한 복수의 센서모듈과, 상기 복수의 센서모듈에서 계측된 데이터를 취합하고 상기 모니터링유닛의 요청에 응답하여 취합된 데이터를 송신하는 송수신모듈을 포함하며,
    상기 배터리컨트롤유닛은,
    상기 배터리의 용량과 사용 년한에 기반한 각 계측 데이터별 임계치를 설정하며, 상기 복수의 센서모듈에서 계측된 데이터가 설정된 임계치를 초과하는 경우 알림신호를 생성 및 출력하고 이를 상기 모니터링유닛으로 송신하도록 명령하는 제어모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차 재사용 배터리를 활용한 무정전 전원 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제어모듈은,
    상기 복수의 센서모듈에서 계측된 데이터를 분석하여 배터리의 과충전 또는 과방전을 감지하며, 감지 결과에 따라 배터리의 충전 또는 방전 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기차 재사용 배터리를 활용한 무정전 전원 장치.
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