KR102392758B1 - 리튬 이차전지 시스템 및 이의 자가 충방전 방법 - Google Patents

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하상현
이재인
임채남
조장현
윤현기
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 자가 충방전을 수행하여 저온 환경에서의 작동 시간 및 출력을 개선한 리튬 이차전지 시스템 및 이의 자가 충방전 방법을 위하여, 직렬로 연결되는 복수의 리튬 이차전지 셀을 포함하는 제1 모듈 및 제2 모듈과, 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈 사이에 개재 되어 상기 제1 모듈 및 상기 제2 모듈을 직렬로 연결하는 탭을 포함하는, 모듈 전지부, 충전전류를 연속적으로 공급하기 위한 인덕터를 포함하는, 출력전류 제어부, 상기 모듈 전지부의 방전전력을 저장하는 캐패시터 및 상기 캐패시터와 상기 출력전류 제어부 사이에 구성되는 브릿지 컨버터(Bridge Converter) 회로를 포함하는, 출력전압 제어부, 상기 복수의 리튬 이차전지 셀의 전압, 전류, 잔존 용량 및 온도를 감지하는, 센싱부, 및 상기 센싱부가 감지하는 정보를 기초로, 충방전 동작을 결정하는, 제어부;를 포함하는, 리튬 이차전지 시스템을 제공한다.

Description

리튬 이차전지 시스템 및 이의 자가 충방전 방법{LITHIUM SECONDARY BATTERY SYSTEM AND SELF-CHARGING AND DISCHARGING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 리튬 이차전지 시스템 및 이의 자가 충방전 방법에 관한 것으로, 복수의 리튬 이차전지 셀 상호간에 충전과 방전을 교번적으로 수행함으로써, 리튬 이차전지의 내부 발열을 이용하여 저온환경에서의 작동 시간 및 출력을 개선한 리튬 이차전지 시스템 및 이의 자가 충방전 방법에 관한 것이다.
일반적으로 리튬 이차전지(Lithium secondary battery)는 높은 에너지 밀도를 가지며, 충전하여 재사용이 가능하여, 휴대폰, 노트북과 같은 휴대용 기기의 충전 장치로부터 전기 및 하이브리드(HEV) 자동차, 산업용 및 가정용 비상 전원 스테이션 등의 다양한 분야에 적용되고 있다. 리튬 이차전지는 이온 상태로 존재하는 리튬(Li+)이 충전 시 양극(Cathode)에서 음극(Anode)로 이동하며, 방전 시 음극에서 양극으로 이동한다. 이 때, 리튬 이차전지의 전해질에 주로 사용되는 유기 용매인 EC(Ethylene Carbonate)의 융점은 39 ℃ 이고, DMC(Dimethyl Carbonate)의 융점은 0.5 ℃로, 저온 환경에서 낮은 이온 전도도와 높은 내부 저항을 가진다. 따라서, 리튬 이차전지는 내부 온도가 저하되면 충방전 성능 및 발현 용량이 상온에 비하여 현격하게 떨어지게 된다. 특히, 0 ℃이하의 저온 환경에서 리튬 이차전지를 높은 전류로 계속 충전하는 경우, 리튬 이차전지의 음극에서 리튬의 석출이 발생하게 되어, 전지의 수명이 단축되고, 전지의 용량이 감소될 뿐 아니라 안전상의 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 대부분의 저온 환경에서는 리튬 이차전지의 낮은 용량, 낮은 출력 및 재충전 불가능과 같은 성능상의 단점과 안전상의 문제점으로 인하여, 리튬 이차전지의 운용에 많은 제약이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 한국 공개특허공보 공개번호 제10-2015-0059247(2015.0601.)호는 극저온상태에서 배터리의 승온시간을 단축할 수 있으면서도 승온 시간 단축을 위한 보다 효율적인 히팅 제어가 가능한 배터리 승온 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고 있다.
1. 한국 공개특허공보 공개번호 제10-2015-0059247(2015.0601.)호
그러나 이러한 종래의 리튬 이차전지 시스템 및 이의 자가 충방전 방법은, 별도의 에너지 공급원을 필요로 하여, 배터리 팩의 크기가 증가되고, 고온 환경에서의 작동 안전성을 보장할 수 없다는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 복수의 리튬 이차전지 셀 상호간에 충전과 방전을 교번적으로 수행하여 저온 환경에서의 작동 시간 및 출력을 개선한 리튬 이차전지 시스템 및 이의 자가 충방전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예는, 직렬로 연결되는 복수의 리튬 이차전지 셀을 포함하는 제1 모듈 및 제2 모듈과, 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈 사이에 개재 되어 상기 제1 모듈 및 상기 제2 모듈을 직렬로 연결하는 탭을 포함하는, 모듈 전지부, 상기 충전전류를 연속적으로 공급하기 위한 인덕터를 포함하는, 출력전류 제어부, 상기 모듈 전지부의 방전전력을 저장하는 캐패시터 및 상기 캐패시터와 상기 출력전류 제어부 사이에 구성되는 절연형 컨버터(Isolated Converter) 회로를 포함하는, 출력전압 제어부, 상기 복수의 리튬 이차전지 셀의 전압, 전류, 잔존 용량 및 온도를 감지하는, 센싱부, 및 상기 센싱부가 감지하는 정보를 기초로, 충방전 동작을 결정하는, 제어부;를 포함하는, 리튬 이차전지 시스템을 제공한다.
일 실시예로, 상기 제1 모듈은 제1 양극단자와 제1 음극단자를 구비하고, 상기 제2 모듈은 제2 양극단자와 제2 음극단자를 구비하고, 상기 탭은 상기 제1 음극단자와 상기 제2 양극단자와 연결되고, 상기 캐패시터는 상기 제1 양극단자와 상기 제2 음극단자와 연결될 수 있다.
일 실시예로, 상기 출력전류 제어부는 상기 제1 모듈 및 상기 제2 모듈 중 어느 하나를 선택하는 모듈 선택부를 포함하고, 상기 모듈 선택부는, 온(ON) 상태에서 상기 제1 모듈에 충전전류를 인가하는 제1 스위치, 온 상태에서 상기 제2 모듈에 충전전류를 인가하는 제2 스위치, 상기 제1 스위치가 온 되었을 때, 상기 제1 모듈이 충전되도록 전류를 정류하는 제1 다이오드 및 상기 제2 스위치가 온 되었을 때, 상기 제2 모듈이 충전되도록 전류를 정류하는 제2 다이오드를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 모듈 및 상기 제2 모듈이 각각 포함하는 복수의 리튬 이차전지의 수는 동일할 수 있다.
일 실시예로, 상기 출력전류 제어부에서 상기 모듈 전지부로 공급되는 전류의 크기가 IO일 때, 상기 모듈 전지부로부터 상기 캐패시터로 흐르는 방전전류의 크기는 IO/2일 수 있다.
일 실시예로, 상기 출력전압 제어부는 절연형 컨버터 회로를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 출력전압 제어부는 하프 브릿지 컨버터(Half-Bridge Converter) 회로 또는 풀 브릿지 컨버터(Full-Bridge Converter) 회로를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 출력전류 제어부는 벅 컨버터(Buck Converter) 회로를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 캐패시터의 전압은 상기 복수의 리튬 이차전지 셀의 잔존용량에 비례하여 제어될 수 있다.
일 실시예로, 상기 제어부는 상기 캐패시터의 전압이 일정하게 유지되도록 상기 출력전압 제어부의 시비율을 제어할 수 있다.
일 실시예로, 상기 제어부는 상기 센싱부의 측정 결과를 기초로 충전전류 및 방전전류의 주파수를 제어할 수 있다.
일 실시예로, 상기 충전전류 및 방전전류의 주파수는, 복수의 상기 리튬 이차전지 셀들의 온도가 -20 ℃ 이하일 때, 500Hz 내지 2.7kHz 범위의 주파수이고, 복수의 상기 리튬 이차전지 셀들의 온도가 -20 ℃ 이상일 때, 10 Hz 내지 500 Hz 범위의 주파수일 수 있다.
일 실시예로, 상기 제어부는 상기 복수의 리튬 이차전지 셀의 전압을 2.7 V 내지 4.2 V로 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 직렬로 연결되는 복수의 리튬 이차전지 셀을 포함하는 제1 모듈 및 제2 모듈과, 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈 사이에 개재 되어 상기 제1 모듈 및 상기 제2 모듈을 직렬로 연결하는 탭을 포함하는 모듈 전지부를 구비한, 리튬 이차전지 시스템의 자가 충방전 방법에 있어서, 상기 복수의 리튬 이차전지 셀의 전압, 전류, 잔존 용량 및 온도를 감지하는 제1 단계, 상기 전압, 전류, 잔존 용량 및 온도 정보를 기초로, 충방전 동작을 결정하는 제2 단계, 및 상기 모듈 전지부의 방전전력을 캐패시터에 저장하고, 저장된 방전전력을 이용하여 생성한 충전전류를 상기 제1 모듈 및 상기 제2 모듈 중 어느 하나에 교번적으로 인가하는 제3 단계를 포함하는, 리튬 이차전지 시스템의 자가 충방전 방법을 제공한다.
일 실시예로, 상기 복수의 리튬 이차전지 셀이 목표 온도에 도달 여부에 따라, 상기 제1 내지 제3 단계를 반복할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 리튬 이차전지 셀들의 내부 저항을 이용하여 승온이 가능한 리튬 이차전지 시스템 및 이의 자가 충방전 방법을 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 시스템은 승온을 위한 별도의 외부 에너지원이나 에너지 충전 장치를 요구하지 않으며, 적은 전력 소비로 효율적으로 온도를 상승시킬 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 모듈 전지부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 리튬 이차전지 시스템의 모듈 전지부 및 자가 충방전부의 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 자가 충방전부를 구성하는 출력전류 제어부 및 출력전압 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 리튬 이차전지 시스템의 자가 충방전 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 충방전 동작 시, 제1 모듈 및 제2 모듈에 인가되는 전류와 전압을 도시하는 도면이다.
도 7은 상온 또는 저온 환경에서 낮은 주파수로 방전 및 충전을 수행하는 리튬 이차전지 셀의 전압 변화를 도시하는 그래프이다.
도 8은 상온 또는 저온 환경에서 높은 주파수로 방전 및 충전을 수행하는 리튬 이차전지 셀의 전압 변화를 도시하는 그래프이다.
도 9은 리튬 이차전지 셀의 온도에 따른 임피던스 특성을 도시하는 그래프이다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 시스템의 자가 충방전 방법을 도시하는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 충방전을 수행할 때, 리튬 이차전지 시스템의 온도 변화를 도시하는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우, 또는/및 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다. 예컨대, 본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소 등이 직접 전기적으로 연결된 경우, 및/또는 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우를 나타낸다.
본 명세서에서 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 단계는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 단계가 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 리튬 이차전지 시스템(100)은 모듈 전지부(110), 자가 충방전부(120), 센싱부(130) 및 제어부(140)를 포함한다.
모듈 전지부(110)는 직렬로 연결되는 복수의 리튬 이차전지 셀을 포함하는 제1 모듈(111) 및 제2 모듈(113)과, 제1 모듈(111)과 제2 모듈(113) 사이에 개재되어, 제1 모듈(111) 및 제2 모듈(113)을 직렬로 연결하는 탭(115)을 포함한다.
복수의 리튬 이차전지 셀은 재충전이 가능한 이차전지 셀로, 외부 회로에 에너지를 공급하거나, 외부 회로로부터 에너지를 공급받아 저장할 수 있다. 이 때, 리튬 이차전지 셀은 단일 셀이거나, 복수의 셀이 결합된 셀 집합체일 수 있다. 리튬 이차전지 셀은 원통형, 파우치형, 각형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
일 실시예로, 복수의 리튬 이차전지 셀은 짝수 개이고, 제1 모듈(111)과 제2 모듈(113)은 동일한 수의 리튬 이차전지 셀을 포함할 수 있다. 예컨대, 모듈 전지부(110)를 구성하는 복수의 리튬 이차전지 셀이 2N개일 때, 제1 모듈(111) 및 제2 모듈(113)은 각각 N개의 리튬 이차전지 셀을 포함할 수 있다.
제1 모듈(111)과 제2 모듈(113)은 탭(115)에 의하여 직렬로 연결된다. 즉, 제1 모듈(111)을 구성하는 복수의 리튬 이차전지 셀과 제2 모듈(113)을 구성하는 복수의 리튬 이차전지 모듈은 직렬로 연결된다. 일 실시예로, 하나의 리튬 이차전지 셀의 전압이 2.7 V 내지 4.2 V이고, 제1 모듈(111) 및 제2 모듈(113)이 각각 4 개의 리튬 이차전지 셀로 구성되었을 때, 제1 모듈(111)의 전압(V1)과 제2 모듈(113)의 전압(V2)은 10.8 V 내지 16.8 V가 되고, 모듈 전지부(110) 전체의 전압(VBAT)은 21.6 V 내지 33.6 V가 될 수 있다.
자가 충방전부(120)는 제1 모듈(111), 제2 모듈(113) 및 탭(115)과 전기적으로 연결된다. 제1 모듈(111)이 제1 양극단자(211, 도 2 참조)와 제1 음극단자(213, 도 2 참조)를 갖고, 제2 모듈(113)이 제2 양극단자(221, 도 2 참조)와 제2 음극단자(223, 도 2 참조)를 가질 때, 자가 충방전부(120)는 제1 양극단자(211) 및 제2 음극단자(223)와 전기적으로 연결되어, 모듈 전지부(110)를 구성하는 복수의 리튬이차전지 셀의 방전전력을 저장할 수 있다. 자가 충방전부(120)는 제1 모듈(111)의 제1 양극단자(211) 및 탭(115)과 전기적으로 연결되어 제1 모듈(111)에 출력전류(Io)를 인가하거나, 제2 모듈(113)의 제2 음극단자(223) 및 탭(115)과 전기적으로 연결되어 제2 모듈(113)에 출력전류(Io)를 인가할 수 있다. 이 때, 출력전류(Io)는 모듈 전지부(110)에 저장된 방전전력을 이용하여 생성되는 것으로, 자가 충방전부(120)는 모듈 전지부(110)를 구성하는 복수의 리튬 이차전지 셀을 교번적으로 충전 및 방전하여, 리튬 이차전지 셀의 내부 발열을 이용하여 모듈 전지부(110)의 온도를 제어할 수 있다.
센싱부(130)는 모듈 전지부(110)를 구성하는 리튬 이차전지 셀들의 온도, 잔존 용량(State of Charge, SOC) 및 제1 모듈(111)과 제2 모듈(113) 각각에 인가되는 전류와 전압 정보를 감지하고, 이를 제어부(140)에 전달한다.
제어부(140)는 센싱부(130)가 전달하는 모듈 전지부(110)를 구성하는 리튬 이차전지 셀들의 온도, 잔존 용량(State of Charge, SOC) 및 제1 모듈(111)과 제2 모듈(113) 각각에 인가되는 전류와 전압 정보를 기초로, 자가 충방전부(120)의 충방전 동작을 결정한다. 일 실시예로, 제어부(140)는 모듈 전지부(110)의 온도가 미리 설정된 기준 온도 이하일 때, 자가 충방전을 시작할 수 있다. 또한, 제어부(140)는 모듈 전지부(110)의 온도에 따라 충전전류 및 방전전류의 주파수(fB)를 결정할 수 있다.
제어부(140)는 리튬 이차전지 시스템(100) 내에 포함되거나, 외부 장치에 포함되며 리튬 이차전지 시스템(100)에 통신 커넥터를 이용하여 연결되는 것일 수 있다. 일 실시예로, 외부 장치는 전지관리시스템(Battery Management System, BMS)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 일 실시예로, 제어부(140)는 리튬 이차전지 시스템(100) 내에 포함되는 단일 프로세서, 복수의 프로세서들의 조합 또는 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩 업 테이블(look-up table) 등의 구성들을 채용한 집적 회로일 수 있다.
리튬 이차전지 시스템(100)은 제1 연결단자(151) 및 제2 연결단자(153)을 구비할 수 있다. 제1 연결단자(151)는 제1 모듈(111)의 제1 양극단자(211)와 전기적으로 연결되고, 제2 연결단자(153)은 제2 모듈(113)의 제2 음극단자(223)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 연결단자(151) 및 제2 연결단자(153)를 통하여 모듈 전지부(110)를 구성하는 복수의 리튬 이차전지 셀 전체가 외부 회로와 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 모듈 전지부(110)를 구성하는 복수의 리튬 이차전지 셀 전체가 외부 회로에 전력을 공급하거나, 외부 회로로부터 전력을 공급받아 충전될 수 있다.
한편, 자가 충방전부(120)는 제1 연결단자(151) 및 제2 연결단자(153)와 연결되어 모듈 전지부(110)로부터 방전전력을 공급받고, 제1 연결단자(151) 및 탭(115)과 전기적으로 연결되어 제1 모듈(111)에 선택적으로 충전전류를 인가하거나, 제2 연결단자(153) 및 탭(115)과 전기적으로 연결되어 제2 모듈(113)에 선택적으로 충전전류를 인가할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된, 모듈 전지부를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 모듈 전지부(200)는 제1 모듈(210), 제2 모듈(220), 및 제1 모듈(210)과 제2 모듈(220) 사이에 개재되는 탭(230)을 포함한다.
제1 모듈(210) 및 제2 모듈(220)은 복수의 리튬 이차전지 셀(201a, ?? ,201h)을 포함한다. 복수의 리튬 이차전지 셀(201a, ?? ,201h) 각각은 제1 극성을 갖는 제1 전극과 제2 극성을 갖는 제2 전극을 갖는다. 예컨대, 제1 전극은 양극 전극일 수 있으며, 제2 전극은 음극 전극일 수 있다. 제1 모듈(210) 및 제2 모듈(220) 각각에서, 복수의 리튬 이차전지 셀(201a, ?? ,201h) 중 어느 한 셀의 제2 전극과 인접한 다른 한 셀의 제1 전극이 전기적으로 연결된다.
일 실시예로, 제1 모듈(210)을 구성하는 리튬 이차전지 셀의 수와 제2 모듈(220)을 구성하는 리튬 이차전지 셀의 수는 같을 수 있다. 예컨대, 제1 모듈(210)을 구성하는 리튬 이차전지 셀의 수가 N 개 일 때, 제2 모듈(220)을 구성하는 리튬 이차전지 셀의 수는 동일한 N 개 일 수 있다. 모듈 전지부(110)를 구성하는 리튬 이차전지 셀의 총 수는 2N 개 일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 일 실시예로, 제1 모듈(210)과 제2 모듈(220)을 구성하는 리튬 이차전지 셀의 수는 다르나, 제1 모듈(210)을 구성하는 리튬 이차전지 셀들의 전압과, 제2 모듈(220)을 구성하는 리튬 이차전지 셀들의 전압은 일정 범위 내에서 동일할 수 있다.
제1 모듈(210)은 리튬 이차전지 셀(201a)의 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 양극단자(211)와 리튬 이차전지 셀(201d)의 제2 전극과 전기적으로 연결되는 제1 음극단자(213)를 구비할 수 있다. 마찬가지로, 제2 모듈(220)은 리튬 이차전지 셀(201h)의 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제2 양극단자(221)와 리튬 이차전지 셀(201e)의 제2 전극과 전기적으로 연결되는 제2 음극단자(223)를 구비할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 양극단자(211)는 제1 연결단자(151)와 전기적으로 연결될 수 있고, 제2 음극단자(223)는 제2 연결단자(153)와 전기적으로 연결될 수 있다.
탭(230)은 제1 모듈(210)의 일 단부에 위치한 리튬 이차전지 셀(201d)과 제2 모듈(220)의 일 단부에 위치한 리튬 이차전지 셀(201h) 사이에 개재될 수 있다. 예컨대, 탭(230)은 제1 모듈(210)의 제1 음극단자(213) 및 제2 모듈(220)의 제2 양극단자(221)와 전기적으로 연결되어, 제1 모듈(210) 및 제2 모듈(220)을 직렬로 연결할 수 있다. 따라서, 모듈 전지부(200)를 구성하는 복수의 리튬 이차전지 셀(201a, ?? , 201h)은 직렬로 연결된다.
자가 충방전부(120)는 제1 모듈(210)의 제1 양극단자(211), 제2 모듈(220)의 제2 음극단자(223) 및 탭(115)과 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 자가 충방전부(120)는 제1 모듈(210)의 제1 양극단자(211), 자가 충방전부(120) 및 탭(115)을 연결하는 하나의 폐루프와, 제2 모듈(220)의 제2 음극단자(223), 자가 충방전부(120) 및 탭(115)을 연결하는 다른 하나의 폐루프를 이용하여, 제1 모듈(210) 및 제2 모듈(220)을 선택적으로 충전할 수 있다.
일 실시예로, 하나의 리튬 이차전지 셀의 전압이 2.7 V 내지 4.2 V이고, 제1 모듈(210) 및 제2 모듈(220)이 각각 4 개의 리튬 이차전지 셀로 구성되었을 때, 제1 모듈(210)의 전압(V1)과 제2 모듈(220)의 전압(V2)은 10.8 V 내지 16.8 V가 될 수 있다. 이 때, 제1 연결단자(151) 및 제2 연결단자(153)를 통하여 모듈 전지부(200)와 연결되는 외부 회로가 모듈 전지부(200)로부터 인가받는 전압(VBAT)은 21.6 V 내지 33.6 V일 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 리튬 이차전지 시스템의 모듈 전지부 및 자가 충방전부의 연결을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 자가 충방전부를 구성하는 출력전류 제어부 및 출력전압 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 리튬 이차전지 시스템(100)은 모듈 전지부(110) 및 자가 충방전부(120)를 포함한다. 모듈 전지부(110)는 직렬로 연결되는 복수의 리튬 이차전지 셀을 포함하는 제1 모듈(111) 및 제2 모듈(113)과, 제1 모듈(111)과 제2 모듈(113) 사이에 개재되어 제1 모듈(111) 및 제2 모듈(113)을 직렬로 연결하는 탭(115)을 포함한다.
자가 충방전부(120)는 출력전류 제어부(121), 모듈 선택부(122) 및 출력전압 제어부(123)를 포함할 수 있다.
출력전류 제어부(121)는 출력전압 제어부(123)와 연결되어 전력을 공급받고, 모듈 선택부(122)를 통하여 제1 모듈(111), 제2 모듈(113) 및 탭(115)과 연결되어 제1 모듈(111) 또는 제2 모듈(113)에 교번적으로 출력전류(IO)를 공급한다. 출력전류 제어부(121)는 출력전류(Io)를 연속적으로 공급하기 위하여, 인덕터를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 출력전류 제어부(121)는 벅 컨버터(Buck Converter) 회로를 포함할 수 있다. 예컨대, 출력전류 제어부(121)는 제1 벅 컨버터 스위치(S1B)와 제2 벅 컨버터 스위치(S2B)를 시비율 스위칭 제어 하여, 연속적인 출력전류(Io)를 공급할 수 있다. 이 때, 출력전류 제어부(121)에 인가되는 출력전압(VOUT)은 제1 모듈(111)의 전압(V1) 및 제2 모듈(113)의 전압(V2)보다 클 수 있다.
모듈전지 선택부(122)는 출력전류 제어부(121)와 모듈 전지부(110) 사이에 개재되어, 제1 모듈(111) 및 제2 모듈(113) 중 충전할 모듈을 교번적으로 선택한다. 모듈전지 선택부(122)는 제1 다이오드(D1), 제1 스위치(S1), 제2 다이오드(D2) 및 제2 스위치(S2)를 포함할 수 있다.
모듈전지 선택부(122)가 제1 스위치(S1)를 온(ON) 하고, 제2 스위치(S2)를 오프(OFF) 하였을 때, 출력전류 제어부(121)가 공급하는 출력전류(Io)는 제1 다이오드(D1)를 통하여 제1 모듈(111)로 인가되어, 제1 모듈(111)이 충전된다. 이 때, 출력전류 제어부(121)에서 출력된 출력전류(Io)는 제1 다이오드(D1) 제1 모듈(111), 탭(115) 및 제1 스위치(S1)로 이루어진 폐회로를 따라 흐른다.
마찬가지로, 모듈전지 선택부(122)가 제2 스위치(S2)를 온 하고, 제1 스위치(S1)를 오프 하였을 때, 출력전류 제어부(121)가 공급하는 출력전류(Io)는 제2 스위치(S2)와 탭(115)을 통하여 제2 모듈(113)로 인가되어, 제2 모듈(113)이 충전된다. 이 때, 출력전류 제어부(121)에서 출력된 출력전류(Io)는 제2 스위치(S2), 탭(115), 제2 모듈(113) 및 제2 다이오드(D2)로 이루어진 폐회로를 따라 흐른다.
모듈전지 선택부(122)는 자가 충방전부(120)의 자가 충방전 동작 동안에 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)를 교번하여 온/오프하도록 구성된다. 제1 스위치(S1)가 온(ON) 될 때, 제2 스위치(S2)가 오프(OFF) 되고, 다시 제1 스위치(S1)가 오프(OFF) 될 때, 제2 스위치(S2)가 온(ON)된다. 이와 같이, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 온(ON)과 오프(OFF)가 주기적으로 반복되며, 제1 모듈(111) 및 제2 모듈(113)의 충전과 방전 주파수(fB)를 결정할 수 있다.
출력전압 제어부(123)는 제1 양극단자(111a) 및 제2 음극단자(113b)와 전기적으로 연결된다. 즉, 출력전압 제어부(123)는 모듈 전지부(110)를 구성하는 복수의 리튬 이차전지 셀들로부터 방전전력을 공급받는다. 즉, 제1 모듈(111)과 제2 모듈(113)은 출력전압 제어부(123)에 방전전력을 공급한다. 따라서, 제1 모듈(111)이 출력전류 제어부(121)에 의해 충전되는 동안 제2 모듈(113)은 출력전압 제어부(123)로 방전되고, 제2 모듈(113)이 출력전류 제어부(121)에 의해 충전되는 동안 제1 모듈(111)은 출력전압 제어부(123)로 방전되는 것으로 이해될 수 있다.
출력전압 제어부(123)는 방전전력을 저장하기 위한 캐패시터와, 출력전압(VOUT)을 안정적으로 제어하기 위한 절연형 컨버터(Isolated Converter) 회로를 포함할 수 있다. 일 실시예로, 절연형 컨버터 회로는 브릿지 컨버터(Bridge Converter, BC) 회로일 수 있다. 따라서, 출력전압 제어부(123)는 별도의 외부 전원 공급이 없이도 출력전압(VOUT)을 일정하게 제어할 수 있다.
출력전압 제어부(123)는 모듈 전지부(110)를 구성하는 리튬 이차전지 셀들의 충전 및 방전 시에 발생하는 순간적인 전압 변동의 영향을 감소시켜, 보다 안정적으로 출력전류 제어부(121)의 동작을 위한 전원을 공급한다.
도 4를 참조하면, 브릿지 컨버터(BC)는 절연 타입의 하프-브릿지 컨버터(Half-Bridge Converter) 회로일 수 있다. 하프 브릿지 컨버터(BC) 회로 내의 스위치들(S1A, S2A)을 일정한 주파수에서 시비율(PWM) 스위칭 제어하여, 출력전압(VOUT)을 일정하게 유지할 수 있다. 다른 실시예로, 브릿지 컨버터(BC)는 풀-브릿지 컨버터일 수 있다.
일 실시예로, 브릿지 컨버터(BC)는 절연 타입의 컨버터일 수 있고, 출력전류 제어부(121)의 제1 접지(GND1)와 브릿지 컨버터(BC)의 제2 접지(GND2)는 각각 다르게 접지 됨으로써, 제1 모듈(111) 또는 제2 모듈(113)의 충전 시 발생할 수 있는 단락을 방지할 수 있다.
모듈 선택부(122)가 제1 스위치(S1)를 온 하고, 제2 스위치(S2)를 오프 하면, 출력전류 제어부(121)가 인가하는 출력전류(Io)는 제1 다이오드(D1)를 통하여 제1 모듈(111)을 충전한다. 이 때, 제1 모듈(111)을 충전하기 위한 제1 충전 전력은 제1 모듈(111)의 전압(V1)과 출력전류(Io)의 곱(V1 x IO)으로 나타낼 수 있다. 자가 충방전부(120)의 전력 손실을 무시하면, 제1 모듈(111)을 충전하기 위한 제1 충전 전력(V1 x IO)은 출력전압 제어부(123)의 출력 전력(VOUT x IOUT)과 동일하며, 출력 전력(VOUT x IOUT)은 모듈 전지부(110)의 방전전력과 동일하다. 모듈 전지부(110) 전체의 전압은 제1 모듈(111)의 전압(V1)과 제2 모듈(113)의 전압(V2)의 합(V1 + V2)과 같고, 제1 모듈(111)의 전압(V1)과 제2 모듈(113)의 전압(V2)이 실질적으로 동일하다면, 모듈 전지부(110)의 방전전류의 크기는 대략 출력전류(Io) 크기의 절반이다.
[수학식 1]
V1- x IO = VOUT x IOUT = (V1 + V2) x IO / 2
즉, 모듈 전지부(110)를 구성하는 제1 모듈(111)과 제2 모듈(113)은 IO/2 크기의 방전전류에 의하여 방전되지만, 제1 모듈(111)은 IO 크기의 충전전류에 의하여 충전되므로, 결과적으로 제1 모듈(111)은 IO/2 크기의 충전전류에 의하여 충전되고, 제2 모듈(113)은 IO/2 크기의 방전전류에 의하여 방전된다. 또한, 제1 모듈(111)에 충전되는 전력의 크기는 제2 모듈(113)로부터 방전되는 전력의 크기와 실질적으로 동일할 수 있다.
마찬가지로, 모듈 선택부(122)가 제1 스위치(S1)를 오프 하고, 제2 스위치(S2)를 온 하면, 출력전류 제어부(121)가 인가하는 출력전류(Io)는 탭(115)을 통하여 제2 모듈(113)을 충전한다. 이 때, 제2 모듈(113)을 충전하기 위한 전력은 제2 모듈(113)의 전압(V2)과 출력전류(Io)의 곱(V2 x IO)으로 나타낼 수 있다. . 자가 충방전부(120)의 전력 손실을 무시하면, 제2 모듈(113)을 충전하기 위한 제2 충전 전력(V2 x IO)은 출력전압 제어부(123)의 출력 전력(VOUT x IOUT) 과 동일하며, 출력 전력(VOUT x IOUT)은 모듈 전지부(110)의 방전전력과 동일하다. 모듈 전지부(110) 전체의 전압은 제1 모듈(111)의 전압(V1)과 제2 모듈(113)의 전압(V2)의 합(V1 + V2)과 같고, 제1 모듈(111)의 전압(V1)과 제2 모듈(113)의 전압(V2)이 실질적으로 동일하다면, 모듈 전지부(110)의 방전전류의 크기는 대략 출력전류(IO) 크기의 절반이다.
따라서, 제2 모듈(113)은 IO/2 크기의 충전전류에 의하여 충전되고, 제1 모듈(111)은 IO/2 크기의 방전전류에 의하여 방전된다. 또한, 제2 모듈(113)에 충전되는 전력의 크기는 제1 모듈(111)로부터 방전되는 전력의 크기와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 리튬 이차전지 시스템의 자가 충방전 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a를 참조하면, 제1 스위치(S1)가 온(ON) 되었을 때, 제2 스위치(S2)는 오프(OFF)된다. 출력전류 제어부(121)가 공급하는 출력전류(Io)는 제1 다이오드(D1)의 순방향을 따라 흘러 제1 모듈(111)을 충전할 수 있다. 즉, 제1 스위치(S1)가 온(ON) 되었을 때, 출력전류(Io)는 제1 다이오드(D1) 제1 모듈(111), 탭(115) 및 제1 스위치(S1)로 이루어진 폐회로를 따라 흐른다.
도 5b를 참조하면, 제2 스위치(S2)가 온(ON) 되었을 때, 제1 스위치(S1)는 오프(OFF)된다. 출력전류 제어부(121)가 공급하는 출력전류(Io)는 제2 다이오드(D2)의 순방향을 따라 흘러 제2 모듈(113)을 충전할 수 있다. 즉, 제2 스위치(S2)가 온(ON) 되었을 때, 출력전류(Io)는 제2 스위치(S2), 탭(115), 제2 모듈(113) 및 제2 다이오드(D2)로 이루어진 폐회로를 따라 흐른다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 충방전 동작 시, 제1 모듈 및 제2 모듈에 인가되는 전류와 전압을 도시하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 충방전전류 주파수(fB)의 주기에 따라, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)의 온/오프가 교번적으로 반복된다. 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)는 고속의 스위칭 동작이 가능한 스위칭 장치일 수 있다. 일 예로, 스위칭 장치는 반도체 스위칭 소자일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제어부(140)는 센싱부(130)의 측정 결과를 기초로 충전전류 및 방전전류의 주파수(fB)를 제어하기 위하여, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)는 제1 모듈(111) 및 제2 모듈(113) 중 어느 하나를 선택하여, 출력전류 제어부(121)에서 생성한 출력전류(Io)를 공급할 수 있다.
제2 모듈(133)이 충전될 때, 모듈 선택부(122)를 통해 탭(155)으로 인가되는 탭 전류(It)는 출력전류(Io)와 같고, 제1 모듈(131)이 충전될 때, 모듈 선택부(122)를 통해 탭(155)으로 인가되는 탭 전류(It)는 출력전류(Io)와 반대이다. 즉, 탭 전류(It)가 양수일 때, 제2 모듈(133)이 충전되고, 탭 전류(It)가 음수일 때, 제1 모듈(131)이 충전된다.
제1 스위치(S1)이 온 상태이고 제2 스위치(S2)가 오프 상태일 때, IO의 크기를 갖는 제1 충전 전류(IC1)가 제1 다이오드(D1)을 통하여 제1 모듈(111)을 구성하는 복수의 리튬 이차전지 셀들에 인가된다. 이때도 IO/2의 크기를 갖는 제1 방전전류(ID1)는 제1 모듈(111)에서 출력전압 제어부(123)로 흐른다. 제1 모듈(111)의 실제 충전 전류(I1)는 IC1-ID1으로 나타낼 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같다.
마찬가지로, 제2 스위치(S2)가 온 상태이고 제1 스위치(S1)가 오프 상태일 때, IO의 크기를 갖는 제2 충전 전류(IC2)가 제2 모듈(113)을 구성하는 복수의 리튬 이차전지 셀들에 인가되고, 제2 다이오드(D2)를 통하여 출력전류 제어부(121)로 흐른다. 이때도 IO/2의 크기를 갖는 제2 방전전류(ID2)가 출력전압 제어부(123)에서 제2 모듈(113)로 흐른다. 제2 모듈(113)의 실제 충전 전류(I2)는 IC2-ID2으로 나타낼 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같다.
도 7은 상온 또는 저온 환경에서 낮은 주파수로 방전 및 충전을 수행하는 리튬 이차전지 셀의 전압 변화를 도시하는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 충방전 주파수가 낮은 경우, 상온에서는 리튬 이차전지 셀의 안정적인 충방전 전압 범위인 2.7 V 내지 4.2 V의 범위를 벗어나지 않는다. 반면 저온에서는 동일한 충방전전류를 인가하였음에도 불구하고, 전하 이송(Charge Transfer) 및 이온 확산(Diffusion)에 의한 임피던스가 큰 폭으로 증가하여 안정적 전압 범위를 벗어나는 것을 확인할 수 있다. 안정적 전압 범위를 벗어나 충전 및 방전 작동을 할 경우, 리튬이 리튬 이차전지 셀의 전극 표면에 쌓이는 리튬 플레이팅(Lithium Plating) 현상이 발생하고, 생성된 덴드라이트로 인하여 분리막이 파손될 가능성이 있다. 따라서, 저온 환경에서 리튬 이차전지 셀의 손상을 방지하기 위하여 충방전 주파수를 적절한 값을 가지도록 제어해야 한다.
도 8은 상온 또는 저온 환경에서 높은 주파수로 방전 및 충전을 수행하는 리튬 이차전지 셀의 전압 변화를 도시하는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 충방전 주파수가 높은 경우, 오믹 임피던스(Ohmic Impedance)가 증가하나, 전하 이송 및 전하 확산으로 인한 임피던스는 감소하여, 안정 전압 범위 내에서 충전 및 방전 동작을 수행할 수 있다.
따라서, 높은 충방전 주파수를 이용할 경우, 저온 환경에서도 리튬 이차전지 셀의 안정적 전압 범위 영역에서 충전과 방전을 수행하면서, 내부의 저항으로 인한 자가발열을 이용하여 전지의 승온이 가능하다.
도 9은 리튬 이차전지 셀의 온도에 따른 임피던스 특성을 도시하는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 리튬 이차전지 셀은 온도에 따라 임피던스 특성이 달리 나타나는 것을 확인할 수 있다. 상온(20 ℃)에서 리튬 이차전지 셀은 낮은 주파수 영역부터 높은 주파수 영역까지 낮은 임피던스를 갖는 것을 확인할 수 있다.
반면, 리튬 이차전지 셀의 온도가 낮아질 수록, 임피던스의 크기가 커지는 것을 확인할 수 있다. 낮은 주파수 영역에서 온도에 따른 임피던스의 크기 차이가 가장 크게 나타난다. 이 때, 100 Hz 내지 10,000 Hz 이하의 높은 주파수 영역에서 임피던스의 크기가 작아지며, 온도에 따른 임피던스의 크기 차이도 감소하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 리튬 이차전지 시스템의 제어부는 리튬 이차전지 셀의 온도 및 잔존용량에 따라 변화되는 리튬 이차전지 셀의 내부 저항을 확인하고, 최대 충방전전류를 인가 가능한 주파수로 변환할 수 있다.
일 예로, 리튬 이차전지 셀의 온도가 -20 ℃ 이하일 때, 충방전 주파수의 범위는 500 Hz 내지 2.7 kHz일 수 있으며, 리튬 이차전지 셀의 온도가 -20 ℃ 이상일 때, 충방전 주파수의 범위는 10 Hz 내지 500 Hz일 수 있다.
이 때, 제어부는 복수의 리튬 이차전지 셀들의 전압 변동을 최대한 크게 유지하여 최대 발열량
Figure 112021085485760-pat00001
를 얻도록 충전 주파수를 결정하되, 전압 변동이 2.7 V 내지 4.2 V의 안정적 전압 범위 안에서 이뤄지도록 제어할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 시스템의 자가 충방전 방법을 도시하는 순서도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 시스템의 자가 충방전 방법은 리튬 이차전지 셀의 상태를 감지하는 단계(S110), 충방전 동작을 결정하는 단계(S120), 제1 모듈 또는 제2 모듈에 충전 전류를 인가하는 단계(S130) 및 반복 단계(S140)를 포함할 수 있다.
리튬 이차전지 셀의 상태를 감지하는 단계(S110)에서 센싱부는 모듈 전지부를 구성하는 리튬 이차전지 셀들의 상태를 감지한다. 센싱부는 리튬 이차전지 셀들에 인가되는 전압, 전류, 리튬 이차전지 셀들의 잔존 용량 및 온도를 감지하고, 이를 제어부에 전달할 수 있다.
충방전 동작을 결정하는 단계(S120)에서, 제어부는 센싱부가 감지하는 정보를 기초로, 충방전 동작을 결정할 수 있다. 예컨대, 제어부는 전달된 리튬 이차전지 셀들의 상태 정보에 기반하여 충방전전류의 주파수, 자가 충방전부에 인가되는 전압, 시비율 등을 제어할 수 있다. 일 실시예로, 제어부는 제1 모듈에 충전전류를 인가하는 제1 스위치와 제2 모듈에 충전전류를 인가하는 제2 스위치의 스위칭을 제어하여, 충전전류 및 방전전류의 주파수(fB)를 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부는 리튬 이차전지 셀들의 온도가 -20 ℃ 이하일 때, 충전전류 및 방전전류의 주파수가 500Hz 내지 2.7kHz 범위 내의 값을 갖도록 할 수 있으며, 리튬 이차전지 셀들의 온도가 -20 ℃ 이상일 때, 10 Hz 내지 500 Hz 범위 내의 값들을 갖도록 할 수 있다. 일 실시예로, 제어부는 모듈 전지부에 인가되는 평균 전압의 적어도 2배의 전압을 자가 충방전부를 구성하는 캐패시터에 인가할 수 있다. 다른 일 실시예로, 제어부는 리튬 이차전지 셀들의 저장된 잔존용량에 비례하는 전압을 캐패시터에 인가할 수 있다.
제1 모듈 또는 제2 모듈에 충전전류를 인가하는 단계(S130)에서, 출력전압 제어부는 모듈전지부를 구성하는 복수의 리튬 이차전지 셀들로부터 방전전력을 공급받는다. 출력전류 제어부는 출력전압 제어부와 연결되어 전력을 공급받고 모듈 선택부를 통하여 제1 모듈, 제2 모듈 및 탭과 연결되어, 제1 모듈 또는 제2 모듈에 교번적으로 충전전류를 공급한다.
모듈전지 선택부는 제1 다이오드, 제1 스위치, 제2 다이오드 및 제2 스위치를 포함하고, 제1 스위치를 온 하고, 제2 스위치를 오프하였을 때, 출력전류 제어부가 공급하는 충전전류는 제1 다이오드를 통하여 제1 모듈로 인가되어 제1 모듈이 충전된다. 마찬가지로 모듈전지 선택부가 제2 스위치를 온 하고 제1 스위치를 오프 하였을 때, 출력전류 제어부가 공급하는 충전전류는 제2 스위치와 탭을 통하여 제2 모듈로 인가되어 제2 모듈이 충전된다. 모듈전지 선택부는 자가 충방전부의 자가충방전 동작 동안에 제1 스위치와 제2 스위치를 교번하여 온오프하도록 구성된다.
반복 단계(S140)에서, 센싱부는 모듈 전지부를 구성하는 복수의 리튬 이차전지 셀의 온도를 감지하여, 리튬 이차전지 셀들의 온도가 목표 온도 이상이 될 때 까지, 각 단계들(S110, S120, S130)을 순차적으로 반복할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 충방전을 수행할 때, 리튬 이차전지 시스템의 온도 변화를 도시하는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 시스템의 자가 충방전 방법에 따라, 리튬 이차전지 시스템을 승온 할 때, 시간 경과에 따라 일정하게 온도가 상승하는 것을 확인할 수 있다.
상술한 것과 같이 리튬 이차전지 시스템은 리튬 이차전지 셀의 온도에 따라 최적의 충방전 주파수를 설정하고, 리튬 이차전지 셀의 내부 저항을 이용하여 승온 하므로, 적은 전력 소모로 높은 효율을 내는 것을 확인하였다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시예들을 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 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 것 이다.
100 : 리튬 이차전지 시스템
110 : 모듈 전지부 111 : 제1 모듈
113 : 제2 모듈 115 : 탭
120 : 자가 충방전부 121 : 출력전류 제어부
122 : 모듈 선택부 123 : 출력전압 제어부
130 : 센싱부 140 : 제어부
151 : 제1 연결단자 153 : 제2 연결단자
200 : 모듈 전지부 201 : 리튬 이차전지 셀
210 : 제1 모듈 220 : 제2 모듈
230 : 탭

Claims (15)

  1. 직렬로 연결되는 제1 모듈 및 제2 모듈과, 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈 사이의 탭을 포함하는 모듈 전지부;
    제1 전극과 제2 전극을 갖는 저장 캐패시터;
    상기 모듈 전지부와 상기 저장 캐패시터 사이에 연결되고, 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈로부터 출력되는 방전 전류를 이용하여 상기 저장 캐패시터에 출력전압(Vout)을 출력하는 출력전압 제어부;
    상기 저장 캐패시터와 상기 모듈 전지부 사이에 연결되고, 상기 저장 캐패시터에 인가되는 상기 출력전압(Vout)을 이용하여 충전 전류를 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈에 교대로 출력하는 출력전류 제어부;
    상기 충전 전류의 크기가 상기 방전 전류의 크기보다 크도록 상기 출력전압 제어부 및 상기 출력전류 제어부를 제어하는 제어부를 포함하는 배터리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 전지부의 온도를 감지하는 센싱부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 모듈 전지부의 온도를 기초로 상기 출력전압 제어부 및 상기 출력전류 제어부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈은 각각 적어도 하나의 리튬 이차전지 셀을 포함하고,
    상기 제1 모듈은 제1 양극 단자와 제1 음극 단자를 갖고,
    상기 제2 모듈은 제2 양극 단자와 제2 음극 단자를 갖고,
    상기 탭은 상기 제1 모듈의 상기 제1 음극 단자와 상기 제2 모듈의 상기 제2 양극 단자에 공통으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 출력전압 제어부는 상기 제1 모듈의 상기 제1 양극 단자와 상기 제2 모듈의 상기 제2 음극 단자 사이의 모듈 전압을 상기 출력전압(Vout)으로 변환하여 상기 저장 캐패시터에 출력하는 DC-DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 출력전압 제어부는,
    상기 제1 모듈의 제1 양극 단자와 중간 노드 사이에 연결되는 제1 캐패시터;
    상기 중간 노드와 상기 제2 모듈의 상기 제2 음극 단자 사이에 연결되는 제2 캐패시터; 및
    하프 브릿지 컨버터(Half-bridge Converter) 회로를 포함하고,
    상기 하프 브릿지 컨버터 회로는,
    상기 제1 모듈의 제1 양극 단자, 상기 중간 노드, 및 상기 제2 모듈의 상기 제2 음극 단자에 연결되는 1차측, 및
    상기 저장 캐패시터의 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 연결되는 2차측을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 출력전압 제어부는 풀 브릿지 컨버터(Full-bridge Converter) 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 출력전류 제어부는,
    상기 저장 캐패시터의 상기 출력전압(Vout)으로부터 상기 충전 전류를 생성하여 출력 노드로 출력하는 벅 컨버터 회로; 및
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 충전 전류를 상기 제1 모듈 또는 상기 제2 모듈에 인가하는 충전 모듈 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 벅 컨버터 회로는,
    상기 저장 캐패시터의 상기 제1 전극와 제1 노드 사이에 연결되고 상기 제어부에 의해 제어되는 스위치;
    상기 저장 캐패시터의 상기 제2 전극과 상기 제1 노드 사이에 연결되는 다이오드;
    상기 제1 노드와 상기 출력 노드 사이에 연결되고 상기 충전 전류가 흐르는 인덕터; 및
    상기 출력 노드와 상기 저장 캐패시터의 상기 제2 전극 사이에 연결되는 출력 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 충전 모듈 선택부는,
    상기 탭과 상기 저장 캐패시터의 상기 제2 전극 사이에 연결되는 제1 스위치;
    상기 탭과 상기 출력 노드 사이에 연결되는 제2 스위치;
    상기 출력 노드와 상기 제1 모듈의 상기 제1 양극 단자 사이에 연결되는 제1 다이오드; 및
    상기 제2 모듈의 상기 음극 단자와 상기 저장 캐패시터의 상기 제2 전극 사이에 연결되는 제2 다이오드를 포함하고,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 상기 제어부의 제어에 따라 서로 교대로 턴 온되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 스위치가 턴 온될 때, 상기 충전 전류는 상기 제1 다이오드, 상기 제1 모듈, 및 상기 제1 스위치를 통해 흐름으로써 상기 제1 모듈이 충전되고,
    상기 제2 스위치가 턴 온될 때, 상기 충전 전류는 상기 제2 스위치, 상기 제2 모듈, 및 상기 제2 다이오드를 통해 흐름으로써 상기 제2 모듈이 충전되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 출력전압 제어부의 동작 주파수와 상기 출력전류 제어부의 동작 주파수는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 모듈 전지부의 온도를 감지하는 센싱부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 모듈 전지부의 온도를 기초로 상기 출력전압 제어부와 상기 출력전류 제어부의 상기 동작 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 모듈 전지부의 온도가 -20 ℃ 이하일 때, 500Hz 내지 2.7kHz 범위의 상기 동작 주파수로 상기 출력전압 제어부와 상기 출력전류 제어부를 제어하고,
    상기 모듈 전지부의 온도가 -20 ℃ 이상일 때, 10Hz 내지 500Hz 범위의 상기 동작 주파수로 상기 출력전압 제어부와 상기 출력전류 제어부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 방전 전류는 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈 모두로부터 상기 출력전압 제어부로 출력되고,
    상기 방전 전류의 크기보다 큰 크기를 갖는 상기 충전 전류는 상기 출력전류 제어부로부터 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈 중 하나에 교대로 입력되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150059247A (ko) 2013-11-22 2015-06-01 현대자동차주식회사 배터리 승온 시스템 및 그 제어 방법
JP5996151B1 (ja) * 2015-01-06 2016-09-21 三菱電機株式会社 電池システム
KR101913510B1 (ko) * 2017-08-28 2018-10-30 국방과학연구소 자가에너지를 이용한 리튬 이차전지의 에너지 순환장치 및 그 방법

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