KR102394909B1 - 리튬이온 폴리머 배터리 복원방법 - Google Patents

리튬이온 폴리머 배터리 복원방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102394909B1
KR102394909B1 KR1020210090633A KR20210090633A KR102394909B1 KR 102394909 B1 KR102394909 B1 KR 102394909B1 KR 1020210090633 A KR1020210090633 A KR 1020210090633A KR 20210090633 A KR20210090633 A KR 20210090633A KR 102394909 B1 KR102394909 B1 KR 102394909B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
ion polymer
polymer battery
lithium
battery
lithium ion
Prior art date
Application number
KR1020210090633A
Other languages
English (en)
Inventor
조아유
홍성용
Original Assignee
조아유
홍성용
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 조아유, 홍성용 filed Critical 조아유
Priority to KR1020210090633A priority Critical patent/KR102394909B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102394909B1 publication Critical patent/KR102394909B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0069—Charging or discharging for charge maintenance, battery initiation or rejuvenation
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B5/00—Electrically-operated educational appliances
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/00032—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries characterised by data exchange
    • H02J7/00036—Charger exchanging data with battery
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00302—Overcharge protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00309—Overheat or overtemperature protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0031—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using battery or load disconnect circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/0048—Detection of remaining charge capacity or state of charge [SOC]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Educational Administration (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Educational Technology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

본 발명의 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치는 충전기의 직류전원에 병렬로 연결되는 복수의 리튬이온 폴리머 배터리; 리튬이온 폴리머 배터리 모듈; 부하를 거는 셀 밸런싱 제어장치; 상기 리튬이온 폴리머 배터리의 온도를 제어하는 온도 제어장치; 교류(AC) 전원으로부터 복수의 배터리 셀을 충전하기 위하여 직류전원을 공급하는 충전장치; 보조배터리 역할을 하는 컨버터; 복원 장치에 이상이 발생이 전원을 차단하는 PWM 냉각 팬을 구동시키는 전원 릴레이; 과충전시 또는 충전에 이상이 발생할 때 전원을 차단하는 충전 릴레이; 데이터를 전송받아서 점검 결과를 표시하는 LCD 모니터; 상기 리튬이온 폴리머 배터리의 작동 시에 상기 리튬이온 폴리머 배터리 부하를 제어하고 데이터를 LCD 모니터로 전송하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치에 의하면, 전기자동차의 배터리 수리에 필요한 자원 손실을 방지할 수 있으며 배터리 폐기 문제를 해결할 수 있다. 또한 본 발명에 의하면, 산업 폐기물 리튬이온 폴리머 배터리를 재사용할 수 있으므로 배터리 폐기 처리 문제로 인한 환경문제를 개선하는 효과가 있다.

Description

리튬이온 폴리머 배터리 복원방법{the Method of Reconstructing Lithium-Ion Polymer Battery}
본 발명은 리튬이온 폴리머 배터리 복원방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 친환경 전기자동차 핵심 요소인 고전압 배터리 셀 밸런스 불량으로 교체되는 리튬이온 폴리머 배터리(Lithium-Ion Polymer Battery: LiPB)의 점검 및 복원으로 불필요한 자원 손실을 방지하고, 배터리 폐기 문제를 해결할 수 있는 리튬이온 폴리머 배터리 복원방법에 관한 것이다.
미국의 존 굿이너프 박사와 영국의 스탠리 휘팅엄 박사, 일본의 요시노 아키라 박사는 '리튬이온 배터리'의 발전에 기여한 공로로 2019년 노벨화학상을 수여받았다. 2차 전지는 1차 전지와 달리 방전 후에도 다시 충전해 반복 사용이 가능한 배터리를 말한다. 리튬이온 배터리(Lithium ion battery)는 가장 대표적인 2차 전지이다.
리튬이온 배터리는 작은 크기에도 고용량 및 고출력이 장점이다. 리튬이온 배터리는 기존 소형기기에서 전기자동차와 같은 대용량 에너지 저장 시스템까지 수요가 점점 증가하고 있다. 요시노 박사가 개발한 리튬이온 배터리는 도 1에 도시된 바와 같이, 리튬이온 배터리는 크게 4가지로 구성된다. 양극(LITHIUM ION), 음극(ELECTRON), 분리막(BARRIER), 전해액(ELECTROLYTE)다(출처: 노벨상 공식 홈페이지).
양극은 리튬이온 소스로 배터리의 용량과 평균 전압을 결정한다. 음극은 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 한다. 분리막은 양극과 음극의 접촉을 차단하는 역할을 한다. 전해액은 매개체로써 이온의 이동을 원활하게 한다. 요시노 박사는 굿이너프 박사의 연구를 토대로 안전성을 높이기 위해 1985년 석유코크스(PETROLEUM COKE)를 음극으로 사용해 4V의 리튬이온 배터리를 만들었다. 석유코크스는 석유 찌꺼기를 열분해시켜서 만든 다공질의 광택이 있는 코크스이다. 코발트 산화물(COBALT OXIDE)과 마찬가지로 석유코크스는 고른 층을 형성했고 충전 시 보다 리튬이온을 저장할 수 있다. 또한 내구성이 좋고 안전하다는 장점도 있다. 일본 요시노 박사가 개발한 리튬이온 배터리는 1992년 일본의 회사 소니(SONY)에서 상용화돼 세계 최초로 상품화에 성공했다.
자동차는 내연기관, 하이브리드, 전기차(EV), 수소전기차(FCEV)로 진화하고 있다. 에너지 소비가 적고 환경오염을 줄여줄 수 있는 친환경 전기 차량이 다양하게 개발되고 있다. 친환경 자동차인 전기차 보급률에 대한 전망은 희망적이다.
블룸버그 NEF(New Energy Finance)가 발표한 보고서 ?전기차 전망(Electric Vehicle Outlook 2019 )’에 따르면 2010년 수천 대 판매에 불과했던 전기차가 2018년에는 200만 대 이상 판매됐고, 2025년에는 1,000만 대, 2030년에는 2,800만 대, 2040년에는 5,600만 대를 돌파할 것으로 추정된다. 즉 2040년 판매되는 승용차의 57%, 전 세계 승용차의 30% 이상이 전기차가 될 것이라는 전망이다.
매연이 없는 전기차는 주행 중에 이산화탄소를 배출하지 않는다. 하지만 어느 소비재가 그렇듯 전기차에 들어가는 배터리를 생산하는 과정, 자동차를 제조하는 과정, 또 전기차를 충전하는 전기를 생산하는 과정까지 고려했을 때 필연적으로 이산화탄소가 발생한다. 이를 전 과정 분석(LCA, Life Cycle Assessment)이라고 합니다. 자동차의 경우 LCA는 동력 원료와 배터리 및 차체의 제조 및 가공 공정, 수송 및 유통, 사용, 재활용, 최종 폐기에 이르기까지 전 생애 과정에서 소요되는 에너지 및 원료 물질, 오염 배출에 대한 데이터를 의미한다.
이처럼 전기차는 이산화탄소 배출량이 많은 최악의 경우에도 운행 중 매연을 내뿜는 내연기관차보다 친환경적이다. 배터리와 차체 제조 공정에서 재생가능에너지를 사용하게 되면 가공 공정까지의 배출량이 감소한다. 또 배터리 재사용 재활용 등 기술이 빠르게 발전하면서 배터리 생산 과정의 탄소 발생량도 줄어들고 있다.기존의 배터리 밸런싱(Balancing) 장치에 관하여 다음과 같은 선행기술 문헌이 존재한다.
본 발명의 배결기술로 대한민국 등록특허공보 제10-1720960호에서는 밸런싱(Balancing) 전류 가변 배터리 팩 균등 충전 장치 및 방법(이하 “종래기술 1”이라 한다)을 공개하고 있다.
종래기술 1에서는 배터리 셀간 전압차에 따라서 밸런싱 전류를 가변하여 조절하며, 배터리 팩의 균등 충전을 위하여 충전기, 밸런싱부, 전압감시부 및 전압감시부에 의해 측정된 셀 전압을 입력받아 배터리 셀 및 밸런싱 전류량을 결정하고, 밸런싱 트랜지스터의 고장 여부를 진단하는 통합제어부를 포함하는 배터리 팩 균등 충전 장치 및 방법을 제안하였다.
또한, 대한민국 등록특허공보 제10-1865969호에서는 전압 밸런싱(Balancing) 장치 및 방법(이하 “종래기술 2”을 공개하고 있다. 상기 종래기술 2에서는 복수의 배터리(100)에 각각 병렬 연결된 복수의 제1 커패시터; 상기 제1 커패시터와 스위칭기구를 통해 연결되어 각각의 제1 커패시터와 선택적으로 병렬연결되는 방전부; 상기 방전부와 병렬연결된 제2 커패시터 및 전압측정회로로 구성된 측정부; 상대적으로 전압이 높은 배터리를 소모저항과 연결되어 전압을 밸런싱하는 제어부를 제안하였다.
또한, 대한민국 등록특허공보 제10-1326802호에서는 “차량 배터리의 전압 밸런싱(Balancing) 회로(이하 “종래기술 3”이라 한다)를 공개하고 있다. 상기 종래기술 3에서는 셀 전지 모듈을 포함하는 차량 배터리의 전압 밸런싱 회로에서 상기 셀 전지 모듈의 평균전압을 출력하는 평균전압 측정회로; 상기 해당 셀 전지를 밸런싱하는 밸런싱 회로; 상기 셀 전지 모듈의 평균전압을 비교하는 비교기; 상기 해당 셀 전지의 한쪽 단자와 연결되는 입력단자 및 밸런싱 저항을 통해 다른쪽 단자와 연결되는 스위칭 소자를 포함하는 차량 배터리의 전압 밸런싱 회로를 제안하였다. 상기 종래기술 1 내지 종래기술 3에서는 배터리의 직렬연결에서 배터리의 전압 검출에 의해서 배터리 사이의 전압 밸런싱(Balancing)이 되지만, 배터리 병렬연결까지도 전압 밸런싱(Balancing)이 원활하지 않다는 문제점이 있었다.
삭제
등록특허공보 제10-1720960호 등록특허공보 제10-1865969호 등록특허공보 제10-1326802호 등록특허공보 제10-12126934호
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 전기자동차 리튬이온 폴리머 배터리가 셀 밸런스가 불량한 경우 셀 밸런싱 기술을 이용하여 성능이 미달한 리튬이온 폴리머 배터리를 정상으로 복원시키는 리튬이온 폴리머 배터리 복원방법을 제공하는 데에 있다.
삭제
삭제
삭제
본 발명의 리튬이온 폴리머 배터리 복원방법은 복수의 리튬이온 폴리머 배터리와, 셀 밸런싱 제어장치와, 온도 제어장치와, 충전장치와, 전원 릴레이와, 충전 릴레이와, LCD 모니터와, 제어부를 포함하는 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치의 리튬이온 폴리머 배터리의 복원방법에 있어서,
상기 리튬이온 폴리머 배터리의 총 정격 전압이 270V(볼트)이고,
전류가 5.3Ah(암페어)이며, 1개 셀(Cell)의 전압이 3.75V(볼트)이고,
8개의 셀을 모듈(Module) 1개로 구성하여 상기 모듈 1개의 총 전압이 30V(볼트)가 되도록 하며, 상기 리튬이온 폴리머 배터리의 총 전압을 270V(볼트)로 하기 위하여 상기 모듈 9개를 하나의 어셈블리로서 모두 직렬로 구성하는 단계;
상기 어셈블리는 상기 리튬이온 폴리머 배터리의 복수 개의 셀을 적층되게 형성되거나 일정 간격으로 배열하되, 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀 밸런싱(Cell Balancing)을 위하여 상기 리튬이온 폴리머 배터리 8개의 셀 2개를 직렬로 연결하는 단계; 상기 리튬이온 폴리머 배터리를 충전하면서 셀 밸런싱을 확인하고 점검하는 단계; 상기 온도 제어장치가 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀의 성능을 최적으로 유지하기 위한 온도 15~40℃로 유지하기 위하여 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀의 온도를 조절하는 단계; 상기 셀 밸런싱 제어장치와 상기 제어부에서 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀을 진단하여 상기 LCD 모니터에 데이터를 전달하는 단계;
상기 LCD 모니터에서 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀 전압 측정 후 데이터를 LCD에 표시하는 단계; 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀 전압이 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀 서로 간에 셀 밸런싱 제어 규정값 ±1.1V 안에 있는지 여부를 확인하고 상대적으로 성능이 미달된 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀을 찾는 단계;
성능이 미달된 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀만을 충전하기 위하여
상기 리튬이온 폴리머 배터리 8개의 셀 2개를 직렬로 연결한 상태에서
상기 충전장치에서 직류전압(DC) 60V, 전류 2A로 충전하며, 나머지 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀은 강제방전시키지 않고 성능이 미달된 상기 리튬이온 폴리머 배터리가 상기 셀 밸런싱 제어 규정값 ±1.1V 범위 안에 도달할 때까지 유지시키는 단계; 상기 리튬이온 폴리머 배터리 과충전시 또는 충전에 이상이 발생할 때 충전 릴레이가 전원을 차단하는 단계;
상기 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치 오류 작동시 상기 전원 릴레이(60)가 비상스위치를 작동하여 PWM 냉각팬을 강제로 구동시켜서 배터리 발열 발생을 방지하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
삭제
삭제
삭제
삭제
본 발명의 리튬이온 폴리머 배터리 복원방법에 의하면, 전기자동차의 배터리 수리에 필요한 자원 손실을 방지할 수 있으며 배터리 폐기 문제를 해결할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 산업 폐기물 리튬이온 폴리머 배터리를 재사용할 수 있으므로 배터리 폐기 처리 문제로 인한 환경문제를 해결할 수 있는 효과가 있다. 본 발명의 리튬이온 폴리머 배터리 복원방법은 BMS에 대하여 실습할 수 있고, 배터리 셀 밸런싱 기술을 교육할 수 있는 학습용 교구로 활용할 수 있다.
삭제
삭제
도 1은 요시노 박사가 개발한 리튬이온 배터리 구성도이다.
도 2는 전기자동차에 장착된 리튬이온 폴리머 배터리 도면이다.
도 3은 리튬이온 폴리머 배터리 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 성능이 미달된 리튬이온 폴리머 배터리 보여주는 도면이다.
도 5는 리튬이온 폴리머 배터리 성능 점검을 보여주는 도면이다.
도 6은 리튬이온 폴리머 배터리 재조립을 나타내는 도면이다.
도 7은 리튬이온 폴리머 배터리 셀 밸런싱을 보여주는 도면이다.
도 8은 리튬이온 폴리머 배터리 셀 밸런싱을 확인하는 표시화면이다.
도 9는 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치 구성도이다.
도 10은 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치 시제품 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 요시노 박사가 개발한 리튬이온 배터리의 구성도이고, 도 2는 전기자동차에 장착된 리튬이온 폴리머 배터리 도면이다. 도 3은 리튬이온 폴리머 배터리 구성을 나타내는 도면이고, 도 4는 성능 미달한 리튬이온 폴리머 배터리 보여주는 도면이다. 도 5는 리튬이온 폴리머 배터리 성능 점검을 보여주는 도면이고, 도 6은 리튬이온 폴리머 배터리 재조립을 나타내는 도면이다. 도 7은 리튬이온 폴리머 배터리 셀 밸런싱을 보여주는 도면이고, 도 8은 리튬이온 폴리머 배터리 셀 밸런싱을 확인하는 표시화면이다. 도 9는 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치 구성도이고 도 10은 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치 시제품 도면이다.
도 2는 전기자동차에 장착된 리튬이온 폴리머 배터리 도면이고, 도 3은 리튬이온 폴리머 배터리 구성을 나타내는 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 전기자동차에 장착된 리튬이온 폴리머 배터리에 대한 리튬이온 폴리머 배터리는 셀(Cell), 모듈(Module), 어셈블리(Assembly)로 구성된다. 전기자동차에 장착된 리튬이온 폴리머 배터리의 정격 전압은 270 V(볼트)이고, 전류는 5.3 Ah(암페어)이다. 1개 셀의 전압은 3. 75 볼트이다. 1개 모듈(Module)은 8개 셀로 구성되므로 총 전압은 30볼트이다. 9개 모듈의 전압은 총 270 볼트이다. 리튬이온 폴리머 배터리는 9개 모듈이 1개 모듈 어셈블리(1 Module Assembly)를 구성한다.
총 72 Cells(7개 셀)이 결합된다. 리튬이온 폴리머 배터리는 내부에 복수 개의 셀이 도 2에 도시된 바와 같이 적층되게 형성되거나 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 일정 간격으로 배열될 수 있다.
도 4는 성능이 미달한 리튬이온 폴리머 배터리 보여주는 도면이다.
1개 셀(Cell)이 정상 성능인 경우 전압은 직류 3.387 볼트(1 Cell - 3. 387 v DC)이다. 그러나 과충전으로 배터리 부풀림 현상이 발생하거나 배터리 냉각 불량으로 부풀림 현상이 발생할 수 있다. 또한 BMS(배터리 관리시스템)의 불량으로 부풀림 현상이 발생할 수 있다. 도 4(a)와 도 4(b)는 배터리 셀이 성능 미달로 나타나는 부풀림 현상을 보여주는 사진이다.
각 배터리 셀의 전류의 밸런스(Balance)를 위하여 배터리 관리시스템(BMS :Battery Management System)]가 필수적이다. 비정상적을 작동을 하는 셀이 있을 경우 BMS 이상 진단을 내리거나 사용제한을 명령하게 되어 충분한 에너지를 갖고 있는 다른 전지들도 사용 정지가 될 수 있다. 따라서 BMS 진단에 의해 지속적인 사용제한이 될 경우 배터리간 균형이 맞지 않을 뿐 아니라 퇴화 정도도 다르게 되며 차량의 연비에도 손해가 발생할 수 있다.
도 5는 리튬이온 폴리머 배터리 성능 점검을 보여주는 도면이다. 리튬이온 폴리머 배터리의 성능을 점검할 때, 정상 성능인 경우 1개 셀의 정격 전압은 3. 387 볼트이다. 그러나 성능이 미달인 경우 1개 셀의 전압은 0.000 볼트이다. 도 6은 리튬이온 폴리머 배터리 재조립을 나타내는 도면이다.
리튬이온 폴리머 배터리 성능 이상시 배터리를 다시 조립해야 한다. 1 모듈(8개 셀)의 전압은 30볼트이다( 8 개 ×3. 75 V = 30 V).
도 7은 리튬이온 폴리머 배터리 셀 밸런싱을 보여주는 도면이고, 도 8은 리튬이온 폴리머 배터리 셀 밸런싱을 확인하는 표시화면이다. 리튬이온 폴리머 배터리 2개를 직렬로 연결하여 셀 밸런싱(Cell Balancing)을 맞춘다. 도 8의 화면에 나타난 것처럼, 리튬이온 폴리머 배터리를 충전하면서 셀 밸런싱을 확인하고 점검한다. 화면에서 가로로 셀 3개, 세로로 셀 6개 총 18개의 셀을 밸런싱한다.
예를 들어, 17번 셀의 전압은 0.149 볼트이고, 18번 셀의 전압이 1. 262 볼트인 경우 충전을 하여 3, 681 볼트로 밸런싱하여 전압을 조정한다.
도 9는 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치 구성도이고, 도 10은 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치 시제품 도면이다. 도 9에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치는 충전기의 직류전원에 병렬로 연결되는 복수의 리튬이온 폴리머 배터리; 리튬이온 폴리머 배터리 모듈(10); 부하를 거는 셀 밸런싱 제어장치(20); 상기 리튬이온 폴리머 배터리의 온도를 제어하는 온도 제어장치(30); 교류(AC) 전원으로부터 복수의 배터리 셀을 충전하기 위하여 직류전원을 공급하는 충전장치(40); 보조배터리 역할을 하는 컨버터(50)와, 복원 장치에 이상이 발생이 전원을 차단하는 PWM 냉각 팬을 구동시키는 전원 릴레이(60)와, 과충전시 또는 충전에 이상이 발생할 때 전원을 차단하는 충전 릴레이(70)와, 데이터를 전송받아서 배터리 점검 결과를 표시하는 LCD 모니터(80), 상기 리튬이온 폴리머 배터리의 작동 시에 상기 리튬이온 폴리머 배터리 부하를 제어하고 데이터를 LCD 모니터(80)로 전송하는 제어부(100)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치는 전기자동차에 장착된 배터리(도면 2)가 고장이 난 경우(도면 4)에는 이를 분리시켜서 BMS 프로그램을 가지고 점검하고(도면 5), 정상 성능을 갖는 배터리로 복원하는 장치이다. 상기 제어부(100)는 배터리 관리시스템(BMS) 프로그램으로 부하제어를 하고, 데이터를 송신하여 LCD 모니터(80)에 표시한다,
상기 셀 밸런싱 제어장치(20)는 배터리 관리시스템(BMS)의 지시에 따라 부하(lord)를 걸고 제어한다. 상기 온도 제어장치(30)는 온도 측정부로부터 온도정보를 전송받아 상기 온도정보에 따라 제어를 한다.
상기 충전장치(40)는 성능이 미달된 배터리의 전압을 직류 3.387 볼트(1 Cell - 3. 387 v DC)로 충전하여 정상 성능으로 만드는 역할을 한다. 상기 컨버터(50)는 노이즈 필터를 내장한 보조배터리이다. BMS 명령에 따라서 보조배터리 역할을 담당한다.
상기 전원 릴레이(60)는 BMS 시스템 오류 작동시 전원 릴레이(60)는 비상스위치를 작동하여 PWM 냉각팬을 강제로 구동시켜서 배터리의 발열을 방지한다. 상기 충전 릴레이(70)는 과충전시 또는 충전과정에 이상이 발생할 때, BMS 지시에 따라 충전장치(40)의 전원을 차단한다.
상기 제어부(100)는 BMS(battery management system)의 핵심 구성이다.
BMS는 전기자동차, 전기 오토바이, 전기 선박 및 전기 킥보드 등에 설치되어 온도 측정부로부터 온도정보를 전송받아 상기 온도정보에 따라 발열 부재에 전류 또는 전압을 인가하거나 차단하는 시스템이나 수단이라도 적용할 수 있다. 리튬이온 폴리머 배터리(LiPB) 사용하는 제품은 어떠한 것도 BMS 시스템 진단이 가능하다. 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치는전기 자동차, 전기 오토바이, 전기 선박 및 전기 킥보드에 적용할 수 있다.
도 10은 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치 시제품 사진이다. 도 9의 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치 구성 부품을 내장하고, 우측 상단에 BMS 제어를 모니터링 할 수 있고, 시스템을 점검하고, 확인할 수 있다. 이하, 도 9에 도시된 도면 부호를 참조하여 리튬이온 폴리머 배터리 복원방법을 설명한다.
제어부(100)에 배터리 관리시스템(BMS) 프로그램으로 부하제어를 하고, 리튬이온 폴리머 배터리 성능w점결 결과에 대한 데이터를 LCD 모니터(80)에 송신한다,
상기 LCD 모니터(80)에 EOBD 통신단자가 연결되어 있다. EOBD는 European On-Board Diagnostics를 의미한다. 또는 DLC(Diagnostic Link Connector)라고 불리는 이 커넥터는 총 16개의 핀으로 구성되어 있고, 실제로 사용되는 핀들은 9개이다. DLC 통신 VPW-PWM, CAN 통신, ISO 통신 방식의 3가지 표준 신호 방식을 지원한다. 현재 국내에서는 CAN 방식만을 사용한다.
<배터리 성능 점검 방법>
BMS 셀 밸런싱 제어장치(20)와 제어부(100)에서 배터리 셀 검출 후 데이터를 LCD 모니터(80)에 전달하면, 배터리 이상 여부를 확인할 수 있다. LCD 모니터(80)에서 1 Cell 내지 16 Cell 전압(3.68 V) 측정 후 Cell 값을 확인한다. 16개 Cell 전압이 서로 간에 ±1.1 V 규정치 안에 있는지 확인한다.
예를 들어, 1번 Cell 전압 3. 75 V, 2번 Cell 전압 2. 75 V, 3번 Cell 전압 3.87 V인 경우에는 불량으로 판정한다. 즉 2번과 3번 Cell 값 : 2.75 -3.87 V= 1.12 V이므로 규정 값 이상 볼트 감지로 BMS로 셀 밸런싱할 수 있다.
< 리튬이온 폴리머 배터리 복원 방법>
도 9에 도시된 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치를 통해서 다음과 같은 순서로 진행하고, 배터리 성능이 미달인 배터리는 BMS로 셀 밸라싱으로 정상으로 만든다.
(a) 1 단계: 셀 밸런싱 제어장치(20)와 제어부(100)에서 BMS 배터리 셀 검출 후 데이터를 LCD 모니터(80)에 전달한다.
(b) 2 단계: LCD 모니터(80)에 1 Cell 내지 16 Cell 전압(3.68 V) 측정 후 Cell 값을 점검결과 표시되게 한다(도면 8).
(c) 3 단계: 16개 Cell 전압이 서로 간에 ±1.1 V 규정치 안에 있는지 여부를 확인한다. 여기서 성능이 미달한 배터리를 찾아낸다.
(d) 4 단계: 성능이 미달한 배터리는 DC 60 V 2A 충전장치(40)에서 전압 충전을 실시한다.
(e) 5 단계: 셀 밸런싱 제어장치(20)에서 16개 Cell 전압 실시간 측정하여 셀 밸런싱 제어 규정 값 ±1.1 V를 유지한다.
(f) 6 단계: 충전 중과 충전 발생시 충전 릴레이(70)를 정지시킨다.
(g) 7 단계: 온도 제어장치(30)에서 실시간 배터리 셀 온도 측정하여 배터리 최적 온도를 조절한다. 배터리 셀 온도는 사용 가능 온도는 0~60℃이다. 최적의 성능을 위해서는 15~40℃ 사이에서의 가동이 권장된다. 전지 충전 및 방전 과정에서 이 온도 범위에 전지가 위치할 수 있도록 배터리 과열 및 충전장치를 강제로 정지시킬 수 있다.
(h) 8 단계 : BMS 시스템 오류 작동시 전원 릴레이(60)는 비상스위치를 작동하여 PWM 냉각팬을 강제 구동으로 배터리 발열 발생을 방지한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치는 각 셀의 전압을 실시간으로 측정하고 개별 적 셀 전압을 평균 셀 전압이 될 수 있도록 BMS 셀 밸런싱을 하여 정상 성능을 갖는 배터리로 만들 수 있다. 본 발명의 리튬이온 폴리머 배터리 복원하는 방법을 이용하여 전기 자동차 BMS 시스템을 학습할 수 있는 학습용 교구로 활용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치 및 배터리 복원방법을 예시된 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.
본 발명의 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치는 배터리 셀 전압을 평균 셀 전압으로 셀 밸런스를 조정하고 성능이 미달된 배터리를 복원할 수 있고, 배터리 폐기 처리 문제로 인한 환경문제를 개선할 수 있다. 본 발명의 리튬이온 폴리머배터리 복원장치는 전기 자동차, 전기 오토바이, 전기 선박 및 전기 킥보드에 적용할 수 있다. 본 발명의 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치 및 복원방법은 친환경 전기자동차 산업에 유용한 발명이다.
10: 리튬이온 폴리머 배터리 모듈 20: 셀 밸런싱 제어장치
30: 온도 제어장치 40: 충전장치
50: 컨버터 60: 전원 릴레이
70: 충전 릴레이 80: LCD 모니터
100: 제어부

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 복수의 리튬이온 폴리머 배터리와, 셀 밸런싱 제어장치(20)와, 온도 제어장치(30)와, 충전장치(40)와, 전원 릴레이(60)와, 충전 릴레이(70)와, LCD 모니터(80)와, 제어부(100)를 포함하는 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치의 리튬이온 폴리머 배터리의 복원방법에 있어서,
    상기 리튬이온 폴리머 배터리의 총 정격 전압이 270V(볼트)이고,
    전류가 5.3Ah(암페어)이며, 1개 셀(Cell)의 전압이 3.75V(볼트)이고,
    8개의 셀을 모듈(Module) 1개로 구성하여 상기 모듈 1개의 총 전압이 30V(볼트)가 되도록 하며,
    상기 리튬이온 폴리머 배터리의 총 전압을 270V(볼트)로 하기 위하여 상기 모듈 9개를 하나의 어셈블리로서 모두 직렬로 구성하는 단계;
    상기 어셈블리는 상기 리튬이온 폴리머 배터리의 복수 개의 셀을 적층되게 형성되거나 일정 간격으로 배열하되, 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀 밸런싱(Cell Balancing)을 위하여 상기 리튬이온 폴리머 배터리 8개의 셀 2개를 직렬로 연결하는 단계;
    상기 리튬이온 폴리머 배터리를 충전하면서 셀 밸런싱을 확인하고 점검하는 단계; 상기 온도 제어장치(30)가 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀의 성능을 최적으로 유지하기 위한 온도 15~40℃로 유지하기 위하여 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀의 온도를 조절하는 단계;
    상기 셀 밸런싱 제어장치(20)와 상기 제어부(100)에서 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀을 진단하여 상기 LCD 모니터(80)에 데이터를 전달하는 단계;
    상기 LCD 모니터(80)에서 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀 전압 측정 후 데이터를 LCD에 표시하는 단계;
    상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀 전압이 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀 서로 간에 셀 밸런싱 제어 규정값 ±1.1V 안에 있는지 여부를 확인하고 상대적으로 성능이 미달된 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀을 찾는 단계;
    성능이 미달된 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀만을 충전하기 위하여
    상기 리튬이온 폴리머 배터리 8개의 셀 2개를 직렬로 연결한 상태에서
    상기 충전장치(40)에서 직류전압(DC) 60V, 전류 2A로 충전하며, 나머지 상기 리튬이온 폴리머 배터리 셀은 강제방전시키지 않고 성능이 미달된 상기 리튬이온 폴리머 배터리가 상기 셀 밸런싱 제어 규정값 ±1.1V 범위 안에 도달할 때까지 유지시키는 단계;
    상기 리튬이온 폴리머 배터리 과충전시 또는 충전에 이상이 발생할 때 충전 릴레이(70)가 전원을 차단하는 단계;
    상기 리튬이온 폴리머 배터리 복원장치 오류 작동시 상기 전원 릴레이(60)가 비상스위치를 작동하여 PWM 냉각팬을 강제로 구동시켜서 배터리 발열 발생을 방지하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬이온 폴리머 배터리 복원방법.

  4. 삭제
  5. 삭제
KR1020210090633A 2021-07-10 2021-07-10 리튬이온 폴리머 배터리 복원방법 KR102394909B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210090633A KR102394909B1 (ko) 2021-07-10 2021-07-10 리튬이온 폴리머 배터리 복원방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210090633A KR102394909B1 (ko) 2021-07-10 2021-07-10 리튬이온 폴리머 배터리 복원방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102394909B1 true KR102394909B1 (ko) 2022-05-10

Family

ID=81591501

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210090633A KR102394909B1 (ko) 2021-07-10 2021-07-10 리튬이온 폴리머 배터리 복원방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102394909B1 (ko)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120030337A (ko) * 2009-04-06 2012-03-28 더 유니버시티 오브 아크론 배터리 팩 관리 유닛 및 그 유닛을 배터리 팩의 수명을 연장하는데 사용하는 방법
KR101212693B1 (ko) 2006-08-25 2012-12-14 엘지전자 주식회사 전기전자기기의 컨트롤러
KR101262265B1 (ko) * 2011-11-11 2013-05-08 (주)인텍에프에이 전기에너지 저장장치 충전 시스템
KR101326802B1 (ko) 2011-08-24 2013-11-11 현대오트론 주식회사 차량 배터리의 전압 밸런싱 회로
KR101720960B1 (ko) 2016-03-25 2017-03-29 (주)아이비티 밸런싱 전류 가변 배터리 팩 균등 충전 장치 및 방법
KR20180032084A (ko) * 2016-09-21 2018-03-29 주식회사 엘지화학 밸런싱 배터리를 이용한 배터리 관리 시스템 및 방법
KR101865969B1 (ko) 2012-12-17 2018-06-11 현대자동차주식회사 배터리전압 밸런싱장치 및 방법
KR20180082345A (ko) * 2017-01-10 2018-07-18 주식회사 엘지화학 에너지 절약 및 빠른 셀 밸런싱이 가능한 충전 제어 장치 및 방법

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101212693B1 (ko) 2006-08-25 2012-12-14 엘지전자 주식회사 전기전자기기의 컨트롤러
KR20120030337A (ko) * 2009-04-06 2012-03-28 더 유니버시티 오브 아크론 배터리 팩 관리 유닛 및 그 유닛을 배터리 팩의 수명을 연장하는데 사용하는 방법
KR101326802B1 (ko) 2011-08-24 2013-11-11 현대오트론 주식회사 차량 배터리의 전압 밸런싱 회로
KR101262265B1 (ko) * 2011-11-11 2013-05-08 (주)인텍에프에이 전기에너지 저장장치 충전 시스템
KR101865969B1 (ko) 2012-12-17 2018-06-11 현대자동차주식회사 배터리전압 밸런싱장치 및 방법
KR101720960B1 (ko) 2016-03-25 2017-03-29 (주)아이비티 밸런싱 전류 가변 배터리 팩 균등 충전 장치 및 방법
KR20180032084A (ko) * 2016-09-21 2018-03-29 주식회사 엘지화학 밸런싱 배터리를 이용한 배터리 관리 시스템 및 방법
KR20180082345A (ko) * 2017-01-10 2018-07-18 주식회사 엘지화학 에너지 절약 및 빠른 셀 밸런싱이 가능한 충전 제어 장치 및 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6573685B2 (en) Method of replacing secondary battery
US7608940B2 (en) Power supply device and method of controlling the same
US9515355B2 (en) Method for sorting used secondary battery, rebuilt battery pack, vehicle and battery operated device incorporating same, and method for manufacturing rebuilt battery pack
US9166261B2 (en) Method for reusing secondary battery
WO2013057820A1 (ja) 電池システムの監視装置およびこれを備えた蓄電装置
KR101855092B1 (ko) 릴레이 제어신호 독립 모니터링 장치 및 방법
US20120068715A1 (en) Modular energy storage system for driving electric motor
JP2011135656A (ja) バッテリシステム及びこれを備える車両並びにバッテリシステムの内部短絡検出方法
JP2013540415A (ja) 低電圧領域と高電圧領域を有する電流供給システムのためのバッテリー管理システム
CN102064586A (zh) 一种新型电池均衡器控制系统及其控制方法
CN109302852A (zh) 管理装置和电源系统
US11618341B2 (en) Power control system, electric powered vehicle, and power control method
US20190310319A1 (en) Method and arrangment for classifying a voltage fault condition in an electrical storage system
KR20190036118A (ko) 전기 자동차의 배터리 출력 제어장치 및 그 방법
US9798609B2 (en) Battery management unit for preventing performance of erroneous control algorithm from communication error
CN114069781A (zh) 电池包的电芯均衡方法
KR102394909B1 (ko) 리튬이온 폴리머 배터리 복원방법
KR100974765B1 (ko) 하이브리드 차량용 고전압 배터리 셀불량 검출 방법
CN202121029U (zh) 一种纯电动汽车电池管理系统
CN112512855A (zh) 用于混合动力或电动车辆的驱动能量蓄存器的系统和用于给混合动力或电动车辆的驱动能量蓄存器充电的方法
KR101856067B1 (ko) 배터리 관리 시스템의 센싱 정밀도 진단 장치 및 방법
Yue et al. Towards the energy management of a fuel cell/battery vehicle considering degradation
KR102017573B1 (ko) 전기 자동차의 충전 제어장치 및 그 방법
Chen et al. Research on influence of battery aging on energy management economy for plug-in hybrid electric vehicle
CN110018386A (zh) 电池组连接可靠性的评价方法

Legal Events

Date Code Title Description
GRNT Written decision to grant