KR20140122777A - 배터리 충전 방전시 이상 전압 완화 장치 - Google Patents

배터리 충전 방전시 이상 전압 완화 장치 Download PDF

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양대성
송지연
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Abstract

본 발명은 배터리 보호 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 서지(Surge), 리플(Ripple) 전압 등과 같은 이상 전압의 발생을 감소시키고 배터리팩의 첫 번째 배터리(+단)와 마지막 배터리(-단)의 손상과 전력이 인가되는 시점에서 발생하는 문제점을 완화시켜 배터리와 보호회로의 전기적 충격을 방지하는 이상 전압 완화 장치에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 배터리 팩 충전과 방전에 있어서 발생하는 리플(Ripple) 전압 등과 같은 이상 전압을 콘덴서로 평활시켜 제거함으로써 고가의 배터리 팩을 보호하고 잡음이 섞이지 않은 더 높은 효율이 높은 정전압을 발생시키는 효과를 얻을 수 있다.

Description

배터리 충전 방전시 이상 전압 완화 장치{Apparatus for preventing abnormal voltage when a battery is charged and discharged}
본 발명은 배터리 보호 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 서지(Surge), 리플(Ripple) 전압 등과 같은 이상 전압의 발생을 감소시키고 배터리팩의 첫 번째 배터리(+단)와 마지막 배터리(-단)의 손상과 전력이 인가되는 시점에서 발생하는 문제점을 완화시켜 배터리와 보호회로의 전기적 충격을 방지하는 이상 전압 완화 장치에 대한 것이다.
배터리 팩은 고용량 배터리를 직렬 또는 병렬로 연결하여 하나의 팩으로 구성되어 고용량 배터리팩으로 사용된다. 전기자동차, 전기선박, 에너지저장장치 등으로 많은 분야에서 사용하고 있다.
구동용, 저장용 배터리는 연축 배터리로 사용하는 경우 납으로 인한 환경문제를 해소하기 위하여 리튬계 배터리로 적용되고 있다. 배터리 팩을 구성하고, 배터리를 보호할 수 있는 보호회로가 연결되며, 배터리의 총 용량을 파악하기 위하여 전류센서 또는 저항으로 전류량을 측정한다.
그런데, 일반적으로 구동부(미도시)와 배터리(미도시)가 직접 연결되면서 생기는 문제점들이 존재한다. 즉, 구동부에는 크게 출력과 회생이 존재하며, 그에 따른 서지(Surge)와 리플(Ripple)이 존재한다.
그 현상으로 첫 번째 배터리 셀과 마지막 배터리 셀에 전기적 충격이 나타난다. 이러한 현상으로 배터리 팩(Battery Pack)의 양 단에 문제가 발생하고, 동조현상으로 주변의 배터리 셀의 성능에도 영향을 준다. 따라서, 배터리 팩(Battery Pack) 전체에 문제가 발생하는 원인이 되므로 이를 해소할 필요가 있다.
1. 한국공개특허번호 제10-2006-0111946호 2. 한국등록특허번호 제10-1068583호 3. 한국공개특허번호 제10-2003-0018871호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 일반적으로 배터리팩 충방전시 나타나는 서지(Surge) 및 리플(Ripple) 전압 등과 같은 이상 전압의 발생을 감소시키고 배터리 팩의 첫 번째 배터리(+단)와 마지막 배터리(-단)의 손상과 전력이 인가되는 시점에서 발생하는 문제점을 완화시켜 배터리와 보호회로의 전기적 충격을 방지하는 배터리 충전 방전시 이상 전압 완화 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 이상 전압의 발생을 감소시키고 배터리 팩의 첫 번째 배터리(+단)와 마지막 배터리(-단)의 손상과 전력이 인가되는 시점에서 발생하는 문제점을 완화시켜 배터리와 보호회로의 전기적 충격을 방지하는 배터리 충전 방전시 이상 전압 완화 장치를 제공한다.
상기 이상 전압 완화 장치는,
배터리 팩;
상기 배터리 팩을 이상 전압으로부터 보호하는 배터리 보호 회로;
상기 배터리 팩과 연결되어 상기 배터리 팩의 이상 전압을 평활하도록 병렬 연결되는 다수의 콘덴서와, 정전압으로 변환하여 상기 배터리 팩과 상기 배터리 보호 회로의 전기적 충격을 방지하는 정전압 소자를 갖는 정전압 회로; 및
상기 정전압 회로를 제어하여 정전압을 생성하도록 하는 BMS(Battery Management System);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 다수의 콘덴서는 ㎌단위의 전해 콘덴서로서 100개 이상으로 연결되어 콘덴서의 충전 시간을 길게 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩은 리튬인산철(LiFePO4) 배터리인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 정전압 회로의 (+) 단과 배터리 팩의 첫 번째 배터리 셀(+)단이 연결되고, 상기 정전압 회로의 (-)단과 배터리 팩의 마지막 번째 배터리 셀(-)단이 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 팩 충전과 방전에 있어서 발생하는 리플(Ripple) 전압 등과 같은 이상 전압을 콘덴서로 평활시켜 제거함으로써 고가의 배터리 팩을 보호하고 잡음이 섞이지 않은 더 높은 효율이 높은 정전압을 발생시키는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 배터리 팩의 배터리 셀(Cell) 중 가장 많은 문제가 나타나는 1번 배터리 셀(+단)과 마지막 셀(-단)의 손상(Damage)을 덜어 주고 다른 배터리 셀(Cell)과 다르게 나타나는 전압 이상 현상을 보상해 주는 효과를 얻을 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이상 전압 완화 장치(100)의 개념을 보여주는 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 정전압 회로(120)의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 배터리 팩(140)을 구성하는 배터리 셀(340-1 내지 340-n)의 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 방전시 이상 전압 완화 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이상 전압 완화 장치(100)의 개념을 보여주는 구성도이다. 도 1을 참조하면, 상기 이상 전압 완화 장치(100)는, 배터리 팩(140)과, 이 배터리 팩(140)을 전기적으로 보호하는 배터리 보호 회로(130)와, 상기 배터리 팩(140)의 충전 및/또는 방전시 나타나는 서지(surge), 리플(ripple) 등과 같은 이상 전압의 발생을 감소시켜 배터리 팩(140)과 배터리 보호 회로(130)의 전기적 충격을 방지하는 정전압 회로(120)와, 이 정전압 회로(120)를 제어하는 BMS(Battery Management System) 등을 포함하여 구성된다.
우선 배터리 팩(140)을 구성한다. 배터리 팩(140)은 하나의 배터리 셀(Cell) 당 전압은 3.2V로 16Cell을 직렬로 연결하면 48V용 배터리 팩이 구성되고 24Cell을 직렬로 연결하면 72V용 배터리 팩이 구성이 된다. 물론, 이러한 직렬 방식 이외에도 배터리 팩(140)에 구성되는 배터리 셀은 직렬 및/또는 병렬로 구성될 수 있다.
또한, 배터리 셀의 용량을 20Ah ~ 300Ah 등 여러 개의 용량을 갖는 배터리로 구성을 할 수 있다.
여기서, 배터리 팩은 리튬인산철(LiFePO4) 배터리가 되나, 이에 한정되는 것은 아니며 니켈수소(Ni-mh) 배터리, 리튬 이온(Li-ion) 배터리, 니켈 카드늄(Ni-Cd) 배터리 등이 사용될 수 있다.
또한, 정전압 회로(120)의 (+)단과 배터리 팩(140)의 (+)을 연결하고 정전압 회로(120)의 (-)단과 배터리 팩(140)의 (-)단을 연결한다.
부연하면, 상기 정전압 회로(120)의 (+) 단과 배터리 팩(140)의 첫 번째 배터리 셀(+)단이 연결되고, 상기 정전압 회로의 (-)단과 배터리 팩(140)의 마지막 번째 배터리 셀(-)단이 연결된다.
도 2는 도 1에 도시된 정전압 회로(120)의 구성을 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 정전압 회로(120)는, 상기 배터리 팩(140(과 연결되어 상기 배터리 팩(140)의 이상 전압을 평활하도록 병렬 연결되는 다수의 콘덴서(220)와, 정전압으로 변환하여 상기 배터리 팩(140)과 상기 배터리 보호 회로(130)의 전기적 충격을 방지하는 정전압 소자(230) 등으로 구성된다.
다수의 콘덴서(220)는 제 1 콘덴서(220-1), 제 2 콘덴서(220-2) 내지 제 n 콘덴서(220-n))로 구성되며 병렬로 연결된다.
또한, 다수의 콘덴서(220)는 ㎌ 단위의 전해 콘덴서로서 100개 이상을 병렬로 연결하여 구성된다. 전해 콘덴서로는 건식 전해 콘덴서, 고체 전해 콘덴서, 무극성 전해 콘덴서, 박형 전해 콘덴서, 및 소결형 콘덴서 등이 사용될 수 있다.
일반적으로 전해 콘덴서는 일반 콘덴서와 달리 작은 크기로 큰 용량을 얻기 위해 화학 작용으로 전기를 저장하는 역할을 수행한다.
따라서, uF단위의 콘덴서를 100개 이상 병렬로 연결을 하여 콘덴서의 충전 시간을 길게 하면 리플(Ripple) 전압, 서지 전압 등과 같은 이상 전압을 감소시키는 것이 가능하다.
또한, 정전압 소자(230)로는 제너다이오드 등이 사용될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 배터리 팩(140)을 구성하는 배터리 셀(340-1 내지 340-n)의 개념도이다. 도 3을 참조하면, 배터리 팩(140)에는 제 1 배터리 셀(340-1), 제 2 배터리 셀(340-2) 내지 제 n 배터리 셀(340-n) 등이 구성된다.
도 3에 도시된 배터리 팩(140)은 다수의 배터리 셀이 직렬로 구성되어 하나의 패키지처럼 구성된 형태이다. 예를 들면, 20개의 배터리 셀로 구성될 수 있다. 물론, 본 발명에서는 다수의 배터리 셀이 직렬로 연결되는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 직렬 및/또는 병렬로 배터리 셀을 구성하는 것도 가능하다.
100: 이상 전압 완화 장치
110: BMS(Battery Management System)
120: 정전압 회로
130: 배터리 보호 회로
140: 배터리 팩
220-1 내지 220-n: 콘덴서
230: 정전압 소자
340-1 내지 340-n: 배터리 셀

Claims (3)

  1. 배터리 팩;
    상기 배터리 팩을 이상 전압으로부터 보호하는 배터리 보호 회로;
    상기 배터리 팩과 연결되어 상기 배터리 팩의 이상 전압을 평활하도록 병렬 연결되는 다수의 콘덴서와, 정전압으로 변환하여 상기 배터리 팩과 상기 배터리 보호 회로의 전기적 충격을 방지하는 정전압 소자를 갖는 정전압 회로; 및
    상기 정전압 회로를 제어하여 정전압을 생성하도록 하는 BMS(Battery Management System);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방전시 이상 전압 완화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    다수의 콘덴서는 ㎌단위의 전해 콘덴서로서 100개 이상으로 연결되어 콘덴서의 충전 시간을 길게 하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방전시 이상 전압 완화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 리튬인산철(LiFePO4) 배터리이며, 상기 정전압 회로의 (+) 단과 배터리 팩의 첫 번째 배터리 셀(+)단이 연결되고, 상기 정전압 회로의 (-)단과 배터리 팩의 마지막 번째 배터리 셀(-)단이 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방전시 이상 전압 완화 장치.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230116149A (ko) * 2022-01-27 2023-08-04 주식회사 모큐라텍 무인 비행체의 비행시간 향상을 위한 배터리 충방전 시스템

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