KR20180104873A - 리튬 배터리 보호 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부로부터 공급되는 전원을 통하여 충전되며, 충전된 전원을 방전시켜 외부로 출력하는 리튬 계열의 배터리모듈; 외부로부터 공급되는 전원을 통하여 충전되며, 충전된 전원을 방전시켜서 외부로 출력하는 슈퍼캐퍼시터; 외부로부터 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터를 충전시키고, 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 방전 시 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 충전 및 방전 기능을 수행하는 양방향 인버터; 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 전압과 전류 및 온도를 측정하여 관리하고, 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 충전 및 방전 동작을 제어하는 BMS(Battery Management System); 상기 BMS의 상기 배터리모듈 및 슈퍼캐퍼시터 충전 및 방전 동작 제어 환경을 설정하며, 상기 BMS의 제어 신호에 따라 상기 인버터의 동작을 제어하여 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 충전 및 방전 동작을 제어하는 컨트롤러; 태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양광패널; 및 상기 태양광패널로 변환된 전기에너지로 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터를 충전시키도록 하는 MPPT 차져;를 포함한다. 본 발명에 따르면, 리튬 계열의 배터리를 야간 뿐만 아니라 주간에서도 충전할 수 있도록 함으로써 충전 효율을 높이는데 기여할 수 있다.

Description

리튬 배터리 보호 시스템{Lithium battery protection system}
본 발명은 리튬 배터리 보호 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리튬 계열의 배터리의 충전 효율을 높이고, 전력 계통으로부터 공급되는 전압의 불안정에 대하여 리튬 계열의 배터리를 제대로 보호하는 리튬 배터리 보호 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 주 전원이 상실되었을 때 설비 또는 부하가 지속적으로 동작할 수 있도록 전원을 공급하는 장치로 무정전 전원공급장치(Uninterruptible Power Supply, UPS)가 있다. 또한, 전력을 저장하였다가 전력 소모가 많은 피크 시간대에 저장된 전력을 공급하여 사용할 수 있도록 하는 장치로서 에너지 저장 장치(Energy Storage System; ESS)가 있는데, 이러한 무정전 전원공급장치 및 에너지 저장 장치는 비상 또는 유휴 전력을 이용하여 전력을 안정적으로 공급할 수 있도록 한다는 점에서 최근에 부각되고 있는 장치 중 하나이다.
이러한 무정전 전원공급장치나 에너지 저장 장치는 일반적으로 인버터나 절체스위치 등의 전력변환모듈과, 변압기 및 필터, 컨트롤러, 축전지부 등으로 구성된다. 종래에는 전력을 저장하는 축전지로 납축전지가 주로 이용되었으나, 근래에는 수명, 무게 크기 등에서 큰 장점이 있는 리튬이온이나 리튬 폴리머 등의 리튬 계열 배터리가 주로 이용된다.
리튬 계열의 배터리는 통상 5℃~40℃의 조건에서 충전이 이루어지는데, 영하에서의 충전은 전지 내 리튬 이온의 화학 반응성이 현저히 떨어지기 때문에 배터리의 노화를 가져오게 된다. 따라서, 동절기나 추운 지역에서는 영하권에서 배터리 충전이 가능하도록 배터리 온도를 충전 가능한 온도로 유지하기 위한 히터 장치를 시스템에 추가하게 되는데, 이러한 히팅 장치의 추가는 시스템의 구성을 복잡하게 하고 제작 비용이 많이 소요되며 시스템의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다. 리튬 계열의 배터리는 복수의 셀을 직렬로 연결하여 전압을 높여서 사용하게 되는데, 이때 셀 간 전압, 전류, 온도 등을 관리하기 위하여 BMS(Battery Management System)가 사용된다.
이와 같은 종래 리튬 계열의 배터리에 대한 문제점을 해소하기 위하여, 한국등록특허 제10-1674855호의 "저온 환경에서의 리튬 배터리 보호 시스템"이 제시된 바 있는데, 이는 외부로부터 공급되는 전원을 통하여 충전되며, 충전된 전원을 방전시켜 외부로 출력하는 리튬 계열의 배터리모듈과; 외부로부터 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 배터리모듈을 충전시키고, 배터리모듈의 방전 시 배터리모듈의 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 충전 및 방전 기능을 수행하는 양방향 인버터와; 상기 배터리모듈의 전압과 전류 및 온도를 측정하여 관리하고, 배터리모듈의 충전 및 방전 동작을 제어하는 BMS와; 상기 BMS의 배터리모듈 충전 및 방전 동작 제어 환경을 설정하며, 상기 BMS의 제어 신호에 따라 인버터의 동작을 제어하여 배터리모듈의 충전 및 방전 동작을 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 리튬 배터리 보호 시스템으로서, 상기 컨트롤러에는 상기 컨트롤러 및 BMS의 동작 환경을 설정하고 표시하는 설정부 및 표시부와, 상기 BMS를 통하여 측정되는 배터리모듈의 상태가 비정상인 경우 이를 외부로 경고하는 경보 제공부와, 상기 BMS의 배터리모듈 제어 신호에 따라 인버터의 동작을 제어하는 인버터동작제어부와, 외부로부터 전원을 공급받아 상기 컨트롤러 및 BMS에 동작 전원을 공급하는 전원부가 구비되되, 상기 전원부에는 외부로부터 공급되는 AC INPUT 전원과 부하로 전원을 공급하는 AC OUTPUT 전원 및 인버터의 정류 전원을 입력받는 전원 입력모듈과, 상기 전원 입력모듈을 통하여 입력되는 전원 중 어느 하나의 전원을 컨트롤러 및 BMS에서 사용 가능한 전원으로 변환하는 동작전원 변환모듈과, 상기 동작전원 변환모듈을 통하여 변환된 전원을 BMS에 동작 전원으로 공급하여 BMS에서 배터리모듈의 전원을 소모시키지 않고 동작될 수 있도록 해주는 BMS 전원 공급모듈이 구비된다.
그러나, 이와 같은 종래 기술은 리튬 계열의 배터리를 야간에서만 충전할 수 밖에 없으므로 충전 효율을 높이는데 한계를 가지고, 전력 계통으로부터 공급되는 전압의 불안정에 대해서 리튬 계열의 배터리를 제대로 보호하지 못하는 문제점을 가지고 있었다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 리튬 계열의 배터리를 야간 뿐만 아니라 주간에서도 충전할 수 있도록 함으로써 충전 효율을 높이는데 기여하고, 전력 계통으로부터 공급되는 전압의 불안정에 대하여 리튬 계열의 배터리를 제대로 보호하며, 이로 인해 배터리의 라이프 사이클을 유지 내지 연장시키는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시례에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 외부로부터 공급되는 전원을 통하여 충전되며, 충전된 전원을 방전시켜 외부로 출력하는 리튬 계열의 배터리모듈; 외부로부터 공급되는 전원을 통하여 충전되며, 충전된 전원을 방전시켜서 외부로 출력하는 슈퍼캐퍼시터; 외부로부터 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터를 충전시키고, 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 방전 시 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 충전 및 방전 기능을 수행하는 양방향 인버터; 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 전압과 전류 및 온도를 측정하여 관리하고, 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 충전 및 방전 동작을 제어하는 BMS(Battery Management System); 상기 BMS의 상기 배터리모듈 및 슈퍼캐퍼시터 충전 및 방전 동작 제어 환경을 설정하며, 상기 BMS의 제어 신호에 따라 상기 인버터의 동작을 제어하여 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 충전 및 방전 동작을 제어하는 컨트롤러; 태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양광패널; 및 상기 태양광패널로 변환된 전기에너지로 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터를 충전시키도록 하는 MPPT 차져;를 포함하는, 리튬 배터리 보호 시스템이 제공된다.
상기 컨트롤러는, 상기 외부로부터 공급되는 전원에서 써지전압과 고전압의 +15% 범위와 새그전압과 저전압의 -30% 범위 내에서 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 충전 및 방전 동작을 제어하도록 관리할 수 있다.
상기 콘트롤러는, 상기 컨트롤러 및 상기 BMS의 동작 환경을 설정하고 표시하는 설정부 및 표시부; 상기 BMS를 통하여 측정되는 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 상태가 비정상인 경우 이를 외부로 경고하는 경보 제공부; 상기 BMS의 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터 제어 신호에 따라 상기 인버터의 동작을 제어하는 인버터동작제어부; 및 외부로부터 전원을 공급받아 상기 컨트롤러 및 상기 BMS에 동작 전원을 공급하는 전원부;를 포함하고, 상기 전원부는, 외부로부터 공급되는 AC INPUT 전원과 부하로 전원을 공급하는 AC OUTPUT 전원 및 상기 인버터의 정류 전원을 입력받는 전원 입력모듈; 상기 전원 입력모듈을 통하여 입력되는 전원 중 어느 하나의 전원을 컨트롤러; 상기 BMS에서 사용 가능한 전원으로 변환하는 동작전원 변환모듈; 및 상기 동작전원 변환모듈을 통하여 변환된 전원을 상기 BMS에 동작 전원으로 공급하여 상기 BMS에서 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 전원을 소모시키지 않고 동작될 수 있도록 해주는 BMS 전원 공급모듈;을 포함할 수 있다.
외부로부터 전원을 소요처로 공급하는 전원공급라인 상에 다이오드를 서로 반대방향으로 연결한 정류부의 전단과 후단에 각각 설치되고, 입력전압을 필터링하여 서지전압, 돌입전류 및 EMI(Electro Magnetic Interference)를 제거하는 제 1 및 제 2 EMI 필터; 및 상기 제 1 필터에 설치되고, 서지전압을 억제하는 TVSS(Transient Voltage Surge Suppressor);를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 배터리 보호 시스템에 의하면, 리튬 계열의 배터리를 야간 뿐만 아니라 주간에서도 충전할 수 있도록 함으로써 충전 효율을 높이는데 기여할 수 있고, 전력 계통으로부터 공급되는 전압의 불안정에 대하여 리튬 계열의 배터리를 제대로 보호할 수 있으며, 이로 인해 배터리의 라이프 사이클을 유지 내지 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 리튬 배터리 보호 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 리튬 배터리 보호 시스템의 컨트롤러를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 리튬 배터리 보호 시스템의 시간별 동작을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 리튬 배터리 보호 시스템을 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른 리튬 배터리 보호 시스템(10)은 전원을 충방전하는 리튬 계열의 배터리모듈(300)과, 전원을 충방전하는 슈퍼캐퍼시터(500)와, 교류 전원과 직류 전원을 변환하는 인버터(200)와, 인버터(200)의 동작을 제어하여 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 충전 및 방전 동작을 제어하는 컨트롤러(100)와, 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 상태를 감시하고 관리하는 BMS(Battery Management System; 400)와, 태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양광패널(600)과, 태양광패널(600)의 전기에너지로 배터리모듈(300)과 슈퍼캐퍼시터(500)를 충전시키는 MPPT 차져(Maximum Power Point Tracker Charger; 700)를 포함할 수 있다.
배터리모듈(300)에는 리튬이온 또는 리튬폴리머 등의 리튬 계열 배터리가 구비되는데, 이 리튬 계열 배터리는 통상 5℃∼40℃의 기온 환경에서 충전이 이루어진다. 배터리모듈(300)은 평소 정상 운전 모드(Normal Mode)에서는 충전 상태를 유지하고, 교류 전원에 이상이 발생하는 경우 인버터 운전 모드(Inverter Mode)로 동작하여 배터리모듈(300) 방전을 통하여 인버터(200)에 전원을 공급하게 된다. 즉, 배터리모듈(300)에는 정상 운전 모드의 경우 정전압(CV : Constant Voltage) 및 정전류(CC : constant Currents)가 인버터(200)를 통하여 입력되어 충전되며, 충전이 완료되면 충전을 정지하고 대기 상태를 유지하다가, 배터리모듈(300) 방전에 따라 배터리모듈(300)의 전압이 방전 종지 전압까지 방전되면 다시 인버터(200)를 통하여 정전압 및 정전류를 공급받아 재 충전되게 된다.
슈퍼캐퍼시터(500)는 외부로부터 공급되는 전원을 통하여 충전되며, 충전된 전원을 방전시켜서 외부로 출력하는데, 캐퍼시터(콘덴서)의 성능에서 전기 용량의 성능을 늘린 것으로서, 전지의 목적으로 사용하도록 한 부품. 전자 회로에 사용되어 충전지와 같은 기능을 가진다.
인버터(200)는 컨트롤러(100)의 제어에 따라 외부로부터 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)에 공급함으로써 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)를 충전하거나, 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 방전에 따라 유입되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 외부로 출력하는 양방향 인버터(200)이다. 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)에서 방전되는 전원은 인버터(200)를 통하여 교류 전원으로 변환된 후 변압기를 거쳐 교류 전원을 필요로 하는 부하로 공급(AC OUTPUT)되게 된다. 또한, 인버터(200)는 컨트롤러(100)에 구동 전원을 공급하는 역할도 수행하게 된다.
컨트롤러(100)는 BMS(400)에 전원을 공급하고, BMS(400)의 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500) 충전 및 방전 제어 환경을 설정하며, BMS(400)의 제어 신호에 따라 인버터(200)의 동작을 제어하여 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 충전 및 방전 동작이 이루어지도록 제어하게 된다.
본 발명의 실시예에서 컨트롤러(100)는 평상시 AC INPUT 전원과 AC OUTPUT 전원 및 인버터(200)로부터 전원을 공급받게 되고, 정전시에는 AC OUTPUT 전원 및 배터리모듈(300)로부터 전원을 공급받게 되는데, 이는 정전이나 배터리 충전 불능 또는 방전 등 비상 상황에서도 안정적인 전원이 입력되어야 BMS(400)에 안정적으로 전원을 공급하여 인버터(200)를 정상적으로 제어할 수 있도록 하기 위한 것이다.
컨트롤러(100)는 외부, 예컨대 전력 계통(1)으로부터 공급되는 전원에서 써지전압과 고전압의 +15% 범위와 새그전압과 저전압의 -30% 범위 내에서 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 충전 및 방전 동작을 제어하도록 관리하며, 이로 인해 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 수명 증대를 위한 안정적인 충전 및 방전에 기여할 수 있다.
BMS(400)는 컨트롤러(100)로부터 전원을 공급받아 구동되며, 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 전압과 전류 및 온도 등을 측정하여 관리하고, 배터리모듈(300)의 셀 간 전압 및 전류 밸런스를 수행하는 장치이다. BMS(400)는 측정되는 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 상태에 따라 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 충전 및 방전 동작을 제어하는 신호를 컨트롤러(100)에 전송함으로써, 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 충방전 동작을 제어하게 된다.
BMS(400)는 종래 배터리모듈(300)로부터 전원을 공급받는 대신, 컨트롤러(100)로부터 전원을 공급받아 동작하게 되므로, 배터리모듈(300)의 충전이 불가능한 경우 배터리모듈(300)의 전원을 소모시켜 배터리가 완전히 방전되는 문제를 해결할 수 있도록 하고 있다. 이러한 BMS(400)는 컨트롤러(100)의 IGINITION 신호에 따라 구동된다.
도 2를 참조하면, 컨트롤러(100)에는 컨트롤러(100) 및 BMS(400)의 동작 환경을 설정하는 설정부(120)와, 컨트롤러(100) 및 BMS(400)의 동작 상태를 표시하는 표시부(130)와, BMS(400)를 통하여 측정되는 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500) 상태가 비정상인 경우 이를 경고하는 경보 제공부(140)와, BMS(400)의 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500) 제어 신호에 따라 인버터(200)의 동작을 제어하는 인버터동작제어부(150)와, 외부로부터 전원을 공급받아 컨트롤러(100) 및 BMS(400)에 전원을 공급하는 전원부(160)와, 컨트롤러(100)를 통하여 설정되고 측정되는 데이터가 저장되는 메모리부(190)와, 상기의 각 구성부 동작을 제어하는 중앙제어부(110)가 구비된다.
설정부(120)는 컨트롤러(100)의 동작 환경 뿐만 아니라 BMS(400)의 동작 제어 환경도 설정하게 되는데, 이 설정부(120)를 통하여 설정되는 BMS(400)의 배터리모듈(300) 및 슈퍼커패시터(500) 동작 제어 환경으로는 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 충전가능 온도범위, 충전이 불가능한 저온 온도와, 배터리 과보호를 위한 방전종지전압/SHUTDOWN 전압/BATTERY LOW VTG PROTECTION 전압 등이 설정된다. 설정부(120)를 통하여 설정되는 제어 환경에 따라 BMS(400)는 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 상태를 감시하여 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 동작을 제어하게 된다. 표시부(130)는 설정부(120)를 통하여 설정되는 컨트롤러(100) 및 BMS(400)의 동작 제어 환경 정보와, 컨트롤러(100) 및 BMS(400)의 동작 상태 정보, 배터리모듈(300)의 상태 정보 등이 표시된다.
경보 제공부(140)는 BMS(400)를 통하여 감시되는 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 상태에 오류가 발생하는 경우, 이를 경고하는 장치로서, 경보 제공부(140)는 BMS(400)를 통하여 파악되는 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 온도가 정상 범위에 있지 않거나, 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500) 전압이 정상 범위에 있지 않은 경우, 이를 부저나 램프 등을 통해 경고하게 된다.
인버터 동작제어부(150)는 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 상태를 감시하는 BMS(400)로부터 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500) 제어 신호를 전송받아 인버터(200)의 동작을 제어함으로써 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 충방전 동작을 제어하게 된다. 본 발명의 일 실시예에서 인버터 동작제어부(150)는 소프트웨어 및 하드웨어를 통하여 BMS(400)로부터 전송되는 제어 신호에 따라 인버터(200)의 동작을 제어하게 된다. 즉, 인버터 동작제어부(150)는 BMS(400)로부터 배터리 고장 또는 BMS(400) 고장 신호가 입력되면, 인버터(200) 내부 또는 이와 연계된 DC RELAY S/W를 동작시켜 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 충전 또는 방전 운전을 정지하여 시스템을 보호하고, 경보 제공부(140)를 통하여 경고 신호를 발생시키게 된다.
BMS(400)로부터 배터리 충전 가능 온도 이상의 신호가 입력되면 인버터(200)의 충전 동작(PFC PWM 충전모드)을 정지하여 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)를 보호하고, 인버터(200) 내부에 포함된 평활회로부(DC LINK)에서 배터리 전압을 검출하여 상시 감시하고 이상시 충전 방전 운전을 정지하게 된다. 또한, 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 수명을 연장하기 위하여 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 만 충전시 충전 동작을 정지하고, 배터리 전압이 설정 전압(90∼95％)까지 방전되면, 펄스 충전 방식으로 다시 재충전을 반복 수행하게 된다.
전원부(160)는 컨트롤러(100) 및 BMS(400)에 동작 전원을 공급하는 전원공급장치로서, 이 전원부(160)에는 외부로부터 전원이 입력되는 전원 입력모듈(161)과, 입력되는 전원을 컨트롤러(100) 및 BMS(400)에서 사용 가능한 전원으로 변환하는 동작전원 변환모듈(170)과, 동작전원 변환모듈(170)을 통하여 변환된 전원을 BMS(400)에 동작 전원으로 공급하여 BMS(400)에서 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 전원을 소모시키지 않고 동작될 수 있도록 해주는 BMS 전원 공급모듈(180)이 구비된다.
본 발명의 일 실시예에서 전원 입력모듈(161)은 평소 정상적인 운전 모드(Normal Mode) 상태에서 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 전원을 소비하지 않고, 안정적으로 전원을 공급받기 위해 AC INPUT 전원 입력(161a), AC OUTPUT 전원 입력(161b) 및 인버터 전원 입력(161c)을 공급받고, 정전 등의 비정상적인 상황에 따른 인버터 운전 모드(Inverter Mode) 상태에서는 AC OUTPUT 전원 입력(161b) 및 배터리모듈(300)과 슈퍼캐퍼시터(500) 전원 입력(161d)을 공급받게 된다. 이렇게 공급받은 전원 중 상태가 양호한 전원이 동작전원 변환모듈(170)에 의해 컨트롤러(100) 및 BMS(400) 동작 전원으로 변환되며, 변환된 전원은 BMS 전원 공급모듈(180)을 통하여 BMS(400)에 전원을 공급하게 된다. 이와 같이, 전원부(160)에서는 정상 운전 모드에서 AC INPUT 전원과 AC OUTPUT 전원 및 인버터(200)로부터 전원을 공급받기 때문에, 이중 어느 하나의 입력 전원 상태가 양호하지 않더라도 다른 입력 전원을 통하여 안정적으로 전원을 공급받을 수 있어, BMS(400)에 안정적으로 전원을 공급할 수 있게 된다. 또한, 정전 등에 의해 AC INPUT 전원이 공급되지 않는 경우에도, AC OUTPUT 전원 및 배터리모듈(400)과 슈퍼캐퍼시터(500)로부터 전원을 공급받을 수 있기 때문에 무정전 상태로 BMS(400)에 안정적인 전원을 공급할 수 있게 된다.
메모리부(190)는 컨트롤러(100)를 통하여 획득되는 데이터가 저장되는 기억 장치로서, 이 메모리부(190)에는 설정부(120)를 통하여 설정되는 컨트롤러(100)의 동작 환경과, BMS(400)의 메모리 모듈 동작 제어 환경, 예를 들면 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 충전가능 온도범위, 충전 불가능한 저온 온도와, 배터리 과보호를 위한 방전종지전압/SUUTDOWN 전압/BATTERY LOW VTG PROTECTION 전압 등의 정보와, BMS(400)를 통하여 획득되는 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 상태 정보 및 인버터(200)의 구동 정보 등이 저장된다.
BMS(400)는 컨트롤러(100)의 설정부(120)를 통하여 설정된 배터리 동작 제어 환경에 따라 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)의 충전 및 방전 동작을 제어하는 신호를 컨트롤러(100)에 전송하게 된다.
태양광패널(600)은 태양광을 전기에너지로 변환시킴으로써 배터리모듈(300)과 슈퍼캐퍼시터(500)의 충전을 위한 전원을 제공함과 아울러, 소요처, 예컨대 이동통신중계기(2) 등으로 제공하기 위한 전원을 제공할 수도 있다.
MPPT 차져(700)는 태양광패널(600)의 출력전력이 최대인 점(최적 동작점)을 추적하는 제어함으로써, 태양광패널(600)로 변환된 전기에너지로 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)를 충전시키도록 하며, 콘트롤러(100)에 의해 그 동작이 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 리튬 배터리 보호 시스템(10)은 제 1 및 제 2 EMI 필터(820,830)와, TVSS(Transient Voltage Surge Suppressor; 840)를 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 EMI 필터(820,830)는 외부로부터 전원을 소요처, 에컨대 이동통신중계기(1) 등으로 공급하는 전원공급라인 상에 다이오드를 서로 반대방향으로 연결한 정류부(810)의 전단과 후단에 각각 설치되고, 입력전압을 필터링하여 서지전압, 돌입전류 및 EMI(Electro Magnetic Interference)를 제거하도록 한다. 따라서, 제 1 및 제 2 EMI 필터(820,830)는 전원선을 통해 다른 기기에 영향을 주는 외부의 전자기 노이즈를 차단하도록 한다.
TVSS(840)는 제 1 필터(820)에 설치되고, 입력전압으로부터 서지전압을 억제하도록 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 리튬 배터리 보호 시스템의 시간별 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 3을 참조하면, 오후 8시부터 오전 7시까지는 전력 사용량이 적기 때문에 외부 전원을 통해서 배터리모듈(300)에 대한 충전이 수행되고, 오전 7시부터 오전 10시까지는 배터리모듈(300)과 슈퍼캐퍼시터(500)에 대한 에코방전이 수행되며, 태양광을 활용할 수 있는 오전 10시부터 오후 5시까지는 태양광패널(600), 배터리모듈(300) 및 슈퍼캐퍼시터(500)에 대한 방전이 수행되고, 해가 진 오후 5시부터 오후 8시까지는 배터리모듈(300)과 슈퍼캐퍼시터(500)에 대한 에코방전이 수행될 수 있다. 이는 하나의 예시일 뿐, 이와 다르게 활용될 수 있음은 물론이다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 리튬 계열의 배터리를 야간 뿐만 아니라 주간에서도 충전할 수 있도록 함으로써 충전 효율을 높이는데 기여할 수 있고, 전력 계통으로부터 공급되는 전압의 불안정에 대하여 리튬 계열의 배터리를 제대로 보호할 수 있으며, 이로 인해 배터리의 라이프 사이클을 유지 내지 연장시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시례에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 컨트롤러(Controller) 110 : 중앙제어부
120 : 설정부 130 : 표시부
140 : 경보 제공부 150 : 인버터 동작제어부
160 : 전원부 161 : 전원 입력모듈
161a : AC INPUT 전원 입력 161b : AC OUTPUT 전원 입력
161c : 인버터 전원 입력 161d : 배터리 모듈 전원 입력
170 : 동작전원 변환모듈 180 : BMS 전원 공급모듈
190 : 메모리부 200 : 인버터(Inverter)
300 : 배터리 모듈 400 : BMS(Battery Management System)
500 : 슈퍼캐퍼시터 600 : 태양광패널
700 : MPPT 차져 810 : 정류부
820 : 제 1 EMI 필터 830 : 제 2 EMI 필터
840 : TVSS

Claims (4)

  1. 외부로부터 공급되는 전원을 통하여 충전되며, 충전된 전원을 방전시켜 외부로 출력하는 리튬 계열의 배터리모듈;
    외부로부터 공급되는 전원을 통하여 충전되며, 충전된 전원을 방전시켜서 외부로 출력하는 슈퍼캐퍼시터;
    외부로부터 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터를 충전시키고, 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 방전 시 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 충전 및 방전 기능을 수행하는 양방향 인버터;
    상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 전압과 전류 및 온도를 측정하여 관리하고, 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 충전 및 방전 동작을 제어하는 BMS(Battery Management System);
    상기 BMS의 상기 배터리모듈 및 슈퍼캐퍼시터 충전 및 방전 동작 제어 환경을 설정하며, 상기 BMS의 제어 신호에 따라 상기 인버터의 동작을 제어하여 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 충전 및 방전 동작을 제어하는 컨트롤러;
    태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양광패널; 및
    상기 태양광패널로 변환된 전기에너지로 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터를 충전시키도록 하는 MPPT 차져;
    를 포함하는, 리튬 배터리 보호 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 외부로부터 공급되는 전원에서 써지전압과 고전압의 +15% 범위와 새그전압과 저전압의 -30% 범위 내에서 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 충전 및 방전 동작을 제어하도록 관리하는, 리튬 배터리 보호 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 콘트롤러는,
    상기 컨트롤러 및 상기 BMS의 동작 환경을 설정하고 표시하는 설정부 및 표시부;
    상기 BMS를 통하여 측정되는 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 상태가 비정상인 경우 이를 외부로 경고하는 경보 제공부;
    상기 BMS의 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터 제어 신호에 따라 상기 인버터의 동작을 제어하는 인버터동작제어부; 및
    외부로부터 전원을 공급받아 상기 컨트롤러 및 상기 BMS에 동작 전원을 공급하는 전원부;를 포함하고,
    상기 전원부는,
    외부로부터 공급되는 AC INPUT 전원과 부하로 전원을 공급하는 AC OUTPUT 전원 및 상기 인버터의 정류 전원을 입력받는 전원 입력모듈;
    상기 전원 입력모듈을 통하여 입력되는 전원 중 어느 하나의 전원을 컨트롤러;
    상기 BMS에서 사용 가능한 전원으로 변환하는 동작전원 변환모듈; 및
    상기 동작전원 변환모듈을 통하여 변환된 전원을 상기 BMS에 동작 전원으로 공급하여 상기 BMS에서 상기 배터리모듈 및 상기 슈퍼캐퍼시터의 전원을 소모시키지 않고 동작될 수 있도록 해주는 BMS 전원 공급모듈;을 포함하는, 리튬 배터리 보호 시스템.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    외부로부터 전원을 소요처로 공급하는 전원공급라인 상에 다이오드를 서로 반대방향으로 연결한 정류부의 전단과 후단에 각각 설치되고, 입력전압을 필터링하여 서지전압, 돌입전류 및 EMI(Electro Magnetic Interference)를 제거하는 제 1 및 제 2 EMI 필터; 및
    상기 제 1 필터에 설치되고, 서지전압을 억제하는 TVSS(Transient Voltage Surge Suppressor);
    를 포함하는, 리튬 배터리 보호 시스템.
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