KR20210119107A - 리튬이온 배터리가 체결된 납축전지 - Google Patents

Abstract

본 발명의 리튬이온 배터리가 체결된 납축전지는 고체 전해질의 리튬이온 배터리가 체결되거나 일체형으로 결합되어 있어, 차량의 보닛에 설치되어 있다. 엔진구동중에는 항상 리튬이온 배터리가 충전되고 방전하지 않는 수단과 납축전지의 전압센서의 전압이 일정값 이하이면, 리튬이온 배터리의 전기를 납축전지에 공급하지만, 일정용량 이하이면 공급을 차단하는 수단을 포함한다.

Description

리튬이온 배터리가 체결된 납축전지{Intergrated a lead storage battery and a lithium ion battery}

본 발명은 보조 배터리를 포함하는 납축전지에 관한 것으로, 특히 보닛에 함께 설치가능하며, 배터리의 충전 방전을 제어하는 수단을 포함하는 리튬이온 배터리가 일체형으로 체결된 납축전지에 관한 것이다.

리튬이온 배터리는 휘발성 액체 전해질을 사용하는데다 인화성이 높은 리튬 을 사용해 태생적으로 화재 위험성을 안고 있다. 최근에는 IT 기기와 전기자동차가 고성능화되면서 리튬이온 배터리 에너지 밀도와 전압도 높아져 발화 위험성이 커지 고 있다. 실제 스마트폰, 전기자동차, 전동킥보드, 에너지저장장치(ESS) 등에서 배 터리 화재 사고가 심심치 않게 발생한다.

이러한 이유로 리튬이온 배터리를 보조 배터리로 사용할 경우에는 차량의 트 렁크나 시트 밑에 배치하고 있다.

일본 공개 특허 2017-188972의 점프 스타터 및 점프 스타터의 충전방법에서 는, 점프 스타터는 액체 전해질의 리튬이온 배터리와 배터리의 전류를 점프 스타터 단자로 연결하는 입출력회로 및 전체 동작을 제어하는 제어부로 구성한다. 여기서 충전하고, 발전기로 흐르는 역전류를 바로 차단하지 않고 제어부를 통해서 리튬이온 배터리를 충전하고 역전류 시간이나 배터리의 충전량을 제어하여 리튬이온 배터리의 폭발의 위험성을 피하고 안전성을 확보하고 있다. 그리고 액체 전해질의 리튬이온 배터리 를 포함하는 점프 스타터는 열에 약하기 때문에 납축전지와 함께 차량의 보닛내에 설치할 수 없다.

따라서 점프 스타터용 보조 배터리를 별도의 공간에 설치하는 불편함을 해소 하기 위한 노력이 필요하다.

다른 종래 기술로는 특허 등록번호 101786347(2017.10.10)의 "점프 스타트를 위한 차량의 전력 시스템"에서는 외부 전원을 이용한 보조 배터리를 사용하는 것으 로, 제어기는 보조 배터리의 출력전압을 감시하고 전압의 크기를 판단해서 보조 배 터리를 방전 및 충전시킨다. 여기서 보조 배터리의 과방전을 방지하기 위해서 점프 스타트용 전원 연결 단자와 제1릴레이의 턴온을 위한 제어단이 재접속 스위치에 전 기적으로 연결되어 있어야 한다.

여기서 알 수 있듯이 이 특허에서는 과방전을 방지하기 위해서 복잡한 구성 을 취하고 있다. 이를 보다 효과적으로 할 수 있는 구성이 필요하다.

또 다른 실시 예로서, 특허 등록 10-1870727(등록일자 2018년06월19일의 " 차량용 보조 전원 공급 장치, 그를 이용한 차량 배터리 상태 정보 제공 방법 및 시 스템"는, 차량용 보조 전원 공급 장치, 그를 이용한 차량 배터리 상태 정보 제공 방법 및 시스템에 관한 것으로, 그 보조 전원 공급 장치는 발전기에 납축전지(메인 배터리)와 병렬로 연결되어 상기 발전기의 전기 에너지를 공급 받아 충전되며 차량내 전자 기기에 전원을 공급하기 위해 방전되는 충전지, 및 휴대용 단말기와 통신하여 충전지의 상태 정보를 휴대용 단말기로 전송하기 위한 근거리 통신 모듈을 포함하고, 휴대용 단말기로 전송되는 상태 정보는 충전지로 입력되는 전압에 대한 정보를 포함하며, 충전지 입력 전압을 이용하여 납축전지 전압을 구하는 것입니다.

여기서 충전지는 발전기와 병렬로 연결되어 있으며, 즉 직접 연결되어 있다. 납축전지와 충전지, 예 리튬이온 배터리는 서로 연결되어 있지 않다. 따라서, 보조 배터리인 리튬이온 배터리와 메인 배터리인 납축전지가 상호 보완하는 하는 수단이 없다.

엔진 작동시에는 발전기로 부터 전기를 공급받기 때문에 문제점이 없으나, 무시동으로 전기 장치를 사용할 경우에 보조 배터리가 먼저 완전 방전되거나 납축 전지가 완전 방전되지 않도록 이를 보안할 수 있는 수단이 필요하다.

본 발명은 상술한 종래 기술에서 더 필요한 기능이나 수단을 제공하고자 한다.

먼저, 본 발명의 한 목적은 보조 배터리를 별도의 공간에 설치하지 않고 기 존 납축전지와 체결해서 설치하거나 납축전지 내에 일체로 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 엔진 구동중에는 항상 리튬이온 배터리가 충전되나 방전은 하지 않고 또한 과방전을 방지하는 수단에서 구성을 보다 단순화 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 무시동으로 전기 장치나 전기 기기를 사용할 경우에, 납축전지의 전압을 모니터링하여 완전방전 전에 보조 배터리의 전력을 공급하는 수단을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 납축전지의 전기를 끌어 쓸 수 있는 수단을 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 과제들을 달성하기 위한 리튬이온 배터리가 체결된 납축전 지에 관한 것으로, 납축전지는 고체 전해질의 리튬이온 배터리가 체결되거나 일체 형으로 결합되어 있어, 차량의 보닛에 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 양호한 실시 예에서는 엔진 구동중에는 항상 리튬이온 배터리가 충전되고 방전하지 않는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 양호한 실시 예에서는 납축전지의 전압센서의 전압이 일정값 이하 이면, 리튬이온 배터리의 전기를 납축전지에 공급하지만, 일정용량 이하이면 공급 을 차단하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 양호한 실시 예에서는 리튬이온 배터리의 케이스에 납축전지의 전 기를 직접 끌어 쓸 수 있는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단에 의해서 본 발명의 리튬이온 배터리가 체결된 납축전지는 보조 배터리를 별도의 공간에 설치하지 않고 기존 납축전지와 체결해서 설치하거나 일체로 제공하여 차량의 공간의 활용성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다른 효과는 간단한 수단으로 리튬이온 배터리와 납축전지의 충전 방전을 제어할 수 있다. 그리고 납축전지의 전기를 쉽게 끌어 쓸 수 있다.

도 1은 본 발명의 리튬이온 배터리가 체결된 납축전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 리튬이온 배터리와 납축전지 체결시의 전기 연결의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 리튬이온 배터리의 충전하는 과정을 설명하는 플루우 챠트이다.
도 4는 본 발명의 리튬이온 배터리의 충전하는 과정을 도시하는 플루우 챠트이다.

본 발명에 따른 리튬이온 배터리가 체결된 납축전지의 상기 과제를 해결하기 위한 기술적 구성을 비롯한 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시 예가 도시된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명 이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 즉 본 발명의 리튬이온 배터리가 체결된 납축전지에는 필수적 요소이나 본원 발명의 특징 구성과 관련없는 구성요소는 설명을 생략하기로 한다. 그리고 구조상 대칭인 경우에 한쪽에 대해서만 설명한다. 다른 쪽의 구조도 동일하게 적용될 것이다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발 명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관 하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

리튬이온 배터리는 휘발성 액체 전해질을 사용할 경우에 배터리의 폭발 위험 성이 있어서, 기존 납축전지와 같이 차량의 보닛에 설치할 수 없었지만, 고체 전해 질 리튬이온 배터리가 개발이 완성되었다. 휘발성 액체 전해질의 리튬이온 배터리 대신에 폭발위험성이 없는 고체 전해질 리튬이온 배터리는 외부 충격에 의한 파손 시 누액이나 폭발의 위험성이 없고, 고온이나 고전압 상황에서도 높은 에너지 밀도 유지가 가능하다.

따라서, 도 1에 도시한 바와 같이, 납축전지(1)의 한쪽에 리튬이온 배터리(2)가 일체형으로 제공되어 있다. 이 경우에는 납축전지(1)에 리튬이온 배터 리(2)가 장착될 공간을 두고 제작되어야 한다. 이와 달리 별도로 제작해서 납축전 지(1)의 6면중 하나의 면에 리튬이온 배터리(2)를 체결해서 사용할 수 있다. 리튬 이온 배터리(2)는 무시동시 납축전지의 전기를 끌어 쓸 수 있는 수단인 전기 장치 나 전기기기에 전기를 공급하기 위한 출력단자(21)를 포함하는 케이스를 포함한다. 케이스는 리튬이온 배터리(2)를 외부의 환경으로부터 보호하는 기능을 한다. 출력단자(21)는 리튬이온 배터리(2)에 접속되어 있지 않고 납축전지(1)에 직접 연결되어 있으며, 시거잭, USB 포트, 콘센트중 어느 하나일 수 있다.

본 발명에서는 리튬이온 배터리(2)를 고체 전해질을 사용했기 때문에, 차량 의 보닛에 기존 납축전지(1)와 함께 설치해도 안정상의 문제점은 전혀 없다.

차량 시동이 걸리면 엔진이 회전하고 엔진에 연결된 발전기에서 생성된 전기는 납축전지(1)에 충전되고, 충전된 전력은 전기 장치, 예를 들어 차량의 시동, 점 등 및 좌석의 통풍과 온열, 블랙박스, 내비게이션, 또한 인버터를 통해서 선풍기, 냉장고, 온장고 및 인덕션에 전기를 공급한다. 통상적으로 차량에 쓰는 납축전지는 일반 승용차에 쓰는 것은 보통 60Ah를 쓰고 RV차량에는 90Ah를 쓴다. 발전기로부터 전력을 공급받지 못한 상태(무시동)에서는 통상적인 전기 장치를 사용할 경우에는 빨리, 예를 들어 약 30분 후 완전 방전될 수 있다.

본 발명의 도 2를 참조하면, 주 배터리인 납축전지(1)의 완전 방전을 방지하 고 적어도 차량 시동이 가능한 용량을 유지하는 보조배터리인 리튬이온 배터리(2) 의 연결관계가 도시되어 있다. 납축전지(1)는 기존의 납축전지이며, 리튬이온 배터 리(2)는 고체 전해질 리튬이온 배터리이다. 납축전지(1)와 리튬이온 배터리(2) 사 이에는 BMS(3)(배터리 관리시스템)가 연결되어 있다. BMS는 설정한도를 초과하거나 고장이 발생하면 연결을 차단하는 기능을 한다. 그리고 BMS(3)는 통신수단에 연 결되어 있다. 통신수단은 차량의 CAN 버스(Controller Area Network)와 블루투스를 통한 휴대폰과의 연결을 포함한다. 본 발명은 리튬이온 배터리(2)의 용량을 승용 차인 경우에 예를 들어 약 10A로 그리고 화물차인 경우에는 20A로 설정해둔다. 용량설정은 다음과 같은 조건을 감안해서 한다. 가능한 납축전지(1)의 크기에 비해서 작게 해서 납축전지(1) 일부에 리튬이온 배터리(2)를 체결할 수 있어야 한다. 또한 납축전지(1)가 방전되기 전에 일정량을 납축전지(1)로 전력을 공급하고 운전자에게 알림하고, 운전자는 이를 확인하고 시동을 해서 발전기를 돌려서 다시 납축전지(1) 를 충전할 수 있어야 한다. 그리고 운전자가 정해진 시간 동안 시동을 걸지 않으면, BMS는 리튬이온 배터리(2)에서 시동을 걸 수 있는 용량, 예를 들어서 약 3A에 도달하면 납축전지(1)로 전력을 공급하지 않고 차단한다. 이 경우에 납축전지(1)는 완전 방전하게 되고 납축전지(1)로는 시동을 걸 수 없다. 납축전지(1)로 시동이 안 걸리면, 운전자는 BMS에 블루투스 연결된 핸드폰이나 차 량의 설정 디스플레이에서 명령을 주어 납축전지(1)에 리튬이온 배터리(2)를 연결 해서 시동 전력을 공급해서 엔진 시동을 걸 수 있게 한다.

또한 무시동시 외부 전기기기에 전기를 공급하기 위한 출력단자(21)를 포함 하기 때문에 이를 이용해서 납축전지(1)와 전기기기를 사용할 수 있다. 종래에서는 점프선을 납축전지(1)의 - +단자에 직접연결해서 사용했지만, 본원에서는 양호하게 시거잭을 이용해서 쉽게 전기기기를 이용할 수 있다. 여기서 용어 전기기기와 전기 장치를 구별하여 사용하고자 한다. 전기 장치는 기존에 차량의 운행과 유지에 필요 한 것을 총칭하며, 전기기기는 차량 운행과 유지에 필요없는 주로 캠핑에 이용할 수 있는 것을 총칭한다. 이렇게 하면 운전자는 무시동시에도 손쉽게 전기기기를 이 용할 수 있다.

도 3를 참조하면, 본 발명의 리튬이온 배터리(2)로 충전되는 과정을 플루우 차트로서 도시하고 있다. 시동이 걸리면 엔진이 회전하고 발전기가 가동해서 전력을 생성하여 납축전지(1)를 충전하다. 납축전지(1)에 충전된 전기는 전기 장치로 방전되고 남은 전력은 리튬이온 배터리(2)를 충전시킨다. BMS(3)는 엔진 구동중에 는 항상 리튬이온 배터리가 충전되고 방전하지 않는 수단을 포함한다. 리튬이온 배 터리(2)가 완전충전되면 BMS(3)에 의해 충전을 차단한다. 이 경우에 리튬이온 배터 리(2)와 납축전지(1)는 전기적으로 차단되어 있다. 이때 항상 리튬이온 배터리가 충전되고 방전하지 않지 않는다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 리튬이온 배터리(2)에서 방전되는 과정을 플루우 차트로서 도시하고 있다. 엔진을 끄고 전기 장치나 전기 기기를 이용하면 납축 전지(1) 용량을 점점 줄어든다. 이를 전압 센서에 의해 전압을 감지하면 확인할 수 있다. 전압센서에서 납축전지(1)의 전압이 승용차인 경우에는 11V 이하로 내려갈 경우에, BMS(3)는 리튬이온 배터리(2)와 납축전지(1)를 연결하여 리튬이온 배터리(2)의 전기를 납축전지(1)로 공급한다. 동시에 운전자에게 블루투스를 통해 서 핸드폰 또는 차량에 설치된 알람을 통해서 납축전지(1)의 완전방전 메세지를 전 달한다. 운전자는 즉시 시동을 걸어서 납축전지(1)와 리튬이온 배터리(2)를 충전한 다. 이 경우에는 도 3의 충전과정을 시작하게 될 것이다. 운전자가 시동을 걸지 않 으면 리튬이온 배터리(2)는 방전이 계속되어 일정 용량이하로 떨어질 것이다. 이때 일정용량, 예를 들어서 최소한 차량의 시동을 걸 수 있는 정도의 용량 이하로 떨어 지면, 리튬이온 배터리(2)의 방전을 차단하고, 납축전지(1)로부터 전기장치로의 전 기의 공급을 차단한다. 결론적으로 납축전지(1)가 완전 방전되어도 리튬이온 배터리(2)는 점프 스타트를 할 정도의 용량은 항상 유지하고 있다.

BMS(3)를 통해서 납축전지(1)에서 리튬이온 배터리(2)로 충전과 리튬이온 배터리(2)에서 납축전지(1)로 방전을 제어한다. BMS(3)는 통신수단을 통해서 전압센 서와 운전자의 핸드폰 및 차량의 알람 장치에 블루투스나 CAN 통신으로 연결되어 있다. 일반적으로 BMS(3)는 개별 셀의 전압을 모니터링하고, 일부 시스템은 셀 온 도 및 전류도 측정합니다. 셀 온도에 약간의 차이를 기록하면 문제를 알 수 있게 해주고 주어진 부하에서 각 셀의 전압강하를 측정하면 셀저항을 알 수 있다. 건조, 부식, 극판 분리 및 다른 오작동을 확인할 수 있다. 그리고 배터리의 잔여 에너지량을 표시하고 충방전시에 보호기능을 하며 과방전을 방지하며, 설정한도를 초과하거나 고장이 발생하면 배터리 연결을 차단한다.

본 발명에서는 일반적인 BMS(3)에 납축전지(1)의 전압센서를 연결하여, 이 전압센서의 값일 일정값 이하, 즉 승용차인 경우에 11V이하 이면 리튬이온 배터리(2)의 전기를 납축전지(1)에 공급하고, 일정용량 이하이면 공급을 차단하는 수단을 제공한다. 이렇게 함으로써 기 존의 BMS(3)의 회로에서 본 발명의 수단에 대한 회로를 추가하는 것으로 본 발명을 달성할 수 있다.

통상적으로 엔진시동을 10분 내지 20분정도면 납축전지(1)와 리튬이온 배터 리(2)는 완충된다. 배터리를 단순히 충전하기 위해서라면 공회전보다는 일정 속도 이상으로 주행하는 것이 배터리 뿐만 아니라 자동차 전체의 균형 잡힌 전기에너지 공급을 위해서라도 더 현명하다.

따라서 무시동으로 전기장치를 이용해도 납축전지(1)가 완전 방전될 우려가 없고, 배터리의 수명도 연장할 수 있다. 또한 겨울철이나 납축전지(1)의 노후화로 완전 방전이 되더라도 차량을 시동을 걸고 차량을 운행해서 원하는 배터리점에서 배터리를 교체할 수 있다. 즉 배터리 완전 방전으로 차량회사나 보험회사의 서비스 를 이용할 필요가 없게 된다.

이상에서 본 발명의 구체적인 실시예를 예로 들어 설명하였으나, 이들은 단 지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니 다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 치환, 변형 및 변 경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다

1: 납축전지
2: 리튬이온 배터리
3:BMS

Claims (4)

1. 리튬이온 배터리가 체결된 납축전지로서,
   상기 납축전지는 고체 전해질의 리튬이온 배터리가 체결되거나 일체형으로 결합되어, 차량의 보닛에 설치되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리가 체결된 납축전지.
2. 제1항에 있어서,
   엔진 구동중에는 항상 상기 리튬이온 배터리가 충전되고 방전하지 않는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리가 체결된 납축전지.
3. 제1항에 있어서,
   상기 납축전지의 전압센서의 전압이 일정값 이하이면, 리튬이온 배터리의 전기를 납축전지에 공급하지만, 일정용량 이하이면 공급을 차단하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리가 체결된 납축전지.
4. 제1항에 있어서,
   상기 리튬이온 배터리의 케이스에 납축전지의 전기를 직접 끌어 쓸 수 있는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리가 체결된 납축전지.

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