KR20220112127A - 이차전지 단락사고 보호장치 - Google Patents

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KR20220112127A
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Abstract

본 발명은 이차전지 단락사고 보호장치에 관한 것으로, 특히 고장전류의 크기에 더해 전류 상승 시정수와 전압 크기를 포함하여 이차전지 계통 내부 고장을 정확히 분석하고 고장전류를 제한하는 이차전지 단락사고 보호장치에 관한 것이다.

Description

이차전지 단락사고 보호장치{APPARATUS FOR SHORT-CIRCLE PROTECTION OF SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차전지 단락사고 보호장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고장전류의 크기에 더해 전류 상승 시정수와 전압 크기를 포함하여 이차전지 계통 내부 고장을 정확히 분석하고 고장전류를 제한하는 이차전지 단락사고 보호장치에 관한 것이다.
최근 각종 설비나 장치에서는 기존의 납축전지 대신 대용량 다병렬 이차전지를 탑재하고 있으며, 이러한 이차전지는 잠수함과 같은 함정에서도 보조 전력원으로 이용되고 있다.
그런데, 이차전지는 그 고유의 특성상 내부 저항이 매우 작다. 따라서, 내부 저항에 반비례하여 고장전류(단락전류)가 커지므로, 고장전류 제한장치를 이용하여 고장전류를 제한할 필요가 있다.
이때, 계통 내 사고 감지는 고장전류 제한장치(단락전류 절환장치)의 정격을 넘어서는 고장전류가 흐르는지의 여부로만 판단하고 있다. 즉, 감시된 전류의 크기가 설정된 정격전류보다 큰 것인지의 여부로 사고를 판단하고 있다.
또한, 보호협조를 위해 고장전류를 바로 차단하는 것이 아니라, 고장전류 제한장치에서 이차전지의 내부저항보다 큰 값의 저항회로를 구비한 경로로 전류가 흐르도록 절환시켜 고장전류의 크기를 제한하고 있다.
따라서, 고장을 분석하고 외부에서 문제가 해소가 되면 고장전류의 경로를 원래대로 하고, 일정 시간이 지나도 해소되지 않아 크기가 큰 전류가 지속해서 흐르는 경우 고장전류를 완전히 차단한다.
그러나, 위와 같은 종래의 기술에 의하면, 다른 차단기로 차단 되지 않는 1차 지락사고나 통상적인 과전류가 단시간 흐르는 경우에도 고장전류 제한장치에서 저항회로로 절체하는 비정상적인 동작을 반복하는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-0637619호 대한민국 공개특허 제10-2011-0118659호
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결학 위한 것으로, 고장전류의 크기에 더해 전류 상승 시정수와 전압 크기를 포함하여 이차전지 계통 내부 고장을 정확히 분석하고 고장전류를 제한하는 이차전지 단락사고 보호장치를 제공하고자 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 이차전지 단락사고 보호장치는 이차전지 계통에서 고장 발생시, 고장 전류의 크기를 제한하는 전류 제한기측으로 경로를 절환시키는 단락전류 절환장치와; 상기 이차전지 계통의 전류값을 측정하는 전류계와; 상기 이차전지 계통의 전압값을 측정하는 전압계; 및 상기 전류계에서 측정된 전류의 상승 시간 및 상기 전압계에서 측정된 전압의 크기를 분석하여 상기 단락전류 절환장치를 스위칭 절환시키는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 단락전류 절환장치는 정상시 온(ON)되고 고장시 오프(OFF)되는 제1 스위칭 반도체를 구비하는 일반전류 경로와; 정상시 오프(OFF)되고 고장시 온(ON)되는 제2 스위칭 반도체를 구비하는 고장전류 경로; 및 상기 고장전류 경로에 설치되는 상기 전류 제한기;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전류 제한기는 상기 고장전류의 크기를 제한하는 한류저항인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어기는 측정된 전류값의 크기를 판독하는 제1 판독부와; 상기 전류값의 크기가 단위 시간당 변화된 시간을 판독하는 제2 판독부; 및 측정된 전압값의 크기를 판독하는 제3 판독부;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 판독부는 상기 고장전류가 상승하는 시정수(τ)가 기준값보다 작은 경우 상기 이차전지 계통 내부에서의 완전단락으로 판단하여 상기 전류 제한기측으로 경로를 절환시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3 판독부는 상기 전압값의 크기가 기준값보다 작은 경우 상기 이차전지 계통 내부에서의 완전단락으로 판단하여 상기 전류 제한기측으로 경로를 절환시키는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명은 고장전류의 크기에 더해 전류 상승 시정수와 전압 크기를 포함하여 이차전지 계통 내부 고장을 정확히 분석한다. 따라서, 고장전류의 크기만을 기준으로 절체시 발생하는 문제를 해결하여 계통 내부의 문제인 경우에 단락전류를 정확하고 신속하게 제한하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지 단락사고 보호장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 상기 도 1의 제어기를 나타낸 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지 단락사고 보호장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1과 같이, 본 발명에 따른 이차전지 단락사고 보호장치는 실시예로서 단락전류 절환장치(10), 전류계(20), 전압계(30) 및 제어기(40)를 포함하며, 바람직하게는 단락전류 절환장치(10)의 전단과 후단에 보호회로(31)를 더 포함한다.
이러한 본 발명은 전류계(20)와 전압계(30)를 통해 판독 가능한 여러 특징점들을 제어기(40)에서 다각도로 정밀 분석하여, 이차전지 계통 내부의 단락사고인 경우 단락전류 절환장치(10)를 스위칭 절환시키고, 단락전류의 크기를 제한한다.
구체적으로, 본 발명은 고장전류의 크기 외에 전류 상승 시정수와 전압 크기로 계통 내부 고장을 정확히 분석한다. 따라서, 계통 내부 이상인 경우 단락전류 절환장치(10)의 절환으로 신속히 단락전류를 제한할 수 있게 한다.
이를 위해, 상기 단락전류 절환장치(10)는 잠수함과 함정 등에 탑재된 이차전지에 연결되는 것으로, 이차전지 계통에서 고장 발생시, 고장 전류의 크기를 제한하는 전류 제한기(13)측으로 경로를 절환시킨다.
다단 병렬 연결된 이차전지는 내부 저항이 매우 작으므로, 그에 반비례하여 단락전류가 매우 크다. 이에, 단락전류 절환장치(10)에 구비된 전류 제한기(13) 측으로 단락전류가 흐르게 하여 고장전류(단락전류)를 제한한다.
단락전류 절환장치(10)의 스위칭 절환은 '일반전류 경로'와 '고장전류 경로' 사이에서 이루어진다. 상기 일반전류 경로는 이차전지가 정격전류에 의해 충방전되게 하고, 고장전류 경로는 단락 사고시 전류 제한기(13)에 의해 단락전류의 크기가 제한되도록 한다.
구체적으로, 일반전류 경로는 정상시 온(ON)되고 고장시 오프(OFF)되는 제1 스위칭 반도체(11)를 구비한다. 고장전류 경로는 정상시 오프(OFF)되고 고장시 온(ON)되는 제2 스위칭 반도체(12)를 구비하며, 전류 제한기(13)는 상기 고장전류 경로에 설치된다.
제1 스위칭 반도체(11)는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)와 같은 전력용 스위칭 소자가 하나 이상(예: 2개) 직렬로 연결된다. 제2 스위칭 반도체(12)는 상기 제1 스위칭 반도체(11)에 병렬로 구성되며, 역시 IGBT와 같은 전력용 스위칭 소자가 하나 이상(예: 2개) 직렬로 연결된다.
고장전류 경로에 설치되는 전류 제한기(13)는 고장전류의 크기를 제한하는 한류저항(CLR: Current Limiting Resistor)이 사용될 수 있으며, 일 예로 한류저항은 2개의 제2 스위칭 반도체(12)들 사이에 직렬로 연결된다.
한편, 전류계(20)는 이차전지 계통의 전류값을 측정하는 것으로 일 예로 단락전류 절환장치(10)의 입력측에 직렬로 연결된다.
전압계(30)는 이차전지 계통의 전압값을 측정하는 것으로 일 예로 단락전류 절환장치(10)의 입력측에 병렬로 연결된다.
보호회로(31)는 단락전류 절환장치(10)의 전단과 후단에 각각 병렬로 연결될 수 있으며, 일 예로 저항 'R'과 커패시터 'C'를 구비하여 단락전류 절환장치(10)의 전단과 후단에서 전류의 크기와 급격한 변화를 제한한다.
위와 같은 구성에서 제어기(40)는 전류계(20)에서 측정된 전류의 상승 시간 및 전압계(30)에서 측정된 전압의 크기를 분석하여 단락전류 절환장치(10)를 스위칭 절환시킨다. 따라서, 이차전지에서 단락사고 발생시 고장전류(단락전류)가 전류 제한기(13, 한류저항)에 의해 제한되도록 한다.
도 2와 같이, 제어기(40)는 측정된 전류값의 크기를 판독하는 제1 판독부(41)와, 전류값의 크기가 단위 시간당 변화된 시간을 판독하는 제2 판독부(42) 및 측정된 전압값의 크기를 판독하는 제3 판독부(43)를 포함한다.
실시예로 제1 판독부(41) 내지 제3 판독부(43)는 프로세서(44)의 제어하여 고장전류의 발생 및 종류를 판독하며, 판독결과에 따라 스위칭 절환부(45)에 의해 상기 제1 스위칭 반도체(11)와 제2 스위칭 반도체(12)를 스위칭 절환시키는 제어신호(Ctr)을 생성한다.
이와 같은 구성에 의하면, 제어기(40)는 고장전류의 크기에 더해 전류 상승 패턴과 전압 크기를 포함하여 이차전지 계통 내부 고장을 정확히 분석한다. 따라서, 고장전류의 크기만을 기준으로 절체시 발생하는 문제를 해결하여 계통 내부 이상인 경우 신속히 단락전류를 제한할 수 있게 한다.
더욱 바람직하게, 제어기(40) 중 상기 제2 판독부(42)는 고장전류가 상승하는 시정수(τ)가 기준값보다 작은 경우 이차전지 계통 내부에서의 완전단락으로 판단하여 전류 제한기(13)측으로 경로를 절환시키는 것이 바람직하다.
완전단락은 외부 고장 중 고저항단락(예: 1차 지락이나 아크 등)이나 통상적인 과전류에 비해 시정수가 다르다. 즉, 사고의 종류에 따라 시정수가 다르므로 본 발명은 고장전류의 크기에 더해 시정수를 조건으로 추가하여 절환을 제어한다.
일 예로 선로 임피던스가 저항(R)과 리액턴스(X)의 크기비를 갖는 경우 시정수는 'τ' 고장전류가 상승하는 시간을 나타내며, 이때 완전단락은 상기 고저항단락이나 통상적인 과전류에 비해 작다.
따라서, 고저항단락이나 통상적인 과전류의 시정수를 기준값으로 하여, 전류계(20)를 통해 검출된 시정수가 상대적으로 작으면 회로내 완전단락으로 판단하여 단락전류 절환장치(10)를 전류 제한기(13)가 구비된 고장전류 경로로 절환시킨다.
더 나아가, 제어기(40) 중 상기 제3 판독부(43)는 전압값의 크기가 기준값보다 작은 경우 이차전지 계통 내부에서의 완전단락으로 판단하여 전류 제한기(13)측으로 경로를 절환시키는 것이 바람직하다.
완전단락 시 단락사고의 대부분은 전원측의 내부저항에 의해 단락전류의 흐름을 통한 전압강하가 발생하므로 단락전류 절환장치(10)측에서는 전압이 매우 낮은 값으로 검출된다.
따라서, 본 발명은 종래의 전류 크기에 더해 추가적인 제어 조건으로 고장의 종류를 구별해낼 수 있도록 한다. 즉, 전류 상승 시정수와 전압값을 통해 외부 고장과 내부의 완전단락을 구분하여 절환이 이루어지게 한다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
10: 단락전류 절환장치
11: 제1 스위칭 반도체
12: 제2 스위칭 반도체
13: 전류 제한기(CLR: 한류저항)
20: 전류계
30: 전압계
31: 보호회로(R-C)
40: 제어기
41: 제1 판독부(전류 크기)
42: 제2 판독부(시정수)
41: 제3 판독부(전압 크기)

Claims (6)

  1. 이차전지 계통에서 고장 발생시, 고장 전류의 크기를 제한하는 전류 제한기(13)측으로 경로를 절환시키는 단락전류 절환장치(10)와;
    상기 이차전지 계통의 전류값을 측정하는 전류계(20)와;
    상기 이차전지 계통의 전압값을 측정하는 전압계(30); 및
    상기 전류계(20)에서 측정된 전류의 상승 시간 및 상기 전압계(30)에서 측정된 전압의 크기를 분석하여 상기 단락전류 절환장치(10)를 스위칭 절환시키는 제어기(40);를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 단락사고 보호장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단락전류 절환장치(10)는,
    정상시 온(ON)되고 고장시 오프(OFF)되는 제1 스위칭 반도체(11)를 구비하는 일반전류 경로와;
    정상시 오프(OFF)되고 고장시 온(ON)되는 제2 스위칭 반도체(12)를 구비하는 고장전류 경로; 및
    상기 고장전류 경로에 설치되는 상기 전류 제한기(13);를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 단락사고 보호장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전류 제한기(13)는,
    상기 고장전류의 크기를 제한하는 한류저항(CLR: Current Limiting Resistor)인 것을 특징으로 하는 이차전지 단락사고 보호장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어기(40)는,
    측정된 전류값의 크기를 판독하는 제1 판독부(41)와;
    상기 전류값의 크기가 단위 시간당 변화된 시간을 판독하는 제2 판독부(42); 및
    측정된 전압값의 크기를 판독하는 제3 판독부(43);를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 단락사고 보호장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 판독부(42)는,
    상기 고장전류가 상승하는 시정수(τ)가 기준값보다 작은 경우 상기 이차전지 계통 내부에서의 완전단락으로 판단하여 상기 전류 제한기(13)측으로 경로를 절환시키는 것을 특징으로 하는 이차전지 단락사고 보호장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 판독부(43)는,
    상기 전압값의 크기가 기준값보다 작은 경우 상기 이차전지 계통 내부에서의 완전단락으로 판단하여 상기 전류 제한기(13)측으로 경로를 절환시키는 것을 특징으로 하는 이차전지 단락사고 보호장치.
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