KR20220145019A - 방전 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방전 배터리 시스템에 관한 것으로, 장갑차의 소비 전력량을 일정시간 유지하는 리튬이온배터리; 장갑차 시동에 따른 돌입전류를 출력하는 슈퍼캐패시터; 리튬이온배터리와 연결 여부를 결정하는 제1 및 제2 스위치; 슈퍼커패시터와 연결 여부를 결정하는 제3 스위치; 상기 슈퍼커패시터 저장용량의 보존으로 장갑차의 시동 돌입전류를 보증하는 DC/DC 컨버터; 상기 리튬이온배터리의 충전 및 방전 전류와 슈퍼캐패시터의 충전전류를 감시하는 제1 및 제2 보호휴즈 및 전류감지션트; 및 상기 리튬이온배터리, 슈퍼캐패시터, 제1 내지 제3 스위치, DC/DC 컨버터, 제1 및 제2 보호휴즈 및 전류감지션트를 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 리튬이온배터리를 통해 전력량을 유지하면서 장갑차 시동 시 슈퍼커패시터로 순간 대전류를 방전시키는 것을 특징으로 한다.

Description

방전 배터리 시스템{Discharge Battery System}
본 발명은 방전 배터리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 장갑차 시동용 리튬이온배터리에 슈퍼커패시터를 결합한 복합형 고능률 방전 배터리 시스템에 관한 것이다.
장갑차 등의 중대형 기갑 차량은 일반 내연기관 차량에서의 시동을 포함한 운용 조건보다 더욱 가혹한 조건에서의 운용이 요구된다. 특히 온도 환경 및 가혹조건에서도 기동 및 운용이 보증되는 운용 안정성 확보가 필요하다.
일반적으로 중대형 기갑 차량은 가격이 저렴한 납축전지를 사용하고 있다. 그러나 납축전지는 가격이 저렴한 반면 가혹한 온도 환경조건을 만족하기가 어렵고 사용 수명이 짧은 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 리튬이온 배터리의 적용이 활성화되고는 있지만, 일반적인 범위에서 납축전지는 -10℃~50℃, 리튬배터리는 -20℃~55℃, 리튬인산철배터리는 -30℃~60℃ 등으로 제한된 온도 환경조건을 가진다.
한편, 장갑차 등 특장환경에서 기동에 따른 순간 대전류 출력 요구에 적합한 배터리는 비싼 가격 임에도 불구하고 고가의 군용전용 리튬배터리를 사용하고 있는 실정이다. 특히 리튬이온인산철배터리를 사용하는 경우 일정량의 전력량을 저장하는데 유용하며 수명이 긴데 반해, 순간 대전류 방전의 전류량이 5~6C 정도로 작고 그 이상의 대전류 방전에는 수명에 급격한 장애를 초래하는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 일정량의 전력량을 저장하는데 유용하며 수명이 긴 리튬이온인산철배터리를 장갑차 시동 시 순간 대전류 방전이 가능한 슈퍼커패시터와 결합하여 가격이 싸면서 온도환경 조건을 만족하고 기동 및 운용 신뢰성을 가질 수 있는 방전 배터리 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방전 배터리 시스템은 장갑차의 소비 전력량을 일정시간 유지하는 리튬이온배터리; 장갑차 시동에 따른 돌입전류를 출력하는 슈퍼캐패시터; 리튬이온배터리와 연결 여부를 결정하는 제1 및 제2 스위치; 슈퍼커패시터와 연결 여부를 결정하는 제3 스위치; 상기 슈퍼커패시터 저장용량의 보존으로 장갑차의 시동 돌입전류를 보증하는 DC/DC 컨버터; 상기 리튬이온배터리의 충전 및 방전 전류와 슈퍼캐패시터의 충전전류를 감시하는 제1 및 제2 보호휴즈 및 전류감지션트; 및 상기 리튬이온배터리, 슈퍼캐패시터, 제1 내지 제3 스위치, DC/DC 컨버터, 제1 및 제2 보호휴즈 및 전류감지션트를 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 리튬이온배터리를 통해 전력량을 유지하면서 장갑차 시동 시 슈퍼커패시터로 순간 대전류를 방전시키는 것을 특징으로 한다.
상기 DC/DC 컨버터는 장갑차가 정차 중일 경우 리튬이온배터리 전압(Vb)을 입력 받아서 슈퍼캐패시터에 전압(Vs)을 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 리튬이온배터리의 전압(Vb)이 충전 최고 전압 이하일 경우 SW11와 SW12를 온(on)시켜 충전시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 슈퍼캐패시터의 전압(Vs)이 충전 최고 전압치 이하일 경우 SW2를 온(on)시켜 충전시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 (+)출력단자(P)와 (-)출력단자(N) 전압을 감지하여 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터의 과충전 및 과방전을 보호하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 리튬이온배터리의 셀 전압을 감지하여 과전압과 저전압으로부터 리튬이온배터리 셀을 보호하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 슈퍼캐패시터의 셀 전압을 감지하여 과전압으로부터 슈퍼캐패시터 셀을 보호하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 전류감지션트(IS1)로부터 리튬이온배터리로의 충전전류, 방전전류를 감시하여 과충전, 과방전 및 단락을 보호하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 전류감지션트(IS2)로부터 슈퍼캐패시터로의 충전전류를 감시하여 과충전을 보호하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이, 본 발명에 따르면 전력량을 저장하는데 유용하며 수명이 긴 리튬이온인산철 배터리를 통해 전력량을 유지하면서 슈퍼커패시터로 순간 대전류 방전함으로써 장수명 보증이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 방전 배터리 시스템의 회로도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
그러면 본 발명에 따른 방전 배터리 시스템의 바람직한 실시예에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 방전 배터리 시스템의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 방전 배터리 시스템은 리튬이온배터리(100), 슈퍼캐패시터(200), 제1 내지 제3 스위치(310 내지 330), DC/DC 컨버터(400), 제1 및 제2 보호휴즈 및 전류감지션트(510)(520), 제어부(600)를 포함하여 구성된다.
상기 리튬이온배터리(100)는 장갑차 전체의 소비 전력량을 일정시간 유지시켜 줄 수 있은 용량을 가진다. 여기서, 상기 리튬이온배터리(100)는 리튬이온인산철배터리를 적용하며, 이에 한정하지 않는다.
상기 슈퍼캐패시터(200)는 시동에 따른 돌입전류를 출력해 준다. 이로 인해, 리튬이온배터리(100)를 보호하여 수명을 보증할 수 있다.
상기 제1 및 제2 스위치(310)(320)는 제어부(600)를 통해 온(On) 또는 오프(Off)되어 리튬이온배터리(100)의 연결여부를 결정하고, 상기 제3 스위치(330)는 제어부(600)를 통해 온(On) 또는 오프(Off)되어 슈퍼커패시터(200)의 연결여부를 결정한다. 여기서, 상기 제1 및 제2 스위치(310)(320)는 리튬이온배터리(100)와 (-)출력단자(N) 사이에 직렬로 연결하고, 상기 제3 스위치(330)는 슈퍼커패시터(200)와 (-)출력단자(N) 사이에 연결한다.
상기 DC/DC 컨버터(400)는 슈퍼커패시터(200)의 저장용량의 보존으로 장갑차의 시동 돌입전류 보증과 정차 중 탑재기기의 동력구동에 따른 돌입전류(피크 대전류) 보증과 돌입전류에 따른 리튬이온배터리(100)의 수명 저하를 방지할 수 있다.
한편, 장갑차가 정차 중일 경우 리튬이온배터리(100)는 방전하며, 이때 DC/DC 컨버터(400)는 리튬이온배터리(100) 전압(Vb)을 입력 받아서 슈퍼캐패시터(200)에 전압(Vs)을 공급하므로 Vs는 Vb + Vsw11 + Vsw12 + Vsw2가 된다. 즉, 슈퍼캐패시터(200) 전압(Vs)은 리튬이온배터리(100) 전압(Vb)보다 Vsw11 + Vsw12 + Vsw2 만큼 높다. 이와 같이 순간 대전류 방전에서 피크전류의 대부분은 슈퍼캐패시터(200)에서 출력하므로 리튬이온배터리(100)를 순간 대전류로부터 보호할 수 있다. 이때, 전류제어는 CC(Constant Current-정전류제어) 모드로 동작한다.
또한, 장갑차가 운전 중일 경우 리튬이온배터리(100)가 충전이 되고 있는 상태이므로, DC/DC 컨버터(400)는 동작을 멈추고(Cont. off) 대기상태를 유지한다.
상기 제1 및 제2 보호휴즈 및 전류감지션트(510)(520)는 리튬이온배터리(100)의 충전 및 방전 전류를 감시하여 과충전, 과방전 및 단락 보호와 슈퍼캐패시터로(200)의 충전전류를 감시하여 과충전 보호를 한다. 이때, 과충전 보호 검출은 리튬이온배터리(100)측의 제1 보호휴즈 및 전류감지션트(510)의 전류감지션트 전류신호출력(IS1)과 슈퍼캐패시터(200)측의 제2 보호휴즈 및 전류감지션트(520)의 전류감지션트 전류신호출력(IS2)을 개별 검출한다. 여기서, 상기 제1 보호휴즈 및 전류감지션트(510)는 리튬이온배터리(100)와 (+)출력단자(P) 사이에 연결되고, 상기 제2 보호휴즈 및 전류감지션트(520)는 슈퍼커패시터(200)와 (+)출력단자(N) 사이에 연결된다.
상기 제어부(600)는 리튬이온배터리(100), 슈퍼캐패시터(200), 제1 내지 제3 스위치(310 내지 330), DC/DC 컨버터(400), 제1 및 제2 보호휴즈 및 전류감지션트(510)(520)를 제어한다.
이하, 상기 제어부(600)에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 상기 제어부(600)는 리튬이온배터리(100)측의 SW11, SW12와 슈퍼캐패시터(200)측의 SW2를 개별 제어할 수 있다.
상기 제어부(600)는 정상상태일 경우, 즉 리튬이온배터리(100)의 전압(Vb)이 충전 최고 전압 이하일 경우 SW11 on(G11=1), SW12 on(G12=1)시켜 (+)출력단자(P)로부터 전류를 리튬이온배터리(100)에 충전시키고, 슈퍼캐패시터(200)의 전압(Vs)이 충전 최고 전압 이하일 경우 SW2 on(G2=1)시켜 (+)출력단자(P)로부터 전류를 슈퍼캐패시터(200)에 충전시킨다. 이때, DC/DC컨버터(400)의 출력전류는 0이다.
또한, 상기 제어부(600)는 (+)출력단자(P)와 (-)출력단자(N) 전압을 감지하여 충전 최고 전압 이상에서 SW12 off(G12=0)시켜 리튬이온배터리(100)의 과충전을 보호하고, 슈퍼캐패시터(200)에서도 충전 최고 전압 이상에서 SW2 off(G2=0)시켜 과충전을 보호한다. 여기서, 과전류충전 보호 검출은 리튬이온배터리(100)측의 제1 보호휴즈 및 전류감지션트(510)의 전류감지션트 전류신호출력(IS1)과 슈퍼캐패시터(200)측의 제2 보호휴즈 및 전류감지션트(520)의 전류감지션트 전류신호출력(IS2)을 개별 검출한다.
또한, 상기 제어부(600)는 SW11 on(G11=1)시켜 리튬이온배터리(100)를 방전시킨다. 즉, SW11의 MOSFET와 SW12의 다이오드를 통하여 리튬이온배터리(100)를 방전시키며, SW2의 다이오드를 통해 슈퍼캐패시터(200)를 방전시킨다. 이때, 상기 DC/DC컨버터(400)의 출력전압(Vc)은 Vb + Vsw11 + Vsw12 + Vsw2가 되며, 출력전류는 CC(Constant Current-정전류제어) 모드로 0~5Amax이다.
또한, 상기 제어부(600)는 SW11 off(G11=0)시켜 리튬이온배터리(100)의 과방전을 보호하며, 슈퍼캐패시터(200)는 제2 보호휴즈 및 전류감지션트(520)의 Fuse2로 과방전을 보호한다, 즉 단락에 가까운 큰 값에서는 Fuse2로서 보호한다.
또한, 상기 제어부(600)는 리튬이온배터리(100)의 셀 전압(Vb1~Vb4)을 감지하여 SW12 off(G12=0) 및 SW11 off(G11=0)시켜 각각 과전압 및 저전압으로부터 리튬이온배터리(100)의 셀을 보호한다.
또한, 상기 제어부(600)는 슈퍼캐패시터(200)의 셀 전압(Vs1~Vs4)을 감지하여 SW2 off(G2=0)시켜 과전압으로부터 슈퍼캐패시터(200) 셀을 보호한다.
또한, 상기 제어부(600)는 전류감지션트(IS1)로부터 리튬이온배터리(100)로의 충전전류, 방전전류를 감시하여 과충전, 과방전 및 단락 보호를 한다.
또한, 상기 제어부(600)는 전류감지션트(IS2)로부터 슈퍼캐패시터(200)로의 충전전류를 감시하여 과충전 보호를 한다.
그리고, 상기 제어부(600)는 DC/DC 컨버터(400) 동작을 온(on)/오프(off)한다. 즉, G2 off에서는 Cont.가 off된다.
한편, 도 1에서 G11는 MOSFET 방전용 스위치 게이트신호, G12는 MOSFET 충전용 스위치 게이트신호, G2는 MOSFET 충전용 스위치 게이트신호, IS1, IS2는 전류감지션트 전류신호출력이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 리튬이온배터리 200: 슈퍼캐패시터
310 내지 330: 스위치(SW) 400: DC/DC 컨버터
510,520: 보호휴즈 및 전류감지션트 600: 제어부

Claims (6)

  1. 장갑차의 소비 전력량을 일정시간 유지하는 리튬이온배터리;
    장갑차 시동에 따른 돌입전류를 출력하는 슈퍼캐패시터;
    리튬이온배터리와 연결 여부를 결정하는 제1 및 제2 스위치;
    슈퍼커패시터와 연결 여부를 결정하는 제3 스위치;
    상기 슈퍼커패시터 저장용량의 보존으로 장갑차의 시동 돌입전류를 보증하는 DC/DC 컨버터;
    상기 리튬이온배터리의 충전 및 방전 전류와 슈퍼캐패시터의 충전전류를 감시하는 제1 및 제2 보호휴즈 및 전류감지션트; 및
    상기 리튬이온배터리, 슈퍼캐패시터, 제1 내지 제3 스위치, DC/DC 컨버터, 제1 및 제2 보호휴즈 및 전류감지션트를 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 리튬이온배터리를 통해 전력량을 유지하면서 장갑차 시동 시 슈퍼커패시터로 순간 대전류를 방전시키는 것을 특징으로 하는 방전 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 장갑차가 정차 중일 경우 리튬이온배터리 전압(Vb)을 입력 받아서 슈퍼캐패시터에 전압(Vs)을 공급하는 것을 특징으로 하는 방전 배터리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 리튬이온배터리의 전압(Vb)이 충전 최고 전압 이하일 경우 SW11와 SW12를 온(on)시켜 충전시키고, 슈퍼캐패시터의 전압(Vs)이 충전 최고 전압치 이하일 경우 SW2를 온(on)시켜 충전시키는 것을 특징으로 하는 방전 배터리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 (+)출력단자(P)와 (-)출력단자(N) 전압을 감지하여 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터의 과충전 및 과방전을 보호하는 것을 특징으로 하는 방전 배터리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 리튬이온배터리의 셀 전압을 감지하여 과전압과 저전압으로부터 리튬이온배터리 셀을 보호하며, 슈퍼캐패시터의 셀 전압을 감지하여 과전압으로부터 슈퍼캐패시터 셀을 보호하는 것을 특징으로 하는 방전 배터리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 전류감지션트(IS1)로부터 리튬이온배터리로의 충전전류, 방전전류를 감시하여 과충전, 과방전 및 단락을 보호하며, 전류감지션트(IS2)로부터 슈퍼캐패시터로의 충전전류를 감시하여 과충전을 보호하는 것을 특징으로 하는 방전 배터리 시스템.
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