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KR101269059B1 - 태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩 - Google Patents

태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩 Download PDF

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KR101269059B1
KR101269059B1 KR1020110022487A KR20110022487A KR101269059B1 KR 101269059 B1 KR101269059 B1 KR 101269059B1 KR 1020110022487 A KR1020110022487 A KR 1020110022487A KR 20110022487 A KR20110022487 A KR 20110022487A KR 101269059 B1 KR101269059 B1 KR 101269059B1
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Abstract

본 발명에 따른 태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩은, 복수개의 리튬 이차전지 셀(112); 리튬 이차전지 셀(112)을 서로 직렬 또는 병렬 연결시키고 리튬 이차전지 셀(112)을 충방전시키는 인쇄회로기판(120); 인쇄회로기판(120)에 연결되어 리튬 이차전지 셀(112)이 안정적으로 충방전되도록 제어하는 BMS부(140); 및 케이스(150); 를 포함하며, BMS부(140)가 리튬 이차전지 셀(121)의 과충전, 과방전, 과전류, 단락을 방지하기 위한 보호회로모듈(PCM)과, 리튬 이차전지 셀(121)의 충전이 균일하게 이루어지도록 하는 셀 밸런싱부(cell balancer)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 리튬 이차 전지를 복수개 적층해서 사용하기 때문에 대용량의 충방전이 가능하고, 특히 리튬 폴리머 전지를 사용하는 경우에는 용량 및 형상 면에서 매우 유리하여 태양광 가로등의 지주 내에 설치하기에 바람직하다. 그리고 BMS부 및 인쇄회로기판)이 케이스 내에 컴팩트하게 실장되기 때문에 전체적인 크기를 감소시킬 수 있다. 이 때 BMS는 단순한 PCM 기능 뿐만 아니라 셀 밸런싱 기능 및 리셋 기능도 수행하도록 설계되어 있기 때문에 안정적인 충방전이 이루어질 수 있다.

Description

태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩{Lithium secondary battery pack for use in solar streetlight}
본 발명은 태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩에 관한 것으로서, 특히 케이스 내에 복수개의 리튬 이차전지를 탑재시키고, 이와 함께 리튬 이차전지가 안정적으로 충방전되도록 제어하는 BMS부(battery management system)도 함께 탑재시킴으로써 대용량의 충방전이 안정성있게 이루어지도록 한 태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩에 관한 것이다.
종래의 가로등은 자체 발전설비 없이 외부에서 전력을 공급받아 동작하기 때문에 먼 거리의 전력공급처로부터 지중 또는 지상의 전력 케이블을 통하여 전력을 공급받아야 한다. 따라서 길이가 긴 전력 케이블이 필요하며, 또한 복수개의 가로등을 전력 케이블로 연속적으로 연결하여야 하기 때문에 설치비용 및 관리비용이 상당히 소요되는 문제가 있다. 또한 폭우 등에 의한 홍수 시 전력 케이블 등의 누전으로 인하여 안전사고가 발생할 확률이 많다.
따라서 각각의 가로등마다 태양발전 시스템을 구비함으로써 자체발전에 따라 야간 점등이 이루어지도록 하는 태양광 가로등이 점차적으로 증가되고 있다. 이러한 태양광 가로등은 한낮에 조사되는 태양광을 전기에너지로 저장하기 위한 축전지(이차전지)가 필수적으로 수반되어야 한다.
현재 상용화되고 있는 태양광 가로등에는 대부분 납축전지 또는 Ni/Cd 전지가 사용되고 있다. 납축전지의 경우는 대용량이 가능하고 안전성이 뛰어나며 비용이 저렴하다는 장점이 있으나 에너지 밀도가 낮아 설치공간을 많이 차지할 뿐만 아니라 사용시간 및 수명이 짧고 유지보수 비용이 과다하게 소요됨은 물론 납, 황산 등과 같은 유해공해물질이 배출된다는 문제점이 있다. Ni/Cd 전지의 경우도 납축전지와 마찬가지로 에너지 밀도가 낮아 설치공간을 많이 차지함은 물로 카드뮴(Cd)이라는 독성이 강한 공해물질을 배출하는 문제점이 있다.
따라서 설치공간을 효율적으로 활용하기 위한 여러 방안들이 제안된 바 있다. 예컨대 특허출원 제2001-31548호(태양광 가로등 및 태양광 보안등의 콘트롤러와 축전지 설치방법)에는 크기가 큰 축전지를 가로등의 옆 지중에 매설하도록 하는 내용이 개시되어 있다. 그러나 이 경우는 축전지가 빗물 등에 의한 침수로 누전발생의 우려가 크고 또한 매설을 위한 설치작업이 요구됨으로써 그 설치 효율성이 낮은 문제가 있다.
또한, 특허출원 제2005-28856호(일체형 태양광 엘이디 조명등)에는 축전지가 태양전지 패널의 하부에 밀착 설치되는 내용이 개시되어 있다. 그러나 이 경우는 태양전지 패널의 고열이 그대로 축전지에 전달되어 축전지의 성능이 저하될 우려가 많다는 문제가 있다.
그리고 특허출원 제2006-32922호(설치 및 보수가 용이한 태양광 가로등) 및 특허출원 제2009-63811호(태양광 가로등의 제어장치)에는 크기가 큰 축전지를 지주대의 외측에 돌출되도록 설치되는 내용이 개시되어 있다. 이 경우는 전체적인 가로등의 미관을 해치게 되며, 또한 축전지가 쉽게 도난될 수 있다는 문제점이 있다.
이와 같이, 종래의 태양광 가로등의 경우는 큰 축전지를 사용할 수 밖에 없기 때문에, 축전지를 지중에 매설하거나, 태양전지판의 하부에 설치하거나, 또는 지주대에 돌출되도록 설치할 수 밖에 없으므로 상기와 같은 제반 문제점을 가지고 있다.
따라서 소형이면서도 용량이 큰 리튬 이온 전지를 사용하여 이를 지주대 내부에 내장시킴으로써 상기한 문제점을 해소시킨 축전지 내장형 가로등이 제안된 바 있다(등록특허 제900032호 참조). 그러나 리튬 이온 전지는 액체 전해질을 사용하기 때문에 누액 가능성과 폭발의 위험성이 있음은 물론 한정된 크기로 제작될 수 밖에 없는 단점이 있다.
따라서 리튬 이온 전지에 비하여 소형이면서도 다양한 형상으로 제작이 가능하고 용량면에 있어서도 리튬 이온 전지보다 뛰어난 리튬 폴리머 전지를 사용할 필요성이 있다. 그러나 이 경우에도 하나의 리튬 폴리머 전지만으로는 많은 양의 전기에너지 저장을 요구하는 태양광 가로등에 사용하기에 부적합하다.
따라서 본 발명이 해결하려는 과제는, 리튬 이온 전지나 리튬 폴리머 전지와 같은 리튬 이차전지를 축전지로서 사용하되 이들을 복수개로 적층시켜 대용량에 적합하도록 하고, 또한 각각의 리튬 이차전지의 충방전이 안전하게 이루어지도록 제어하여 전해액의 누설과 폭발 가능성 등을 없애는 BMS부(battery management system)를 케이스 내에 함께 탑재시킴으로서 상술한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩은,
복수개의 리튬 이차전지 셀;
상기 리튬 이차전지 셀을 서로 직렬 또는 병렬 연결시키고 상기 리튬 이차전지 셀을 충방전시키는 인쇄회로기판;
상기 인쇄회로기판에 연결되어 상기 리튬 이차전지 셀이 안정적으로 충방전되도록 제어하는 BMS부(battery management system); 및
상기 리튬 이차전지 셀, 상기 인쇄회로기판, 및 상기 BMS부가 수납되는 케이스; 를 포함하며,
상기 BMS부가 상기 리튬 이차전지셀의 과충전, 과방전, 과전류, 단락을 방지하기 위한 보호회로모듈(protection circuit module, PCM)과, 상기 리튬 이차전지 셀의 충전이 균일하게 이루어지도록 하는 셀 밸런싱부(cell balancer)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 리튬 이차전지 셀은 리튬 폴리머 전지 셀인 것이 바람직하다.
상기 복수개의 리튬 이차전지 셀은 판형상을 하는 개개의 리튬 이차전지 셀이 여러층으로 적층되어 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 리튬 이차전지 셀이 과열되지 않도록 상기 리튬 이차전지 셀의 열을 방열시키기 위한 판형의 열전소자가 상기 리튬 이차전지 셀 사이에 개재되며 상기 열전소자는 상기 BMS부에 의해서 제어되는 것이 바람직하다.
상기 리튬 이차전지 셀이 소정간격 이격되도록 상기 리튬 이차전지 셀 사이의 소정영역에 간극유지부재가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 인쇄회로기판과 상기 BMS부는 상기 복수개의 리튬 이차전지 셀이 여러층으로 적층되어 이루어지는 구조물의 측면쪽에 위치하면서 상기 케이스의 내부에 수직하게 세워지도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 BMS부는 복합 IC를 통하여 상기 이차전지 셀의 전류를 모니터링하여 충전차단 FET, 방전차단 FET, 및 셀 밸런싱 스위치를 온오프 시킴으로서 과도한 충방전 방지 및 셀 밸런싱 기능을 함께 수행하는 것이 바람직하다.
이 때 상기 BMS부는 상기 복합 IC와는 별도로 정전압 레귤레이터 IC, 과전류제어 IC, 및 션트저항(Rsense)을 포함하고, 상기 정전압 레귤레이터 IC는 전지팩의 전압을 입력받아 이를 정전압으로 만들어 상기 과전류제어 IC로 보내며, 상기 과전류제어 IC는 자신의 VSS-VM 양단 전압을 상기 리튬 이차전지 셀과 상기 방전차단 FET(40) 사이에 설치되며 또한 상기 VM단에 연결되는 상기 션트저항(Rsense)으로 나눈 값을 검출하여 이 값이 일정값 이상이면 과전류로 인식하여 상기 방전 FET를 차단시켜 과전류 방지기능을 수행토록 하는 것이 바람직하다.
상기 과전류제어 IC의 상기 VSS단자와 상기 VM단자 사이를 연결하는 리셋 스위치를 설치함으로써, 상기 리셋 스위치를 누르면 상기 VSS단자와 VM 단자가 도통하여 상기 BMS부가 원상 복귀동작을 하도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 리튬 이차 전지를 복수개 적층해서 사용하기 때문에 대용량의 충방전이 가능하고, 특히 리튬 폴리머 전지를 사용하는 경우에는 용량 및 형상 면에서 매우 유리하여 태양광 가로등의 지주 내에 설치하기에 바람직하다. 그리고 BMS부 및 인쇄회로기판)이 케이스 내에 컴팩트하게 실장되기 때문에 전체적인 크기를 감소시킬 수 있다. 이 때 BMS는 단순한 PCM 기능 뿐만 아니라 셀 밸런싱 기능 및 리셋 기능도 수행하도록 설계되어 있기 때문에 안정적인 충방전이 이루어질 수 있다.
도1 및 도 2는 본 발명에 따른 태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩(100)을 설명하기 위한 도면들;
도 3은 BMS부(140)의 주회로 구성도;
도 4는 BMS부(140)의 부회로 구성도;
도 5는 BMS(140)의 주회로와 부회로가 실정된 인쇄회로기판을 보여주는 사진이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩(100)을 설명하기 위한 도면들이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 케이스(150) 내에 리튬 이차전지 셀(110), 인쇄회로기판(120), 및 BMS부(battery management system, 140)가 함께 수납되며, 이 때 케이스(150)는 방열성이 우수하도록 다이캐스팅된 알루미늄으로 이루어지는 것이 바람직하다.
리튬 이차전지 셀(110)은 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지일 수 있으나, 리튬 이온 전지에 비해서 소형이면서 다양한 형상으로 제작이 가능하고 용량면에서도 뛰어난 리튬 폴리머 전지를 사용하는 것이 바람직하다.
리튬 이차전지 셀(110)은 복수개가 여러층으로 적층되는 것이 바람직하며, 이를 위하여 리튬 이차전지 셀(110)은 판형상을 하는 것이 바람직하다. 리튬 이차전지가 대용량 및 고출력에 적합하다 하더라도 낱개로는 태양광 가로등과 같이 많은 전기에너지의 저장을 필요로 하는 장치에 적용하는데 한계가 있기 때문에 이와 같이 복수개가 적층된 구조를 갖도록 하는 것이다.
복수개의 리튬 이차전지 셀(110)의 단자(112)들은 인쇄회로기판(120)을 통해 서로 직렬 또는 병렬 연결되어 외부단자(121)를 통하여 충방전이 이루어진다. 리튬 이차전지 셀(110)이 고온에 장시간 노출될 경우 스웰링(swelling) 현상이 발생하여 성능이 크게 저하될 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위하여 리튬 이차전지 셀(110) 사이에 판형의 열전소자(130), 예컨대 펠티어 소자를 개재시킴으로써 리튬 이차전지셀(110)이 일정온도, 예컨대 60℃ 이상으로 과열될 경우 이를 냉각시킨다. 이러한 열전소자(130)의 제어는 BMS부(140)를 통하여 이루어진다.
여러층으로 적층된 리튬 이차전지 셀(110) 사이에 열축적이 발생되지 않도록 리튬 이차전지 셀(110)을 소정간격 이격시키기 위한 간극유지부재(200)가 리튬 이차전지 셀(110)들 사이에 개재된다. 이러한 간극유지부재(200)는 리튬 이차전지 셀(110)의 전체 면적이 아닌 소정영역에만 설치시킴으로써 리튬이차전지 셀(110) 사이에 일정공간이 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 인접하는 리튬 이차전지 셀(110)이 분리되거나 미끄러지지 않도록 고착시키며, 충격발생시 소정의 탄성력을 발휘하도록 간극유지부재(200)로서는 스폰지형의 양면테이프를 사용하는 것이 바람직하다.
BMS부(140)는 인쇄회로기판(120)에 연결되도록 설치되어 리튬 이차전지 셀(110)의 과충전(overcharge), 과방전(overdischarge), 과전류(overcurrent), 및 단락(short-circuit)을 방지하도록 제어할 뿐만 아니라 각각의 리튬 이차전지 셀(110)의 충전이 균일하게 이루어지도록 제어하며, 또한 열전소자(130)에 연결되도록 설치되어 리튬 이차전지 셀(110)이 과열되지 않도록 제어한다.
리튬 이차전지 팩(100)의 부피를 최소화시키기 위하여 BMS부(140) 및 인쇄회로기판(120)은 리튬 이차전지 셀(110)이 여러층으로 적층되어 이루어지는 구조물의 측면쪽에 위치하면서 케이스(150)의 내부에 수직하게 세워지도록 설치되는 것이 바람직하다.
BMS부(140)는 크게 보호회로부(protection circuit module, PCM), 셀 밸런싱부(cell balancer), 및 방열제어부를 포함한다. 상기 보호회로부는 개별 리튬 이차전지 셀(110)의 과충전, 과방전, 과전류, 및 단락을 방지하기 위한 것이고, 상기 셀 밸런싱부는 각각의 리튬 이차전지 셀(110)을 균일하게 충전시키기 위한 것이며, 상기 방열제어부는 리튬 이차전지 셀(110)이 과열되지 않도록 하기 위한 것이다.
리튬이차전지는 과충전이나 과방전시, 또는 과전류가 흐를 때에 전지의 특성이 현저하게 저하하거나 발열 또는 발화가 일어나 위험성이 매우 높아진다. 따라서 이를 방지하기 위하여 케이스(150) 내부에 BMS부(140)를 함께 두는 것이다.
도 3은 BMS부(140)의 주회로 구성도이다. 도 3을 참조하면, 복합 IC(50)는 PCM 기능과 셀 밸런싱 기능을 함께 수행한다. 종래의 BMS부는 PCM 기능과 셀 밸런싱 기능을 제어하는 칩이 별도로 존재하였으나, 본 발명의 경우는 이렇게 하나의 복합 IC(50)가 이를 함께 담당하므로 공간적 및 비용적으로 절감된다. 단점으로는 과전류에 대한 감지(detection) 기능이 없으므로 이를 보완하기 위하여 과전류 제어기능을 하는 과전류 IC(10)가 별도로 내장된다.
[과충전(overcharge) 방지]
리튬 이온 전지는 만충전 상태에서도 계속 충전하면 전지 전압이 계속 상승하고, 4.2V 이상으로 과충전되면 양극에서 전해액이 분해하여 전지의 내압이 상승하며, 특히 고온일 경우에는 발열 또는 발화의 가능성도 있다. 그리고 과충전시에 음극에서는 수지상의 리튬금속이 석출되고, 이로 인하여 내부 단락이 발생하여 발화 또는 폭발이 발생하여 화재의 위험성이 있다.
따라서 일반적으로 충전은 정전류-정전압 충전을 하며, 정전압 충전시의 전압은 전지의 정격을 넘지 않도록 제어하여야 한다. 그러나 충전기의 고장이나 잘못하여 다른 기종의 충전기로 충전을 하면, 전지의 최대 정격을 넘을 위험성이 있다. 이와 같은 경우에 전지의 최대 정격을 넘지 않도록 충전전류를 차단하며, 이 기능을 과충전 보호기능이라 한다.
전지의 용량을 최대한 활용하기 위하여 충전기는 전지의 최대 정격용량까지 충전하도록 설계되어져 있다. 그 때문에 과충전 검출 전압은 정밀도가 매우 높아야 하며, 전지를 직렬로 연결한 경우에는 각각의 전압을 검출하여야 한다. 일반적으로 시판중인 과충전 보호회로는 ± 25mV 정도의 정밀도를 갖고 있다. 과충전이 검출되어 보호회로가 작동한 후에도 부하에 대한 방전은 충전차단 FET의 기생다이오드를 통하여 이루어진다. 또한, 과충전 검출 동작은 펄스 충전에 대한 대응이나 노이즈에 의한 오작동 방지를 위하여 지연 시간이 필요하다.
도 3에서 개별 리튬 이차전지(BAT1~BAT4)에 대한 과충전 차단은 충전차단 FET(30)를 통해 이루어진다. 즉 전지 전압을 지속적으로 감지하고 있다가 전지 전압이 기준치 이상이 되면 충전차단 FET(30)의 게이트 단자에 오프(0ff) 신호를 주어 회로를 차단시킨다.
[과방전(overdischarge) 방지]
일반적으로 리튬이온전지는 4.1∼4.3 V까지 충전시키고, 방전은 2.7∼3.0 V에서 종료한다. 리튬 이온 전지는 방전시에는 음극활물질인 흑연 결정 구조 내에 들어 있는 리튬이 전해액을 거쳐 양극에 삽입된다. 어떠한 원인에 의하여 과방전 상태가 되면 음극내의 리튬이 고갈된 후에도 방전이 계속 진행된다. 이때에는 음극에서 전자를 더 이상 공급할 수 없기 때문에 집전체인 Cu 포일(Foil)에서 전자가 공급되고 이와 동시에 Cu 포일이 용해된다. 이 경우에도 전지는 내부 단락으로 인하여 발화의 위험성이 있고 전지로서의 기능을 상실하게 된다. 따라서 전지 전압이 일정한 값 이하가 되면 방전전류를 차단하며 이 기능을 과방전 보호기능이라고 한다.
과방전 상태에서는 전지 용량도 극단적으로 떨어져 있기 때문에 보호 IC의 소비 전류도 매우 작아야 하며, 현재 시판중인 과방전 보호회로의 소비 전류도 대부분 수 μA 정도이다. 과방전 보호회로가 작동한 이후에 충전기를 접속하면 방전차단 FET의 기생 다이오드를 통하여 충전이 이루어진다. 또한 펄스성의 방전에 대응하기 위하여 과방전 검출에도 지연시간이 필요하다.
도 3에서 개별 리튬 이차전지(BAT1~BAT4)에 대한 과방전 차단은 방전차단 FET(40)를 통해서 이루어진다. 즉 전지 전압을 지속적으로 감지하고 있다가 전지 전압이 기준치 이하가 되면 방전차단 FET(40)의 게이트 단자에 오프(0ff) 신호를 주어 회로를 차단시킨다.
[과전류(overcurrent) 방지]
전지를 보관하거나 사용중에 금속에 의하여 전지의 외부 단자간에 단락되거나 접속기기의 고장으로 단락되는 경우에는 대전류가 흘러 발열하거나 가연물이 접촉되어 있는 경우에도 발화의 가능성도 있다. 또한 유기 용매를 전해질로 사용하는 리튬 이온 전지는 과전류 시에 온도가 상승하며, 최악의 경우는 리튬의 융점(180℃)까지 도달되어 극도로 위험해진다. 따라서 전류가 일정한 값 이상으로 흐를 때에는 방전전류를 차단하며 이 기능을 과전류 보호기능이라 한다.
과전류 보호 기능에는 차단전류와 지연시간을 두고 있다. 예를들면 전지팩(100)의 외부단자(121)가 단락되어 방전전류가 10A를 넘는 경우 순간적(수백 μs)으로 방전을 중지시키고, 기기의 고장 등으로 이상 전류(5A 이상)가 흐를 경우에 불감응 시간(약 10ms) 이후에 방전을 중지하게 된다. 과전류 보호기능이 작동된 상태는 과방전 보호기능 때와 동일하지만, 과전류 보호의 경우에는 전지팩(100)의 외부단자(121)를 개방하면 사용이 가능한 상태로 돌아온다.
도 3에서 복합 IC(50)는 상시 전류에 대한 모니터링을 하여야 하기에 과충전이나 과방전 영역에 들어가면 제대로 기능을 하지 못하는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 과전류 제어 기능을 하는 과전류제어 IC(10)가 별도로 설치된다.
먼저 정전압 레귤레이터 IC(20)에서 배터리팩(100) 전압을 입력받아 3.7V의 정전압을 만들어, 이것을 과전류제어 IC(10)에 보낸다. 과전류제어 IC(10)는 단자 전류 모니터링을 하는데, (VSS-VM) 양단 전압을 션트저항(60, Rsense)으로 나눈 전류값이 과전류 제어 IC(10)를 통해 검출된다. 이 값이 일정값 이상일 경우 과전류로 인식하여 방전제어 FET(40)를 차단하다. 션트저항(60)은 방전차단 FET(40)와 리튬 이차전지(BAT1~BAT4) 사이에 설치되며, 과전류제어 IC(10)의 VM 단자에도 연결된다.
[셀 밸런싱 기능]
여러 전지를 직병렬 연결하여 사용하는 경우 셀 밸런싱(cell balancing)은 매우 중요하다. 리튬 이온 전지는 화학적으로 활물질의 손상없이 과충전될 수 없다. 전해액 분해전압은 만충전 종지전압인 4.1∼4.3V/cell에 근접하다. 그러므로 과충전 등으로 인한 손상을 피하기 위하여 모니터링과 제어가 필요하다. 단셀의 경우 전지 전압은 지정된 값을 초과하지 않도록 조정되나, 직렬 연결된 리튬이차전지는 복잡한 문제를 가진다.
비록 전지팩(100) 전압이 허용 한계내에 있어 보일지라도 직렬 연결된 전지셀(BAT1~BAT4) 중 한 셀이 전지간 불균형으로 인하여 손상을 받을 수 있다. 이러한 불균형은 내부 임피던스의 변화 혹은 에이징(aging)에 따른 전지 용량 감소에 의한 경우가 대부분이다. 어떤 경우에서도 배터리팩(100)에서 임의 한 전지셀(BAT1~BAT4)이 전지 특성의 편차를 유발한다면 이 전지셀은 충전 동안에 지속적으로 과충전 된다. 감소된 용량 혹은 높은 임피던스를 가진 전지셀(BAT1~BAT4)은 충전 및 방전할 때 큰 전압을 나타낸다. 셀 밸런싱은 배터리팩(100)으로부터 유효한 용량을 최대로 얻고, 충방전 수명을 연장하고자 하는 것이다. 충전 동안에 불균형 전지셀(BAT1~BAT4)은 먼저 충전 종지전압에 도달되고, 충전기는 차단되기 시작한다.
셀 밸런싱은 잔여 나머지 전지셀(BAT1~BAT4)이 따라올 때까지 높은 전압의 전지셀를 제어하여, 모든 전지셀이 충전 종지전압에 도달하도록 하는 것이다. 전형적으로 셀밸런싱은 충전 도중 및 충전 말기에 적용된다. 일반적으로 매싸이클마다 충전 완료 후 사용되기 때문이다.
도 3에서 전지팩(100)은 전지셀(BAT1~BAT4) 4개가 직렬 연결된 경우가 도시되었다. 전지팩(100)의 사용기간이 증가함에 따라 전지셀(BAT1~BAT4)간의 용량의 불균형이 발생되고 이로 인해 개별 전지셀간의 전압편차가 발생하게 된다. 이러한 전압의 불균형이 발생하면 전지의 효율성이 떨어지며 이를 해소하기 위한 방안으로 복합 IC(50) 내의 셀 밸런싱 회로가 전지셀과 병렬로 연결된 밸런싱 저항 RVDD (70)을 통해 전압이 높은 전지셀을 방전함으로써 밸런싱을 맞추게 된다.
충전시 충전상한전압보다 낮은 전압을 지닌 전지셀은 정상전류로 충전되지만, 임의 전지셀이 충전상한전압인 4.20V에 먼저 도달하면 복합 IC(50)의 제어를 통하여 셀 밸런싱 온/오프 스위치(71)가 작동(on)하여 전지와 병렬 연결된 밸런싱 저항 RVDD(70)을 통하여 낮은 전류로 충전하기 시작한다. 동시에 충전상한전압보다 낮은 전지셀은 정상전류로 충전을 계속 진행한다. 따라서 전지셀은 특성상 전압 상승 기울기 구배를 가지고 충전되며 만약 전지셀(BAT1~BAT4) 모두가 충전 차단 전압인 4.25V에 도달하면 충전이 종지된다.
[리셋 기능]
배터리 팩의 제조과정이나 수요처에 연결시 부하단의 용량성(Capacitance) 부하 등으로 인한 과도성분의 전류(Inrush Current)가 발생될 수 있으므로, BMS부(140)는 과전류 차단 혹은 단락전류 검출 차단을 수행하게 된다. 이러한 경우 차단상태를 해소하기 위해서는 충전기를 연결하여 충전전류를 형성을 시켜줘야 하는 번거로움이 있었다.
이러한 의도하지 않은 차단상태로부터 BMS부(140)를 간단하게 복귀하는 방안으로 리셋(Reset)기능을 부가하였다. 배터리팩(100)이 작동(on) 되면 방전단과 저항이 결선되고 Vm에 전압이 인가되고 항상 차단 유지된다.
과전류제어 IC(10)의 VM단자와 VSS단자 사이를 연결하는 리셋 스위치(reset switch)를 누르면, 순간적으로 VM단자와 VSS 단자가 도통함으로써 BMS부(140)는 차단상태(과전류 혹은 과방전)가 해지되어 원상 복귀동작을 수행하게 된다.
도 4는 BMS부(140)의 부회로 구성도이다. 이는 도 3의 주회로에서 충전에 대한 보호동작이 실패하였을 경우 2차적으로 보호동작을 수행하기 위한 것이다. 본 발명에서는 이러한 2차적 보호를 위하여 2차 보호 IC(80)를 사용하였다. 타 응용분야에서는 휴즈(Fuse)를 용단하여 전지팩을 영구적으로 사용하지 못하도록 구성하나 본 발명에서는 2차 보호 IC(80)을 통하여 충전제어 FET(30)를 제어하도록 구성하여 전지셀 전압이 하강하게 되면 복귀가 가능하도록 하였다.
도 5는 BMS(140)의 주회로와 부회로가 함께 실장된 인쇄회로 기판을 보여주는 사진이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 리튬 이차 전지를 복수개 적층해서 사용하기 때문에 대용량의 충방전이 가능하고, 특히 리튬 폴리머 전지를 사용하는 경우에는 용량 및 형상 면에서 매우 유리하여 태양광 가로등의 지주 내에 설치하기에 바람직하다. 그리고 BMS부(140) 및 인쇄회로기판(120)이 케이스(150) 내에 컴팩트하게 실장되기 때문에 전체적인 크기를 감소시킬 수 있다. 이 때 BMS(140)는 단순한 PCM 기능 뿐만 아니라 셀 밸런싱 기능 및 리셋 기능도 수행하도록 설계되어 있기 때문에 안정적인 충방전이 이루어질 수 있다.
10: 과전류제어 IC
20: 정전압 레귤레이터 IC
30: 충전차단 IC
40: 방전차단 IC
50: 복합 IC
60: 션트 저항
70: 밸런싱 저항
71: 셀 밸런싱 온/오프 스위치
100: 리튬 이차전지 팩
110: 리튬 이차전지 셀
120: 인쇄회로기판
121: 외부단자
130: 열전소자
140: BMS부
150: 케이스

Claims (9)

  1. 복수개의 리튬 이차전지 셀;
    상기 복수개의 리튬 이차전지 셀 사이에 개재되어 상기 리튬 이차전지 셀이 과열되지 않도록 상기 리튬 이차전지 셀의 열을 방열시키는 판형의 열전소자;
    상기 리튬 이차전지 셀을 서로 직렬 또는 병렬 연결시키고 상기 리튬 이차전지 셀을 충방전시키는 인쇄회로기판;
    상기 인쇄회로기판에 연결되어 상기 리튬 이차전지 셀이 안정적으로 충방전되도록 제어하고, 또한 상기 열전소자와 연결되어 상기 리튬 이차전지 셀이 과열되지 않도록 상기 열전소자를 제어하는 BMS부(battery management system); 및
    상기 리튬 이차전지 셀, 상기 인쇄회로기판, 및 상기 BMS부가 수납되는 케이스; 를 포함하며,
    상기 BMS부가 상기 리튬 이차전지셀의 과충전, 과방전, 과전류, 단락을 방지하기 위한 보호회로모듈(protection circuit module, PCM)과, 상기 리튬 이차전지 셀의 충전이 균일하게 이루어지도록 하는 셀 밸런싱부(cell balancer)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 리튬 이차전지 셀이 리튬 폴리머 전지 셀인 것을 특징으로 하는 태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 리튬 이차전지 셀은 판형상을 하는 개개의 리튬 이차전지 셀이 여러층으로 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 리튬 이차전지 셀이 소정간격 이격되도록 상기 리튬 이차전지 셀 사이의 소정영역에 간극유지부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩.
  6. 제3항에 있어서, 상기 인쇄회로기판과 상기 BMS부가 상기 복수개의 리튬 이차전지 셀이 여러층으로 적층되어 이루어지는 구조물의 측면쪽에 위치하면서 상기 케이스의 내부에 수직하게 세워지도록 설치되는 것을 특징으로 하는 태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩.
  7. 제1항에 있어서, 상기 BMS부는 복합 IC를 통하여 상기 이차전지 셀의 전류를 모니터링하여 충전차단 FET, 방전차단 FET, 및 셀 밸런싱 스위치를 온오프 시킴으로서 과도한 충방전 방지 및 셀 밸런싱 기능을 함께 수행시키는 것을 특징으로 하는 태양광 가로등용 이차전지 팩.
  8. 제7항에 있어서, 상기 BMS부는 상기 복합 IC와는 별도로 정전압 레귤레이터 IC, VSS 단자와 VM 단자를 가지는 과전류제어 IC, 및 션트저항(Rsense)을 포함하고, 상기 정전압 레귤레이터 IC는 전지팩의 전압을 입력받아 이를 정전압으로 만들어 상기 과전류제어 IC로 보내며, 상기 션트저항(Rsense)은 상기 VM 단자에 연결되도록 상기 리튬 이차전지 셀과 상기 방전차단 FET 사이에 설치되며, 상기 과전류제어 IC는 상기 VSS 단자와 상기 VM 단자 사이에 걸리는 전압을 상기 션트저항(Rsense)으로 나눈 값을 검출하여 이 값이 일정값 이상이면 과전류로 인식하여 상기 방전차단 FET를 차단시켜 과전류 방지기능을 수행토록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩.
  9. 제8항에 있어서, 상기 과전류제어 IC의 상기 VSS 단자와 상기 VM 단자 사이를 연결하도록 리셋 스위치가 설치되어, 상기 리셋 스위치를 누르면 상기 VSS 단자와 VM 단자가 도통하도록 함으로써 상기 BMS부가 원상 복귀동작을 하도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 가로등용 리튬 이차전지 팩.
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