JP2022104486A - Smart charging system and method - Google Patents

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Abstract

To provide a charging system and method for optimizing charging steps and conditions for charging a battery and improving charging efficiency and battery life.SOLUTION: A smart charging system 100 includes at least one control module 101 that controls the operation of the system, a power conversion module 103 that is connected to a control module and supplies power to operate the system, a voltage measurement module 107 that measures the battery voltage Vb and inputs it to at least one control module, a pre-charging module 105 that pre-charges with a charging current of 0.01C to 0.5C when the battery voltage Vb is less than the first predetermined range of its upper limit, and a feedback module 113, which is connected to the voltage measurement module and allows the system to control and stabilize the charging voltage by the control module to follow the battery voltage Vb + ΔV. The first predetermined range is 7 to 70% of the upper limit of the battery voltage Vb.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、スマート充電システム及び方法に関し、より詳細には、バッテリを充電する際の充電ステップと条件を最適化し、充電効率及びバッテリ寿命を改良する充電システム及び方法に関する。 The present invention relates to smart charging systems and methods, and more particularly to charging systems and methods that optimize charging steps and conditions for charging batteries and improve charging efficiency and battery life.

近年、電気自動車用の充電器の研究開発は、小型化、軽量化に向かって進んでいる。これにより、充電拠点の構築難度の低下や充電時の変換効率の向上が見られ、充電速度も著しく改善されている。現在の市場において、電気自動車用のリチウムバッテリ充電器には、定電流-定電圧(Constant Current-Constant Voltage,CC-CV)充電方式が広く採用されている。この方式は、定電流段階では一定の電流を用いてバッテリを充電し、充電電圧が上限値に達したときに定電圧・電流制限方式に切り替える。そして、充電電圧をそのまま維持しながら充電電流を徐々に下げて行き、充電電流が十分な時間低下した時点で充電過程を終了する。 In recent years, research and development of chargers for electric vehicles has been progressing toward miniaturization and weight reduction. As a result, the difficulty of constructing a charging base is reduced, the conversion efficiency during charging is improved, and the charging speed is also significantly improved. In the current market, constant current-constant voltage (CC-CV) charging methods are widely adopted for lithium battery chargers for electric vehicles. In this method, the battery is charged using a constant current in the constant current stage, and when the charging voltage reaches the upper limit, the method is switched to the constant voltage / current limiting method. Then, the charging current is gradually lowered while maintaining the charging voltage as it is, and the charging process is terminated when the charging current drops for a sufficient time.

しかし、上記の充電方式には3つの欠点が考えられる。第一に、バッテリが低電圧状態の場合に、最初から大電流で充電を行うと、予備充電段階でバッテリの電圧があまりにも急速に上昇する結果、バッテリ内部が急激に反応して制御不能となる。これにより、温度が急速に上昇してバッテリ寿命を縮めたり、深刻な場合には発火や爆発等の事故が発生したりする。第二に、予備充電段階において、バッテリが低電圧の場合、周知の充電器では入力電流が限流抵抗によって制御されるが、限流抵抗の両端の電圧はバッテリの電圧に伴って変化する。そのため、最初の充電電流があまりにも大きいと、充電過程で電圧が上昇することで、予備充電電流の変化量が大きくなる。しかし、周知の充電器はこのような現象に対する制御メカニズムを有していない。更に、限流抵抗は高い電力損失に耐えねばならないため、定格電力の高い抵抗を選択する必要がある。しかし、この場合には熱損失が大きくなり、充電器の小型化設計には不向きである。また、バッテリ寿命にも大きな影響が及ぶ。最後に、3つ目の欠点として、従来の定電流-定電圧充電方式は、バッテリに対する充電温度の影響を考慮していない。環境温度が変化したにもかかわらず充電電流が一定のままの場合、充電効率に支障が生じる。充電を繰り返してバッテリの容量が減少したあとも元の定格電流を使用してバッテリの充電を行った場合には、この比較的大きな電流によってバッテリの使用寿命が更に縮んでしまう。 However, the above charging method has three drawbacks. First, when the battery is in a low voltage state, if it is charged with a large current from the beginning, the voltage of the battery rises too rapidly in the precharging stage, and as a result, the inside of the battery reacts rapidly and becomes uncontrollable. Become. As a result, the temperature rises rapidly and the battery life is shortened, and in a serious case, an accident such as ignition or explosion occurs. Second, in the precharging stage, when the battery is low voltage, the input current is controlled by the current limiting resistance in a well-known charger, but the voltage across the current limiting resistance changes with the voltage of the battery. Therefore, if the initial charging current is too large, the voltage rises during the charging process, and the amount of change in the precharging current becomes large. However, well-known chargers do not have a control mechanism for such a phenomenon. Furthermore, since the current limiting resistor must withstand high power loss, it is necessary to select a resistor with a high rated power. However, in this case, the heat loss becomes large, which is not suitable for the miniaturized design of the charger. It also has a significant effect on battery life. Finally, as a third drawback, the conventional constant current-constant voltage charging method does not consider the effect of charging temperature on the battery. If the charging current remains constant despite changes in the ambient temperature, charging efficiency will be impaired. If the battery is charged using the original rated current even after the battery capacity is reduced by repeated charging, this relatively large current further shortens the service life of the battery.

上述した定電流-定電圧充電方式の例として、特許文献1は、独立した制御チップによって各リチウムバッテリのパラメータの変化をリアルタイムで監視・測定する電気自動車用リチウムバッテリの管理ステップを開示している。また、当該特許文献1の図3及び図4の充電過程では、一般的なトリクル充電、定電流充電、定電圧充電等の充電ステップの技術的特徴について議論している。しかし、上記と同様に、定電流充電、定電圧充電の過程では、バッテリが低電圧の場合、突如として入力される充電電流によってバッテリ内部の初期の化学反応があまりにも急速に進む恐れがある。仮に、一般的な技術にトリクル充電のステップを追加して、バッテリの予備充電段階で電圧があまりにも急速に上昇するとの課題を改善したとしても、小分けして行われるトリクル充電によって入力電流が不安定化する恐れがあるほか、バッテリを複数回の電流パルスに晒すことにもなる。現在、電気自動車のバッテリコストが依然として高騰している状況で、バッテリ寿命の改良を進めるのには限界がある。 As an example of the above-mentioned constant current-constant voltage charging method, Patent Document 1 discloses a management step of a lithium battery for an electric vehicle that monitors and measures a change in a parameter of each lithium battery in real time by an independent control chip. .. Further, in the charging process of FIGS. 3 and 4 of Patent Document 1, the technical features of charging steps such as general trickle charging, constant current charging, and constant voltage charging are discussed. However, similarly to the above, in the process of constant current charging and constant voltage charging, when the battery has a low voltage, the initial chemical reaction inside the battery may proceed too rapidly due to the suddenly input charging current. Even if trickle charging steps were added to the general technology to remedy the problem of the voltage rising too rapidly during the battery precharging stage, the trickle charging performed in small portions would result in no input current. In addition to the risk of stabilization, it also exposes the battery to multiple current pulses. Currently, the battery cost of electric vehicles is still soaring, and there is a limit to how much battery life can be improved.

中国特許出願公開第102009595A号明細書Chinese Patent Application Publication No. 10209595A

そこで、従来の充電器における上記の欠点に基づいて、特に、予備充電段階における充電電流の変化量が大きく、充電器の小型化、安全性、充電効率及びバッテリ寿命にとって不都合であるとの点から、従来の充電方式及び充電器には更に改良の余地がある。 Therefore, based on the above-mentioned drawbacks of the conventional charger, the amount of change in the charging current at the precharging stage is particularly large, which is inconvenient for the miniaturization, safety, charging efficiency and battery life of the charger. , There is room for further improvement in conventional charging methods and chargers.

発明を解決するための手段Means for Solving the Invention

上記の課題を解決するために、本発明はスマート充電システムを提供する。当該システムの構成は、システムの動作を制御する制御モジュール(Micro Control Unit,MCU)と、制御モジュールに接続され、入力された交流(AC)をシステムが要する電力に変換する電力変換モジュールと、充電に必要な電力に切り替える切替モジュールと、制御モジュールに接続され、バッテリの総容量がバッテリの総容量の5%未満の場合、即ちバッテリが充電状態(SOC:State-Of-Charge)の場合、或いは、バッテリ電圧Vがバッテリ電圧の上限の第1の所定範囲よりも小さい場合に、まず0.01C~0.5Cの電流でバッテリを予備充電する予備充電モジュールと、バッテリのバッテリ電圧Vと、電力変換モジュールの出力電圧Vipreを測定し、測定結果を制御モジュールに入力する電圧測定モジュール、を含む。上記のCは、一般的にはCレート(C-rate)と称され、バッテリの充放電時の電流の大きさを表す比率の単位である。 In order to solve the above problems, the present invention provides a smart charging system. The configuration of the system consists of a control module (Micro Control Unit, MCU) that controls the operation of the system, a power conversion module that is connected to the control module and converts the input AC (AC) into the power required by the system, and charging. When the switching module that switches to the required power and the control module are connected and the total capacity of the battery is less than 5% of the total capacity of the battery, that is, when the battery is in a charged state (SOC: State-Of-Change), or When the battery voltage V b is smaller than the first predetermined range of the upper limit of the battery voltage, the pre-charging module for pre-charging the battery with a current of 0.01 C to 0.5 C, and the battery voltage V b of the battery. , A voltage measuring module that measures the output voltage Vipre of the power conversion module and inputs the measurement result to the control module. The above-mentioned C is generally referred to as a C-rate, and is a unit of a ratio representing the magnitude of the current when the battery is charged and discharged.

続いて、本発明の一実施例において、電圧測定モジュールはPrimary side及びSecondary sideと切替モジュールとの間、並びにバッテリと切替モジュールの間に設置可能であり、それぞれスマート充電システムにおける異なる回路領域について電圧を測定する。 Subsequently, in one embodiment of the present invention, the voltage measuring module can be installed between the Primary side and Secondary side and the switching module, and between the battery and the switching module, respectively, for different circuit areas in the smart charging system. To measure.

本発明の内容によれば、スマート充電システムは、上記の予備充電段階において、予備充電電流の公式がIipre=(Vipre-V)/Rprechargeとなる。Vipre-V=ΔVは、第1の所定範囲の場合の予備充電モジュール両端の電圧差を所定のパラメータとして表し、Vipreは、予備充電モジュールの入力電圧(即ち、電力変換モジュールの出力電圧)を表す。また、出力電圧の公式は、Vipre=V+ΔVである。Vはバッテリ電圧を表す。Rprechargeは予備充電における限流抵抗のパラメータを表し、所望の電力の大きさ又は応用シーンに応じて調整可能である。電気抵抗が存在するため、電力変換モジュールの出力電圧を制御して電気抵抗両端における一定の電圧差(ΔV)を維持するだけで、出力電流を制御可能となり、充電時にバッテリに入力される電流が安定する。 According to the content of the present invention, in the above-mentioned pre-charging stage, the formula of the pre-charging current is I ipre = (V ipre -V b ) / R precharge in the smart charging system. V ipre -V b = ΔV represents the voltage difference between both ends of the precharging module in the first predetermined range as a predetermined parameter, and V ipre is the input voltage of the precharging module (that is, the output voltage of the power conversion module). ). The formula of the output voltage is Vipre = V b + ΔV. V b represents the battery voltage. R precharge represents a parameter of current limiting resistance in precharging and can be adjusted according to the desired power magnitude or application scene. Since there is electrical resistance, the output current can be controlled simply by controlling the output voltage of the power conversion module and maintaining a constant voltage difference (ΔV) across the electrical resistance, and the current input to the battery during charging can be controlled. Stabilize.

本発明の内容によれば、スマート充電システムは、バッテリの温度を測定し、測定した温度を制御モジュールに入力する温度測定モジュールを含む。これにより、制御モジュールは予備充電電流の大きさを調整可能となるため、バッテリ内部の昇温が速すぎることによる事故の発生が回避される。 According to the content of the present invention, the smart charging system includes a temperature measuring module that measures the temperature of the battery and inputs the measured temperature to the control module. As a result, the control module can adjust the magnitude of the precharge current, so that the occurrence of an accident due to the temperature rise inside the battery being too fast can be avoided.

本発明の内容によれば、スマート充電システムは、バッテリから出力される充電電流Iを測定する電流測定モジュールを含む。 According to the content of the present invention, the smart charging system includes a current measuring module for measuring the charging current Ib output from the battery.

本発明の内容によれば、スマート充電システムはフィードバックモジュールを含む。また、制御モジュールは、バッテリ電圧Vに基づいて制御信号IREF及びVREFを出力する。本発明の一実施例において、フィードバックモジュールは、電流測定モジュールと電圧測定モジュールに接続され、前記信号をそれぞれ充電電流とバッテリ電圧の基準信号IREF及びVREFに対応づけて、出力する電力を補正及び制御する。これにより、スマート充電システムは、各充電段階においてバッテリの充電電圧と充電電流を安定させることができる。 According to the content of the present invention, the smart charging system includes a feedback module. Further, the control module outputs the control signals I REF and V REF based on the battery voltage V b . In one embodiment of the present invention, the feedback module is connected to the current measurement module and the voltage measurement module, and the signals are associated with the reference signals I REF and V REF of the charging current and the battery voltage, respectively, to correct the output power. And control. This allows the smart charging system to stabilize the charging voltage and charging current of the battery at each charging stage.

従来の充電方式における課題を解決するために、本発明は、スマート充電方法を提供する。当該方法は、フローとして以下を含む。即ち、電圧測定モジュールによってバッテリ電圧Vを測定し、測定結果を制御モジュールに入力する。制御モジュールは、バッテリ電圧Vの測定結果に基づいて、バッテリの状況がどの段階にあるかを判断する。バッテリ電圧Vが第1の所定範囲である場合、制御モジュールは、予備充電段階であって、0.01C~0.5Cの電流でバッテリを充電する必要があると判断する。バッテリ電圧Vが第2の所定範囲である場合、制御モジュールは、定電流段階であって、一定の電流でバッテリを充電する必要があると判断する。バッテリ電圧Vが第3の所定範囲である場合、制御モジュールは、定電圧段階であって、一定の電圧に対応する充電電圧を設定してバッテリを充電する必要があると判断する。バッテリの電流Iが低下して終了条件に達すると、制御モジュールは、充電完了段階であると判断してバッテリの充電を停止する。第1の所定範囲は、バッテリ電圧の上限(バッテリが満充電時の電圧)の7~70%とする。 In order to solve the problems in the conventional charging method, the present invention provides a smart charging method. The method includes the following as a flow. That is, the battery voltage V b is measured by the voltage measuring module, and the measurement result is input to the control module. The control module determines the stage of the battery condition based on the measurement result of the battery voltage V b . When the battery voltage V b is in the first predetermined range, the control module determines that the battery needs to be charged with a current of 0.01C to 0.5C in the precharging stage. When the battery voltage V b is in the second predetermined range, the control module determines that the battery needs to be charged with a constant current in the constant current stage. When the battery voltage V b is in the third predetermined range, the control module determines that it is necessary to charge the battery by setting a charging voltage corresponding to a constant voltage in the constant voltage stage. When the current Ib of the battery decreases and the end condition is reached, the control module determines that the charging is completed and stops charging the battery. The first predetermined range is 7 to 70% of the upper limit of the battery voltage (voltage when the battery is fully charged).

本発明の内容によれば、スマート充電方法の方法フローでは、更に、温度測定モジュールによってバッテリの接続状況を確認し、バッテリの温度を測定する。本発明の一実施例では、サーミスタ(Thermistor)形式で提供するとともに、電圧測定モジュールによってバッテリの電圧を測定可能とし、温度が所定値よりも大きい場合には充電しない。 According to the content of the present invention, in the method flow of the smart charging method, the connection status of the battery is further confirmed by the temperature measuring module, and the temperature of the battery is measured. In one embodiment of the present invention, the battery is provided in the thermistor format, the voltage of the battery can be measured by a voltage measuring module, and the battery is not charged when the temperature is higher than a predetermined value.

以下で述べる本発明の詳細な記載及び実施例の図面は、本発明をよりしっかりと理解するためのものである。ただし、これらは本発明の応用を理解するための参考にすぎず、本発明を特定の実施例に限るとの主旨ではないと解釈すべきである。 The detailed description of the present invention and the drawings of the examples described below are for a better understanding of the present invention. However, it should be construed that these are merely references for understanding the application of the present invention and are not intended to limit the present invention to specific embodiments.

図1は、スマート充電システムのシステム構成を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a system configuration of a smart charging system. 図2は、本発明の実施例におけるスマート充電システムの詳細なシステム構成を更に説明する図である。FIG. 2 is a diagram further illustrating a detailed system configuration of the smart charging system according to the embodiment of the present invention. 図3は、スマート充電システム及び方法を用いて充電する際の各充電段階における電力曲線を示す。FIG. 3 shows a power curve at each charging stage when charging using a smart charging system and method. 図4は、スマート予備充電方法の方法フローを説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a method flow of the smart precharging method.

本発明について、好ましい実施例及び観点から詳細に述べる。以下の記載は、閲覧者がこれら実施例の実施方式をしっかりと理解できるよう、本発明における特定の実施の詳細を提示するものである。ただし、当業者は、これら詳細を備えない条件であっても本発明を実施可能であると解釈すべきである。また、本発明は、その他の具体的実施例によっても運用及び実施可能である。本明細書で詳述する各詳細事項はニーズの違いに応じて応用すればよく、且つ、本発明の精神を逸脱しなければ各種の異なる補足又は変更が可能である。また、好ましい実施例及び観点から本発明について述べるが、このような記載は本発明の構造を解釈するためのものであって、本発明の特許請求の範囲を制限するものではなく、説明するためのものにすぎない。なお、以下の記載で使用する用語は、本発明における何らかの特定の実施例に係る詳細な記載と合わせて使用される場合であっても、最も広義且つ合理的に解釈すべきである。また、注意すべき点として、本発明で記載するスマート充電システム及び方法は、好ましくは、リチウムバッテリの充電に応用可能である。しかし、当業者は、当該分野における通常の知識に基づいて修正を行うとともに、例えば、炭化水素バッテリ、ニッケル・カドミウムバッテリ、ニッケル・水素バッテリ等のその他のバッテリに応用することも可能である。なお、これもまた説明のためのものにすぎず、本発明の特許請求の範囲を制限するものではない。 The present invention will be described in detail in terms of preferred examples and viewpoints. The following description presents the details of the particular implementation of the present invention so that the viewer can fully understand the embodiments of these embodiments. However, those skilled in the art should interpret that the present invention can be carried out even under conditions that do not include these details. The present invention can also be operated and implemented by other specific examples. Each of the details detailed herein may be applied according to different needs and may be supplemented or modified in various ways without departing from the spirit of the invention. Further, the present invention will be described from the viewpoint of preferred examples and viewpoints, but such description is for interpreting the structure of the present invention, does not limit the scope of claims of the present invention, and is for explanation. It's just a thing. The terms used in the following description should be interpreted in the broadest sense and rationally, even when used in combination with the detailed description of any particular embodiment of the present invention. Further, it should be noted that the smart charging system and method described in the present invention are preferably applicable to charging a lithium battery. However, those skilled in the art can make modifications based on their usual knowledge in the art and also apply them to other batteries such as hydrocarbon batteries, nickel cadmium batteries, nickel metal hydride batteries and the like. It should be noted that this is also for illustration purposes only and does not limit the scope of claims of the present invention.

本発明の目的は、従来の充電器に広く採用されている定電流-定電圧(CC-CV)充電方式では、最初に定電流を使用する際にバッテリの電圧があまりにも急速に上昇するため、容易にバッテリ寿命が縮んだり、深刻な場合には事故が発生したりするとの事態を改善することである。また、予備充電段階において、限流抵抗の両端の電圧はバッテリの電圧に伴って変化する。そのため、最初の充電電流があまりにも大きいと、限流抵抗の大きさが一定の場合、限流抵抗は高い電力損失に耐えねばならなくなる。このことから、定格電力の高い抵抗を選択せねばならないが、熱損失が大きくなるため、充電器の小型化設計には不向きである。また、仮に予備充電過程で相対的に小さなトリクル充電のステップを用いたとしても、小分けして行われるトリクル充電によって入力電流が不安定化するほか、バッテリが複数回の電流パルスに晒されることになる。そこで、本発明で提案するスマート充電システム及び方法では、従来の充電システムの構成と、予備充電段階、定電流段階、定電圧段階等の各充電段階における判断条件を更に最適化することで、上述した従来の充電器におけるバッテリ寿命及び安全性に対する課題を解決する。以下に、詳細な技術手段について具体的に述べる。 An object of the present invention is that in the constant current-constant voltage (CC-CV) charging method widely used in conventional chargers, the battery voltage rises too rapidly when the constant current is first used. It is to improve the situation where the battery life is easily shortened or an accident occurs in a serious case. Further, in the precharging stage, the voltage across the current limiting resistor changes with the voltage of the battery. Therefore, if the initial charge current is too large, the current limiting resistance must withstand a high power loss if the magnitude of the current limiting resistance is constant. For this reason, it is necessary to select a resistor with a high rated power, but it is not suitable for a miniaturized design of a charger because of the large heat loss. In addition, even if a relatively small trickle charge step is used in the precharging process, the input current will be destabilized by the trickle charge performed in small portions, and the battery will be exposed to multiple current pulses. Become. Therefore, in the smart charging system and method proposed in the present invention, the configuration of the conventional charging system and the determination conditions at each charging stage such as the precharging stage, the constant current stage, and the constant voltage stage are further optimized to be described above. It solves the problems of battery life and safety in conventional chargers. The detailed technical means will be specifically described below.

上記の目的を達成するために、図1を参照して、本発明はスマート充電システム(100)を提供する。当該システムの構成は、システムの動作を制御する制御モジュール(101)と、制御モジュール(101)に接続され、入力された交流をシステムが要する電力に変換する電力変換モジュール(103)と、充電に必要な電力に切り替える切替モジュール(117)と、制御モジュール(101)に接続され、バッテリ(111)の電気量が総容量の5%未満の場合か、バッテリ電圧Vがその上限の第1の所定範囲よりも小さい場合に、まず0.01C~0.5Cの充電電流でバッテリを予備充電する予備充電モジュール(105)と、電圧モジュールの出力電圧Vipreを含み、測定結果を制御モジュール(101)に入力する。前記第1の所定範囲は、バッテリ電圧Vの上限(バッテリが満充電時の電圧)の7~70%とする。また、第2の所定範囲はバッテリ電圧Vの上限の70~97%とし、第3の所定範囲はバッテリ電圧Vの上限の97%以上とする。 In order to achieve the above object, with reference to FIG. 1, the present invention provides a smart charging system (100). The system consists of a control module (101) that controls the operation of the system, a power conversion module (103) that is connected to the control module (101) and converts the input AC into the power required by the system, and charging. When the switching module (117) that switches to the required power and the control module (101) are connected and the amount of electricity of the battery (111) is less than 5% of the total capacity, or the battery voltage V b is the first upper limit. When the value is smaller than the predetermined range, the precharging module (105) that precharges the battery with a charging current of 0.01C to 0.5C and the output voltage Vipre of the voltage module are included, and the measurement result is controlled by the control module (101). ). The first predetermined range is 7 to 70% of the upper limit of the battery voltage V b (voltage when the battery is fully charged). The second predetermined range is 70 to 97% of the upper limit of the battery voltage V b , and the third predetermined range is 97% or more of the upper limit of the battery voltage V b .

また、本発明において、前記制御モジュール(101)は、中央処理装置、記憶装置、タイマー/カウンター、各種入出力インターフェースを統合したマイクロコントローラ(Micro Control Unit,MCU)である。制御モジュール(101)は、一般的な既知の方式で統合されて動作し、スマート充電システム(100)の充電プログラムにおける計算資源を提供するとともに、処理プログラムと連携する。本発明の観点では、制御モジュール(101)は1つであっても複数であってもよく、それぞれが1又は複数のマイクロコントローラを含んでいる。これにより、使用上の必要性に応じて、システムにおける各要素を統合的に制御してもよいし、いずれかの要素の機能を強化又は分離したい場合には、専用のマイクロコントローラを使用して制御してもよい。例えば、本発明の一実施例では、統合された1つの制御モジュール(101)でスマート充電システム(100)全体の動作を制御してもよいし、フィードバックモジュール(113)が単独で制御モジュール(101)を備え、2つのマイクロプロセッサを有して制御を行ってもよい。注意すべき点として、上記は本発明の好ましい実施例にすぎず、当業者であれば、本明細書を閲読することで、その他のシステム要素もまた独立したマイクロコントローラを含み得ることを理解可能である。 Further, in the present invention, the control module (101) is a microcontroller (Micro Control Unit, MCU) in which a central processing unit, a storage device, a timer / counter, and various input / output interfaces are integrated. The control module (101) is integrated and operates in a commonly known manner to provide computational resources in the charging program of the smart charging system (100) and to work with the processing program. From the viewpoint of the present invention, the control module (101) may be one or a plurality, and each includes one or a plurality of microcontrollers. This allows integrated control of each element in the system according to usage needs, or if you want to enhance or separate the functionality of any of the elements, use a dedicated microcontroller. You may control it. For example, in one embodiment of the present invention, one integrated control module (101) may control the operation of the entire smart charging system (100), or the feedback module (113) may be a single control module (101). ), And may have two microprocessors for control. It should be noted that the above is only a preferred embodiment of the present invention and one of ordinary skill in the art will understand that other system elements may also include an independent microcontroller by reading this specification. Is.

本発明の一実施例によれば、前記切替モジュール(117)は、バッテリ(111)の各充電段階における必要性に応じ、制御モジュール(101)からの制御信号を受信して、バッテリが必要とする充電経路に切り替える。これにより、電力変換モジュール(103)から充電に必要な電源を直接供給するのか、予備充電モジュール(105)によって予備充電段階に必要な電源を間接的に供給する必要があるのかを決定する。例えば、バッテリ(111)のバッテリ電圧Vがその上限の第1の所定範囲よりも小さい場合には、切替モジュール(117)が充電経路を切り替えることで、上述したように、予備充電モジュール(105)は、バッテリ電圧Vが第1の所定範囲を脱するまで、まず0.01C~0.5Cの充電電流でバッテリ(111)を予備充電可能となる。 According to one embodiment of the present invention, the switching module (117) receives a control signal from the control module (101) according to the need in each charging stage of the battery (111) and requires a battery. Switch to the charging path. This determines whether the power conversion module (103) directly supplies the power required for charging or the precharging module (105) indirectly supplies the power required for the precharging stage. For example, when the battery voltage V b of the battery (111) is smaller than the first predetermined range of the upper limit, the switching module (117) switches the charging path, so that the precharging module (105) is described above. ) Allows the battery (111) to be precharged with a charging current of 0.01 C to 0.5 C until the battery voltage V b deviates from the first predetermined range.

図2を参照する。図2によれば、本発明において、スマート充電システム(100)は、予備充電段階における予備充電電圧と予備充電電流の大きさ調整するために、バッテリ(111)の温度を測定する温度測定モジュール(109)を含む。本発明の一実施例において、予備充電電圧に適用される公式は次の通りである。
ipre=V+ΔV+V(t)
ipreは電力変換モジュール(103)の出力電圧を表し、Vはバッテリ電圧を表す。ΔVは、第1の所定範囲の場合の予備充電モジュール両端の電圧差を所定のパラメータとして表し、V(t)は温度の補正関数を表す。これにより、スマート充電システム(100)が予備充電段階の場合に、バッテリ(111)に対し0.01C~0.5Cの予備充電電流の範囲を維持可能となる。本発明の好ましい実施例において、バッテリ(111)の温度が-10℃~45℃の場合、V(t)による好ましい数値の大きさの補正範囲は0~5V(Volt)である。これにより、バッテリ(111)内部の化学反応があまりにも急激に進むことがなく、スマート充電システム(100)の発熱量が低下する。また、各充電段階において、充電電圧と充電電流を調整する余地が増大する。よって、充電過程で温度の上昇が速すぎるためにバッテリ(111)の使用寿命に支障をきたすことがない。且つ、充電速度と使用寿命の間で最適なバランスを取ることが可能になるほか、充電器の小型化という目標も達成可能となる。
See FIG. According to FIG. 2, in the present invention, the smart charging system (100) is a temperature measuring module (111) that measures the temperature of the battery (111) in order to adjust the magnitudes of the precharging voltage and the precharging current in the precharging stage. 109) is included. In one embodiment of the invention, the formula applied to the precharging voltage is:
V ipre = V b + ΔV + V (t)
V ipre represents the output voltage of the power conversion module (103), and V b represents the battery voltage. ΔV represents the voltage difference between both ends of the precharging module in the case of the first predetermined range as a predetermined parameter, and V (t) represents the temperature correction function. As a result, when the smart charging system (100) is in the precharging stage, the precharging current range of 0.01C to 0.5C can be maintained with respect to the battery (111). In a preferred embodiment of the present invention, when the temperature of the battery (111) is −10 ° C. to 45 ° C., the correction range of the preferred numerical value by V (t) is 0 to 5 V (Volt). As a result, the chemical reaction inside the battery (111) does not proceed too rapidly, and the calorific value of the smart charging system (100) decreases. In addition, there is more room for adjusting the charging voltage and charging current at each charging stage. Therefore, the temperature rises too quickly in the charging process, which does not affect the service life of the battery (111). In addition to being able to achieve the optimum balance between charging speed and service life, the goal of miniaturization of the charger can also be achieved.

本発明の内容によれば、スマート充電システム(100)は、電流測定モジュール(115)に接続されるフィードバックモジュール(113)を含む。図2を参照して、本発明の一実施例では、Primary side及びSecondary sideと切替モジュール(117)の間にも、フィードバックモジュール(113)に接続される電圧測定モジュール(107)が設けられている。これにより、各充電段階におけるバッテリ電圧Vと充電電流Iの状況に基づいて、スマート充電システム(100)は、制御モジュール(101)により電力変換モジュール(103)の充電電圧がバッテリ電圧V+ΔVに追随するよう制御可能となる。よって、充電電圧は、外部から電力変換モジュール(103)に入力される電力の変動に伴って過剰に変化することなく一定となり、安定した充電電流を得ることができる。また、前記温度測定モジュール(109)が測定するバッテリの温度に従って充電電流の大きさを調整可能であり、バッテリ(111)の充電効率と寿命にも配慮している。本発明の一実施例において、予備充電段階を例示すると、図2~図3において、制御モジュール(101)はアナログ形式の基準信号IREF及びVREFをそれぞれ出力する。前記基準信号は、それぞれ予備充電段階における充電電流と充電電圧に対応する基準値である。フィードバックモジュール(113)は、予備充電電圧Vipreと基準信号IREF及びVREFとの差分値を比較して誤差信号(Comp)(フィードバック補償信号とも称する)を取得することで、電力変換モジュール(103)の出力電圧を制御し、予備充電電圧Vipreのレベルを安定させる。これにより、予備充電段階において、安定的且つ緩やかな速度でバッテリ(111)を充電し、バッテリ電圧Vが所定の条件に達したあとに定電流段階に変換することが可能となる。注意すべき点として、上記の実施例では、制御モジュール(101)がアナログ形式の基準信号IREF及びVREFを出力すると述べたが、これは予備充電段階の基準信号に限らない。制御モジュール(101)には、定電流段階、定電圧段階等の各充電段階の基準値も記憶されているため、スマート充電システム(100)は、どの段階であっても安定的にバッテリ(111)の充電状況に基づいて充電電圧と充電電流の大きさを調整することが可能である。よって、仮にバッテリ(111)の健康状態がよくない場合であっても、使用可能寿命を効果的に延ばすことが可能である。 According to the content of the present invention, the smart charging system (100) includes a feedback module (113) connected to the current measuring module (115). With reference to FIG. 2, in one embodiment of the present invention, a voltage measuring module (107) connected to the feedback module (113) is also provided between the Primary side and Secondary side and the switching module (117). There is. As a result, based on the situation of the battery voltage V b and the charging current I b at each charging stage, the smart charging system (100) uses the control module (101) to change the charging voltage of the power conversion module (103) to the battery voltage V b . It becomes possible to control to follow + ΔV. Therefore, the charging voltage becomes constant without being excessively changed due to the fluctuation of the electric power input to the power conversion module (103) from the outside, and a stable charging current can be obtained. Further, the magnitude of the charging current can be adjusted according to the temperature of the battery measured by the temperature measuring module (109), and the charging efficiency and life of the battery (111) are also taken into consideration. To illustrate the precharging stage in one embodiment of the present invention, in FIGS. 2 to 3, the control module (101) outputs analog reference signals I REF and V REF , respectively. The reference signal is a reference value corresponding to the charging current and the charging voltage in the precharging stage, respectively. The feedback module (113) is a power conversion module (also referred to as a feedback compensation signal) by comparing the difference values between the precharge voltage V ipre and the reference signals I REF and V REF and acquiring an error signal (Comp) (also referred to as a feedback compensation signal). The output voltage of 103) is controlled to stabilize the level of the precharging voltage Feedback . As a result, in the precharging stage, the battery (111) can be charged at a stable and moderate speed, and after the battery voltage V b reaches a predetermined condition, it can be converted to the constant current stage. It should be noted that in the above embodiment, it is stated that the control module (101) outputs the reference signals I REF and V REF in analog format, but this is not limited to the reference signal in the precharging stage. Since the control module (101) also stores reference values for each charging stage such as a constant current stage and a constant voltage stage, the smart charging system (100) can stably use the battery (111) at any stage. ), It is possible to adjust the magnitude of the charging voltage and charging current based on the charging status. Therefore, even if the health condition of the battery (111) is not good, the usable life can be effectively extended.

本発明の一実施例によれば、前記電力変換モジュール(103)は、外部から入力された電源を交流から所望の直流に変換する整流ユニット(103a)を含む。上記の交流から直流への変換は、全波整流又は半波整流とすればよいが、これに限らない。また、整流ユニット(103a)は、出力する直流を平滑化し、力率を向上させ、高調波歪を低下させることで、スマート充電システム(100)の電気供給品質を更に向上させる。 According to one embodiment of the present invention, the power conversion module (103) includes a rectifying unit (103a) that converts an externally input power source from alternating current to desired direct current. The above conversion from alternating current to direct current may be full-wave rectification or half-wave rectification, but is not limited to this. Further, the rectifying unit (103a) smoothes the output direct current, improves the power factor, and reduces the harmonic distortion, thereby further improving the electricity supply quality of the smart charging system (100).

図4を参照して、従来の充電方式の課題を解決するために、本発明はスマート充電方法(400)を提供する。当該方法は、フローとして以下を含む。即ち、フロー(S2)では、電圧測定モジュール(107)によってバッテリ電圧Vを測定し、測定結果を制御モジュール(101)に入力する。制御モジュール(101)は、バッテリ電圧Vの測定結果に基づいて、バッテリ(111)の状況がどの段階にあるかを判断する。フロー(S4)において、バッテリ電圧Vが第1の所定範囲である場合、制御モジュール(101)は、予備充電段階であって、0.01C~0.5Cの充電電流でバッテリ(111)を充電する必要があると判断する。フロー(S5)において、バッテリ電圧Vが第2の所定範囲である場合、制御モジュール(101)は、定電流段階であって、一定の大きさの充電電流でバッテリ(111)を充電する必要があると判断する。フロー(S6)において、バッテリ電圧Vが第3の所定範囲である場合、制御モジュール(101)は、定電圧段階であって、一定の大きさの充電電圧に対応する充電電流を設定してバッテリ(111)を充電する必要があると判断する。フロー(S7)において、バッテリ電圧Vが終了条件に達すると、制御モジュール(101)は充電完了段階であると判断し、バッテリ(111)に対する充電を停止する。第1の所定範囲は、バッテリ電圧の上限(満充電時の電圧)の7~70%とする。また、第2の所定範囲はバッテリ電圧の上限の70~97%とし、第3の所定範囲はバッテリ電圧の上限の97%以上とする。 In order to solve the problems of the conventional charging method with reference to FIG. 4, the present invention provides a smart charging method (400). The method includes the following as a flow. That is, in the flow (S2), the battery voltage V b is measured by the voltage measuring module (107), and the measurement result is input to the control module (101). The control module (101) determines at what stage the condition of the battery (111) is based on the measurement result of the battery voltage V b . In the flow (S4), when the battery voltage V b is in the first predetermined range, the control module (101) is in the precharging stage, and the battery (111) is charged with a charging current of 0.01C to 0.5C. Determine that it needs to be charged. In the flow (S5), when the battery voltage V b is in the second predetermined range, the control module (101) needs to charge the battery (111) with a charging current of a constant magnitude in the constant current stage. Judge that there is. In the flow (S6), when the battery voltage V b is in the third predetermined range, the control module (101) sets a charging current corresponding to a charging voltage of a certain magnitude in the constant voltage stage. It is determined that the battery (111) needs to be charged. In the flow (S7), when the battery voltage V b reaches the end condition, the control module (101) determines that the charging is completed, and stops charging the battery (111). The first predetermined range is 7 to 70% of the upper limit of the battery voltage (voltage at full charge). The second predetermined range is 70 to 97% of the upper limit of the battery voltage, and the third predetermined range is 97% or more of the upper limit of the battery voltage.

本発明の一実施例によれば、スマート充電方法(400)は、フロー(S2)において、測定されたバッテリ電圧Vが第1の所定範囲以下の場合には充電しない。一般的に市販されているリチウムバッテリの場合を例示すると、電力容量が満充電の場合、バッテリ電圧Vは約4.2Vとなるが(1つのセルの定格電圧が4.2Vの場合を例示する。通常の応用では複数のセルが並列に接続される)、電力容量を使い切ると、バッテリ電圧Vは3V程度となる。そのため、第1の所定範囲以下になった場合(このとき、バッテリ電圧Vの大きさは約0.03V)には、リチウムバッテリに破損や故障が生じたか、接続状況に異常が発生したと考えられる。よって、事故を回避するためにフロー(S2)では充電しない。 According to one embodiment of the present invention, the smart charging method (400) does not charge when the measured battery voltage V b is equal to or less than the first predetermined range in the flow (S2). To exemplify the case of a lithium battery generally available on the market, when the power capacity is fully charged, the battery voltage V b is about 4.2 V (an example is the case where the rated voltage of one cell is 4.2 V). In a normal application, multiple cells are connected in parallel), and when the power capacity is used up, the battery voltage V b becomes about 3 V. Therefore, when the voltage falls below the first predetermined range (at this time, the magnitude of the battery voltage V b is about 0.03 V), it is said that the lithium battery is damaged or malfunctions, or an abnormality occurs in the connection status. Conceivable. Therefore, in order to avoid an accident, the flow (S2) does not charge.

本発明の内容によれば、スマート充電方法(400)は、温度測定モジュール(109)によってバッテリ(111)の接続状況を確認し、バッテリ(111)の温度を測定して、温度の所定値よりも大きい場合、或いは温度の上昇速度が温度勾配よりも大きい場合には充電しないフロー(S1)を含む。また、スマート充電方法(400)がフロー(S4)の場合、即ちバッテリ(111)が予備充電段階の場合、予備充電電圧及び予備充電電流にそれぞれ適用される充電の公式は次の通りである。
ipre=V+ΔV+V(t)
ipre=(Vipre-V)/Rprecharge
V(t)は、温度に関する補正関数である。本発明の他の実施例において、バッテリ(111)の温度が-10℃~45℃の場合、V(t)による好ましい数値の大きさの補正範囲は0~5V(Volt)である。これにより、充電電圧が第1の所定範囲の場合に、バッテリ(111)のバッテリ電圧Vを温度測定モジュール(109)により測定された温度条件に連動させることが可能となる。また、このフローによって、電力変換モジュール(103)の出力を制御することで、本発明における安定した予備充電電流の制御という目的が達成される。
According to the content of the present invention, in the smart charging method (400), the connection status of the battery (111) is confirmed by the temperature measuring module (109), the temperature of the battery (111) is measured, and the temperature is determined from the predetermined value. Also includes a non-charging flow (S1) when the temperature rise rate is larger than the temperature gradient. Further, when the smart charging method (400) is the flow (S4), that is, when the battery (111) is in the precharging stage, the charging formulas applied to the precharging voltage and the precharging current are as follows.
V ipre = V b + ΔV + V (t)
I ipre = (V ipre -V b ) / R precharge
V (t) is a correction function for temperature. In another embodiment of the present invention, when the temperature of the battery (111) is −10 ° C. to 45 ° C., the correction range of the preferred numerical value by V (t) is 0 to 5 V (Volt). As a result, when the charging voltage is in the first predetermined range, the battery voltage V b of the battery (111) can be linked to the temperature condition measured by the temperature measuring module (109). Further, by controlling the output of the power conversion module (103) by this flow, the object of stable precharging current control in the present invention is achieved.

以上の記載は本発明の好ましい実施例である。当業者は、上記は本発明を説明するためのものであって、本発明で主張する権利範囲を限定するものではないと解釈すべきである。また、権利の保護範囲については、後述の特許請求の範囲及びこれと同等の分野に基づき決定される。当業者が本件特許の精神又は範囲を逸脱しないことを前提に実施する修正又は補足は、いずれも本発明で開示した精神の下で完了される等価の変形又は設計に属し、後述の特許請求の範囲に含まれるはずである。 The above description is a preferred embodiment of the present invention. Those skilled in the art should interpret that the above is for the purpose of explaining the present invention and does not limit the scope of rights claimed in the present invention. In addition, the scope of protection of rights is determined based on the scope of claims described later and the equivalent fields. Any modifications or supplements made by one of ordinary skill in the art on the premise that they do not deviate from the spirit or scope of the Patent belong to the equivalent modifications or designs completed in the spirit disclosed in the present invention and are described in the claims described below. Should be included in the range.

100 スマート充電システム
101 制御モジュール
103 電力変換モジュール
103a 整流ユニット
105 予備充電モジュール
107 電圧測定モジュール
109 温度測定モジュール
111 バッテリ
115 電流測定モジュール
117 切替モジュール
113 フィードバックモジュール
400 スマート予備充電方法
S1~S7 方法フロー
100 Smart charging system 101 Control module 103 Power conversion module 103a Rectification unit 105 Pre-charging module 107 Voltage measuring module 109 Temperature measuring module 111 Battery 115 Current measuring module 117 Switching module 113 Feedback module 400 Smart pre-charging method S1 to S7 Method flow

Claims (5)

スマート充電システムであって、構成として、
システムの動作を制御する少なくとも1つの制御モジュールと、
前記制御モジュールに接続され、システムを動作させる電力を供給する電力変換モジュールと、
バッテリ電圧Vを測定して、前記少なくとも1つの制御モジュールに入力する電圧測定モジュールと、
バッテリ電圧Vがその上限の第1の所定範囲より小さい場合、0.01C~0.5Cの充電電流で予備充電を行う予備充電モジュールと、
前記電圧測定モジュールに接続され、システムが前記制御モジュールによって充電電圧をバッテリ電圧V+ΔVに追随させる制御及び安定化を可能とするフィードバックモジュール、を含み、
前記第1の所定範囲は、バッテリ電圧Vの上限の7~70%であるシステム。
It is a smart charging system, and as a configuration,
At least one control module that controls the operation of the system,
A power conversion module that is connected to the control module and supplies power to operate the system,
A voltage measuring module that measures the battery voltage V b and inputs it to the at least one control module.
When the battery voltage V b is smaller than the first predetermined range of the upper limit, a precharging module that precharges with a charging current of 0.01C to 0.5C and a precharging module.
Includes a feedback module, which is connected to the voltage measuring module and allows the system to control and stabilize the charging voltage by the control module to follow the battery voltage V b + ΔV.
The first predetermined range is a system in which the upper limit of the battery voltage V b is 7 to 70%.
更に、バッテリの接続状況を確認してバッテリの温度を測定する温度測定モジュールを含み、充電電圧の安定化条件には、更に、前記温度測定モジュールにより測定されるバッテリの温度が含まれる請求項1に記載のスマート充電システム。 Further, a temperature measuring module for confirming the connection status of the battery and measuring the temperature of the battery is included, and the stabilization condition of the charging voltage further includes the temperature of the battery measured by the temperature measuring module. The smart charging system described in. バッテリの温度が-10℃~45℃の状態において、補正関数の数値範囲は0~5Vである請求項2に記載のスマート充電システム。 The smart charging system according to claim 2, wherein the numerical range of the correction function is 0 to 5 V when the temperature of the battery is −10 ° C. to 45 ° C. スマート充電方法であって、フローとして、
電圧測定モジュールによりバッテリ電圧Vを測定し、制御モジュールがバッテリ電圧Vに基づいてバッテリの状況を判断し、
バッテリ電圧Vが第1の所定範囲にある場合、前記制御モジュールは予備充電段階を実行して、0.01C~0.5Cの充電電流でバッテリを充電し、
バッテリ電圧Vが第2の所定範囲にある場合、前記制御モジュールは定電流段階を実行し、
前記第2の所定範囲は、バッテリ電圧の上限の70~97%である方法。
It is a smart charging method, and as a flow,
The voltage measuring module measures the battery voltage V b , and the control module determines the battery status based on the battery voltage V b .
When the battery voltage V b is in the first predetermined range, the control module performs a precharging step to charge the battery with a charging current of 0.01C to 0.5C.
When the battery voltage V b is in the second predetermined range, the control module performs a constant current step.
The second predetermined range is a method in which the upper limit of the battery voltage is 70 to 97%.
バッテリ電圧Vが前記第1の所定範囲よりも小さい場合、予備充電電圧Vipreの大きさはバッテリ電圧V+ΔVと補正関数の合計となり、補正関数はバッテリの温度の関数である請求項4に記載のスマート充電方法。 When the battery voltage V b is smaller than the first predetermined range, the magnitude of the precharge voltage V ipre is the sum of the battery voltage V b + ΔV and the correction function, and the correction function is a function of the battery temperature. The smart charging method described in.
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