KR100893130B1 - Group cell control circuit of lithium secondary battery - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로에 관한 것으로, 울트라 캐패시터를 매개로 발랜싱 스위칭을 하드웨어적으로 보완하여 직렬 조합된 리튬이차전지의 팩 운용시에 발생되는 그룹 셀 사이의 전위차를 최소화시킬 수 있도록 함에 그 목적이 있다.      The present invention relates to a balancing control circuit between group cells of a lithium secondary battery. Its purpose is to allow it to be minimized.

이를 위해, 본 발명에 따른 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로는, 직렬 조합된 리튬이차전지 팩에 구비되는 복수 개 그룹 셀의 충전을 제어하는 회로에 있어서, 상기 그룹 셀 각각에 연결되는 적어도 둘 이상의 충전제어부가 병렬로 구성되고, 상기 충전제어부는, 충전전류의 공급에 따라 상기 그룹 셀을 충전하는 경우, 복수 개의 그룹 셀 중에서 하나의 그룹 셀이 다른 그룹 셀 보다 과충전이 되지 않게 각각의 그룹 셀로 충전전류를 분산시키도록 제어를 행한다.To this end, the balancing control circuit between the group cells of the lithium secondary battery according to the present invention, in the circuit for controlling the charge of the plurality of group cells provided in the lithium secondary battery pack in series, at least connected to each of the group cells Two or more charge control units are configured in parallel, and when the charge control unit charges the group cells according to the supply of the charging current, each group does not overcharge one group cell among a plurality of group cells. Control is performed to distribute the charging current to the cell.

리튬이차전지, 배터리팩, 그룹 셀, 울트라캐패시터, FET Lithium Secondary Battery, Battery Pack, Group Cell, Ultracapacitor, FET

Description

리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로{GROUP CELL CONTROL CIRCUIT OF LITHIUM SECONDARY BATTERY}        GROUP CELL CONTROL CIRCUIT OF LITHIUM SECONDARY BATTERY}

본 발명은 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직렬 조합된 리튬이차전지의 팩 운용시에 발생되는 그룹 셀 사이의 전위 차이를 울트라 캐패시터를 이용하여 최소화시킬 수 있도록 한 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로에 관한 것이다.The present invention relates to a balancing control circuit between group cells of a lithium secondary battery, and more particularly, to minimize the potential difference between group cells generated when a pack operation of a lithium secondary battery in series is combined using an ultracapacitor. The present invention relates to a balancing control circuit between group cells of a lithium secondary battery.

일반적으로, 노트북 컴퓨터나 전기자전거, 청소형 로봇, 소형 카트 등과 같은 각종 휴대용 기기의 사용이 증대되고, 이에 따라 상기 휴대용 기기의 작동을 위한 휴대용 전원 및 중대형 전원장치의 수요가 확산됨에 따라 이차전지에 대한 연구가 중요한 과제로 대두되고 있다.      In general, the use of various portable devices such as notebook computers, electric bicycles, cleaning robots, small carts, etc. is increasing, and as a result, the demand for portable power and medium and large power supplies for operating the portable devices is spreading. Research is emerging as an important task.

여기에서, 반복적인 충방전이 가능한 상기 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 납 축전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬-이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등과 같이 매우 다양한 종류가 개발되어 사용되고 있는데, 상기 이차전지는 충방전 회로와 함께 팩으로 구성된 상태에서, 상기 팩의 외부 단자를 통해 충전 및 방전이 이루어지게 된다.      Here, as the secondary battery capable of repetitive charging and discharging, various kinds such as nickel-cadmium batteries, lead storage batteries, nickel-hydrogen batteries, nickel-zinc batteries, lithium-ion batteries, lithium polymer batteries, etc. have been developed and used. The secondary battery is charged and discharged through an external terminal of the pack in a state in which the secondary battery is configured as a pack together with a charge / discharge circuit.

이때, 상술한 바와 같은 다양한 종류의 이차전지 중에서, 리튬을 이용한 이차전지는 그 수명이 길고 용량이 크다는 장점을 갖고 있으므로, 가장 널리 사용되고 있는 실정이다.      At this time, among the various types of secondary batteries as described above, secondary batteries using lithium have the advantage of long life and large capacity, which is the most widely used situation.

그러나, 상술한 바와 같은 리튬이차전지에서 다수 개의 셀을 매개로 그룹 셀을 형성한 후, 다시 복수 개의 그룹 셀을 직렬로 연결함에 따라 팩으로 제조되는 리튬이차전지 팩에서 상기 그룹 셀 상호간의 발랜싱을 제어하기 위한 회로는 도 1에 도시된 바와 같이 대부분 저항을 이용하여 구성하게 되는데, 상기 저항을 이용한 회로에 있어서는 상기 그룹 셀의 FET 스위칭 시에 인접 그룹 셀들의 전위 상승폭이 커지게 되는 문제점이 발생하게 되었다.However, after forming a group cell through a plurality of cells in the lithium secondary battery as described above, by balancing the group cells in a lithium secondary battery pack manufactured as a pack by connecting the plurality of group cells in series again As shown in FIG. 1, the circuit for controlling the circuit is configured using a resistor. In the circuit using the resistor, there is a problem in that the potential rise of the adjacent group cells increases during FET switching of the group cell. Was done.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 울트라 캐패시터를 매개로 발랜싱 스위칭을 하드웨어적으로 보완하여 직렬 조합된 리튬이차전지의 팩 운용시에 발생되는 그룹 셀 사이의 전위차를 최소화시킬 수 있도록 한 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로를 제공하고자 하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made to improve the above-described problems, the object of which is to compensate for the balancing switching via the ultra-capacitor hardware generated in the operation of the pack of the lithium secondary battery combined in series It is an object of the present invention to provide a balancing control circuit between group cells of a lithium secondary battery capable of minimizing a potential difference between group cells.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로는, 직렬 조합된 리튬이차전지 팩에 구비되는 복수 개 그룹 셀의 충전을 제어하는 회로에 있어서, 상기 그룹 셀 각각에 연결되는 적어도 둘 이상의 충전제어부가 병렬로 구성되고, 상기 충전제어부는, 충전전류의 공급에 따라 상기 그룹 셀을 충전하는 경우, 복수 개의 그룹 셀 중에서 하나의 그룹 셀이 다른 그룹 셀 보다 과충전이 되지 않게 각각의 그룹 셀로 충전전류를 분산시키도록 제어를 행하는 것을 특징으로 한다.      In order to achieve the above object, the balancing control circuit between group cells of a lithium secondary battery according to the present invention is a circuit for controlling the charging of a plurality of group cells provided in a lithium secondary battery pack combined in series. At least two charge control units connected to each of the cells are configured in parallel, and when the charge control unit charges the group cells according to the supply of the charging current, one group cell of the plurality of group cells is overcharged than the other group cells. It is characterized in that control is performed so as to disperse the charging current to each group cell.

바람직하게, 상기 각각의 그룹 셀에 대응되도록 병렬로 구성되는 각 충전제어부는, 마이컴의 제어에 따라 선택적으로 온.오프 되면서 해당 그룹 셀 측으로 충전전류를 공급하는 한 쌍의 FET와, 그룹 셀 전압이 4.2볼트[V] 이상인 그룹 셀 측으로부터 다음 그룹 셀 측으로 전류를 바이패스 시키는 저항 및, 상기 FET의 스위칭 시에 발생되는 전위변동이 최소화 되도록 충전 시에 전류를 분산시키는 울트라 캐패시터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.Preferably, each charge control unit configured in parallel to correspond to each of the group cells includes a pair of FETs for supplying a charging current to the corresponding group cell while being selectively turned on and off under the control of the microcomputer, and the group cell voltage And a resistor for bypassing current from the group cell side of 4.2 volts [V] or higher to the next group cell side, and an ultracapacitor for distributing the current during charging to minimize potential fluctuations generated during switching of the FET. It is done.

상기와 같이 이루어진 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로에 따르면, 배터리 팩의 각 그룹 셀과 대응되게 구성되는 울트라 캐피시터를 포함하는 충전제어부를 통해 리튬이차전지의 팩 운용시에 발생되는 그룹 셀 사이의 전위차를 최소화시킬 수 있는 효과가 있게 되며, 이를 통해 배터리 팩을 구성하는 소정 그룹 셀의 FET 스위칭 시에 인접 그룹 셀들의 전위 상승폭이 커지게 되는 문제점을 해소할 수 있는 효과가 있게 되는 것이다.According to the balancing control circuit between the group cells of the lithium secondary battery as described above, between the group cells generated when the pack operation of the lithium secondary battery through the charge control unit including an ultracapacitor configured to correspond to each group cell of the battery pack There is an effect that can minimize the potential difference of the through, it is possible to solve the problem that the potential rise of the adjacent group cells becomes large during the FET switching of the predetermined group cells constituting the battery pack.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.      Hereinafter, the present invention configured as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로를 나타내는 회로구성도, 도 3은 본 발명에 따른 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로를 나타내는 블록구성도, 도 4는 본 발명에 따른 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로의 충전제어부의 동작 상태를 나타내기 위한 블록구성도이다.      FIG. 2 is a circuit diagram showing a balancing control circuit between group cells of a lithium secondary battery according to the present invention. FIG. 3 is a block diagram showing a balancing control circuit between group cells of a lithium secondary battery according to the present invention. Fig. 1 is a block diagram showing an operation state of a charge control unit of a balancing control circuit between group cells of a lithium secondary battery according to the present invention.

본 발명에 따른 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로는, 다수 개의 그룹 셀(12)과, 상기 그룹 셀(12)이 직렬로 연결되어 구성되는 배터리 팩(10)과, 상기 배터리 팩(10)을 구성하는 각각의 그룹 셀(12)에 대응되게 구성되는 충전제어부(20) 및, 상기 충전제어부(20)를 선택적으로 제어하여 다수 개의 그룹 셀(12)이 충전되도록 하는 마이컴(50)을 포함하여 구성되어, 상기 마이컴(50)의 제어에 따른 상기 충전제어부(20)의 동작에 의해 상기 그룹 셀(12)에 충전전류가 공급 될 시에 하나의 그룹 셀(12)이 과충전 되기전에 다음 그룹 셀(12)로 충전전류가 분산 공급 될 수 있도록 제어가 이루어짐에 따라 구현된다.      The balancing control circuit between group cells of a lithium secondary battery according to the present invention includes a plurality of group cells 12, a battery pack 10 in which the group cells 12 are connected in series, and the battery pack 10. Charge control unit 20 is configured to correspond to each of the group cells 12 constituting a) and the microcomputer 50 to selectively control the charge control unit 20 to charge a plurality of group cells 12 When the charging current is supplied to the group cell 12 by the operation of the charging control unit 20 according to the control of the microcomputer 50 before one group cell 12 is overcharged The control is implemented so that the charging current is distributed to the group cells 12 can be implemented.

즉, 상술한 바와 같이 구성된 충전회로는, 상기 마이컴(50)의 제어에 따라 리튬이차전지의 배터리 팩(10)을 구성하는 다수 개의 그룹 셀(12) 중 해당 그룹 셀(12)에 충전전류가 공급되어 충전이 이루어짐과 아울러, 상기 충전전류를 과충전이 되는 그룹 셀(12)로부터 다음 그룹 셀(12) 측으로 바이패스 시키게 되는데, 이때 인접 그룹 셀(12)의 전위가 넓은 폭으로 상승되는 문제점을 해결하기 위하여, 울트라 캐퍼시터(30)가 포함된 충전제어부(20)를 통해 전류를 분산시키도록 구성된다.       That is, in the charging circuit configured as described above, the charging current is applied to the group cell 12 of the plurality of group cells 12 constituting the battery pack 10 of the lithium secondary battery under the control of the microcomputer 50. In addition to charging and supplying, the charging current is bypassed from the group cell 12 that is overcharged to the next group cell 12. In this case, the potential of the adjacent group cell 12 rises widely. In order to solve, it is configured to distribute the current through the charge control unit 20 that includes the ultra-capacitor 30.

이에 따라, 상기 각각의 그룹 셀(12)에 대응되도록 병렬로 구성되는 각각의 충전제어부(20)는 상기 마이컴(50)의 제어에 따라 선택적으로 온.오프 되면서 해당 그룹 셀(12) 측으로 충전전류가 바이패스 되도록 스위칭 역할을 하는 한 쌍의 FET(22, 24)와, 다음 그룹 셀(12) 측으로 전류를 바이패스 시키도록 구비되는 바이패스용 저항(40)과, 상기 FET(22, 24)의 스위칭 과정에서 발생되는 전위변동이 최소화 되도록 충전 시에 전류를 분산시키도록 구비되는 울트라 캐패시터(30) 등을 포함하여 구성된다.      Accordingly, each charge control unit 20 configured in parallel to correspond to each of the group cells 12 is selectively turned on and off under the control of the microcomputer 50 and the charging current toward the corresponding group cell 12. A pair of FETs 22 and 24 serving to switch so that the circuit is bypassed; a bypass resistor 40 provided to bypass current to the next group cell 12; and the FETs 22 and 24. It is configured to include an ultra-capacitor 30 and the like provided to distribute the current during charging to minimize potential fluctuations generated in the switching process of.

또한, 상기 각각의 충전제어부(20)를 제어하는 마이컴(50)은 파워단의 과충전, 과방전, 과전류방전 등을 측정하여 기본적인 PCM으로서 구동하게 되며, 지속적으로 각각의 그룹 셀(12)의 전압을 측정한 후 FET를 매개로 그룹 셀의 전체적인 충 방전을 제어하도록 구성된다.      In addition, the microcomputer 50 controlling the respective charging control unit 20 is driven as a basic PCM by measuring the overcharge, over-discharge, over-current discharge of the power stage, and continuously the voltage of each group cell 12 After the measurement, the FET is configured to control the overall charge and discharge of the group cell.

도면에서, 참조부호 60, 62, 64는 각각 파워단의 전압과 전류, 온도 등을 측정하여 상기 마이컴 측으로 제공하도록 구성되는 전압센싱, 전류센싱, 온도센싱이며, 참조부호 70 및 72는 각각 충전용 FET 및 방전용 FET이다.      In the drawings, reference numerals 60, 62, and 64 denote voltage sensing, current sensing, and temperature sensing configured to measure the voltage, current, temperature, and the like of the power stage, respectively, and provide them to the microcomputer. FET and discharge FET.

또한, 상기 충전제어부(20)에 구비되는 FET(22, 24)는 알고리즘의 변화에 따라 듀얼, N-type, P-type 등이 선택적으로 사용될 수가 있음은 물론이다.      In addition, the FETs 22 and 24 provided in the charge control unit 20 may be selectively used, such as dual, N-type, P-type, etc. according to the change of the algorithm.

이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 작용에 대해 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.      Next, the operation of the present invention made as described above will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 4.

먼저, 본 발명에 따른 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로를 통해 배터리 팩(10)의 충전이 이루어질 시에는, 상기 마이컴(50)이 지속적으로 파워단의 과충전, 과방전, 과전류방전 등을 측정하여 기본적인 PCM으로 구동하면서 상기 배터리 팩(10)을 구성하는 각각의 그룹 셀(12)의 전압을 측정하여 비교하게 된다.      First, when the battery pack 10 is charged through the balancing control circuit between group cells of the lithium secondary battery according to the present invention, the microcomputer 50 continuously overcharges, overdischarges, and overcurrents discharges of the power stage. By measuring and driving the basic PCM, the voltage of each group cell 12 constituting the battery pack 10 is measured and compared.

여기에서, 상기 마이컴(50)은 다수 개의 그룹 셀(12)로 이루어진 배터리 팩(10)을 한 개의 그룹 셀(12)로 간주하여 대전류 FET를 매개로 전체적인 충방전을 제어하게 되며, 상기 마이컴(50)은 배터리 팩(10)을 구성하는 각 병렬그룹의 전압을 체크하면서 그 값이 4.2볼트[V] 이상이 되면, 해당 충전제어부(20)를 구성하는 FET(22, 24)를 온.오프 시켜 충전전류가 다음 그룹 셀로 바이패스 되도록 제어를 행하게 된다.      Here, the microcomputer 50 regards the battery pack 10 including the plurality of group cells 12 as one group cell 12 to control the overall charging and discharging through a large current FET, and the microcomputer ( 50 checks the voltage of each parallel group constituting the battery pack 10, and when the value is 4.2 volts [V] or more, the FETs 22 and 24 constituting the charging control unit 20 are turned on and off. Control is performed such that the charging current is bypassed to the next group cell.

이때, 상기 충전전류의 바이패스 과정은 공지된 바와 같이 바이패스용 저 항(40)을 통해 이루어지게 되는 한편, 상기 울트라 캐패시터(30)를 통해 전류량이 조절될 수 있게 되는 것이다.      At this time, the bypass of the charging current is made through the resistor 40 for the bypass as is known, while the amount of current through the ultra-capacitor 30 can be adjusted.

한편, 상기 배터리 팩(10)을 구성하는 다수 개의 그룹 셀(12)에 각각 대응되게 충전제어부(20)가 구성됨에 따라 그룹단위로 이루어진 각 모듈의 동작을 도 4를 참조하여 설명하면, 충전 시에는 상기 마이컴(50)의 제어에 따라 충전제어부(20)의 제 1 FET(22a)가 오픈되고 제 2 FET(24a)가 클로즈된 상태에서 충전이 이루어지게 되며, 상기 그룹 셀(12)의 전압이 4.2볼트[V] 이상이 되면, 상기 제 1 및 제 2 FET(22a, 24a)가 모두 클로즈 되어 전류가 다음 그룹 셀(12)로 바이패스 되게 된다.      On the other hand, as the charging control unit 20 is configured to correspond to each of the plurality of group cells 12 constituting the battery pack 10 will be described with reference to FIG. Under the control of the microcomputer 50, the charging is performed while the first FET 22a of the charge control unit 20 is opened and the second FET 24a is closed, and the voltage of the group cell 12 is reduced. When the voltage reaches 4.2 volts [V] or more, the first and second FETs 22a and 24a are both closed so that current is bypassed to the next group cell 12.

또한, 상기 바이패스된 전류가 공급되는 다음 그룹 셀(12)은 상기 FET의 내부 다이오드 방향에 의해 게이트(GATE)의 온.오프에 상관없이 충전이 이루어지게 되며, 상술한 바와 같은 과정으로 그룹 셀(12)들의 충전이 균등하게 이루어지게 되는 것이다.      In addition, the next group cell 12 to which the bypassed current is supplied is charged regardless of whether the gate GATE is turned on or off by the internal diode direction of the FET. The charging of (12) is to be made evenly.

한편, 본 발명에서 기재된 내용과 다른 변형된 실시 예들이 돌출 된다고 하더라도 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되는 것이다.On the other hand, even if the modified embodiments different from the contents described in the present invention is not to be individually understood from the technical spirit or prospect of the present invention.

도 1은 종래의 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로를 나타내는 회로구성도,      1 is a circuit configuration diagram showing a balancing control circuit between group cells of a conventional lithium secondary battery;

도 2는 본 발명에 따른 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로를 나타내는 회로구성도,      2 is a circuit diagram showing a balancing control circuit between group cells of a lithium secondary battery according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로를 나타내는 블록구성도,      3 is a block diagram showing a balancing control circuit between group cells of a lithium secondary battery according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로의 충전제어부의 동작상태를 나타내기 위한 블록구성도이다.      4 is a block diagram illustrating an operation state of a charge control unit of a balancing control circuit between group cells of a lithium secondary battery according to the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *      Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10: 배터리팩, 12: 그룹 셀,       10: battery pack, 12: group cell,

20: 충전제어부, 22,24: FET,       20: charge control unit, 22, 24: FET,

30: 울트라 캐패시터, 40: 바이패스용 저항,       30: ultracapacitor, 40: bypass resistor,

50: 마이컴.      50: Micom.

Claims (2)

삭제delete 직렬 조합된 리튬이차전지 팩에 구비되는 복수 개 그룹 셀의 충전을 제어하기 위하여, 상기 그룹 셀 각각에는 적어도 둘 이상의 충전제어부가 연결되되, 상기 각각의 그룹 셀에 대응되는 충전제어부는 상호 병렬로 구성된 상태에서, 상기 충전제어부는 충전전류의 공급에 따라 상기 그룹 셀을 충전하는 경우, 복수 개의 그룹 셀 중에서 하나의 그룹 셀이 다른 그룹 셀 보다 과충전이 되지 않게 각각의 그룹 셀로 충전전류를 분산시키도록 제어를 행하는 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로에 있어서,      In order to control the charging of a plurality of group cells provided in a series of lithium secondary battery packs, at least two charge control units are connected to each of the group cells, and the charge control units corresponding to the respective group cells are configured in parallel to each other. In the state, the charging control unit controls to distribute the charging current to each group cell so that one group cell of the plurality of group cells is not overcharged than the other group cells when charging the group cell according to the supply of the charging current. In the balancing control circuit between group cells of a lithium secondary battery, 상기 각 충전제어부는,      Each charge control unit, 마이컴의 제어에 따라 선택적으로 온.오프 되면서 해당 그룹 셀 측으로 충전전류를 공급하는 한 쌍의 FET와,       A pair of FETs that selectively turn on and off under the control of the microcomputer and supply charging current to the corresponding group cells; 그룹 셀 전압이 4.2볼트[V] 이상인 그룹 셀 측으로부터 다음 그룹 셀 측으로 전류를 바이패스 시키는 저항 및,       A resistor for bypassing current from the group cell side having a group cell voltage of 4.2 volts [V] or higher to the next group cell side; 상기 FET의 스위칭 시에 발생되는 전위변동이 최소화 되도록 충전 시에 전류를 분산시키는 울트라 캐패시터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 그룹 셀간 발랜싱 제어회로.      And an ultracapacitor for distributing a current during charging to minimize potential fluctuations generated during switching of the FET.
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