KR101486810B1 - Removable battery module, Charge Equalization Method and Apparatus for battery string using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 착탈 가능한 배터리 모듈, 배터리 스트링을 위한 전하 균일 방법 및 장치를 제공한다.
이를 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 이 전하 균일 장치에는, 적어도 하나의 착탈 가능한 배터리 모듈과, 착탈 가능한 배터리 모듈로부터 셀 전위 정보를 수신하여 셀 전위 정보와 미리 저장된 기준값을 비교하여 배터리 셀에 대한 전하 균일화 여부를 판단하는 제어부와, 제어부의 전하 균일화 여부에 따라 소정의 동작 시간 동안 배터리 셀에 대한 충전 또는 방전하도록 함으로써 전하 균일화를 수행하는 균일화 컨버터 등이 포함된다.
본 발명에 의하면, 전하 균일 장치가 마스터 유닛(master unit)과 슬레이브 유닛(slave unit)으로 나누어 모듈화됨으로써 배터리 수에 관계없이 확장과 축소가 가능하고, 모듈별로 회로가 분리되어 있기 때문에 회로 구연이 쉽고 회로 손상시 손상된 모듈만을 교체함으로 효율적인 대처가 가능하다.
The present invention provides a detachable battery module, a charge uniform method and apparatus for a battery string.
To this end, the uniform charge device according to an embodiment of the present invention includes at least one detachable battery module, and cell potential information from the detachable battery module, compares the cell potential information with a previously stored reference value, And a smoothing converter for performing charge uniformization by charging or discharging the battery cells for a predetermined operation time according to the charge uniformity of the control unit.
According to the present invention, since the charge uniform device is modularized into a master unit and a slave unit, expansion and contraction can be performed irrespective of the number of batteries, and circuits are separated for each module, In case of circuit damage, only the damaged module is replaced, so that it is possible to cope efficiently.

Description

착탈 가능한 배터리 스트링을 위한 전하 균일 장치{Removable battery module, Charge Equalization Method and Apparatus for battery string using the same}[0001] The present invention relates to a removable battery module, and more particularly,

본 발명은 착탈 가능한 배터리 모듈, 배터리 스트링을 위한 전하 균일 방법 및 장치에 대한 것으로서, 더 상세하게는 배터리의 상태 정보를 실시간으로 모니터링 하는 IC와 셀 밸런싱(전하 균일화라고도 하며 혼용 사용됨)을 이루기 위한 전하 균일 장치를 사용하여 다수의 배터리 스트링의 전하 균일을 이루는 전하 균일 방법 및 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a detachable battery module, a charge uniformizing method and apparatus for a battery string, and more particularly, to an IC for monitoring status information of a battery in real time and a charge balancing method for achieving cell balancing (also called charge uniformization) And more particularly, to a method and apparatus for uniforming the charge of a plurality of battery strings using a uniform device.

종래 배터리 운용 시스템의 경우, k개의 배터리가 M개의 모듈 단위로 나누어져 직렬로 연결되어 있고 각 모듈에는 배터리 오른쪽에 연결된 스위치 블록이 있다. 이 스위치 블록은 특정 셀을 선택하여 다음 단의 커패시터와 전류 경로를 제공해 주는 기능을 담당한다. 그리고 커패시터에 저장된 전위는 A/D 컨버터를 통해 읽혀지고 그 값은 마이크로프로세서에 입력된다. 입력된 배터리 센싱 정보는 마이크로프로세서에서 배터리를 운용하기 위한 정보로 사용되며 만약 특정 셀이 저충전 되었거나 혹은 과충전되었을 경우 마이크로프로세서는 각각의 모듈에 병렬 연결된 셀 균일 장치를 구동시켜 전체 배터리의 전하 균일을 이룰 수 있게 된다.In the conventional battery operating system, k batteries are divided into M modules and connected in series, and each module has a switch block connected to the right side of the battery. This switch block is responsible for selecting a specific cell to provide the next stage capacitor and current path. The potential stored in the capacitor is then read by the A / D converter and the value is input to the microprocessor. The input battery sensing information is used as information for operating the battery in the microprocessor. If the specific cell is low-charged or overcharged, the microprocessor drives the cell uniform device connected in parallel to each module, .

그런데 이러한 종래의 배터리 운용 시스템에서 다수의 배터리가 직렬연결되어 모듈별로 운영될 경우, 각 모듈별로 배터리 센싱에 필요한 센싱 회로와 모듈별로 셀 균일 장치가 필요하게 된다. However, in such a conventional battery operating system, when a plurality of batteries are connected in series and operated on a module-by-module basis, a sensing circuit necessary for battery sensing and a cell uniformity device for each module are required for each module.

그러나 이와 같은 구성은 모듈마다 센싱 회로 및 셀 균일 장치가 요구되므로 배터리 운용 시스템 회로의 복잡성을 높인다. However, such a configuration requires a sensing circuit and a cell uniform device for each module, thereby increasing the complexity of the battery operation system circuit.

또한, 하나의 모듈에 이상이 발생하면, 배터리 운용 시스템 전체가 사용가능하지 않으므로 이는 배터리 운용 시스템의 신뢰성을 저해하는 요소로 작용한다. In addition, if an error occurs in one module, the entire battery operating system is not usable, which is an obstacle to the reliability of the battery operating system.

따라서, 각 모듈별 센싱 회로를 최소로 구성하는 동시에 셀 전하 균일 장치의 제어 일부를 센싱 회로에서 담당하도록 하여, 전체 배터리 운용 시스템의 부피 및 가격을 줄이는 방안이 요구되고 있는 실정이다.Accordingly, there is a need to reduce the volume and cost of the entire battery management system by minimizing the sensing circuit for each module and controlling part of the cell charge uniformity device in the sensing circuit.

또한, 상업화된 배터리 모니터링 IC를 채용하여 배터리 센싱 및 셀 밸런싱에 이용함으로써, 시스템의 신뢰성을 높이기 위한 방안이 요구되고 있는 실정이다.
In addition, a commercial battery monitoring IC is used for battery sensing and cell balancing, and a method for improving the reliability of the system is required.

본 발명은 위에서 제기된 종래 기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 다수의 셀 제어를 하기 위해 복잡도를 증가시키는 개별 회로를 셀 또는 모듈마다 사용하지 않고, 하나의 전하 균일 컨버터와 배터리 모니터링 전용 IC 회로를 사용함으로써 신뢰성이 높고 효율적인 전하 균일 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다. The present invention has been made in order to solve the above-described problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a single charge- It is an object of the present invention to provide a highly reliable and efficient charge uniform device and method by using an IC circuit.

또한, 본 발명은 배터리 운용 시스템의 복잡도와 가격, 부피를 크게 줄이는 동시에 셀에 들어가는 전하의 양을 충분히 제어하는 전하 균일 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a charge uniform device and method that can greatly reduce the complexity, cost, and volume of a battery operating system while sufficiently controlling the amount of charge entering the cell.

또한, 본 발명은 다수 배터리의 높은 스택(stack) 전압 상황에서 제어 스위치를 사용함에 있어, 배터리의 모듈화를 통해 사용되는 제어 스위치의 전압 스트레스를 극복하고, 배터리의 안정적인 사용을 가능하게 하는 전하 균일 장치 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
The present invention also provides a charge uniformizing device for overcoming a voltage stress of a control switch used through modularization of a battery and using a control switch in a high stack voltage situation of a plurality of batteries, And a method.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일실시예에 따르면 착탈 가능한 배터리 모듈이 제공된다. 이 착탈 가능한 배터리 모듈에는, 적어도 하나의 배터리 셀과, 배터리 셀을 스위칭하는 스위치 블럭부와, 스위치 블럭을 선택하는 모듈 스위치부와, 배터리 셀을 모니터링하고 셀 전위를 측정하여 셀 전위 정보를 전송하는 배터리 모니터링부 등이 포함된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a detachable battery module. The detachable battery module includes at least one battery cell, a switch block portion for switching the battery cell, a module switch portion for selecting the switch block, and a module switch portion for monitoring the battery cell and measuring the cell potential to transmit cell potential information And a battery monitoring unit.

이때, 배터리 모니터링부와 스위치 블럭부는 하나의 집적화된 회로로 구성될 수 있다. At this time, the battery monitoring unit and the switch block unit may be constituted by one integrated circuit.

또한, 스위치 블럭부 또는 모듈 스위치부는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor) 및 릴레이 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다. Also, the switch block unit or the module switch unit may be formed of at least one of a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), a bipolar junction transistor (BJT), and a relay.

본 발명의 또 다른 실시예로서, 이러한 착탈 가능한 배터리 모듈을 이용한 배터리 스트링을 위한 전하 균일 장치가 제공된다. 이 전하 균일 장치에는, 적어도 하나의 착탈 가능한 배터리 모듈과, 착탈 가능한 배터리 모듈로부터 셀 전위 정보를 수신하여 셀 전위 정보와 미리 저장된 기준값을 비교하여 배터리 셀에 대한 전하 균일화 여부를 판단하는 제어부와, 제어부의 전하 균일화 여부에 따라 소정의 동작 시간 동안 배터리 셀에 대한 충전 또는 방전하도록 함으로써 전하 균일화를 수행하는 균일화 컨버터 등이 포함된다. As another embodiment of the present invention, a charge uniform device for a battery string using such a detachable battery module is provided. The charge uniform device includes at least one detachable battery module, a control unit for receiving the cell potential information from the detachable battery module, comparing the cell potential information with a previously stored reference value to determine whether charge uniformity is to be applied to the battery cell, And a charge equalizing circuit for charging and discharging the battery cell for a predetermined operation time according to whether the charges are equalized.

이때, 제어부와 균일화 컨버터는 마스터 모듈이 되고, 착탈 가능한 배터리 모듈은 마스터 모듈에 착탈되는 슬레이브 모듈이 된다. At this time, the control unit and the smoothing converter become the master module, and the detachable battery module becomes the slave module to be detached and removed from the master module.

또한, 배터리 모니터링부는 착탈 가능한 배터리 모듈을 제어하고, 모듈 스위치부는 착탈 가능한 배터리 모듈마다 균일화 컨버터를 공유시키거나, 착탈 가능한 배터리 모듈 간을 절연할 수 있다. Also, the battery monitoring unit controls the detachable battery module, and the module switch unit can share the equalizing converter for each detachable battery module, or can isolate the detachable battery module.

또한, 균일화 컨버터는 충/방전 가능 형태의 DC/DC 컨버터 또는 절연 트랜스포머가 되며, 스위치 블럭부 또는 모듈 스위치부는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), 및 릴레이 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다. In addition, the smoothing converter may be a charge / discharge type DC / DC converter or an insulation transformer. The switch block or module switch may be a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), a bipolar junction transistor (BJT) It can be composed of one.

이때, 제어부는, 해당 배터리 셀이 다른 배터리 셀에 비해 저충전 또는 과충전되어 있으면, 배터리 셀 전체 에너지를 해당 배터리 셀에 이동시키거나 배터리 셀 전체 에너지를 해당 배터리 셀로 이동시킬 수 있다. At this time, if the corresponding battery cell is low-charged or overcharged compared to other battery cells, the controller may move the entire energy of the battery cell to the corresponding battery cell or move the entire energy of the battery cell to the corresponding battery cell.

해당 배터리 셀만이 저충전 또는 과충전되어 있으면, 외부 전원의 에너지를 저충전된 배터리 셀에 이동시키거나 과충전된 배터리 셀의 에너지를 외부 전원의 에너지로 이동시킬 수 있다. If only the corresponding battery cell is low-charged or overcharged, the energy of the external power source can be moved to the low-charged battery cell or the energy of the overcharged battery cell can be transferred to the energy of the external power source.

본 발명의 또 다른 실시예는 착탈 가능한 배터리 모듈을 이용한 직렬 연결 배터리 스트링을 위한 전하 균일 방법을 제공한다. 이 방법에는, 적어도 하나의 착탈 가능한 배터리 모듈 내에 포함되는 적어도 하나의 배터리 셀을 모니터링하여 배터리 셀에 대한 셀 전위를 측정하는 단계와, 측정된 배터리 셀 전위 정보를 전송하는 단계와, 전송된 셀 전위 정보와 미리 저장된 기준값을 비교하여 과충전 또는 미충전된 배터리 셀에 관한 전하 균일화 셀 리스트를 작성하는 단계와, 전하 균일화 리스트에 따라 해당 배터리 셀이 포함된 배터리 모듈을 연결하는 단계와, 균일화 컨버터를 통하여 해당 배터리 셀에 대한 전하 균일화를 소정 기간 동안 수행하는 단계 등이 포함된다. Another embodiment of the present invention provides a charge uniformity method for a series connected battery string using a removable battery module. The method includes the steps of monitoring at least one battery cell included in at least one removable battery module to measure a cell potential for the battery cell, transmitting the measured battery cell potential information, Comparing the information with a pre-stored reference value to create a charge equalization cell list for overcharged or uncharged battery cells; connecting a battery module including the battery cells according to the charge equalization list; Performing charge uniformization on the battery cell for a predetermined period, and the like.

추가적인 실시예로서, 이 방법은, 해당 배터리 셀에 대한 전하 균일화를 수행하는 단계는, 해당 배터리 셀에 대한 전하 균일화 여부를 판단하는 단계와, 전하 균일화 여부 결과, 전화 균일화가 완료되면 해당 배터리 셀에 대한 셀 전위를 재측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. According to a further embodiment of the present invention, the step of performing charge uniformization on the battery cell comprises the steps of: determining whether charge uniformity is applied to the battery cell; determining whether charge uniformization is performed on the battery cell; And remeasuring the cell potential for the cell.

여기서, 상기 기준값은 상기 배터리 셀의 SOC(State Of Charge), 사용자 지정 전압, 배터리 팩 또는 평균 전압, 배터리 팩 또는 평균 전압에 증감된 사용자 지정 전압 및 SOH(State Of Health) 중 어느 하나가 될 수 있다. Here, the reference value may be any one of a state of charge (SOC) of the battery cell, a user-specified voltage, a battery pack or an average voltage, a battery pack or a user- have.

또한, 해당 배터리 셀에 대한 전하 균일화 여부를 판단하는 단계는, 착탈 가능한 배터리 모듈 전체의 배터리 셀 평균값과 비교하거나, 착탈 가능한 배터리 모듈 중 하나의 내에 있는 배터리 셀 평균값과 비교하거나, 미리 설정된 값과 비교하여 판단하는 단계가 될 수 있다. The step of determining charge uniformity for the battery cell may include comparing the average value of the battery cells of the detachable battery module with the average value of the battery cells in one of the detachable battery modules, And a step of judging the result.

또 다른 실시예로서, 이 방법은, 해당 배터리 셀이 다른 배터리 셀에 비해 저충전 또는 과충전되어 있으면, 배터리 셀 전체 에너지를 해당 배터리 셀에 이동시키거나 배터리 셀 전체 에너지를 해당 배터리 셀로 이동시키고, 해당 배터리 셀만이 저충전 또는 과충전되어 있으면, 외부 전원의 에너지를 저충전된 배터리 셀에 이동시키거나 과충전된 배터리 셀의 에너지를 외부 전원의 에너지로 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, when the corresponding battery cell is low-charged or overcharged as compared with other battery cells, the entire energy of the battery cell is moved to the corresponding battery cell or the entire energy of the battery cell is transferred to the corresponding battery cell, The method may further include moving energy of the external power source to the low-charged battery cell or moving the energy of the overcharged battery cell to the energy of the external power source when only the battery cell is low-charged or overcharged.

여기서, 소정의 동작 시간은, 균일화 수단의 충전 또는 방전 전류량과 해당 배터리 셀의 에너지 저장 능력에 따른 수학적 모델링을 통해 계산된 값이거나, 미리 저장되어 있는 값이거나, 해당 배터리 셀에 주기적으로 일정 시간 동안 전하 균일화 동작을 이루게 한 뒤, 셀 전압이나 SOC, SOH 측정을 통해 사용자가 원하는 값 또는 프로그램되어 미리 저장되어있는 값(기준값)과 비교하여 정해질 수 있다.
Here, the predetermined operation time may be a value calculated through mathematical modeling according to the amount of charging or discharging current of the smoothing means and the energy storage capacity of the battery cell, a pre-stored value, or a predetermined period of time After the charge equalizing operation is performed, it can be determined by comparing with a user-desired value or a programmed pre-stored value (reference value) through the cell voltage, SOC, SOH measurement.

본 발명에 의하면, 전하 균일 장치와 배터리 모니터링 IC를 한 모듈 안에서 사용하고, 모니터링 IC의 특정 기능을 전하 균일 장치에 사용함으로써 전체 배터리 운용 시스템의 복잡도, 가격 및 부피를 줄이는 것이 가능하다.According to the present invention, it is possible to reduce the complexity, cost, and volume of the entire battery management system by using the charge uniform device and the battery monitoring IC in one module and using the specific function of the monitoring IC in the charge uniform device.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 전하 균일 장치가 하나의 DC(Direct Current)-DC 컨버터를 공통으로 사용함으로써 전하 균일 전류량을 쉽게 조절하고, 신뢰성 높은 모니터링 IC를 사용함으로써 전하 균일 회로에 관계없이 실시간으로 셀 정보가 중앙처리장치(즉, 제어부)에서 처리될 수 있다는 점을 들 수 있다. As another effect of the present invention, the charge uniformity device can easily control the amount of charge uniform current by using one DC (Direct Current) -DC converter commonly, and by using a reliable monitoring IC, And the cell information can be processed in the central processing unit (i.e., the control unit).

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 전하 균일 장치가 마스터 유닛(master unit)과 슬레이브 유닛(slave unit)으로 나누어 모듈화됨으로써 배터리 수에 관계없이 확장과 축소가 가능하고, 모듈별로 회로가 분리되어 있기 때문에 회로 구연이 쉽고 회로 손상시 손상된 모듈만을 교체함으로 효율적인 대처가 가능하다는 점을 들 수 있다.Further, as another effect of the present invention, since the charge uniform device is modularized into a master unit and a slave unit, expansion and reduction can be performed regardless of the number of batteries, and the circuit is separated for each module It can be said that it is possible to cope effectively by replacing only the damaged module when the circuit is damaged and the circuit is damaged.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 전하 균일 장치가 DC-DC 컨버터를 사용함에 있어, 전체 배터리 셀을 일정 수로 분할하여 모듈별로 구동하므로 스위치 블록에 사용되는 스위치의 전압 스트레스를 줄일 수 있고, 전하 균일 장치의 구동 알고리즘은 사용자에 의해 또는 프로그램 계산에 의해 정해지며 중앙 처리 장치(즉, 제어부)와 모듈 간의 통신에 의해 가변이 가능하다는 점을 들 수 있다.Further, as another effect of the present invention, since the charge uniform device uses a DC-DC converter, the entire battery cells are divided into a predetermined number and driven for each module, so that the voltage stress of the switch used in the switch block can be reduced, The driving algorithm of the apparatus is determined by the user or by program calculation, and is variable by communication between the central processing unit (i.e., the control unit) and the module.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 전체 배터리 셀을 일정 k 개의 배터리 모듈로 묶어 사용하게 됨으로써, 배터리 전체 전압을 내압으로 가지는 양방향 제어 스위치 대신에 k개의 배터리 전압만을 내압으로 가지는 저전압 양방향 제어 스위치를 가지고 충분히 배터리 셀의 충전 전하를 제어하는 것이 가능하다는 점을 들 수 있다.
As another effect of the present invention, all of the battery cells are connected to certain k battery modules, so that a bidirectional control switch having an internal voltage of the battery is used instead of a low voltage bi-directional control switch having only k battery voltages It is possible to sufficiently control the charging charge of the battery cell.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전하 균일 장치를 구현하는 개념도이다.
도 2는 도 1의 개념을 구현하는 회로 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전하 균일 장치의 전체 구성도이다.
도 4는 도 2에서 두 번째 모듈의 2번째 셀을 위한 전하 균일 장치의 회로 동작을 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전하 균일 장치의 소자 구성예를 보여주는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전하 균일 회로의 동작 순서를 보여주는 순서도이다.
1 is a conceptual diagram illustrating a charge uniform device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a circuit block diagram that implements the concept of Figure 1;
3 is an overall configuration diagram of a charge uniform device according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating circuit operation of the charge uniform device for the second cell of the second module in FIG.
5 is a circuit diagram showing an element configuration example of a charge uniform device according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart illustrating an operation sequence of a charge uniform circuit according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전하 균일 장치를 구현하는 개념도이다. 본 발명의 일실시예에 따른 전하 균일 장치에는, 착탈 가능한 배터리 모듈(140a 내지 140m)과, 이 착탈 가능한 배터리 모듈을 제어하는 제어부(100)와, 이 제어부의 명령에 따라 배터리 모듈(140a 내지 140m)을 전하 균일화시키는 균일화 컨버터(130) 등이 포함된다. 이들 구성을 설명하면 다음과 같다.1 is a conceptual diagram illustrating a charge uniform device according to an embodiment of the present invention. The charge uniform device according to an embodiment of the present invention includes detachable battery modules 140a to 140m, a control unit 100 for controlling the detachable battery modules, and battery modules 140a to 140m ), And the like. These configurations will be described as follows.

배터리 모듈(140a 내지 140m)은 착탈 가능한 형식으로 되어 있으며, 배터리 셀과 이 배터리 셀의 상태를 모니터링 하는 배터리 모니터링 IC, 이 모듈의 스위칭을 위한 스위치가 구비된다. 이를 도시한 도면이 도 2에 도시된다. 이에 대하여는 도 2를 참조하여 후술하기로 한다. The battery modules 140a to 140m are removable and include a battery cell, a battery monitoring IC for monitoring the state of the battery cell, and a switch for switching the module. This is shown in FIG. This will be described later with reference to Fig.

제어부(100)는 마이크로프로세서, 마이콤 등이 될 수 있으며, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 셀의 밸런싱(즉, 전하 균일화) 동작을 수행하는 알고리즘이 프로그래밍되어 있다. 물론, 이를 위해, 제어부(100)에는 메모리가 구성될 수 있는데, 이 메모리는 제어부(100)의 내부 메모리를 사용할 수도 있고, 아니면 별도의 메모리를 사용할 수 있다. The controller 100 may be a microprocessor, a microcomputer, or the like, and an algorithm for performing a balancing (i.e., charge uniformizing) operation of the battery cell according to an embodiment of the present invention is programmed. Of course, a memory may be configured in the controller 100, which may use the internal memory of the controller 100, or a separate memory.

이들 별도의 메모리로는 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), SRAM(Static RAM), FRAM(Ferro-electric RAM), PRAM (Phase-change RAM), MRAM(Magnetic RAM) 등과 같은 비휘발성 메모리가 사용될 수 있다.Nonvolatile memories such as EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), SRAM (Static RAM), FRAM (Ferro-electric RAM), PRAM (Phase-change RAM) and MRAM Can be used.

균일화 컨버터(130)는 제어부(100)의 명령에 따라 배터리 모듈(140a 내지 140m) 중 적어도 하나의 셀 밸런싱(전하 균일화)이 이루어지도록 배터리 모듈(140a 내지 140m)의 전하 균일화를 실행하는 기능을 수행한다. 따라서, 이 균일화 컨버터(130)는 충전 방전이 가능한 형태의 DC-DC 컨버터가 사용될 수 있다. The smoothing converter 130 performs charge uniformization of the battery modules 140a to 140m so that at least one of the battery modules 140a to 140m is subjected to cell balancing (charge equalization) according to an instruction from the controller 100 do. Therefore, the DC-DC converter of the form capable of discharging the charge can be used as the smoothing converter 130.

도 2는 도 1의 개념을 구현하는 회로 블럭도이다. 도 2를 참조하면, 착탈 가능한 배터리 모듈(140a 내지 140m) 중 배터리 모듈(140a)의 구성은 배터리 셀(B1,1 내지 B1,k)로 이루어진 배터리 팩(113a)과, 이 배터리 팩(113a) 내에 있는 배터리 셀(B1,1 내지 B1,k)의 상태를 모니터링하는 모니터링부(120a)와, 배터리 팩(113a) 내에 있는 배터리 셀(B1,1 내지 B1,k)을 스위칭하는 스위치 블럭(112a), 이 스위치 블럭(112a)을 선택하여 해당 배터리 셀을 충전 또는 방전하도록 스위칭하는 모듈 스위치부(111a) 등을 포함한다. 이러한 착탈 가능한 배터리 모듈(140a)이 균일 장치 내에 수개로(140a 내지 140m) 배열된다. 이들 구성 요소를 설명하면 다음과 같다. Figure 2 is a circuit block diagram that implements the concept of Figure 1; 2, the battery module 140a of the detachable battery modules 140a to 140m includes a battery pack 113a including battery cells B 1,1 to B 1, k , A monitoring unit 120a for monitoring the state of the battery cells B 1,1 to B 1, k in the battery pack 113a and a battery cell B 1,1 to B 1, k in the battery pack 113a, A switch block 112a for switching, a module switch 111a for selecting the switch block 112a to switch the charging or discharging of the corresponding battery cell, and the like. These detachable battery modules 140a are arranged in several units 140a to 140m in a uniform device. These components will be described as follows.

배터리 팩(113a - 113n)은 다수의 배터리 셀(B1,1 내지 BM,k)이 직렬 연결되어 있고, 이들 다수의 배터리 셀은 임의 배터리 수(보통은 8개로 구성되나, 본 발명의 일실시예가 이에 한정되는 것은 아니다)로 모듈화되어 있다. 물론, 배터리 셀(B1,1 내지 B1,k)은 배터리 팩(113a) 내에 배터리 셀(B1,1 내지 B1,k)이 직렬로 구성되는 것으로 도시하였으나, 병렬로 구성되는 것도 가능하다. 이 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리 등의 하이브리드 배터리가 될 수 있다. The battery packs 113a to 113n are connected in series to a plurality of battery cells B 1,1 to B M, k , and the plurality of battery cells have arbitrary number of batteries (usually eight, The embodiment is not limited thereto). Of course, the battery cells (B 1,1 to B 1, k) are also possible but that is shown as being composed of a battery cell (B 1,1 to B 1, k) in the battery pack (113a) in series, consisting of parallel Do. The battery cell may be a hybrid battery such as a nickel metal battery or a lithium ion battery.

배터리 모니터링부(120a 내지 120b)는 상업적으로 사용되는 배터리 전용 IC를 이용하여 구성될 수 있다. 이 배터리 모니터링부는 각각 배터리 셀(예를 들면, B1,1 내지 B1,k)의 상태 정보를 제어부(100)에 전달하고 이 제어부의 명령에 따라 배터리 보호(protection)와 셀 밸런싱(전하 균일화라고도 함) 제어에 관여한다. The battery monitoring units 120a to 120b may be configured using a commercially available battery-dedicated IC. The battery monitoring unit transmits status information of battery cells (for example, B 1,1 to B 1, k ) to the control unit 100 and controls battery protection and cell balancing Quot;).

스위치 블럭부(112a 내지 112n)는 전하 균일화 과정에서 저충전되었거나 혹은 과충전된 특정 배터리 셀을 균일화 컨버터(130)와 연결시켜 주는 기능을 담당하게 된다. The switch block units 112a to 112n function to connect a low-charged or overcharged specific battery cell to the smoothing converter 130 in the charge uniformization process.

모듈 스위치부(111a 내지 111n)는 각 배터리 모듈(140a 내지 140n)에는 셀에 연결된 셀 스위치 블럭부(113a 내지 113m) 이외에 모듈별로 존재하여 모듈마다 균일화 컨버터(130)를 공유하게 만든다. 또한, 이들 모듈 스위치부는 배터리 모듈(140a 내지 140m) 간의 절연 기능을 담당해 이들 배터리 모듈을 개별 모듈로 분리시키는 역할을 한다. The module switch units 111a to 111n are provided for each module in addition to the cell switch block units 113a to 113m connected to the cells of the respective battery modules 140a to 140n to share the equalizing converter 130 for each module. In addition, these module switch units take charge of the insulation function between the battery modules 140a to 140m and separate these battery modules into individual modules.

도 2를 부연 설명하면, 배터리 셀(B1,1 내지 BM,k)의 전압 정보 및 온도 등의 정보는 배터리 모니터링 부(120a 내지 120m)에 의해 수집과 제어가 되며, 제어부(100)와 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)의 통신을 통해 배터리 모니터링부는 균일화 컨버터(130)의 제어도 일부 담당한다. 전하 균일을 위한 균일화 컨버터(130)의 동작은 제어부(100)의 배터리 셀 센싱 정보를 통해 정해진 알고리즘에 따라 제어된다. 이러한 알고리즘을 보여주는 도면이 도 6에 도시된다. 이에 대하여는 후술하기로 한다.2, voltage information and temperature information of the battery cells B 1,1 to B M, k are collected and controlled by the battery monitoring units 120a to 120m, The battery monitoring unit also takes charge of the control of the smoothing converter 130 through the communication of the battery monitoring units 120a to 120m. The operation of the smoothing converter 130 for charge uniformity is controlled according to a predetermined algorithm through the battery cell sensing information of the controller 100. [ A diagram showing this algorithm is shown in Fig. This will be described later.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전하 균일 장치의 전체 구성도이다. 즉, 도 3은 하나의 균일화 컨버터(130), 배터리 모니터링부(120a 내지 120m) 및 제어 스위치(112a 내지 112m 및 200)를 사용한 전하 균일 장치의 예를 보이고 있다. 3 is an overall configuration diagram of a charge uniform device according to an embodiment of the present invention. That is, FIG. 3 shows an example of a charge uniform device using one smoothing converter 130, battery monitoring units 120a to 120m, and control switches 112a to 112m and 200.

즉, 전체 배터리 셀(B1,1 내지 BM,K)의 정보를 바탕으로 시스템 제어를 담당하는 제어부(100)가 존재하고, 셀 전하 균일화 에너지를 생성하는 하나의 균일화 컨버터(130)가 제어부(100)의 제어를 받으며 모듈 스위치부(200)에 연결되어 있다. 물론, 본 발명의 일실시예에서는 균일화 컨버터(130)로서 충/방전 가능한 양방향의 DC-DC 컨버터가 사용될 수 있다. That is, there is a control unit 100 for system control based on the information of all the battery cells B 1,1 to B M, K , and one smoothing converter 130 for generating cell charge equalization energies, (100) and is connected to the module switch unit (200). Of course, in an embodiment of the present invention, a bidirectional DC-DC converter capable of charging / discharging can be used as the smoothing converter 130. [

그러나 본 발명의 일실시예는 이에 한정되지는 않는다. 각 배터리 모듈마다 존재하는 하나의 모듈 스위치부(200)는 각 배터리 셀(B1,1 내지 BM,K)에 연결된 양방향 셀 선택 스위치(112a 내지 112m)에 의해 공유되며, 셀을 선택하는 셀 스위치 블럭(112a 내지 112m)은 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)의 제어 신호에 의해 제어된다. 각 배터리 모듈마다 위치하는 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)는 각 배터리 셀(B1,1 내지 BM,K)에 직접 연결되어 배터리 셀의 상태 정보(예를 들면, SOC, SOH, 전류, 전압 등을 들 수 있음)를 얻게 된다.However, an embodiment of the present invention is not limited to this. One module switch unit 200 existing in each battery module is shared by bidirectional cell selection switches 112a to 112m connected to the battery cells B 1,1 to B M and K , The switch blocks 112a to 112m are controlled by the control signals of the battery monitoring units 120a to 120m. The battery monitoring units 120a to 120m located in the respective battery modules are connected directly to the respective battery cells B 1,1 to B M and K to detect the state information of the battery cells (for example, SOC, SOH, Etc.) can be obtained.

배터리 모니터링부(120a 내지 120m)는 각 배터리 셀(B1,1 내지 BM,K)의 상태 정보를 취합하여 데이터 통신 규약에 맞게 중앙 처리 장치인 제어부(100)에 정보를 전달한다. 즉, 앞서 기술한 바와 같이, 배터리 모니터링부(120a)는 배터리 셀(B1,1 내지 B1,K)의 각 배터리 셀의 상태 정보(예를 들면, SOC, SOH, 전압, 전류 등)를 취합하고, 배터리 모니터링부(120m)은 배터리 셀(BM,1 내지 BM,K)의 각 배터리 셀의 상태 정보를 취합한다. The battery monitoring units 120a to 120m collect status information of the battery cells B 1,1 to B M and K and transmit the information to the control unit 100 as a central processing unit according to the data communication protocol. That is, as described above, the battery monitoring unit 120a monitors the state information (e.g., SOC, SOH, voltage, current, etc.) of each battery cell of the battery cells B 1,1 to B 1, And the battery monitoring unit 120m collects status information of each battery cell of the battery cells (B M, 1 to B M, K ).

제어부(100)에서는 정해진 알고리즘에 의해 특정 배터리 셀의 전하 균일 여부를 판단해 각 배터리 모듈(도 2의 140a 내지 140m)의 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)에 제어 신호를 내보낸다. 이렇듯 제어부(100)와 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)는 서로 정보를 주고 받기 위해 연결되어 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 점선인 통신 라인은 연결되어 있게 된다. 따라서, 하나의 배터리 모듈(도 2의 140a 내지 140m)이 이상 동작으로 제거되더라도 나머지 배터리 모듈은 제어부(100)와 여전히 통신이 가능하다. The controller 100 determines the charge uniformity of a specific battery cell according to a predetermined algorithm and outputs a control signal to the battery monitoring units 120a to 120m of each battery module (140a to 140m in FIG. 2). As described above, the controller 100 and the battery monitoring units 120a to 120m are connected to each other to exchange information. That is, as shown in FIG. 3, the communication lines which are dotted lines are connected. Therefore, even if one battery module (140a to 140m in FIG. 2) is removed by an abnormal operation, the remaining battery modules can still communicate with the control unit 100. [

도 3을 계속 설명하면, 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)는 각 배터리 셀에 직접 연결되어 실시간 배터리 정보를 얻을 수 있으며, 제어부(100)의 명령을 받아 특정 제어 신호를 만들게 된다. 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)에 연결된 제어 스위치(112a 내지 112m 및 200)는 배터리 모니터링부(120a 내지 120m) 내부의 제어 신호를 받아 해당 배터리 셀(BM,1 내지 BM,K)를 선택하는 스위칭 블럭부(112a 내지 112m)를 온(ON), 오프(OFF)하게 되고 이러한 동작에 의해 특정 셀에 대한 셀 전하 균일화 전류 경로가 생성된다. 3, the battery monitoring units 120a to 120m are directly connected to the respective battery cells to obtain real-time battery information, and receive a command from the controller 100 to generate a specific control signal. A battery monitoring unit (120a to 120m), the control switch (112a to 112m, and 200) coupled to select the battery cell (B M, 1 to B M, K) receives the internal control signal battery monitoring unit (120a to 120m) The switching block units 112a to 112m are turned on and off to generate a cell charge uniformizing current path for a specific cell.

또한, 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)는 해당 배터리 모듈(도 2의 140a 내지 140m)의 모듈 스위치부(도 2의 111a 내지 111m)의 ON, OFF 동작을 제어한다. 이러한 제어는 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)의 출력 핀의 수에 따라 달라질 수 있으며, 제어부(100)에서 직접 모듈 스위치부(도 2의 111a 내지 111m)를 제어하는 것도 가능하도록 구성될 수 있다.Also, the battery monitoring units 120a to 120m control the ON and OFF operations of the module switch units (111a to 111m in FIG. 2) of the corresponding battery modules (140a to 140m in FIG. 2). This control may be changed according to the number of output pins of the battery monitoring units 120a to 120m and may be configured to directly control the module switch unit 111a to 111m in FIG.

도 4는 도 2에서 두 번째 모듈의 2번째 셀을 위한 전하 균일 장치의 회로 동작을 예시하는 도면이다. 예를 들면, 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)에 배터리 스택 모니터(제품명 "LTC6802", Linear Technology사)가 적용될 수 있는데, 이러한 적용예를 보여주는 도면이 도 4에 도시된다. "LTC6802"는 각 배터리 셀에 직접 연결되어 배터리 셀의 전위 측정 및 배터리 셀의 온도 측정을 할 뿐 아니라 내부에 해당 배터리 셀을 제어할 수 있는 스위치가 있는 것이 특징이다. 4 is a diagram illustrating circuit operation of the charge uniform device for the second cell of the second module in FIG. For example, a battery stack monitor (product name "LTC6802 ", manufactured by Linear Technology) may be applied to the battery monitoring units 120a to 120m, and a diagram showing this application example is shown in FIG. The LTC6802 is directly connected to each battery cell to measure the potential of the battery cell and measure the temperature of the battery cell as well as a switch for controlling the corresponding battery cell inside.

물론, 도 4는 본 발명의 일실시예에 대한 이해를 위해 "LTC6802"를 적용한 경우를 설명하고 있을 뿐, 위에서 기술한 기능이 있는 전자 부품이라면 적용가능하다. Of course, FIG. 4 illustrates the case of applying "LTC6802" for the purpose of understanding one embodiment of the present invention, and is applicable to electronic components having the above-described functions.

계속 도 4를 설명하면, 공통으로 사용되는 DC-DC 컨버터(130)는 배터리 셀(B2,1 내지 B2,K)의 전체 전압 또는 외부 전압을 통해 동작이 되며, 양방향 또는 단방향으로 제어된다. 따라서, DC-DC 컨버터(130)는 특정 배터리 셀(B2,1 내지 B2,K)을 충전 또는 방전하는 기능을 담당한다. 또한, DC-DC 컨버터(130)는 제어부(100)의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 또는 제어부(100)의 제어를 받는 제어기(DC-DC 컨버터(130)의 동작을 제어하는 부분으로 미도시됨)의 PWM 신호를 입력받는다. Continuing with FIG. 4, the commonly used DC-DC converter 130 operates through the full voltage or external voltage of the battery cells B 2,1 to B 2, K and is controlled bi-directionally or unidirectionally . Therefore, the DC-DC converter 130 is responsible for charging or discharging the specific battery cells B 2,1 to B 2, K. The DC-DC converter 130 is not shown as a PWM (Pulse Width Modulation) signal of the controller 100 or a controller that controls the operation of the DC-DC converter 130 under the control of the controller 100 ) Of the PWM signal.

배터리 팩(113b) 내에 있는 배터리 셀(B2,1 내지 B2,K)의 충전, 방전 전류를 제어하게 되는 저전압 양방향 제어 스위치(111b, 112b)는 배터리 모니터링부(120b)의 ON, OFF 신호를 받아 동작한다. 이때, 각각의 양방향 제어 스위치(111b, 112b)의 입력에는 배터리 모니터링부(120b)의 ON, OFF 신호를 받아 스위치 ON, OFF 동작을 만들어 줄 수 있는 간단한 회로(O2,2, S2,2 등)가 연결되어 있다. The low voltage bi-directional control switches 111b and 112b for controlling the charging and discharging currents of the battery cells B 2,1 to B 2 and K in the battery pack 113b are turned on and off by the battery monitoring unit 120b . At this time, a simple circuit (O 2,2 , S 2,2 (O2, O2, O2, O2, O2, Etc.) are connected.

이 회로는 도 4에 도시된 바와 같이 배터리 셀(B2,1 내지 B2,K)의 전압을 전원 장치로 사용하게 되고, 신뢰도가 높은 ON, OFF 스위치 동작을 해야 한다. As shown in FIG. 4, this circuit uses the voltage of the battery cells B 2,1 to B 2, K as a power source device, and performs an ON and OFF switch operation with high reliability.

본 발명의 일실시예는 구조적으로 두 유닛으로 구성될 수 있음을 전술한바 있다. 중앙 처리 장치인 제어부(100)와 DC-DC 컨버터(130)는 하나의 마스터 모듈이 되고, 제어 스위치(111b 및 112b)와 배터리 모니터링부(120b)는 슬레이브 모듈이 된다. One embodiment of the present invention has been described above as being structurally composed of two units. The control unit 100 and the DC-DC converter 130 as a central processing unit become one master module, and the control switches 111b and 112b and the battery monitoring unit 120b become a slave module.

이 마스터 유닛은 전체적인 배터리 상황과 시스템 상황 정보를 통해 슬레이브 모듈을 제어하고 셀 전하 균일화를 위한 충/방전 에너지를 만들어 낸다. 슬레이브 모듈은 모듈에 연결된 배터리 셀 정보를 읽고 특정 배터리 셀의 전하 균일화를 위한 스위치 제어를 담당한다. This master unit controls the slave module through the overall battery status and system status information and generates charge / discharge energy for cell charge uniformization. The slave module reads battery cell information connected to the module and is responsible for switch control for charge uniformization of a specific battery cell.

도 4는 저전압 양방향 제어 스위치를 각 배터리 모듈(도 2의 140a 내지 140m)마다 연결하고 개별적인 전하 균일동작을 하나의 공통의 DC-DC 컨버터(130)를 사용하여 수행하는 회로를 보여준다. 4 shows a circuit that connects low-voltage bi-directional control switches for each battery module (140a-140m in FIG. 2) and performs individual charge uniform operation using one common DC-DC converter 130. FIG.

또한, 도 4는 다수의 셀(B2,1 내지 B2,K)의 각각의 셀 전압 정보를 센싱하기 위해 복잡하게 구성되었던 센싱 회로 부분을 집적화된 모니터링 IC 소자를 사용하여 간단하게 구현된 예를 보여준다. 물론, 도 4에서는 배터리 스택 모니터(제품명 "LTC6802", Linear Technology사)가 적용된 예를 보이고 있으나, 본 발명의 일실시예는 이에 한정되지 않는다.4 is a schematic diagram showing an example of a simple implementation using a monitoring IC element integrated with a sensing circuit portion that has been complicatedly configured to sense each cell voltage information of a plurality of cells B 2,1 to B 2, Lt; / RTI > Of course, FIG. 4 shows an example in which a battery stack monitor (product name "LTC6802 ", manufactured by Linear Technology) is applied, but the embodiment of the present invention is not limited thereto.

그러면, 도 4에 도시된 전하 균일 장치의 동작 과정을 설명하기로 한다. 충전하고자 하는 배터리 셀이 결정되어(도 4를 예를 들면, 배터리 모듈(140b) 내에 있는 배터리 셀(B2,1 내지 B2,K) 중 하나가 해당되는 것으로 가정하자), 그에 해당하는 양방향 제어 스위치(112b)가 켜져 있고, 충전될 배터리 셀이 속해 있는 배터리 모듈(140b)의 모듈 스위치부가 되는 릴레이 스위치(116b)가 켜져 있다고 하자. 이 경우, 공통으로 가지는 양방향 DC-DC 컨버터(130)는 제어부(100)의 제어를 받아 동작하게 된다. The operation of the charge uniform device shown in FIG. 4 will now be described. The battery cell to be charged is determined (assuming that one of the battery cells B 2,1 to B 2, K in the battery module 140b corresponds to, for example, Fig. 4) Let it be assumed that the control switch 112b is turned on and the relay switch 116b, which is a module switch part of the battery module 140b to which the battery cell to be charged belongs, is turned on. In this case, the bidirectional DC-DC converter 130, which is in common, operates under the control of the control unit 100.

DC-DC의 동작은 양방향 DC-DC 컨버터(130)의 경우 충전 또는 방전 상황에 맞춰 동작이 가능하고, 단방향의 경우 미리 정해진 방향에 의해 동작이 가능하다. 이 때 사용되는 DC-DC 컨버터는 사용되는 컨버터 타입에 따라 동작이 달라질 수 있다. 또한, PWM 제어 신호를 받는 SMPS(Switched-Mode Power Supply)의 경우 및 BJT(Bipolar Junction Transistor)나 그 밖의 다른 스위치 동작을 받는 경우에 따라 제어 방법이 달라질 수 있다. In the case of the bidirectional DC-DC converter 130, the operation of the DC-DC can be operated in accordance with the charging or discharging situation, and in the unidirectional operation, the operation can be performed in a predetermined direction. The DC-DC converter used in this case can be operated differently depending on the type of converter used. In addition, the control method may vary depending on the case of a Switched-Mode Power Supply (SMPS) receiving a PWM control signal, and a case of receiving a bipolar junction transistor (BJT) or other switch operation.

도 4에 도시된 하나의 공통 DC-DC 컨버터(130)를 통해 배터리 셀의 용량에 따라 전하 균일 충전 및 방전 전류의 양을 간단하고 효율적으로 만들어 낼 수 있고, 배터리 모니터링부(120b)의 사용은 전하 균일 장치의 가격을 낮추고 부피를 줄이는 특징이 있게 한다. The amount of charge uniform charging and discharging current can be easily and efficiently generated through one common DC-DC converter 130 shown in FIG. 4 according to the capacity of the battery cell, and the use of the battery monitoring unit 120b It has the feature of lowering the charge uniformity and reducing the volume.

앞서 기술한 DC-DC 컨버터(130)는 기존의 여러 종류의 DC-DC 컨버터 또는 선형 레귤레이터(linear regulator)들의 조합으로 구성될 수 있다. 이때 각 컨버터 또는 레귤레이터는 출력 방향이 양방향 또는 단방향으로 동작할 수 있는 스위치 수단을 포함한다. 이러한 스위치 수단은 전기적인 스위치뿐 아니리 기계적 스위치 등 전기적으로 절연이 가능한 스위치의 조합으로 구성될 수 있다. 이를 도시한 도면이 도 5에 도시된다. The above-described DC-DC converter 130 may be composed of a combination of various conventional DC-DC converters or linear regulators. Wherein each converter or regulator includes switching means capable of operating in either bidirectional or unidirectional direction. Such a switch means can be constituted by a combination of electrically insulated switches such as mechanical switches as well as electrical switches. This is shown in Fig.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전하 균일 장치의 소자 구성예를 보여주는 회로도이다. 도 5를 참조하면, DC-DC 컨버터는 플라이백 타입(flyback type) 양방향 DC-DC 컨버터(130)가 사용될 수 있으며, 스위치 수단의 구성은 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)가 사용될 수 있다. 물론, 도 5는 도 1에 도시된 전하 균일 장치를 다른 회로 소자를 사용하여 구현하는 예를 보여줄 뿐이며, DC-DC 컨버터와 스위치의 구성은 다른 장치의 조합으로도 구성이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.5 is a circuit diagram showing an element configuration example of a charge uniform device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, a flyback type bidirectional DC-DC converter 130 may be used as the DC-DC converter, and a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) may be used as the switch means. Of course, it will be understood that FIG. 5 only shows an example of implementing the charge uniform device shown in FIG. 1 using other circuit elements, and it is understood that the configuration of the DC-DC converter and the switch can be configured by a combination of other devices .

본 발명의 일실시예에서 제안하는 전하 균일 장치는 직렬 연결 배터리에 전기적 충전 장치나 전기적 부하가 연결되어 있지 않은 상황에서 직렬 연결 배터리의 각각의 배터리 전위가 서로 다를 경우 수행된다. 그러나 전기적 충전 장치나 전기적 부하가 연결되어 있다 하더라도, 제안하는 전하 균일 장치의 전류 수용 용량이 크거나 혹은 충전되는 전류나 방전되는 전류의 크기가 작은 경우에는 전기적 충전 장치나 전기적 부하가 연결된 상황에서도 수행될 수 있다. The charge uniform device proposed in the embodiment of the present invention is performed when the battery potential of each of the serially connected batteries is different from each other when the electric charging device or the electrical load is not connected to the serially connected battery. However, even if an electric charging device or an electric load is connected, if the current receiving capacity of the proposed charge uniforming device is large, or the amount of electric current to be charged or discharged is small, the electric charging device or the electric load is connected .

본 발명의 일실시예에서 제안하는 전하 균일 장치는 각 배터리 셀의 전위가 서로 다를 경우 동작을 시작하는데, 그 시작은 제어부(100)에 입력된 배터리 셀 전압 측정값, 배터리 셀 전압에 의한 SOC(State Of Charge)값 또는 SOH(Stage Of Health)를 바탕으로 미리 제어부(도 1의 100)에 프로그래밍된 알고리즘에 따라 결정된다The charge uniformity device proposed in the embodiment of the present invention starts operation when the potentials of the respective battery cells are different from each other. The start of the operation starts with the battery cell voltage measurement value input to the control unit 100, the SOC State Of Charge) value or SOH (Stage Of Health) in accordance with the algorithm programmed in advance in the control section (100 in FIG. 1)

다음으로, 위 도 1 내지 도 5에 기술된 전하 균일 장치의 구성 및 동작을 참조하여 전하 균일 동작이 수행되는 과정을 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전하 균일 동작 순서를 보여주는 순서도이다. Next, a description will be made of a process in which the charge uniform operation is performed with reference to the configuration and operation of the charge uniform device described in the above Figs. 1 to 5. 6 is a flowchart illustrating a charge uniform operation sequence according to an embodiment of the present invention.

도 6의 순서도에 의하면, 제어부(100)에 저장된 전하 균일 알고리즘이 동작하게 되면 배터리 모니터링부(도 2의 120a 내지 120m)는 각 배터리 모듈(140a 내지 140m) 내에 있는 배터리 셀(B1,1 내지 BM,K)의 셀 전위를 실시간으로 센싱하게 된다(단계 S600, S610).According to the flow chart of Figure 6, the control unit 100 uniformly charges when the algorithm operates the battery monitoring unit (FIG. 2 of 120a through 120m) is stored in the battery cell (1,1 to B within each battery module (140a to 140m) B M, K ) in real time (steps S600 and S610).

이렇게 배터리 셀(B1,1 내지 BM,K)의 센싱된 셀 전위값(즉, 전압값)은 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)와 제어부(100)간의 통신 라인을 통해 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)로부터 제어부(100)로 전송된다. 물론, 이러한 전송은 실시간으로 또는 일정 시간 주기 마다 실행될 수 있을 것이다. 따라서, 제어부(100)는 이러한 전송이 완료되었는지를 판단하게 된다(단계 S620).The sensed cell potential values (i.e., voltage values) of the battery cells B 1,1 to B M and K are transmitted to the battery monitoring units 120a through 120m through communication lines between the battery monitoring units 120a through 120m and the control unit 100, To 120m) to the control unit 100. Of course, such transmissions may be performed in real time or at certain time intervals. Accordingly, the controller 100 determines whether the transmission is completed (step S620).

판단 결과, 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)로부터 제어부(100)로의 전송이 완료되면, 제어부(100)는 전체 배터리의 셀 벨런싱 목표 전압을 기준으로 기준값을 초과하는 배터리 셀과 미달하는 배터리 셀에 대한 리스트를 생성하게 된다(단계 S630). When the control unit 100 has completed the transfer from the battery monitoring units 120a to 120m to the controller 100, the control unit 100 determines whether the battery cell exceeds the reference value or not, And generates a list (step S630).

이와 달리, 단계 S620의 판단 결과, 배터리 셀의 전위값 전송이 완료되지 않았으면, 단계 S600 내지 단계 S620가 다시 진행된다.On the other hand, if it is determined in step S620 that the potential value transfer of the battery cell is not completed, steps S600 to S620 are performed again.

이러한 셀 리스트에 의해 충전 또는 방전을 해야 하는 배터리 셀이 정해지면 제어부(100)는 먼저 모듈 스위치부(도 2의 110a 내지 110m) 중 적어도 하나의 해당 배터리 모듈(140a 내지 140m)을 균일화 컨버터(130)에 연결하게 한다. 물론, 배터리 모니터링부(140a 내지 140m)가 해당 배터리 모듈과 균일화 컨버터를 연결한다. 해당 배터리 모듈(단수 또는 복수 개가 될 수 있음)이 균일화 컨버터(130)에 연결되면, 배터리 모니터링부(140a 내지 140m)는 스위치 블럭부(112a)로 하여금 해당 배터리 셀(B1,1 내지 BM,K)을 선택하게 한다(단계 S640).When the battery cell to be charged or discharged is determined by the cell list, the control unit 100 first determines at least one of the battery modules 140a to 140m of the module switch unit 110a to 110m in FIG. 2 as the equalization converter 130 ). Of course , The battery monitoring units 140a to 140m connect the corresponding battery module and the smoothing converter. When the corresponding battery module (which may be a single or plural number) is connected to the uniformizing converter 130, the battery monitoring units 140a to 140m cause the switch block unit 112a to connect the corresponding battery cells B 1,1 to B M , K (step S640).

물론 제어부(100)가 전하 균일 과정을 수행하기 위해 제어해야 할 동작이 있는데 이를 보면 다음과 같다. Of course, there is an operation to be controlled by the controller 100 in order to perform the charge uniform process.

a) 단계: 직렬 연결 배터리를 구성하는 임의의 배터리 셀 전위가 미리 정한 값보다 높거나 낮아질 우려가 있다고 판단되는 경우, 그에 해당하는 배터리 모듈(140a 내지 140m)의 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)에 제어 명령을 전달한다. a) Step: If it is determined that the potential of any battery cell constituting the series connected battery is likely to be higher or lower than a predetermined value, the battery monitoring units 120a to 120m of the corresponding battery modules 140a to 140m Control command is transmitted.

b) 단계: 해당 배터리 모듈(140a 내지 140m)의 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)가 동작한다. 이 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)는 내부 스위치를 통해 양방향 제어 스위치(111a 내지 111m)에 스위치를 우선적으로 동작시킨다. 이후, 해당 배터리 셀이 포함된 배터리 모듈에 관계되는 모듈 스위치부(112a 내지 112m)를 동작시키는 제어 신호를 보낸다. Step b) The battery monitoring units 120a to 120m of the corresponding battery modules 140a to 140m operate. The battery monitoring units 120a to 120m preferentially operate the switches on the bidirectional control switches 111a to 111m through the internal switches. Then, a control signal for operating the module switch parts 112a to 112m related to the battery module including the battery cell is transmitted.

c) 단계: 제어부(100)는 공통의 균일화 컨버터(130, 특히 DC-DC 컨버터)를 충전 방향 또는 방전 방향으로 동작시킴으로써, 전하 균일화 동작을 진행시킨다.c) Step: The control unit 100 advances the charge equalizing operation by operating the common smoothing converter 130 (particularly, the DC-DC converter) in the charge direction or the discharge direction.

계속 도 6을 설명하면, 해당 배터리 셀이 선택되면, 균일화 컨버터(130)는 해당 배터리 셀에 전하를 충전하거나, 해당 배터리 셀로부터 전하를 방전하게 하여 전하 균일화를 수행한다(단계 S650, S660). 물론, 제어부(100)의 명령에 따라 균일화 컨버터(130)는 가장 우선적인 배터리 셀에서부터 차례대로 전하 균일 동작을 진행한다. Continuing with FIG. 6, when the corresponding battery cell is selected, the smoothing converter 130 charges the corresponding battery cell or discharges the battery cell to perform charge uniformization (steps S650 and S660). Of course, according to a command of the control unit 100, the smoothing converter 130 sequentially performs the charge uniform operation from the highest priority battery cell.

이러한 전하 균일화를 실행하는 방식은 크게 4가지로 나누어 볼 수 있으며 다음과 같다. The method of performing such charge equalization can be roughly classified into four types as follows.

① 특정한 배터리 셀이 다른 셀에 비해 저충전되었다고 판단이 되었을 경우: ① If it is judged that a specific battery cell is low-charged compared to other cells:

배터리 전체 에너지를 저충전된 배터리 셀에 이동시킴으로써 해당 저충전된 배터리 셀의 전위를 효과적으로 높이게 된다. By moving the entire energy of the battery to the low-charged battery cell, the potential of the low-charged battery cell is effectively increased.

② 특정 셀만이 저충전 되었다고 판단되었을 경우:② If it is judged that only a specific cell is low-charged:

외부 전원의 에너지를 저충전된 배터리 셀에 이동시켜 해당 저충전된 배터리 셀의 전위를 높이게 된다. The energy of the external power source is moved to the low-charged battery cell to increase the potential of the low-charged battery cell.

③ 특정한 배터리 셀이 다른 셀에 비해 과충전되었다고 판단이 되었을 경우:③ If it is judged that the specific battery cell is overcharged compared to other cells:

과충전된 배터리 에너지를 배터리 전체 셀로 이동시킴으로써 과충전된 배터리 셀의 전위를 효과적으로 낮추게 된다. By moving the overcharged battery energy to the entire cell of the battery, the potential of the overcharged battery cell is effectively lowered.

④ 특정한 배터리 셀만이 과충전되었다고 판단이 되었을 경우:④ If it is determined that only a specific battery cell is overcharged:

과충전된 배터리 에너지를 외부 전원에 이동시킴으로 해당 과충전 배터리 셀의 전위를 낮출 수 있다.
By moving the overcharged battery energy to the external power source, the potential of the overcharged battery cell can be lowered.

위 ① 내지 ④의 방식을 반복함으로써 전체적인 전하 균일의 효과가 생성된다. By repeating the above methods (1) to (4), an overall charge uniformity effect is produced.

물론, 이러한 전화 균일화를 위해서는 소정의 동작 시간(이하, 전하 균일화 시간이라고 하자)가 있게 되는데, 이러한 소정의 동작 시간을 정함에 있어서 여러 가지 방법이 있을 수 있다. 이를 설명하면 다음과 같다. Of course, there is a predetermined operation time (hereinafter referred to as charge uniformization time) for such telephone equalization, and there are various methods for determining the predetermined operation time. This is explained as follows.

ⅰ) 균일화 컨버터(130)의 충전 또는 방전 전류량과 배터리 셀의 에너지 저장 능력에 따른 수학적 모델링을 통하여 전하 균일화 시간을 정하는 방식이다. 이렇게 얻은 전하 균일화 시간을 통해 전하 균일화 동작 시간을 정하고, 이 동작 시간에 따라 균일화 컨버터를 ON, OFF 할 수 있다. I) The charge equalization time is determined through mathematical modeling according to the charging or discharging current amount of the smoothing converter 130 and the energy storage capacity of the battery cell. The charge equalizing operation time is determined through the obtained charge uniformizing time, and the equalizing converter can be turned ON and OFF according to the operation time.

ⅱ) 제어부(100)에 미리 저장되어 있는 값을 이용한 방식이다. 따라서, 해당 배터리 셀의 SOC(State Of Charge)값과 전압 간의 관계 테이블을 통해 특정 배터리 셀이 균일화 컨버터(130)를 통해 미리 정해 놓은 셀 전압 값에 이르렀을 때 이 균일화 컨버터가 OFF하는 방식이다. (Ii) a method using a value stored in advance in the control unit 100. Accordingly, when the specific battery cell reaches the predetermined cell voltage value through the smoothing converter 130 through the relationship table between the SOC (State Of Charge) value of the battery cell and the voltage, the smoothing converter is turned off.

여기서, 미리 저장되어있는 해당 배터리 셀의 값은 사용자에 의해 가변이 가능하다. 한 예로 특정 셀의 값이 전체 배터리의 평균값이 될 수 있고, 전체 배터리의 SOC 평균이 될 수 있으며, 전체 배터리의 평균 또는 SOC에서 일정 고정 값으로 증가되거나 감소된 특정 값일 수 있다. Here, the value of the corresponding battery cell stored in advance can be varied by the user. For example, the value of a particular cell may be the average value of the entire battery, the SOC average of the entire battery, and may be a specific value that is increased or decreased to a fixed value by the average of all the batteries or the SOC.

ⅲ) 미리 정해 놓은 전하 균일화 시간을 통해 장치를 구동시키는 것이 아닌 특정 배터리 셀에 주기적으로 일정 시간 동안 전하 균일화 동작을 이루게 한 뒤, 셀 전압이나 SOC, SOH 측정을 통해 사용자가 원하는 값 또는 프로그램되어 미리 저장되어있는 기준값과 비교하는 방식이다. 이 기준값은 사용자 지정 전압, 배터리 팩 또는 평균 전압, 배터리 팩 또는 평균 전압에 증감된 사용자 지정 전압 및 SOH(State Of Health) 중 어느 하나가 될 수 있다.Iii) The charge uniformizing operation is performed periodically for a predetermined period of time in a specific battery cell not driving the device through a predetermined charge uniformizing time, and then a desired value or programmed value is measured through the cell voltage, SOC, SOH measurement, And compares it with the stored reference value. This reference value can be either a user-specified voltage, a battery pack or average voltage, a user-specified voltage increase or decrease on a battery pack or average voltage, and SOH (State Of Health).

이렇게 비교하며 연속적으로 셀을 구동시키게 되면, 일정 시간 뒤 전하 균일이 이루어진다. 이때 특정 셀의 기준값은 앞서 설명한 방식에 의해 정해 질 수 있다.When the cells are continuously driven in this comparison, the charge uniformity is achieved after a certain period of time. At this time, the reference value of a specific cell can be determined by the above-described method.

계속 도 6을 설명하면, 이러한 과정을 통하여 제어부(도 2의 100)는 전하 균일화가 완료되었는지를 판단하게 된다(단계 S670). Continuing with FIG. 6, the controller (100 in FIG. 2) determines whether charge uniformization is completed through this process (step S670).

판단 결과, 해당 배터리 셀(B1,1 내지 BM,K)에 대한 전하 균일화가 완료되었으면, 배터리 모니터링부(120a 내지 120m)가 이 배터리 셀에 대한 전위를 재측정하여 배터리 셀의 전위가 기준값에 도달하였는지를 판단하게 된다(단계 S680).As a result of the determination, if the charge uniformization for the battery cells B 1,1 to B M, K has been completed, the battery monitoring units 120a to 120m re-measure the potentials for the battery cells, (Step S680).

이와 달리, 단계 S670에서, 해당 배터리 셀(B1,1 내지 BM,K)에 대한 전하 균일화가 완료되지 않았다면, 단계 S630 내지 단계 S670가 다시 수행된다. Alternatively, in step S670, if the charge equalization for the corresponding battery cell (B 1,1 to B M, K ) has not been completed, steps S630 to S670 are performed again.

단계 S680에서, 재측정된 배터리 셀의 전위가 기준값에 도달하였다면 전하 균일화 과정이 종료한다.
In step S680, if the potential of the re-measured battery cell reaches the reference value, the charge equalization process is terminated.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 수많은 변형예가 가능함을 당업자라면 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해져야 할 것이다.
While the preferred embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art will appreciate that the scope of the present invention is not limited to these embodiments and that many modifications are possible. Accordingly, the scope of the present invention should be defined by the appended claims and their equivalents.

100: 제어부 110a 내지 110n: 모듈 스위치부
111a 내지 111n: 모듈 스위치 112a 내지 112n: 스위치 블럭
113a 내지 113n: 배터리팩 120a 내지 120n: 배터리 모니터링부
130: 균일화 컨버터
140a 내지 140n: 모듈
100: control units 110a to 110n:
111a to 111n: module switches 112a to 112n: switch blocks
113a to 113n: Battery packs 120a to 120n:
130: Equalization converter
140a to 140n:

Claims (17)

적어도 하나의 배터리 셀과,
상기 배터리 셀을 스위칭하는 스위치 블럭부와,
상기 스위치 블럭을 선택하는 모듈 스위치부와,
상기 배터리 셀을 모니터링하고 셀 전위를 측정하여 셀 전위 정보를 제어부로 전송하는 배터리 모니터링부를 포함하되,
착탈 가능하고, 결합 시 배터리 모니터링부가 제어부와 연결되어, 제어부의 명령에 따라 배터리 보호(protection)와 셀 밸런싱을 제어하며,
상기 배터리 모니터링부와 스위치 블럭부는 하나의 집적화된 회로로 구성되는 착탈 가능한 배터리 모듈;
상기 착탈 가능한 배터리 모듈로부터 상기 셀 전위 정보를 수신하여 상기 셀 전위 정보와 미리 저장된 기준값을 비교하여 상기 배터리 셀에 대한 전하 균일화 여부를 판단하는 제어부; 및
상기 제어부의 전하 균일화 여부에 따라 소정의 동작 시간 동안 상기 배터리 셀에 대한 충전 또는 방전하도록 함으로써 전하 균일화를 수행하는 균일화 컨버터;
를 포함하며,
상기 배터리 셀, 스위치 블록부, 모듈 스위치부 및 모니터링부를 포함하는 슬레이브 유닛이 모듈 형식으로 구성되고,
상기 제어부 및 균일화 컨버터를 포함하는 마스터 유닛이 모듈 형식으로 구성되며,
상기 마스터 유닛에 상기 슬레이브 유닛이 착탈 가능한 배터리 스트링을 위한 전하 균일 장치.
At least one battery cell,
A switch block unit for switching the battery cell,
A module switch unit for selecting the switch block,
And a battery monitoring unit monitoring the battery cell, measuring a cell potential, and transmitting cell potential information to the control unit,
The battery monitoring unit is connected to the control unit to control battery protection and cell balancing according to a command from the control unit,
Wherein the battery monitoring unit and the switch block unit comprise a detachable battery module having a single integrated circuit;
A controller for receiving the cell potential information from the detachable battery module and comparing the cell potential information with a previously stored reference value to determine whether the charge is equalized to the battery cell; And
A smoothing converter for performing charge uniformization by charging or discharging the battery cells for a predetermined operation time according to charge uniformity of the control unit;
/ RTI >
Wherein the slave unit including the battery cell, the switch block unit, the module switch unit, and the monitoring unit is configured in a module form,
Wherein the master unit including the control unit and the smoothing converter is configured in a module format,
Wherein the slave unit is removable from the master unit.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 스위치 블럭부 또는 모듈 스위치부는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor) 및 릴레이 중 적어도 어느 하나로 구성되는 배터리 스트링을 위한 전하 균일 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the switch block unit or the module switch unit is composed of at least one of a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), a bipolar junction transistor (BJT), and a relay.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 기준값은 상기 배터리 셀의 SOC(State Of Charge), 사용자 지정 전압, 배터리 팩 또는 평균 전압, 배터리 팩 또는 평균 전압에 증감된 사용자 지정 전압 및 SOH(State Of Health) 중 어느 하나가 되는 배터리 스트링을 위한 전하 균일 장치.
The method according to claim 1,
The reference value may be a battery string that is one of a state of charge (SOC) of the battery cell, a user-specified voltage, a battery pack or an average voltage, a user-specified voltage increased or decreased in a battery pack or an average voltage, and SOH Charge uniformity device.
제 1 항에 있어서,
상기 전하 균일화 여부는
상기 착탈 가능한 배터리 모듈 전체의 배터리 셀 평균값과 비교하거나,
상기 착탈 가능한 배터리 모듈 중 하나의 내에 있는 배터리 셀 평균값과 비교하거나,
미리 설정된 값과 비교하여 판단하는 배터리 스트링을 위한 전하 균일 장치.
The method according to claim 1,
Whether or not the charge is equalized
Compares the battery cell average value of all of the detachable battery modules,
Comparing the battery cell average value in one of the detachable battery modules,
A charge uniform device for a battery string that is compared with a preset value.
제 1 항에 있어서,
상기 배터리 모니터링부는 상기 착탈 가능한 배터리 모듈을 제어하고,
상기 모듈 스위치부는 상기 착탈 가능한 배터리 모듈마다 상기 균일화 컨버터를 공유시키거나, 상기 착탈 가능한 배터리 모듈 간을 절연하는 배터리 스트링을 위한 전하 균일 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the battery monitoring unit controls the detachable battery module,
Wherein the module switch unit shares the equalizing converter for each of the removable battery modules or insulates the detachable battery modules from each other.
제 1 항에 있어서,
상기 균일화 컨버터는 충/방전 가능 형태의 DC/DC 컨버터 또는 절연 트랜스 포머가 되며, 상기 스위치 블럭부 또는 모듈 스위치부는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), 및 릴레이 중 적어도 어느 하나로 구성되는 배터리 스트링을 위한 전하 균일 장치.
The method according to claim 1,
The switch unit or the module switch unit may include at least one of a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), a bipolar junction transistor (BJT), and a relay, at least one of which is a DC / DC converter or an insulated transformer. A charge uniform device for a battery string consisting of either one.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는, 해당 배터리 셀이 다른 배터리 셀에 비해 저충전 또는 과충전되어 있으면, 배터리 셀 전체 에너지를 해당 배터리 셀에 이동시키거나 배터리 셀 전체 에너지를 해당 배터리 셀로 이동시키고,
해당 배터리 셀만이 저충전 또는 과충전되어 있으면, 외부 전원의 에너지를 저충전된 배터리 셀에 이동시키거나 과충전된 배터리 셀의 에너지를 외부 전원의 에너지로 이동시키는 배터리 스트링을 위한 전하 균일 장치.
The method according to claim 1,
The control unit moves the entire energy of the battery cell to the corresponding battery cell or moves the entire energy of the battery cell to the corresponding battery cell when the corresponding battery cell is low-charged or overcharged compared to other battery cells,
Wherein the energy of the external power source is transferred to the low-charged battery cell or the energy of the overcharged battery cell is moved to the energy of the external power source when only the corresponding battery cell is low-charged or overcharged.
제 1 항에 있어서,
상기 소정의 동작 시간은,
상기 균일화 수단의 충전 또는 방전 전류량과 해당 배터리 셀의 에너지 저장 능력에 따른 수학적 모델링을 통해 계산된 값이거나,
미리 저장되어 있는 값이거나,
해당 배터리 셀에 주기적으로 일정 시간 동안 전하 균일화 동작을 이루게 한 뒤, 셀 전압이나 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health) 측정을 통해 사용자가 원하는 값 또는 프로그램되어 미리 저장되어있는 값과 비교하여 정해지는 배터리 스트링을 위한 전하 균일 장치.
The method according to claim 1,
The predetermined operation time may be,
A value calculated through mathematical modeling according to the amount of charge or discharge current of the smoothing means and the energy storage capacity of the battery cell,
It is a pre-stored value,
The battery cell is periodically subjected to a charge equalization operation for a predetermined period of time, and then compared with a value desired by the user or a value stored in advance by program measurement through a cell voltage, SOC (State Of Charge), SOH (State Of Health) Charge uniform device for battery string determined by
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