KR102196351B1 - battery protection unit using embedded module and protection circuit mocdule - Google Patents

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KR102196351B1
KR102196351B1 KR1020190138311A KR20190138311A KR102196351B1 KR 102196351 B1 KR102196351 B1 KR 102196351B1 KR 1020190138311 A KR1020190138311 A KR 1020190138311A KR 20190138311 A KR20190138311 A KR 20190138311A KR 102196351 B1 KR102196351 B1 KR 102196351B1
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정태훈
김주용
최형석
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주식회사 티팩토리
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Abstract

The present invention relates to a battery energy storage module, which includes a protection circuit module (PCM) for managing a battery module composed of a plurality of battery cells, and an embedded module for managing individual temperatures of battery cells constituting the battery module. The battery energy storage module includes: a PCM which receives the voltage and current of the battery module and compares the voltage and current with preset Over Voltage Protection (OVP) and Under Voltage Protection (UVP) to stop or maintain charging and discharging; an embedded unit which detects the temperature of each of the battery cells and generates a signal to stop charging and discharging of the battery module when the detected temperature is higher than a preset temperature.

Description

임베디드 모듈과 PCM을 이용한 배터리 보호장치{battery protection unit using embedded module and protection circuit mocdule}Battery protection unit using embedded module and protection circuit mocdule}

본 발명은 복수개의 배터리 셀들로 이루어진 배터리 모듈을 관리하는 PCM(protection circuit mocdule)과 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀들의 개별온도를 관리하는 엠베디드 모듈로 이루어진 배터리 에너지 저장장치(Battery Energy Storage Module)에 관한 것이다.The present invention relates to a battery energy storage module comprising a protection circuit mocdule (PCM) for managing a battery module consisting of a plurality of battery cells and an embedded module for managing individual temperatures of the battery cells constituting the battery module. About.

전기에너지 저장시스템(Energy Storage System, ESS)는 전력변환장치(Power Conversation Syetem, PCS)와 배터리 에너지 저장장치(BESS)로 구분된다. 그러나 최근 국내에서는 리튬배터리를 사용한 ESS 관련 화재사고가 발생하고 있으며, 이러한 사고의 원인으로 BESS의 열폭주 현상에 대한 보호대책이 다양하게 연구되고 있다. 등록특허 제10-1442188호(발명의 명칭: 배터리 팩 과열 경고 장치 및 방법)(이하, ‘종래기술’이라 함)도 이러한 배터리 팩의 열폭주를 방지하기 위하여 개발된 것이다.The Energy Storage System (ESS) is divided into a Power Conversation Syetem (PCS) and a Battery Energy Storage System (BESS). However, recently, fire accidents related to ESS using lithium batteries have occurred in Korea, and as a cause of such accidents, various measures to protect against thermal runaway of BESS have been studied. Registered Patent No. 10-1442188 (name of the invention: battery pack overheat warning device and method) (hereinafter referred to as “conventional technology”) was also developed to prevent thermal runaway of such a battery pack.

도 1은 종래기술의 전체적인 구성을 설명하기 위한 회로도이다.1 is a circuit diagram for explaining the overall configuration of the prior art.

종래기술의 배터리 열 경고 장치는, 배터리(100)와 부하(160)사이에 연결되며, 센싱부(110), 보조 전원부(120), 보조 전원 충전 스위치(125), 경고부(130), 경고 스위치(135), 제어부(140), 메모리부(150) 및 충방전 제어 스위치(165)를 포함한다.The battery thermal warning device of the prior art is connected between the battery 100 and the load 160, and the sensing unit 110, the auxiliary power supply unit 120, the auxiliary power charging switch 125, the warning unit 130, and warning A switch 135, a control unit 140, a memory unit 150, and a charge/discharge control switch 165 are included.

상기 센싱부(110)는 배터리(100)를 구성하는 배터리 셀의 표면 온도를 측정하는 제1온도센서(112)와 배터리 팩 외부의 외기 온도를 측정하는 제2온도센서(114)를 포함한다. 상기 제1온도센서(112)는 주기적으로 배터리 셀의 표면 온도를 측정하여 제어부(140)로 출력한다. 그리고 상기 제2온도센서(114)는 주기적으로 배터리 팩 외부의 외기 온도를 측정하여 제어부(140)로 출력한다. 제어부(140)는 제1온도센서(112)와 제2온도센서(114)의 온도차이가 기설정된 온도차이보다 큰 경우에는 배터리 셀온도가 과도하게 상승된 것으로 판단하도록 하는 것이다. 이와 같은 종래기술 구성에서는 외기온도의 변화에 따라서 배터리 팩의 온도가 상승되는 것을 배제하고, 순수하게 배터리 팩의 원인에 의하여 온도가 과도하게 상승되는 것을 검출하고자 하는 기술이 구현되고 있다.The sensing unit 110 includes a first temperature sensor 112 that measures a surface temperature of a battery cell constituting the battery 100 and a second temperature sensor 114 that measures an outside temperature outside the battery pack. The first temperature sensor 112 periodically measures the surface temperature of the battery cell and outputs it to the controller 140. In addition, the second temperature sensor 114 periodically measures the outside air temperature outside the battery pack and outputs it to the controller 140. When the temperature difference between the first temperature sensor 112 and the second temperature sensor 114 is greater than a preset temperature difference, the controller 140 determines that the battery cell temperature is excessively increased. In such a configuration of the prior art, a technique for detecting an excessive increase in temperature due to a purely cause of the battery pack is implemented, excluding an increase in the temperature of the battery pack according to a change in the outside temperature.

그러나 일반적으로 사용되고 있는 BESS는 수백Wh 및 수Kwh급의 배터리에너지 저장장치(Battery Energy Storage Module: BESM)를 직, 병렬로 연결하여 사용하고 있으며, 이러한 BESM는 배터리셀들의 집적구조로 이루어져 있어 개별적으로 설치된 배터리셀들의 배터리셀 온도측정 방법인 종래기술을 적용하기 어려운 문제점이 있다.However, BESS, which is generally used, uses hundreds of Wh and several Kwh-class battery energy storage modules (BESMs) connected in series and in parallel, and these BESMs consist of an integrated structure of battery cells. There is a problem in that it is difficult to apply the prior art, which is a method of measuring battery cell temperature of installed battery cells.

이러한 BESM에는 배터리셀들의 열폭주 및 관리를 위하여 보호회로모듈(Protection Circuit Module, PCM) 또는 BPU(Battery Protection Module)을 사용하고 있다. 종래의 PCM은 개별 배터리에 대한 충전시 과전압과 방전시 저전압으로 인한 배터리 보호를 위한 기능이 구현되도록 설계되며, 보호소자의 과열과 BESM 내부의 온도상승에 대해 감지 및 보호하는 기능을 일부 가지고 있다.In this BESM, a protection circuit module (PCM) or a battery protection module (BPU) is used for thermal runaway and management of battery cells. Conventional PCM is designed to implement a function for battery protection due to overvoltage when charging individual batteries and undervoltage when discharging, and has some functions to detect and protect against overheating of the protection device and temperature rise inside the BESM.

그러나 이러한 PCM에 설치되는 온도를 감지하는 온도센서는 배터리셀들의 온도를 정확히 감지하는 구조를 이루고 있지 않기 때문에 배터리셀들의 온도제어를 정확히 이룰 수가 없었다.However, since the temperature sensor installed in the PCM does not accurately detect the temperature of the battery cells, the temperature control of the battery cells could not be achieved accurately.

또한 종래의 PCM을 이용한 보호방식은 과충전과 과방전 시 보호전압 범위가 제작사 마다 달라 경우에 따라 배터리 성능에 비해 과도한 범위 설정에 의한 보호범위 임계치로 인한 배터리 보호의 한계가 발생하였으며, 배터리 각각의 셀(cell) 전압의 보호범위의 임계치 한계를 극복하기 위한 임베디드 모듈 구성의 필요성이 절실하였다.In addition, in the conventional protection method using PCM, the protection voltage range during overcharging and overdischarging differs from manufacturer to manufacturer. In some cases, the limit of battery protection occurred due to the protection range threshold by setting an excessive range compared to the battery performance. The necessity of configuring an embedded module to overcome the threshold limit of the (cell) voltage protection range was urgent.

본 발명은 이러한 점들을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 해결과제는 개별적인 배터리셀들의 정확한 온도를 감지하도록 하고, 임베디드 모듈 구성에 의하여 각각의 배터리셀들의 온도제어가 이루어지도록 하고, 배터리셀들의 각각에 최적의 전류 및 전력의 한계치를 설정함으로써 최적의 운용을 구현하기 위한 것이다.The present invention was conceived in consideration of these points, and the problem of the present invention is to detect the exact temperature of individual battery cells, to control the temperature of each battery cell by an embedded module configuration, and to each of the battery cells. It is to implement optimal operation by setting the optimal current and power limit values.

상기 과제를 해결하기 위한 해결수단은 복수개의 배터리 셀이 연결되어 이루어진 배터리 모듈을 보호하기 위한 임베디드 모듈과 PCM(Protection Circuit Module)을 이용한 배터리 보호장치(BESM: Battery Energy Storage Module)에 있어서: 상기 배터리 모듈의 복수개의 배터리 셀들의 각각의 전압을 입력받아 기설정된 OVP(Over Voltage Protection), UVP(Under Voltage Protection)와 비교하여 상기 배터리모듈의 충전 및 방전을 정지 또는 유지시키는 PCM; 상기 PCM과 분리 설치되며 상기 OVP보다 낮은 제2 OVP가 설정되고, 상기 UVP보다 높은 제2 UVP가 설정되어 있으며, 상기 배터리 셀들의 각각의 전압을 입력받아 상기 제2 OVP, 상기 제2 UVP와 비교하여 상기 제2 OVP를 초과하거나 , 상기 제2 UVP 미만으로 감소하게 되면 상기 배터리 모듈의 충전 및 방전을 정지시키는 신호를 발생시키는 임베디드부를 포함하는 것이다.
또한 본 발명에 있어서 상기 배터리 셀의 단자 또는 배터리 셀들을 연결하는 연결부에는 배터리 셀들 각각의 온도를 감지하는 온도검출소자가 설치되며, 상기 상기 온도검출소자는 NTC (Negative Temperature Coefficient) 서미스터인 것을 특징으로 하는 임베디드 모듈과 PCM을 이용한 배터리 보호장치.
In the battery protection device (BESM: Battery Energy Storage Module) using a PCM (Protection Circuit Module) and an embedded module for protecting a battery module formed by connecting a plurality of battery cells, the solution means for solving the problem is: the battery A PCM for stopping or maintaining charging and discharging of the battery module by comparing the voltages of the plurality of battery cells of the module with preset OVP (Over Voltage Protection) and UVP (Under Voltage Protection); Separately installed from the PCM, a second OVP lower than the OVP is set, a second UVP higher than the UVP is set, and voltages of each of the battery cells are input and compared with the second OVP and the second UVP Thus, when it exceeds the second OVP or decreases to less than the second UVP, the embedded unit generates a signal to stop charging and discharging of the battery module.
In addition, in the present invention, a temperature detection device for sensing the temperature of each of the battery cells is installed at a terminal of the battery cell or a connection part connecting the battery cells, and the temperature detection device is an NTC (Negative Temperature Coefficient) thermistor. Battery protection device using embedded module and PCM.

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상기 해결과제와 해결수단을 갖는 본 발명은 임베디드모듈과 PCM을 이용하여리튬 배터리에너지저장 모듈의 보호장치로서, 배터리 모듈 또는 팩 등의 보호장치로 사용되는 보호 회로모듈(PCM)의 단점인 높은 보호 전압과 전류 설정에 의한 과도한 방전심도(DOD: Depth of Discharge)로 인한 배터리의 수명관리의 한계 및 직렬로 구성된 배터리 모듈 내부의 개별 배터리 온도 감시의 한계를 극복하였다. 또한 본 발명에서 배터리 에너지저장모듈에 대한 보호를 위해 기존의 PCM 이외에 임베디드 모듈이 결합된 보호회로를 구성하여 모듈 레벨의 전압 및 전류보호와 부온도계수(NTC) 서미스터(Thermistor)를 이용하여 BESM 내부의 배터리 각각에 대해 온도를 감지하여 과충전 및 과방전 또는 비정상태로 인한 배터리과열에 대해 개별 온도감지를 통한 BESM 보호장치의 안전성이 향상되었다. The present invention having the above problems and solutions is a protection device for a lithium battery energy storage module using an embedded module and a PCM, which is a disadvantage of a protection circuit module (PCM) used as a protection device such as a battery module or pack. It overcomes the limitations of battery life management due to excessive depth of discharge (DOD) caused by voltage and current settings and the limitation of monitoring individual battery temperature inside a battery module configured in series. In addition, in order to protect the battery energy storage module in the present invention, a protection circuit in which an embedded module is combined in addition to the existing PCM is configured to protect the voltage and current at the module level and the internal temperature coefficient (NTC) thermistor. The safety of the BESM protection device has been improved by sensing the temperature of each of the batteries of, and by individually detecting the temperature for overcharging, over-discharging, or battery overheating due to abnormal conditions.

도 1은 종래기술의 전체적인 구성을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 전체적인 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 PCM을 설명하는 블록도이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 임베디드 칩의 포트 맵이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 임베디드 칩에 연결되는 전압과 전류 검지회로이다.
도 6은 본 발명에 적용되는 임베디드 칩에 연결되는 온도 검출회로이다.
도 7은 본 발명에 적용되는 임베디드 칩에 연결되는 릴레이 구동회로이다.
도 8a, 8b, 8c 는 본 발명에서 배터리 셀의 적정온도 범위를 검출하기 위한 실험그래프이다.
도 9는 본 발명의 실제 회로가 구성된 실험장치의 사진이다.
도 10은 본 발명에서 실험계의 BESM의 모듈 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 9와 같은 실험계 구성에서 전력분석기의 출력디스플레이의 사진이다.
1 is a circuit diagram for explaining the overall configuration of the prior art.
2 is a block diagram for explaining the overall configuration of the present invention.
3 is a block diagram illustrating the PCM of the present invention.
4 is a port map of an embedded chip applied to the present invention.
5 is a voltage and current detection circuit connected to an embedded chip applied to the present invention.
6 is a temperature detection circuit connected to an embedded chip applied to the present invention.
7 is a relay driving circuit connected to an embedded chip applied to the present invention.
8A, 8B, and 8C are experimental graphs for detecting an appropriate temperature range of a battery cell in the present invention.
9 is a photograph of an experimental apparatus in which an actual circuit of the present invention is configured.
10 is a graph showing the module voltage characteristics of the BESM of the experimental system in the present invention.
11 is a photograph of the output display of the power analyzer in the experimental system configuration as shown in FIG. 9.

이하, 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail according to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 전체적인 구성을 설명하기 위한 블록도이다.2 is a block diagram for explaining the overall configuration of the present invention.

본 발명의 배터리 보호장치(BESM: Battery Energy Storage Module)(1)는 배터리모듈(20)을 보호하기 위한 것으로, 배터리모듈(20)은 복수개의 단위셀들(본 발명에서는 8개의 단위셀들이 직렬연결된 것을 예시적으로 설명함)이 연결되어 배터리모듈(20)은 +, - 단자(10)과 연결되고, 단자(10)에 충전기(미도시)가 연결시켜 배터리모듈(20)을 충전시키며, 단자(10)에 부하가 연결될 때 배터리모듈(20)에 충전된 전기를 공급한다.The battery protection device (BESM: Battery Energy Storage Module) 1 of the present invention is for protecting the battery module 20, and the battery module 20 includes a plurality of unit cells (in the present invention, 8 unit cells are The connection is illustrated by way of example) and the battery module 20 is connected to the + and-terminals 10, and a charger (not shown) is connected to the terminal 10 to charge the battery module 20, When a load is connected to the terminal 10, charged electricity is supplied to the battery module 20.

BESM(1)는 배터리 단위셀들의 각각의 전압과, 배터리모듈(20)의 전압, 전류를 입력받고 기설정된 OVP(Over Voltage Protection), UVP(Under Voltage Protection)와 비교하여 충전 및 방전을 정지 또는 유지시키는 PCM(Protection Circuit Module)(40), PCM(40)과 분리설치되며 배터리 모듈(20) 내부의 배터리 단위셀들의 각각의 온도를 입력받고 기설정된 온도 이상일 때는 배터리모듈(20)의 충전 및 방전을 정지시키고, 배터리모듈(20)의 전압을 기설정된 제2 OVP 및 제2 UVP와 비교하여 충전 및 방전을 정지 또는 유지시키는 신호를 생성하는 임베디드부(30)와, 배터리모듈(20)의 충전 및 방전을 정지 또는 유지시는 릴레이부(50)와, 임베디드부(30)의 신호에 의하여 릴레이부(50)를 구동시키는 릴레이 구동부(60)로 이루어진다.BESM(1) receives the voltage of each of the battery unit cells, the voltage and current of the battery module 20, and stops charging and discharging by comparing it with preset OVP (Over Voltage Protection) and UVP (Under Voltage Protection). It is installed separately from the PCM (Protection Circuit Module) 40 and PCM 40 to be maintained, and receives the temperature of each of the battery unit cells inside the battery module 20. When the temperature is higher than a preset temperature, the battery module 20 is charged and The embedded part 30 that stops discharging and generates a signal for stopping or maintaining charging and discharging by comparing the voltage of the battery module 20 with the preset second OVP and the second UVP, and the battery module 20 It consists of a relay unit 50 for stopping or maintaining charging and discharging, and a relay driving unit 60 for driving the relay unit 50 by a signal from the embedded unit 30.

도 3은 본 발명의 PCM을 설명하는 블록도이다.3 is a block diagram illustrating the PCM of the present invention.

도 3은 PCM 구성을 통해 배터리 보호를 위한 1-Cell에 적용한 보호회로의 예시도이고, PCM은 과전압 방지(Over Voltage Protection, OVP) 기능, 저전압 방지(Under Voltage Protection, UVP) 기능, 저전압 방지(Under Voltage Protection, UVP) 기능, 단락 보호 기능을 수행한다. 3 is an exemplary diagram of a protection circuit applied to 1-Cell for battery protection through a PCM configuration, and PCM is an Over Voltage Protection (OVP) function, an Under Voltage Protection (UVP) function, and a low voltage prevention ( Under Voltage Protection, UVP) function and short circuit protection function.

각 배터리 셀의 +, -극 사이의 전압은 저항(R1)에서 검출되어 PCM 칩(S-8xxx Series)에 입력되고, 충방전시에 양극 사이에 흐르는 전류는 저항(R2)에 의하여 검출되어 PCM 칩에 입력된다. 배터리 충방전 회로에는 FET1과 FET2가 설치되어 있고, 배터리 충전시에 과충전되는 경우에 전압이상상태가 PCM 칩에 검출되고, FET1을 오프시킴으로써 배터리를 보호한다. 또한 PCM 칩은 방전시에 배터리 과방전에 의한 전압이상상태를 검출하여 FET2를 오프시킴으로써 배터리를 보호한다. 또한 PCM 칩은 BESM과 PCM에 연계된 운용 기기의 고장 및 BESM 내부의 이상으로 과전류가 회로로 흐를 때 충전 및 방전을 중지하기 위하여 FET1, FET2를 오프시킨다. PCM 칩은 BESM의 내부 단락 또는 운용 기기 고장에 따른 외부 단락 등으로 대전류가 흐를 때, 화재 및 폭발을 방지하기 위해 전로를 차단하기 위하여 FET1, FET2를 오프시킨다. The voltage between the + and-poles of each battery cell is detected by the resistor (R1) and input to the PCM chip (S-8xxx Series), and the current flowing between the positive poles during charging and discharging is detected by the resistor (R2). It is input to the chip. FET1 and FET2 are installed in the battery charging/discharging circuit. In the case of overcharging during battery charging, an abnormal voltage condition is detected by the PCM chip, and the battery is protected by turning off FET1. In addition, the PCM chip protects the battery by detecting a voltage abnormality due to overdischarging of the battery when discharging and turning off FET2. In addition, the PCM chip turns off FET1 and FET2 in order to stop charging and discharging when overcurrent flows into the circuit due to failure of the operating device connected to the BESM and PCM or an abnormality in the BESM. The PCM chip turns off FET1 and FET2 to cut off the converter to prevent fire and explosion when a large current flows due to an internal short circuit of the BESM or an external short circuit due to a malfunction of the operating device.

도 4는 본 발명에 적용되는 임베디드 칩의 포트 맵이고, 도 5는 본 발명에 적용되는 임베디드 칩에 연결되는 전압과 전류 검지회로이고, 도 6은 본 발명에 적용되는 임베디드 칩에 연결되는 온도 검출회로이고, 도 7은 본 발명에 적용되는 임베디드 칩에 연결되는 릴레이 구동회로이다.4 is a port map of an embedded chip applied to the present invention, FIG. 5 is a voltage and current detection circuit connected to an embedded chip applied to the present invention, and FIG. 6 is a temperature detection connected to an embedded chip applied to the present invention. Circuit, and FIG. 7 is a relay driving circuit connected to an embedded chip applied to the present invention.

본 발명의 임베디드부(30)의 임베디드 프로세서는 Comfile Technology사의 CB405RT core를 사용하였으며, 해당 core의 사양을 표1로 나타내었다. 항목별 적용 범위는 I/O 포트는 Relay 제어용 1CH, 냉각팬 제어용 2CH, ADC로 활성화한 배터리 셀 개별 온도 측정을 위한 8bit-8CH, 전압과 전류 및 모듈내부 온습도 측정을 위한 16bit-3CH, Reset 스위치용 1CH 등 15CH을 사용하고, 관리정보를 확인하기 위한 HMI 및 외부 PC와 통신을 위해 RS232와 관련하여 2CH을 사용하여 배터리보호장치에 대한 임베디드 프로세서의 하드웨어 및 소프트웨어를 구성하였다. The embedded processor of the embedded part 30 of the present invention uses the CB405RT core of Comfile Technology, and the specifications of the corresponding core are shown in Table 1. The applicable range for each item is 1CH for relay control, 2CH for cooling fan control, 8bit-8CH for individual temperature measurement of battery cells activated by ADC, 16bit-3CH for voltage, current and temperature/humidity measurement inside module, reset switch The hardware and software of the embedded processor for the battery protection device were configured by using 15CH such as 1CH for use, and 2CH in connection with RS232 for communication with HMI and external PC for checking management information.

SpecificationSpecification ApplicationApplication Program memoryProgram memory 200K bype200K bype -- I/O PortI/O Port 5858 Data memoryData memory 106K106K RS232 CH. No.RS232 CH. No. 33 HMI InterfaceHMI Interface ADCADC 16bit-8CH16bit-8CH 2CH2CH 8bit-8CH8bit-8CH 8CH8CH PWMPWM 12CH12CH -- ClockClock 18.4320MHz18.4320MHz --

Figure 112020109160711-pat00016

임베디드 시스템은 넓은 범주에서 정의하면 특정한 목적을 가지고 만들어진 프로그래밍 가능한 모든 컴퓨터를 의미하는 것으로(https://dora-guide.com/%EC%9E%84%EB%B2%A0%EB%94%94%EB%93%9C-%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C/),
본 발명의 임베디드부(30)의 OVP(Over Voltage Protection)는 PCM의 OVP 보다 낮게 설정되고, UVP(Under Voltage Protection)는 PCM의 UVP보다 높게 설정되도록 함으로써 보호대상의 배터리 모듈(20)을 최적으로 운용할 수 있도록 설정하는 것이 바람직하고, 일차적으로 배터리 모듈(20)의 보호는 임베디드부(30)에 효율적으로 이루어지도록 하고, 임베디드부(30)에서 보호되지 않는 이상 상태를 PCM에서 담당하도록 하도록 한다.
Figure 112020109160711-pat00016

Embedded systems are defined in a broad category to mean any programmable computer built for a specific purpose (https://dora-guide.com/%EC%9E%84%EB%B2%A0%EB%94%94). %EB%93%9C-%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C/),
The OVP (Over Voltage Protection) of the embedded part 30 of the present invention is set lower than the OVP of the PCM, and the Under Voltage Protection (UVP) is set higher than the UVP of the PCM to optimize the battery module 20 to be protected. It is desirable to set it so that it can be operated, and primarily, the protection of the battery module 20 is made to be efficiently performed in the embedded unit 30, and the PCM is in charge of an abnormal state that is not protected by the embedded unit 30. .

또한 본 발명의 임베디드부(30)는 개별 배터리 셀들의 온도가 검출되어 입력되게 된다.In addition, the embedded unit 30 of the present invention detects and inputs the temperatures of individual battery cells.

이때 배터리 셀들의 온도를 검출하기 위해서는 온도가 증가할 때 저항값이 감소하는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터를 사용하고, 서미스터는 열수축튜브에 의하여 포장된 후에 배터리 셀의 단자 또는 이웃하는 배터리 셀들을 연결하는 연결부에 부착되도록 하여 배터리 셀의 온도를 직접 감지하도록 하는 것이 바람직하다. At this time, to detect the temperature of the battery cells, use an NTC (Negative Temperature Coefficient) thermistor whose resistance value decreases when the temperature increases, and the thermistor connects the terminals of the battery cells or adjacent battery cells after being wrapped by a heat shrink tube. It is desirable to directly sense the temperature of the battery cell by attaching it to the connecting part.

도 8a, 8b, 8c 는 본 발명에서 배터리 셀의 적정온도 범위를 검출하기 위한 실험그래프이다.8A, 8B, and 8C are experimental graphs for detecting an appropriate temperature range of a battery cell in the present invention.

BESM을 구성하는 60Ah 용량을 가지는 리튬인산철(LiFePO4) 배터리 셀의 충전 및 방전 시 온도 특성을 파악하기 위해 실험을 위한 환경조건은 주위온도 25℃에서 0.2, 0.5, 1.0 C-rate 비율로 각각에 대한 충전 및 방전 1-사이클 실험을 통해 도 8과 같은 용량 및 온도 상승 특성을 도출하였다. 배터리 셀에 대한 C- rate(충전비율) 별로 온도특성을 확인하기 위한 보호전압 범위 설정은 과전압에 대해 3.60V로 과방전에 대해 2.80V로 설정하여 실험하였으며, 각 조건별 배터리 셀의 음극 및 양극의 최대 온도 상승값을 표2에 나타내었다. 이를 통하여 충전 및 방전 중 음극이 양극에 비해 높은 온도 상승값을 나타내는 것을 확인하였으며, 따라서 음극에 서미스터를 설치하는 것이 바람직하다.In order to understand the temperature characteristics of lithium iron phosphate (LiFePO4) battery cells with a capacity of 60Ah that constitute BESM, the environmental conditions for the experiment are 0.2, 0.5, and 1.0 C-rate at an ambient temperature of 25℃. Through a 1-cycle experiment for charging and discharging, the capacity and temperature rise characteristics as shown in FIG. 8 were derived. The protection voltage range was set to 3.60V for overvoltage and 2.80V for overdischarge to check the temperature characteristics by C-rate (charging rate) for the battery cell. Table 2 shows the maximum temperature rise value. Through this, it was confirmed that the negative electrode exhibits a higher temperature increase value than the positive electrode during charging and discharging, and therefore, it is preferable to install the thermistor on the negative electrode.

도 9는 본 발명의 실제 회로가 구성된 실험장치의 사진이다.9 is a photograph of an experimental apparatus in which an actual circuit of the present invention is configured.

도 9에 도시된 실험장치의 1kWh급 BESM은 리튬인산철(LiFePO4), 60Ah급 단전지 8개를 직렬로 구성하고, 배터리 보호를 위한 기준값 설정을 위해 단전지 평균 하한 전압을 3.0V로 설정하여 실험하였다. 이는 임베디드를 통한 모듈 하한전압이24.0Vdc로설계하였음을 의미한다. 기준전압에서 충전을 통해 모듈전압 27.32Vdc, 단전지평균 상한전압 3.415Vdc에서 목표값 1kWh 이상의 출력량이 되는 것을 확인하였으며, 해당값을 평균 상한전압으로 설정하였다. 1kWh급 BESM에 대한 단전지의 보호전압범위에 대한 하한전압과 상한전압 및 모듈의 보호전압 범위에 대한 조건을 표 2에 나타내었다. 또한, 입출력전력 500W급으로 충전 및 방전을 통한 사이클 실험을 3회실시하여 1kWh 목표값에 대해 지속적으로 유지되는 것을 확인하였으며, 실험 결과값을 표 3에 나타내었으며, 도 10은 동일 조건에서 BESM의 모듈 전압 특성을 나타낸 것으로 목표 출력량 1kWh급에 대한 모듈의 평균하한전압 24.0Vdc와 평균상한전압 27.32Vdc에서 보호동작이 정상적으로 이루어지는 것을 확인하였다. 도 11은 도 9와 같은 실험계 구성에서 전력분석기를 통해 목표 출력량 1kWh을 만족하는 출력량이 출력되었음을 확인하였다.The 1kWh-class BESM of the experimental apparatus shown in FIG. 9 consists of eight lithium iron phosphate (LiFePO4) and 60Ah-class single cells in series, and the average lower limit voltage of the single cell is set to 3.0V to set the reference value for battery protection. Experimented. This means that the module lower limit voltage through the embedded is designed to be 24.0Vdc. Through charging at the reference voltage, it was confirmed that the output amount was greater than the target value of 1kWh at the module voltage of 27.32Vdc and the unit cell average upper limit voltage of 3.415Vdc, and the corresponding value was set as the average upper limit voltage. Table 2 shows the conditions for the lower limit voltage and upper limit voltage and the protection voltage range of the module for the 1kWh class BESM. In addition, it was confirmed that the cycle experiment through charging and discharging was conducted three times at 500W of input/output power to be continuously maintained for the 1kWh target value, and the experimental results are shown in Table 3, and FIG. It shows the module voltage characteristics, and it was confirmed that the protection operation was normally performed at the average lower limit voltage of 24.0Vdc and the average upper limit voltage of 27.32Vdc for the target output 1kWh class. FIG. 11 confirms that the output amount satisfying the target output amount of 1 kWh was output through the power analyzer in the experimental system configuration as shown in FIG. 9.

Figure 112019112008725-pat00001
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Figure 112019112008725-pat00002
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1: BESM
10: 단자
20: 배터리모듈
30: 임베디드부
40: PCM
50: 릴레이부
1: BESM
10: terminal
20: battery module
30: embedded part
40: PCM
50: relay unit

Claims (4)

복수개의 배터리 셀이 연결되어 이루어진 배터리 모듈을 보호하기 위한 임베디드 모듈과 PCM(Protection Circuit Module)을 이용한 배터리 보호장치(BESM: Battery Energy Storage Module)에 있어서:
상기 배터리 모듈의 복수개의 배터리 셀들의 각각의 전압을 입력받아 기설정된 OVP(Over Voltage Protection), UVP(Under Voltage Protection)와 비교하여 상기 배터리모듈의 충전 및 방전을 정지 또는 유지시키는 PCM;
상기 PCM과 분리 설치되며 상기 OVP보다 낮은 제2 OVP가 설정되고, 상기 UVP보다 높은 제2 UVP가 설정되어 있으며, 상기 배터리 셀들의 각각의 전압을 입력받아 상기 제2 OVP, 상기 제2 UVP와 비교하여 상기 제2 OVP를 초과하거나 , 상기 제2 UVP 미만으로 감소하게 되면 상기 배터리 모듈의 충전 및 방전을 정지시키는 신호를 발생시키는 임베디드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 임베디드 모듈과 PCM을 이용한 배터리 보호장치.
In the Battery Energy Storage Module (BESM) using an embedded module and a Protection Circuit Module (PCM) to protect a battery module formed by connecting a plurality of battery cells:
A PCM for stopping or maintaining charging and discharging of the battery module by comparing the voltages of the plurality of battery cells of the battery module with preset OVP (Over Voltage Protection) and UVP (Under Voltage Protection);
Separately installed from the PCM, a second OVP lower than the OVP is set, a second UVP higher than the UVP is set, and voltages of each of the battery cells are input and compared with the second OVP and the second UVP Thus, the battery protection device using an embedded module and PCM, characterized in that it comprises an embedded unit for generating a signal to stop charging and discharging of the battery module when the second OVP exceeds or decreases to less than the second UVP.
삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 배터리 셀의 단자 또는 배터리 셀들을 연결하는 연결부에는 배터리 셀들 각각의 온도를 감지하는 온도검출소자가 설치되며, 상기 온도검출소자는 NTC (Negative Temperature Coefficient) 서미스터인 것을 특징으로 하는 임베디드 모듈과 PCM을 이용한 배터리 보호장치.The method according to claim 1, wherein a temperature detection device for sensing the temperature of each of the battery cells is installed at a terminal of the battery cell or a connection part connecting the battery cells, and the temperature detection device is an NTC (Negative Temperature Coefficient) thermistor. Battery protection device using embedded module and PCM. 삭제delete
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