KR102431931B1 - Serial Battery charging-discharging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 배터리 충방전 장치에 관한 것으로서 특히 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 충방전하는 장치에서, 각 배터리 셀의 용량 및 내부 저항이 완전히 일치하지 않아 서로 상이한 충방전 특성을 갖는 각 배터리 셀이 균등하게 충전될 수 있도록 하는 직렬 배터리 충방전 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a battery charging/discharging device, particularly in a device for charging and discharging a plurality of battery cells by connecting them in series. It relates to a series battery charging and discharging device that can be charged evenly.
2차전지는 휴대용 전자기기부터 전기자동차, 에너지 저장장치 등 다양한 장비에 사용 되고 있으며, 전기자동차의 폭발적인 성장으로 그 수요가 급증하고 있다. 2차전지는 자원 고갈 및 화석연료로 인한 지구 환경 파괴 등의 문제를 극복하기 위해 향후에는 그 수요가 더욱 증가할 것으로 예상된다. 최근, 배터리가 대용량화 되면서 단위 배터리 셀도 100A 이상의 대용량 배터리 셀이 개발 보급 되고 있다.Secondary batteries are used in various equipment such as portable electronic devices, electric vehicles, and energy storage devices, and the demand for them is rapidly increasing due to the explosive growth of electric vehicles. In order to overcome problems such as resource depletion and destruction of the global environment due to fossil fuels, the demand for secondary batteries is expected to increase further in the future. Recently, as batteries have become large-capacity, large-capacity battery cells of 100A or more have been developed and distributed for unit battery cells.
2차전지의 제조 과정을 살펴보면, 2차전지의 제조 과정은 크게 전극생성 과정, 조립 과정 및 활성화(formation) 과정으로 구성된다. 전극 생성 과정은 2차전지의 양극과 음극을 생성하는 과정이고, 조립 과정은 전극과 분리막을 쌓은 후 말아서 알루미늄 시트로 포장하는 과정이고, 활성화 과정은 2차전지를 충방전함으로써 2차전지 내부의 화학물질을 활성화(formation)하여 2차전지를 실제로 사용 가능하게 만드는 과정이다. 이러한 과정들 중 활성화 과정은 시간이 가장 많이 소요되는 과정이다.Looking at the manufacturing process of the secondary battery, the manufacturing process of the secondary battery is largely composed of an electrode generation process, an assembly process, and an activation (formation) process. The electrode creation process is the process of creating the anode and the cathode of the secondary battery, the assembly process is the process of stacking electrodes and separators, then rolling them up and packaging them with an aluminum sheet, and the activation process is the process of charging and discharging the secondary battery to form the chemical inside the secondary battery. It is a process that makes the secondary battery practically usable by activating the material. Among these processes, the activation process is the most time-consuming process.
현재의 활성화 공정은 배터리 셀 각각에 별도의 충방전장치를 붙여서 활성화하는 방법을 채택하고 있어서 2차전지의 생산성을 높이기 위해서는 수많은 활성화 장비를 사용해야 하고 각 배터리 셀마다 케이블이 따로 연결되어야 하기 때문에 많은 공간을 차지하는 문제점을 가지고 있다. 특히 100A 이상의 대용량 배터리 셀 활성화를 위해서는 굵은 케이블이 연결되어야 하기 때문에 공간문제와 고원가 문제는 심각한 상황이다.The current activation process adopts a method of activating each battery cell by attaching a separate charging/discharging device. has the problem of occupying In particular, in order to activate a large-capacity battery cell of 100A or more, a thick cable must be connected, so the space problem and the high price problem are serious.
이런 문제점을 개선하기 위해서 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결한 상태에서 하나의 충방전장치로 충방전을 수행하는 방식들이 연구되고 있다. 이 경우에 많은 배터리 셀을 직렬로 연결하여 한꺼번에 충방전을 수행함으로서 활성화 장비의 원가와 케이블 하네스를 줄이고 활성화 장비의 사이즈를 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만 배터리 셀간 용량 편차로 인한 배터리 셀간 충전 밸런싱이 안되는 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위해서 각 배터리 셀에 직렬로 연결된 충전 스위치와 충전 스위치와 배터리 셀을 단락시키는 바이패스 스위치를 달아서 각 배터리 셀의 충전 시간과 바이패스 시간을 조절함으로서 배터리 셀 밸런싱을 수행하는 방법이 제안된 바 있으나, 이 또한, 배터리 충방전 과정에 있어서 역삽입 배터리 셀의 허용에 따른 스위치 구조의 복잡성, 배터리 셀의 형태에 따라서 복잡해지는 하네스 케이블 구조, 배터리 셀의 전압 및 전류의 정확한 측정, 충방전 제어 등에 있어서 여전히 부족한 점이 존재한다.In order to improve this problem, methods for charging/discharging with one charging/discharging device in a state in which a plurality of battery cells are connected in series are being studied. In this case, by connecting many battery cells in series to perform charging and discharging at once, there is an advantage in that the cost and cable harness of the activation equipment can be reduced, and the size of the activation equipment can be drastically reduced. However, there is a problem in that charge balancing between battery cells is not possible due to a capacity deviation between the battery cells. To solve this problem, a method of balancing battery cells by adjusting the charging time and bypass time of each battery cell by attaching a charging switch connected in series to each battery cell and a bypass switch that short-circuits the charging switch and the battery cell Although it has been proposed, this also includes the complexity of the switch structure according to the allowable reverse insertion of the battery cell in the battery charge/discharge process, the harness cable structure that becomes complicated depending on the shape of the battery cell, the accurate measurement of voltage and current of the battery cell, and the charge There are still shortcomings in discharge control and the like.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 다수의 배터리 셀이 직렬 연결되며, 각 배터리 셀에 직렬로 연결된 충전 스위치와 충전 스위치와 배터리 셀 양단을 단락시키는 바이패스 스위치를 포함하여 구성되는 직렬 배터리 충방전 장치에 있어서, 충전 스위치의 구조를 단순화시키고, 다수의 배터리 셀을 직렬 시키기 위한 하네스 케이블의 구조를 단순화시키며, 각 배터리 셀의 전압과 전류를 좀 더 정확하게 센싱하기 위한 구조, 및 충방전 및 셀 밸런싱을 위한 각 과정이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하는 회로 구조 및 제어방법을 제공하고자 하는 데 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to connect a plurality of battery cells in series, and to short-circuit both ends of the charging switch and the charging switch and the battery cells connected in series to each battery cell. In a series battery charging/discharging device including a pass switch, the structure of the charging switch is simplified, the structure of a harness cable for sequencing a plurality of battery cells is simplified, and the voltage and current of each battery cell are more accurately determined. An object of the present invention is to provide a structure for sensing, and a circuit structure and a control method so that each process for charge/discharge and cell balancing can be performed more efficiently.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치는, 상기 배터리 셀 각각에 직렬 연결된 충전 스위치; 상기 배터리 셀과 직렬 연결된 상기 충전 스위치의 양 끝단에 연결되고 상기 충전 스위치와 토글로 동작하는 바이패스 스위치; 상기 배터리 셀 각각의 전압을 센싱하는 전압센서; 상기 배터리 셀 각각의 전류를 센싱하는 전류센서; 상기 직렬 연결된 다수의 셀에 충방전 전류를 제공하는 충방전 전원장치; 및 제어기를 포함하고, 정해진 수량의 상기 배터리 셀을 수용하는 트레이; 상기 트레이에 담겨진 배터리 셀 전극에 상기 충방전 전원장치를 연결해주는 파워 컨텍터; 상기 배터리 셀의 전압을 센싱하기 위해서 상기 배터리 셀 전극에 별도로 연결이 되는 전압센싱 컨텍터; 상기 파워 컨텍터와 상기 전압센싱 컨텍터가 취부되는 지그; 상기 지그 또는 상기 트레이를 움직이는 구동부를 포함하여 이루어지며, 상기 제어기는 충방전을 위해서 상기 배터리 셀 전극과 상기 파워 컨텍터가 접촉이 되도록 상기 구동부를 움직일 때에 상기 전압센싱 컨텍터가 먼저 접촉이 되어 상기 전압센서를 이용하여 상기 트레이 내에 역삽입이 되어 있는 배터리 셀이 있는지 여부를 체크하고, 역삽입 배터리 셀이 없는 경우에는 상기 파워 컨텍터가 연결이 되게 하고 역삽입 배터리 셀이 있는 경우에는 상기 파워 컨텍터를 접촉시키지 않고 상기 지그를 분리시킴으로서 충전 스위치의 구조를 단순하게 할 수 있다.In order to achieve the above object, a series battery charging/discharging device according to the present invention includes a charging switch connected in series to each of the battery cells; a bypass switch connected to both ends of the charging switch connected in series with the battery cell and operated as a toggle with the charging switch; a voltage sensor sensing a voltage of each of the battery cells; a current sensor for sensing the current of each of the battery cells; a charging/discharging power supply providing charging/discharging current to the plurality of cells connected in series; and a controller, comprising: a tray accommodating a predetermined number of the battery cells; a power contactor for connecting the charging/discharging power supply device to the battery cell electrode contained in the tray; a voltage sensing contactor separately connected to the battery cell electrode to sense the voltage of the battery cell; a jig to which the power contactor and the voltage sensing contactor are mounted; and a driving unit for moving the jig or the tray, wherein the controller first contacts the voltage sensing contactor when moving the driving unit so that the battery cell electrode and the power contactor come into contact for charging and discharging. A voltage sensor is used to check whether or not there is a battery cell with reverse insertion in the tray, and if there is no reverse-inserted battery cell, the power contactor is connected. If there is a reverse-inserted battery cell, the power contactor The structure of the charging switch can be simplified by separating the jig without contacting the charger.
또한, 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치는 상기 배터리 셀의 형태가 (+)전극과 (-)전극이 셀의 양 끝에 있는 구조일 경우에 다수의 셀을 직렬 연결하기 위해서는 하네스 케이블이 길어질 수밖에 없는데 이 경우에 상기 배터리 셀을 직렬로 연결하기 용이하도록 상기 트레이 내에 상기 배터리 셀의 전극 방향이 교대로 배열되게 함으로서 직렬 연결을 위한 하네스 케이블의 길이를 획기적으로 단축할 수 있다.In addition, in the series battery charging/discharging device according to the present invention, when the battery cell has a structure in which the (+) electrode and the (-) electrode are at both ends of the cell, a harness cable is inevitably long to connect a plurality of cells in series. However, in this case, the length of the harness cable for serial connection can be remarkably shortened by alternately arranging electrodes of the battery cells in the tray to facilitate serial connection of the battery cells.
또한, 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치는 정전류 충전모드에서 상기 직렬 연결된 다수의 배터리 셀을 일정전류로 충전을 하되 상기 정전류 충전모드 초기에 상기 각 배터리 셀의 용량과 초기 충전상태(SOC)에 따라서 상기 각 배터리 셀의 정전류 충전을 시작하는 시점을 상이하게 조절함으로서 상기 다수의 배터리 셀이 동시에 정전류 충전을 끝내고 긴 휴지기간 없이 정전압 충전에 들어갈 수 있게 한다.In addition, the series battery charging/discharging device according to the present invention charges the plurality of battery cells connected in series with a constant current in the constant current charging mode, but at the initial stage of the constant current charging mode, the capacity of each battery cell and the initial state of charge (SOC) Accordingly, by differently controlling the start time of the constant current charging of each of the battery cells, the plurality of battery cells can finish the constant current charging at the same time and enter the constant voltage charging without a long rest period.
또한, 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치는 정전압 모드 충전에서 직렬 연결된 배터리 셀들 간에 밸런싱 기능을 부여함으로서 배터리 셀 밸런싱 과정이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the series battery charging/discharging device according to the present invention is characterized in that the battery cell balancing process can be performed more efficiently by providing a balancing function between series-connected battery cells in constant voltage mode charging.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치에 의하는 경우 상기 충전 스위치의 구조를 단순화 할 수 있고, 다수의 배터리 셀을 직렬 연결하기 위한 케이블의 길이를 획기적으로 단축할 수 있으며, 정전류 충전을 동시에 끝나게 함으로서 배터리 셀의 활성화 공정을 효과적으로 수행할 수 있다. 이상의 것들로 인해서 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치는 원가를 최소화 하고 사이즈를 최소화 하며, 활성공정을 매우 효율적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.As described above, in the case of the series battery charging/discharging device according to the present invention, the structure of the charging switch can be simplified, and the length of a cable for connecting a plurality of battery cells in series can be remarkably shortened, By simultaneously ending the constant current charging, the activation process of the battery cell can be effectively performed. Due to the above reasons, the series battery charging/discharging device according to the present invention has advantages of minimizing cost, minimizing size, and performing the activation process very efficiently.
도 1은 종래의 직렬 배터리 충방전 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치에 있어서 배터리 셀 전극에 충방전 장치를 연결하기 위한 파워 컨텍터와 전압센싱 컨텍터의 구성 사례이다.
도 3은 트레이에 배터리 셀을 담을 때 역삽입 허용 여부에 따른 충전 스위치와 바이패스 스위치의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 파우치형 배터리 셀의 트레이 내 배치 및 직렬 결선 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 종래의 직렬 배터리 충방전 장치의 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치의 회로도이다.
도 7은 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치의 배터리 셀 전압, 전류 센싱을 위한 구성사례이다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 셀 파워 컨텍터의 접촉저항 센싱 회로도이다.
도 9는 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 순서도이다.
도 10은 종래의 셀간 밸런싱 기능이 있는 직렬 배터리를 충전할 때에 발생하는 각 셀의 충방전 특성 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 직렬 배터리 셀 밸런싱 방법에 따른 충방전 특성 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 배터리 셀 용량 측정 방법을 설명하기 위한 그래프이다.1 is a block diagram of a conventional series battery charging/discharging device.
2 is a configuration example of a power contactor and a voltage sensing contactor for connecting the charging/discharging device to the battery cell electrode in the series battery charging/discharging device according to the present invention.
3 is a configuration diagram of a charging switch and a bypass switch according to whether reverse insertion is permitted when a battery cell is placed in a tray.
4 is a view for explaining an example of arrangement and series connection in a tray of a pouch-type battery cell according to the present invention.
5 is a circuit diagram of a conventional series battery charging/discharging device.
6 is a circuit diagram of a series battery charging/discharging device according to the present invention.
7 is a configuration example for sensing the battery cell voltage and current of the series battery charging/discharging device according to the present invention.
8 is a contact resistance sensing circuit diagram of a battery cell power contactor according to the present invention.
9 is a series battery charging/discharging flowchart according to the present invention.
10 is a graph showing the charging/discharging characteristics of each cell that occurs when charging a conventional series battery having a cell-to-cell balancing function.
11 is a graph showing charging/discharging characteristics according to a method for balancing a series battery cell according to the present invention.
12 is a graph for explaining a battery cell capacity measurement method according to the present invention.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 이하의 상세한 설명은 예시적인 것에 지나지 않으며, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것에 불과하다.A preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings as follows. The following detailed description is merely exemplary, and only shows preferred embodiments of the present invention.
도 1은 종래의 직렬 배터리 충방전 장치의 일반적인 구성도이다.1 is a general configuration diagram of a conventional series battery charging/discharging device.
직렬 배터리 충방전 장치는 다수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 배터리를 충방전하는 장치이다. 이러한 직렬 배터리 충방전 장치는 다수의 배터리 셀들이 직렬로 연결이 되어 하나의 전원장치를 통해서 충방전을 하되 각 배터리 셀 간의 용량 편차, 내부저항 편차 등으로 인해서 배터리 셀 간의 불균형이 발생하기 때문에 배터리 셀 간의 밸런싱을 필요로 한다.The series battery charging/discharging device is a device for charging/discharging a battery in which a plurality of battery cells are connected in series. In such a series battery charging/discharging device, a plurality of battery cells are connected in series to charge and discharge through a single power supply. A balance between them is required.
종래의 직렬 배터리 충방전 장치는 배터리 셀 간의 밸런싱을 위해서 배터리 셀과 직렬로 충전 스위치(200)가 연결이 되고, 배터리 셀(100)과 충전 스위치(200) 양단을 단락시키고 충전 스위치(200)와 토글로 동작하는 바이패스 스위치(300)가 구성이 되어 특정 배터리 셀에 충전 스위치가 켜지면 해당 배터리 셀은 충전 또는 방전을 하게 되고, 바이패스 스위치가 켜지면 해당 배터리 셀은 충전 또는 방전을 하지 않고 쉬게 된다. 이런 동작으로 인해서 다수의 배터리 셀들이 동일한 수준으로 충방전을 하도록 제어한다.In the conventional series battery charging/discharging device, a
예컨대, 도 1을 참조하면, 종래의 직렬 배터리 충방전 장치는 다수의 배터리 셀(100)이 직렬 연결된 배터리, 각 배터리 셀(100)에 직렬 연결된 충전 스위치(200), 각 배터리 셀(100)과 충전 스위치(200) 양단을 단락시키는 바이패스 스위치(200), 각 배터리 셀(100)의 전압을 센싱하는 전압센서(미도시), 충방전 전류를 측정하는 전류 센서(600), 충방전 전류를 제공하는 충방전 전원장치(400) 및 제어기(500)를 포함하여 구성될 수 있다.For example, referring to FIG. 1 , a conventional series battery charging/discharging device includes a battery in which a plurality of
이러한 종래의 직렬 배터리 충방전 장치의 구성에 의하는 경우 배터리 충방전 과정에 있어서 각 배터리 셀의 충전 스위치 충전 시간과 바이패스 스위치 바이패스 시간을 조절함으로써 배터리 셀 밸런싱을 수행할 수 있다는 장점이 존재한다. 하지만, 종래의 직렬 배터리 충방전 장치에 의하는 경우 역삽입 배터리 셀의 허용에 따른 스위치 구조의 복잡성, 배터리 셀의 형태에 따라서 복잡해지는 하네스 케이블 구조, 배터리 셀의 전압 및 전류의 정확한 측정, 충방전 제어 등에 있어서 여전히 부족한 점이 존재한다.According to the configuration of the conventional series battery charging/discharging device, there is an advantage that battery cell balancing can be performed by adjusting the charging switch charging time and the bypass switch bypass time of each battery cell in the battery charging/discharging process. . However, in the case of the conventional series battery charging/discharging device, the complexity of the switch structure according to the allowable reverse insertion of the battery cell, the harness cable structure that becomes complicated depending on the shape of the battery cell, the accurate measurement of the voltage and current of the battery cell, the charging and discharging There are still shortcomings in control, etc.
본 발명의 경우 위와 같은 종래의 직렬 배터리 충방전 장치의 문제점을 해결 가능토록 구현됨으로써 충전 스위치의 구조를 단순화시키고, 다수의 배터리 셀을 직렬 시키기 위한 하네스 케이블의 구조를 단순화시키며, 각 배터리 셀의 전압과 전류를 좀 더 정확하게 센싱하기 위한 구조, 및 충방전 및 셀 밸런싱을 위한 각 과정이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하는 회로 구조 및 제어방법을 제공하고자 하는 데 있다.In the case of the present invention, the structure of the charging switch is simplified by being implemented to solve the problems of the conventional series battery charging/discharging device as described above, the structure of a harness cable for sequencing a plurality of battery cells is simplified, and the voltage of each battery cell An object of the present invention is to provide a structure for more accurately sensing overcurrent, and a circuit structure and control method for each process for charging/discharging and cell balancing to be performed more efficiently.
이하, 도 2 내지 도 8을 함께 참조하여 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치의 구조에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the structure of the series battery charging/discharging device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 8 together.
본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치는 다수의 배터리 셀(100)이 직렬 연결된 배터리를 충방전하는 장치로, 앞서 종래의 직렬 배터리 충방전 장치와 마찬가지로, 각 배터리 셀(100)에 직렬 연결된 충전 스위치(200), 각 배터리 셀(100)과 충전 스위치(200) 양단을 단락시키고, 충전 스위치(200)와 토들로 동작하는 바이패스 스위치(300), 각 배터리 셀(100)의 전압을 센싱하는 전압센서, 충방전 전류를 측정하는 전류센서(600), 충방전 전류를 제공하는 충방전 전원장치(400) 및 제어기(500)를 기본 구성으로 하여 이루어진다. The series battery charging/discharging device according to the present invention is a device for charging/discharging a battery in which a plurality of
한편, 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치는 배터리 셀 전극에 충방전 전원장치를 연결하기 위한 파워 컨텍터와 전압센싱 컨텍터를 구비하되 이들 구성에 있어서 종래의 직렬 배터리 충방전 장치와 차이점이 존재한다.On the other hand, the series battery charging/discharging device according to the present invention is provided with a power contactor and a voltage sensing contactor for connecting the charging/discharging power supply to the battery cell electrode, but there is a difference from the conventional series battery charging/discharging device in these configurations. do.
도 2를 참조하면 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치는 배터리 셀 전극에 충방전 전원장치를 연결하기 위한 구성으로서 다수의 배터리 셀(100)을 수용하는 배터리 트레이(700)와 배터리 트레이(700)에 담겨진 배터리 셀(100)의 전극((+)전극(110), (-)전극(120))에 충방전 전원장치(400)를 연결해주는 파워 컨텍터(810, 820), 배터리 셀의 전압을 센싱하기 위해서 배터리 셀 전극에 별도로 연결이 되는 전압센싱 컨텍터(830), 파워 컨텍터(810, 820)와 전압센싱 컨텍터(830)가 취부되는 지그(800), 지그(800) 또는 트레이(700)를 움직이는 구동부(미도시)를 포함하여 이루어지되, 역삽입 배터리 셀의 검출을 위해 전압센싱 컨텍터(830)가 파워 컨텍터(810, 820)보다 앞서 배터리 셀의 전극에 닿도록 구성될 수 있다.Referring to FIG. 2 , the series battery charging/discharging device according to the present invention is a configuration for connecting the charging/discharging power supply to the battery cell electrode, and includes a
즉, 제어기(500)는 전압센싱 컨텍터(830)의 셀 전압 측정결과를 토대로 현재 배터리 셀이 역삽입 배터리 셀인지 여부를 우선하여 확인할 수 있다. 이후, 역삽입 배터리 셀이 없는 경우에는 파워 컨텍터(810, 820)이 연결이 되게 하고, 역삽입 배터리 셀이 있는 경우에는 파워 컨텍터(810, 820)을 접촉시키지 않고 지그(800)를 분리한다.That is, the
이와 관련하여, 구동부는 전압센싱 컨텍터(830)가 먼저 접촉이 되는 단계와 파워 컨텍터(810, 820)가 접촉이 되는 단계가 구분이 되어 2단계로 움직일 수 있다.In this regard, the driving unit may move in two stages by dividing a stage in which the
이러한 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치의 파워 컨텍터와 전압센싱 컨택터 구성에 의하는 경우 관리자는 배터리 충전 시작 전에 역삽입된 배터리 셀의 존재 여부를 확인할 수 있으며, 역삽입 배터리 셀이 존재하는 경우 상기 트레이에서 역삽입된 배터리 셀을 바르게 다시 삽입한 뒤에 충전을 진행할 수 있다.According to the configuration of the power contactor and the voltage sensing contactor of the series battery charging/discharging device according to the present invention, the administrator can check the existence of the reversely inserted battery cell before starting the battery charging, and In this case, charging may be performed after the battery cell, which has been correctly inserted back into the tray, is reinserted.
도 3은 트레이에 셀의 역삽입 허용 여부에 따른 충전 스위치와 바이패스 스위치의 구성도를 도시하였다. 도 3(a)와 도 3(b)에서 볼 수 있듯이 바이패스 스위치는 항상 능동 소자와 능동 소자에 역방향으로 다이오드가 병렬로 연결된 스위치 세트로 구성될 수 있다.3 shows the configuration of the charging switch and the bypass switch according to whether the reverse insertion of the cell is allowed into the tray. As can be seen in FIGS. 3A and 3B , the bypass switch may always be composed of an active element and a switch set in which a diode is connected in parallel to the active element in the reverse direction.
그러나, 충전 스위치는 배터리 트레이 내에 배터리 셀의 역삽입 허용 여부에 따라서 구조가 완전히 달라진다. 도 3의 (a)는 역삽입 허용 시의 충전 스위치(200) 구성도이고, 도 3의 (b)는 역삽입 불허용 시의 충전 스위치(200) 구성도를 나타낸다.However, the structure of the charging switch is completely different depending on whether the reverse insertion of the battery cell into the battery tray is allowed. Fig. 3 (a) is a configuration diagram of the charging
배터리 트레이 내에 역삽입이 되어 있는 셀이 있는 경우에는 도 3(a)와 같이 충전 스위치(200)는 양방향 스위치 구조를 가져야 한다. 양방향 스위치는 능동 소자와 능동 소자에 역방향으로 다이오드가 병렬로 연결된 스위치 세트 2개가 서로 역 방향으로 직렬로 연결된 구조를 가지며, 역삽입 배터리 셀이 있을 경우에도 충전 스위치(200)를 오프 할 수 있어서 해당 셀의 단락을 막아줄 수 있다. 이때, 충전 스위치(200)를 구성하는 2개의 능동 스위치는 별도로 온/오프 할 수 있도록 별도의 구동회로를 구비하여야 하기 때문에 구조가 복잡하고 비용이 많이 드는 단점이 존재한다. 또한, 2개의 스위치가 직렬로 연결이 되어 충방전 전류가 흐르기 때문에 도통손실이 커지는 단점도 있다.When there is a cell that is inserted in the battery tray in reverse, the charging
본 발명에 있어서 충전 스위치(200)는 배터리 셀의 역삽입을 미리 걸러내어 역삽입 자체가 없도록 하기 때문에 도 3(b)와 같이 능동 소자와 능동 소자에 역방향으로 다이오드가 병렬로 연결된 간단한 스위치 세트로 구성할 수 있어서 스위치 구조를 간소화하고 원가를 줄일 수 있는 장점이 존재한다. 또한, 하나의 스위치로 충방전 전류가 흐르기 때문에 도통손실도 최소화되는 장점을 갖는다.In the present invention, the charging
한편, 본 발명에 따른 스위치 구조에 있어서, 제어기(500)는 충전 스위치(200)와 바이패스 스위치(300)에 포함된 다이오드가 도통하고 있을 때에 다이오드와 병렬로 연결된 능동 스위치를 켜서 다이오드로 흐르는 전류가 능동소자로 흐르도록 하여 다이오드의 도통손실을 줄일 수 있다.On the other hand, in the switch structure according to the present invention, the
제어기(500)의 오류로 인해서 충전 초기에 역삽입 배터리 셀을 제대로 확인하지 못하고 파워 컨텍터가 접촉이 되는 경우에는 배터리 셀의 단락이 될 수 있기 때문에 이를 이중으로 보호하기 위해서 충전 스위치(200) 또는 바이패스 스위치(300)에 직렬로 퓨즈(310)를 삽입할 수 있다. 이중 보호장치로서 상기 퓨즈 대신에 릴레이(미도시)를 삽입할 수도 있다. 상기 릴레이를 삽입하는 경우에는 릴레이가 꺼진 상태에서 상기 파워 컨텍터가 접촉이 되도록 하고 역삽입일 경우에는 릴레이를 켜지지 않도록 해서 셀의 역삽입에 의한 단락사고를 막을 수 있다.Due to the error of the
본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치는 트레이 내 배터리 셀의 배치를 통해서도 그 구조를 간소화할 수 있다. 도 4는 본 발명에 따른 파우치형 배터리 셀의 트레이 내 배치도를 설명하기 위한 도면이다.The series battery charging/discharging device according to the present invention can simplify its structure through the arrangement of battery cells in the tray. 4 is a view for explaining the arrangement in the tray of the pouch-type battery cell according to the present invention.
종래에 있어서 배터리 셀이 양쪽 끝단에 전극이 있는 파우치 셀 형태로 구현되는 경우 각 배터리 셀은 도 4의 (a)와 같이 트레이 내 일방향으로 배열되어 수용되는 경우가 일반적이었다. 이 경우 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하기 위해서 연결용 케이블(880)이 지그(700)의 좌우로 연결이 되어야 하기 때문에 케이블 길이가 길어지고, 케이블이 복잡해지는 단점이 있다.In the prior art, when the battery cells are implemented in the form of pouch cells having electrodes at both ends, it is common for each battery cell to be accommodated in a tray arranged in one direction as shown in FIG. 4A . In this case, since the connecting
반면, 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치의 경우 도 4의 (b)와 같이 각 배터리 셀의 전극방향을 교번으로 바꾸어 트레이 상에 배치함으로써 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하기 위한 케이블(880)의 길이를 최단으로 구성할 수 있는 장점이 존재한다.On the other hand, in the case of the series battery charging/discharging device according to the present invention, as shown in FIG. 4(b), the electrode direction of each battery cell is alternately arranged on the tray, and a
도 5는 종래의 직렬 배터리 충방전 장치의 회로도이고, 도 6은 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치의 회로 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 5와 도 6의 전력회로는 완전한 등가의 회로로서 2개의 배터리 셀이 직접 연결이 되도록 충전 스위치와 해당 배터리 셀의 위치를 일부 바꾼 것이다. 즉, 인접한 2개의 배터리 셀이 직접 연결이 되도록 충전 스위치의 위치가 직렬 연결된 인접한 2개의 배터리 셀의 양 끝단에 각각 대칭으로 배치된다. 예컨대, 충전 스위치(200)의 위치가 특정 배터리 셀의 (+)단에 연결되면 다음 배터리 셀에서는 (-)단에 연결되고, 그 다음 배터리 셀에서는 다시 (+)단에 연결이 되어 인접한 2개의 배터리 셀의 충전 스위치의 위치가 서로 대칭이 되도록 구성되는 것을 확인할 수 있다. 이렇게 함으로서 전력회로 구성을 단순화하고 셀의 전압 및 전류 센싱 회로도 구조적으로 용이하게 하는 장점을 갖는다.5 is a circuit diagram of a conventional series battery charging/discharging device, and FIG. 6 is a diagram for explaining a circuit structure of a series battery charging/discharging device according to the present invention. The power circuits of FIGS. 5 and 6 are completely equivalent circuits, and the positions of the charging switch and the corresponding battery cells are partially changed so that two battery cells are directly connected. That is, the positions of the charging switches are symmetrically disposed at both ends of the two adjacent battery cells connected in series so that the adjacent two battery cells are directly connected. For example, when the position of the charging
도 7은 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치의 센싱회로 구성 사례를 보여준다. 상기 제어기(500)는 배터리 셀 전압을 측정하기 위해서 셀 양단에 전압센싱 컨텍터(830)를 연결하고 차동증폭기(differential amplifier, 900)를 통해서 전압을 센싱하고, 절연된 AD 컨버터를(910) 통해서 센싱된 전압을 제어기(500)로 읽어 들일 수 있다.7 shows a configuration example of a sensing circuit of a series battery charging/discharging device according to the present invention. The
전류센서(600)는 충방전 전원장치(400)와 직렬 연결된 배터리 셀 사이에 직렬로 연결이 되고, 전류센서는 저항센서가 될 수 있으며 저항센서 양단에 차동증폭기를 연결하고 절연된 AD 컨버터를 통해서 센싱된 전류를 읽어 들이되 각 셀의 전류는 전류센서로 측정되는 전류치에 해당 충전 스위치가 켜질 경우에 1을 곱하고 해당 충전 스위치가 꺼질 경우에 0을 곱하여 측정할 수 있다.The
필터 커패시터(920)는 직렬 연결된 충전 스위치(200)와 바이패스 스위치(300) 양끝단에 병렬로 연결되며 충전 스위치와 바이패스 스위치가 토글로 스위칭이 될 때에 생길 수 있는 스파크로부터 충전 스위치와 바이패스 스위치를 보호하는 기능을 한다. 또한, 파워컨텍터의 접촉 불량으로 생길 수 있는 충전 스위치와 바이패스 스위치의 과전압을 보호하는 기능을 한다.The
충방전 전원장치(400)는 (+) 단과 또는 (-) 단에 파워 릴레이(930)를 통해서 직렬 연결된 다수의 배터리 셀에 연결이 되고, 보조 릴레이(940)와 직렬로 연결된 초기 충전저항(950)이 파워 릴레이(930)와 병렬로 연결되어 초기 충전회로를 구성할 수 있다. 충방전 초기에 상기 파워 커텍터의 접촉시에 스파크 발생을 방지하기 위해서 상기 보조 릴레이(940)와 충전저항(950)을 통해서 상기 필터 커패시터(920)를 충전하여 각 필터 커패시터가 각 배터리 셀의 초기전압과 같도록 충전할 수 있다.The charging/discharging
직렬 연결된 다수의 배터리 셀은 충방전을 끝낸 트레이를 교체하고 다른 배터리 셀들을 다시 충방전을 하기 위해서, 필터 커패시터를 방전시키기 위한 방전 릴레이(미도시)와 방전 릴레이(미도시)에 직렬 연결된 방전저항이 직렬 연결된 다수의 배터리 셀 양단에 연결되어 방전회로를 구성할 수 있다.A plurality of battery cells connected in series are connected in series to a discharging relay (not shown) and a discharging relay (not shown) for discharging the filter capacitor in order to replace the tray after charging and discharging has been completed and to charge and discharge other battery cells again. It may be connected to both ends of a plurality of battery cells connected in series to constitute a discharge circuit.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 셀 파워 컨텍터의 접촉저항 센싱회로도이다. 본 발명에 있어서, 직렬 배터리 충방전 장치는 도 8에 도시된 바와 같이 각 배터리 셀 양단에 연결되는 파워 컨텍터의 접촉저항(Rc+, Rc-)을 센싱하기 위한 센싱 회로를 추가로 구비할 수 있다. 이러한, 파워 컨텍터 접촉저항 센싱회로에 의하는 경우 직렬 배터리 충방전 장치는 배터리 셀 충방전 과정에서 오류가 발생한 배터리 셀을 검출할 수 있다.8 is a contact resistance sensing circuit diagram of a battery cell power contactor according to the present invention. In the present invention, the series battery charging/discharging device may further include a sensing circuit for sensing the contact resistance (Rc+, Rc-) of the power contactor connected to both ends of each battery cell as shown in FIG. 8 . . According to the power contactor contact resistance sensing circuit, the series battery charging/discharging device may detect a battery cell in which an error has occurred in the battery cell charging/discharging process.
보다 자세하게는, 제어기(500)는 파워 컨텍터(810, 820)가 배터리 셀 양단에 연결될 때에 (+) 파워 컨텍터(810)와 (-) 파워 컨텍터(820) 사이에 전압, 즉 필터 커패시터(920) 양단의 전압을 측정하고 상기 전압센싱 컨텍터(830)를 통해서 배터리 셀 양단의 전압을 센싱하여 그 차를 구함으로서 파워 컨텍터(810, 820)의 양단에 걸리는 전압을 측정한 뒤에 배터리 셀에 흐르는 전류로 나누게 되면 접촉저항을 계산할 수 있다.In more detail, the
상기 제어기(500)는 충방전 과정에서 특정 배터리 셀의 파워 컨텍터(810, 820)의 접촉저항 값이 소정의 값을 초과하는 경우는 파워 컨텍터의 접촉불량으로 보고 해당 배터리 셀의 바이패스 스위치(300)를 켜서 해당 배터리 셀을 분리하여 충방전을 종료하고 나머지 배터리 셀들은 계속해서 충방전한다.When the contact resistance value of the
도 9는 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치의 배터리 충방전 순서도이다. 9 is a battery charging/discharging flowchart of the series battery charging/discharging device according to the present invention.
직렬 연결된 다수의 배터리 셀을 충방전 하기 위해서 상기 제어기(500)는 다음과 같은 순서로 충방전을 수행할 수 있다.In order to charge/discharge a plurality of battery cells connected in series, the
1단계: 지그(800) 또는 트레이(700)를 동작시켜 각 배터리 셀의 단자에 전압센싱 컨텍터(830)이 닿게 하고 각 배터리 셀의 전압을 측정한다(S902).Step 1: By operating the
2단계: 제어기(500)는 앞서 S902에서 센싱된 전압을 토대로 역삽입 배터리 셀이 있는지 여부를 확인한다(S804).Step 2: The
3단계: 제어기(500)는 단계 S904 과정을 통해 역삽입 배터리 셀이 있는 것으로 확인되는 경우 지그를 분리하고 충방전 작업을 종료한다(S906, S908).Step 3: When it is confirmed that there is a reverse-inserted battery cell through the process S904, the
4단계: 제어기(500)는 단계 S904 과정을 통해 역삽입 배터리 셀이 없는 것으로 확인되는 경우 보조 릴레이를 켜서 필터 커패시터를 배터리 셀의 전압과 동일하게 충전한다(S906, S910).Step 4: When it is confirmed through step S904 that there is no reverse-inserted battery cell, the
5단계: 제어기(500)는 지그(800) 또는 트레이(700)를 동작시켜 파워 컨텍터(810, 820)이 배터리 셀의 전극에 닿게 한다(S912).Step 5: The
6단계: 제어기(500)는 파워 릴레이를 켜서 충방전 전원장치를(400) 직렬 연결된 배터리 셀에 연결하고, 이를 통해 직렬 연결된 배터리 셀을 충방전한다(S914).Step 6: The
7단계: 제어기(500)는 각 배터리 셀이 연결되는 파워 컨텍터(810, 820)의 접촉저항을 센싱하고, 특정 셀의 접촉저항이 특정 값 이상일 경우에는 해당 셀의 바이패스 스위치를 켜서 해당 셀을 바이패스 시킨다(S916).Step 7: The
8단계: 제어기(500)는 충방전이 완료되면 지그(800) 또는 트레이(700)를 동작시켜 직렬 연결된 배터리 셀을 분리하고, 방전 릴레이를 켜서 필터 커패시터를 방전시킨다(S918).Step 8: When the charging/discharging is completed, the
9단계: 지그(800)를 분리시키고 트레이(700)를 빼내고 새로운 트레이(700)를 투입한다.Step 9: Remove the
이하, 도 10 내지 도 12를 참조하여 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치의 셀 밸런싱 방법에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a cell balancing method of a series battery charging/discharging device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 10 to 12 .
도 1에 도시된 바와 같이 각 배터리 셀에 직렬로 연결된 충전 스위치와 충전 스위치와 배터리 셀을 단락시키는 바이패스 스위치를 달아서 각 배터리 셀의 충전 시간과 바이패스 시간을 조절함으로서 배터리 셀 밸런싱하는 방법이 제안된 바가 있다. 제어기(500)는 정전류 모드 충전시에는 충전 스위치(200)를 모두 켜서 모든 배터리 셀(100)을 직렬 연결시키도록 스위치 선택부(700)를 제어하고 그 양단에 전원장치(400)를 연결하여 충전하되 모든 배터리 셀(100)에 일정 전류가 흐르도록 전원장치(400)의 출력전류를 제어하고 종지전압에 다다른 배터리 셀(100)은 해당 배터리 셀(100)에 직렬 연결된 충전 스위치(200)는 끄고 바이패스 스위치(300)는 켜서 해당 배터리 셀(100)의 충전전류를 바이패스 시키고 나머지 배터리 셀(100)은 계속해서 일정 전류로 충전하도록 스위치 선택부(700)를 제어할 수 있다.As shown in FIG. 1 , a method of balancing battery cells by adjusting the charging time and bypass time of each battery cell by attaching a charging switch connected in series to each battery cell and a bypass switch that short-circuits the charging switch and the battery cell is proposed. there has been The
도 10은 종래의 셀간 밸런싱 기능이 있는 직렬 배터리를 충전할 때에 발생하는 각 셀의 충방전 특성 그래프를 나타낸다. 도 10에서 보듯이, 종래의 방식에 의하는 경우 정전류 모드에서 먼저 종지 전압에 도달한 배터리 셀은 충전 스위치(200)를 끄고 바이패스 스위치(300)를 켜서 가장 용량이 큰 배터리 셀(100)의 전압이 종지 전압에 도달할 때까지 바이패스 상태를 유지하였다가 동시에 정전압 모드 제어로 들어가게 된다. 이 경우에 각 배터리 셀(100)간 용량 차이(C1 < C2 < C3)가 존재하는 경우, 용량이 작은 배터리 셀이 용량이 정전류 모드가 먼저 완료되어 대기하되, 용량편차가 큰 경우에는 이 대기시간이 길어지는 문제가 있다. 10 is a graph showing the charging/discharging characteristics of each cell that occurs when charging a conventional series battery having a cell-to-cell balancing function. As shown in FIG. 10 , in the case of the conventional method, the battery cell that first reached the final voltage in the constant current mode turns off the charging
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따른 직렬 배터리 충방전 장치에 있어서 상기 제어기(500)는 정전류 충전 모드에서는 충전 스위치(200)를 모두 켜서 모든 배터리 셀(100)을 직렬 연결하고 일정 전류로 충전하되 도 11과 같이 다수의 배터리 셀이 동일 또는 소정의 시간범위 내에 종지전압에 도달하도록 정전류 충전모드 초기에 각 배터리 셀의 용량과 초기 충전상태(SOC)에 따라서 정전류 충전 시작시점을 상이하게 조절할 수 있다. 여기서, 소정의 시간범위는 서로 동일 시점인 것이 이상적이나, 제어 등의 어려움을 고려할 때 가능한 최소한의 오차 시간범위인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. In order to solve this problem, in the series battery charging/discharging device according to the present invention, the
제어기(500)는 각 배터리 셀의 오픈 전압을 측정하여 각 배터리 셀의 초기 충전상태를 산출할 수 있다. 또, 각 셀의 오픈 전압을 측정하고, 각 배터리 셀에 일정 전류를 흘려 상기 각 배터리 셀의 전압을 측정하고, 측정된 오픈 전압, 충전 전류 및 충전 전압 정보로부터 각 셀의 내부저항을 측정하여 각 배터리 셀의 용량을 산출할 수 있다.The
다른 실시예에 있어서, 제어기(500)는 충전 스위치 모두를 켜고 소정시간 동안 각 배터리 셀에 일정 전류를 흘려 각 배터리 셀의 충전 전압을 측정하고, 측정된 충전 전압의 기울기 정보를 토대로 각 배터리 셀의 용량을 산출할 수 있다. 예컨대, 도 12를 참조하면, 제어기(500)는 정전류 충전 시작에 앞서, 소정시간 동안 각 배터리 셀의 충전 전압을 측정하고, 이를 토대로, 계산되는 각 배터리 셀의 전압 상승 기울기를 토대로 각 배터리 셀별 용량을 유추할 수 있다.In another embodiment, the
구체적으로, 제어기(500)는 정전류 충전모드 초기에 모든 바이패스 스위치를 켜고, 각 배터리 셀의 용량과 초기 충전상태(SOC)를 토대로 계산되는 정전류 충전시간이 가장 긴 셀부터 순차적으로 대응되는 충전 스위치를 켜서 정전류 충전을 시작하되 모든 배터리 셀의 정전류 모드 충전이 소정의 시간범위 내에 끝나도록 시간 간격을 둔다.Specifically, the
본 발명에 있어서, 제어기(500)는 각 배터리 셀의 용량과 초기 충전상태(SOC)에 따라서 각 배터리 셀별 정전류 모드 충전 시작시점을 산출하되 반복학습을 통해서 이를 보정해 나갈 수 있다.In the present invention, the
한편, 각 셀의 정전류 충전 시작시점을 달리하는 대신에 정전류 충전을 동시에 시작하되 정전류 충전 모드에서 직렬 연결된 다수의 배터리 셀의 전압이 동일하게 증가하도록 즉, 정전류 모드 충전이 동시에 종료되도록 충전 스위치와 바이패스 스위치가 켜지는 시비율을 조절하여 셀 밸런싱을 할 수 있다.On the other hand, instead of varying the constant current charging start time of each cell, the constant current charging is started at the same time, but in the constant current charging mode, the charging switch and the bi-directional Cell balancing can be performed by adjusting the rate at which the pass switch is turned on.
제어기(500)는 정전류 모드 충전이후에 정전압 모드 충전을 위해서 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하고 그 양단에 충방전 전원장치(400)를 연결하여 충전하되, 전체 배터리 셀 중에서 가장 용량이 큰 배터리 셀의 충전 스위치를 상시로 켜서 직렬 연결시키고, 충방전 전원장치(400)의 양단전압이 가장 용량이 큰 배터리 셀의 종지전압이 되도록 전원장치(400)의 출력전류를 제어하고 나머지 배터리 셀들은 각각의 배터리 셀 전압이 종지전압이 되도록 상기 충전 스위치 동작 시간과 바이패스 스위치 동작 시간의 비율을 조절하여 배터리 셀 밸런싱이 되도록 한다.The
한편, 제어기(500)는 가장 용량이 큰 배터리 셀을 선정할 때에 소정의 오차범위 안에 들어오는 다수의 셀을 선정하고 각각의 충전 스위치를 상시로 켜서 충전하되 전원장치(400)의 양단전압이 상시로 직렬 연결된 배터리 셀 수에 배터리 셀의 종지전압을 곱한 값이 되도록 전원장치(400)의 출력전류를 제어하고 나머지 배터리 셀들은 각각의 배터리 셀 전압이 종지전압이 되도록 충전 스위치 동작 시간과 바이패스 스위치 동작 시간의 비율을 조절하여 배터리 셀을 밸런싱한다.On the other hand, the
정전압 모드 충전시에 셀 밸런싱을 하는 또 다른 방법으로 제어기(500)는 정전압 모드 충전을 위해서 다수의 배터리 셀(100)을 직렬 연결시키고 미리 저장된 배터리 셀(100)의 특성을 이용하여 충전전류 명령치 프로파일을 만들고 전원장치(400)의 출력전류가 충전전류 명령치를 따라가도록 제어하고, 각 배터리 셀(100)의 용량 편차에 따라서 각 배터리 셀(100)의 충전 스위치(200) 동작 시간과 바이패스 스위치(300) 동작 시간의 시비율을 조절하여 각 배터리 셀(100)에 종지전압이 걸리도록 제어한다.As another method of balancing cells during constant voltage mode charging, the
여기서, 제어기(500)는 정전압 모드 충전 시에 각 배터리 셀의 충전 스위치 동작 시간과 바이패스 스위치 동작 시간의 시비율이 최대로 나오는 셀의 시비율이 1에 근접하는 경우에 상기 충전전류 명령치 프로파일을 일정량 만큼 올려서 최대 시비율이 0.5~0.99 범위 안에서 적절한 값이 되도록 제어한다.Here, the
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예가 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.As described above, embodiments of the present invention have been disclosed in the present specification and drawings, and although specific terms are used, these are only used in a general sense to easily explain the technical contents of the present invention and help the understanding of the present invention, It is not intended to limit the scope of the invention. In addition to the embodiments disclosed herein, it is apparent to those of ordinary skill in the art that other modifications based on the technical spirit of the present invention are possible.
100: 배터리 셀 110: 셀 (+)전극
120: 셀 (-)전극
200: 충전 스위치 300: 바이패스 스위치
310: 퓨즈
400: 충방전 전원장치
500: 제어기 600: 전류센서
650: 스위치 선택부 700: 트레이
800: 지그
810: (+) 파워 컨텍터 820: (-) 파워 컨텍터
830: 전압센싱 컨텍터 880: 케이블
900: 차동 증폭기 910: AD 컨버터
920: 필터 커패시터
930: 파워 릴레이 940: 보조 릴레이
950: 초기 충전저항100: battery cell 110: cell (+) electrode
120: cell (-) electrode
200: charging switch 300: bypass switch
310: fuse
400: charge/discharge power supply
500: controller 600: current sensor
650: switch selector 700: tray
800: jig
810: (+) power contactor 820: (-) power contactor
830: voltage sensing contactor 880: cable
900: differential amplifier 910: AD converter
920: filter capacitor
930: power relay 940: auxiliary relay
950: initial charge resistance
Claims (24)
상기 배터리 셀 각각에 직렬 연결된 충전 스위치;
상기 배터리 셀과 직렬 연결된 상기 충전 스위치의 양 끝단에 연결되고 상기 충전 스위치와 토글로 동작하는 바이패스 스위치;
상기 배터리 셀 각각의 전압을 센싱하는 전압센서;
상기 배터리 셀 각각의 전류를 센싱하는 전류센서;
상기 직렬 연결된 다수의 셀에 충방전 전류를 제공하는 충방전 전원장치; 및
제어기를 포함하고,
정해진 수량의 상기 배터리 셀을 수용하는 트레이;
상기 트레이에 담겨진 배터리 셀 전극에 상기 충방전 전원장치를 연결해주는 파워 컨텍터;
상기 배터리 셀의 전압을 센싱하기 위해서 상기 배터리 셀 전극에 별도로 연결이 되는 전압센싱 컨텍터;
상기 파워 컨텍터와 상기 전압센싱 컨텍터가 취부되는 지그;
상기 지그 또는 상기 트레이를 움직이는 구동부를 포함하여 이루어지며,
상기 제어기는 충방전을 위해서 상기 배터리 셀 전극과 상기 파워 컨텍터가 접촉이 되도록 상기 구동부를 움직일 때에 상기 전압센싱 컨텍터가 먼저 접촉이 되어 상기 전압센서를 이용하여 상기 트레이 내에 역삽입이 되어 있는 배터리 셀이 있는지 여부를 체크하고, 역삽입 배터리 셀이 없는 경우에는 상기 파워 컨텍터가 연결이 되게 하고 역삽입 배터리 셀이 있는 경우에는 상기 파워 컨텍터를 접촉시키지 않고 상기 지그를 분리하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.In the series battery charging/discharging device for charging and discharging by connecting a plurality of battery cells in series,
a charging switch connected in series to each of the battery cells;
a bypass switch connected to both ends of the charging switch connected in series with the battery cell and operating as a toggle with the charging switch;
a voltage sensor sensing a voltage of each of the battery cells;
a current sensor for sensing the current of each of the battery cells;
a charging/discharging power supply providing charging/discharging current to the plurality of cells connected in series; and
comprising a controller;
a tray accommodating a predetermined number of the battery cells;
a power contactor for connecting the charging/discharging power supply device to the battery cell electrode contained in the tray;
a voltage sensing contactor separately connected to the battery cell electrode to sense the voltage of the battery cell;
a jig to which the power contactor and the voltage sensing contactor are mounted;
It consists of a driving unit for moving the jig or the tray,
When the controller moves the driving unit so that the battery cell electrode and the power contactor are in contact for charging and discharging, the voltage sensing contactor is in contact first, and the battery is reversely inserted into the tray using the voltage sensor. It is checked whether there is a cell, and when there is no reverse-inserted battery cell, the power contactor is connected, and when there is a reverse-inserted battery cell, the jig is separated without contacting the power contactor series battery charging and discharging device.
상기 충전 스위치 및 상기 바이패스 스위치는,
하나의 능동 스위치와 하나의 다이오드가 서로 역방향으로 병렬 연결된 스위치 구조인 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.The method of claim 1,
The charging switch and the bypass switch,
A series battery charging/discharging device, characterized in that it has a switch structure in which one active switch and one diode are connected in parallel in reverse direction.
상기 제어기는,
상기 충전 스위치와 상기 바이패스 스위치에 포함된 다이오드가 도통하고 있을 때에 상기 능동 스위치를 켜서 도통손실을 줄이는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.3. The method of claim 2,
The controller is
A series battery charging/discharging device, characterized in that when the charging switch and the diode included in the bypass switch are conducting, the active switch is turned on to reduce conduction loss.
상기 구동부는,
상기 전압센싱 컨텍터가 먼저 접촉이 되는 단계와 상기 파워 컨텍터가 접촉이 되는 단계가 구분이 되어 2단계로 움직이는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.The method of claim 1,
The driving unit,
A series battery charging/discharging device, characterized in that the step of first contacting the voltage sensing contactor and the step of contacting the power contactor are separated and moving in two steps.
상기 배터리 셀은,
셀의 형태가 (+)전극과 (-)전극이 셀의 양 끝에 있는 파우치형일 경우에 상기 배터리 셀을 직렬로 연결하기 용이하도록 상기 트레이 상에 수용되는 상기 배터리 셀의 전극 방향이 교대로 배열되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.The method of claim 1,
The battery cell is
When the shape of the cell is a pouch type in which the (+) electrode and the (-) electrode are at both ends of the cell, the electrode directions of the battery cells accommodated on the tray are alternately arranged to facilitate the serial connection of the battery cells A series battery charging/discharging device, characterized in that.
상기 충전 스위치는,
인접한 2개의 상기 배터리 셀이 직접 연결이 되도록 상기 충전 스위치의 위치가 상기 직렬 연결된 인접한 2개의 배터리 셀의 양 끝단에 각각 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.The method of claim 1,
The charging switch is
A series battery charging/discharging device, characterized in that the positions of the charging switches are respectively symmetrically disposed at both ends of the two adjacent battery cells connected in series so that the adjacent two battery cells are directly connected.
상기 제어기는,
상기 각 배터리 셀의 전압을 측정하기 위해서 각 셀 양단에 상기 전압센싱 컨텍터를 연결하고 각각의 출력단에 멀티플렉서(multiplexer)를 연결하고 하나의 차동증폭기(differential amplifier)를 통해서 순차적으로 각 셀의 전압을 센싱하고 차동증폭기 출력에 절연된 ADC를 통해서 센싱된 전압을 제어기로 읽어 들이는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.The method of claim 1,
The controller is
In order to measure the voltage of each battery cell, the voltage sensing contactor is connected to both ends of each cell, a multiplexer is connected to each output terminal, and the voltage of each cell is sequentially measured through one differential amplifier. A series battery charging/discharging device, characterized in that it senses and reads the sensed voltage to the controller through an ADC isolated to the output of the differential amplifier.
상기 전류센서는,
상기 충방전 전원장치와 직렬 연결된 배터리 셀 사이에 직렬로 연결이 되고,
각각의 상기 배터리 셀에 흐르는 전류는, 상기 전류센서로 측정되는 전류치에 각각의 상기 배터리 셀에 대응하는 상기 충전 스위치가 켜질 경우에 1을 곱하고 상기 대응하는 충전 스위치가 꺼질 경우에 0을 곱하여 측정되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.The method of claim 1,
The current sensor is
It is connected in series between the charging and discharging power supply and the battery cells connected in series,
The current flowing in each of the battery cells is measured by multiplying the current value measured by the current sensor by 1 when the charging switch corresponding to each of the battery cells is turned on and by 0 when the corresponding charging switch is turned off A series battery charging/discharging device, characterized in that.
직렬 연결된 상기 충전 스위치와 상기 바이패스 스위치 양끝단에 상응하는 상기 각 배터리 셀 양단에 병렬로 연결되는 필터 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.The method of claim 1,
and a filter capacitor connected in parallel to both ends of the battery cell corresponding to both ends of the charging switch connected in series and the bypass switch.
상기 직렬 연결된 다수의 배터리 셀은,
파워 릴레이를 통해서 상기 충방전 전원장치에 연결이 되고, 상기 파워 릴레이와 병렬로 보조 릴레이와 직렬 연결된 초기 충전저항이 연결이 되어 초기 충전회로를 구성하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.The method of claim 1,
A plurality of battery cells connected in series,
A series battery charging/discharging device, characterized in that connected to the charging/discharging power supply device through a power relay, and an initial charging resistor connected in series with an auxiliary relay in parallel with the power relay to configure an initial charging circuit.
상기 직렬 연결된 다수의 배터리 셀은,
충방전을 끝낸 이후에 상기 트레이를 교체하고 다른 배터리 셀들을 다시 충방전을 하기 위해서 필터 커패시터를 방전시키기 위한 방전 릴레이와 상기 방전 릴레이에 직렬 연결된 방전저항이 상기 직렬 연결된 다수의 배터리 셀 양단에 연결이 되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.The method of claim 1,
A plurality of battery cells connected in series,
A discharge relay for discharging the filter capacitor and a discharge resistor connected in series with the discharge relay are connected to both ends of the plurality of battery cells connected in series to replace the tray after charging and discharging is completed and to charge and discharge other battery cells again. A series battery charging and discharging device, characterized in that.
상기 제어기는,
상기 파워 컨텍터가 상기 배터리 셀 양단에 연결될 때에 상기 (+)파워 컨텍터와 (-)파워 컨텍터 사이에 전압을 측정하고 상기 전압센싱 컨텍터를 통해서 상기 배터리 셀 양단의 전압을 센싱하여 그 차를 구함으로서 상기 파워 컨텍터의 접촉저항을 측정하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.The method of claim 1,
The controller is
When the power contactor is connected to both ends of the battery cell, the voltage is measured between the (+) power contactor and the (-) power contactor, and the voltage across the battery cell is sensed through the voltage sensing contactor, and the difference A series battery charging/discharging device, characterized in that by measuring the contact resistance of the power contactor by obtaining .
상기 제어기는,
특정 배터리 셀의 파워 컨텍터 접촉저항 값이 소정의 값을 초과하는 경우는 상기 파워 컨텍터의 접촉불량으로 보고 해당 배터리 셀의 바이패스 스위치를 켜서 해당 배터리 셀을 분리하여 충방전을 종료하고 나머지 배터리 셀들은 계속해서 충방전하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.13. The method of claim 12,
The controller is
If the contact resistance value of the power contactor of a specific battery cell exceeds a predetermined value, the contact resistance of the power contactor is regarded as defective, and the bypass switch of the corresponding battery cell is turned on to separate the battery cell to terminate charging and discharging, and then charging and discharging the remaining battery. A series battery charging/discharging device, characterized in that the cells are continuously charged and discharged.
상기 제어기는,
1) 상기 지그 또는 트레이를 동작시켜 각 배터리 셀의 단자에 전압센싱 컨텍터가 닿게 하고 각 배터리 셀의 전압을 측정하는 단계;
2) 상기 센싱된 전압을 토대로 역삽입 배터리 셀이 있는지 확인하는 단계;
3-1) 역삽입 배터리 셀이 있는 경우에 상기 지그를 분리하고 작업을 종료하는 단계;
3-2) 역삽입 배터리 셀이 없는 경우에 보조 릴레이를 켜서 필터 커패시터를 상기 배터리 셀의 전압과 동일하게 충전하는 단계;
4) 상기 지그 또는 트레이를 동작시켜 상기 파워 컨텍터가 상기 배터리 셀의 전극에 닿게 하는 단계;
5) 파워 릴레이를 켜서 상기 충방전 전원장치를 상기 직렬 연결된 배터리 셀에 연결하는 단계;
6) 상기 직렬 연결된 배터리 셀을 충방전하는 단계;
7) 상기 각 배터리 셀이 연결되는 파워 컨텍터의 접촉저항을 센싱하고, 특정 셀의 접촉저항이 특정 값 이상일 경우에는 해당 셀의 바이패스 스위치를 켜서 해당 셀을 바이패스 시키는 단계;
8) 충방전이 완료되면 상기 지그 또는 트레이를 동작시켜 상기 직렬 연결된 배터리 셀을 분리하는 단계; 및
9) 방전 릴레이를 켜서 상기 필터 커패시터를 방전시키는 단계로 동작하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.The method of claim 1,
The controller is
1) operating the jig or tray so that a voltage sensing contactor touches a terminal of each battery cell and measuring the voltage of each battery cell;
2) determining whether there is a reverse-inserted battery cell based on the sensed voltage;
3-1) if there is a reverse-inserted battery cell, removing the jig and terminating the operation;
3-2) charging the filter capacitor equal to the voltage of the battery cell by turning on the auxiliary relay when there is no reverse-inserted battery cell;
4) operating the jig or tray to bring the power contactor into contact with the electrode of the battery cell;
5) connecting the charging/discharging power supply device to the series-connected battery cells by turning on a power relay;
6) charging and discharging the series-connected battery cells;
7) sensing a contact resistance of a power contactor to which each battery cell is connected, and when the contact resistance of a specific cell is greater than or equal to a specific value, turning on a bypass switch of the corresponding cell to bypass the corresponding cell;
8) separating the series-connected battery cells by operating the jig or tray when charging and discharging are completed; and
9) A series battery charging/discharging device, characterized in that it operates in the step of discharging the filter capacitor by turning on a discharge relay.
상기 제어기는,
정전류 충전모드에서 상기 직렬 연결된 다수의 배터리 셀을 일정전류로 충전을 하되 상기 다수의 배터리 셀이 동시에 또는 소정의 시간범위 내에 종지전압에 도달하도록 정전류 충전모드 초기에 상기 각 배터리 셀의 용량과 초기 충전상태(SOC)에 따라서 상기 각 배터리 셀의 정전류 충전을 시작하는 시점을 상이하게 조절하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.The method of claim 1,
The controller is
In the constant current charging mode, the plurality of battery cells connected in series are charged with a constant current, and the capacity and initial charge of each battery cell are initially charged in the constant current charging mode so that the plurality of battery cells reach a final voltage simultaneously or within a predetermined time range. A series battery charging/discharging device, characterized in that differently controlling a starting point of constant current charging of each of the battery cells according to a state (SOC).
상기 제어기는,
상기 각 배터리 셀의 오픈 전압을 측정하여 상기 각 배터리 셀의 초기 충전상태를 산출하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.16. The method of claim 15,
The controller is
A series battery charging/discharging device, characterized in that by measuring the open voltage of each battery cell, the initial state of charge of each battery cell is calculated.
상기 제어기는,
상기 충전 스위치 모두를 켜고 소정시간 동안 각 배터리 셀에 일정 전류를 흘려 상기 각 배터리 셀의 충전 전압을 측정하고, 상기 충전 전압의 기울기 정보를 토대로 각 배터리 셀의 용량을 산출하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.16. The method of claim 15,
The controller is
A series battery, characterized in that turning on all of the charging switches, flowing a constant current to each battery cell for a predetermined time, measuring the charging voltage of each battery cell, and calculating the capacity of each battery cell based on the slope information of the charging voltage charging and discharging device.
상기 제어기는,
상기 각 배터리 셀의 오픈 전압을 측정하고, 상기 각 배터리 셀에 일정 전류를 흘려 상기 각 배터리 셀의 전압을 측정하고, 상기 오픈 전압, 충전 전류 및 충전 전압 정보로부터 상기 각 배터리 셀의 내부저항을 측정하여 상기 각 배터리 셀의 용량을 산출하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.16. The method of claim 15,
The controller is
Measure the open voltage of each battery cell, flow a constant current to each battery cell to measure the voltage of each battery cell, and measure the internal resistance of each battery cell from the open voltage, charging current, and charging voltage information to calculate the capacity of each battery cell.
상기 제어기는,
상기 각 배터리 셀의 용량과 초기 충전상태(SOC)에 따라서 상기 각 배터리 셀별 상기 정전류 모드 충전 시작시점을 산출하되 반복학습을 통해서 이를 보정해 나가는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.16. The method of claim 15,
The controller is
A series battery charging/discharging device, characterized in that the constant current mode charging start time for each battery cell is calculated according to the capacity and initial state of charge (SOC) of each battery cell, and this is corrected through repeated learning.
상기 제어기는,
정전류 충전모드에서 일정전류로 충전을 하되 상기 직렬 연결된 다수의 배터리 셀의 전압이 동일하게 증가하도록 충전 스위치와 바이패스 스위치가 켜지는 시비율을 조절하는 것을 조절하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.The method of claim 1,
The controller is
A series battery charging/discharging device, characterized in that charging with a constant current in the constant current charging mode, but adjusting the rate of turn on of the charging switch and the bypass switch so that the voltages of the plurality of battery cells connected in series are equally increased .
상기 제어기는,
상기 정전류 충전 모드로 충전을 하다가 특정 셀이 종지전압에 도달하면 종지전압에 도달한 배터리 셀부터 대응하는 바이패스 스위치를 켜서 정전류 충전모드를 종료하고 나머지 배터리 셀들도 같은 방법으로 제어하여 모든 셀의 정전류 충전이 종료될 때까지 대기하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.21. The method of claim 15 or 20,
The controller is
When a specific cell reaches the final voltage while charging in the constant current charging mode, the corresponding bypass switch is turned on from the battery cell that has reached the final voltage to end the constant current charging mode, and the remaining battery cells are controlled in the same way to control the constant current of all cells. A series battery charging/discharging device, characterized in that it waits until charging is terminated.
상기 제어기는,
정전류 모드 충전이후에 정전압 모드 충전을 위해서 상기 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하고 그 양단에 상기 충방전 전원장치를 연결하여 충전하되 전체 배터리 셀들 중에서 가장 용량이 큰 배터리 셀의 충전 스위치를 상시로 켜서 직렬 연결시키고 상기 충방전 전원장치의 양단전압이 상기 가장 용량이 큰 배터리 셀의 전압이 종지전압이 되도록 상기 충방전 전원장치의 출력전류를 제어하고 나머지 배터리 셀들은 각각의 배터리 셀 전압이 상기 종지전압이 되도록 상기 충전 스위치 동작 시간과 바이패스 스위치 동작 시간의 비율을 조절하여 배터리 셀을 밸런싱하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.The method of claim 1,
The controller is
After constant current mode charging, for constant voltage mode charging, the plurality of battery cells are connected in series and the charging/discharging power supply is connected to both ends to charge, but the charging switch of the battery cell with the largest capacity among all battery cells is always turned on. The output current of the charging/discharging power supply is controlled so that the voltage at both ends of the charging/discharging power supply becomes the final voltage of the battery cell with the largest capacity, and the remaining battery cells have each battery cell voltage equal to the final voltage. A series battery charging/discharging device, characterized in that the battery cells are balanced by adjusting the ratio of the charging switch operation time and the bypass switch operation time so as to achieve this.
상기 제어기는,
상기 가장 용량이 큰 배터리 셀을 선정할 때에 소정의 오차범위 안에 들어오는 다수의 셀을 선정하고 각각의 충전 스위치를 상시로 켜서 충전하되 상기 충방전 전원장치의 양단전압이 상시로 직렬 연결된 배터리 셀 수에 배터리 셀의 종지전압을 곱한 값이 되도록 상기 충방전 전원장치의 출력전류를 제어하고 나머지 배터리 셀들은 각각의 배터리 셀 전압이 상기 종지전압이 되도록 상기 충전 스위치 동작 시간과 바이패스 스위치 동작 시간의 비율을 조절하여 배터리 셀을 밸런싱하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.23. The method of claim 22,
The controller is
When selecting the battery cell with the largest capacity, a plurality of cells that fall within a predetermined error range are selected and charged by turning on each charging switch at all times. The output current of the charging/discharging power supply is controlled to be a value multiplied by the final voltage of the battery cells, and the remaining battery cells have the ratio of the charging switch operation time and the bypass switch operation time so that each battery cell voltage becomes the final voltage. A series battery charging/discharging device, characterized in that by adjusting the balancing of the battery cells.
상기 제어기는,
정전류 모드 충전이후에 정전압 모드 충전을 위해서 상기 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하고 미리 저장된 배터리 셀의 특성을 이용하여 충전전류 명령치 프로파일을 만들고 상기 충방전 전원장치의 출력전류가 충전전류 명령치를 따라가도록 제어하고, 상기 각 배터리 셀의 용량 편차에 따라서 상기 각 배터리 셀의 충전 스위치 동작 시간과 바이패스 스위치 동작 시간의 시비율을 조절하여 각 배터리 셀에 종지전압이 걸리도록 제어하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 충방전 장치.The method of claim 1,
The controller is
After constant current mode charging, for constant voltage mode charging, the plurality of battery cells are connected in series, a charging current command value profile is created using the characteristics of the previously stored battery cells, and the output current of the charging/discharging power supply follows the charging current command value. series, characterized in that by controlling the time ratio between the charging switch operation time and the bypass switch operation time of each battery cell according to the capacity deviation of each battery cell to control so that a final voltage is applied to each battery cell battery charging and discharging device.
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