KR20050006904A - Lithium-ion polymer battery system for fuel cell hybrid electric vehicle - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided is a lithium ion polymer battery system for a fuel cell hybrid electric automobile to improve the output performance by increasing the internal temperature of a battery cell at a low temperature and to enhance the vehicle performance by increasing the power limit of a battery. CONSTITUTION: The lithium ion polymer battery system comprises a battery pack which comprises a laminate of a plurality of lithium ion polymer battery cells(10) and is used as an auxiliary power source of a fuel cell hybrid electric automobile; a thermistor(20) which senses the temperature of the battery cells when the battery cells are charged or discharged; and a battery management system(30) where a DC/DC converter(31) and a resister(32) are arranged and which reads the sensed temperature from the thermistor and increases the internal temperature of the battery cells when the battery cells are charged or discharged if the read temperature is below a certain temperature.

Description

연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템{LITHIUM-ION POLYMER BATTERY SYSTEM FOR FUEL CELL HYBRID ELECTRIC VEHICLE}Lithium ion polymer battery system for fuel cell hybrid electric vehicle {LITHIUM-ION POLYMER BATTERY SYSTEM FOR FUEL CELL HYBRID ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저온시 충방전을 실시하여 출력 성능을 향상시키기 위한 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium ion polymer battery system for a fuel cell hybrid electric vehicle, and more particularly, to a lithium ion polymer cell system for a fuel cell hybrid electric vehicle for performing charge and discharge at low temperature to improve output performance.

최근 하이브리드 전기자동차(HEV; Hybrid Electric Vehicle)의 보조 동력원으로써 리튬 이온 폴리머 전지 시스템에 대한 개발이 진행되어 지고 있다. 이 리튬 이온 폴리머 전지는 Ni-MH(니켈-금속수소) 전지에 비해 전압이 3배 이상 높으며, 상온에서 출력이 매우 높은 것으로 알려져 있다.Recently, development of a lithium ion polymer battery system as an auxiliary power source of a hybrid electric vehicle (HEV) has been progressed. This lithium ion polymer battery has a voltage that is three times higher than that of a Ni-MH (nickel-metal hydride) battery, and is known to have a very high output at room temperature.

따라서 고출력 고밀도 전지인 리튬 이온 폴리머 전지는 자동차 패키징 및 출력 특성을 보완할 수 있는 전지로 개발이 진행되어지고 있다.Therefore, a lithium ion polymer battery, which is a high output high density battery, is being developed as a battery capable of supplementing automotive packaging and output characteristics.

연료 전지 하이브리드 전기자동차(FCHEV)는 주동력원으로 스택(stack)을 사용하며, 보조 동력원으로 리튬 이온 폴리머 전지 시스템을 사용하게 된다. 리튬 이온 폴리머 전지 시스템은 리튬 이온 폴리머 전지의 직렬/병렬로 연결되어 원하는 전압 범위 및 전지 용량을 가지게 되며, 전지 관리를 위해 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 BMS라 함), 퓨즈, 안전 스위치 등이 있고, 차량과의 인터페이스(interface)를 위해 릴레이(relay)와 케이블 커넥터들로 구성되어 있다.The fuel cell hybrid electric vehicle (FCHEV) uses a stack as its main power source and a lithium ion polymer cell system as its auxiliary power source. Lithium-ion polymer battery system is connected in series / parallel of Li-ion polymer battery to have the desired voltage range and battery capacity.Battery Management System (BMS), fuse, safety switch, etc. are used for battery management. There is a relay and cable connectors for the interface with the vehicle.

그리고 연료 전지 하이브리드 전기자동차는 주동력원인 스택에 의해 구동시 가속, 출발 등에 리튬 이온 폴리머 전지 시스템의 동력을 합하여 모터를 구동하게 되어 있다.In addition, the fuel cell hybrid electric vehicle is driven by a stack, which is the main power source, to drive the motor by combining the power of the lithium ion polymer battery system during acceleration and start-up.

또한 리튬 이온 폴리머 전지 시스템의 출력 성능은 상온(25℃)을 기준할 때 Ni-MH의 출력이 20kW인 것에 대하여 리튬 이온 폴리머 전지는 27kW로 출력 성능이매우 우수하다. 따라서 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 가속 성능 및 최고속도 등에 좋은 영향을 끼칠 수 있다.In addition, the output performance of the lithium ion polymer battery system is based on the room temperature (25 ℃) Ni-MH output 20kW, the lithium ion polymer battery is 27kW, the output performance is very good. Therefore, the fuel cell hybrid electric vehicle may have a good influence on acceleration performance and maximum speed.

그런데, 상기한 리튬 이온 폴리머 전지는 저온, 즉 -20℃ 이하에서는 전지 출력이 상온 대비 약 16%(4.4kW/27kW)정도로 매우 낮은 값을 나타낸다. 이는 리튬 이온 폴리머 전지 내의 저온시 이온 전도도가 급격하게 떨어지고, 전하 이동 저항(charge transfer resistance)이 증가하기 때문인 것으로 알려져 있다.However, the lithium ion polymer battery exhibits a very low value of about 16% (4.4 kW / 27 kW) at room temperature at low temperature, that is, below -20 ° C. This is known to be due to a sharp drop in ionic conductivity at low temperatures in the lithium ion polymer battery and an increase in charge transfer resistance.

따라서 이러한 출력 성능 저하로 인하여 연료 전지 하이브리드 전기자동차에 보조 동력원인 리튬 이온 폴리머 전지 시스템은 초기 시동(start-up)에 따르는 출력 성능을 발휘할 수 없게 되어 차량 운전에 매우 큰 영향을 끼치게 될 수 있다.Therefore, due to such a decrease in output performance, the lithium ion polymer battery system, which is an auxiliary power source for the fuel cell hybrid electric vehicle, may not exhibit the output performance according to the initial start-up, which may have a great influence on the driving of the vehicle.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 저온시 충방전을 실시하여 출력 성능을 향상시키도록 한 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a lithium ion polymer battery system for a fuel cell hybrid electric vehicle that performs charging and discharging at low temperature to improve output performance.

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타내 보인 블록도.1 is a block diagram schematically showing the configuration of a lithium ion polymer battery system for a fuel cell hybrid electric vehicle according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 시스템을 이용하여 -30℃에서 방전용량을 시험한 것을 나타내 보인 그래프.Figure 2 is a graph showing that the discharge capacity was tested at -30 ℃ using the system according to the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10. 전지 셀10. Battery cell

20. 서미스터20. Thermistor

30. BMS30. BMS

31. DC/DC 컨버터31.DC / DC Converter

32. 레지스터32. Register

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템은, 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 보조 동력원으로 이용되도록 다수 개의 리튬 이온 폴리머 전지 셀이 적층되어 이루어진 전지 팩과; 상기 전지 셀의 충방전시 상기 전지 셀의 온도를 감지하는 서미스터와; 상기 서미스터로부터 감지된 온도를 수신하여 읽고, 읽은 온도가 일정 온도 이하인 경우 상기 전지 셀에 충방전을 실시하면 상기 전지 셀의 내부 온도를 상승시키는DC/DC 컨버터 및 레지스터가 배치된 BMS;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.A lithium ion polymer battery system for a fuel cell hybrid electric vehicle according to the present invention for achieving the above object includes a battery pack including a plurality of lithium ion polymer battery cells stacked to be used as an auxiliary power source of a fuel cell hybrid electric vehicle; A thermistor which senses a temperature of the battery cell when charging and discharging the battery cell; A BMS having a DC / DC converter and a resistor arranged to receive and read a temperature sensed by the thermistor and to increase an internal temperature of the battery cell when charging and discharging the battery cell when the read temperature is below a predetermined temperature. It is characterized by that.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에는 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도가 도시되어 있다.1 is a block diagram schematically showing the configuration of a lithium ion polymer battery system for a fuel cell hybrid electric vehicle according to the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템은, 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 보조 동력원으로 이용되도록 다수 개의 리튬 이온 폴리머 전지 셀(이하, 전지 셀이라 함)(10)이 적층되어 이루어진 전지 팩과, 상기 전지 셀(10)의 충방전시 전지 셀(10)의 온도를 감지하는 서미스터(thermistor)(20)와, 이 서미스터(20)로부터 감지된 온도를 수신하여 읽고, 읽은 온도가 일정 온도 이하인 경우 전지 셀(10)에 충방전을 실시하면 전지 셀(10)의 내부 온도를 상승시키도록 구비되는 DC/DC 컨버터(converter)(31) 및 레지스터(resistor)(32)가 배치된 BMS(30)를 포함하여 구성된다.Referring to the drawings, a lithium ion polymer battery system for a fuel cell hybrid electric vehicle according to the present invention includes a plurality of lithium ion polymer battery cells (hereinafter, referred to as battery cells) to be used as an auxiliary power source of a fuel cell hybrid electric vehicle. ) Is laminated to a battery pack, a thermistor 20 for sensing the temperature of the battery cell 10 during charge and discharge of the battery cell 10, and receives the temperature detected from the thermistor 20 When the reading and reading temperature is below a certain temperature, the charging / discharging of the battery cell 10 causes the internal temperature of the battery cell 10 to be raised to increase the internal temperature of the DC / DC converter 31 and the resistor ( 32 is configured to include a BMS 30 arranged.

상기에서 일정 온도는 -10℃이고, 이 일정 온도 이상에서는 충방전 구동을 정지한다.In the above description, the constant temperature is -10 ° C, and the charge / discharge drive is stopped at this temperature.

그리고 상기 DC/DC 컨버터(31) 및 레지스터(32)는 휴지기간 동안에는 전지 셀(10)의 전압 편차를 제어하도록 구비된다.The DC / DC converter 31 and the resistor 32 are provided to control the voltage deviation of the battery cell 10 during the idle period.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the lithium ion polymer battery system for a fuel cell hybrid electric vehicle according to the present invention having the configuration as described above is as follows.

도면을 다시 참조하면, 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차용리튬 이온 폴리머 전지 시스템은, 리튬 이온 폴리머 전지 시스템의 저온시 출력 성능을 개선하도록 구비된 것이다. 이를 위해 상기 BMS(30)의 하드웨어(H/W) 상에 DC/DC 컨버터(31)와 레지스터(32)를 장착한다.Referring again to the drawings, the lithium ion polymer battery system for a fuel cell hybrid electric vehicle according to the present invention is provided to improve the output performance at low temperature of the lithium ion polymer battery system. To this end, the DC / DC converter 31 and the resistor 32 are mounted on the hardware H / W of the BMS 30.

한편, 리튬 이온 폴리머 전지는 Ni-MH 전지와 달리 파우치(pouch)형 패키지로 되어 있으며, 전지 두께가 5mm 미만의 얇은 전지 셀(10)로 이루어져 있다. 전지 내부는 하이브리드 전기자동차용 전지 특성상 고출력을 필요로 하기 때문에 전지 표면적은 넓고 두께는 얇게 활물질이 도포되어 있다.On the other hand, lithium-ion polymer battery is a pouch (pouch) package, unlike the Ni-MH battery, the battery thickness is made of a thin battery cell 10 less than 5mm. Since the inside of the battery requires a high output due to the characteristics of the battery for a hybrid electric vehicle, the active material is coated with a large battery surface area and a thin thickness.

이러한 리튬 이온 폴리머 전지의 특성으로 인해 전지에 충방전을 하게 되면 전지 내부의 온도 변화가 쉽게 일어난다. 따라서 외부 온도가 저온일 때 전지 셀(10)에 충방전을 가하게 되면 전지 내부의 온도가 올라가게 되고 전지 내부의 온도 상승에 따라 이온 전도도는 다시 회복되어지게 되어 전지의 출력 성능은 향상되게 된다.Due to the characteristics of the lithium ion polymer battery, when the battery is charged and discharged, a temperature change inside the battery easily occurs. Therefore, when charging and discharging the battery cell 10 when the external temperature is low, the temperature inside the battery increases, and as the temperature inside the battery increases, the ionic conductivity is restored again, thereby improving the output performance of the battery.

본 발명에 따른 시스템은 이러한 전지 셀(10)의 특성을 활용하여 외부 온도가 저온시에 연료 전지 하이브리드 차량이 키온(key on)되면 전지 셀(10)에 충방전 효과를 줌으로써 출력 성능을 개선하여 원하는 출력을 사용하도록 하였다.The system according to the present invention utilizes the characteristics of the battery cell 10 to improve the output performance by charging and discharging the battery cell 10 when the fuel cell hybrid vehicle is turned on when the external temperature is low. Use the desired output.

이를 보다 구체적으로 설명한다.This will be described in more detail.

차량의 키온시 외부온도 및 전지 팩 내부의 온도를 서미스터(20)에 의해 감지하고 이를 BMS(30)에 보내게 되면, 일정 온도(-10℃) 이하에서는 BMS(30) 하드웨어 상에 DC/DC 컨버터(31)와 레지스터(32)를 활용하여 전지 충방전을 실시하도록 한다.When the vehicle's key temperature is sensed by the thermistor 20 and sent to the BMS 30 when the vehicle is turned on, the DC / DC on the BMS 30 hardware is below a certain temperature (-10 ° C). The converter 31 and the resistor 32 are utilized to perform battery charge / discharge.

반면, 상기한 일정 온도(-10℃) 이하로 상승시에 출력을 사용할 수 있도록 한다.On the other hand, the output can be used when the temperature rises below the predetermined temperature (-10 ° C).

상기 DC/DC 컨버터(31) 및 레지스터(32)는 BMS(30)의 제어기 신호를 받아 수 차례의 충방전이 가능하도록 구비되어 있으며, 이러한 충방전에 따른 전지 셀(10)의 온도는 다시 서미스터(20)에 의해 감지되고 이를 BMS(30)에 보내어지게 된다. 충방전 회수는 BMS(30)를 통해 읽혀진 온도가 10℃ 이상이 되면 충방전 구동은 정지하게 된다.The DC / DC converter 31 and the register 32 are provided to be charged and discharged several times in response to the controller signal of the BMS 30, and the temperature of the battery cell 10 according to the charge and discharge is again thermistor. It is detected by 20 and sent to the BMS 30. The number of charge / discharge cycles stops charging and discharging when the temperature read through the BMS 30 becomes 10 ° C or more.

이렇게 상승된 온도하에 구동모터에 전지의 출력이 보조 동력으로 사용되어지게 되며, 온도 상승 후에 DC/DC 컨버터(31) 및 레지스터(32)는 전지 팩을 사용하지 않는 휴지기간 동안에 전지 셀(10) 전압 편차를 제어하는 데에도 사용한다.The output of the battery to the drive motor is used as an auxiliary power under such an elevated temperature, and after the temperature rises, the DC / DC converter 31 and the resistor 32 are discharged from the battery cell 10 during the idle period when the battery pack is not used. Also used to control voltage deviation.

첨부된 도 2에는 -30℃에서 방전용량을 시험한 것을 그래프로 나타내 보인 것이다.2 is a graph showing a test of the discharge capacity at -30 ℃.

도시된 바와 같이, 저온시 전지 셀(10)에 충방전을 실시하면 전지 셀(10)의 내부 온도의 상승에 따라 출력 성능이 향상됨을 보인다. 즉, 도 2 그래프 원내(A)와 같이 전지 셀(10)의 내부 온도 상승에 따라 전압이 상승되어 출력 성능이 향상된다.As shown in the drawing, when the battery cell 10 is charged and discharged at low temperature, the output performance is improved as the internal temperature of the battery cell 10 increases. That is, as shown in the graph A of FIG. 2, the voltage increases as the internal temperature of the battery cell 10 rises, thereby improving output performance.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.As described above, the lithium ion polymer battery system for a fuel cell hybrid electric vehicle according to the present invention has the following effects.

저온시 전지 셀의 내부 온도를 상승시켜 출력 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고 전지의 전력 제한치를 늘릴 수 있어 차량 성능을 향상시킬 수 있다.The low temperature can increase the internal temperature of the battery cell to improve the output performance. The battery's power limit can be increased to improve vehicle performance.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent embodiments are possible. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.

Claims (3)

연료 전지 하이브리드 전기자동차의 보조 동력원으로 이용되도록 다수 개의 리튬 이온 폴리머 전지 셀이 적층되어 이루어진 전지 팩과;A battery pack including a plurality of lithium ion polymer battery cells stacked to be used as an auxiliary power source of a fuel cell hybrid electric vehicle; 상기 전지 셀의 충방전시 상기 전지 셀의 온도를 감지하는 서미스터와;A thermistor which senses a temperature of the battery cell when charging and discharging the battery cell; 상기 서미스터로부터 감지된 온도를 수신하여 읽고, 읽은 온도가 일정 온도 이하인 경우 상기 전지 셀에 충방전을 실시하면 상기 전지 셀의 내부 온도를 상승시키는 DC/DC 컨버터 및 레지스터가 배치된 BMS;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템.A BMS having a DC / DC converter and a resistor arranged to receive and read a temperature sensed from the thermistor and to increase the internal temperature of the battery cell when charging and discharging the battery cell when the read temperature is below a predetermined temperature. A lithium ion polymer battery system for a fuel cell hybrid electric vehicle, characterized in that. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 일정 온도는 -10℃이고, 상기 일정 온도 이상에서는 충방전 구동을 정지하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템.The said constant temperature is -10 degreeC, The lithium ion polymer battery system for fuel cell hybrid electric vehicles characterized by stopping charge / discharge drive above the said fixed temperature. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 DC/DC 컨버터 및 상기 레지스터는 휴지기간 동안에는 상기 전지 셀의 전압 편차를 제어하도록 구비된 것을 특징으로 하는 연료 전지 하이브리드 전기자동차용 리튬 이온 폴리머 전지 시스템.The DC / DC converter and the resistor is a lithium ion polymer battery system for a fuel cell hybrid electric vehicle, characterized in that provided to control the voltage deviation of the battery cell during the idle period.
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