KR20160054244A - Constant voltage source battery assist device and battery pack comrising the same - Google Patents

Constant voltage source battery assist device and battery pack comrising the same Download PDF

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KR20160054244A KR1020140153574A KR20140153574A KR20160054244A KR 20160054244 A KR20160054244 A KR 20160054244A KR 1020140153574 A KR1020140153574 A KR 1020140153574A KR 20140153574 A KR20140153574 A KR 20140153574A KR 20160054244 A KR20160054244 A KR 20160054244A
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Abstract

Disclosed is a constant voltage source battery assist device which can operate in various modes according to the state of a battery to protect the battery and improve the performance and life of the battery. The battery assist device comprises: a battery voltage detection unit for detecting voltage between both ends of the battery; a battery current detection unit for detecting current outputted from the battery or current inputted to the battery; an external voltage detection unit for detecting voltage between both ends of an external connection terminal which supplies the discharge power of the battery to the outside and receives the charging power of the battery from the outside; a power conversion unit connected between both ends of the battery and both ends of the external connection terminal and including a plurality of switches for determining an electrical connection state between the terminal of the battery and the external connection terminal according to an operation mode; and a switch control unit for determining the operation mode according to at least some among the voltage value detected by the battery voltage detection unit, the current value detected by the battery current detection unit, and the voltage value detected by the external voltage detection unit and determining the open/short state of the plurality of switches according to the operation mode.

Description

정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩{CONSTANT VOLTAGE SOURCE BATTERY ASSIST DEVICE AND BATTERY PACK COMRISING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a battery auxiliary device having a constant voltage source function,

본 발명은 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리의 상태에 따라 다양한 모드로 동작하면서 배터리를 보호하고 배터리의 성능과 수명을 향상시킬 수 있는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a battery auxiliary device having a constant voltage source function and a battery pack including the battery auxiliary device. More particularly, the present invention relates to a battery auxiliary device that operates in various modes according to the state of the battery, A battery auxiliary device having a circular function, and a battery pack including the battery auxiliary device.

일반적으로 에너지 저장 장치(Energy Storage System)에서 배터리(Battery)는 계통의 전원이 살아있는 동안에는 전기 에너지를 충전하여 두었다가, 계통의 전원이 공급되지 못하는 상황이 발생하였을 때 방전함으로써 안정된 전원을 계속적으로 공급하는 기능을 한다. Generally, in the energy storage system, the battery is charged with electric energy while the power of the system is live, and when the power is not supplied to the system, the battery is discharged to continuously supply the stable power Function.

기본적으로 배터리는 직류의 전압원으로 동작한다. 실제로 배터리를 충방전 운전하는 경우 전압은 배터리의 충전상태(SOC: state of charge)에 따라 달라진다. 도 1은 일반적인 리튬-이온 배터리의 충방전 상태에 따른 개방 회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)를 도시한 그래프이다. 도 1의 그래프에서 가로축은 배터리의 충전 상태를 나타내며 세로축은 배터리의 개방 회로 전압을 나타낸다.Basically, the battery acts as a DC voltage source. When the battery is actually charged and discharged, the voltage varies depending on the state of charge of the battery (SOC). FIG. 1 is a graph showing an open circuit voltage (OCV) according to the charging / discharging state of a general lithium-ion battery. In the graph of FIG. 1, the axis of abscissas represents the charged state of the battery, and the axis of ordinates represents the open circuit voltage of the battery.

도 1에 도시된 바와 같이, 배터리를 충전 운전하는 경우 배터리 전압은 상승하며, 반대로 방전하는 경우 배터리 전압은 하강한다. 배터리를 지나치게 충전하면 배터리 단자 전압이 허용한계를 넘게 되고 분극현상에 의하여 배터리의 소손이나 열화가 발생하며, 심하면 폭발 및 화재의 사고로 진행된다. 반대로 배터리를 지나치게 방전하여 배터리의 단자전압이 허용값 이하로 떨어지는 경우도 배터리는 수명 및 안전에 심각한 영향을 받게 된다. 또한 충전 및 방전 운전시 지나치게 큰 전류가 흘러도 배터리는 위험한 상황에 놓일 수 있다.As shown in FIG. 1, when the battery is charged, the battery voltage rises. In contrast, when the battery is discharged, the battery voltage falls. If the battery is overcharged, the battery terminal voltage will exceed the allowable limit, and the battery will be burned or deteriorated by the polarization phenomenon, resulting in an explosion or fire accident. Conversely, if the battery is overdischarged and the terminal voltage of the battery drops below the permissible value, the battery is seriously affected by the life and safety. In addition, the battery can be placed in a dangerous state even if excessive current flows during charging and discharging operations.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리를 충전 및 방전 운전하는 경우 배터리 전압이 상승 및 하강하는데, 배터리가 완전히 방전되었을 때(완방전 시) 단자전압은 통상적으로 배터리가 완전히 충전 되었을 때(만충전 시)에 비하여 약 70%까지 떨어진다. Also, as shown in FIG. 1, when the battery is charged and discharged, the battery voltage rises and falls. When the battery is completely discharged (fully discharged), the terminal voltage is normally lowered when the battery is fully charged Compared with about 70% of the total.

이와 같이, 배터리는 충전 및 방전 운전 중에 매우 큰 전압 변동이 발생하며, 과충전 또는 과방전에 따라 사고가 발생하거나 수명 및 안전에 큰 영향을 받을 수 있기 때문에 적절한 관리가 요구된다.As described above, the battery is subject to very large voltage fluctuations during charging and discharging operations, and an appropriate management is required because an accident may occur due to overcharge or overdischarge, or may be greatly affected by the life and safety.

따라서, 본 발명은 배터리의 충전 상태에 따라 다양한 모드로 동작하면서 사고를 예방하고 배터리의 성능과 수명을 향상시킬 수 있는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a battery assisting device having a constant voltage source function capable of preventing an accident while operating in various modes according to a charged state of the battery, and improving the performance and lifetime of the battery, and a battery pack To be a technical challenge.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은, According to an aspect of the present invention,

배터리의 양단 전압을 검출하는 배터리 전압 검출부;A battery voltage detector for detecting a voltage across the battery;

상기 배터리에서 출력되거나 배터리로 입력되는 전류를 검출하는 배터리 전류 검출부;A battery current detector for detecting a current output from the battery or input to the battery;

상기 배터리의 방전 전력을 외부로 제공하고 외부로부터 배터리의 충전 전력을 제공받는 외부 연결 단자의 양단 전압을 검출하는 외부 전압 검출부;An external voltage detector for detecting the voltage across the external connection terminal, which provides the discharge power of the battery to the outside and receives the charging power of the battery from the outside;

상기 배터리의 양단 및 상기 외부 연결 단자의 양단 사이에 연결되며, 상기 배터리의 단자와 상기 외부 연결 단자 사이의 전기적 연결 상태를 운전 모드에 따라 결정하는 복수의 스위치를 포함하는 전력 변환부; 및A plurality of switches connected between both ends of the battery and both ends of the external connection terminal and determining a state of electrical connection between the terminal of the battery and the external connection terminal according to an operation mode; And

상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값, 상기 배터리 전류 검출부에서 검출된 전류값 및 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값 중 적어도 일부에 따라 상기 운전 모드를 결정하고 상기 운전 모드에 따라 상기 복수의 스위치(S1, S2, S3)의 개방/단락 상태를 결정하는 스위치 제어부Wherein the control unit determines the operation mode according to at least one of a voltage value detected by the battery voltage detection unit, a current value detected by the battery current detection unit, and a voltage value detected by the external voltage detection unit, S1, S2, and S3)

를 포함하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치를 제공한다.And a battery auxiliary device having a constant voltage source function.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전력 변환부는, 상기 배터리의 일단에 연결된 일단을 갖는 제1 스위치; 상기 제1 스위치의 타단에 연결된 일단을 갖는 인덕터; 상기 제1 스위치의 일단과 상기 배터리의 타단 사이에 연결된 캐패시터; 상기 인덕터의 타단과 상기 외부 연결 단자의 일단에 각각 연결된 양단을 갖는 제2 스위치; 및 상기 인덕터의 타단과 상기 배터리의 타단에 각각 양단이 연결된 제3 스위치를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the power conversion unit includes: a first switch having one end connected to one end of the battery; An inductor having one end connected to the other end of the first switch; A capacitor connected between one end of the first switch and the other end of the battery; A second switch having both ends connected to the other end of the inductor and one end of the external connection terminal; And a third switch connected to the other end of the inductor and the other end of the battery, respectively.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 운전 모드가 상기 배터리를 충전하는 충전 운전 모드인 경우, 상기 스위치 제어부는, 상기 제1 스위치를 지속적으로 단락 상태가 되도록 결정하고, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값과 상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값에 따른 듀티비로 상기 제2 스위치를 PWM 제어하며, 상기 제3 스위치를 지속적으로 개방 상태가 되도록 결정할 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the operation mode is the charge operation mode in which the battery is charged, the switch control unit determines the first switch to be continuously in a short-circuit state, And the duty ratio of the voltage detected by the battery voltage detector to PWM control the second switch to determine the third switch to be continuously opened.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제3 스위치는, 상기 인덕터의 타단에 연결된 캐소드와 상기 배터리의 타단에 연결된 애노드를 갖는 내부 다이오드를 포함하는 MOSFET으로 구현될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the third switch may be implemented as a MOSFET including an internal diode having a cathode connected to the other end of the inductor and an anode connected to the other end of the battery.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 운전 모드가 상기 배터리가 전력을 방출하는 방전 운전 모드인 경우, 상기 스위치 제어부는, 상기 제1 스위치를 지속적으로 단락 상태가 되도록 결정하고, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값과 상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값에 따른 듀티비로 상기 제3 스위치를 PWM 제어하며, 상기 제2 스위치를 지속적으로 개방 상태가 되도록 결정할 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the operation mode is a discharge operation mode in which the battery discharges electric power, the switch control unit determines the first switch to be continuously in a short-circuit state, The third switch is PWM-controlled with the duty ratio according to the voltage value detected by the battery voltage detector and the voltage value detected by the battery voltage detector, and the second switch is continuously determined to be in the open state.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 스위치는, 상기 인덕터의 타단에 연결된 애노드와 상기 외부 연결 단자의 일단에 캐소드가 연결된 캐소드를 갖는 내부 다이오드를 포함하는 MOSFET으로 구현될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the second switch may be implemented as a MOSFET including an internal diode having an anode connected to the other end of the inductor and a cathode connected to a cathode at one end of the external connection terminal.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위치 제어부는, 상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값이 사전 설정된 한계 고전압 이상이 되는 경우, 상기 제1 스위치를 단락 상태로 결정하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 개방 상태로 결정할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the switch control unit determines the first switch to be in a short-circuit state when the voltage value detected by the battery voltage detecting unit becomes a predetermined higher limit high voltage, 3 switch to the open state.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위치 제어부는, 상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값이 사전 설정된 한계 저전압 이하가 되는 경우, 상기 제1 스위치를 단락 상태로 결정하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 단락 상태로 결정하여, 상기 배터리를 아이솔레이션 시키고 상기 외부 연결 단자 양단을 바이패스 시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the switch control section determines the first switch to be in a short-circuit state when the voltage value detected by the battery voltage detection section becomes a predetermined limit lower voltage or less, 3 switch is short-circuited to isolate the battery and bypass both ends of the external connection terminal.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위치 제어부는, 상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값이 사전 설정된 한계 저전압 이하가 되는 경우, 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 개방 상태로 결정하여, 상기 배터리를 아이솔레이션 시키고 상기 외부 연결 단자 양단을 개방 상태가 되게 할 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the voltage value detected by the battery voltage detection unit becomes a predetermined lower limit voltage or lower, the switch control unit sets the first switch, the second switch and the third switch to the open state So that the battery can be isolated and both ends of the external connection terminal can be opened.

본 발명의 일 실시형태는, 상기 외부 연결 단자에 흐르는 전류를 검출하는 외부 전류 검출부를 더 포함할 수 있다. 이 실시형태에서, 상기 스위치 제어부는, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값과 상기 외부 전류 검출부에서 검출된 전류값과, 상기 외부 연결 단자의 전압에 대해 사전 설정된 한계 고전압과 상기 외부 연결 단자의 전압에 대해 사전 설정된 한계 저전압과, 상기 한계 고전압 및 상기 한계 저전압 사이에서 사전 설정된 방전 전압 및 충전 전압-상기 방전 전압은 상기 충전 전압 보다 낮게 설정됨-에 따라 히스테리시스 제어를 통해 배터리의 충전 및 방전 운전을 제어할 수 있다.One embodiment of the present invention may further include an external current detection unit for detecting a current flowing through the external connection terminal. In this embodiment, the switch control unit may control the voltage value detected by the external voltage detecting unit, the current value detected by the external current detecting unit, the limit high voltage preset for the voltage of the external connection terminal, and the voltage The charging and discharging operation of the battery is performed through the hysteresis control according to a predetermined limit voltage lower than the predetermined high limit voltage and a predetermined discharge voltage and a charging voltage between the limit high voltage and the lower limit voltage, Can be controlled.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 한계 저전압은 상기 배터리의 충전 종지 전압 보다 높게 사전 설정되며, 상기 한계 고전압은 상기 배터리의 방전 종지 전압보다 낮게 사전 설정될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the limit undervoltage is preset higher than the charge end voltage of the battery, and the limit high voltage may be preset lower than the discharge end voltage of the battery.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위치 제어부는, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값이 상기 한계 저전압 및 상기 방전 전압 사이의 값인 경우, 상기 배터리가 방전되는 방전 운전 모드로 상기 복수의 스위치를 제어할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the switch control unit controls the plurality of switches in a discharge operation mode in which the battery is discharged when the voltage value detected by the external voltage detection unit is a value between the limit low voltage and the discharge voltage can do.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위치 제어부는, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값이 상기 충전 전압 및 상기 한계 고전압 사이의 값인 경우, 상기 배터리가 충전되는 충전 운전 모드로 상기 복수의 스위치를 제어할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the switch control unit controls the plurality of switches in a charge operation mode in which the battery is charged when the voltage value detected by the external voltage detection unit is a value between the charge voltage and the high- can do.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위치 제어부는, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값이 상기 방전 전압 및 상기 충전 전압 사이의 값이고, 상기 외부 전류 검출부에서 검출된 전류가 상기 외부로 출력되는 전류인 경우, 상기 배터리가 방전되는 방전 운전 모드로 상기 복수의 스위치를 제어할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the switch control unit may be configured such that the voltage value detected by the external voltage detection unit is a value between the discharge voltage and the charge voltage, and the current detected by the external current detection unit is a current , It is possible to control the plurality of switches in a discharge operation mode in which the battery is discharged.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위치 제어부는, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값이 상기 방전 전압 및 상기 충전 전압 사이의 값이고, 상기 외부 전류 검출부에서 검출된 전류가 상기 외부로부터 입력되는 전류인 경우, 상기 배터리가 충전되는 충전 운전 모드로 상기 복수의 스위치를 제어할 수 있다.
In one embodiment of the present invention, the switch control unit is configured such that the voltage value detected by the external voltage detection unit is a value between the discharge voltage and the charge voltage, and the current detected by the external current detection unit is a current , It is possible to control the plurality of switches in the charge operation mode in which the battery is charged.

또한, 본 발명은 전술한 다양한 실시형태의 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치를 포함하는 배터리 팩을 제공한다. The present invention also provides a battery pack including the battery auxiliary device having the constant voltage source function of the above-described various embodiments.

본 발명에 따르면, 배터리의 양단 전압을 외부 연결 단자의 전압보다 항상 낮은 값으로 유지하고 외부 연결 단자 전압을 일정 범위 내에 일정하게 정전압 특성을 갖도록 유지할 수 있다.According to the present invention, both ends of the battery can be kept at a value lower than the voltage of the external connection terminal, and the external connection terminal voltage can be maintained to have a constant voltage characteristic within a constant range.

또한, 본 발명에 따르면, 배터리의 양단 전압을 감시하여 과충전 또는 과방전을 예방할 수 있으며, 배터리가 외부 회로에 연결되어 사용되는 중에도 배터리에 문제가 발생하였을 때 외부 회로의 운전을 중단 없이 지속되게 할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to prevent overcharging or overdischarge by monitoring the voltage across the both ends of the battery. When the battery is in trouble even when the battery is connected to an external circuit, .

이를 통해, 본 발명은 배터리의 성능과 수명을 향상시킬 수 있으며, 배터리가 적용되는 장치의 운전 효율을 향상시킬 수 있다.Accordingly, the present invention can improve the performance and lifetime of the battery, and improve the operation efficiency of the device to which the battery is applied.

도 1은 일반적인 리튬-이온 배터리의 충전 상태에 따른 개방 회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 충전운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 방전운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 충전 종지 운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 방전 종지 운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면으로서, (a)는 바이패스 출력형 방전 종지 운전 모드의 회로 상태를 도시하며 (b)는 개방 출력형 방전 종지 운전 모드를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 스위치 제어부에 설치되는 히스테리시스 제어 함수의 일례를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치가 적용될 수 있는 일반적인 배터리 에너지 저장 장치의 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치가 적용된 배터리 팩을 상호 직렬 연결하여 구성한 배터리 에너지 저장 시스템을 도시한 회로도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치가 적용된 배터리 팩을 직/병렬 혼용 연결하여 구성한 배터리 에너지 저장 시스템을 도시한 회로도이다.1 is a graph showing an open circuit voltage (OCV) according to a charging state of a general lithium-ion battery.
2 is a circuit diagram showing a battery assisting apparatus having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing a circuit state of a charging operation mode of a battery assisting device having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing a circuit state in a discharge operation mode of a battery auxiliary device having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a circuit state of the charge termination operation mode of the battery assisting device having the constant voltage source function according to the embodiment of the present invention. FIG.
6A and 6B are diagrams showing a circuit state in the discharge stop operation mode of the battery assisting apparatus having the constant voltage source function according to the embodiment of the present invention, (B) shows an open-output type of discharge stop operation mode.
7 is a diagram showing an example of a hysteresis control function provided in a switch control unit of a battery auxiliary apparatus having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention.
8 is a circuit diagram of a general battery energy storage device to which a battery auxiliary device having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention can be applied.
FIG. 9 is a circuit diagram showing a battery energy storage system in which battery packs to which a battery auxiliary device having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention are connected in series.
FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a battery energy storage system in which battery packs with a battery auxiliary device having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention are connected in series / parallel combination.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. In addition, in describing the present invention, the defined terms are defined in consideration of the functions of the present invention, and they may be changed depending on the intention or custom of the technician working in the field, so that the technical components of the present invention are limited It will not be understood as meaning.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치를 도시한 회로도이다.2 is a circuit diagram showing a battery assisting apparatus having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 보조 장치(20)는 배터리(10)의 양단에 직접 연결되어 배터리(10)로 외부의 직류 전압을 제공하거나 배터리(10)의 출력 전압을 외부로 제공할 수 있다. 즉, 배터리(10)는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하여 배터리 셀 각각의 전압을 합산한 크기의 전압을 제공하는 직류 전원이 될 수 있으며, 배터리 보조 장치(20)는 배터리(10)로 입력되거나 배터리(10)에서 출력되는 전력을 변환하거나 차단하여 배터리(10)를 보호하는 기능을 갖는 회로 구성으로 볼 수 있다.2, the battery assisting apparatus 20 according to an embodiment of the present invention is directly connected to both ends of the battery 10 to provide an external DC voltage to the battery 10, The output voltage can be supplied to the outside. That is, the battery 10 may include a plurality of battery cells connected in series and may be a DC power source for providing a voltage of a sum of the voltages of the battery cells, and the battery assisting apparatus 20 may be a battery 10 It can be regarded as a circuit configuration having a function of protecting the battery 10 by converting or blocking the power inputted or outputted from the battery 10.

배터리(10)와 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치(20)와 포함하도록 모듈화 한 구성을 배터리 팩(1)이라 할 수 있다. 즉, 배터리 팩(1)은 배터리(10)와 그에 연결된 배터리 보조 장치(20)를 하나의 모듈 형태로 제공하는 구조로 이해될 수 있을 것이다.The battery pack 1 may be a configuration in which the battery 10 and the battery auxiliary device 20 having the constant voltage source function according to the embodiment of the present invention are modularized to be included. That is, the battery pack 1 may be understood as a structure that provides the battery 10 and the battery assisting apparatus 20 connected thereto in the form of a single module.

전술한 바와 같이, 배터리(10)는 상호 직렬로 접속된 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 배터리(10) 내에 상호 직렬 연결된 배터리 셀들은 시간이 경과하면서 내부저항, 충방전용량 등의 편차가 발생하는 문제를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 충전 시 충전용량이 감소한 일부 셀이 조기에 과충전 상태에 이르러 과열되면 전체 배터리가 화재 및 폭발의 위험한 상황에 빠지게 된다. 또한, 일부 배터리 셀 들의 내부저항이 증가하게 되면 충전 시 충분히 충전되지 않았음에도 불구하고 배터리 전체의 전압이 높이 상승함으로써 충전이 중단되어 전체 배터리가 충분히 충전되지 못하는 문제가 발생할 수 있다. As described above, the battery 10 may include a plurality of battery cells connected in series. The battery cells connected in series in the battery 10 may cause a problem such that the internal resistance, the charge / discharge capacity and the like are varied with time. For example, if some cells with reduced charge capacity during charging reach prematurely overcharge conditions and become overheated, the entire battery will fall into a fire and explosion hazard. In addition, if the internal resistance of some battery cells increases, the voltage of the entire battery rises even though the battery is not sufficiently charged, so charging may be interrupted and the entire battery may not be fully charged.

이러한 다수의 배터리 셀을 직렬 연결하여 구현된 배터리의 셀 불평형 문제를 해결하기 위하여 통상적으로 배터리 셀에 셀평형회로(Cell balancing circuit)를 부착하여 준다. 셀평형회로에는 수동형(Passive) 방식과 능동형(Active) 방식이 있다. 수동형 방식은 과층전된 셀의 전하를 저항을 통하여 소비시킴으로써 셀간의 평형을 맞추어주는 방식이고, 능동형 방식은 부족충전된 셀에 더 많은 전류를 공급하여 셀 간의 평형을 맞추어 주는 방식이다. 에너지 저장 장치와 같이 용량이 상대적으로 큰 배터리를 사용하는 경우 능동형 방식을 채용하는 것이 바람직하지만 전력변환기의 부피와 중량이 증가하고 가격이 상승한다는 문제가 있다.In order to solve the cell unbalance problem of a battery implemented by connecting a plurality of battery cells in series, a cell balancing circuit is usually attached to the battery cell. The cell balance circuit includes a passive type and an active type. In the passive type, the charge of the over-charged cells is consumed through the resistor to adjust the equilibrium between the cells. The active type supplies more current to the under-charged cells to match the equilibrium between the cells. When a battery having a relatively large capacity such as an energy storage device is used, it is preferable to adopt an active type, but the volume and weight of the power converter increase and the price rises.

본 발명의 일 실시형태에서, 배터리(10)는 셀 불평형의 문제가 발생되지 않는 개수(예를 들어, 3 개 내외)의 배터리 셀을 포함하도록 구현할 수 있다. 이 경우, 추가적인 셀 평형회로가 필요하지 않으므로 배터리 관리를 위한 추가 회로에 소요되는 비용을 절감할 수 있다. 대신, 에너지 저장 시스템은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원형 배터리 충방전 회로를 포함하는 배터리 팩을 필요한 개수만큼 직렬 및/또는 병렬 연결하는 구조로 구현함으로써 필요한 용량의 전력 저장 및 공급이 이루어지게 할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the battery 10 may be implemented to include a number of battery cells (e.g., three or less) that do not cause a problem of cell imbalance. In this case, the additional cell balancing circuit is not required, which can reduce the cost of additional circuitry for battery management. Instead, the energy storage system may be implemented in a structure in which a required number of series and / or parallel connections of a battery pack including a constant voltage circular battery charge / discharge circuit according to an embodiment of the present invention is connected, You can.

본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치(20)는 배터리(10) 연결단(21)의 출력 전압(VBATT), 출력 전류(ibatt) 및 외부 연결단(25)의 전압(VO)을 검출하고 그에 따라 적절하게 스위칭 소자들을 제어하여 배터리 상태에 따라 다양한 모드로 동작한다.The battery assisting apparatus 20 having the constant voltage source function according to the embodiment of the present invention has the output voltage V BATT , the output current i batt and the external connection terminal 25 of the connection end 21 of the battery 10, by detecting the voltage (V O) and controls the switching device proper thereby operates in different modes depending on the battery condition.

본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치(20)는 배터리(10)의 양단에 연결된 배터리 연결 단자(21)와 배터리(10)의 양단 전압을 검출하는 배터리 전압 검출부(22)와, 배터리(10)에서 출력되거나 배터리로 입력되는 전류를 검출하는 배터리 전류 검출부(23)와, 결정된 운전 모드에 따라 단락/개방이 제어되는 복수의 스위치(S1, S2, S3)와 캐패시터(CI, CO)와, 인덕터(Lf)와, 외부의 부하측과 연결되어 배터리(10)의 방전 전력을 부하측으로 제공하고 외부로부터 배터리(10)의 충전 전력을 제공받는 외부 연결 단자(25)와, 외부 연결 단자(25)의 양단 전압을 검출하는 외부 전압 검출부(24)와, 배터리 전압 검출부(22), 배터리 전류 검출부(23), 외부 전압 검출부(24)에서 검출된 전압/전류값 또는 외부 입력에 따라 운전 모드를 결정하고 운전 모드에 따른 복수의 스위치(S1, S2, S3)의 상태를 결정하는 스위치 제어부(26)와, 스위치 제어부(26)에 의해 결정된 상태에 따라 복수의 스위치(S1, S2, S3)를 작동시키는 스위치 구동부(27)를 포함하여 구성될 수 있다.A battery assisting apparatus 20 having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention includes a battery connecting terminal 21 connected to both ends of a battery 10 and a battery voltage detecting unit 22 A plurality of switches S1, S2, and S3 and a plurality of switches S1, S2, and S3, each of which is controlled in short or open according to a determined operation mode, C I and C O and an inductor L f and an external connection terminal 25 connected to an external load side to provide the discharge power of the battery 10 to the load side and to receive charging power of the battery 10 from the outside, An external voltage detection unit 24 for detecting a voltage between both ends of the external connection terminal 25 and a voltage / current value detection unit 24 for detecting the voltage / current value detected by the battery voltage detection unit 22, the battery current detection unit 23, Or external input to determine the operation mode, A switch control section 26 for determining the states of the plurality of switches S1, S2 and S3 in accordance with the state of the switch control section 26 and a switch driving section 26 for operating the plurality of switches S1, S2, (27).

배터리 전압 검출부(22)는 배터리(10)의 양단이 연결된 배터리 연결 단자 사이에 연결되어 배터리(10)의 양단 전압(VBATT)의 크기를 검출한다. 배터리 전압 검출부(22)는 당 기술분야에 알려진 다양한 전압 검출 센서로 구현될 수 있다.The battery voltage detector 22 is connected between battery connection terminals connected to both ends of the battery 10 to detect the magnitude of the voltage V BATT across the battery 10. The battery voltage detection section 22 may be implemented by various voltage detection sensors known in the art.

배터리 전류 검출부(23)는 배터리(10)의 양단이 연결된 배터리 연결 단자 중 하나에 연결되어 배터리(10)로부터 제공되는 전류 또는 배터리(10)로 제공되는 전류(iBATT)의 크기를 검출한다. 도 2에 도시된 실시형태에서는 배터리(10)의 (-)단에 연결된 단자에 배터리 전류 검출부(23)가 연결된 일례를 도시하고 있으나, 배터리(10)의 (+)단에 연결된 단자에 연결될 수도 있다. 배터리 전류 검출부(23)는 당 기술분야에 알려진 다양한 전류 검출 센서로 구현될 수 있다.The battery current detector 23 is connected to one of the battery connection terminals connected to both ends of the battery 10 to detect the current supplied from the battery 10 or the magnitude of the current i BATT supplied to the battery 10. 2, the battery current detecting unit 23 is connected to a terminal connected to the (-) terminal of the battery 10. However, the battery current detecting unit 23 may be connected to the terminal connected to the (+) terminal of the battery 10 have. The battery current detection unit 23 may be implemented with various current detection sensors known in the art.

복수의 스위치(S1, S2, S3)와 캐패시터(CI) 및 인덕터(Lf)는 배터리(10)와 외부 연결 단자(25) 사이에 연결되어, 복수의 스위치(S1, S2, S3)의 개방/단락 상태에 따라 배터리 전력을 전압 변환하여 외부 연결 단자로 제공하거나 외부 연결 단자의 전력을 전압 변환하여 배터리로 제공하는 전력 변환부를 구성할 수 있다.A plurality of switches (S1, S2, S3) and the capacitor (C I) and an inductor (L f) of the battery 10 and is connected between the external connection terminal 25, a plurality of switches (S1, S2, S3) The power conversion unit may be configured to convert the battery power to voltage by converting the battery voltage to an external connection terminal or to convert the power of the external connection terminal into a voltage and provide the battery.

복수의 스위치(S1, S2, S3)는 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)를 포함할 수 있다. 제1 스위치(S1)는 배터리(10)의 일단((+) 단자)에 일단이 연결되고, 그 타단은 캐패시터(CI)와 인덕터(Lf)의 공통 연결단에 연결될 수 있다.The plurality of switches S1, S2, and S3 may include a first switch S1, a second switch S2, and a third switch S3. The first switch S1 may be connected at one end to the positive terminal of the battery 10 and at the other end to the common terminal of the capacitor C I and the inductor L f .

제1 스위치(S1)은 배터리 연결단자(21)와 외부 연결 단자(25) 사이의 전기적 연결 상태를 단락 또는 개방 상태로 결정하기 위한 스위치이다. The first switch S1 is a switch for determining the electrical connection state between the battery connection terminal 21 and the external connection terminal 25 to be short-circuited or open.

제2 스위치(S2)는 배터리(10)가 충전 상태일 때 외부 연결 단자(25)의 양단에 인가된 전압을 감압하여 배터리(10)로 제공하도록 PWM 제어될 수 있다. 또한, 제2 스위치(S2)는 운전 모드에 따라 다른 스위치의 동작과 연계하여 외부 연결 단자(25)의 양단 연결 상태를 단락 상태로 만들어 외부 연결 단자(25)의 양단이 바이패스 상태가 되도록 결정하거나 외부 연결 단자(25)가 개방상태가 되게 할 수 있다.The second switch S2 may be PWM-controlled to reduce the voltage applied to both ends of the external connection terminal 25 when the battery 10 is in a charged state and provide the reduced voltage to the battery 10. [ The second switch S2 is connected to the operation of the other switch according to the operation mode to short-circuit the connection state of the external connection terminal 25 so as to make the both ends of the external connection terminal 25 a bypass state Or the external connection terminal 25 can be brought into the open state.

캐패시터(CI, CO)와, 인덕터(Lf)는 배터리(10)의 충전 또는 방전 동작 시 교류 성분을 제거하는 필터로서 작용할 수 있다. 특히, 인덕터(Lf)는 제2 스위치(S2) 또는 제3 스위치(S3)가 PWM 제어를 통해 감압 컨버터 또는 승압 컨버터로 동작하는 경우 에너지를 저장하는 초크 코일의 역할을 할 수 있다. 제2 스위치(S2)는 인덕터(Lf)의 타단과 외부 연결 단자(26)의 일단((+) 단자) 사이에 그 양단이 연결될 수 있다.The capacitors C I and C O and the inductor L f may act as a filter for removing the AC component during the charging or discharging operation of the battery 10. In particular, the inductor L f may serve as a choke coil for storing energy when the second switch S2 or the third switch S3 operates as a reduced-pressure converter or a boost converter through PWM control. The second switch S2 may be connected between the other end of the inductor L f and one end ((+) terminal of the external connection terminal 26).

제3 스위치(S3) 배터리(10)가 방전 상태일 때 PWM 제어되어 배터리(10) 전압을 승압하여 외부 연결 단자(26)로 제공할 수 있다. 또한, 제3 스위치(S3)는 운전 모드에 따라 다른 스위치의 동작과 연계하여 외부 연결 단자(26)의 양단이 바이패스 상태가 되도록 결정할 수 있다. 제3 스위치(S3)는 인덕터(Lf)의 타단과 배터리(10)의 타단에 각각 양단이 연결될 수 있다.The third switch S3 is PWM-controlled when the battery 10 is discharged to boost the voltage of the battery 10 to provide it to the external connection terminal 26. In addition, the third switch S3 can be determined so that both ends of the external connection terminal 26 are in a bypass state in conjunction with the operation of the other switches in accordance with the operation mode. A third switch (S3) may have opposite ends respectively connected to the other terminal of the battery and the other terminal 10 of the inductor (L f).

외부 전압 검출부(24)는 외부로부터 직류 전력을 제공받거나 배터리의 직류 전력이 외부로 출력되는 외부 연결 단자(25)의 양단 전압(VO)의 크기를 검출한다. 배터리 전압 검출부(22)와 유사하게 외부 전압 검출부(24)는 당 기술분야에 알려진 다양한 전압 검출 센서로 구현될 수 있다.The external voltage detector 24 detects the magnitude of the voltage V O across the external connection terminal 25, which is supplied with DC power from the outside or the DC power of the battery is output to the outside. Similar to the battery voltage detection unit 22, the external voltage detection unit 24 may be implemented by various voltage detection sensors known in the art.

스위치 제어부(26)는 배터리 전압 검출부(22), 배터리 전류 검출부(23), 외부 전압 검출부(24)에서 검출된 전압/전류값 또는 외부 입력에 따라 동작 모드를 결정하고 그에 따라 복수의 스위치(S1, S2, S3)의 상태를 결정할 수 있다. 예를 들어, 스위치 제어부(26)는 사전 프로그램된 제어 알고리즘을 이용하여 배터리 전압 검출부(22), 배터리 전류 검출부(23), 외부 전압 검출부(24)에서 검출된 전압/전류값에 따라 복수의 스위치(S1, S2, S3)의 상태를 결정할 수 있다. 또한, 스위치 제어부(26)는 도시하지 않았지만 외부의 사용자로부터 제어 명령을 입력 받을 수 있는 제어 명령 입력 단자를 가질 수 있으며, 이 제어 명령 입력 단자로 입력 받은 사용자의 제어 명령에 따라 스위치 복수의 스위치(S1, S2, S3)의 상태를 결정할 수 있다. 스위치 제어부(26)는 스위치를 제어하기 위한 제어 알고리즘을 프로그램할 수 있는 마이크로프로세서 등으로 구현될 수 있다.The switch control unit 26 determines the operation mode according to the voltage / current value or the external input detected by the battery voltage detection unit 22, the battery current detection unit 23 and the external voltage detection unit 24, , S2, S3) can be determined. For example, the switch control unit 26 may control the voltage / current values detected by the battery voltage detection unit 22, the battery current detection unit 23, and the external voltage detection unit 24 using a preprogrammed control algorithm, (S1, S2, S3) can be determined. Also, although not shown, the switch control unit 26 may have a control command input terminal that can receive a control command from an external user. In accordance with a control command input by the control command input terminal, S1, S2, S3) can be determined. The switch control unit 26 may be implemented by a microprocessor or the like capable of programming a control algorithm for controlling the switch.

스위치 구동부(27)는 스위치 제어부(26)의 제어 명령에 따라 복수의 스위치(S1, S2, S3)의 동작을 제어할 수 있다. 특히, 스위치 구동부(27)는 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)를 PWM 구동할 수 있는 PWM 구동 IC로 구현될 수 있다.
The switch driving unit 27 can control the operation of the plurality of switches S1, S2, and S3 in accordance with the control command of the switch control unit 26. [ In particular, the switch driver 27 may be implemented as a PWM driver IC capable of PWM driving the second switch S2 and the third switch S3.

이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원형 배터리 충방전 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩의 작용 효과에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
The operation and effects of the constant voltage circular battery charge / discharge circuit and the battery pack including the constant voltage circular battery charge / discharge circuit according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 충전운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면이다.3 is a diagram showing a circuit state of a charging operation mode of a battery assisting device having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 충전운전 모드시, 스위치 제어부(26)는 제1 스위치(S1)을 지속적으로 단락 상태가 되도록 결정하고, 외부 연결 단자(25)의 양단 전압(VO)과 배터리(10)의 전압 크기(VBATT)에 따라 적절한 듀티비를 갖고 단락/개방을 반복할 수 있도록 제2 스위치(S2)의 단락/개방 상태를 결정한다. 또한, 스위치 제어부(26)는 제3 스위치(S3)가 지속적으로 개방 상태가 되도록 결정한다.3, in the charging operation mode, the switch control unit 26 determines the first switch S1 to be continuously in a short-circuit state, and the both-end voltage V O of the external connection terminal 25 and the voltage V O of the battery 10 Open state of the second switch S2 so as to have an appropriate duty ratio in accordance with the voltage magnitude (V BATT ) of the second switch S2 so that shorting / opening can be repeated. Further, the switch control unit 26 determines that the third switch S3 is continuously in the open state.

스위치 제어부(26)의 결정에 따라 스위치 구동부(27)는 제1 스위치(S1)가 단락 상태를 유지하고 제2 스위치(S2)가 단락/개방을 반복하는 PWM 스위칭을 수행하도록 PWM 스위칭 신호를 제2 스위치(S2)에 인가하며, 제3 스위치(S3)가 개방 상태를 유지하도록 함으로써 배터리(10)의 충전전류(ibatt)와 충전전압(VBATT)을 제어한다.In accordance with the determination of the switch control section 26, the switch driving section 27 sets the PWM switching signal so that the first switch S1 maintains the short-circuit state and the second switch S2 repeats the short- 2 switch S2 and controls the charge current i batt and the charge voltage V BATT of the battery 10 by causing the third switch S3 to remain open.

즉, 충전운전 모드시, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치(20)는, 제1 스위치(S1)을 단락 상태로 설정하고 제2 스위치(S2)를 PWM 스위칭 제어하며 제3 스위치(S3)를 개방 상태로 설정함으로써, 인덕터(Lf)와, 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)로 구성된 회로가 외부 연결 단자(25)로부터 제공되는 전압을 감압하여 배터리(10) 측으로 제공하는 벅 컨버터(Buck Converter)를 구성하게 한다.That is, in the charging operation mode, the battery assisting apparatus 20 having the constant voltage source function according to the embodiment of the present invention sets the first switch S1 to the short-circuit state and the second switch S2 to the PWM switching control The inductor L f and the circuit composed of the second switch S 2 and the third switch S 3 turn off the voltage provided from the external connection terminal 25 by the decompression So as to constitute a buck converter for providing the voltage to the battery 10 side.

특히, 제3 스위치(S3)는 내부 다이오드(31)를 포함하는 MOSFET을 적용하고, MOSFET의 드레인을 외부 연결 단자(25)의 (+)극 측에 연결하고 소스를 외부 연결 단자(25)의 (-)극 측에 연결되게 함으로써 개방 상태를 유지할 때 내부 다이오드의 캐소드가 외부 연결 단자(25)의 (+)극 측에 연결되고 애노드가 외부 연결 단자(25)의 (-)극 측에 연결되도록 회로를 구성할 수 있다. 이러한 구성을 통해 충전운전 모드 시 초크코일의 역할을 하는 인덕터(Lf)와, 개방 상태의 제3 스위치(S3)의 내부 다이오드 및 PWM 스위칭되는 제2 스위치(S2)를 포함하는 벅 컨버터가 구현될 수 있다.In particular, the third switch S3 applies the MOSFET including the internal diode 31, connects the drain of the MOSFET to the (+) pole side of the external connection terminal 25, The cathode of the internal diode is connected to the (+) pole side of the external connection terminal 25 and the anode is connected to the (-) pole side of the external connection terminal 25 when the open state is maintained, So that a circuit can be constituted. With this configuration, a buck converter including an inductor L f serving as a choke coil in a charge operation mode, an internal diode of a third switch S 3 in an open state, and a second switch S 2 PWM-switched are implemented .

이와 같이, 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는, 충전 모드 동작 시 배터리 양단 전압(VBATT)이 외부에서 제공되는 충전 전압(VO)보다 항상 낮은 상태 유지할 수 있게 한다.
Thus, battery assist device having a constant voltage source function in accordance with the one embodiment of the invention shown in Figure 3, all the time than the charging voltage (V O) battery the voltage across (V BATT) when the charging mode operation is provided in the outer So that it can be kept in a low state.

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 방전운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면이다.4 is a diagram showing a circuit state in a discharge operation mode of a battery auxiliary device having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 방전운전 모드시, 스위치 제어부(27)는 제1 스위치(S1)을 지속적으로 단락 상태가 되도록 결정하고, 외부 연결 단자(26)의 양단 전압(VO)과 배터리(10)의 전압에 따라 듀티비를 결정하여 이 듀티비를 갖는 단락/개방을 반복하도록 제3 스위치(S3)의 단락/개방 상태를 결정한다. 또한, 스위치 제어부(27)는 제2 스위치(S3)가 지속적으로 개방 상태가 되도록 결정한다.4, the switch control unit 27 determines the first switch S1 to be continuously in a short-circuited state, and the both-end voltage V O of the external connection terminal 26 and the voltage V O of the battery 10 ) And determines the short-circuit / open state of the third switch S3 so as to repeat the short-circuit / open with the duty ratio. Further, the switch control unit 27 determines that the second switch S3 is continuously in the open state.

스위치 제어부(26)의 결정에 따라 스위치 구동부(27)는 제1 스위치(S1)가 단락 상태를 유지하고 제3 스위치(S3)가 단락/개방을 반복하는 PWM 스위칭을 수행하도록 PWM 스위칭 신호를 제3 스위치(S3)에 인가하며, 제2 스위치(S2)가 개방 상태를 유지하도록 함으로써 외부 연결 단자(25)를 통해 출력되는 전력의 전압(VO) 및 전류(iO)를 제어한다.In accordance with the determination of the switch control section 26, the switch driving section 27 sets the PWM switching signal so that the first switch S1 maintains the short-circuit state and the third switch S3 repeats the short- 3 switch S3 and controls the voltage V O and the current i O of the power output through the external connection terminal 25 by keeping the second switch S2 in the open state.

즉, 방전운전 모드시, 본 발명의 일 실시형태에 따른 충방전 회로(20)는, 제3 스위치(S3)를 PWM 스위칭 제어하고 제2 스위치(S2)를 개방 상태로 설정함으로써, 인덕터(Lf)와, 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)로 구성된 회로가 배터리(10)의 전압(VBATT)을 승압하여 외부 연결 단자(25)를 통해 출력하는 부스트 컨버터를 구성하게 한다.That is, in the discharge operation mode, the charge / discharge circuit 20 according to the embodiment of the present invention controls the third switch S3 by PWM switching and sets the second switch S2 to the open state, makes f) and the second is composed of the switch (S2) and the third switch (S3) circuit configured to boost converter that boosts the voltage (V BATT) of a battery 10 is output via the external connection terminal 25 .

특히, 제2 스위치(S2)는 내부 다이오드(32)를 포함하는 MOSFET을 적용하고, MOSFET의 드레인을 외부 연결 단자(25)의 (+)극에 연결하고 소스를 인덕터(Lf)에 연결되게 함으로써 개방 상태를 유지할 때 내부 다이오드의 캐소드가 외부 연결 단자(25)의 (+)극에 연결되고 애노드가 인덕터(Lf)에 연결되도록 회로를 구성할 수 있다. 이러한 구성을 통해 방전운전 모드 시 초크코일의 역할을 하는 인덕터(Lf)와, 개방 상태의 제2 스위치(S2)의 내부 다이오드 및 PWM 스위칭되는 제3 스위치(S3)를 포함하는 부스트 컨버터가 구현될 수 있다.In particular, the second switch S2 applies a MOSFET including an internal diode 32, connects the drain of the MOSFET to the (+) pole of the external connection terminal 25, and connects the source to the inductor L f The cathode of the internal diode is connected to the (+) pole of the external connection terminal 25 and the anode is connected to the inductor L f when the open state is maintained. With this configuration, a boost converter including an inductor L f serving as a choke coil in the discharge operation mode, an internal diode of the second switch S 2 in an open state, and a third switch S 3 PWM-switched are implemented .

이와 같이, 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는, 배터리의 방전운전 모드 시 배터리(10) 양단전압(VBATT)보다 외부와 연결되는 외부 연결 단자의 전압(VO)이 항상 높게 유지하도록 제어할 수 있다.The battery auxiliary device having the constant voltage source function according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 4 has an external connection terminal connected to the outside of the voltage V BATT across the battery 10 in the discharge operation mode of the battery, Can be controlled so as to keep the voltage (V O )

도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 충전 종지 운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면이다.FIG. 5 is a diagram showing a circuit state of the charge termination operation mode of the battery assisting device having the constant voltage source function according to the embodiment of the present invention. FIG.

예를 들어, 리튬 이온 배터리의 경우 충전 운전 중에 배터리의 양단전압이 4.2 V를 초과하지 않도록 하여야 한다. 이러한 전압 한계값을 충전 종지 전압이라고 한다. 충전 중에 배터리의 단자전압이 과도하게 상승하면 분극 현상에 의하여 배터리가 소손되거나 열화되는 문제가 발생할 뿐만 아니라 심한 경우 화재 및 폭발사고로 진행될 수 있다. For example, for a lithium-ion battery, the voltage across the battery should not exceed 4.2 V during charging. This voltage limit value is called the charge end voltage. If the terminal voltage of the battery rises excessively during charging, the battery may be burned or deteriorated due to the polarization phenomenon. In addition, the battery may be seriously damaged due to fire or explosion.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는 배터리(10) 충전시 배터리(10)의 양단 전압(VBATT)을 검출하여 감시하고, 배터리(10) 양단 전압(VBATT)이 상승하여 충전 종지 전압 또는 임의로 설정된 한계 고전압에 이르면, 스위치 제어부(26)는 제1 스위치(S1)만 단락 상태로 설정하고, 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)는 모두 개방 상태가 되도록 설정함으로써, 배터리(10)를 더 이상 충전시키지 않고 방전이 가능한 대기 상태로 유지할 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 것과 같은 충전 종지 운전 모드에서는 제3 스위치(S3)를 PWM 스위칭만 하게 되면 즉시 방전 운전이 가능하게 된다. 5, a battery auxiliary device having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention detects and monitors the voltage V BATT across the battery 10 when charging the battery 10, The switch control unit 26 sets the first switch S1 to the short-circuit state and the second switch S2 and the third switch S2 are turned on. When the voltage V BATT rises to reach the charging end voltage or the arbitrarily set limit high voltage, By setting all of the switches S3 to be in the open state, the battery 10 can be kept in a standby state in which discharging is possible without charging any more. That is, in the charge termination operation mode as shown in FIG. 5, if the third switch S3 is PWM-switched, the discharge operation can be performed immediately.

도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 방전 종지 운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면으로서, (a)는 바이패스 출력형 방전 종지 운전 모드의 회로 상태를 도시하며 (b)는 개방 출력형 방전 종지 운전 모드를 도시한다.6A and 6B are diagrams showing a circuit state in the discharge stop operation mode of the battery assisting apparatus having the constant voltage source function according to the embodiment of the present invention, (B) shows an open-output type of discharge stop operation mode.

전술한 충전 운전과는 반대로, 방전 운전 중에 배터리가 과방전되어 허용값 이하로 낮아져도 소손과 열화의 문제가 발생한다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리의 경우 3.6[V] 미만이 되면 방전을 종지하여야 한다. 이러한 전압 한계값을 방전 종지 전압이라고 한다. 이러한 상태에 이르면 과방전에 따른 소손을 막기 위하여 배터리를 회로로부터 분리하여야 한다. Contrary to the above-described charging operation, there arises a problem of burnout and deterioration even if the battery is overdischarged during discharge operation and becomes lower than the allowable value. For example, if the battery is less than 3.6 [V] for a lithium ion battery, the discharge must be terminated. This voltage limit value is called the discharge end voltage. When this condition is reached, the battery should be disconnected from the circuit to prevent burn-out from overdischarge.

도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 바이패스 출력형 방전 종지 운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면이다. 도 6의 (a)에 도시된 것과 같이, 배터리(10) 양단 전압(VBATT)이 방전 종지 전압 또는 사전에 임의로 설정된 한계 저전압이 되면 스위치 제어부(26)는 제1 스위치(S1)를 개방 상태가 되도록 설정하여 배터리(10)를 전기적으로 아이솔레이션 시키고, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)를 모두 단락 상태가 되도록 설정하여 바이패스 출력형 방전 종지 운전 모드를 실행할 수 있다. 이에 따라, 배터리(10)에 의한 방전이 중지되며, 이 상태에서 배터리(10)를 임의로 제거 및 삽입이 가능하게 된다. 그리고 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 외부 연결 단자(25)는 상호 단락 되어 전원 전압이 존재하지 않는 것처럼 동작할 수 있다. 6A is a diagram showing a circuit state of a bypass output type discharge stop operation mode of a battery auxiliary device having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention. 6 (a), when the voltage V BATT across the battery 10 reaches the discharge end voltage or a predetermined lower limit voltage, which is previously set arbitrarily, the switch control unit 26 switches the first switch S1 to the open state So that the battery 10 is electrically isolated and both the second switch S2 and the third switch S3 are set to be in a short-circuited state. Thus, the bypass output type of the discharge stop operation mode can be executed. As a result, the discharge by the battery 10 is stopped, and the battery 10 can be removed and inserted in this state arbitrarily. The external connection terminals 25 of the battery assisting apparatus having the constant voltage source function according to the embodiment of the present invention may be short-circuited to operate as if the power supply voltage does not exist.

이러한 바이패스 출력형 방전 종지 운전 모드는, 배터리를 이용한 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System: BESS) 등에서 복수의 배터리를 상호 직렬 연결하여 운전하는 경우 전체 시스템의 운전을 중단하지 않은 상태에서 문제가 발생한 배터리의 교체 및 점검을 가능하게 한다. In the bypass output type discharge end operation mode, when a plurality of batteries are connected in series with each other in a battery energy storage system (BESS), the entire system is not interrupted, The battery can be replaced and checked.

도 6의 (b)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 개방 출력형 방전 종지 운전 모드의 회로 상태를 도시한 도면이다. 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 개방 출력형 방전 종지 운전모드에서 스위치 제어부(26)는 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)를 모두 개방 상태가 되도록 설정한다. 이에 따라, 개방 출력형 방지 종전 운전 모드에서 배터리(10)는 아이솔레이션 되어 더 이상 방전하지 않게 되며, 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3) 각각의 내부 다이오드(32, 31)에 의해 배터리 보조 장치의 외부 연결 단자(25)는 역바이어스로 접속된 개방 상태가 된다. 이러한 개방 출력형 방지 종전 운전 모드는 즉시 충전 운전으로 전환이 가능한 대기 상태로서, 제2 스위치(S2)만 PWM 스위칭 하면 즉시 충전 운전이 가능하다. 도 6의 (a)에 도시된 바이패스 출력형 방전 종지 운전 모드와 마찬가지로, 개방 출력형 방전 종지 운전 모드에서 배터리(10)는 전기적으로 아이솔레이션된 상태이므로 임의로 제거 및 삽입이 가능한 상태가 된다. 6 (b) is a diagram showing the circuit state of the open-output type of discharge stop operation mode of the battery auxiliary device having the constant voltage source function according to the embodiment of the present invention. 6B, in the open-output type of the discharge stop operation mode, the switch control unit 26 switches the first switch S1, the second switch S2 and the third switch S3 to the open state . The battery 10 is isolated and no longer discharged and the internal diodes 32 and 31 of the second switch S2 and the third switch S3 respectively turn off the battery 10 The external connection terminal 25 of the auxiliary device is brought into the open state connected with the reverse bias. This open-output-type preventive previous operation mode is a standby state in which it is possible to immediately switch to the charge operation, and the charge operation can be performed immediately by PWM switching only the second switch S2. 6 (a), the battery 10 is in an electrically isolated state in the open-output type of the discharge stop operation mode, so that it can be removed and inserted arbitrarily.

이러한 개방 출력형 방전 종지 운전은, 배터리를 이용한 에너지 저장 시스템 등에서 복수의 배터리를 상호 병렬 연결하여 운전하는 경우 전체 시스템의 운전을 중단하지 않은 상태에서 문제가 발생한 배터리의 교체 및 점검을 가능하게 한다. Such an open-output type of discharge stop operation enables replacement and inspection of a problematic battery in a state where the operation of the entire system is not interrupted when a plurality of batteries are connected in parallel with each other in an energy storage system using a battery.

이상과 같은 운전 모드의 선택은 스위치 제어부(26)에 통신선 등을 통해 연결되어 외부로부터 운전 모드 선택에 대한 명령을 제공하는 호스트 컴퓨터의 명령을 통해 이루어지거나, 스위치 제어부(26)에 설치된 제어 소프트웨어에 의한 히스테리시스 제어 함수에 따라 이루어질 수 있다. The selection of the operation mode as described above may be performed by a command from a host computer connected to the switch control unit 26 through a communication line or the like to provide a command for selecting an operation mode from the outside or may be transmitted to the control software installed in the switch control unit 26 Lt; RTI ID = 0.0 > hysteresis < / RTI > control function.

도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 스위치 제어부에 설치되는 히스테리시스 제어 함수의 일례를 도시한 도면이다.7 is a diagram showing an example of a hysteresis control function provided in a switch control unit of a battery auxiliary apparatus having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하여, 스위치 제어부(26)에서 이루어지는 히스테리시스 제어에 대해 설명하면 다음과 같다.Referring to FIG. 7, the hysteresis control performed by the switch control unit 26 will be described below.

먼저, 스위치 제어부(26)에 의한 히스테리시스 제어는 외부 연결 단자(25)의 전압(VO)과 전류(IO)에 제어 조건이 결정될 수 있다. 한계 저전압(VLow)은 배터리(10)의 충전 종지 전압 보다 높게 사전 설정될 수 있으며, 한계 고전압(VHigh)은 배터리(10)의 방전 종지 전압보다 낮게 사전 설정될 수 있다. 또한, 한계 저전압(VLow)과 한계 고전압(VHigh) 사이에서 방전 전압(VDischarge) 및 충전 전압(VCharge)이 설정될 수 있으며, 방전 전압(VDischarge)은 충전 전압(VCharge) 보다 낮게 설정될 수 있다.First, the hysteresis control by the switch control unit 26 can determine the control conditions for the voltage (V 0 ) and current (I 0 ) of the external connection terminal 25. The limit low voltage V low can be preset higher than the charge end voltage of the battery 10 and the limit high voltage V high can be preset lower than the discharge end voltage of the battery 10. [ Further, below the limit low voltage (V Low) and limit the high voltage (V High) the discharge voltage between the (V Discharge), and the charging voltage (V Charge) can be set, the discharge voltage (V Discharge) is the charging voltage (V Charge) Can be set low.

외부 연결 단자(25)의 전압(VO)이 한계 저전압(VLow)보다 낮거나 한계 고전압 (VHigh)보다 높은 경우는 정상적인 운전이 되지 않을 수 있는 영역이므로, 외부 연결 단자(25)의 전압(VO)이 한계 저전압(VLow)과 한계 고전압(VHigh) 사이에 있도록, 외부 연결 단자(25)에 연결되는 외부 회로의 전압 운전 범위를 설계한다.Voltage of the voltage (V O), the threshold-voltage case is lower than (V Low) or higher than the limit, a high voltage (V High) because it is the area that may not be the normal operation, the external connection terminal 25 of the external connection terminal 25 The voltage operation range of the external circuit connected to the external connection terminal 25 is designed so that the voltage V O is between the limit low voltage V low and the limit high voltage V high .

외부 회로의 전압이 VLow < VO < VDischarge 의 조건에 있으면 스위치 제어부(26)는 방전 운전 모드로 동작하도록 스위치 제어부(26)가 스위치(S1 내지 S3)의 상태를 설정한다. 또한, 외부 회로의 전압이 VCharge < VO < VHigh 의 조건에 있으면 스위치 제어부(26)는 충전 운전 모드로 동작하도록 스위치 제어부(26)가 스위치(S1 내지 S3)의 상태를 설정한다.When the voltage of the external circuit is in the condition of V Low <V O <V Discharge , the switch control unit 26 sets the states of the switches S1 to S3 so that the switch control unit 26 operates in the discharge operation mode. Further, when the voltage of the external circuit is in the condition of V Charge <V O <V High , the switch control unit 26 sets the states of the switches S 1 to S 3 so that the switch control unit 26 operates in the charge operation mode.

외부 회로의 전압이 VDischarge < VO < VCharge 및 IO > 0 조건에 있으면 스위치 제어부(26)는 방전 운전 모드로 동작하도록 스위치 제어부(26)가 스위치(S1 내지 S3)의 상태를 설정한다. 또한, 외부 회로의 전압이 VDischarge < VO < VCharge 및 IO < 0 조건에 있으면 스위치 제어부(26)는 충전 운전 모드로 동작하도록 스위치 제어부(26)가 스위치(S1 내지 S3)의 상태를 설정한다.When the voltage of the external circuit is in the condition of V Discharge <V O <V Charge and I O > 0, the switch control unit 26 sets the states of the switches S 1 to S 3 so that the switch control unit 26 operates in the discharge operation mode . If the voltage of the external circuit is in the condition of V Discharge <V O <V Charge and I O <0, the switch control unit 26 sets the state of the switches S 1 to S 3 so that the switch control unit 26 operates in the charge operation mode Setting.

이러한 제어를 통하여 외부 연결 단자(25)의 전압은 설정된 VDischarge < VO < VCharge 사이에서 안정되게 동작하게 되며, 사용자는 배터리의 동작을 인식하지 않아도 마치 단자전압이 거의 일정한 정전압 특성을 갖는 배터리를 사용하는 것과 같은 효과를 가질 수 있다.
Through this control, the voltage of the external connection terminal 25 is stably operated between the set V Discharge <V O <V Charge , and even if the user does not recognize the operation of the battery, It is possible to have the same effect as that of using.

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 적용예를 설명한다.Hereinafter, an application example of a battery assisting apparatus having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는 다양한 산업적 용도에 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는 단일의 배터리 팩 단위로 사용될 수도 있고 여러 개의 배터리 팩을 직렬접속 하거나 병렬접속 또는 직/병렬 혼용 접속하여 사용할 수 있다. 어떠한 접속 방식을 적용하더라도 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치가 적용된 배터리 팩은 정상상태에서 출력단 전압이 사전 설정된 범위(도 7의 VDischarge < VO < VCharge) 사이에서 유지된 상태에서 배터리를 충전 또는 방전할 수 있다. 또한 과충전 및 과방전, 과전류 등의 위험한 상태에 이르면 자동적으로 내부의 배터리를 보호할 수 있다.A battery auxiliary device having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention can be used in various industrial applications. For example, a battery auxiliary device having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention may be used in units of a single battery pack, or may be connected in series, parallel connection, or serial / parallel hybrid connection . The battery pack to which the battery auxiliary device having the constant voltage source function according to the embodiment of the present invention is applied is not limited to the one shown in FIG. 7 except that the output voltage is in a predetermined range (V Discharge <V O <V Charge So that the battery can be charged or discharged. In addition, it can automatically protect internal battery when it reaches dangerous condition such as overcharge, over discharge, over current.

도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치가 적용될 수 있는 일반적인 배터리 에너지 저장 장치의 회로도이다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는 도 8에 도시된 것과 같은 배터리 에너지 저장 시스템(BESS; battery energy storage system)에 적용될 수 있다. 8 is a circuit diagram of a general battery energy storage device to which a battery auxiliary device having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention can be applied. A battery assisting apparatus having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention can be applied to a battery energy storage system (BESS) as shown in FIG.

도 8을 참조하면, 일반적인 배터리 에너지 저장 시스템은, 배터리(41)와 DC 링크(42)와 DC 링크(42)를 통해 배터리(41)와 연결되는 양방향 PWM 인버터(43)와, 필터부(44)와, 매칭 트랜스포머(45)와 AC 출력단(46)을 포함하여 구성될 수 있다. A general battery energy storage system includes a bidirectional PWM inverter 43 connected to a battery 41 via a battery 41, a DC link 42 and a DC link 42, , A matching transformer 45 and an AC output stage 46. [

이러한 일반적인 배터리 에너지 저장 시스템에서, 방전 시에는 DC 링크(42)를 통해 양방향 PWM 인버터(43)가 배터리(41)의 직류 전력을 입력 받고, 양방향 PWM 인버터(43)는 스위치(SW1 내지 SW4)의 PWM 구동을 통해 입력 받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력한다. 양방향 PWM 인버터(43)에서 출력된 교류 전력은 필터(44)를 거쳐 매칭 트랜스포머(45)에 의해 변압된 후 교류 입출력단(46)을 통해 출력된다. 교류 입출력단(46)은 계통이나 교류 부하에 연결되어 배터리의 전력이 계통이나 부하로 제공될 수 있다.In this general battery energy storage system, the discharge when there being a two-way PWM inverter (43) input to direct current power of the battery 41 through the DC link 42, the bidirectional PWM inverter 43, a switch (SW 1 to SW 4 ) Converts the DC power received through the PWM drive to AC power and outputs the AC power. The AC power output from the bidirectional PWM inverter 43 is transformed by the matching transformer 45 via the filter 44 and then output through the AC input / output stage 46. The AC input / output stage 46 is connected to a system or an AC load so that the power of the battery can be supplied as a system or a load.

또한, 충전 시에는 계통 전원이 교류 입출력단(46)을 통해 입력되어 매칭 트랜스포머(45)에 의해 변압된 후 필터(44)를 거쳐 양방향 PWM 인버터(43)로 입력된다. 양방향 PWM 인버터(43)는 스위치(SW1 내지 SW4)의 PWM 구동을 통해 입력 받은 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 출력하며, 양방향 PWM 인버터(43)에서 출력되는 직류 전력은 DC 링크(42)를 통해 배터리(41)로 입력되어 배터리(41)가 충전된다.During charging, the system power is input through the AC input / output stage 46, transformed by the matching transformer 45, and then input to the bidirectional PWM inverter 43 via the filter 44. Bidirectional PWM inverter 43, a switch (SW 1 to SW 4) and the alternating-current power received through the PWM drive converting and outputting to a DC power, the DC power output from the two-way PWM inverter 43, a DC link 42 of the And the battery 41 is charged.

도 8에 도시된 것과 같이, 배터리(41)는 복수의 배터리 셀들이 직렬 연결되어 하나의 구조를 형성하는 단일 배터리 팩의 형태로 구현될 수 있으나, 배터리 셀들간의 불평형 문제를 해소하기 위해 복수의 배터리 팩을 원하는 직류 출력을 구현할 수 있는 개수로 직렬, 병렬 또는 직/병렬 혼용의 연결 구조로 연결하여 사용할 수 있다. 이 경우 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 셀 간 불평형을 발생시키지 않는 개수로 구현될 수 있다.As shown in FIG. 8, the battery 41 may be implemented as a single battery pack in which a plurality of battery cells are connected in series to form a single structure. However, in order to solve the problem of unbalance between battery cells, The battery pack can be connected to a serial, parallel, or serial / parallel hybrid connection structure in a number that can realize a desired direct current output. In this case, the number of battery cells included in the battery pack may be implemented in a number that does not cause unbalance between cells.

본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는 배터리와 함께 배터리 팩을 구성하는 요소로서 단일 배터리 팩 또는 다수의 배터리 팩이 적용되는 배터리 에너지 저장 시스템에 모두 적용될 수 있다.The battery assisting apparatus having the constant voltage source function according to the embodiment of the present invention can be applied to a battery energy storage system in which a single battery pack or a plurality of battery packs are applied as an element constituting a battery pack together with a battery.

도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치가 적용된 배터리 팩을 상호 직렬 연결하여 구성한 배터리 에너지 저장 시스템을 도시한 회로도이다.FIG. 9 is a circuit diagram showing a battery energy storage system in which battery packs to which a battery auxiliary device having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention are connected in series.

도 9를 참조하면, n 개의 배터리 팩(1-1 내지 1-n) 각각은 배터리(10-1 내지 10-n)와 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치(20-1 내지 20-n)을 포함할 수 있다. 배터리 팩(1-1 내지 1-n) 각각의 출력단(즉, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치의 외부 연결 단자)은 상호 직렬 연결되고 이 직렬 연결된 구조가 배터리 에너지 저장 시스템의 DC 링크(42)에 연결된다.9, each of the n battery packs 1-1 to 1-n includes a battery 10-1 to 10-n and a battery assisting device 20 having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention. -1 to 20-n). The output terminals of each of the battery packs 1-1 to 1-n (that is, the external connection terminals of the battery auxiliary device having the constant voltage source function according to the embodiment of the present invention) are connected in series and the series- And is connected to the DC link 42 of the storage system.

특히, 도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치를 적용하여 구현한 고장 감내 운전의 일례를 도시한 것으로, 배터리 팩(1-2)의 배터리(10-2)가 고장 등의 이유로 사용이 불가한 경우 그에 연결된 배터리 보조 장치(20-2)를 도 6의 (a)와 같은 “바이패스 출력형 방전 종지 운전 모드”로 운전함으로써 나머지 배터리 팩을 활용하여 배터리 에너지 저장 시스템의 운전을 중단 없이 계속할 수 있으며, 배터리(10-2)의 수리 및 교체가 가능하게 된다.In particular, FIG. 9 shows an example of a failure-tolerance operation implemented by applying a battery auxiliary device having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention. In the battery 10-2 of the battery pack 1-2, The battery auxiliary device 20-2 connected to the battery auxiliary device 20-2 is operated in the "bypass output type discharge end operation mode" as shown in (a) of FIG. 6, The operation of the storage system can be continued without interruption, and the battery 10-2 can be repaired and replaced.

도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치가 적용된 배터리 팩을 직/병렬 혼용 연결하여 구성한 배터리 에너지 저장 시스템을 도시한 회로도이다.FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a battery energy storage system in which battery packs with a battery auxiliary device having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention are connected in series / parallel combination.

도 10은 총 2n 개의 배터리 팩(1-11 내지 1-n, 1-21 내지 1-2n)이 에너지 저장을 위해 마련된 적용예이다. 도 10의 예는, 복수의 배터리 팩(1-11 내지 1-1n)은 상호 직렬 연결되고 복수의 배터리 팩(1-11 내지 1-1n) 각각에 복수의 배터리 팩(1-21 내지 1-2n)이 각각 병렬 연결된 연결 구조를 갖는다. 복수의 배터리 팩(1-11 내지 1-n, 1-21 내지 1-2n) 각각은 배터리(10-11 내지 10-1n, 10-21 내지 10-2n)와 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치(20-11 내지 20-1n, 20-21 내지 20-2n)을 포함할 수 있다. 이와 같이 복수의 배터리 팩(1-11 내지 1-n, 1-21 내지 1-2n)이 직/병렬 혼용으로 연결된 연결 구조가 배터리 에너지 저장 시스템의 DC 링크(42)에 연결된다.10 is an application example in which a total of 2n battery packs 1-11 to 1-n, 1-21 to 1-2n are provided for energy storage. 10, the plurality of battery packs 1-11 to 1-1n are connected in series to each other and are connected to a plurality of battery packs 1-21 to 1- 2n are connected in parallel. Each of the plurality of battery packs 1-11 to 1-n, 1-21 to 1-2n includes a battery 10-11 to 10-1n, 10-21 to 10-2n, And battery assist devices 20-11 to 20-1n, 20-21 to 20-2n having a constant voltage source function. Thus, the connection structure in which the plurality of battery packs 1-11 to 1-n, 1-21 to 1-2n are connected in a direct / parallel combination is connected to the DC link 42 of the battery energy storage system.

특히, 도 10는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치를 적용하여 구현한 고장 감내 운전의 일례를 도시한 것으로, 배터리 팩(1-22)의 배터리(10-22)가 고장 등의 이유로 사용이 불가한 경우 그에 연결된 배터리 보조 장치(20-22)를 도 6의 (b)와 같은 “개방 출력형 방전 종지 운전 모드”로 운전함으로써 나머지 배터리 팩을 활용하여 배터리 에너지 저장 시스템의 운전을 중단 없이 계속할 수 있으며, 배터리(10-22)의 수리 및 교체가 가능하게 된다.
In particular, FIG. 10 shows an example of a failure-tolerance operation implemented by applying a battery auxiliary device having a constant voltage source function according to an embodiment of the present invention. The battery 10-22 of the battery pack 1-22, The battery auxiliary device 20-22 connected to the battery auxiliary device 20-22 is operated in the &quot; open output type discharge cadence operation mode &quot; as shown in FIG. 6 (b) The operation of the system can be continued without interruption, and the battery 10-22 can be repaired and replaced.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는, 배터리의 양단 전압을 외부 연결 단자의 전압보다 항상 낮은 값으로 유지하고 외부 연결 단자 전압을 일정 범위 내에 일정하게 정전압 특성을 갖도록 유지할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치는, 배터리의 양단 전압을 감시하여 과충전 또는 과방전을 예방할 수 있으며, 배터리가 외부 회로에 연결되어 사용되는 중에도 배터리에 문제가 발생하였을 때 외부 회로의 운전을 중단 없이 지속되게 할 수 있다.
As described above, the battery assisting apparatus having the constant voltage source function according to the embodiment of the present invention maintains both end voltage of the battery at a value lower than the voltage of the external connection terminal at all times, So that it has a constant voltage characteristic. In addition, the battery auxiliary device having the constant voltage source function according to the embodiment of the present invention can monitor the voltage across both ends of the battery to prevent overcharging or overdischarge, and even when the battery is connected to an external circuit, The operation of the external circuit can be continued without interruption.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Although the present invention has been described in connection with certain exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the embodiments described, but should be determined by the scope of the following claims and equivalents thereof.

10: 배터리 20: 배터리 보조 장치
21: 배터리 연결 단자 22: 배터리 전압 검출부
23: 배터리 전류 검출부 24: 외부 전압 검출부
25: 외부 전류 검출부 26: 외부 연결 단자
27: 스위치 제어부 28: 스위치 구동부
31, 32: 내부 다이오드 S1-S3: 스위치
CI: 캐패시터 Lf: 인덕터10: Battery 20: Battery assist device
21: battery connection terminal 22: battery voltage detection unit
23: battery current detection unit 24: external voltage detection unit
25: external current detection unit 26: external connection terminal
27: switch control unit 28: switch driving unit
31, 32: Internal diodes S1-S3: Switch
C I : capacitor L f : inductor

Claims (16)

배터리의 양단 전압을 검출하는 배터리 전압 검출부;
상기 배터리에서 출력되거나 배터리로 입력되는 전류를 검출하는 배터리 전류 검출부;
상기 배터리의 방전 전력을 외부로 제공하고 외부로부터 배터리의 충전 전력을 제공받는 외부 연결 단자의 양단 전압을 검출하는 외부 전압 검출부;
상기 배터리의 양단 및 상기 외부 연결 단자의 양단 사이에 연결되며, 상기 배터리의 단자와 상기 외부 연결 단자 사이의 전기적 연결 상태를 운전 모드에 따라 결정하는 복수의 스위치를 포함하는 전력 변환부; 및
상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값, 상기 배터리 전류 검출부에서 검출된 전류값 및 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값 중 적어도 일부에 따라 상기 운전 모드를 결정하고 상기 운전 모드에 따라 상기 복수의 스위치의 개방/단락 상태를 결정하는 스위치 제어부
를 포함하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.A battery voltage detector for detecting a voltage across the battery;
A battery current detector for detecting a current output from the battery or input to the battery;
An external voltage detector for detecting the voltage across the external connection terminal, which provides the discharge power of the battery to the outside and receives the charging power of the battery from the outside;
A plurality of switches connected between both ends of the battery and both ends of the external connection terminal and determining a state of electrical connection between the terminal of the battery and the external connection terminal according to an operation mode; And
Wherein the control unit determines the operation mode according to at least a part of the voltage value detected by the battery voltage detection unit, the current value detected by the battery current detection unit, and the voltage value detected by the external voltage detection unit, A switch control unit for determining an open /
Wherein the battery auxiliary device has a constant voltage source function. 제1항에 있어서, 상기 전력 변환부는,
상기 배터리의 일단에 연결된 일단을 갖는 제1 스위치;
상기 제1 스위치의 타단에 연결된 일단을 갖는 인덕터;
상기 제1 스위치의 일단과 상기 배터리의 타단 사이에 연결된 캐패시터;
상기 인덕터의 타단과 상기 외부 연결 단자의 일단에 각각 연결된 양단을 갖는 제2 스위치; 및
상기 인덕터의 타단과 상기 배터리의 타단에 각각 양단이 연결된 제3 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.The power conversion apparatus according to claim 1,
A first switch having one end connected to one end of the battery;
An inductor having one end connected to the other end of the first switch;
A capacitor connected between one end of the first switch and the other end of the battery;
A second switch having both ends connected to the other end of the inductor and one end of the external connection terminal; And
And a third switch connected to the other end of the inductor and the other end of the battery, respectively. 제2항에 있어서,
상기 운전 모드가 상기 배터리를 충전하는 충전 운전 모드인 경우,
상기 스위치 제어부는, 상기 제1 스위치를 지속적으로 단락 상태가 되도록 결정하고, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값과 상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값에 따른 듀티비로 상기 제2 스위치를 PWM 제어하며, 상기 제3 스위치를 지속적으로 개방 상태가 되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.3. The method of claim 2,
When the operation mode is the charge operation mode for charging the battery,
Wherein the switch control unit determines the first switch to be continuously in a short-circuit state and PWM-controls the second switch at a duty ratio according to a voltage value detected by the external voltage detecting unit and a voltage value detected by the battery voltage detecting unit And the third switch is determined to be in the open state continuously. 제3항에 있어서, 상기 제3 스위치는,
상기 인덕터의 타단에 연결된 캐소드와 상기 배터리의 타단에 연결된 애노드를 갖는 내부 다이오드를 포함하는 MOSFET인 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.The apparatus of claim 3, wherein the third switch comprises:
And an internal diode having a cathode connected to the other end of the inductor and an anode connected to the other end of the battery. 제2항에 있어서,
상기 운전 모드가 상기 배터리가 전력을 방출하는 방전 운전 모드인 경우,
상기 스위치 제어부는, 상기 제1 스위치를 지속적으로 단락 상태가 되도록 결정하고, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값과 상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값에 따른 듀티비로 상기 제3 스위치를 PWM 제어하며, 상기 제2 스위치를 지속적으로 개방 상태가 되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.3. The method of claim 2,
When the operation mode is a discharge operation mode in which the battery discharges electric power,
Wherein the switch control unit determines the first switch to be in a short-circuited state and PWM-controls the third switch at a duty ratio according to a voltage value detected by the external voltage detecting unit and a voltage value detected by the battery voltage detecting unit , And the second switch is determined to be in the open state continuously. 제5항에 있어서, 상기 제2 스위치는,
상기 인덕터의 타단에 연결된 애노드와 상기 외부 연결 단자의 일단에 캐소드가 연결된 캐소드를 갖는 내부 다이오드를 포함하는 MOSFET인 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.6. The apparatus of claim 5, wherein the second switch comprises:
And an internal diode having an anode connected to the other end of the inductor and a cathode connected to a cathode at one end of the external connection terminal. 제2항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값이 사전 설정된 한계 고전압 이상이 되는 경우, 상기 제1 스위치를 단락 상태로 결정하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 개방 상태로 결정하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.The apparatus according to claim 2,
And determines that the first switch is in a short-circuit state and the second switch and the third switch are in an open state when the voltage value detected by the battery voltage detection unit becomes a predetermined limit high- Battery auxiliary device with circular function. 제2항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값이 사전 설정된 한계 저전압 이하가 되는 경우, 상기 제1 스위치를 단락 상태로 결정하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 단락 상태로 결정하여, 상기 배터리를 아이솔레이션 시키고 상기 외부 연결 단자 양단을 바이패스 시키는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.The apparatus according to claim 2,
The first switch is determined to be short-circuited, the second switch and the third switch are determined to be short-circuited, and when the voltage value detected by the battery voltage detection unit is less than or equal to a predetermined limit lower voltage, And bypasses both ends of the external connection terminal. 제2항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
상기 배터리 전압 검출부에서 검출된 전압값이 사전 설정된 한계 저전압 이하가 되는 경우, 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 개방 상태로 결정하여, 상기 배터리를 아이솔레이션 시키고 상기 외부 연결 단자 양단을 개방 상태가 되게 하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.The apparatus according to claim 2,
The first switch, the second switch, and the third switch are determined to be in an open state to isolate the battery, and when the voltage value detected by the battery voltage detector reaches a predetermined lower limit voltage or lower, To be in an open state. &Lt; IMAGE &gt; 제2항에 있어서,
상기 외부 연결 단자에 흐르는 전류를 검출하는 외부 전류 검출부를 더 포함하며,
상기 스위치 제어부는, 상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값과 상기 외부 전류 검출부에서 검출된 전류값과, 상기 외부 연결 단자의 전압에 대해 사전 설정된 한계 고전압과 상기 외부 연결 단자의 전압에 대해 사전 설정된 한계 저전압과, 상기 한계 고전압 및 상기 한계 저전압 사이에서 사전 설정된 방전 전압 및 충전 전압-상기 방전 전압은 상기 충전 전압 보다 낮게 설정됨-에 따라 히스테리시스 제어를 통해 배터리의 충전 및 방전 운전을 제어하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.3. The method of claim 2,
Further comprising an external current detection unit for detecting a current flowing in the external connection terminal,
The switch control unit may control the voltage value detected by the external voltage detection unit, the current value detected by the external current detection unit, the limit high voltage preset for the voltage of the external connection terminal, Characterized in that charging and discharging operations of the battery are controlled through hysteresis control in accordance with a low voltage, a predetermined discharge voltage between the high limit voltage and the limit low voltage, and a charging voltage - the discharging voltage is set lower than the charging voltage The battery auxiliary device having a constant voltage source function. 제10항에 있어서,
상기 한계 저전압은 상기 배터리의 충전 종지 전압 보다 높게 사전 설정되며, 상기 한계 고전압은 상기 배터리의 방전 종지 전압보다 낮게 사전 설정되는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.11. The method of claim 10,
Wherein the limit low voltage is preset to be higher than the charge end voltage of the battery, and the limit high voltage is preset to be lower than the discharge end voltage of the battery. 제10항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값이 상기 한계 저전압 및 상기 방전 전압 사이의 값인 경우, 상기 배터리가 방전되는 방전 운전 모드로 상기 복수의 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.11. The apparatus according to claim 10,
Wherein the control unit controls the plurality of switches in a discharge operation mode in which the battery is discharged when the voltage value detected by the external voltage detection unit is a value between the threshold low voltage and the discharge voltage. . 제10항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값이 상기 충전 전압 및 상기 한계 고전압 사이의 값인 경우, 상기 배터리가 충전되는 충전 운전 모드로 상기 복수의 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.11. The apparatus according to claim 10,
Wherein the control unit controls the plurality of switches in a charge operation mode in which the battery is charged when the voltage value detected by the external voltage detection unit is a value between the charge voltage and the limit high voltage. . 제10항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값이 상기 방전 전압 및 상기 충전 전압 사이의 값이고, 상기 외부 전류 검출부에서 검출된 전류가 상기 외부로 출력되는 전류인 경우, 상기 배터리가 방전되는 방전 운전 모드로 상기 복수의 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.11. The apparatus according to claim 10,
Wherein when the voltage detected by the external voltage detector is a value between the discharge voltage and the charge voltage and the current detected by the external current detector is a current output to the outside, Wherein the plurality of switches are controlled by a plurality of switches. 제10항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
상기 외부 전압 검출부에서 검출된 전압값이 상기 방전 전압 및 상기 충전 전압 사이의 값이고, 상기 외부 전류 검출부에서 검출된 전류가 상기 외부로부터 입력되는 전류인 경우, 상기 배터리가 충전되는 충전 운전 모드로 상기 복수의 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치.11. The apparatus according to claim 10,
Wherein when the voltage detected by the external voltage detector is a value between the discharge voltage and the charging voltage and the current detected by the external current detector is a current input from the outside, Wherein the plurality of switches are controlled by a plurality of switches. 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 및
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 정전압원 기능을 갖는 배터리 보조 장치
를 포함하는 배터리 팩.A battery comprising a plurality of battery cells connected in series; And
A battery auxiliary device having a constant voltage source function according to any one of claims 1 to 15
.
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