KR20180061706A - Method for Analysis Quality of Communication of Battery System using HBD, and System thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩 및 그 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는, 본 발명은 병렬 연결된 각 Cell 간에 전류제어 FET를 연결하여 충/방전 전류 흐름을 제어하여 노화된 Cell의 전류 흐름을 최소한 줄이고, 수명이 충분히 남은 Cell은 전류 흐름을 최대한으로 충/방전 가중치를 조절하여 모든 병렬 연결된 Cell의 수명이 고르게 단축되도록 하는 것에 특징을 갖는 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩 및 그 방법이다.
[0001] The present invention relates to a battery pack capable of improving the service life through active control of cells connected in parallel, and more particularly, to a battery pack and its method capable of improving charge / discharge current by connecting current control FETs between cells connected in parallel The active control of the parallel-connected cells, characterized by minimizing the current flow of the aged cells and having a sufficiently long lifetime, is characterized by uniformly shortening the lifetime of all parallel-connected cells by adjusting the charge / discharge weights to the maximum current flow A battery pack and a method thereof.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품 뿐 만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.In general, the secondary battery includes a nickel cadmium battery, a nickel metal hydride battery, a lithium ion battery, and a lithium ion polymer battery. Such a secondary battery is not only a compact product such as a digital camera, a P-DVD, an MP3P, a mobile phone, a PDA, a portable game device, a power tool and an e-bike, but also a large product requiring high output such as an electric car or a hybrid car, Power storage devices for storing power generation and renewable energy, and backup power storage devices.
한편, 전기 자동차나 하이브리드 전기 자동차 또는 전력 저장 장치에 사용되는 대용량 배터리는 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 단위 셀 집합체를 포함한다. 다수의 단위 셀이 연결된 배터리는 배터리팩의 형태로 충방전이 반복됨에 따라 각 단위 셀 및 배터리팩의 상태를 제어해야 하는 문제가 발생하게 된다. 이러한 전력저장시스템의 저장장치는 배터리팩을 하나만 사용하는 것이 아니라 여러 개를 연결해서 사용하기 때문에, 여러 개의 배터리팩을 원활하게 운영할 수 있도록 각 배터리팩의 전압, 전류, 온도 등의 상태 정보를 모니터링하고 제어하기 위한 배터리관리시스템(Battery Management System; 이하 'BMS'라 칭함)를 구비하고 있다. BMS는 중대형 2차전지가 전기 함출과 출력 균형을 조절하도록 하여 폭발사고 등을 방지하고, PCS(Power Control System), HVAC(Heating, Ventilating and Air Conditioning) 등의 주변 장비와의 데이터 교환을 통하여 배터리팩을 안정적으로 유지 및 제어한다. On the other hand, a large-capacity battery used in an electric vehicle, a hybrid electric vehicle or a power storage device includes a plurality of unit cell assemblies connected in series and / or in parallel. The battery connected to a plurality of unit cells is repeatedly charged and discharged in the form of a battery pack, so that the state of each unit cell and the battery pack must be controlled. Since the storage device of this power storage system uses not only a single battery pack, but also a plurality of battery packs, it is possible to use various battery packs such as voltage, current, and temperature information of each battery pack And a battery management system (hereinafter referred to as 'BMS') for monitoring and controlling the battery. The BMS is designed to prevent explosion by regulating the electric power and output balance of the middle and large secondary battery and exchange data with peripheral equipment such as PCS (Power Control System), HVAC (Heating, Ventilating and Air Conditioning) In a stable manner.
이와 같은 BMS를 이용하여 배터리 모듈을 제어하는 배터리팩에 있어서, 기존 배터리 팩의 경우, 대용량을 위하여 병렬 연결된 셀 간의 성능 편차에 의한 노화도 차이로 배터리 팩의 수명은 병렬 연결된 셀 어레이의 셀의 최저 수명을 가진 셀의 노화도에 따라 결정된다. 따라서 배터리 팩의 운영 측면에서는 다수의 수명이 충분히 남아있는 셀을 포함하는 배터리 모듈이 여전히 존재하지만 노화된 셀에 의하여 배터리 모듈에 의해 수명이 결정되어 배터리 팩의 수명이 단축되는 결과로 이어진다. In the case of a conventional battery pack in which a battery module is controlled using the BMS, the life of the battery pack is shortened due to a variation in performance due to performance variations between cells connected in parallel for a large capacity, Is determined according to the degree of senescence of the cells having Therefore, in the operation aspect of the battery pack, although a battery module including a cell having a sufficient number of remaining lifetime still exists, the lifetime is determined by the battery module by the aged cell, resulting in shortening the life of the battery pack.
일본 특허공개공보 2009-512144호(2009.03.19)에서는 배터리팩으로서, 일련이 접속된 범용 배터리 모듈 중의 적어도 2개의 범용 배터리 모듈로서, 각각의 범용 배터리 모듈은 복수의 직렬 접속된 배터리 셀, 상기 셀에 접속되고 상기 셀의 물리적 파라미터를 모니터링 및 송신하도록 구성된 센서 수단, 상기 센서 수단과 통신하고, 상기 센서 수단으로부터의 물리적 파라미터에 기초해 상기 셀을 제어하는 배터리 제어유닛을 포함한, 상기 적어도 2개의 범용 배터리 모듈；상기 일련의 범용 배터리 모듈에 연결된 주제어 모듈로서, 상기 주제어 모듈은 배터리팩 전원의 온/오프를 제어하도록 구성되고 그리고 각 범용 배터리 모듈과 인터페이스로 접속하는 내부 전기 커넥터 수단 및 상기 일련의 범용 배터리 모듈의 전기적 균등화를 제어하는 제어 수단을 포함한, 상기 주제어 모듈；을 포함하고 여기서 상기 일련의 범용 배터리 모듈 및 상기 주제어 모듈은 하나의 일체형 배터리팩으로서 패키지화되어 있다, 상기 배터리팩이 개시되어 있다. Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2009-512144 (Mar. 19, 2009) discloses a battery pack, comprising at least two universal battery modules of a universal battery module connected in series, each universal battery module comprising a plurality of serially connected battery cells, And a battery control unit communicating with the sensor means and controlling the cell based on physical parameters from the sensor means, wherein the at least two general purpose A main control module connected to the universal battery module, wherein the main control module is configured to control on / off of a battery pack power source and to interface with each universal battery module, Including control means for controlling electrical equalization of the battery module, And the main control unit module and the main control unit module are packaged as one integrated battery pack.
한국 특허공개공보 2012-0049224호(2012.05.16)에서는 배터리 팩 내의 퇴화를 제한하는 통지를 제공하기 위한 시스템으로서, 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성기; 배터리 팩의 임계 조건(threshold condition)을 검출하기 위한 제1 회로- 상기 제1 회로는 또한 상기 신호를 통과시키고 중단하도록 구성됨-; 및 제2 회로-상기 제2 회로는 미리 결정된 양의 시간보다 더 많은 시간 동안 상기 제2 회로에서 상기 신호의 부재에 응답하여 상기 배터리 팩의 출력 접촉기를 오픈하도록 구성됨-를 포함하는 통지 제공 시스템이 개시되어 있다. Korean Patent Laid-Open Publication No. 2012-0049224 (May 16, 2012) discloses a system for providing a notification of restricting degradation in a battery pack, comprising: a signal generator configured to generate a signal; A first circuit for detecting a threshold condition of the battery pack, the first circuit being further configured to pass and stop the signal; And the second circuit is configured to open the output contactor of the battery pack in response to the absence of the signal in the second circuit for more than a predetermined amount of time Lt; / RTI >
한국 특허등록공보 10-1042768호(2011.06.13)에서는 양극과 음극을 가지는 재충전 가능한 배터리; 상기 배터리의 대전류 경로와 전기적으로 연결되는 충전 스위칭 소자와 방전 스위칭 소자를 포함하는 충/방전 스위칭소자부; 및 상기 충전 스위칭 소자와 전기적으로 연결되며, 상기 충전 스위칭 소자가 흘릴 수 있는 충전 전류 한계값을 설정하고, 상기 충전 전류 한계값 이내의 범위내에서 상기 충전 스위칭 소자의 충전 전류량을 조절하는 배터리 관리 유닛(BMU; Battery Management Unit); 및 상기 배터리의 대전류 경로에 설치되는 전류 검출 소자를 더 포함하여 형성되며, 상기 배터리 관리 유닛은 상기 전류 검출 소자와 전기적으로 연결되어 상기 배터리의 대전류 경로에 흐르는 전류값을 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 개시하고 있다.Korean Patent Registration No. 10-1042768 (Jun. 23, 2011) discloses a rechargeable battery having an anode and a cathode; A charge / discharge switching element part including a charge switching element and a discharge switching element electrically connected to a high current path of the battery; And a battery management unit which is electrically connected to the charge switching element and sets a charge current limit value to which the charge switching element can flow, and adjusts a charge current amount of the charge switching element within a range within the charge current limit value, (BMU); And a current detection element provided in a high current path of the battery, wherein the battery management unit is electrically connected to the current detection element to calculate a current value flowing in a large current path of the battery. Pack.
일본 특허공개공보 2004-336994호(2004.11.25)에서는 적어도 하나의 배터리 셀과 상기 배터리 셀과 상기 배터리 셀을 방전하기 위한 부하와의 선택적인 접속을 가능하게 함과 동시에, 상기 배터리 셀과 상기 배터리 셀을 충전하기 위한 전원과의 선택적인 접속을 가능하게 하는 제1 및 제2 스위치와 상기 스위치의 한쪽 또는 쌍방을 닫고, 상기 셀을 흐르는 방전 전류가 소정의 최소 방전 전류 레벨에 이르렀을 때 상기 배터리 셀의 방전을 가능하게 함과 동시에, 상기 스위치의 한쪽 또는 쌍방을 닫고, 상기 셀을 흐르는 전하 전류가 소정의 최소 전하 전류 레벨에 이르렀을 때 상기 배터리 셀의 충전을 가능하게 하도록 구성된 스위치 컨트롤러를 구비한 배터리팩이 개시되어 있다.In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-336994 (Nov. 25, 2004), at least one battery cell and a battery cell are selectively connected to a load for discharging the battery cell, and at the same time, Closing one or both of the first and second switches and the switch enabling selective connection with a power source for charging the cell, and when the discharge current flowing through the cell reaches a predetermined minimum discharge current level, And a switch controller configured to enable discharging of the cell and to close one or both of the switches and enable charging of the battery cell when the charge current flowing through the cell reaches a predetermined minimum charge current level A battery pack is disclosed.
일본 특허공개공보 2013-504294호(2013.02.04)에서는 피드백 모듈과 제어 모듈과 스위칭 모듈과 축적 모듈을 가지는 충전 회로로서, 상기 피드백 모듈은 전원으로부터의 입력 전류에 기초해 상기 제어 모듈에 입력되는 피드백 신호를 발생시키도록 구성되고 상기 제어 모듈은 상기 피드백 신호에 기초해 상기 스위칭 모듈을 제어하는 제어 신호를 발생시키도록 구성되고 상기 축적 모듈은 상기 스위칭 모듈이 온의 때, 상기 전원으로부터의 상기 입력 전류를 받아, 상기 스위칭 모듈이 오프의 때, 출력 전류를 제공해 에너지 축적 요소를 충전해, 또한 상기 제어 모듈은 상기 피드백 신호가 기준 신호보다 실질적으로 작을 때 상기 스위칭 모듈의 온 오프비를 높이도록 제어 신호를 조정해, 또는 상기 피드백 신호가 상기 기준 신호보다 실질적으로 작을 때 상기 스위칭 모듈의 온 오프비를 낮게 하도록 상기 제어 신호를 조정하도록 구성되어 있는, 충전 회로가 개시되어 있다. Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2013-504294 (Feb. 03, 2014) discloses a charging circuit having a feedback module, a control module, a switching module, and a storage module, wherein the feedback module includes feedback Wherein the control module is configured to generate a control signal to control the switching module based on the feedback signal and the accumulation module is configured to generate a control signal to control the input current Off ratio of the switching module when the feedback signal is substantially smaller than the reference signal, the control module receiving the control signal to increase the on / off ratio of the switching module when the switching module is off, Or when the feedback signal is substantially smaller than the reference signal, So as to lower the on-off ratio of the switching module is configured to adjust the control signal, a charging circuit is disclosed.
그러나, 병렬 연결된 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈 내의 셀간의 노화 편차를 줄여 최대한 배터리 팩의 수명을 연장하기 위하여 병렬 연결된 각 셀 간 전류 제어 FET를 통해 모든 병렬 연결된 셀의 수명을 고르게 단축되도록 제어하는 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩 및 그 방법 기술은 제시된 바가 없다.
However, in order to shorten the aging deviation between the cells in the battery module constituting the parallel-connected battery pack, the life of all the cells connected in parallel is controlled to be shortened evenly through the current- There is no description of a battery pack and a method thereof capable of improving the service life through active control of the connected cells.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 주된 목적은 병렬로 연결된 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈을 구성하는 셀 및 셀 어레이의 충전과 방전이 반복되는 운영 시간이 경과됨에 따라 노화되며, 배터리가 노화될수록 배터리 모듈을 구성하는 셀 중에 최저 수명을 가진 셀에 의해서 결정되므로 이에 따라서 배터리 팩의 교체 수명에 악영향을 주는 문제점을 해결하기 위한 것으로 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is a primary object of the present invention to solve the above-mentioned problems of the related art, and it is an object of the present invention to provide a battery pack comprising a battery pack connected in parallel, In order to solve the problem of deteriorating the replacement life of the battery pack due to the determination of the cells having the lowest lifetime in the cells constituting the battery module as the battery ages, the lifetime improvement through the active control of the cells connected in parallel A battery pack and a method thereof are provided.
또한, 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈의 병렬 연결된 셀 어레이의 셀간 노화 편차를 셀의 특성 데이터를 통하여 도출된 사용가중치를 이용하여 최대한 줄임으로써 최대한 배터리 팩의 수명을 연장하기 위한 제어 알고리즘을 도출하기 위한 것으로 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩 및 그 방법을 제공하는데 추가적인 목적이 있다.In order to derive the control algorithm for maximizing the life of the battery pack by minimizing the inter-cell aging deviation of the cell array connected in parallel in the battery module constituting the battery pack using the usage weight derived from the cell characteristic data The present invention further provides a battery pack and a method thereof capable of improving the service life through active control of cells connected in parallel with each other.
또한, 병렬 연결된 각 Cell 간에 전류제어 FET를 연결하여 충/방전 전류 흐름을 제어하여 노화된 Cell의 전류 흐름을 최소한 줄이고, 수명이 충분히 남은 Cell은 전류 흐름을 최대한으로 충/방전 가중치를 조절하여 모든 병렬 연결된 Cell의 수명이 고르게 단축되도록 하는 것에 특징을 갖는 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
In addition, current control FET is connected between each cell connected in parallel to control the charge / discharge current flow to minimize the current flow in the aged cell, and the cell having a sufficient lifetime can adjust the charge / discharge weight The present invention aims at providing a battery pack and a method thereof capable of improving the service life through active control of cells connected in parallel characterized in that the lifetime of cells connected in parallel is evenly shortened.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, n × m 의 셀로 이루어진 배터리 모듈; 여기서, n은 하나의 셀 어레이 내의 직렬로 연결된 셀의 개수, m은 상기 셀 어레이가 병렬로 연결된 개수, 상기 셀 어레이의 전류제어를 위하여 연결된 m개의 FET(Field Effect Transistor); 상기 FET를 제어하는 MCU(Micro Control Unit); 및 상기 셀 어레이의 저항측정을 위한 방전회로;를 포함하는 능동 제어를 통한 수명 향상이 가능한 배터리 팩을 제공한다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and an object of the present invention is to provide a battery module comprising n x m cells. Here, n is the number of cells connected in series in one cell array, m is the number of cells connected in parallel, m field effect transistors (FETs) connected for current control of the cell array; An MCU (Micro Control Unit) for controlling the FET; And a discharge circuit for measuring the resistance of the cell array.
또한, 상기 n × m 셀의 저항 측정을 위하여 방전 회로에 형성된 상기 MCU의 제어를 받는 저항 측정 FET;를 추가로 포함할 수 있다.The resistance measurement FET may further include a resistance measurement FET under the control of the MCU formed in the discharge circuit for measuring the resistance of the n × m cells.
또한, 상기 n × m 셀의 저항 측정 조건은, 상기 저항 측정 FET는 항상 접속상태로 제어하고 저항 측정 대상 셀의 FET만 상기 MCU가 접속 또는 해제를 순차적으로 제어할 수 있다. The resistance measurement condition of the n x m cell is such that the resistance measurement FET is always controlled to be in the connected state and only the FET of the resistance measurement target cell can sequentially control connection or release of the MCU.
또한, 상기 측정된 n × m 셀 중 가장 높은 저항값을 갖는 셀에 기준이 되는 최소 사용가중치를 부여하고 다른 셀의 상대적인 사용가중치를 결정할 수 있다.In addition, a minimum usable weight as a reference may be given to a cell having the highest resistance value among the measured n x m cells, and a relative usable weight of another cell may be determined.
또한, 상기 사용가중치에 따라서 방전을 위한 n × m 셀의 FET 접속 시간을 PWM(Pulse Width Modulation)제어를 통해 n × m 셀의 노화 밸런싱을 수행할 수 있다.In addition, the aging balancing of the nxm cells can be performed through PWM (Pulse Width Modulation) control of the FET connection time of the nxm cells for discharging according to the usage weight.
또한, 상기 MCU는 상기 n × m 셀의 노화 밸런싱 수행 상태를 설치자 및/또는 사용자에게 공지신호를 생성하는 제어 기능을 추가로 포함할 수 있다.In addition, the MCU may further include a control function of generating a notice signal to the installer and / or the user of the state of performing the aging balancing of the nxm cell.
또한, 상기 배터리 모듈을 구성하는 하나 이상의 셀 전압, 전류 및 n × m 셀 밸런싱을 센싱하는 AFE(Analog Front End);를 추가로 포함할 수 있다.Further, an AFE (Analog Front End) for sensing at least one cell voltage, current, and nxm cell balancing constituting the battery module may be further included.
또한, 상기 어느 한 배터리 팩이 적용된 전자기기 일 수 있다. Also, it may be an electronic device to which any one of the battery packs described above is applied.
또한, 상기 어느 한 배터리 팩이 적용된 전기 자동차 일 수 있다.Further, it may be an electric vehicle to which any one of the battery packs described above is applied.
또한, 상기 어느 한 배터리 팩이 적용된 하이브리드 자동차 일 수 있다.Also, the hybrid vehicle may be a battery pack to which the above-described battery pack is applied.
또한, 상기 어느 한 배터리 팩이 적용된 전력 저장 장치 일 수 있다.Also, it may be a power storage device to which one of the battery packs described above is applied.
또한 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, n × m 의 셀로 이루어진 배터리 모듈; 여기서, n은 하나의 셀 어레이 내의 직렬로 연결된 셀의 개수, m은 상기 셀 어레이가 병렬로 연결된 개수, 상기 셀 어레이의 전류제어를 위하여 연결된 m개의 FET(Field Effect Transistor); 상기 FET를 제어하는 MCU(Micro Control Unit); 및 상기 셀 어레이의 저항측정을 위한 방전회로;를 포함하는 능동 제어를 통한 수명 향상이 가능한 배터리 팩의 수명 향상 방법에 있어서, 상기 저항 측정 FET를 항상 접속상태로 제어하는 제1단계; 상기 측정 셀의 전압을 측정하는 제2단계; 상기 측정 셀의 전류를 측정하는 제3단계; 상기 측정 셀의 전압 및 전류 값을 이용하여 저항을 측정하는 제4단계;를 포함하는 능동 제어를 통한 배터리 팩의 수명 향상 방법일 수 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a battery module comprising n × m cells. Here, n is the number of cells connected in series in one cell array, m is the number of cells connected in parallel, m field effect transistors (FETs) connected for current control of the cell array; An MCU (Micro Control Unit) for controlling the FET; And a discharge circuit for measuring a resistance of the cell array, the method comprising: a first step of continuously controlling the resistance measurement FET to a connected state; A second step of measuring a voltage of the measurement cell; A third step of measuring a current of the measurement cell; And measuring a resistance using the voltage and the current value of the measurement cell. The active control may be a method for improving the service life of the battery pack.
또한, 상기 측정된 셀 중 가장 높은 저항값을 갖는 셀에 기준이 되는 최소 사용가중치를 부여하고 다른 셀의 상대적인 사용가중치를 결정하는 제5단계를 추가로 포함할 수 있다.The method may further include a fifth step of providing a minimum usable weight as a reference to the cell having the highest resistance value among the measured cells and determining a relative use weight of the other cells.
또한, 상기 사용가중치에 따라서 방전을 위한 n × m의 셀의 FET의 접속 시간을 PWM(Pulse Width Modulation)제어를 통해 n × m의 셀의 노화 밸런싱을 수행하는 제6단계를 추가로 포함할 수 있다.
The method may further include a sixth step of performing aging balancing of n × m cells through PWM (Pulse Width Modulation) control of the connection time of FETs of n × m cells for discharging in accordance with the usage weight values have.
본 발명에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩 및 그 방법에 의하면, 셀 저항 측정값을 이용한 사용가중치를 설정하여 배터리 팩의 수명 향상을 유도할 수 있는 효과가 있다. According to the battery pack and the method capable of improving the service life through the active control of the cells connected in parallel according to the present invention, lifetime of the battery pack can be improved by setting the usage weight using the cell resistance measurement value.
또한, 본 발명은 MCU의 배터리 모듈을 구성하는 셀의 성능 특성 값을 센싱하고 상기 센싱값을 이용하여 셀의 충전 및 방전 제어를 통해 안정적인 배터리 팩의 운용이 가능한 효과가 있다.In addition, the present invention has an effect that a performance characteristic value of a cell constituting a battery module of an MCU is sensed and a stable battery pack can be operated through charging and discharging control of the cell using the sensed value.
또한, 본 발명은 배터리 팩의 MCU를 통한 배터리 모듈 구성 셀의 충전 및 방전을 제어함으로 써 셀간의 노화 편차에 따른 국부 발열이 감소되는 효과가 있다.In addition, the present invention has an effect of reducing local heat generation due to the aging deviation between cells by controlling the charging and discharging of the battery module constituting cells through the MCU of the battery pack.
또한, 본 발명은 배터리 팩의 MCU를 통한 충전 및 방전을 센싱값으로부터 도출한 사용가중치에 따라서 제어함으로써 배터리 모듈을 구성하는 셀의 방전 Cut-off 시간을 향상시키는 효과가 있다.
Also, the present invention has an effect of improving discharge cut-off time of cells constituting a battery module by controlling charging and discharging through the MCU of the battery pack according to usage weights derived from sensing values.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩이 구현된 블록 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩의 셀 어레이의 저항 측정이 구현된 블록 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩의 셀 어레이의 저항 측정시 FET 접속상태를 나타낸 표이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩의 셀 어레이의 저항 측정시 센싱 정보를 나타낸 표이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩의 셀 어레이의 저항 측정을 통한 사용가중치를 나타낸 표이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩의 셀 어레이의 사용가중치를 통한 PWM값을 나타낸 표이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩의 셀 어레이의 PWM Period값을 도출한 표이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩의 셀 어레이의 도출된 PWM Period값에 따른 FET 접속을 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a block diagram illustrating a battery pack capable of improving lifetime through active control of cells connected in parallel according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 2 is a block diagram illustrating resistance measurement of a cell array of a battery pack capable of improving lifetime through active control of cells connected in parallel according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 3 is a table showing the connection state of an FET when a resistance of a cell array of a battery pack capable of improving lifetime through active control of cells connected in parallel according to an embodiment of the present invention is measured.
FIG. 4 is a table showing sensing information when measuring resistance of a cell array of a battery pack capable of improving lifetime through active control of cells connected in parallel according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 5 is a table showing a usage weight according to resistance measurement of a cell array of a battery pack capable of improving lifetime through active control of cells connected in parallel according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 6 is a table showing a PWM value based on a usage weight of a cell array of a battery pack capable of improving lifetime through active control of cells connected in parallel according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 7 is a table showing PWM Period values of a cell array of a battery pack capable of improving lifetime through active control of cells connected in parallel according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating a FET connection according to the derived PWM Period value of a cell array of a battery pack capable of improving lifetime through active control of cells connected in parallel according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.The same reference numerals are used for portions having similar functions and functions throughout the drawings. Throughout the specification, when a part is connected to another part, it includes not only a case where it is directly connected but also a case where the other part is indirectly connected with another part in between. In addition, the inclusion of an element does not exclude other elements, but may include other elements, unless specifically stated otherwise.
본 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다. The present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩이 구현된 블록 다이어그램을 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a block diagram illustrating a battery pack capable of improving lifetime through active control of cells connected in parallel according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
n × m 의 셀로 이루어진 배터리 모듈; 여기서, n은 하나의 셀 어레이 내의 직렬로 연결된 셀의 개수, m은 상기 셀 어레이가 병렬로 연결된 개수, 상기 셀 어레이의 전류제어를 위하여 연결된 m개의 FET(Field Effect Transistor); 상기 FET를 제어하는 MCU(Micro Control Unit); 및 상기 셀 어레이의 저항측정을 위한 방전회로;를 포함하는 능동 제어를 통한 수명 향상이 가능한 배터리 팩을 제공한다.a battery module made up of n x m cells; Here, n is the number of cells connected in series in one cell array, m is the number of cells connected in parallel, m field effect transistors (FETs) connected for current control of the cell array; An MCU (Micro Control Unit) for controlling the FET; And a discharge circuit for measuring the resistance of the cell array.
상기 MCU는 C, V, T를 제어, Coulomb count Fuel gauge, 프로텍션, 스위치, LED 제어, Abnormality detection, 밸런싱, SMBus Comm., 프로텍션 파라미터 업데이트, RMA, FET, AFE, I2C Comm. 중 어느 하나 이상의 기능을 포함할 수 있다. The MCU can control C, V, T, Coulomb count fuel gauge, protection, switch, LED control, Abnormality detection, Balancing, SMBus Comm., Protection parameter update, RMA, FET, AFE, I2C Comm. May include any one or more of the following functions.
상기 방전회로에는 상기 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 하나 이상의 충방전FET가 포함될 수 있다. The discharge circuit may include one or more charge / discharge FETs for controlling charge / discharge of the battery module.
또한, 상기 충방전 회로의 안전을 위하여 퓨즈가 포함될 수 있다. In addition, a fuse may be included for the safety of the charging and discharging circuit.
상기 충방전 FET를 상기 MCU가 제어하기 위한 드라이버IC가 포함될 수 있다.And a driver IC for controlling the charging / discharging FET by the MCU.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩의 셀 어레이의 저항 측정이 구현된 블록 다이어그램을 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a block diagram illustrating resistance measurement of a cell array of a battery pack capable of improving lifetime through active control of cells connected in parallel according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
상기 n × m의 셀의 저항 측정 조건은, 상기 저항 측정 FET는 항상 접속상태로 제어하고 저항 측정 대상 셀의 FET만 상기 MCU가 접속 또는 해제를 순차적으로 제어할 수 있다. The resistance measurement condition of the n × m cell is such that the resistance measurement FET is always controlled to be in the connected state and only the FET of the resistance measurement target cell can sequentially control connection or release of the MCU.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩의 셀 어레이의 저항 측정시 FET 접속상태를 나타낸 표이다.FIG. 3 is a table showing the connection state of an FET when a resistance of a cell array of a battery pack capable of improving lifetime through active control of cells connected in parallel according to an embodiment of the present invention is measured.
상기 저항 측정 조건은 하기 식으로부터 측정 될 수 있다. (m은 고정값)The resistance measurement conditions can be measured from the following equation. (m is a fixed value)
측정 셀 전압 : Vdn Measuring cell voltage: Vd n
측정 셀 전류 : Cn Measurement cell current: C n
측정 셀 저항 : Zn = Vdn/Cn Measurement cell resistance: Z n = Vd n / C n
상기 측정된 n × m의 셀 중 가장 높은 저항값을 갖는 셀에 기준이 되는 최소 사용가중치를 부여하고 다른 셀의 상대적인 사용가중치를 결정할 수 있다.A minimum usable weight as a reference may be given to a cell having the highest resistance value among the measured n x m cells, and a relative usable weight of another cell may be determined.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩의 셀 어레이의 저항 측정시 센싱 정보를 나타낸 표이다.FIG. 4 is a table showing sensing information when measuring resistance of a cell array of a battery pack capable of improving lifetime through active control of cells connected in parallel according to an embodiment of the present invention. FIG.
Rest 상태에서 각 병렬 연결된 배터리 팩의 저항을 측정하여 노화도(Impedance)를 측정한다.Measure the resistance (impedance) by measuring the resistance of each parallel-connected battery pack in the Rest state.
상기 사용가중치는 하기 식을 통하여 도출할 수 있다. (m은 고정값) The usage weight can be derived from the following equation. (m is a fixed value)
측정 셀 저항 : Zm = Vdn/Cn Measurement cell resistance: Z m = Vd n / C n
측정 셀 사용가중치 : Wn =(1/Zn)/(min[1/Z1, 1/Z2,…,1/Zn]Measuring cell using weights: W n = (1 / Z n) / (min [1 /
상기 사용가중치에 따라서 방전을 위한 n × m의 셀의 FET 접속 시간을 PWM(Pulse Width Modulation)제어를 통해 n의 셀의 노화 밸런싱을 수행할 수 있다.The aging balancing of the cells of n can be performed by PWM (Pulse Width Modulation) control of the FET connection time of the n × m cells for discharging according to the usage weight.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩의 셀 어레이의 저항 측정을 통한 사용가중치를 나타낸 표이다.FIG. 5 is a table showing a usage weight according to resistance measurement of a cell array of a battery pack capable of improving lifetime through active control of cells connected in parallel according to an embodiment of the present invention. FIG.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩의 셀 어레이의 사용가중치를 통한 PWM값을 나타낸 표이다.FIG. 6 is a table showing a PWM value based on a usage weight of a cell array of a battery pack capable of improving lifetime through active control of cells connected in parallel according to an embodiment of the present invention. FIG.
노화도를 바탕으로 각 병렬 배터리 팩의 사용가중치(Weight Factor)를 결정한다.Based on the aging degree, the usage weight of each parallel battery pack is determined.
사용가중치에 따라 FET를 PWM제어를 통해 사용가중치에 따른 충전 또는 방전이 이루어진다.Depending on the usage weight, the FET is subjected to PWM control to perform charging or discharging according to the usage weight.
상기 PWM제어는 하기 식을 통하여 도출할 수 있다. (m은 고정값)The PWM control can be derived through the following equation. (m is a fixed value)
측정 셀 사용가중치 : Wm =(1/Zn)/(min[1/Z1, 1/Z2,…,1/Zn]Measuring cell using weights: W m = (1 / Z n) / (min [1 /
PWM Duty(%) : Dn=100×Wn/max[W1, W2,…,Wn]PWM duty (%): D n = 100 x W n / max [W 1 , W 2 , ... , W n ]
PWM Period(Tms) : T×Dn PWM Period (T ms ): T x D n
상기 MCU는 상기 n × m의 셀의 노화 밸런싱 수행 상태를 설치자 및/또는 사용자에게 공지신호를 생성하는 제어 기능을 추가로 포함할 수 있다.The MCU may further include a control function of generating a notice signal to the installer and / or the user of the state of performing the aging balancing of the n × m cells.
또한, 상기 배터리 모듈을 구성하는 하나 이상의 셀 전압, 전류 및 n × m 셀 밸런싱을 센싱하는 AFE(Analog Front End);를 추가로 포함할 수 있다.Further, an AFE (Analog Front End) for sensing at least one cell voltage, current, and nxm cell balancing constituting the battery module may be further included.
상기 AFE의 센싱값을 조정하기 위한 Shunt resistor가 추가될 수 있다. A shunt resistor for adjusting the sensing value of the AFE may be added.
상기 AFE는 2차 프로텍션, 쇼트 프로텍션, 전압, 온도 등의 데이터를 포함하는 14비트 ADC, 전류 등의 데이터를 포함하는 16비트 ADC, I2C Comm., 셀 밸런싱, LDO, Random cell connection tolerant 중 어느 하나 이상의 기능을 포함할 수 있다.The AFE includes a 14-bit ADC that includes data such as secondary protection, short protection, voltage, and temperature, a 16-bit ADC that includes data such as current, I2C Comm., Cell balancing, LDO, The above functions can be included.
상기 AFE에는 센싱 오차 또는 전류 비율 조절 기능을 수행하는 분류기(Shunt Resistor)가 연결될 수 있다.The AFE may be connected to a shunt resistor that performs a sensing error or current ratio adjustment function.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩의 셀 어레이의 PWM Period값을 도출한 표이다. FIG. 7 is a table showing PWM Period values of a cell array of a battery pack capable of improving lifetime through active control of cells connected in parallel according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 연결된 셀의 능동 제어를 통한 수명향상이 가능한 배터리 팩의 셀 어레이의 도출된 PWM Period값에 따른 FET 접속을 나타낸 도면이다.
FIG. 8 is a diagram illustrating a FET connection according to the derived PWM Period value of a cell array of a battery pack capable of improving lifetime through active control of cells connected in parallel according to an embodiment of the present invention.
Rest상태에서 각 병렬 연결된 배터리 팩의 저항을 측정하여 노화도를 측정한다. Measure the aging degree by measuring the resistance of each parallel-connected battery pack in the Rest state.
노화도를 바탕으로 각 병렬 연결된 배터리 팩의 사용 가중치를 결정한다.Based on the degree of aging, the usage weight of each parallel-connected battery pack is determined.
사용가중치에 따라 FET를 PWM 제어를 통해 전류 흐름 발생시 사용가중치에 따른 충전 또는 방전이 이루어진다. According to the usage weight, the FET is PWM controlled to charge or discharge according to the weight used when current flow is generated.
Voltage drop은 Rest시 Z-FET On 후 순차적으로 FET1 내지 FET3을 ON하면서 측정한다. Voltage drop is measured by turning on FET1 to FET3 sequentially after Z-FET On.
Current는 Voltage drop 발생 측정 시점의 전류 흐름을 측정한다. Current measures current flow at the time of measurement of voltage drop occurrence.
상기 Voltage drop 및 Current 측정값으로부터 노화도(Impedance)를 측정한다.The degree of senescence (Impedance) is measured from the voltage drop and current measurement values.
상기 노화도에 따라서 사용가중치를 부여하고, 최대 노화도를 갖는 셀을 최소 사용가중치를 부여한다. A usage weight is given according to the aging degree, and a cell having the maximum degree of aging is given a minimum usage weight.
상기 사용가중치에 따라서 FET의 ON 시간을 부여한다. 최소 사용가중치를 부여받은 셀의 FET ON 시간을 최소로 설정한다.The ON time of the FET is given according to the use weight value. Set the FET ON time of the cell to which the minimum usage weight is given to the minimum.
상기 200ms Period 동안 3번 셀은 50ms만 사용하고, 1번 셀은 200ms 사용하여 각 셀의 노화 밸런싱을 제어한다.During the 200 ms period, the third cell is used for only 50 ms, and the first cell is used for 200 ms to control the aging balancing of each cell.
이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에 서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연한 것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art in light of the above teachings. It is to be understood that such modified embodiments are also within the scope of protection of the present invention as defined by the appended claims.
Claims (14)
여기서, n은 하나의 셀 어레이 내의 직렬로 연결된 셀의 개수
m은 상기 셀 어레이가 병렬로 연결된 개수
상기 셀 어레이의 전류제어를 위하여 연결된 m개의 FET(Field Effect Transistor);
상기 FET를 제어하는 MCU(Micro Control Unit); 및
상기 셀 어레이의 저항측정을 위한 방전회로;를 포함하는 능동 제어를 통한 수명 향상이 가능한 배터리 팩.
a battery module made up of n x m cells;
Where n is the number of cells connected in series in one cell array
m is the number of cell arrays connected in parallel
M field effect transistors (FETs) connected for current control of the cell array;
An MCU (Micro Control Unit) for controlling the FET; And
And a discharge circuit for measuring the resistance of the cell array.
상기 n × m 셀의 저항 측정을 위하여 방전 회로에 형성된 상기 MCU의 제어를 받는 저항 측정 FET;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 제어를 통한 수명 향상이 가능한 배터리 팩.
The method according to claim 1,
And a resistance measuring FET under the control of the MCU formed in the discharging circuit for measuring the resistance of the n x m cells.
상기 n × m 셀의 저항 측정 조건은,
상기 저항 측정 FET는 항상 접속상태로 제어하고 저항 측정 대상 셀의 FET만 상기 MCU가 접속 또는 해제를 순차적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 능동 제어를 통한 수명 향상이 가능한 배터리 팩.
The method according to claim 1,
The resistance measurement conditions of the n x m cells are:
Wherein the resistance measuring FET is always controlled to be in a connected state, and only the FET of the resistance measurement target cell sequentially controls connection or disconnection of the MCU.
상기 측정된 n × m 셀 중 가장 높은 저항값을 갖는 셀에 기준이 되는 최소 사용가중치를 부여하고 다른 셀의 상대적인 사용가중치를 결정하는 것을 특징으로 하는 능동 제어를 통한 수명 향상이 가능한 배터리 팩.
The method of claim 3,
Wherein a minimum usable weight is set as a reference to the cell having the highest resistance value among the measured n x m cells and a relative usable weight of the other cells is determined.
상기 사용가중치에 따라서 방전을 위한 n × m 셀의 FET 접속 시간을 PWM(Pulse Width Modulation)제어를 통해 n × m 셀의 노화 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 능동 제어를 통한 수명 향상이 가능한 배터리 팩.
5. The method of claim 4,
And performing aging balancing of the n x m cells through PWM (Pulse Width Modulation) control of the FET connection time of the n x m cells for discharging according to the usage weight. .
상기 MCU는 상기 n × m 셀의 노화 밸런싱 수행 상태를 설치자 및/또는 사용자에게 공지신호를 생성하는 제어 기능을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 제어를 통한 수명 향상이 가능한 배터리 팩.
6. The method of claim 5,
Wherein the MCU further comprises a control function of generating a notice signal to the installer and / or the user in a state of performing the aging balancing of the nxm cell.
상기 배터리 모듈을 구성하는 하나 이상의 셀 전압, 전류 및 n × m 셀 밸런싱을 센싱하는 AFE(Analog Front End);를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 제어를 통한 수명 향상이 가능한 배터리 팩.
The method according to claim 1,
Further comprising an AFE (Analog Front End) sensing at least one cell voltage, current, and nxm cell balancing constituting the battery module.
An electronic device to which the battery pack according to any one of claims 1 to 7 is applied.
An electric vehicle to which the battery pack according to any one of claims 1 to 7 is applied.
A hybrid vehicle to which the battery pack according to any one of claims 1 to 7 is applied.
A power storage device to which the battery pack according to any one of claims 1 to 7 is applied.
여기서, n은 하나의 셀 어레이 내의 직렬로 연결된 셀의 개수
m은 상기 셀 어레이가 병렬로 연결된 개수
상기 셀 어레이의 전류제어를 위하여 연결된 m개의 FET(Field Effect Transistor);
상기 FET를 제어하는 MCU(Micro Control Unit); 및
상기 셀 어레이의 저항측정을 위한 방전회로;를 포함하는 능동 제어를 통한 수명 향상이 가능한 배터리 팩의 수명 향상 방법에 있어서,
상기 저항 측정 FET를 항상 접속상태로 제어하는 제1단계;
상기 측정 셀의 전압을 측정하는 제2단계;
상기 측정 셀의 전류를 측정하는 제3단계;
상기 측정 셀의 전압 및 전류 값을 이용하여 저항을 측정하는 제4단계;를 포함하는 능동 제어를 통한 배터리 팩의 수명 향상 방법.
a battery module made up of n x m cells;
Where n is the number of cells connected in series in one cell array
m is the number of cell arrays connected in parallel
M field effect transistors (FETs) connected for current control of the cell array;
An MCU (Micro Control Unit) for controlling the FET; And
And a discharge circuit for measuring the resistance of the cell array, the lifetime of the battery pack being improved by the active control,
A first step of controlling the resistance measurement FET to always be in a connected state;
A second step of measuring a voltage of the measurement cell;
A third step of measuring a current of the measurement cell;
And measuring a resistance using the voltage and the current value of the measurement cell.
상기 측정된 셀 중 가장 높은 저항값을 갖는 셀에 기준이 되는 최소 사용가중치를 부여하고 다른 셀의 상대적인 사용가중치를 결정하는 제5단계를 추가로 포함하는 능동 제어를 통한 배터리 팩의 수명 향상 방법.
13. The method of claim 12,
Further comprising a fifth step of providing a minimum usable weight as a reference to a cell having the highest resistance value among the measured cells and determining a relative use weight of the other cells.
상기 사용가중치에 따라서 방전을 위한 n × m 셀의 FET의 접속 시간을 PWM(Pulse Width Modulation)제어를 통해 n × m 셀의 노화 밸런싱을 수행하는 제6단계를 추가로 포함하는 능동 제어를 통한 배터리 팩의 수명 향상 방법.
13. The method of claim 12,
And a sixth step of performing aging balancing of the nxm cells through PWM (Pulse Width Modulation) control of the connection time of the FETs of the nxm cells for discharging according to the use weights, How to improve the life of the pack.
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