KR20190048443A - Cell balancing system for Lithium battery using low battery voltage and charging method by low battery voltage using that of - Google Patents

Cell balancing system for Lithium battery using low battery voltage and charging method by low battery voltage using that of Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a lithium battery cell balancing system using a low-voltage battery, and a low-voltage battery charging method using a cell balancing current. The voltage of each of tens or hundreds of lithium batteries connected in series is measured. Switches are connected to a (+) pole and a (-) pole of each lithium battery to connect the current of lithium batteries having a high voltage to a supercapacitor connected to each lithium battery in parallel, and store the current. The plurality of connected supercapacitors are connected in series, and (+) and (-) switches of each cell are connected or disconnected from the super capacitors and switches connected in parallel by (+) and (-) circuits in the order of cells, of the plurality of lithium batteries connected in series, having a high voltage measured from the cells so that low-voltage batteries are charged with the current. The configuration is applied to a super capacitor and a battery system for an electric car for energy saving. Thus, when the voltages of the plurality of battery cells connected in series in order to generate a high voltage are different from each other, the low-voltage batteries (12 V or 24 V) can be charged by moving current from the cells having a high voltage to the super capacitor. In contrast, battery cells having a low voltage among the plurality of lithium battery cells connected in series can be charged by moving current from the charged low-voltage batteries to the super capacitor. As a result, selective charging can be achieved.

Description

저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 시스템 및 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전방법{Cell balancing system for Lithium battery using low battery voltage and charging method by low battery voltage using that of}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a lithium battery cell balancing system using a low voltage battery and a low voltage battery charging method using a cell balancing current,

본 발명은 리튬전지 셀 밸런싱 및 저전압 배터리 충전 및 LDC(Low DC Power)로 에너지 저장을 위한 슈퍼캐패시터 및 전기자동차용 배터리시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 다수의 리튬전지가 직렬로 연결되어 고전압 배터리가 충전 및 방전 시 셀 밸런싱을 위해 소모되는 전류를 중간에 캐패시터를 직렬연결하여 캐패시터에 저장된 저전압 배터리와 병렬로 연결하여 저전압 배터리 충전을 위해 저전압 변환 회로와 반대로 저전압 배터리와 고전압의 셀 밸런싱을 위해 고전압 배터리와 병렬로 연결된 캐패시터 중 몇 개를 충전하여 고전압 배터리중 전위가 낮은 배터리를 충전할 수 있는 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 및 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a lithium battery cell balancing and charging system for a low voltage battery and a battery system for a super capacitor and an electric vehicle for energy storage by an LDC (Low DC Power), more specifically, a plurality of lithium batteries are connected in series, Voltage for cell balancing during charging and discharging is connected in parallel to the low voltage battery stored in the capacitor by connecting the capacitor in series in the middle. By connecting the low voltage battery and the high voltage battery And a method of charging a low-voltage battery using the cell balancing current. 2. Description of the Related Art [0002] In recent years, there has been a demand for a battery charging method using a low-voltage battery which is capable of charging a low-

또한, 본 발명은 리튬전지 팩의 셀 밸런싱을 위해 사용되는 Passive 회로와 Active 회로를 저전압 배터리를 충전하거나 다른 용도의 저전압 전류를 사용하도록 저전압의 전류를 만들어 내는 회로에 관한 것으로, 수십개 또는 수백개로 직렬 연결된 각각의 리튬 전지의 전압을 측정하고, 각각의 리튬전지의 (+)극과 (-)극에 스위치를 연결하여 전압이 높은 리튬 전지의 전류를 각 리튬전지와 병렬로 연결된 슈퍼 캐패시터에 연결하여 전류를 저장하고, 이렇게 연결된 다수개의 슈퍼캐패시터를 직렬로 연결한 후 이 전류를 저전압 배터리에 충전하여 사용할 수 있는 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 시스템 및 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a passive circuit used for cell balancing of a lithium battery pack and a circuit for generating an electric current of a low voltage so as to charge an active circuit to a low voltage battery or use a low voltage current for another purpose, The voltage of each connected lithium battery is measured and the switch is connected to the positive and negative poles of each lithium battery to connect the current of the high lithium battery to the super capacitor connected in parallel with each lithium battery To a lithium battery cell balancing system using a low voltage battery which can store a current, and to which a plurality of supercapacitors connected in series are connected in series, and then the current can be charged into a low voltage battery, and a method for charging a low voltage battery using the cell balancing current .

일반적으로 직렬로 연결된 다수의 리튬전지를 충전하거나 방전할 때, 첫 번째 직렬로 연결된 배터리(B1)의 전압(VB1)과 두 번째 직렬로 연결된 배터리(B2)의 전압(VB2) 세 번째 직렬로 연결된 배터리(B3)의 전압(VB3) .... (B176)의 전압(VB176) 사이에 전압편차가 발생하게 된다. 이를 동일한 전압으로 만들어 주어야하는데, 이를 수행하는 방법으로는 도 1 및 도 2와 같이 셀 밸런싱을 한다.Generally, when charging or discharging a plurality of lithium batteries connected in series, the voltage VB1 of the first series-connected battery B1 and the voltage VB2 of the second series-connected battery B2 are connected in a third series A voltage deviation occurs between the voltage VB176 of the battery B3 and the voltage VB176 of the battery B3. It is necessary to make the same voltage. To perform this method, cell balancing is performed as shown in FIGS. 1 and 2.

일반적으로 셀 밸런싱은 도 1에 도시된 바와 같이 전압이 높은 셀로부터 전류를 저항으로 소비하여 전체 셀의 전압을 맞추는 방식을 취하고 있다. 즉 최고전압 셀의 SW on 에너지를 저항을 이용해 열로 변환하여 손실시키면서 최저 전압 셀들과 최고전압 셀이 같은 수준이 될 때 SW off 하는 shunting Resistor를 이용하고 있으며, 도 2와 같이 캐패시터를 이용하여 직렬로 연결된 바로 옆의 셀을 충전하는 방식은 에너지 효율 측면에서 유효하지만 많은 비용이 수반되는 문제점이 있다.In general, cell balancing is a method of adjusting a voltage of all cells by consuming a current from a cell having a high voltage as shown in FIG. That is, when the SW on energy of the highest voltage cell is converted into heat by using a resistor, and the lowest voltage cells and the highest voltage cell become the same level, a shunting resistor is used. The method of charging the cells immediately adjacent to each other is effective from the energy efficiency point of view, but involves a large cost.

따라서, 리튬전지 셀과 저항을 병렬로 연결할 때 스위치를 구비하여 회로를 연결하거나 차단하면서 다수개의 직렬 연결된 배터리 셀의 전압을 일치시키는 방법으로 결국 가장 높은 전압을 가진 셀의 전류를 저항에 인가됨으로써 가장 낮은 전압을 가진 배터리 셀의 성능에 맞추게 된다.Accordingly, when a resistor is connected in parallel with a lithium battery cell, a switch is provided to connect or disconnect a circuit, thereby matching the voltages of a plurality of serially connected battery cells. Eventually, the current of the cell having the highest voltage is applied to the resistor The performance of the battery cell having a low voltage is adjusted.

상기와 같은 방식으로 구비된 셀 밸런싱은 충전시 충전이 가장 느린 셀의 전압이 가장 낮게 되는데 이 리튬전지 셀을 충전할 때까지 전압이 높은 다른 셀은 저항과 연결되어 전류의 소비하고 발생하여 에너지 낭비가 발생하지만, 가격이 저가이고 간단하여 현재 대부분의 BMS에서 이 방법을 사용하고 있다. The cell balancing provided in the above-described manner causes the lowest voltage of the cell to be charged at the time of charging to be the lowest. The other cells having a high voltage until the lithium battery cell is charged are connected to the resistors to consume current, However, the price is low and simple, and most BMSs are currently using this method.

상기의 문제를 해결하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 스위치 S1의 접점을 통해 C1이 B1 또는 B2와 병렬 연결되면서 B1의 전류를 B2에 흘려주거나 반대로 B2의 전류를 B1에 흘려주는 방법이 사용되고 있다.In order to solve the above problem, as shown in Fig. 2, a method is used in which C1 is connected in parallel with B1 or B2 through the contact of the switch S1, and the current of B1 is supplied to B2 or the current of B2 is supplied to B1 .

1. 저전압 배터리 충전제어방법 및 시스템(Method and system for controlling charging of low voltage battery)(특허출원번호 제10-2015-0178069호)1. Method and system for controlling low-voltage battery (Patent Application No. 10-2015-0178069) 2. 저전압 배터리 충전 제어 방법 및 장치(Controlling method and apparatus for charging low-voltage battery)(특허등록번호 제10-1439059호)2. Controlling method and apparatus for charging low-voltage battery (Patent Registration No. 10-1439059)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다수의 리튬전지가 직렬로 연결되어 고전압 배터리가 충전 및 방전 시 셀 밸런싱을 위해 소모되는 전류를 중간에 캐패시터를 직렬연결하여 캐패시터에 저장된 저전압 배터리와 병렬로 연결하여 저전압 배터리 충전을 위해 저전압 변환 회로와 반대로 저전압 배터리와 고전압의 셀 밸런싱을 위해 고전압 배터리와 병렬로 연결된 캐패시터 중 몇 개를 충전하여 고전압 배터리중 전위가 낮은 배터리를 충전할 수 있는 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 시스템 및 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전방법을 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a high- Voltage battery that can charge a few low-voltage batteries and some of the capacitors connected in parallel with the high-voltage battery for high-voltage cell balancing, as opposed to a low-voltage conversion circuit, to charge the low-voltage battery. A lithium battery cell balancing system using the cell balancing current, and a low-voltage battery charging method using the cell balancing current.

또한, 본 발명은 직렬로 연결된 다수의 리튬전지의 각각에 대하여 (+)극과 (-)극에 스위치를 장착하여 이 스위치들이 각 리튬전지와 병렬로 연결된 캐패시터를 연결, 단속을 통해 직렬로 연결된 다수의 리튬전지 셀들은 충전 또는 방전시 각 셀들의 내부저항 및 외부연결조건 등에 따라 전압차를 통해 에너지가 높은 전지 셀의 전류를 병렬로 연결된 캐패시터로 흘려보내 다른 셀과 전압차를 동일하게 맞추어 배터리 충전을 이루어지는 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 시스템 및 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전방법을 제공하기 위한 것이다.Further, the present invention is characterized in that a plurality of lithium batteries connected in series are provided with switches at the (+) and (-) poles, respectively, and these switches connect the capacitors connected in parallel with each lithium battery, A plurality of lithium battery cells are supplied with currents of the battery cells having high energy through the voltage difference to the connected capacitors in accordance with the internal resistance and external connection conditions of the cells during charging or discharging, A lithium battery cell balancing system using a low voltage battery in which charging is performed, and a method of charging a low voltage battery using a cell balancing current.

그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 시스템은 수십개 또는 수백개로 직렬 연결된 각각의 리튬 전지의 전압을 측정하고, 각각의 리튬전지의 (+)극과 (-)극에 스위치를 연결하여 전압이 높은 리튬 전지의 전류를 각 리튬전지와 병렬로 연결된 슈퍼 캐패시터에 연결하여 전류를 저장하고, 이렇게 연결된 다수개의 슈퍼캐패시터를 직렬로 연결한 후 이 전류를 저전압 배터리에 충전이 되도록 각 셀의 (+)극과 (-)극 스위치는 다수의 직렬로 연결된 리튬전지의 각 셀의 전압을 측정하여 측정된 셀의 전압이 높은 셀 순서로 병렬로 연결된 슈퍼캐패시터와 스위치로 (+) 회로와 (-)회로로 연결 또는 단속되어 에너지 저장을 위한 슈퍼캐패시터 및 전기자동차용 배터리시스템에 적용되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a lithium battery cell balancing system using a low-voltage battery according to an embodiment of the present invention measures the voltages of respective lithium batteries connected in series with several tens or several hundreds, (-) pole is connected to the switch, and the current of the high-voltage lithium battery is connected to the supercapacitor connected in parallel with each lithium battery to store the current, and a plurality of supercapacitors connected in series are connected in series, (+) Pole and (-) pole switch of each cell to measure the voltage of each cell of the lithium battery connected in series so that the battery is charged, and the voltage of the measured cell is connected in parallel to the supercapacitor (+) Circuit and (-) circuit connected to the switch, and is applied to a super capacitor for energy storage and a battery system for an electric vehicle The.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전방법은 다수개의 리튬전지 B1, B2, ... B176가 직렬로 연결되어 형성된 배터리 셀에 전압이 높은 셀 B1의 셀 전압을 낮추기 위하여 SW1과 SW2를 연결하고, B1에 있는 전류가 SW1 및 SW2와 병렬연결 구조를 갖는 캐패시터 C1으로 흘러 전압을 상승하는 제 1 과정; 캐패시터 C1의 전압은 병렬로 연결된 리튬전지 B1의 전압과 같아질 때까지 상승하며, C1의 전압이 B1의 전압과 동일할 때 SW1 및 SW2를 off 하여 B1으로부터 C1으로 전류가 흐르지 않도록 차단되는 제 2 과정; 캐패시터 C1과 직렬연결된 SW3 및 SW4 스위치의 ON 동작에 따라 캐패시터 C1에 전류가 충전되면 리튬전지와 연결을 끊기 위하여 SW1과 SW2를 Open 상태가 되도록 동작하는 제 3 과정; 직렬연결된 캐패시터의 전압이 저전압배터리의 전압보다 높으면 저전압배터리와 연결관계를 가지는 SW5를 연결하여 저전압배터리를 충전하는 제 4 과정; 및 충전이 진행되어 직렬연결된 캐패시터 C1의 전압이 저전압배터리의 전압과 동등해지면 SW5를 차단(Open)되고, 전압이 높은 캐패시터를 직렬연결시켜 전압을 높인 후 SW5 스위치를 연결(ON)하는 제 5 과정;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The method for charging a low-voltage battery using a lithium battery cell balancing current using a low-voltage battery according to an embodiment of the present invention includes charging a battery cell having a high voltage to a battery cell formed by connecting a plurality of lithium batteries B1, B2, A first process in which SW1 and SW2 are connected to lower the cell voltage of B1 and a current in B1 flows to a capacitor C1 having a parallel connection structure with SW1 and SW2 to raise the voltage; The voltage of the capacitor C1 rises until it becomes equal to the voltage of the lithium battery B1 connected in parallel. When the voltage of C1 is equal to the voltage of B1, the switches SW1 and SW2 are turned off to prevent the current from flowing from B1 to C1 process; A third step of operating SW1 and SW2 to be in the open state in order to disconnect the lithium battery when the capacitor C1 is charged according to the ON operation of the switches SW3 and SW4 connected in series with the capacitor C1; If the voltage of the capacitor connected in series is higher than the voltage of the low-voltage battery, the low-voltage battery is charged by connecting the switch SW5 connected to the low-voltage battery; And the fifth step of turning on the switch SW5 when the voltage of the capacitor C1 connected in series is equal to the voltage of the low voltage battery and connecting the switch SW5 after increasing the voltage by serially connecting the capacitor having a high voltage ; And

또한, 본 발명의 실시예에 따른 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전방법은 상기 SW3은 3c 접점이 캐패시터를 직렬로 연결할때 3a 접점과, By Pass 할 때는 3b와 연결할 수 있는 스위치이고, SW4는 4c 접점이 캐패시터를 직렬로 연결할때는 4a 접점과, By Pass 할 때 4b와 연결할 수 있는 스위치로서 SW3의 점점 3c가 3a와 연결될 때는 4c도 4a와 연결되고, 3c가 3b와 연결될 때 4c는 4b와 연결되는 것을 특징으로 한다.The method for charging a low-voltage battery using a lithium battery cell balancing current using a low-voltage battery according to an embodiment of the present invention is characterized in that the SW3 has a contact 3a when the contact 3c is connected in series with the capacitor 3a, Switch SW4 is connected to 4a contact when the capacitor 4c is connected in series with the capacitor 4b and to switch 4b when passing by. When 3c of SW3 is connected to 3a, 4c is connected to 4a and 3c is connected to 3b. And 4c is connected to 4b.

본 발명의 다른 실시예에 따른 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전방법은 SW5는 캐패시터 C1의 전압과 저전압 배터리의 전압을 비교하여 전류의 흐름을 제어하는 스위치로서, 고전압 배터리 충전시 셀 밸런싱을 통해 소비하여 전류를 슈퍼캐패시터에 저장하여 직렬로 연결되어 구동하고, 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터의 전압이 저전압 배터리보다 큰 경우 SW5를 on 하면 저전압 배터리를 충전이 이루어 지고, 저전압배터리의 전압이 높을 경우 직렬로 연결된 리튬전지 셀 중 저전압배터리를 충전시켜주기 위해서 SW5 스위치를 연결하여 저전압배터리가 슈퍼캐패시터를 충전시킨후 고전압 배터리가 충전되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.A method for charging a low-voltage battery using a cell balancing current of a lithium battery using a low-voltage battery according to another embodiment of the present invention is characterized in that SW5 is a switch for controlling current flow by comparing a voltage of a capacitor C1 with a voltage of a low- When the voltage of the supercapacitor connected in series is larger than that of the low voltage battery, the SW5 is turned on to charge the low voltage battery and the voltage of the low voltage battery The high voltage battery is charged after the low voltage battery charges the supercapacitor by connecting the switch SW5 to charge the low voltage battery among the lithium battery cells connected in series.

본 발명의 실시예에 따른 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 시스템 및 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전방법은, 다수의 리튬전지가 직렬로 연결되어 고전압 배터리가 충전 및 방전 시 셀 밸런싱을 위해 소모되는 전류를 중간에 캐패시터를 직렬연결하여 캐패시터에 저장된 저전압 배터리와 병렬로 연결하여 저전압 배터리 충전을 위해 저전압 변환 회로와 반대로 저전압 배터리와 고전압의 셀 밸런싱을 위해 고전압 배터리와 병렬로 연결된 캐패시터 중 몇 개를 충전하여 고전압 배터리중 전위가 낮은 배터리를 충전하여 리튬전지의 셀 밸런싱을 해결할 수 있다.A lithium battery cell balancing system using a low-voltage battery and a method of charging a low-voltage battery using a cell balancing current according to an embodiment of the present invention includes a plurality of lithium batteries connected in series to consume a high voltage battery for cell balancing during charging and discharging Charge a few of the capacitors in parallel with the high-voltage battery for low-voltage battery and high-voltage cell balancing as opposed to the low-voltage conversion circuit for charging the low-voltage battery by connecting the capacitor in series with the capacitor in the middle by connecting the capacitor in series with the low- The battery cell of the lithium battery can be solved by charging a battery having a low potential of the high voltage battery.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 시스템 및 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전방법은 직렬로 연결된 다수의 리튬전지의 각각에 대하여 (+)극과 (-)극에 스위치를 장착하여 이 스위치들이 각 리튬전지와 병열로 연결된 캐패시터를 연결, 단속을 통해 직렬로 연결된 다수의 리튬전지 셀들은 충전 또는 방전시 각 셀들의 내부저항 및 외부연결조건 등에 따라 전압차(전위차)를 통해 에너지가 높은 전지 셀의 전류를 병렬로 연결된 캐패시터로 흘려보내 다른 셀과 전압차를 동일하게 맞추어 배터리 충전을 제공하여 효율적인 셀 밸런싱을 제공한다.In addition, a lithium battery cell balancing system using a low-voltage battery and a method of charging a low-voltage battery using a cell balancing current according to an embodiment of the present invention may be applied to a positive electrode and a negative electrode of each of a plurality of lithium- These switches connect the capacitors connected in parallel with each lithium battery. When a plurality of lithium battery cells connected in series through intermittence are charged or discharged, the voltage difference (potential difference) varies depending on the internal resistance of each cell, The current of the high-energy battery cell is supplied to the connected capacitor in parallel to provide the battery charge by matching the voltage difference with the other cells to provide efficient cell balancing.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 시스템 및 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전방법은 고전압을 만들기 위하여 배터리 셀을 직렬 연결하여 다수의 직렬 연결된 셀들의 전압이 서로 다른 경우가 발생할 경우, 전압이 높은 셀로부터 슈퍼캐패시터로 전류를 이동하여 저전압 배터리(12V 또는 24V)를 충전시킬수 있고, 반대로 충전된 저전압 배터리가 슈퍼캐패시터로 전류를 이동시켜 다수의 직렬연결된 리튬전지 셀들 중에서 낮은 전압의 배터리 셀을 충전시킬 수 있어 선택적인 충전을 제공할 수 있다.Also, a lithium battery cell balancing system using a low-voltage battery and a method of charging a low-voltage battery using a cell balancing current according to an embodiment of the present invention includes a battery cell connected in series to generate a high voltage, Voltage battery (12V or 24V) can be charged by moving the current from the high-voltage cell to the supercapacitor, and the reversely charged low-voltage battery moves the current to the supercapacitor so that the low- The battery cell of the voltage can be charged so that the selective charging can be provided.

도 1은 종래의 셀 밸런싱을 위한 Passive Balancing 회로도
도 2는 종래의 셀 밸런싱을 위한 Active Balancing 회로
도 3은 본 발명에 따른 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱을 위한 LDC 연결 구조도
도 4는 본 발명에 따른 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전을 위한 회로도
도 5는 도 4에 따른 저전압 배터리 충전을 위한 직렬연결된 리듐전지의 셀 밸런싱 회로도
도 6은 도 4에 따른 저전압 배터리 충전을 위한 병렬연결된 캐패시터의 셀 밸런싱 회로도
도 7은 도 4에 따른 저전압 배터리 충전을 위한 스위치 개폐에 따른 전류의 흐름을 도시한 회로도
도 8은 본 발명에 따른 저전압배터리를 이용한 리듐전지 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전을 위하여 다수의 리튬셀이 구비된 확대된 회로도
도 9은 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터의 용량과 전압과의 상관관계를 도시한 그래프1 shows a conventional passive balancing circuit diagram for cell balancing
2 is a block diagram of a conventional active balancing circuit for cell balancing
FIG. 3 is a diagram illustrating an LDC connection structure for balancing lithium battery cells using a low-voltage battery according to the present invention
4 is a circuit diagram for charging a low-voltage battery using a cell balancing current of a lithium battery using a low-voltage battery according to the present invention
5 is a cell balancing circuit diagram of a lithium battery connected in series for charging a low-voltage battery according to FIG.
6 is a cell balancing circuit diagram of a parallel-connected capacitor for charging a low-voltage battery according to FIG.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a flow of a current according to opening and closing of a switch for charging a low-voltage battery according to FIG.
FIG. 8 is an enlarged circuit diagram illustrating a plurality of lithium cells for charging a low-voltage battery using a cell balancing current of a lithium battery using a low-voltage battery according to the present invention.
9 is a graph showing a correlation between a capacitance and a voltage of a supercapacitor according to the present invention

이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a detailed description of preferred embodiments of the present invention will be given with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명은 첨부된 도 3에 도시한 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱을 위한 LDC 연결 구조도와 같이 수십개 또는 수백개로 직렬 연결된 각각의 리튬 전지의 전압을 측정하고, 각각의 리튬전지의 (+)극과 (-)극에 스위치를 연결하여 전압이 높은 리튬 전지의 전류를 각 리튬전지와 병렬로 연결된 슈퍼 캐패시터에 연결하여 전류를 저장하고, 이렇게 연결된 다수개의 슈퍼캐패시터를 직렬로 연결한 후 이 전류를 저전압 배터리에 충전하여 사용하도록 알고리즘으로 구성된 것으로서, 각 셀의 (+)극과 (-)극에 스위치를 각각 하나씩 구비하여 병렬로 연결된 슈퍼캐패시터와 (+) 회로와 (-)회로로 연결 또는 단속이 가능하게 된다.3, the voltage of each lithium battery connected in series with several tens or several hundreds of lithium batteries is measured, and the positive (+) electrode of each lithium battery And the negative (-) pole of the lithium battery, the current of the high-voltage lithium battery is connected to the supercapacitor connected in parallel with each lithium battery to store the current, and a plurality of super capacitors connected in series are connected in series, (+) And - (-) circuits connected in parallel to each other, each of which is provided with one switch at each of the positive and negative poles of each cell, Lt; / RTI >

이때, 이때 (+) 스위치와 (-) 스위치가 연결되는 조건은 다수의 직렬로 연결된 리튬전지의 각 셀의 전압을 측정하여 측정된 셀의 전압이 높은 셀 순서로 병열로 연결된 슈퍼캐패시터와 스위치로 연결되도록 리튬전지 셀 밸런싱 및 저전압 배터리 충전기술 및 LDC(Low DC Power) 기술 분야로 에너지 저장을 위한 슈퍼캐패시터 및 전기자동차용 배터리시스템을 제공한다.At this time, the condition that the (+) switch and the (-) switch are connected is a condition that a voltage of each cell of a plurality of series-connected lithium cells is measured, and a super capacitor and a switch To provide lithium battery cell balancing and low-voltage battery charging technology and LDC (Low DC Power) technology to connect, super capacitor and battery system for electric vehicles for energy storage.

첨부된 도 4는 본 발명에 따른 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전을 위한 회로도이고, 도 5는 도 4에 따른 저전압 배터리 충전을 위한 직렬연결된 리듐전지의 셀 밸런싱 회로도이고, 도 6은 도 4에 따른 저전압 배터리 충전을 위한 병렬연결된 캐패시터의 셀 밸런싱 회로도이며, 도 7은 도 4에 따른 저전압 배터리 충전을 위한 스위치 개폐에 따른 전류의 흐름을 도시한 회로도를 나타내는데, 첨부된 도 4 내지 도 7를 참조하여 본 발명에 따른 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전방법의 절차를 살펴보면, 다수개의 리튬전지 B1, B2, ... B176가 직렬로 연결되어 배터리 셀을 형성하는데, 전압이 높은 셀 B1의 셀 전압을 낮추기 위하여 SW1과 SW2를 연결하면 B1에 있는 전류가 캐패시터 C1으로 흘러 들어가게 되고 캐패시터의 전압이 상승하게 된다. FIG. 4 is a circuit diagram for charging a low-voltage battery using a cell balancing current of a lithium battery using a low-voltage battery according to the present invention, FIG. 5 is a cell balancing circuit diagram of a lithium battery connected in series for charging a low- FIG. 6 is a cell balancing circuit diagram of a capacitor connected in parallel for charging a low-voltage battery according to FIG. 4, and FIG. 7 is a circuit diagram showing a flow of a current according to opening and closing of a switch for charging a low- Referring to FIGS. 4 to 7, a method of charging a low-voltage battery using a cell balancing current according to the present invention will be described. A plurality of lithium batteries B1, B2, ..., B176 are connected in series to form a battery cell. When SW1 and SW2 are connected to lower the cell voltage of high cell B1, the current in B1 flows into capacitor C1, The voltage of the capacitors is raised.

최종적으로 캐패시터 C1의 전압은 병렬로 연결된 리튬전지 B1의 전압과 같아질 때까지 상승하며, C1의 전압이 B1의 전압이 동일하게 되면 B1으로부터 C1으로 전류가 흘러들어가지 않는다. 이때의 회로는 도 5와 같이 적색 점선과 같이 구동된다.Finally, the voltage of the capacitor C1 rises until it becomes equal to the voltage of the lithium battery B1 connected in parallel. When the voltage of C1 becomes equal to the voltage of B1, no current flows from B1 to C1. The circuit at this time is driven as shown by the red dotted line in Fig.

첨부된 도 4 내지 도 5에 도시된 전원(B1) 및 스위치(SW)의 세부내역 및 동작을 살펴보면, 상기 B1은 직렬로 연결된 첫번째 리튬전지 배터리를 나타내고, SW1은 리튬전지와 슈퍼캐패시터가 병렬로 연결된 회로에서 양극과 연결된 회로를 연결 또는 차단해 주는 스위치이며, SW2는 리튬전지와 슈퍼캐패시터가 병렬로 연결된 회로에서 음극과 연결된 회로를 연결 또는 차단해 주는 스위치를 나타낸다.4 and 5, the reference symbol B1 denotes the first lithium battery battery connected in series, and the reference symbol SW1 denotes a battery in which a lithium battery and a supercapacitor are connected in parallel to each other SW2 is a switch that connects or disconnects a circuit connected to the cathode in a circuit in which a lithium battery and a supercapacitor are connected in parallel.

또한, SW3은 3c 접점이 캐패시터를 직렬로 연결할때 3a 접점과, By Pass 할 때는 3b와 연결할 수 있는 스위치이고, SW4는 4c 접점이 캐패시터를 직렬로 연결할때는 4a 접점과, By Pass 할 때 4b와 연결할 수 있는 스위치로 SW3의 점점 3c가 3a와 연결될 때는 4c도 4a와 연결되고, 3c가 3b와 연결될 때 4c는 4b와 연결된다.SW3 is a switch that can be connected to the contact 3a when the capacitor 3c is connected in series with the capacitor 3a and to the capacitor 3b when the capacitor 3b is connected to the bypass through the capacitor 3. When the capacitor 4c is connected in series with the capacitor 4a, When the switch 3c is connected to the switch 3a, the switch 4c is connected to the switch 4a. When the switch 3c is connected to the switch 3b, the switch 4c is connected to the switch 4b.

또한, SW5는 캐패시터의 전압과 저전압 배터리의 전압을 비교하여 전류의 흐름을 제어하는 스위치로서, 고전압 배터리 충전시 셀 밸런싱을 하면서 소비시켜야 되는 전류를 슈퍼캐패시터에 저장하여 직렬로 연결되어 구동하고, 이때 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터의 전압이 저전압 배터리보다 큰 경우 SW5를 on 하면 저전압 배터리를 충전이 이루어 진다.SW5 is a switch for controlling the flow of current by comparing the voltage of the capacitor and the voltage of the low voltage battery. When the high voltage battery is charged, the current to be consumed while balancing the cell is stored in the supercapacitor and connected in series, If the voltage of the supercapacitor connected in series is larger than the low voltage battery, turning on SW5 will charge the low voltage battery.

한편, 반대로 저전압 배터리의 전압이 높을 경우 직렬로 연결된 리튬전지 셀중 저전압배터리를 충전시켜주기 위해서 SW5 스위치를 연결하여 저전압배터리가 슈퍼캐패시터를 충전시킨후 고전압 배터리가 충전된다.On the other hand, when the voltage of the low voltage battery is high, the low voltage battery charges the supercapacitor and then the high voltage battery is charged by connecting the SW5 switch to charge the low voltage battery of the lithium battery cell connected in series.

상기의 구동회로를 통해 저전압 배터리는 일반적으로 승용차 및 1톤 트럭에서는 12V, 상용차에서는 24V 배터리 전원으로 제어기(Controller) 동작전원과 전장 부품을 작동시키는 전원으로 사용된다. Through the drive circuit, the low-voltage battery is generally used as a power source for operating controller power and electric components using 12 V battery power for passenger cars and 1 ton trucks, and 24 V battery power for commercial vehicles.

또한, C1에 전류가 충전되면 SW3와 SW4 스위치를 통해 캐패시터의 직렬연결이 되는데, 캐패시터가 충전이 완료된 경우 SW1과 SW2가 리튬전지와 연결을 끊기 위하여 Open 상태가 되고, SW3와 SW4의 접점이 3c-3a와 4c-4a로 연결되어 캐패시터의 직렬연결에 참여하게 된다. When the capacitor C1 is charged with the current, the capacitor is connected in series through the switches SW3 and SW4. When the capacitor is charged, the switches SW1 and SW2 are opened to disconnect the lithium battery. -3a and 4c-4a to participate in the series connection of the capacitors.

이때 직렬연결된 캐패시터의 전압이 저전압배터리의 전압보다 높으면 SW5가 연결(ON)되어 저전압배터리를 충전하게 되는데, 충전이 진행되어 직렬연결된 캐패시터의 전압이 저전압배터리의 전압과 동등해지면 SW5가 차단(Open)되고, 전압이 높은 캐패시터를 직렬연결시켜 전압을 높인 후 SW5 스위치를 연결(ON)하게 된다.When the voltage of the capacitor connected in series is higher than the voltage of the low voltage battery, the SW5 is connected and the low voltage battery is charged. If the voltage of the capacitor connected in series becomes equal to the voltage of the low voltage battery, After the voltage is raised by connecting a capacitor with a high voltage in series, the SW5 switch is connected (ON).

첨부된 도 8은 본 발명에 따른 저전압배터리를 이용한 리듐전지 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전을 위하여 다수의 리튬셀이 구비된 확대된 회로도를 도시한 것으로서, 그 절차를 살펴보면, 저전압 배터리는 셀 밸런싱을 위해 자신이 가지고 있는 전류를 리튬 전지셀에 전달할 수도 있는데, 저전압 배터리가 가지고 있는 전기에너지를 SW5를 통해 전류를 흐르게 하여, 전압이 낮은 리튬 전지를 충전할 수도 있는데, 그 절차를 살펴보면, 먼저 충전하고자 하는 리튬전지 셀을 설정한 후, 예를 들어 B3, B7, B19, B25, B36의 리튬전지 셀을 충전하고자 한다면, B3, B7, B19, B25, B36 각각의 리튬전지와 병렬로 연결할 수 있는 스위치 SW1, SW2를 Open 시키고, 각 셀과 병렬 관계에 있는 캐패시터(C3, C7, C19, C25, C36)를 직렬로 연결한다. FIG. 8 is an enlarged circuit diagram illustrating a plurality of lithium cells for charging a low-voltage battery using a lithium battery cell balancing current using a low-voltage battery according to an embodiment of the present invention. Voltage battery, it is possible to charge a lithium battery having a low voltage by passing an electric current through the switch SW5 to an electric energy of the low-voltage battery. B3, B7, B19, B25, and B36 can be connected in parallel with lithium batteries of B3, B7, B19, B25, and B36, respectively, if the lithium battery cells of B3, B7, B19, The switches SW1 and SW2 are opened and the capacitors C3, C7, C19, C25 and C36 in parallel with each cell are connected in series.

이때 직렬 연결하는 방법은 C3, C7, C19, C25, C36의 각각의 SW3, SW4 스위치의 접점을 3c-3a와 4c-4a로 연결하면 된다. 나머지 다른 캐패시터의 경우 3c-3b와 4c-4b로 연결하면 직렬연결에 참여하지 않고 By-Pass 하는데, 직렬연결된 캐패시터의 전체 전압 (VC3+VC7+VC19+VC25+VC36)이 저전압 배터리 전압보다 낮아야 한다. 이를 위해 SW5를 on 하면, 저전압 배터리의 전류가 캐패시터로 흘러 들어가게 되고, 캐패시터로 흘러간 전류는 캐패시터의 전압을 상승시키는데, 이때 SW5가 Open 되고, SW3와 SW4는 3c-3b와 4c-4b, SW1과 SW2는 ON 상태를 유지하면 캐패시터에 충전된 전류가 리튬전지에 흘러들어가게 된다. In this case, connect the contacts of SW3 and SW4 of C3, C7, C19, C25 and C36 to 3c-3a and 4c-4a, respectively. For the remaining capacitors, 3c-3b and 4c-4b do not participate in the serial connection but are bypassed. The total voltage of the capacitors in series (VC3 + VC7 + VC19 + VC25 + VC36) must be lower than the low-voltage battery voltage . When SW5 is turned on, the current of the low voltage battery flows into the capacitor, and the current flowing to the capacitor raises the voltage of the capacitor. At this time, SW5 is opened and SW3 and SW4 are connected to 3c-3b, 4c-4b, When SW2 is kept in the ON state, the current charged in the capacitor flows into the lithium battery.

리듐전지셀 연결에 따른 스위치 동작 상태Switch operation status according to cell connection of lithium battery 리듐전지셀Lithium battery cell VC vs VL V C vs V L SW 1SW 1 SW2SW2 SW3SW3 SW4SW4 SW5SW5 고저압 리듐전지 셀방전High Low-Pressure Lithium Battery Cell Discharge VC > VL V C > V L ONON ONON 3c-3b3c-3b 4c-4b4c-4b -- 저전압배터리 충전Low-voltage battery charging OFFOFF OFFOFF 3c-3a3c-3a 4c-4a4c-4a ONON 저전압 리듐전기 셀 충전Low Voltage Lithium Electric Cell Charge VC < VL V C <V L ONON ONON 3c-3b3c-3b 4d-4b4d-4b -- 저전압 배터리 방전Low-voltage battery discharge OFFOFF OFFOFF 3c-3a3c-3a 4c-4a4c-4a ONON

VC : 직렬연결된 캐패시터의 전압, VL : 저전압 배터리 전압V C : Voltage of series connected capacitors, V L : Low-voltage battery voltage

보다 세부적으로, 도 1에 도시된 종래에 사용되는 PASSIVE Balancing 회로에서는 전압이 높은 전류를 소비하기 위하여 저항을 연결하여 에너지를 태워버리는데 이것은 에너지 효율을 낮추게 되며, 배터리 팩 자체의 온도를 상승시켜 BMS를 비롯한 다른 전장품의 고장의 원인이 되고, 배터리 셀의 온도를 상승시켜 배터리의 수명을 단축시키는 원인이 된다. 부가적으로 도 2와 같이 종래에 사용되는 ACTIVE Balancing의 경우 B1의 전류를 B2로 옮겨주거나 B2의 전류를 B1으로 옮겨주는 것과 같이 전류가 도통되도록 하여 리튬전지 셀이 바로 이웃한 경우 효과적으로 전류를 흘려 줄 수 있으나 몇 개의 셀을 건너야 할 경우 그 효과는 상당히 반감된다. 이런 ACTIVE Balancing 회로는 저항대신 캐패시터를 사용하기 때문에 열을 발생시키지 않는 장점이 있으나, 캐패시터 및 스위치 등 추가되는 전장 부품의 가격 대비 셀 밸런싱 효과가 크지 않는 문제가 있다.More specifically, in the conventionally used PASSIVE balancing circuit shown in FIG. 1, a voltage is consumed by connecting a resistor to consume a high current, which lowers the energy efficiency and raises the temperature of the battery pack itself, And other electronic components including the battery, causing the temperature of the battery cell to rise to shorten the service life of the battery. In addition, as shown in FIG. 2, in the case of ACTIVE balancing which is conventionally used, a current is transferred to the B2, or the current is transferred to the B1, so that the current flows effectively when the lithium battery cell is immediately adjacent If you have to cross several cells, the effect is greatly reduced. Such an ACTIVE balancing circuit has the advantage of not generating heat because a capacitor is used instead of a resistor. However, there is a problem that the cell balancing effect of added electric parts such as a capacitor and a switch is insufficient.

따라서, 도 3 및 도 4와 같이, 고전압을 만들기 위하여 배터리 셀을 직렬 연결할 경우, 다수의 직렬 연결된 셀들의 전압(예를 들어, 650V)이 서로 다른 경우가 발생하게 되는데, 전압이 높은 셀로부터 슈퍼캐패시터로 전류를 이동하여 저전압 배터리(12V 또는 24V)를 충전시킬수 있으며, 이와는 반대로 충전된 저전압 배터리가 슈퍼캐패시터로 전류를 이동시켜 다수의 직렬연결된리튬전지 셀들 중에서 낮은 전압의 배터리 셀을 충전시킬수 있다. Therefore, as shown in FIGS. 3 and 4, when the battery cells are connected in series to generate a high voltage, voltages (for example, 650 V) of a plurality of serially connected cells are different from each other. A low voltage battery (12V or 24V) can be charged by moving a current to a capacitor, and conversely, a charged low voltage battery can transfer a current to a super capacitor to charge a low voltage battery cell among a plurality of series connected lithium battery cells.

또한, 첨부된 도 5에 도시된 바와 같이 리튬전지와 캐패시터가 병렬로 연결되고 캐패시터 C1은 캐패시터의 직렬연결에 참여하지 않고 By Pass 되는 회로를 통행 B1과 C1은 SW1과 SW2에 의해서 병렬로 연결된다. B1의 전압을 낮추고자 한다면 SW1과 SW2의 스위치를 ON시켜서 C1과 병렬로 연결하고, 이때 C1의 전압이 B1보다 낮으면 전류는 B1으로부터 C1으로 흐르게 된다. 일반적으로 리튬전지 B1에 저장된 에너지량이 슈퍼캐패시터 C1에 저장되는 에너지량보다 훨씬 크기 때문에 C1은 빠른 시간 안에 충전되게 되며, 일정 시간이 경과되면 B1의 전압과 C1의 전압이 같게 된다. 이때 리튬전지(B1)와 캐패시터(C1)를 병렬로 연결시켜주는 2개의 스위치 SW1과 SW2를 Open 시키고, SW3의 접점 3a, 3b를 연결시키고, SW4의 접점 4a와 4b를 연결시키면, C1과 같이 저전압 배터리가 병렬로 연결된다. 5, the lithium battery and the capacitor are connected in parallel, and the capacitor C1 is bypassed to bypass the series connection of the capacitors, and the circuits B1 and C1 are connected in parallel by the switches SW1 and SW2 . To lower the voltage of B1, turn SW1 and SW2 on and connect C1 in parallel. If C1 is lower than B1, the current flows from B1 to C1. Generally, since the amount of energy stored in the lithium battery B1 is much larger than the amount of energy stored in the super capacitor C1, C1 is charged in a short period of time. When a predetermined time elapses, the voltage of B1 becomes equal to the voltage of C1. At this time, when two switches SW1 and SW2 for connecting the lithium battery B1 and the capacitor C1 in parallel are opened and the contacts 3a and 3b of the switch SW3 are connected and the contacts 4a and 4b of the switch SW4 are connected, A low-voltage battery is connected in parallel.

여기에서 직렬로 연결된 다수개의 캐패시터(C1,... C176) 중에서 리튬전지(B1, B2,...B176)와 병렬로 연결되어 리튬전지의 셀 밸런싱을 하는 캐패시터는 By Pass 하여 직렬연결에서 제외할 수 있다. 이때, SW3는 접점 3b와 3c가 연결되고, SW4는 접점 4b와 4c가 연결됨으로써 별도의 제어기에서 SW1와 SW2의 ON, Off와 SW3와 SW4의 접점을 제어할 수 있다. Here, among the plurality of capacitors C1, ..., C176 connected in series, the capacitors connected in parallel with the lithium batteries B1, B2, ..., B176 to perform cell balancing of the lithium battery are bypassed and excluded from the series connection can do. At this time, the contacts 3b and 3c are connected to SW3, and the contacts 4b and 4c are connected to SW4, so that a separate controller can control ON / OFF of SW1 and SW2 and contacts of SW3 and SW4.

스위치 접점Switch contact SW1, SW2SW1, SW2 SW3SW3 SW4SW4 OnOn 3b-3c3b-3c 4b-4c4b-4c OffOff 3a-3c3a-3c 4a-4c4a-4c

부가적으로 도 8에 도시된 바와 같이 다수개의 직렬 연결된 리튬 전지인 경우 셀 밸런싱 회로의 경우, 전압이 높은 셀로부터 전류를 캐패시터로 이동시킬 때 SW1과 SW2가 ON 상태가 되고 이때 SW3은 접점 3b-3c가 연결되고, SW4 스위치는 접점 4b-4c로 연결되어 캐패시터의 직렬연결에 참여하지 않고 By Pass하게 된다. In addition, in the case of a plurality of series-connected lithium cells, as shown in FIG. 8, in the cell balancing circuit, when the current is transferred from the cell having a high voltage to the capacitor, SW1 and SW2 are turned ON, 3c are connected, and the switch SW4 is connected to the contacts 4b-4c, thereby bypassing the series connection of the capacitors.

이때 캐패시터의 접점 3a-3b로 연결되어 직렬연결에 참여한 캐패시터와 4b-4c로 연결되어 직렬연결에 참여하지 않고 By Pass 한 캐패시터의 숫자에 따라 SW5 스위치 전단의 전체 전압이 변하게 된다. 즉, 직렬연결에 참여한 캐패시터의 숫자는 최대 2.7V씩 증가하게 되는데 직렬 연결된 캐패시터의 전체 전압을 측정하여 저전압배터리의 전압보다 높은 경우 SW5를 ON하여 저전압 배터리를 충전할 수 있다.At this time, the total voltage at the front end of the switch SW5 is changed according to the number of the capacitors connected to the capacitors 3a-3b and connected to the capacitors connected to the serial connection and 4b-4c. That is, the number of capacitors participating in the series connection increases by 2.7V at maximum. If the total voltage of the capacitors connected in series is measured and the voltage of the capacitor is higher than the voltage of the low voltage battery, the low voltage battery can be charged by turning on SW5.

SW5는 직렬 연결된 캐패시터 회로와 저전압 배터리를 연결하거나 차단하는 스위치인데 직렬 연결된 캐패시터의 전압이 저전압 배터리보다 높을 경우 on 되고, 그 반대로 저전압 배터리의 전압이 직렬 연결된 캐패시터 전압보다 높을 경우 차단(Open)하게 된다. 이를 위하여 저전압배터리의 양 끝단에 전압 센싱 회로를 구비하고, 직렬 연결된 캐패시터의 양 끝단에 동일한 전압 센싱 회로를 구비하여 두 개의 전압을 마이크로 프로세서에 전달하면 마이크로프로세서는 이 두 개의 전압값을 비교하여 SW5의 연결(ON)과 차단(OFF)를 제어하게 된다. SW5 is a switch that connects or disconnects a series-connected capacitor circuit and a low-voltage battery. When the voltage of the series-connected capacitor is higher than that of the low-voltage battery, the switch is turned on. . To this end, a voltage sensing circuit is provided at both ends of the low voltage battery. When the voltage sensing circuit is provided at both ends of a capacitor connected in series and two voltages are transmitted to the microprocessor, the microprocessor compares the two voltages, (ON) and shut off (OFF) of the control signal.

한편, 직렬 연결된 캐패시터 회로의 전압이 지나치게 높을 경우, 예를들어 저전압배터리가 24V 납배터리인 경우 이 전압을 측정하여 납배터리 보다 2V 이상 높은 경우를 설명하면, 직렬 연결된 캐패시터와 저전압배터리 사이에 큰 전위차에 있을 경우, 돌입 전류가 발생하여 직렬 연결된 캐패시터 회로 또는 저전압 배터리가 손상될 우려가 있다. 이 때문에 SW5 스위치는 On/OFF 스위치가 아닌 PWM(Pulth width Modulate) 제어가 가능한 스위칭 소자(MOSFET, IGBT, SCR 등)를 사용한다. On the other hand, if the voltage of the series-connected capacitor circuit is too high, for example, if the low-voltage battery is a 24V lead battery, the voltage is measured to be 2V higher than the lead battery. The inrush current may be generated and the capacitor circuit or the low voltage battery connected in series may be damaged. For this reason, the SW5 switch uses a switching device (MOSFET, IGBT, SCR, etc.) capable of PWM (Pulse Width Modulate) control instead of an On / Off switch.

SW5는 마이크로프로세서에서 나오는 PWM을 통하여 평균전압을 저전압배터리보다 1~2V 높은 전압을 유지하여 직렬 연결된 캐패시터로 부터 저전압배터리로 흘러들어가는 전류의 양을 조절하는 스위칭 소자를 사용한다. 즉, 마이크로프로세서에서 발생시키는 PWM 신호를 스위칭 소자가 받아 전류를 제어할 수 있다. The SW5 uses a switching device that adjusts the amount of current flowing from the series-connected capacitor to the low-voltage battery by maintaining the average voltage 1 to 2 V higher than the low-voltage battery through PWM from the microprocessor. That is, the PWM signal generated by the microprocessor can be received by the switching element to control the current.

첨부된 도 6은 SW3와 SW4를 통해 슈퍼캐패시터가 캐패시터의 직렬연결에 참여하며, SW5가 연결(ON) 되면 저전압 배터리와 병렬로 연결되어 C1의 전류를 통해 저전압 배터리를 충전할 수 있는 회로를 나타낸 것으로서, 다수개의 직렬연결된 리튬전지와 각각의 리튬전지와 병렬로 연결된 캐패시터 및 이를 연결/차단하는 스위치 SW1와 SW2, 그리고 직렬 연결된 캐패시터 회로를 구성하기 위한 접점 스위치 SW3와 SW4, 직렬연결된 캐패시터 회로와 저전압배터리 사이의 연결 및 차단 또는 PWM을 통한 스위칭 연결 회로에 대한 실시예를 보면 다음과 같다.6 shows a circuit in which a supercapacitor participates in a series connection of a capacitor through SW3 and SW4 and a capacitor in which a low voltage battery is charged through a current of C1 when the SW5 is connected A plurality of series-connected lithium cells, capacitors connected in parallel with the respective lithium cells, switches SW1 and SW2 for connecting / disconnecting the capacitors, contact switches SW3 and SW4 for constituting a series-connected capacitor circuit, capacitor circuits connected in series, An embodiment of connection and shutdown between batteries or switching connection circuit via PWM is as follows.

상용차의 경우 정격 650V의 배터리를 사용하고 있고, 정격 650V 배터리를 구성하기 위하여 리튬전지 176개가 직렬로 연결되어 있다. 이를 B1, B2, ...,, B175, B176이라고 표현하고, 여기에 각각 캐패시터가 일대일로 SW1과 SW2를 통해 병렬로 연결된다. 176개의 리튬전지 각각에 대응하는 캐패시터를 C1, C2, ..., C175, C176 라고 표현하면 각각의 리튬전지는 각각의 캐패시터와 SW1과 SW2를 통해 연결(ON)시 병렬회로를 구성하거나, 차단(OFF)할 수 있는 회로구성이 가능하다. Commercial vehicles use a battery rated at 650V, and 176 lithium batteries are connected in series to form a rated 650V battery. This is expressed as B1, B2, ..., B175, and B176, in which capacitors are connected in parallel through SW1 and SW2, respectively, on a one-to-one basis. When the capacitors corresponding to 176 lithium batteries are represented by C1, C2, ..., C175, and C176, each lithium battery constitutes a parallel circuit when each capacitor is connected (ON) through SW1 and SW2, (OFF) is possible.

각각의 리튬전지에는 그 전압을 측정할 수 있는 전압센서가 연결되어 있고, 각각의 리튬전지 전압값(VB1, VB2, ..., VB175, VB176)을 읽어 제어기에서 높은 전압을 갖는 리튬전지를 캐패시터와 병렬로 SW1과 SW2를 연결(ON)시키면 리튬전지에 있는 전류가 캐패시터쪽으로 흘러가게 된다. Each of the lithium cells is connected to a voltage sensor capable of measuring the voltage thereof. The lithium battery voltage values VB1, VB2, ..., VB175 and VB176 are read, (ON) of SW1 and SW2 in parallel with the current flowing in the lithium battery to the capacitor.

첨부된 도 7은 리튬전지 B90과 B91이 캐패시터 C90과 C91과 연결 회로를 도시한 것으로서, B90은 SW1과 SW2가 연결(ON)되어서 C91과 병렬로 연결된 회로가 구성되고, SW3에서는 접점 3c-3b가 SW4에서는 접점 4c-4b가 연결되어 C91은 캐패시터의 직렬 연결 회로에는 참여하지 않고, By Pass하게 된다. FIG. 7 shows a connection circuit between the lithium batteries B90 and B91 and the capacitors C90 and C91. In FIG. 7, SW1 and SW2 are connected to each other to constitute a circuit connected in parallel with the C91. The contact 4c-4b is connected in SW4, and C91 does not participate in the series connection circuit of the capacitor but is bypassed.

즉, 리튬전지 B91은 SW1과 SW2가 차단(OPEN)되어 C91가 병렬로 연결되지 않은 상태의 회로이지만, 반면 SW3는 접점 3a와 3c, SW4는 접점 4a와 4c가 연결되어 C91이 캐패시터의 직렬회로 구성에 참여할 수 있다.In other words, the lithium battery B91 is a circuit in which SW1 and SW2 are closed and C91 is not connected in parallel. On the other hand, in SW3, the contacts 3a and 3c and SW4 are connected to the contacts 4a and 4c so that C91 is connected to the series circuit You can participate in the configuration.

도 8에 도시된 저전압배터리를 이용한 리듐전지 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전을 위하여 다수의 리튬셀이 구비된 확대된 회로도를 참조하면 176개의 직렬로 연결된 셀들의 전압(VB1, VB2, ..., VB175, VB176)을 모두 측정하여 마이크로프로세서 보내면 마이크로프로세서는 이 중에서 전압이 높은 순서대로 11개를 순차적으로 선택하여 스위치 SW1과 SW2를 연결하여 각각의 리튬전지셀과 캐패시터가 병렬로 연결되도록 한다. Referring to an enlarged circuit diagram of a plurality of lithium cells for charging a low-voltage battery using a lithium battery cell balancing current using a low-voltage battery shown in FIG. 8, voltages VB1, VB2, ... of 176 serially connected cells , VB175, and VB176) are measured and sent to the microprocessor, the microprocessor sequentially selects 11 of the microprocessors in order of the voltage, and connects the switches SW1 and SW2 so that the respective lithium battery cells and the capacitors are connected in parallel.

이때 SW3는 접점 3b-3c를 유지하고, SW4는 접점 4b와 4c를 유지한다. C90의 전압이 2.7V 이상 이거나 B90의 전압 (VB90)보다 높은 전압을 가진 리튬전지 셀이 있다면 B90과 C90 사이를 연결하는 SW1, SW2를 차단(Open)시키고, SW3를 3a-3c, SW4를 4a-4c로 연결하여 C90은 C91과 같은 캐패시터 사이의 직렬 연결에 참여한다.At this time, SW3 holds contacts 3b-3c, and SW4 holds contacts 4b and 4c. If there is a lithium battery cell with a voltage of C90 higher than 2.7V or a voltage higher than the voltage of B90 (VB90), SW1 and SW2 connecting between B90 and C90 should be shut off and SW3 should be closed between 3a-3c and SW4 to 4a Connected to -4c, C90 participates in a series connection between capacitors such as C91.

이를 통하여 176개의 셀중에서 높은 전압을 가진 다수의 리튬전지 셀의 전압을 낮춰주는 결과가 된다. 궁극적으로는 전압(VB1, VB2, ..., VB175, VB176)을 균일하게 유지시킬 수 있다.This results in lowering the voltage of a plurality of lithium battery cells having a higher voltage among the 176 cells. Ultimately, the voltages VB1, VB2, ..., VB175 and VB176 can be uniformly maintained.

따라서, 본 발명은 도 9에 도시된 바와 같이 각 셀의 (+)극과 (-)극에 스위치를 각각 하나씩 구비하여 병렬로 연결된 슈퍼캐패시터와 (+) 회로와 (-)회로로 연결 또는 단속이 가능하게 한다. 이때 (+) 스위치와 (-) 스위치가 연결되는 조건은 다수의 직렬로 연결된 리튬전지의 각 셀의 전압을 측정하여 측정된 셀의 전압이 높은 셀 순서로 병열로 연결된 슈퍼캐패시터와 스위치로 연결하여 구동될 수 있다.Therefore, the present invention is characterized in that each of the cells has one switch at each of the (+) and (-) poles of each cell and is connected to or disconnected from the supercapacitor connected in parallel, (+ . In this case, the condition that the (+) switch and the (-) switch are connected is that the voltage of each cell of the plurality of series-connected lithium cells is measured, and the measured cell voltage is connected to the supercapacitor Can be driven.

따라서, 수십개 또는 수백개로 직렬 연결된 각각의 리튬 전지의 전압을 측정하고, 각각의 리튬전지의 (+)극과 (-)극에 스위치를 연결하여 전압이 높은 리튬 전지의 전류를 각 리튬전지와 병렬로 연결된 슈퍼 캐패시터에 연결하여 전류를 저장하고, 이렇게 연결된 다수개의 슈퍼캐패시터를 직렬로 연결한 후 이 전류를 저전압 배터리에 충전하여 사용할 수 있도록 연결관계를 유지한다.Therefore, the voltage of each lithium battery connected in series with several tens or hundreds of batteries is measured, and a switch is connected to the (+) and (-) poles of each lithium battery, And the current is stored. Then, a plurality of supercapacitors connected in series are connected in series, and the current is connected to the low-voltage battery so that the current can be used.

따라서, 본 발명은 다수의 리튬전지가 직렬로 연결되어 있는 고전압 배터리가 충전 및 방전하는 경우 셀 밸런싱을 위해 소모되는 전류를 중간에 캐패시터에 저장한 후 캐패시터를 직렬로 연결하고 이를 저전압 배터리와 병렬로 연결하여 저전압 배터리를 충전하기 위한 저전압 변환 회로와 반대로 저전압 배터리와 고전압의 셀 밸런싱을 위해 고전압 배터리와 병렬로 연결된 캐패시터 중 몇개를 충전하여 고전압 배터리중 전위가 낮은 배터리를 충전해 줄수 있는 회로가 구비된다.Accordingly, in the present invention, when a high-voltage battery in which a plurality of lithium batteries are connected in series is charged and discharged, the current consumed for cell balancing is stored in a capacitor in the middle, and then the capacitor is connected in series to the low- Voltage conversion circuit for charging a low-voltage battery, and a circuit for charging a low-potential battery of a high-voltage battery by charging some of the capacitors connected in parallel with the high-voltage battery for low-voltage battery and high-voltage cell balancing .

즉, 직렬로 연결된 다수의 리튬전지의 각각에 대하여 (+)극과 (-)극에 스위치를 장착하고, 이 스위치들이 각 리튬전지와 병열로 연결된 캐패시터를 연결하거나 단속하도록 한다. 직렬로 연결된 다수의 리튬전지 셀들은 충전 또는 방전시 각 셀들의 내부저항 및 외부연결조건 등에 따라 전압차(전위차)가 발생하게 된다. 이때 직렬로 연결된 리튬전지 각각의 전압을 측정하면, 높은 전압을 갖는 셀은 에너지가 높고, 전압이 낮은 리튬전지 셀은 에너지가 낮다는 것을 알 수 있다. 이때 에너지가 높은 전지 셀의 전류를 병렬로 연결된 캐패시터로 흘려보내서 다른 셀과 전압차를 동일하게 조절할 수 있다.That is, for each of a plurality of lithium cells connected in series, a switch is attached to the (+) and (-) poles, and these switches connect or disconnect the capacitors connected in series with each lithium battery. A plurality of lithium battery cells connected in series will have a voltage difference (potential difference) according to internal resistance and external connection conditions of each cell when charging or discharging. At this time, when the voltage of each of the lithium cells connected in series is measured, it can be seen that a cell having a high voltage has a high energy and a lithium battery cell having a low voltage has a low energy. At this time, the current of the battery cell having a high energy can be flowed to the connected capacitor in parallel, so that the voltage difference with other cells can be controlled to be the same.

2개의 스위치(SW1과 SW2)를 통해 배터리와 병렬로 연결되면 배터리로부터 전류가 캐패시터로 흘러가게 되고, 캐패시터는 이를 전기적으로 저장하면서 첨부된 도 9와 같이 전압이 직선적으로 증가하게 된다.When the battery is connected in parallel with the two switches SW1 and SW2, current flows from the battery to the capacitor, and the capacitor linearly increases the voltage as shown in FIG. 9 while electrically storing the capacitor.

이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.As described above, preferred embodiments of the present invention have been disclosed in the present specification and drawings, and although specific terms have been used, they have been used only in a general sense to easily describe the technical contents of the present invention and to facilitate understanding of the invention , And are not intended to limit the scope of the present invention. It is to be understood by those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.

Claims (4)

수십개 또는 수백개로 직렬 연결된 각각의 리튬 전지의 전압을 측정하고, 각각의 리튬전지의 (+)극과 (-)극에 스위치를 연결하여 전압이 높은 리튬 전지의 전류를 각 리튬전지와 병렬로 연결된 슈퍼 캐패시터에 연결하여 전류를 저장하고, 이렇게 연결된 다수개의 슈퍼캐패시터를 직렬로 연결한 후 이 전류를 저전압 배터리에 충전이 되도록 각 셀의 (+)극과 (-)극 스위치는 다수의 직렬로 연결된 리튬전지의 각 셀의 전압을 측정하여 측정된 셀의 전압이 높은 셀 순서로 병렬로 연결된 슈퍼캐패시터와 스위치로 (+) 회로와 (-)회로로 연결 또는 단속되어 에너지 저장을 위한 슈퍼캐패시터 및 전기자동차용 배터리시스템에 적용되는 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 시스템.
The voltage of each lithium battery connected in series with several tens or hundreds of batteries is measured and a switch is connected to the (+) and (-) poles of each lithium battery so that the current of the lithium battery having a high voltage is connected in parallel with each lithium battery (+) Pole and (-) pole switch of each cell are connected in series so that the current is connected to the supercapacitor, the current is stored, and a plurality of supercapacitors thus connected are serially connected and then the current is charged in the low- The voltage of each cell of the lithium battery is measured. The measured voltage of the cell is connected or disconnected to (+) circuit and (-) circuit by supercapacitor and switch connected in parallel in high cell order, and supercapacitor and electricity Lithium battery cell balancing system using low voltage battery for automotive battery system.
다수개의 리튬전지 B1, B2, ... B176가 직렬로 연결되어 형성된 배터리 셀에 전압이 높은 셀 B1의 셀 전압을 낮추기 위하여 SW1과 SW2를 연결하고, B1에 있는 전류가 SW1 및 SW2와 병렬연결 구조를 갖는 캐패시터 C1으로 흘러 전압을 상승하는 제 1 과정;
캐패시터 C1의 전압은 병렬로 연결된 리튬전지 B1의 전압과 같아질 때까지 상승하며, C1의 전압이 B1의 전압과 동일할 때 SW1 및 SW2를 off하여 B1으로부터 C1으로 전류가 흐르지 않도록 차단되는 제 2 과정;
캐패시터 C1과 직렬연결된 SW3 및 SW4 스위치의 ON 동작에 따라 캐패시터 C1에 전류가 충전되면 리튬전지와 연결을 끊기 위하여 SW1과 SW2를 Open 상태가 되도록 동작하는 제 3 과정;
제 3 과정이 이루어진 후, 직렬연결된 캐패시터의 전압이 저전압배터리의 전압보다 높으면 저전압배터리와 연결관계를 가지는 SW5를 연결하여 저전압배터리를 충전하는 제 4 과정; 및
제 4 과정이 이루어진 후, 충전이 진행되어 직렬연결된 캐패시터 C1의 전압이 저전압배터리의 전압과 동등해지면 SW5를 차단(Open)되고, 전압이 높은 캐패시터를 직렬연결시켜 전압을 높인 후 SW5 스위치를 연결(ON)하는 제 5 과정;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전방법
In order to lower the cell voltage of the cell B1 having a high voltage in the battery cell formed by connecting a plurality of lithium batteries B1, B2, ..., B176 in series, SW1 and SW2 are connected, and the current in B1 is connected in parallel with SW1 and SW2 A first step of increasing the voltage flowing to the capacitor C1 having the structure;
The voltage of the capacitor C1 rises until it becomes equal to the voltage of the lithium battery B1 connected in parallel. When the voltage of C1 is equal to the voltage of B1, the switches SW1 and SW2 are turned off to prevent the current from flowing from B1 to C1 process;
A third step of operating SW1 and SW2 to be in the open state in order to disconnect the lithium battery when the capacitor C1 is charged according to the ON operation of the switches SW3 and SW4 connected in series with the capacitor C1;
A fourth step of charging the low voltage battery by connecting the SW5 having a connection relation with the low voltage battery when the voltage of the capacitor connected in series is higher than the voltage of the low voltage battery after the third process is performed; And
When the voltage of the capacitor C1 connected in series is equal to the voltage of the low-voltage battery, the switch SW5 is opened. After the capacitor of the high voltage is connected in series, the voltage is increased and the switch SW5 is connected A battery charging method using a cell balancing current of a lithium battery using a low voltage battery;
제 2 항에 있어서,
상기 SW3은 3c 접점이 캐패시터를 직렬로 연결할때 3a 접점과, By Pass 할 때는 3b와 연결할 수 있는 스위치이고, SW4는 4c 접점이 캐패시터를 직렬로 연결할때는 4a 접점과, By Pass 할 때 4b와 연결할 수 있는 스위치로서 SW3의 점점 3c가 3a와 연결될 때는 4c도 4a와 연결되고, 3c가 3b와 연결될 때 4c는 4b와 연결되는 것을 특징으로 하는 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전방법
3. The method of claim 2,
The SW3 is a switch which can be connected to the contact 3a when the capacitor 3c is connected in series with the capacitor 3a and to the capacitor 3b when the capacitor 3b is connected to the capacitor by the pass. When the capacitor 4c is connected in series with the capacitor 4b, A switch 3c is connected to the switch 3a when the switch 3c is connected to the switch 3a, and a switch 4c is connected to the switch 4b when the switch 3c is connected to the switch 3b. The low-voltage battery is charged using the battery balancing current Way
제 2 항에 있어서,
SW5는 캐패시터 C1의 전압과 저전압 배터리의 전압을 비교하여 전류의 흐름을 제어하는 스위치로서, 고전압 배터리 충전시 셀 밸런싱을 통해 소비하여 전류를 슈퍼캐패시터에 저장하여 직렬로 연결되어 구동하고, 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터의 전압이 저전압 배터리보다 큰 경우 SW5를 on 하면 저전압 배터리를 충전이 이루어 지고,
저전압배터리의 전압이 높을 경우 직렬로 연결된 리튬전지 셀 중 저전압배터리를 충전시켜주기 위해서 SW5 스위치를 연결하여 저전압배터리가 슈퍼캐패시터를 충전시킨후 고전압 배터리가 충전되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 저전압배터리를 이용한 리튬전지 셀 밸런싱 전류를 이용한 저전압 배터리 충전방법.3. The method of claim 2,
SW5 is a switch for controlling the flow of current by comparing the voltage of the capacitor C1 with the voltage of the low voltage battery. When the high voltage battery is charged, it is consumed through cell balancing to store the current in the supercapacitor, If the voltage of the supercapacitor is larger than the low-voltage battery, turning on SW5 will charge the low-voltage battery,
When the voltage of the low voltage battery is high, the SW5 switch is connected to charge the low voltage battery among the lithium battery cells connected in series so that the low voltage battery charges the supercapacitor and then the high voltage battery is charged. Lithium battery Low battery charge method using cell balancing current.
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