KR20200011154A - Charging system using battery estimation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 배터리 추정을 이용한 배터리 충전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리의 충전 상태를 추정할 수 있는 배터리 추정을 이용한 배터리 충전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a battery charging system using battery estimation, and more particularly, to a battery charging system using battery estimation that can estimate the state of charge of the battery.
최근 휴대폰 등 휴대용 DC 가전기기가 많아지고 있으며, 그에 따라 휴대용 DC 가전기기에 전원을 공급하기 위한 에너지 저장장치의 수요도 증가한다. 이러한 에너지 저장장치의 대표적인 것인 배터리이다. 그런데 배터리는 과충전되는 경우, 폭발하는 등의 위험이 발생할 수 있어, 이런 위험성을 방지하면서 배터리의 충전 효율을 높이기 위한 배터리 충전 방법에 대한 연구가 활발하게 연구가 이루어지고 있다.Recently, portable DC home appliances such as mobile phones are increasing, and accordingly, demand for energy storage devices for supplying power to portable DC home appliances increases. Batteries are representative of such energy storage devices. However, when the battery is overcharged, a risk of explosion may occur, and researches on a battery charging method for increasing the charging efficiency of the battery while preventing such a risk have been actively conducted.
그 중 대표적인 배터리 충전 방법은, 정전류-정전압 충전 방법을 이용한다. 정전류-정전압 충전 방법은, 초기에 정전류로 충전하여 배터리의 충전시간을 단축시키고, 충전이 완료되는 시점에 정전압 충전을 수행하여 배터리의 과충전을 방지한다. 정전압 충전은 공급전압과 배터리 전압 및 배터리의 내부 임피던스에 의해 결정된 전류를 이용하여 배터리를 충전한다. 그에 따라 공급전압과 배터리 전압의 차가 작을 때 동작하여, 95% 이상 충전할 수 있다. 그렇지만, 정전압 충전할 때, 배터리에 공급되는 전력이 작기 때문에 완충되는 시점까지의 시간이 많이 소요되는 단점이 있다.Among them, a representative battery charging method uses a constant current-constant voltage charging method. The constant current-constant voltage charging method initially charges with a constant current to shorten the charging time of the battery and prevents overcharging of the battery by performing constant voltage charging when the charging is completed. Constant voltage charging charges the battery using a current determined by the supply voltage and the battery voltage and the battery's internal impedance. Therefore, it operates when the difference between the supply voltage and the battery voltage is small, and can charge more than 95%. However, when charging a constant voltage, since the power supplied to the battery is small, it takes a long time until the time of full charge.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 충전 시간이 많이 소요되는 정전압 충전 과정을 제거하여 배터리의 충전 속도를 높이면서, 배터리의 과충전을 방지할 수 있는 배터리 추정을 이용한 배터리 충전 시스템을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a battery charging system using a battery estimation that can prevent the overcharge of the battery, while increasing the charging speed of the battery by removing the constant voltage charging process takes a long time to charge.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 시스템은, 배터리; 공급된 교류전력을 이용하여 직류전력의 상기 배터리를 정전류 모드로 충전하기 위해 공급하는 정류기; 및 일정 시간 동안 상기 정류기에서 출력되는 전류 및 전압을 이용하여 상기 배터리를 제1 정전류 모드로 충전시키고, 상기 정류기로 공급되는 전류 및 전압과 상기 정류에서 상기 배터리로 공급되는 전류 및 전압의 이용하여 상기 배터리를 제2 정전류 모드로 충전시키기 위해 상기 배터리의 직류 등가저항을 추정하는 정전류 제어기를 포함할 수 있다.Battery charging system according to an embodiment of the present invention, the battery; A rectifier for supplying the battery of direct current power to the constant current mode using the supplied alternating current power; And charging the battery in a first constant current mode by using the current and voltage output from the rectifier for a predetermined time, and using the current and voltage supplied to the rectifier and the current and voltage supplied to the battery in the rectification. It may include a constant current controller for estimating the DC equivalent resistance of the battery to charge the battery in a second constant current mode.
이때, 상기 제1 정전류 모드는, 상기 배터리의 전압을 높여 상기 배터리를 충전하는 모드이고, 상기 제2 정전류 모드는, 상기 제1 정전류 모드보다 낮은 전압으로 상기 배터리를 충전하는 모드일 수 있다.In this case, the first constant current mode may be a mode for charging the battery by increasing the voltage of the battery, and the second constant current mode may be a mode for charging the battery at a lower voltage than the first constant current mode.
여기서, 상기 제2 정전류 모드는 상기 제1 정전류 모드에 비해 상대적으로 상기 배터리를 충전하는 속도가 작을 수 있다.Here, the second constant current mode may have a smaller rate of charging the battery relative to the first constant current mode.
그리고 상기 제2 정전류 모드에서 상기 배터리를 충전하는 충전 전류는 배터리 용량(Ah)의 0.1 내지 0.2[c]일 수 있다.The charging current for charging the battery in the second constant current mode may be 0.1 to 0.2 [c] of the battery capacity Ah.
또한, 상기 배터리는 상기 제1 정전류 모드로 60% 내지 80% 사이의 범위로 충전이 이루어질 수 있다.In addition, the battery may be charged in a range of 60% to 80% in the first constant current mode.
그리고 상기 제2 정전류 모드는, 상기 배터리의 내부 전압을 추정하여 상기 추정된 내부 전압이 설정된 전압에 도달하면, 상기 배터리의 충전을 중지할 수 있다.In the second constant current mode, when the estimated internal voltage reaches the set voltage by estimating the internal voltage of the battery, charging of the battery may be stopped.
이때, 상기 배터리의 내부 전압은 하기의 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 추정할 수 있다.In this case, the internal voltage of the battery may be estimated using
[수학식 1][Equation 1]
[수학식 2][Equation 2]
여기서, RT는 상기 배터리의 내부 등가저항이고, V1 및 I1은 상기 정류기에 입력되는 전압 및 전류이며, V2 및 I2는 상기 정류기를 통과한 전압 및 전류이고, Eocv는 상기 배터리의 내부 전압이다.Here, R T is the internal equivalent resistance of the battery, V 1 and I 1 are the voltage and current input to the rectifier, V 2 and I 2 is the voltage and current through the rectifier, E ocv is the battery Is the internal voltage.
또한, 상기 제2 정전류 모드에서 상기 배터리의 직류 등가저항을 실시간으로 추정할 수 있다.In addition, the DC equivalent resistance of the battery may be estimated in real time in the second constant current mode.
본 발명에 의하면, 정전압 충전모드로 충전하는 속도에 비해 상대적으로 충전 속도가 빠른 정전류 모드를 이용하여 배터리를 충전함에 따라 배터리의 충전효율을 높일 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the charging efficiency of the battery can be improved by charging the battery using the constant current mode, which is relatively faster than the charging speed in the constant voltage charging mode.
또한, 배터리의 내부 전압을 실시간으로 추정하여 배터리를 충전함에 따라 배터리가 과충전되는 것을 방지할 수 있어, 안전하게 배터리를 충전할 수 있는 효과가 있다.In addition, as the battery is charged by estimating the internal voltage of the battery in real time, it is possible to prevent the battery from being overcharged, so that the battery can be safely charged.
도 1은 정전류 충전을 위한 랜들스 모델을 도시한 도면이다.
도 2는 정전류 충전을 위한 간략화한 랜들스 모델을 도시한 도면이다.
도 3은 정전류 충전 시 내부 전압을 추정하기 위한 등가회로를 도시한 도면이다.
도 4는 일반적인 배터리의 방전 특성 곡선을 나타낸 도면이다.
도 5는 배터리의 정전류 충전 및 정전압 충전의 특성 곡선을 나타낸 도면이다.
도 6은 배터리의 정전류 충전의 특성 곡선을 나타낸 도면이다.
도 7은 직렬 커패시터 컨버터의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 가변되는 입력 전압과 배터리의 전압의 크기에 따라 도통되거나 도통되지 않는 것을 각각 나타낸 도면이다.
도 9는 직렬 커패시터 배터리 충전기의 출력 파형을 나타낸 도면이다.
도 10은 2레벨 단일 정전류 충전 모드를 갖는 충전기 시스템 구성도를 도시한 도면이다.
도 11a 내지 도 11c는 2레벨 단일 정전류 충전 모드를 갖는 충전기 시스템의 예들을 도시한 도면이다.
도 12a 내지 도 12g는 도 11a 내지 도 11c의 예들에 따라 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.1 illustrates a lances model for constant current charging.
FIG. 2 shows a simplified landles model for constant current charging.
3 illustrates an equivalent circuit for estimating an internal voltage during constant current charging.
4 is a view showing a discharge characteristic curve of a typical battery.
5 is a diagram illustrating characteristic curves of constant current charging and constant voltage charging of a battery.
6 is a diagram illustrating a characteristic curve of constant current charging of a battery.
7 shows an equivalent circuit of a series capacitor converter.
8A and 8B are diagrams showing conduction or non conduction according to varying input voltages and magnitudes of voltages of batteries.
9 is a diagram illustrating an output waveform of a series capacitor battery charger.
10 is a diagram illustrating a charger system configuration having a two level single constant current charging mode.
11A-11C show examples of a charger system having a two level single constant current charging mode.
12A to 12G illustrate simulation results according to the examples of FIGS. 11A to 11C.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.Preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 정전류 충전을 위한 랜들스 모델을 도시한 도면이다.1 illustrates a lances model for constant current charging.
배터리를 충전하기 위한 모델링은 그 중요성 때문에 퍼지 이론을 적용한 모델링부터 다양한 모델링이 존재한다. 그 중 간략화된 랜들스(Randlles) 모델링을 기반으로 하여 정전류 충전용 모델링에 대해 설명한다. 랜들스 모델링은 도 1에 도시된 바와 같이, 직렬로 연결된 배터리의 전해액 저항(Rs), 병렬로 연결된 전하 이중층(Cdl), 유도 반응에 의한 임피던스를 나타내는 전하 전달 저항(Rct) 및 확산(Zw) 등을 전기회로로 등가화시켜 만들 모델이다.Because of the importance of modeling for charging a battery, there are various models from modeling using fuzzy theory. Based on the simplified Randlles modeling, the model for constant current charging will be described. Rands modeling is shown in Figure 1, the electrolyte resistance (R s ) of the battery connected in series, the charge double layer (C dl ) connected in parallel, the charge transfer resistance (R ct ) and the impedance representing the impedance by the induction reaction This model is made by (Z w ) equalizing with electric circuit.
이러한 랜들스 모델은 전기화학적 임피던스 분광법(EIS : Electrochemical impedance spectroscopy)과 함께 배터리의 구성 요소별 특성을 전기화학 반은 매커니즘으로 분석할 수 있는 등가회로를 제공하는 형태로 주로 사용된다.The Landes model is mainly used in the form of providing an equivalent circuit that can analyze the characteristics of each component of the battery by the electrochemical half-mechanism with the electrochemical impedance spectroscopy (EIS).
용액(solution) 저항(Rs)은 배터리 내부에 전류가 흐를 때 방해요소를 등가화한 것이며, 노화될수록 전극의 화학반응이 잘 일어나지 않아 전하의 이동이 저하된다. 이러한 용액 저항은 배터리 내부의 전해질 이온 농도에 의해 그 특성이 다르므로 이를 정확하게 파악하는 것이 쉽지 않다. 특히, 용액 저항 값은 시간 경과에 의한 변동이 일률적이지 않고 배터리마다 그 특성이 다르다. 더욱이, 제조사에서 시간 경과에 따른 데이터를 제공하지 않기 때문에 배터리의 내부 저항 및 특성을 파악하는 것이 쉽지 않다.Solution resistance (R s ) is equivalent to the disturbance when the current flows in the battery, the aging of the electrode is less likely to chemical reaction of the electrode, the charge transfer is reduced. This solution resistance is not easy to determine exactly because the characteristics are different depending on the electrolyte ion concentration inside the battery. In particular, the solution resistance value is not uniform over time and its characteristics vary from battery to battery. Moreover, it is not easy to determine the internal resistance and characteristics of the battery because the manufacturer does not provide data over time.
전하 전달 저항(Rct)은 배터리의 전기화학적 반응에서 나타나는 전위 손실을 의미한다. 배터리가 초기 방전 시 전기화학 반응은 전하 이중층을 형성하여 과전위가 형성되기 이전 단계까지 급격하게 저항이 증가되고, 충분한 전위 이상으로 산화 반응이 진행되며 전자의 이동이 활발하게 이루어져 전하 전달 저항은 감소한다. 그러므로 전하 전달 저항은 고정적인 값이 아닌, 가변 저항과 같은 기호 형태로 표현할 수 있다. 전하 전달 저항은 급속 충전 또는 방전량이 큰 경우에 손실에 대해 충분히 고려할 필요가 있다.The charge transfer resistance (R ct ) refers to the potential loss seen in the electrochemical reaction of the battery. When the battery is initially discharged, the electrochemical reaction forms a charge double layer, which rapidly increases the resistance before the overpotential is formed, the oxidation reaction proceeds above a sufficient potential, and the movement of electrons becomes active, thereby reducing the charge transfer resistance do. Therefore, the charge transfer resistance can be expressed in the form of a symbol such as a variable resistor, not a fixed value. The charge transfer resistance needs to be fully considered for the loss in the case of a rapid charge or discharge amount.
전기 이중층(Cdl)은 산화환원 반응이 시작되면 전극과 전해액 사이에 계면이 생긴다. 이러한 계면은 층을 이루어 확장될 수 있다. 이렇게 전극과 전해액 사이에 커패시터와 같은 전기적 구조가 나타나며, 이를 전기 이중층이라 정의한다. 전극의 형태에 따라 커패시터 또는 커패시터와 저항 성분이 합쳐진 형태로 특성이 나타날 수 있다.The electric double layer C dl forms an interface between the electrode and the electrolyte when the redox reaction starts. This interface can be extended in layers. Thus, an electrical structure such as a capacitor appears between the electrode and the electrolyte, which is defined as an electric double layer. Depending on the shape of the electrode, the characteristics may appear in the form of a capacitor or a capacitor and a resistor.
배터리의 충방전 시 전기화학 반응은 전극 표면에서부터 발생한다. 즉, 도선이 연결된 전극에서부터 산화화원 반응이 시작되어 주변으로 확산(Zn)되어 산화환원 반응이 계속된다. 하지만, 이러한 확산 역시 전해질의 농도가 일정하지 않으며 약간의 편차를 보이며, 이때 외부 단자 전압은 감소하는 현상이 나타난다. 여기서, 충전 및 방전 후 외부 단자 전압을 측정할 경우, 정확하지 않고 계속 상승하거나 떨어지는 현상이 나타나는데, 이 현상이 확산에 의해 나타나는 현상이다.During charging and discharging of a battery, an electrochemical reaction occurs from the electrode surface. That is, the redox reaction starts from the electrode to which the wire is connected and diffuses to the surrounding (Z n ) to continue the redox reaction. However, such diffusion also shows a slight variation in the concentration of the electrolyte and a decrease in external terminal voltage. In this case, when the external terminal voltage is measured after charging and discharging, a phenomenon in which the terminal voltage rises or falls continuously is not accurate, and this phenomenon is caused by diffusion.
이러한 확산은 최소한 10분에서 1시간 이상 경과되어야 안정화되며, OCV(open circuit voltage) 방법으로 외부 단자 전압을 정확하게 측정할 수 있다.This diffusion will not stabilize until at least 10 minutes to 1 hour, and the external terminal voltage can be accurately measured by the open circuit voltage (OCV) method.
도 2는 정전류 충전을 위한 간략화한 랜들스 모델을 도시한 도면이다.FIG. 2 shows a simplified landles model for constant current charging.
랜들스 모델은 복잡하여 실시간 파라미터 추정이 쉽지 않다. 그에 따라 도 2에 도시된 바와 같이, 간략화한 랜들스 모델을 배터리 등가 모델로 사용할 수 있다. 내부 저항과 전하 전달을 통합하여 새로운 등가 저항(Ri)로 설정하고, 확산모델은 RC 병렬회로로 간략화할 수 있다.The Randalls model is complex and real-time parameter estimation is not easy. Accordingly, as shown in FIG. 2, the simplified Landes model can be used as a battery equivalent model. By integrating internal resistance and charge transfer, the new equivalent resistor (R i ) is set, and the diffusion model can be simplified with an RC parallel circuit.
그러나 배터리 내부 전압과 직렬 임피던스 성분은 온도 특성을 포함하므로, 배터리를 충전할 때, 일정한 값으로 설정할 수 없다. 도 2에 도시된 배터리 등가모델은 방전 초기에 커패시턴스(Cd) 성분에 의해 커패시턴스 단은 단락되어 저항(Ri)만으로 동작한다. 정전류 모드의 정상상태에서 커패시턴스는 개방된 것으로 볼 수 있으므로, 저항(Ri)과 저항(Rd)의 합으로 동작하며, 커패시터(Cd)는 시상수로부터 계산할 수 있다. 따라서 정전류 충전 시 배터리 모델을 위한 필요한 정보는 내부 전압과 저항들(Ri, Rd)의 합으로 해결할 수 있다.However, since the battery internal voltage and series impedance components include temperature characteristics, they cannot be set to a constant value when the battery is charged. Also a battery equivalent circuit shown in Fig. 2 by the capacitance (C d) component to discharge the initial capacitance stage is short-circuited and operates only the resistance (R i). In the normal state of the constant current mode, the capacitance can be an open ball, operates as the sum of resistance (R i) and the resistor (R d), can be calculated from the time constant a capacitor (C d). Therefore, necessary information for the battery model during the constant current charging can be solved by the sum of the internal voltage and the resistors (R i , R d ).
도 3은 정전류 충전 시 내부 전압을 추정하기 위한 등가회로를 도시한 도면이다.3 illustrates an equivalent circuit for estimating an internal voltage during constant current charging.
배터리 내부전압(Vocv)과 SoC는 서로 선형 관계가 있으며, 정전류 충전시 내부전압 추정을 위한 등가회로는 도 3에 도시된 바와 같은, 간략화 모델로 사용할 수 있다. 이때, 도 3에 도시된 배터리 내부 등가저항(RT)은 도 2에 도시된 저항들(Ri, Rd)의 합일 수 있다.The battery internal voltage V ocv and the SoC have a linear relationship with each other, and an equivalent circuit for estimating the internal voltage during constant current charging may be used as a simplified model, as shown in FIG. 3. At this time, the battery inside the equivalent resistance (R T) shown in Figure 3 may be the sum of the resistors shown in Figure 2 (R i, R d).
도 3에 도시된 내부 등가저항은 직류 성분에 대한 저항 값이다. 충전모드에서 배터리의 내부전압을 추정하기 위해서는 저항(RT)에 대한 정보만 있으면 단자전압과 전류검출에 의해 내부 전압 값을 계산할 수 있다.The internal equivalent resistance shown in FIG. 3 is a resistance value for the DC component. In order to estimate the internal voltage of the battery in the charging mode, it is possible to calculate the internal voltage value by detecting the terminal voltage and current if only the information about the resistor R T is required.
본 실시예에서, 배터리 저항(RT) 값과 내부전압 값에 대한 정보를 얻기 위해서는 2레벨의 정전류 모드 기법을 이용한다. 여기서, 2레벨 정전류 모드에서 각각의 단자전압 및 전류에 대한 저항(RT)은 수학식 1과 같이 정의된다.In the present embodiment, a two-level constant current mode technique is used to obtain information about the battery resistance R T value and the internal voltage value. Here, the resistance (R T ) for each terminal voltage and current in the two-level constant current mode is defined as in
[수학식 1][Equation 1]
이때, 배터리 내부전압은 수학식 2와 같이 정의 된다.At this time, the battery internal voltage is defined as in
[수학식 2][Equation 2]
2레벨 정전류 충전모드에서 레벨 1은 기존 정전류 충전과 같으며, 레벨 2는 배터리의 파라미터를 실시간으로 추정하기 위해 추가된 모드이다. 각 모드의 지속 시간은 도 2에 도시된 시상수 보다 클 수 있다.In the two-level constant current charging mode,
도 4는 일반적인 배터리의 방전 특성 곡선을 나타낸 도면이다.4 is a view showing a discharge characteristic curve of a typical battery.
배터리는 본연의 수명을 유지하기 위해 적절한 충방전 제어가 필요하다. 배터리는 과충전 시 폭발의 위험이 있고, 과방전시 수명을 다하기 때문에 이에 대한 보호 기능이 필요하다. 도 4에는 일반적인 배터리의 방전 특성 곡선을 도시한다. 완전 충전된 배터리에 부하를 연결하여 일정한 전류로 방전하면 초기에는 급격히 배터리 단자 전압이 떨어진다.Batteries need proper charge and discharge control to maintain their life. Batteries need a protection against explosion because there is a risk of explosion during overcharging and the life span during overdischarge. 4 shows a discharge characteristic curve of a typical battery. When the load is connected to a fully charged battery and discharged with a constant current, the battery terminal voltage suddenly drops initially.
이렇게 배터리의 단자 전압이 떨어지는 영역은 지수영역(exponential area)이라 하고, 그 이후에 배터리 단자 전압이 조금씩 떨어지는 영역은 정상영역(nominal area)이라 한다. 이때, 정상영역이 실제 배터리의 동작 영역이다. 배터리의 잔존 용량이 없어지면 단자전압은 급격히 하강한다. 그리고 방전이 계속 진행되면 방전종지전압(Cut-off volatage) 이하로 방전되어 배터리의 특성이 나빠져 수명이 줄어들 수 있다.The area where the terminal voltage of the battery falls is called an exponential area, and the area where the battery terminal voltage decreases little by little is called a normal area. At this time, the normal region is the operating region of the actual battery. When the remaining capacity of the battery disappears, the terminal voltage drops sharply. If the discharge continues, the battery may be discharged below the cut-off volatage, resulting in deterioration of the battery's characteristics and shortening its lifespan.
도 5는 배터리의 정전류 충전 및 정전압 충전의 특성 곡선을 나타낸 도면이다.5 is a diagram illustrating characteristic curves of constant current charging and constant voltage charging of a battery.
도 5를 참조하면, 정전류-정전압 충전에 대해 설명한다. 정전류-정전압 충전은 배터리의 성능에 나쁜 영향은 없으면서 과충전을 방지하기 위해 이용된다. 이러한 정전류-정전압 충전 방식은, 초기에 정전류 충전을 하면서 배터리의 충전시간을 단축시키고, 충전 말기에 정전류 충전 모드에서 정전압 충전 모드로 전환한다.Referring to Fig. 5, constant current-constant voltage charging will be described. Constant current-voltage charging is used to prevent overcharging without adversely affecting the performance of the battery. This constant current-constant voltage charging method shortens the charging time of the battery while initially performing constant current charging, and switches from the constant current charging mode to the constant voltage charging mode at the end of the charging.
배터리 충전과정은 단계 1에서 정전류(CC: Constant current) 충전으로 배터리의 전압을 높인다. 이 과정에서 배터리는 약 70% 정도까지 충전된다. 다음 정전압(CV: Constant Voltage) 충전을 통해 배터리가 포화 상태가 되면서 충전 전류는 서서히 감소할 수 있다. 전압이 한계점에 다다르고, 전류가 정격 전류의 3% 이하로 덜어지거나 수평을 유지할 수 있다.The battery charging process increases the voltage of the battery by constant current (CC) charging in
도 6은 배터리의 정전류 충전의 특성 곡선을 나타낸 도면이다.6 is a diagram illustrating a characteristic curve of constant current charging of a battery.
도 6을 참조하면, 정전류 충전 방법은 일반 충전 방법과 급속 충전 방법으로 분류할 수 있다. 일반 충전 방법은 배터리를 낮은 전류로 장시간 충전하는 방법이며, 급속 충전 방법에 비해 충전 효율이 좋고, 충전 전류는 배터리 용량(Ah)의 0.1[C] ~ 0.2[C] 사이로 선택하는 것이 좋다. 급속 충전법은 높은 전류로 단시간에 배터리를 충전하는 방식으로, 충전 효율이 낮고, 배터리에 손상을 줄 수 있어, 제한적인 경우에만 사용한다.Referring to FIG. 6, the constant current charging method may be classified into a general charging method and a rapid charging method. The general charging method is a method of charging the battery at a low current for a long time, and the charging efficiency is better than that of the rapid charging method, and the charging current may be selected between 0.1 [C] and 0.2 [C] of the battery capacity Ah. The fast charging method is a method of charging a battery in a short time with a high current, and is used only in limited cases because of low charging efficiency and damage to the battery.
도 7은 직렬 커패시터 컨버터의 등가 회로를 나타낸 도면이다. 그리고 도 8a 및 도 8b는 가변되는 입력 전압과 배터리의 전압의 크기에 따라 도통되거나 도통되지 않는 것을 각각 나타낸 도면이다. 도 9는 직렬 커패시터 배터리 충전기의 출력 파형을 나타낸 도면이다.7 shows an equivalent circuit of a series capacitor converter. 8A and 8B are diagrams illustrating conduction or non-conduction according to varying input voltages and magnitudes of voltages of batteries. 9 is a diagram illustrating an output waveform of a series capacitor battery charger.
도 7을 참조하면, 직렬 커패시터 컨버터의 등가회로를 나타낸 것으로, 입력 전압원과 직렬로 연결된 커패시터 및 정류기를 통하는 간단한 구조이다. 이러한 직렬 커패시터 컨버터는 도 8a에 도시된 바와 같이, 가변되는 입력전압이 배터리의 전압보다 크면 도통되어 전류가 흐른다. 그런데, 가변되는 입력전압보다 배터리의 전압이 크면 도 8b에 도시된 바와 같이, 도통되지 않는 불연속 구간이 발생한다.Referring to FIG. 7, an equivalent circuit of a series capacitor converter is illustrated, and is a simple structure through a capacitor and a rectifier connected in series with an input voltage source. As shown in FIG. 8A, the series capacitor converter is turned on when the variable input voltage is greater than the voltage of the battery, so that current flows. However, when the voltage of the battery is greater than the variable input voltage, as shown in FIG. 8B, a non-contiguous period occurs.
이렇게 직렬 커패시터 배터리 충전기의 출력 파형은 도 9에 도시된 바와 같이 나타난다. 도 9를 참고하면, 모드 1 및 모드 3은 불연속 구간이 나타나고, 모드 2 및 모드 4는 연속구간이 나타난다.Thus, the output waveform of the series capacitor battery charger is shown as shown in FIG. Referring to FIG. 9,
이렇게 도 9에 도시된 출력 파형에 해당하는 전압 방정식은 수학식 3과 같다.The voltage equation corresponding to the output waveform shown in FIG. 9 is as shown in
[수학식 3][Equation 3]
이때, 직렬 커패시터를 통해 입력 전원에서 배터리 측으로 흐르는 전류는 수학식 4와 같다.At this time, the current flowing from the input power to the battery side through the series capacitor is shown in
[수학식 4][Equation 4]
여기서, 브리지 다이오드의 입력전압(Vf)은 브리지 다이오드의 전류방향에 따라 정 또는 부의 배터리 내부 전압이다. 그에 따라 브리지 다이오드의 입력전압의 미분 항은 0(zero)이 되어 직렬 커패시터에 흐르는 전류(ic)는 수학식 5와 같이 정의 될 수 있다.Here, the input voltage V f of the bridge diode is a positive or negative battery internal voltage depending on the current direction of the bridge diode. Accordingly, the derivative term of the input voltage of the bridge diode becomes 0 (zero) so that the current (i c ) flowing in the series capacitor can be defined as shown in
[수학식 5][Equation 5]
그리고 브라지 다이오드의 도통구간은 입력전압의 피크치와 배터리 전압(V0)에 의해 결정되고, 수학식 6과 같이 정의된다.The conduction section of the brazed diode is determined by the peak value of the input voltage and the battery voltage V 0 , and is defined as in
[수학식 6][Equation 6]
수학식 6으로부터 배터리 쪽으로 유입되는 정격 평균전류는 수학식 7과 같다.The rated average current flowing into the battery from
[수학식 7][Equation 7]
따라서 배터리의 외부단자 전압과 정격평균 전류가 주어지면 커패시터 용량은 수학식 8을 이용하여 계산할 수 있다.Therefore, given the battery external terminal voltage and the rated average current, the capacitor capacity can be calculated using
[수학식 8][Equation 8]
도 10은 2레벨 단일 정전류 충전 모드를 갖는 충전기 시스템 구성도를 도시한 도면이다.10 is a diagram illustrating a charger system configuration having a two level single constant current charging mode.
도 10을 참조하면, 그리드 전압영점을 계측하여 배터리에 인가되는 전압 전류를 윈도우 필터를 사용하여 리플을 제어한다. 그리고 제2 타이머(Timer2)를 이용하여 2레벨 정전류 제어기를 구성할 수 있고, 딜레이 함수에 의해 전류 레벨 변동 시 콘덴서의 영향을 제거할 수 있다. 그리고 수학식 1 및 수학식 2에 의해 추정된 배터리 내부 전압과 설정된 내부전압이 일치하는 경우에 전원을 분리한다.Referring to FIG. 10, the ripple is controlled by measuring a grid voltage zero using a window filter for a voltage current applied to a battery. In addition, a two-level constant current controller may be configured using the second timer Timer2, and the influence of the capacitor may be removed when the current level changes by a delay function. When the battery internal voltage estimated by
이를 위해, 충전기 시스템은, 공급된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기가 포함된다. 그리고 정류기에 공급되는 전압 값을 수신하고, 정류기에서 출력되어 배터리로 공급되는 전압 값 및 전류 값을 수신하여, 배터리 내부 전압을 추정하는 정전류 제어기를 포함한다. 정전류 제어기는 내부에 정류기로 공급되는 전압을 수신하는 제1 타이머(Timer1)를 포함한다.To this end, the charger system includes a rectifier for converting the supplied AC power into DC power. And a constant current controller that receives a voltage value supplied to the rectifier, receives a voltage value and a current value output from the rectifier and supplied to the battery, and estimates an internal voltage of the battery. The constant current controller includes a first timer Timer1 that receives a voltage supplied to the rectifier therein.
도 11a 내지 도 11c는 2레벨 단일 정전류 충전 모드를 갖는 충전기 시스템의 예들을 도시한 도면이다. 그리고 도 12a 내지 도 12g는 도 11a 내지 도 11c의 예들에 따라 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.11A-11C show examples of a charger system having a two level single constant current charging mode. 12A to 12G illustrate simulation results according to the examples of FIGS. 11A to 11C.
도 11a는 저가형으로 제작한 2레벨 정전류 충전기를 도시한 도면이고, 도 11b는 배터리의 등가회로를 도시한 도면이다. 그리고 도 11c는 스위칭 알고리즘을 구현하기 위한 DLL파일의 인터페이스부를 도시한 도면이다.FIG. 11A shows a low-level two-level constant current charger, and FIG. 11B shows an equivalent circuit of the battery. 11C is a diagram illustrating an interface unit of a DLL file for implementing a switching algorithm.
이렇게 도 11a 내지 도 11c에 도시된 회로들을 이용하여 시뮬레이션한 결과가 도 12a 내지 도 12g에 도시된다. 도 12a는 배터리 단자에 입력되는 전압(V_rec) 및 윈도우 필터를 통과한 전압 값(OUT_V)을 나타낸 도면이고, 도 12b는 배터리 단자에 입력되는 전류(I_bat) 및 윈도우 필터를 통과한 전류 값(OUT_I)을 나타낸 도면이다. 그리고 도 12c는 2레벨 정전류 모드로 배터리를 충전할 때, 배터리 단자에 입력되는 전압 차(Vdif)를 나타낸 도면이며, 도 12d는 2레벨 정전류 모드로 배터리를 충전할 때, 배터리 단자에 입력되는 전류 차(Idif)를 나타낸 도면이다. 또한, 도 12e는 추정한 저항 값(EST_R)이 실제 설정한 4[Ω]과 일치한 것을 나타낸 도면이며, 도 12f는 배터리 내부 전압(V_bat)과 추정한 전압(EST_V_Bat)을 이용하여 모드를 전환할 때마다 양호하게 추정이 이루어지는 것을 나타낸 도면이다. 도 12g는 타이머에 의해 스위치(C_SW)가 전환되어 모드 변동이 이루어지는 모드 변동 신호를 도시한 도면이다.Thus simulation results using the circuits shown in FIGS. 11A-11C are shown in FIGS. 12A-12G. FIG. 12A illustrates a voltage V_rec input to a battery terminal and a voltage value OUT_V passing through a window filter, and FIG. 12B illustrates a current I_bat input to a battery terminal and a current value OUT_I passing through a window filter. ). 12C illustrates a voltage difference Vdif input to the battery terminal when the battery is charged in the two-level constant current mode, and FIG. 12D is a current input to the battery terminal when the battery is charged in the two-level constant current mode. It is a figure which shows the difference Idif. FIG. 12E is a diagram showing that the estimated resistance value EST_R coincides with 4 [?] Actually set, and FIG. 12F shows a mode switching using the battery internal voltage V_bat and the estimated voltage EST_V_Bat. It is a figure which shows that estimation is performed favorably every time. FIG. 12G illustrates a mode change signal in which the switch C_SW is switched by a timer to cause mode change.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.As described above, the detailed description of the present invention has been made by the embodiments with reference to the accompanying drawings. However, since the above-described embodiments have only been described by way of example, the present invention is limited to the above embodiments. It should not be understood, the scope of the present invention will be understood by the claims and equivalent concepts described below.
Claims (8)
공급된 교류전력을 이용하여 직류전력의 상기 배터리를 정전류 모드로 충전하기 위해 공급하는 정류기;
일정 시간 동안 상기 정류기에서 출력되는 전류 및 전압을 이용하여 상기 배터리를 제1 정전류 모드로 충전시키고, 상기 정류기로 공급되는 전류 및 전압과 상기 정류에서 상기 배터리로 공급되는 전류 및 전압의 이용하여 상기 배터리를 제2 정전류 모드로 충전시키기 위해 상기 배터리의 직류 등가저항을 추정하는 정전류 제어기를 포함하는 배터리 충전 시스템.
battery;
A rectifier for supplying the battery of direct current power to the constant current mode using the supplied alternating current power;
The battery is charged in the first constant current mode by using the current and voltage output from the rectifier for a predetermined time, and the battery is used by using the current and voltage supplied to the rectifier and the current and voltage supplied to the battery in the rectification. And a constant current controller for estimating a DC equivalent resistance of the battery to charge a second constant current mode.
상기 제1 정전류 모드는, 상기 배터리의 전압을 높여 상기 배터리를 충전하는 모드이고,
상기 제2 정전류 모드는, 상기 제1 정전류 모드보다 낮은 전압으로 상기 배터리를 충전하는 모드인 배터리 충전 시스템.
The method according to claim 1,
The first constant current mode is a mode for charging the battery by increasing the voltage of the battery,
And the second constant current mode is a mode for charging the battery at a lower voltage than the first constant current mode.
상기 제2 정전류 모드는 상기 제1 정전류 모드에 비해 상대적으로 상기 배터리를 충전하는 속도가 작은 배터리 충전 시스템.
The method according to claim 1,
And the second constant current mode has a lower rate of charging the battery relative to the first constant current mode.
상기 제2 정전류 모드에서 상기 배터리를 충전하는 충전 전류는 배터리 용량(Ah)의 0.1 내지 0.2[c]인 배터리 충전 시스템.
The method according to claim 1,
The charging current for charging the battery in the second constant current mode is 0.1 to 0.2 [c] of the battery capacity (Ah).
상기 배터리는 상기 제1 정전류 모드로 60% 내지 80% 사이의 범위로 충전이 이루어지는 배터리 충전 시스템.
The method according to claim 1,
And the battery is charged in a range between 60% and 80% in the first constant current mode.
상기 제2 정전류 모드는, 상기 배터리의 내부 전압을 추정하여 상기 추정된 내부 전압이 설정된 전압에 도달하면, 상기 배터리의 충전을 중지하는 배터리 충전 시스템.
The method according to claim 1,
The second constant current mode estimates the internal voltage of the battery and stops charging the battery when the estimated internal voltage reaches a set voltage.
상기 배터리의 내부 전압은 하기의 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 추정하는 배터리 충전 시스템.
[수학식 1]
[수학식 2]
여기서, RT는 상기 배터리의 내부 등가저항이고, V1 및 I1은 상기 정류기에 입력되는 전압 및 전류이며, V2 및 I2는 상기 정류기를 통과한 전압 및 전류이고, Eocv는 상기 배터리의 내부 전압이다.
The method according to claim 1,
An internal voltage of the battery is estimated using the following equations (1) and (2).
[Equation 1]
[Equation 2]
Here, R T is the internal equivalent resistance of the battery, V 1 and I 1 are the voltage and current input to the rectifier, V 2 and I 2 is the voltage and current through the rectifier, E ocv is the battery Is the internal voltage.
상기 제2 정전류 모드에서 상기 배터리의 직류 등가저항을 실시간으로 추정하는 배터리 충전 시스템.The method according to claim 1,
Battery charging system for estimating the DC equivalent resistance of the battery in the second constant current mode in real time.
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