KR20210092721A

KR20210092721A - 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로 및 방법

Info

Publication number: KR20210092721A
Application number: KR1020217011290A
Authority: KR
Inventors: 시아오쥔 리우; 이린 리우
Original assignee: 산동 유니버시티
Priority date: 2019-10-12
Filing date: 2020-10-12
Publication date: 2021-07-26
Also published as: WO2021068972A1; CN110752635A; US20220060031A1; US11831187B2; KR102523648B1

Abstract

본 발명은 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로 및 방법을 제공한다. 여기에는 축전지팩, 게이팅 스위치 어레이, 전력 소산 회로, 극성 매칭 스위치 어레이, 분리형 DC/DC 컨버터, 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로, 마이크로컨트롤러 유닛, 충방전 전류 검출 회로 및 스위치 회로 유닛이 포함된다. 본 발명은 게이팅 스위치 어레이를 제어함으로써 축전지팩의 각 직렬 섹션 배터리에 대한 충전과 방전을 독립적으로 수행하며, 각 직렬 섹션 배터리의 전압을 실시간 측정하고 방전 전류와 누설 전력을 계산하여 축전지팩 용량의 온라인 검출을 구현할 수 있다. 또한 충전과 방전의 두 가지 상태 하에서 상대 전하가 높거나 낮은 직렬 섹션 배터리에 대해 우회 누설 및 병렬 보충을 수행하여, 각 직렬 섹션 배터리 전력의 고효율 등화를 구현할 수 있다.

Description

직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로 및 방법

본 발명은 축전지 기술 분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로 및 방법에 관한 것이다.

본 부분의 설명은 본 발명과 관련된 배경기술을 제공한 것일 뿐이며, 이것이 반드시 종래 기술을 구성하는 것은 아니다.

지구 환경이 지속 악화됨에 따라 다양한 유해물의 배출을 줄이는 것은 인류 공통이 직면한 중대한 문제가 되었다. 각종 대용량 축전지팩은 가장 편리한 전기 에너지 저장 장치로서 보안 모니터링, 통신 시설 등 다양하게 활용되는 예비 전원 장치 및 전기차, 모터 보트, 무인 비행기 등 신에너지 교통 운송 도구에 광범위하게 사용된다. 배터리 용량과 전압에 대한 응용 시스템의 수요를 충족시키기 위해, 복수의 축전지셀을 배터리팩으로 병렬 및 직렬 조합해야 한다. 배터리셀을 직렬로 연결한 후, 축전지팩의 사용 수명과 운행 안전을 보장하기 위해, 일반적으로 축전지팩에 각 직렬 섹션 배터리 전압에 대한 측정 모니터링 및 충방전 회로 차단의 보호 회로 한 세트를 설치하여, 축전지팩 내의 각 직렬 섹션 배터리가 과도한 고전압 충전 및 과도한 저전압 방출이 일어나지 않도록 보장한다. 제조 공정의 결함과 설치 위치로 인한 사용 환경의 차이로 인해, 각 직렬 섹션 배터리의 누설 전류에 차이가 생기며, 이러한 누적은 직렬 섹션 배터리의 상대 전하(SOC)에 불균형을 초래한다. 축전지팩 내 각 직렬 섹션 배터리 전압이 일치하지 않을 경우, 충전 시에는 전압이 높은 배터리 섹션은 먼저 과전압 보호값으로 충전되어 충전 보호를 생성하고, 방전 시에는 전압이 낮은 배터리 섹션이 먼저 저전압 보호값으로 충전되어 방전 보호를 생성한다. 따라서 축전지팩의 유효 가용 용량(즉, 건강 상태 SOH)이 저하되어, 축전지팩의 에너지 저장 효율과 사용 수명에 영향을 미친다.

축전지팩의 유효 용량을 유지하기 위해, 통상적으로 등화 회로를 채택하여 축전지팩 내 직렬 섹션 배터리 전압이 충전 후 동등한 등화 상태에 도달하도록 만든다. 등화 회로의 작동 방식은 에너지 소산형과 에너지 전달형으로 나뉜다. 에너지 소산형 등화 회로는 하나의 스위치 제어가 가능한 바이패스 저항을 각 직렬 섹션 배터리의 양단에 병렬로 연결한 것이다. 어느 하나의 직렬 섹션 배터리의 전압이 특정 임계값보다 높을 때 바이패스 저항을 연통하여 상기 직렬 섹션 배터리에 충전된 전류를 분류하여 등화를 구현한다. 이러한 방식은 회로가 간단하고 비용이 저렴하여 소형 축전지팩에서 광범위하게 사용된다. 그러나 등화 저항에 소모되는 에너지가 열에너지로 전환되며, 이러한 열에너지를 소산시키려면 비교적 큰 부피 공간이 필요하기 때문에 등화의 능력을 제한한다는 단점이 있다. 따라서 대용량 축전지팩의 등화 요건을 충족시키지 못한다. 에너지 전달형 등화 회로는 리액턴스 요소(인덕터 또는 커패시터) 또는 DC/DC 컨버터를 통해 전압이 비교적 높은 직렬 섹션 배터리의 에너지를 다른 직렬 섹션 배터리나 전체 회로 상으로 전달하고, 상기 직렬 섹션 배터리의 충전 전류를 감소시켜 등화를 구현한다. 또는 리액턴스 요소(인덕터 또는 커패시터) 또는 DC/DC 컨버터를 통해 전체 회로나 기타 직렬 섹션 배터리의 에너지를 전압이 비교적 낮은 직렬 섹션 배터리로 전달하고, 그 충전 전류를 증가시켜 등화를 구현한다. 이러한 방식은 발열량이 비교적 적기 때문에 대용량 축전지팩의 등화에 사용할 수 있으나, 회로가 복잡하고 비용이 비교적 높다는 단점이 있다.

예비 전원의 축전지팩의 경우, 많은 응용 시스템(예를 들어 보안 모니터링 시스템)의 축전지팩은 장시간 유휴 상태이므로, 우발적인 상황에서만 축전지 전력 공급 작업을 가동시킬 수 있다. 장시간 유휴 상태에 있는 축전지는 제조 결함이나 환경 영향으로 인해 각 직렬 섹션 배터리의 상대 전하(SOC)의 불균형, 특정 배터리의 용량 저하 등의 문제가 나타나 축전지팩 유효 용량(즉, 건강 상태(SOH))이 대폭 저하될 수 있으며, 심지어 완전히 실효될 수도 있다. 축전지팩에 전력을 공급해야 할 때 전기 에너지가 효과적으로 지원되지 않아 전체 시스템이 작동하지 않아 심각한 결과를 초래할 수 있다. 축전지팩의 유효성을 확보하기 위해, 중요한 시스템의 경우 통상적으로 사용 현장에서 정기적으로 용량 테스트를 수행해야 한다. 일부 장소(예를 들어 폭발하기 쉬운 환경)는 반드시 설비를 실험실로 옮겨 테스트해야 하므로 유지 보수 작업에 시간과 노력이 필요하며 비용이 높다. 테스트 유지 보수 과정에서 전력 공급 수요가 폭발적으로 발생할 경우, 예비 전기 에너지를 공급할 수 없어 시스템이 실효될 수 있다.

축전지팩 건강 상태(SOH)를 신뢰성 있고 정확하게 측정하기 위해 방전 실험법을 채택한다. 배터리팩을 상대 전하가 비교적 큰 상태(SOC₀)에서 시작하여 상대 전하가 비교적 작은 다른 상태(SOC₁)까지 방전하여, 상대 전하의 차이값(SOC_D)을 계산한다. 동시에 방전 전류에 대해 시간 적분(time integration)을 수행하여 방출된 실제 전력(ROC_D)을 계산하고, 이로부터 배터리팩의 실제 용량 ROC_D/SOC_D를 계산한다. 이 방법으로 측정된 용량값은 정확하고 신뢰할 수 있다. 그러나 배터리팩에 대해 심방전(deep discharge) 실험을 수행해야 한다. 또한 전용의 방전 회로 및 측정 장치가 필요하며, 측정하는 동안 전력의 예비 공급을 중단해야 하므로 온라인 측정을 구현할 수 없다. 축전지팩 건강 상태(SOH)의 온라인 테스트는 일반적으로 배터리 내부 저항법을 채택한다. 축전지팩 양단에 일정한 주파수의 교류 신호를 주입하고, 축전지팩 양단의 전압과 전류의 폭 및 위상차를 테스트하여, 축전지팩의 내부 저항을 추산함으로써 축전지팩의 유효 용량(즉, 건강 상태(SOH))을 판단한다. 이 방법은 측정 정확도가 낮고 환경 및 기타 요인에 취약하며, 평가 결과에 오차가 매우 크고 응용 시스템의 신뢰성을 보장할 수 없다는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 결함을 해결하기 위해 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로 및 방법을 제공함으로써, 축전지팩의 유효 용량 온라인 검출과 충방전의 두 가지 상태에서 직렬 섹션 배터리의 전력 등화를 구현하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 하기의 기술적 해결책을 채택한다.

본 발명의 제1 양상은 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 상태 등화 회로를 제공한다.

직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로는 축전지팩, 게이팅 스위치 어레이, 전력 소산 회로, 극성 매칭 스위치 어레이, 분리형 DC/DC 컨버터, 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로, 마이크로컨트롤러 유닛, 충방전 전류 검출 회로 및 스위치 회로 유닛이 포함된다.

상기 축전지팩은 복수개의 직렬로 연결된 배터리 섹션을 포함한다. 상기 게이팅 스위치 어레이는 전자 제어 스위치를 통해 축전지팩의 홀수 일련번호의 직렬 섹션 배터리 양극을 각각 홀수 버스에 게이팅하여 연결하고, 짝수 일련번호의 직렬 섹션 배터리 양극과 총 음극은 전자 제어 스위치를 통해 각각 홀수 버스와 짝수 버스에 게이팅하여 연결한다. 상기 홀수 버스와 짝수 버스는 각각 전력 소산 회로의 양단, 극성 매칭 스위치 어레이의 두 출력단 및 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로의 두 입력단에 연결된다.

상기 극성 매칭 스위치 어레이는 홀수 버스와 짝수 버스를 분리형 DC/DC 컨버터의 출력과 분리하거나 동일 전압 극성으로 변환한 후 함께 연결한다. 상기 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로는 홀수 버스와 짝수 버스 상의 양극성 고동상 배터리 전압 차동 신호를 조절하여 마이크로컨트롤러 유닛 입력 요건에 적합한 신호 접지를 참고한 단극성 전압으로 변환하여 마이크로컨트롤러 유닛에 이송한다. 상기 충방전 전류 검출 회로와 스위치 회로는 축전지팩의 총 음극 출력 연결선 상에 직렬로 연결된다.

가능한 일부 실시예로서, 상기 극성 매칭 스위치 어레이는 두 세트의 교차 병렬의 2극 연동 전자 제어 스위치를 포함한다. 제1세트 전자 제어 스위치에서 하나의 상시 개방 스위치(normally open switch)는 홀수 버스와 분리형 DC/DC 컨버터의 양극 사이를 가로질러 연결되고, 다른 하나의 상시 개방 스위치는 짝수 버스와 분리형 DC/DC 컨버터의 음극 사이를 가로질러 연결된다.

제2세트 전자 제어 스위치에서 하나의 상시 개방 스위치는 짝수 버스와 분리형 DC/DC 컨버터의 양극 사이를 가로질러 연결되고, 다른 하나의 상시 개방 스위치는 홀수 버스와 분리형 DC/DC 컨버터의 음극 사이를 가로질러 연결된다. 두 개의 전자 제어 스위치의 시분할 연통을 제어함으로써 분리형 DC/DC 컨버터의 출력이 게이팅 스위치 어레이를 통해 게이팅된 축전지팩 직렬 섹션 배터리 극성과 동일하게 연결된다.

추가적인 한정으로서, 상기 극성 매칭 스위치 어레이는 복수 세트의 전자 제어 스위치로 구성되는 네 개 포트의 회로 유닛을 형성한다. 여기에서 두 개의 포트는 홀수 버스 및 짝수 버스와 연결되고, 다른 두 개의 포트는 분리형 DC/DC 컨버터의 음양 출력단과 연결된다. 내부 스위치의 온/오프는 마이크로컨트롤러 유닛에 의해 제어된다.

가능한 일부 실시예로서, 상기 게이팅 스위치 어레이는 배터리 직렬 섹션 수에 하나의 전자 제어 스위치를 더하여 구성한다. 상기 축전지팩은 복수 섹션의 축전지를 직렬로 연결하여 구성한다. 그 총 양극, 총 음극 및 각 배터리 직렬 연결 노드는 모두 게이팅 스위치 어레이에서 하나의 전자 제어 스위치 상시 개방 스위치 콘택트의 일단에 연결된다. 홀수 일련번호의 직렬 섹션 배터리 양극과 연결된 전자 제어 스위치 상시 개방 스위치 콘택트의 타단은 홀수 버스 상에 연결된다. 짝수 일련번호의 직렬 섹션 배터리 양극 및 축전지팩 총 음극과 연결된 전자 제어 스위치 상시 개방 스위치 콘택트의 타단은 짝수 버스 상에 연결된다.

가능한 일부 실시예로서, 상기 전력 소산 회로는 하나의 전자 제어 스위치의 상시 개방 스위치 콘택트와 하나의 저항 또는 등가의 전기 에너지 소산 회로망이 직렬로 연결되어 구성된다.

가능한 일부 실시예로서, 상기 분리형 DC/DC 컨버터의 입력단은 축전지팩의 총 양극과 총 음극에 연결되고, 출력단은 각각 상기 극성 매칭 스위치 어레이의 입력단에 연결된다. 그 입력과 출력은 전기가 분리된 것이며, 입력 전압 범위는 축전지팩 총 출력 전압의 변화 범위보다 커야 하고, 출력 무부하 전압은 축전지팩 직렬 섹션 배터리의 최고 허용 작동 전압과 같으며, 전류 제한 출력 특성을 가진다. 최대 출력 전류는 축전지팩 직렬 섹션 배터리의 최대 허용 충전 전류보다 크지 않다.

가능한 일부 실시예로서, 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로의 두 입력단은 각각 홀수 짝수의 두 버스 상에 연결된다. 출력단은 마이크로컨트롤러 유닛에 연결되며, 음양 두 종류 극성의 입력 신호에 대해 차동 증폭을 수행한다. 입력 동상 전압 범위는 축전지팩의 최고 출력 전압보다 작지 않다.

가능한 일부 실시예로서, 상기 마이크로컨트롤러 유닛은 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로로부터 출력되는 신호에 대해 AD 변환 수집을 수행한다. 또한 시분할 측정으로 획득한 축전지팩의 모든 직렬 섹션 배터리의 전압, 충방전 전류 등 파라미터로 판정한 축전지팩 작동 상태를 기반으로 게이팅 스위치 어레이, 극성 매칭 스위치 어레이 및 전력 소산 회로 내의 상응 전자 제어 스위치의 온/오프를 제어한다. 이는 축전지팩 유효 용량의 온라인 측정 평가 및 충방전 두 가지 작동 상태 하에서 축전지 각각의 직렬 섹션 배터리 전하량의 고효율 등화 관리를 구현하는 데 사용된다.

본 발명의 제2 양상은 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 시스템을 제공한다.

직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 시스템은 적어도 한 세트의 축전지팩을 포함한다. 상기 축전지팩은 본 발명에 따른 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로를 이용하여 축전지팩 유효 용량의 측정 평가 및 충방전 두 가지 작동 상태 하에서 축전지 각각의 직렬 섹션 배터리 전하량의 고효율 등화 관리를 수행한다.

본 발명의 제3 양상은 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 방법을 제공한다.

직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 방법은 본 발명에 따른 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로를 이용한다.

축전지팩 충전 상태 하에서의 고효율 등화 작업 과정은 구체적으로 하기와 같다.

충전 상태에서 게이팅 스위치 어레이를 통해 전압이 중심값에서 편차가 가장 큰 직렬 섹션 배터리의 양극과 음극 양단을 홀수 버스와 짝수 버스에 연통시킨다. 상기 섹션 배터리가 중심값보다 큰 경우, 전력 소산 회로의 소산 회로 전자 제어 스위치를 연통하고, 저항 부하를 소산시켜 상기 섹션 배터리의 에너지를 소모시키거나 상기 섹션 배터리로 충전된 전류를 분류하며, 상기 섹션 배터리의 전압 또는 전압 상승 속도를 낮춘다.

상기 섹션 배터리 전압이 중심값보다 작은 경우, 홀수 일련번호의 직렬 섹션 배터리는 극성 매칭 스위치 어레이의 제2 극성 매칭 스위치 세트와 연통하고, 짝수 일련번호의 직렬 섹션 배터리는 극성 매칭 스위치 어레이의 제1 극성 매칭 스위치 세트와 연통하여, 게이팅된 직렬 섹션 배터리의 극성이 분리형 DC/DC 컨버터에 대응하도록 연결되어 전력 보충을 수행하며, 상기 섹션 배터리의 전압 또는 전압 상승 속도를 향상시킨다. 이를 통해 충전 상태 하에서의 등화 작업을 구현한다.

축전지팩 방전 상태 하에서의 고효율 등화 작업 과정은 구체적으로 하기와 같다.

방전 상태에서 게이팅 스위치 어레이를 통해 전압값이 가장 낮은 직렬 섹션 배터리의 양극, 음극 양단을 홀수 버스와 짝수 버스에 연통시킨다. 홀수 일련번호의 직렬 섹션 배터리는 극성 매칭 스위치 어레이의 제2 극성 매칭 스위치 세트와 연통하고, 짝수 일련번호의 직렬 섹션 배터리는 극성 매칭 스위치 어레이의 제1 극성 매칭 스위치 세트와 연통하여, 게이팅된 직렬 섹션 배터리의 극성이 분리형 DC/DC 컨버터에 대응하도록 연결되어 전력 보충 보조를 수행하며, 상기 섹션 배터리의 전력 소모를 완화시켜 방전 상태 하에서의 등화 작업을 구현한다.

축전지팩 용량 온라인 검출 작업 과정은 구체적으로 하기와 같다.

시스템의 설치가 필요한 용량 모니터링의 간격 시간에 따라, 축전지팩이 충전 전원에 연결되고 충전 보호 및 비방전 상태에 있는 경우, 게이팅 스위치 어레이를 통해 순차적으로 시분할로 축전지팩의 한 직렬 섹션 배터리의 양극, 음극 양단을 홀수 버스와 짝수 버스에 연결함으로써, 전력 소산 회로의 전자 제어 스위치를 연통하여, 게이팅된 직렬 섹션 배터리가 저항 또는 등가의 전기 에너지 소산 회로망을 통해 방전되도록 만든다.

동시에 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로을 통해 상기 직렬 섹션 배터리의 전압을 마이크로컨트롤러 유닛에 이송하여 실시간 수집을 수행하고, 수집된 직렬 섹션 배터리 전압, 부하 저항 또는 등가의 전기 에너지 소산 회로망의 저항값을 기반으로 각 시각의 방전 전류를 계산하고, 방출된 실제 누적 전력(ROC_D)을 시간 적분 계산하고, 상기 섹션 배터리 전압이 개방 전압에 대응하는 상대 전하(SOC)의 설정 비율까지 떨어질 때, 전력 소산 회로의 전자 제어 스위치가 분리되어 방전이 중지되며, 방전 시작 시 개방 전압에 대응하는 초기 상대 전하(SOC₀)에서 방전 종료 시 개방 전압에 대응하는 상대 전하(SOC₁)를 감하여 방출된 상대 전하(SOC_D)를 계산한 다음, ROC_D/SOC_D의 값을 계산한다. 이는 바로 직렬 섹션 배터리의 실제 용량값이다.

상기 직렬 섹션 배터리는 홀수와 짝수 일련번호에 따라 극성 매칭 스위치의 한 세트 스위치에 대응하도록 연통되어, 완충 상태가 될 때까지 직렬 섹션 배터리 극성이 분리형 DC/DC 컨버터에 대응하도록 연결되어 단독으로 전력 보충을 수행한다.

이 단계에 따라 순차적으로 축전지팩의 각 직렬 섹션 배터리의 용량에 대해 전력 누설 테스트를 진행하고 단독 충전을 수행하여 완충 상태를 회복하며, 항상 배터리팩이 비교적 높은 전기 에너지를 저장하도록 유지한다.

여기에서 측정된 모든 직렬 섹션 배터리의 최소 용량이 바로 축전지팩의 유효 용량이다.

추가적인 한정으로서, 축전지팩 용량 온라인 검출 시의 비상 전력 공급 작업 과정은 구체적으로 하기와 같다.

축전지팩이 온라인 검출 시의 전력 누설 측정 과정에서 배터리팩에 전력을 공급해야 하는 경우, 누설 측정되고 있는 배터리팩의 상대 용량이 비교적 낮으며, 누설 측정되고 있는 축전지팩 배터리를 그 홀수와 짝수 일련번호에 따라 대응하도록 극성 매칭 스위치를 연통하고, 상기 직렬 섹션 배터리 극성을 대응하도록 분리형 DC/DC 컨버터에 연결하여 전력 보충 보조를 수행한다. 이를 통해 전체 배터리팩이 출력할 수 있는 전력이 아주 작게 저하되도록 보장한다.

종래 기술과 비교할 때 본 발명의 유익한 효과는 하기와 같다.

1. 배터리팩의 유휴 상태에서 각 축전지팩 쌍의 직렬 섹션 배터리에 대해 적절한 방전을 수행함으로써, 각 직렬 섹션 배터리의 실제 용량을 정확하게 온라인 측정할 수 있으며, 분리형 DC/DC 컨버터가 방전 측정의 직렬 섹션 배터리에 대해 단독 충전을 수행하여 전하량을 회복함으로써, 배터리팩의 유효 용량(즉, 건강 상태(SOH))의 온라인 측정을 구현하고, 이를 통해 축전지팩의 유효 용량이 저하되어 응용 시스템의 비상 신뢰성이 낮아지는 것을 방지한다.

2. 특정 직렬 섹션 배터리를 방전 테스트하는 경우, 축전지팩에 대해 방전 작업을 수행해야 하며, 전체 배터리팩의 전력을 이용하여 분리형 DC/DC 컨버터를 통해 방전 테스트되고 있는 직렬 섹션 배터리에 대해 전력 보충 보조를 수행할 수 있으며, 전체 축전지팩의 유효 출력 전력 손실이 매우 작도록 만들어 응용 시스템에 대해 중단 없는 전력 보유를 보장한다.

3. 충전 상태에서 전력 소산 회로의 소산 저항 부하를 통해 전하량이 높은 직렬 섹션 배터리의 충전 전류에 대해 바이패스 분류 등화를 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 분리형 DC/DC 컨버터를 통해 전하량이 낮은 직렬 섹션 배터리의 충전 전류에 대해 병렬 증류 등화를 수행할 수 있어, 충전 상태의 양방향 등화를 구현한다. 이의 유익한 점은 다음과 같다. 첫째, 전압 중심값에서 먼 직렬 섹션 배터리에 대해서만 등화를 수행하여, 단방향 등화 방식(직렬 섹션 배터리에 대해서만 분류 또는 증류를 수행하는 등화 방식)이 복수의 직렬 섹션 배터리의 전압을 단방향으로 끌어당기는 방식으로 전압이 가장 높거나 가장 낮은 곳으로 등화하는 폐단을 방지한다. 둘째, 등화 시 전력 누설 회로 또는 에너지 전달 효율이 비교적 높은 분리형 DC/DC 컨버터의 하나의 등화 부재만 작동하므로, 등화 과정 발열량이 적어 비교적 큰 등화 전류가 허용되기 때문에 등화 효율이 향상되고 등화 시간이 단축되며 축전지팩 내부의 온도 상승이 감소하고 배터리의 온도 노화 효과가 줄어든다.

4. 방전 상태에서 분리형 DC/DC 컨버터를 통해 전하량이 낮은 직렬 섹션 배터리에 대해 에너지 전달 보충 보조를 수행하며, 그 전력 소모 속도를 완화시킴으로써, 방전 상태의 등화를 구현한다. 전력이 낮은 직렬 섹션 배터리가 방전 보호 전압 임계값에 도달하여 축전지팩이 방전 보호되는 시간을 연장함으로써, 각 직렬 섹션 배터리가 저장하는 전력이 충분히 방출되어, 축전지팩의 유효 용량이 효과적으로 향상되고 사용 수명이 연장된다.

도 1은 본 발명 실시예 1에 따른 직렬 섹션 수가 짝수인 배터리팩 회로 방안의 구조도이다.
도 2는 본 발명 실시예 1에 따른 직렬 섹션 수가 홀수인 배터리팩 회로 방안의 구조도이다.

이하의 상세한 설명은 예시적인 것으로서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위한 것임에 유의한다. 달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명의 당업자가 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 구체적인 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명에 따른 예시적인 실시예를 제한하려는 의도가 아님에 유의한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 상하 문맥상 달리 명시되지 않는 한, 단수 형태는 복수 형태를 포함하는 의도로 해석한다. 또한, 본 명세서에 사용된 용어 "포함" 및/또는 "포괄"은 특징, 단계, 조작, 소자, 구성 요소 및/또는 이들의 조합이 존재함을 나타낸다는 것을 이해할 수 있다.

실시예 1:

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명 실시예 1은 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로를 제공한다. 여기에는 직렬 축전지팩(1), 게이팅 스위치 어레이(2), 전력 소산 회로(3), 극성 매칭 스위치(4), 분리형 DC/DC 컨버터(5), 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로(6), 마이크로컨트롤러 유닛, 충방전류 검출 회로(8) 및 대출력 스위치 회로(9)가 포함된다. 상기 마이크로컨트롤러 유닛은 구체적으로 단일 칩 마이크로컴퓨터 데이터 수집 및 제어 유닛(7)이다.

본 실시예는 게이팅 스위치 어레이 제어를 통해 시분할로 축전지팩의 어느 하나의 직렬 섹션 배터리를 소산 저항에 연결하여 전력 소모를 수행하거나, DC/DC 컨버터에 연결하여 전력 보충을 수행함으로써, 축전지팩 용량 온라인 검출과 충방전 두 가지 상태의 직렬 섹션 배터리의 전력 등화를 구현할 수 있다. 게이팅 스위치 어레이 제어를 통해 시분할로 축전지팩 각각의 직렬 섹션 배터리의 전력에 대해 하나씩 적절한 소모 누설과 충전을 수행하여 축전지팩의 유효 용량(건강 상태(SOH))을 정확하고 신뢰할 수 있도록 측정 및 평가한다.

게이팅 스위치 어레이 제어를 통해 시분할로 충전 상태 하의 상대 전하(SOC)가 높은 직렬 섹션 배터리를 소산 저항에 연결하여 충전 전류의 바이패스 분류를 수행하거나, 상대 전하(SOC)가 낮은 직렬 섹션 배터리를 DC/DC 컨버터에 연결하여 충전 전류의 병렬 증류를 수행함으로써, 충전 상태 하에서 각 직렬 섹션 배터리 상대 전하의 등화를 구현하고, 개별 용량이 작거나 전하량이 높은 배터리 섹션이 너무 일찍 과충전 보호되어 전체 축전지팩 충전이 불충분하여 야기되는 축전지팩 저장 에너지 저하를 방지한다.

게이팅 스위치 어레이 제어를 통해 시분할로 방전 상태 하의 상대 전하(SOC)가 낮은 직렬 섹션 배터리를 DC/DC 컨버터에 연결하여 방전 전류의 병렬 보충 및 보조를 수행함으로써, 방전 상태 하에서 각 직렬 섹션 배터리가 방출하는 전력의 등화를 구현하고, 개별 용량이 작거나 전하량이 낮은 직렬 섹션 배터리가 너무 일찍 과방전 보호되어 복수의 직렬 섹션 배터리 전력 방출이 불충분하여 야기되는 배터리팩의 방출 가능 전력이 저하되는 것을 방지하고, 축전지팩의 유효 용량을 향상시켜 축전지팩의 건강 상태를 개선한다.

구체적인 회로 구조와 작업 방식은 하기와 같다.

총 직렬 섹션 수가 짝수인 배터리팩의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 직렬 축전지팩(1)은 직렬 섹션 배터리(101~1(2n))가 직렬로 구성된다. 여기에서 직렬 섹션 배터리 전위의 101, 102, ......, 1(2n-1), 1(2n)의 순서에 따라 순차적으로 높아지고, 101, ..., 1(2n-1)은 저전위에서 고전위 순서로 배열된 직렬 배터리 홀수 섹션이고, 102, ......, 1(2n)은 저전위에서 고전위 순서로 배열된 직렬 배터리 짝수 섹션이다.

게이팅 스위치 어레이(2)는 상시 개방형의 전자 제어 스위치(201~2(2n))로 구성된다. 여기에서 전자 제어 스위치(201, ......, 2(2n-1))의 일단은 직렬 배터리 홀수 섹션(101, ......, 1(2n-1))의 양극에 각각 연결되고, 타단은 홀수 버스(299)에 연결된다. 전자 제어 스위치(200) 일단은 축전지팩의 총 음극에 연결되고, 202, ......, 2(2n)의 일단은 직렬 배터리 짝수 섹션의 양극에 각각 연결되고, 타단은 짝수 버스(298)에 연결된다.

총 직렬 섹션 수가 홀수인 배터리팩의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 직렬 축전지팩(1)은 직렬 섹션 배터리(101~1(2n+1))가 직렬로 구성된다. 여기에서 직렬 섹션 배터리 전위의 101, 102, ......, 1(2n), 1(2n+1)의 순서에 따라 순차적으로 높아지고, 101, ..., 1(2n+1)은 저전위에서 고전위 순서로 배열된 직렬 배터리 홀수 섹션이고, 102, ......, 1(2n)은 저전위에서 고전위 순서로 배열된 직렬 배터리 짝수 섹션이다.

게이팅 스위치 어레이(2)는 상시 개방형의 전자 제어 스위치(201~2(2n+1))로 구성된다. 여기에서 전자 제어 스위치(201, ......, 2(2n+1))의 일단은 직렬 배터리 홀수 섹션(101, ......, 1(2n+1))의 양극에 각각 연결되고, 타단은 홀수 버스(299)에 연결된다. 전자 제어 스위치(200) 일단은 축전지팩의 총 음극에 연결되고, 202, ......, 2(2n)의 일단은 직렬 배터리 짝수 섹션의 양극에 각각 연결되고, 타단은 짝수 버스(298)에 연결된다.

홀수 버스(299)와 짝수 버스(298)은 전력 소산 회로(3)의 양단, 극성 매칭 스위치 어레이(4)의 두 개의 출력단과 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로(6)의 입력단에 연결된다. 전력 소산 회로(3) 내에서 하나의 소산 저항 부하(301)와 하나의 상시 개방형 전자 제어 스위치(302)는 직렬로 연결되어 구성된다.

상기 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로(6)의 두 개의 입력단은 각각 홀수 버스(299)와 짝수 버스(298)에 연결되고, 출력단은 마이크로컨트롤러 유닛에 연결되며, 양극, 음극 두 가지 극성의 입력 신호에 대해 차동 증폭을 수행하고, 입력 동상 전압 범위는 축전지팩의 최고 출력 전압보다 작지 않다.

극성 매칭 스위치 어레이(4)는 두 개의 2극 전자 제어 스위치(41, 42)로 구성된다. 여기에서 제2 극성 매칭 스위치 세트(41)에서 하나의 상시 개방 스위치 콘택트(411)는 분리형 DC/DC 컨버터(5) 양극 출력단과 홀수 버스(299) 사이를 가로질러 연결되고, 다른 하나의 상시 개방 스위치 콘택트(412)는 분리형 DC/DC 컨버터(5) 음극 출력단과 짝수 버스(298) 사이를 가로질러 연결된다. 다른 하나의 제1 극성 매칭 스위치 세트(42)에서 하나의 상시 개방 스위치 콘택트(421)는 분리형 DC/DC 컨버터(5) 음극 출력단과 홀수 버스(299) 사이를 가로질러 연결되고, 다른 하나의 상시 개방 스위치 콘택트(422)는 분리형 DC/DC 컨버터(5) 양극 출력단과 짝수 버스(298) 사이를 가로질러 연결된다.

상기 전자 제어 스위치는 전자기 릴레이(Relay), 고체 릴레이(SSR), 광전 커플링 릴레이(PhotoMOS), 자기 리드 릴레이(MRR) 등 전기 신호 제어 하에서 전기 회로 온/오프를 제어할 수 있는 소자 중의 하나일 수 있다. 상기 전자 제어 스위치는 상기 전자 제어 스위치가 채택될 경우, 전자 제어 스위치는 단일 또는 복수의 상시 개방 또는 상시 차단 콘택트 병렬의 작업 방식으로 매칭될 수 있다.

분리형 DC/DC 컨버터(5)의 양극 및 음극 입력단은 각각 축전지팩(1)의 총 양극과 총 음극에 연결되고, 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로(6)의 출력단은 단일 칩 마이크로컴퓨터 데이터 수집 및 제어 유닛(7)에 연결된다.

상기 분리형 DC/DC 컨버터(5)의 입력과 출력은 전기적으로 격리된 것이다. 입력 전압 범위는 축전지팩 총 출력 전압의 변화 범위보다 크며, 무부하 출력 전압은 축전지팩 직렬 섹션 배터리의 최고 허용 작동 전압과 같고, 정전류 출력 특성을 가지며, 정전류 작동 시 출력 전류는 축전지팩 직렬 섹션 배터리의 최대 허용 충전 전류보다 크지 않다.

상기 충방전 전류 검출 회로(8)와 대출력 스위치 회로(9)는 축전지팩의 총 음극 출력 연결선 상에 직렬로 연결된다.

축전지팩 용량 온라인 검출과 충방전 고효율 등화 회로의 주요 작동 과정에는 축전지팩의 충방전 관리와 고효율 등화 및 축전지팩 용량 온라인 검출 등 기능 상태가 포함된다.

축전지팩의 충방전 관리와 고효율 등화 작업 과정은 구체적으로 하기와 같다.

먼저 순차적으로 게이팅 스위치 200과 201, 201과 202, ......, 2(2n-1)과 2(2n), 2(2n)과 2(2n+1)을 쌍으로 연통시키고, 시분할로 축전지팩 내 직렬 섹션 배터리 101, 102, ......, 1(2n-1), 1(2n), 1(2n+1) 등 직렬 섹션 배터리의 양극, 음극을 299와 298의 두 버스에 연결한다. 여기에서 홀수 일련번호 직렬 배터리 섹션의 양극과 음극은 각각 홀수 버스(299)와 짝수 버스(298)에 연결되고, 직렬 홀수 일련번호 배터리 섹션의 양극과 음극은 각각 짝수 버스(298)와 홀수 버스(299)에 연결된다.

양극성 차동 배터리 전압 측정 회로(6)를 통해 고동상 차동 배터리 전압 신호를 동적 상태 범위에 적합한 접지 단극 전위 신호로 변환하고, 단일 칩 마이크로컴퓨터 데이터 수집 및 제어 유닛(7)에 이송하여 AD 변환을 수행하며, 각 직렬 섹션 배터리의 전압 데이터를 수집한다. 단일 칩 마이크로컴퓨터 데이터 수집 및 제어 유닛(7)은 동시에 충방전 전류 검출 회로를 통해 실시간으로 축전지팩의 충방전 전류를 수집하며, 내부의 CPU는 수집된 모든 직렬 섹션 배터리의 전압과 충방전 전류 데이터를 기반으로 축전지팩의 다섯 개의 충방전 관리와 고효율 등화 기능을 완성한다.

(1) 충전 상태에서 축전지팩 중 전압이 중심값에서의 편차가 큰 직렬 섹션 배터리를 게이팅 스위치 어레이(2)를 통해 분리형 DC/DC 컨버터(5)까지 연통시켜 전력 보충을 수행하거나, 전력 소산 회로(3)에 연통시켜 전력을 방출하도록 결정하여, 축전지팩의 각 직렬 섹션 배터리 전력의 고효율 충전 등화를 구현한다.

(2) 방전 상태에서 축전지팩 중 전압이 가장 낮은 직렬 섹션 배터리를 게이팅 스위치 어레이(2)를 통해 분리형 DC/DC 컨버터(5)에 연통시켜 전력 보충 및 보조를 수행하도록 결정하여, 상기 배터리 섹션의 방전 전류를 감소시키고 축전지팩의 고효율 방전 등화를 구현한다.

(3) 특정 직렬 섹션 배터리 전압이 상한값까지 충전되면, 대출력 스위치 회로(9)의 충전 회로가 차단되어 과충전 보호가 구현된다.

(4) 특정 직렬 섹션 배터리 전압이 하한값까지 방전되면, 대출력 스위치 회로(9)의 방전 회로가 차단되어 과방전 보호가 구현된다.

(5) 충전 전류 또는 방전 전류가 허용된 임계값보다 큰 경우, 대출력 스위치 회로(9)의 충전 회로 또는 방전 회로가 차단되어 축전지팩의 충전과 방전 과전류 보호가 구현된다.

충전 상태에서 게이팅 스위치 어레이(2) 제어를 통해 전압이 중심값에서의 편차가 가장 큰 직렬 섹션 배터리의 양극, 음극 양단을 홀수 버스(299)와 짝수 버스(298)로 연통시킨다. 상기 섹션 배터리가 중심값보다 큰 경우, 전력 소산 회로(3)의 소산 회로 전자 제어 스위치(302)를 연통하고, 소산 저항 부하(301)를 통해 상기 섹션 배터리로 충전된 전류를 분류시킨다.

상기 섹션 배터리 전압이 중심값보다 작은 경우, 홀수 일련번호의 직렬 섹션 배터리는 극성 매칭 스위치 어레이(4)의 제2 극성 매칭 스위치 세트(41)(전자 제어 스위치(411, 412))를 연통시키고, 짝수 일련번호의 직렬 섹션 배터리는 극성 매칭 스위치 어레이(4)의 제1 극성 매칭 스위치 세트(42)(전자 제어 스위치(421, 422))를 연통시켜, 게이팅된 직렬 섹션 배터리의 극성이 분리형 DC/DC 컨버터(5)에 대응하도록 연결하여 전력 보충을 수행한다.

방전 상태에서 게이팅 스위치 어레이(2) 제어를 통해 전압값이 가장 낮은 직렬 섹션 배터리의 양극, 음극 양단을 홀수 버스(299)와 짝수 버스(298)에 연통시킨다. 홀수 일련번호의 직렬 섹션 배터리는 극성 매칭 스위치 어레이(4)의 제2 극성 매칭 세트(41)(전자 제어 스위치(411, 412))를 연통시키고, 짝수 일련번호의 직렬 섹션 배터리는 극성 매칭 스위치 어레이(4)의 제1 극성 매칭 스위치 세트(42)(전자 제어 스위치(421, 422))를 연통시켜, 게이팅된 직렬 섹션 배터리의 극성이 분리형 DC/DC 컨버터(5)에 대응하도록 연결하여 전력 보충 및 보조를 수행하여, 상기 섹션 배터리의 전력 소모를 감소시킨다.

시스템의 설치가 필요한 용량 모니터링의 간격 시간에 따라(일반적으로 몇 주 또는 몇 개월), 축전지팩이 충전 전원에 연결되고 충전 보호 및 비방전 상태에 있는 경우, 게이팅 스위치 어레이(2)를 통해 순차적으로 시분할로 축전지팩의 한 직렬 섹션 배터리의 양극, 음극 양단을 홀수 버스와 짝수 버스에 연결하고, 동시에 전력 소산 회로(3)의 전자 제어 스위치(302)를 연통하여, 연통된 직렬 섹션 배터리가 저항 부하(301)를 통해 방전되도록 만든다.

동시에 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로(6)를 통해 상기 직렬 섹션 배터리의 전압을 단일 칩 마이크로컴퓨터 데이터 수집 및 제어 유닛(7)에 이송하여 실시간 수집을 수행하고, 수집된 직렬 섹션 배터리의 전압, 부하 저항의 저항값을 기반으로 각 시각의 방전 전류를 계산하고, 실제 방출된 누적 전력(ROC_D)을 시간 적분 계산하고, 상기 섹션 배터리 전압이 개방 전압(OCV)에 대응하는 상대 전하(SOC)의 일정 비율(통상적으로 70% 이하)까지 떨어질 때, 전력 소산 회로(3)의 전자 제어 스위치(302)가 차단되어 방전이 중지되며, 방전 시작 시의 초기 상대 전하(SOC₀)에서 방전 종료 시의 상대 전하(SOC₁)를 감하여 방출된 상대 전하(SOC_D)를 계산한 다음, ROC_D/SOC_D의 값을 계산한다. 이는 바로 직렬 섹션 배터리의 실제 용량값이다.

그 후 상기 직렬 섹션 배터리를 홀수와 짝수 일련번호에 따라 극성 매칭 스위치 세트(41 또는 42)에 대응하도록 연통하여, 상기 직렬 섹션 배터리 극성이 분리형 DC/DC 컨버터(5)에 대응하도록 연결되어 완충 상태가 될 때까지 단독으로 전력 보충을 실행한다.

이 단계에 따라 순차적으로 축전지팩의 각 직렬 섹션 배터리의 용량에 대해 전력 누설 테스트를 진행하고 단독 충전을 수행하여 완충 상태를 회복하여, 배터리팩의 전기 에너지 저장을 유지한다.

측정된 모든 직렬 섹션 배터리의 최소 용량이 바로 축전지팩의 유효 용량이다.

축전지팩 용량 온라인 검출 시의 비상 전력 공급 작업 과정은 구체적으로 하기와 같다.

축전지팩이 전력 누설 측정 과정 중 배터리팩에 전력을 공급해야 하는 경우, 누설 측정되고 있는 배터리팩의 상대 용량(SOC)이 비교적 낮으며, 이때 누설 측정되고 있는 축전지팩 배터리를 그 홀수와 짝수 일련번호에 따라 대응하도록 극성 매칭 스위치(41 또는 42)를 연통하고, 상기 직렬 섹션 배터리 극성을 대응하도록 분리형 DC/DC 컨버터(5)에 연결하여 전력 보충 및 보조를 수행한다. 이를 통해 상기 섹션 배터리의 전력 소모를 감소시키고, 방전 보호 상태에 도달하는 시간을 연장하며, 기타 누설되지 않고 배터리에 저장된 전력이 충분히 발휘되도록 만들어, 배터리팩 전체에서 공급되는 전력 감소가 매우 적도록 함으로써 축전지팩 비상 작동 능력을 보장한다.

실시예 2:

본 발명 실시예 2는 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 시스템을 제공한다. 여기에는 적어도 한 세트의 축전지팩이 포함되며, 복수 세트의 축전지팩은 직렬 또는 병렬로 연결된다. 각 축전지팩은 본 발명 실시예 1에 따른 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로를 이용하여 축전지팩의 유효 용량의 온라인 측정 평가 및 충방전의 두 가지 작동 상태 하에서의 각 직렬 배터리팩 배터리 전하량의 고효율 등화 관리를 수행한다.

상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐이며, 본 발명을 제한하지 않는다. 본 발명이 속한 기술 분야의 당업자는 본 발명을 다양하게 변경 및 변화시킬 수 있다. 본 발명의 정신 및 원리에 따른 모든 수정, 동등한 교체, 개선 등은 모두 본 발명의 보호 범위 내에 포함되어야 한다.

도 1에 있어서,
1: 직렬 축전지팩
101~1(2n): 축전지팩 내 각 직렬 섹션 배터리
2: 게이팅 스위치 어레이
201~2(2n): 축전지팩 내 각 직렬 섹션에 연결된 전자 제어 스위치
298: 짝수 버스
299: 홀수 버스
3: 전력 소산 회로
301: 소산 저항 부하
302: 소산 회로 전자 제어 스위치
4: 극성 매칭 스위치 어레이
41: 제2 극성 매칭 스위치 세트
411~412: 제2 극성 매칭 스위치 세트의 두 회로 스위치
42: 제1 극성 매칭 스위치 세트
421~422: 제1 극성 매칭 스위치 세트의 두 회로 스위치
5: 분리형 DC/DC 컨버터
6: 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로
7: 단일 칩 마이크로컴퓨터 데이터 수집 및 제어 유닛
8: 충방전류 검출 회로
9: 대출력 스위치 회로
도 2에 있어서,
1: 직렬 축전지팩
101~1(2n+1): 축전지팩 내 각 직렬 섹션 배터리
2: 게이팅 스위치 어레이
201~2(2n+1): 축전지팩 내 각 직렬 섹션 배터리에 연결된 전자 제어 스위치
298: 짝수 버스
299: 홀수 버스
3: 전력 소산 회로
301: 소산 저항 부하
302: 소산 회로 전자 제어 스위치
4: 극성 매칭 스위치 어레이
41: 제2 극성 매칭 스위치 세트
411~412: 제2 극성 매칭 스위치 세트의 두 회로 스위치
42: 제1 극성 매칭 스위치 세트
421~422: 제1 극성 매칭 스위치 세트의 두 회로 스위치
5: 분리형 DC/DC 컨버터
6: 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로
7: 단일 칩 마이크로컴퓨터 데이터 수집 및 제어 유닛
8: 충방전류 검출 회로
9: 대출력 스위치 회로

Claims

직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로에 있어서,
축전지팩, 게이팅 스위치 어레이, 전력 소산 회로, 극성 매칭 스위치 어레이, 분리형 DC/DC 컨버터, 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로, 마이크로컨트롤러 유닛, 충방전 전류 검출 회로 및 스위치 회로 유닛이 포함되고;
상기 축전지팩은 복수개의 직렬로 연결된 배터리 섹션을 포함하고, 상기 게이팅 스위치 어레이는 전자 제어 스위치를 통해 축전지팩의 홀수 일련번호의 직렬 섹션 배터리 양극을 각각 홀수 버스에 게이팅하여 연결하고, 짝수 일련번호의 직렬 섹션 배터리 양극과 총 음극은 전자 제어 스위치를 통해 각각 홀수 버스와 짝수 버스에 게이팅하여 연결하고, 상기 홀수 버스와 짝수 버스는 각각 전력 소산 회로의 양단, 극성 매칭 스위치 어레이의 두 출력단 및 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로의 두 입력단에 연결되고;
상기 극성 매칭 스위치 어레이는 홀수 버스와 짝수 버스를 분리형 DC/DC 컨버터의 출력과 분리하거나 동일 전압 극성으로 변환한 후 함께 연결하고, 상기 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로는 홀수 버스와 짝수 버스 상의 양극성 고동상 배터리 전압 차동 신호를 조절하여 마이크로컨트롤러 유닛 입력 요건에 적합한 신호 접지를 참고한 단극성 전압으로 변환하여 마이크로컨트롤러 유닛에 이송하고, 상기 충방전 전류 검출 회로와 스위치 회로는 축전지팩의 총 음극 출력 연결선 상에 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로.
제1항에 있어서,
상기 극성 매칭 스위치 어레이는 두 세트의 교차 병렬의 2극 연동 전자 제어 스위치를 포함하고, 제1세트 전자 제어 스위치에서 하나의 상시 개방 스위치(normally open switch)는 홀수 버스와 분리형 DC/DC 컨버터의 양극 사이를 가로질러 연결되고, 다른 하나의 상시 개방 스위치는 짝수 버스와 분리형 DC/DC 컨버터의 음극 사이를 가로질러 연결되고,
제2세트 전자 제어 스위치에서 하나의 상시 개방 스위치는 짝수 버스와 분리형 DC/DC 컨버터의 양극 사이를 가로질러 연결되고, 다른 하나의 상시 개방 스위치는 홀수 버스와 분리형 DC/DC 컨버터의 음극 사이를 가로질러 연결되고, 두 개의 전자 제어 스위치의 시분할 연통을 제어함으로써 분리형 DC/DC 컨버터의 출력이 게이팅 스위치 어레이를 통해 게이팅된 축전지팩 직렬 섹션 배터리 극성과 동일하게 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로.
제2항에 있어서,
상기 극성 매칭 스위치 어레이는 복수 세트의 전자 제어 스위치로 구성되는 네 개 포트의 회로 유닛을 형성하고, 여기에서 두 개의 포트는 홀수 버스 및 짝수 버스와 연결되고, 다른 두 개의 포트는 분리형 DC/DC 컨버터의 음양 출력단과 연결되고, 내부 스위치의 온/오프는 마이크로컨트롤러 유닛에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로.
제1항에 있어서,
상기 게이팅 스위치 어레이는 배터리 직렬 섹션 수에 하나의 전자 제어 스위치를 더하여 구성하고, 상기 축전지팩은 복수 섹션의 축전지를 직렬로 연결하여 구성하고, 총 양극, 총 음극 및 각 배터리 직렬 연결 노드는 모두 게이팅 스위치 어레이에서 하나의 전자 제어 스위치 상시 개방 스위치 콘택트의 일단에 연결되고, 홀수 일련번호의 직렬 섹션 배터리 양극과 연결된 전자 제어 스위치 상시 개방 스위치 콘택트의 타단은 홀수 버스 상에 연결되고, 짝수 일련번호의 직렬 섹션 배터리 양극 및 축전지팩 총 음극과 연결된 전자 제어 스위치 상시 개방 스위치 콘택트의 타단은 짝수 버스 상에 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로.
제1항에 있어서,
상기 전력 소산 회로는 하나의 전자 제어 스위치의 상시 개방 스위치 콘택트와 하나의 저항 또는 등가의 전기 에너지 소산 회로망이 직렬로 연결되어 구성되고;
또는,
상기 분리형 DC/DC 컨버터의 입력단은 축전지팩의 총 양극과 총 음극에 연결되고, 출력단은 각각 상기 극성 매칭 스위치 어레이의 입력단에 연결되고;
또는,
상기 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로의 두 개의 입력단은 각각 홀수 버스와 짝수 버스에 연결되고, 출력단은 마이크로컨트롤러 유닛에 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로.
제1항에 있어서,
상기 마이크로컨트롤러 유닛은 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로로부터 출력되는 신호에 대해 AD 변환 수집을 수행하고, 또한 시분할 측정으로 획득한 축전지팩의 모든 직렬 섹션 배터리의 전압, 충방전 전류 등 파라미터로 판정한 축전지팩 작동 상태를 기반으로 게이팅 스위치 어레이, 극성 매칭 스위치 어레이 및 전력 소산 회로 내의 상응 전자 제어 스위치의 온/오프를 제어하고, 이는 축전지팩 유효 용량의 온라인 측정 평가 및 충방전 두 가지 작동 상태 하에서 축전지 각각의 직렬 섹션 배터리 전하량의 고효율 등화 관리를 구현하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로.
직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 시스템에 있어서,
적어도 한 세트의 축전지팩을 포함하고, 상기 축전지팩은 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로를 이용하여 상기 축전지팩 유효 용량의 측정 평가 및 충방전 두 가지 작동 상태 하에서 축전지 각각의 직렬 섹션 배터리 전하량의 고효율 등화 관리를 수행하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 시스템.
직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 방법에 있어서,
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 회로를 이용하여,
축전지팩 충전 상태 하에서의 고효율 등화 작업 과정은 구체적으로 하기와 같고,
충전 상태에서 게이팅 스위치 어레이를 통해 전압이 중심값에서 편차가 가장 큰 직렬 섹션 배터리의 양극과 음극 양단을 홀수 버스와 짝수 버스에 연통시키고; 상기 섹션 배터리가 중심값보다 큰 경우, 전력 소산 회로의 소산 회로 전자 제어 스위치를 연통하고, 저항 부하를 소산시켜 상기 섹션 배터리의 에너지를 소모시키거나 상기 섹션 배터리로 충전된 전류를 분류하며;
상기 섹션 배터리 전압이 중심값보다 작은 경우, 홀수 일련번호의 직렬 섹션 배터리는 극성 매칭 스위치 어레이의 제2 극성 매칭 스위치 세트와 연통하고, 짝수 일련번호의 직렬 섹션 배터리는 극성 매칭 스위치 어레이의 제1 극성 매칭 스위치 세트와 연통하여, 게이팅된 직렬 섹션 배터리의 극성이 분리형 DC/DC 컨버터에 대응하도록 연결되어 전력 보충을 수행하며, 충전 상태 하에서의 등화 작업을 구현하고;
축전지팩 방전 상태 하에서의 고효율 등화 작업 과정은 구체적으로 하기와 같고,
방전 상태에서 게이팅 스위치 어레이를 통해 전압값이 가장 낮은 직렬 섹션 배터리의 양극, 음극 양단을 홀수 버스와 짝수 버스에 연통시키고, 홀수 일련번호의 직렬 섹션 배터리는 극성 매칭 스위치 어레이의 제2 극성 매칭 스위치 세트와 연통하고, 짝수 일련번호의 직렬 섹션 배터리는 극성 매칭 스위치 어레이의 제1 극성 매칭 스위치 세트와 연통하여, 게이팅된 직렬 섹션 배터리의 극성이 분리형 DC/DC 컨버터에 대응하도록 연결되어 전력 보충 및 보조를 수행하며, 상기 섹션 배터리의 전력 소모를 완화시켜 방전 상태 하에서의 등화 작업을 구현하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 방법.
제8항에 있어서,
축전지팩 용량 온라인 검출 작업 과정은 구체적으로 하기와 같고,
시스템의 설치가 필요한 용량 모니터링의 간격 시간에 따라, 축전지팩이 충전 전원에 연결되고 충전 보호 및 비방전 상태에 있는 경우, 게이팅 스위치 어레이를 통해 순차적으로 시분할로 축전지팩의 한 직렬 섹션 배터리의 양극, 음극 양단을 홀수 버스와 짝수 버스에 연결함으로써, 전력 소산 회로의 전자 제어 스위치를 연통하여, 게이팅된 직렬 섹션 배터리가 저항 또는 등가의 전기 에너지 소산 회로망을 통해 방전되도록 만들고;
동시에 양극성 차동 배터리 전압 측정 회로을 통해 상기 직렬 섹션 배터리의 전압을 마이크로컨트롤러 유닛에 이송하여 실시간 수집을 수행하고, 수집된 직렬 섹션 배터리 전압, 부하 저항 또는 등가의 전기 에너지 소산 회로망의 저항값을 기반으로 매 시각의 방전 전류를 계산하고, 방출된 실제 누적 전력(ROC_D)을 시간 적분 계산하고, 상기 섹션 배터리 전압이 개방 전압에 대응하는 상대 전하(SOC)의 설정 비율까지 떨어질 때, 전력 소산 회로의 전자 제어 스위치가 분리되어 방전이 중지되며, 방전 시작 시 개방 전압에 대응하는 초기 상대 전하(SOC₀)에서 방전 종료 시 개방 전압에 대응하는 상대 전하(SOC₁)를 감하여 방출된 상대 전하(SOC_D)를 계산한 다음, ROC_D/SOC_D의 값을 계산하고, 이는 바로 직렬 섹션 배터리의 실제 용량값이고;
상기 직렬 섹션 배터리는 홀수와 짝수 일련번호에 따라 극성 매칭 스위치의 한 세트 스위치에 대응하도록 연통되어, 완충 상태가 될 때까지 직렬 섹션 배터리 극성이 분리형 DC/DC 컨버터에 대응하도록 연결되어 단독으로 전력 보충을 수행하고,
이 단계에 따라 순차적으로 축전지팩의 각 직렬 섹션 배터리의 용량에 대해 전력 누설 테스트를 진행하고 단독 충전을 수행하여 완충 상태를 회복하며, 항상 배터리팩이 비교적 높은 전기 에너지를 저장하도록 유지하고; 여기에서 측정된 모든 직렬 섹션 배터리의 최소 용량이 바로 축전지팩의 유효 용량인 것을 특징으로 하는 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 방법.
제9항에 있어서,
축전지팩 용량 온라인 검출 시의 비상 전력 공급 작업 과정은 구체적으로 하기와 같고,
축전지팩이 온라인 검출 시의 전력 누설 측정 과정에서 배터리팩에 전력을 공급해야 하는 경우, 누설 측정되고 있는 배터리팩의 상대 용량이 비교적 낮으며, 누설 측정되고 있는 축전지팩 배터리를 그 홀수와 짝수 일련번호에 따라 대응하도록 극성 매칭 스위치를 연통하여, 상기 직렬 섹션 배터리 극성을 대응하도록 분리형 DC/DC 컨버터에 연결하여 전력 보충 및 보조를 수행하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리팩 용량 온라인 모니터링과 충방전 듀얼 상태 등화 방법.