WO2018074808A1 - 충전전압 공급장치 및 공급방법 - Google Patents

충전전압 공급장치 및 공급방법 Download PDF

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voltage
cell balancing
cell
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voltage source
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홍성주
남호철
김학인
윤석진
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a charging voltage supply device and method, and more particularly, when cell balancing is required, a charging voltage for supplying a fast and stable charging voltage to a corresponding cell through a cell balancing voltage source of two separately configured charging voltage sources. It relates to a supply apparatus and a method.
  • Batteries such as lithium ion batteries are used as power sources for various electronic devices.
  • a battery is composed of a plurality of unit cells (cell), the plurality of cells are different in charge voltage due to the difference in the individual dynamic state due to the coulombic efficiency and capacity as time passes by use Phenomenon occurs.
  • the battery will not only charge but also discharge even if all other cells have the appropriate charge voltage. Problems that cannot be performed may occur.
  • battery packs require cell balancing, which means that the individual voltages charged in a cell are controlled to remain within an acceptable range based on a constant level.
  • the conventional cell balancing method as the voltage of a cell having a high level flows through a resistor, the voltage is consumed by thermal energy to reduce voltage variation with other cells or use an element that stores energy such as an inductor and a capacitor. Since the voltage of a cell with a high level is moved to a cell with a low level, the entire cell has a uniform value. Therefore, the charger is supplied with a pack charge voltage that can only charge the battery pack.
  • a method of performing balancing is used. However, a method of performing cell balancing by individually charging each cell in which a simpler imbalance occurs is not presented.
  • the present invention provides a charging voltage supply device and a supply method that can quickly and efficiently perform charging of each unbalanced cell.
  • the charging voltage supply device is a charging voltage supply device for supplying a charging voltage through two voltage sources providing a different voltage, the input unit for receiving an AC input power from the outside, the alternating current coming from the input unit
  • a converter for converting an input power into a DC input power
  • an MCU controlling the voltage of the DC input power converted by the converter to be transmitted to and supplied to one of the two voltage sources, and one of the two voltage sources under control of the MCU
  • a switching unit connected to one voltage source circuit to transfer the voltage of the DC input power, wherein the two voltage sources convert the voltage of the DC input power so as to charge a battery pack including two or more battery cells.
  • a pack charging voltage source for outputting the two or more It converts the voltage of the direct current input power to the battery cell to charge the battery cell that requires cell balancing of the cell consists of a balancing voltage source for outputting a cell balance voltage.
  • a voltage output unit configured to input voltages of the pack charging voltage source and the cell balancing voltage source and output them to the battery pack or the plurality of battery cells.
  • the switching unit includes a plurality of switches connected to the MCU and the converter.
  • the charging voltage supply method is a method for supplying a charging voltage so that the voltage of two or more battery cells configured in the battery pack is uniformly charged, the battery pack charging step of performing the charging of the battery pack, In the battery pack charging step, if a cell imbalance is generated in a cell in the battery pack being charged and cell balancing is required, the cell balancing diagnosis step and the cell balancing diagnosis step diagnoses that cell balancing is necessary. And a switch control step of connecting a circuit that has been connected to the pack charging voltage source with the cell balancing voltage source so that the cell balancing voltage is supplied to the corresponding cell requiring cell balancing.
  • the cell balancing diagnosis step may include: a cell voltage measurement step of periodically measuring respective voltages of the at least two battery cells; a voltage deviation calculation step between the cells using two or more battery cell voltages measured in the cell voltage measurement step; And a voltage deviation comparison step of comparing the voltage deviation between cells calculated in the deviation calculation step and the voltage deviation in a predetermined range.
  • the switch control step if the voltage deviation between cells is larger than the predetermined voltage deviation, the switch control step is performed.
  • the switch connecting the converter and the pack charging voltage source is turned off, and the switch connecting the converter and the cell balancing voltage source is turned on.
  • the converter and the pack charging voltage source are switched off so as to be connected to the battery pack charging circuit by switching off the circuit connected to the converter and the cell balancing voltage source to perform cell balancing. Turn on the switch.
  • the switch of the circuit connected to the converter and the cell balancing voltage source is turned off to perform cell balancing.
  • a charging voltage supply device and a supply method further include a cell balancing voltage source in an existing charger to supply cell balancing voltage only to a corresponding cell when voltage imbalance occurs. Cell balancing can be performed.
  • FIG. 1 is a block diagram of a charging voltage supply device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flow chart of a charging voltage supply method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flow chart of a cell balancing diagnostic step of the charging voltage supply method according to an embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of identifying one component from another component.
  • first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • the terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.
  • the charging voltage supply device of the present invention additionally configures a cell balancing voltage source in a pack charging voltage source and provides a cell balancing voltage so that the cell is charged when cell balancing is required.
  • FIG. 1 is a block diagram of a charging voltage supply device according to an embodiment of the present invention.
  • the charging voltage supply device 100 may provide an input unit 110 for receiving an AC input power from the outside as the charging voltage is supplied through two voltage sources providing different voltages.
  • MCU 130 for instructing to be transmitted to the voltage source of the control unit and the switching unit 140 is connected to one of the voltage source circuit of the two voltage sources according to the command of the MCU 130 to transfer the voltage of the DC input power. do.
  • the converter 120 is electrically connected to the ground.
  • the cells of the battery pack may be connected in parallel to increase the capacity of the battery pack and have a constant voltage.
  • the two voltage sources provide a cell charging voltage such that the cell needs a cell balancing voltage to be charged from a pack charging voltage source 150 providing a pack charging voltage to charge the battery pack and a plurality of battery cells constituting the battery pack. It refers to the voltage source 160.
  • the cell balancing voltage source 160 may output a predetermined cell balancing voltage by converting the voltage of the DC input power to supply the cell balancing voltage to the corresponding cell to perform cell balancing. Can be.
  • the pack charging voltage is set to 16.8V but is not limited thereto.
  • the predetermined cell balancing voltage is set to 5V according to an embodiment, but is not limited thereto.
  • the pack charging voltage source 150 and the cell balancing voltage source 160 further include a configuration for dropping the voltage of the DC input power converted by the converter 120 to the appropriate output voltage.
  • the cell balancing voltage source 160 drops and outputs an input external power supply to a voltage required for balancing battery cells.
  • the cell balancing voltage source 160 may include a voltage drop circuit that receives an external input voltage and drops it to the cell balancing voltage.
  • the pack charging voltage source 150 drops and outputs an input external power supply to a voltage required for charging the battery pack.
  • the pack charging voltage source 150 may include a voltage drop circuit that receives an external input voltage and drops it to the pack charging voltage.
  • the output of the pack charging voltage source 150 and the cell balancing voltage source 160 may be output to the battery pack or the plurality of battery cells through the voltage output unit 170.
  • the MCU 130 is controlled by a BMS (not shown) of the battery pack, and the MCU 130 and the BMS (not shown) communicate with each other using communication.
  • the communication may transmit a command using an internal communication scheme such as I2C, SMBus, CAN, UART, and SPI.
  • the BMS may stop the supply of the pack charging voltage to the MCU 130 and convert the pack charging voltage into the cell balancing voltage to supply the command. send.
  • the BMS (not shown) determines that an additional pack charging voltage is required after the cell balancing ends, the BMS (not shown) stops supplying the cell balancing voltage to the MCU 130 and converts the cell balancing voltage into the pack charging voltage. Send the command to switch to supply.
  • the switching unit 140 is composed of a plurality of switches connected and controlled with the MCU 130 so that the converter 120 and the pack charging voltage source 150 or the cell balancing voltage source 160 is connected or disconnected.
  • the switch of the circuit in which the pack charging voltage source 150 is connected is turned off, and the switch in which the cell balancing voltage source 160 is connected is turned on to the converter (
  • the voltage of the DC charging power converted from 120 may be supplied. Accordingly, when the cell balancing voltage is required, the charging voltage supply device 100 of the present invention is applied to the cell balancing voltage by the cell balancing voltage source 160, and the cell balancing voltage is not necessary and the battery pack needs to be charged.
  • the pack charging voltage is applied to the battery pack by the pack charging voltage source 150.
  • the switch device of the switching unit 140 may be used using a metal oxide field effect transistor (MOSFET), a bipolar junction transistor (BJT), an insulated gate bipolar transistor (IGBT), or the like.
  • MOSFET metal oxide field effect transistor
  • BJT bipolar junction transistor
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the charging voltage supply device 100 receives the AC input power input from the outside through the input unit 110, the received AC input power is converted into a DC input power by the converter 120.
  • the BMS (not shown) diagnoses cell balancing and performs cell balancing on the MCU 130 when cell balancing is required. Send the command.
  • the MCU 130 receiving the cell balancing command switches the circuit through the switching unit 140 and supplies the voltage of the DC input power converted by the converter 120 to the cell balancing voltage source 160.
  • the switch connected to the pack charging voltage source 150 of the switching unit 140 is turned off and the switch connected to the cell balancing voltage source 160 is turned on.
  • the BMS determines whether to recharge the battery pack or stop charging.
  • the BMS transmits a battery pack charging resume command to the MCU (130).
  • the MCU 130 receiving the battery pack charging resume command controls the switching unit 140 to switch the circuit so that the circuit connected to the cell balancing voltage source 160 is connected to the pack charging voltage source 150 again.
  • the switch connected to the cell balancing voltage source 160 is turned off and the switch connected to the pack charging voltage source 150 is turned on.
  • the BMS determines that the charge of the battery pack and cell balancing is complete and stops charging
  • the BMS transmits a battery pack charge stop command to the MCU 130
  • the MCU 130 controls the switching unit 140 to release the circuit connection between the pack charging voltage source 150 and the cell balancing voltage source 160.
  • the switch connected to the cell balancing voltage source 160 of the switching unit 140 is turned off.
  • the driving method is a method of determining whether or not cell balancing is performed in real time.
  • This method has a disadvantage in that an algorithm is complicated because a voltage must be measured and determined in real time.
  • another driving method is a method of performing cell balancing after completing the charging of the battery pack.
  • the BMS measures the voltage of each cell of the battery pack and compares the measured cell voltage value with a predetermined voltage value.
  • the switching unit 140 is controlled to switch the circuit connected to the pack charging voltage source 150 to be connected to the cell balancing voltage source 160.
  • the switch connected to the pack charging voltage source 150 of the switching unit 140 is turned off and the switch connected to the cell balancing voltage source 160 is turned on.
  • the circuit connected to the cell balancing voltage source 160 allows the voltage of the DC input power converted by the converter 120 to be supplied.
  • the BMS (not shown) transmits a battery pack charging stop command to the MCU 130, and the MCU 130 switches.
  • the control unit 140 controls the circuit connection between the pack charging voltage source 150 and the cell balancing voltage source 160.
  • the switch connected to the cell balancing voltage source 160 of the switching unit 140 is turned off.
  • the charging voltage supplying method of the present invention is a method for supplying a cell balancing voltage to a corresponding cell requiring cell balancing by converting the pack charging voltage supplying circuit into a cell balancing voltage supplying circuit when cell balancing is required when charging a battery pack.
  • FIG. 2 is a flow chart of a charging voltage supply method according to an embodiment of the present invention.
  • the charging voltage supply method first performs the charging of the battery pack from the power source from the outside (battery pack charging step: S210), the voltage imbalance in the cells of the battery pack being charged When it occurs, it is diagnosed whether the corresponding cell needs cell balancing (cell balancing diagnosis step: S220).
  • cell balancing diagnosis step: S220 the switch is controlled to be connected to a circuit for performing cell balancing in a connected circuit to charge an existing battery pack.
  • the circuit for performing cell balancing refers to a circuit in which a cell balancing voltage is supplied to a cell requiring cell balancing.
  • the switch control in the switch control step (S230) is turned off the switch connecting the converter 120 and the pack charging voltage source 150, the switch connecting the converter 120 and the cell balancing voltage source 160 on Let's do it.
  • the charging voltage for charging the battery pack is set to 16.8V as an embodiment, but is not limited thereto.
  • the cell balancing voltage is set to 5V as the voltage used in the cell, but is not limited thereto.
  • the switch connected to the cell balancing voltage source 160 is turned off so that the circuit connected to the battery pack charging circuit is again connected to perform cell balancing.
  • the switch connected to the charging voltage source 150 is turned on.
  • the switch connected to the cell balancing voltage source 160 is turned off to perform cell balancing.
  • the cell balancing diagnosis step S220 will be described in detail with reference to FIG. 3.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a cell balancing diagnosis step of a charging voltage supply method according to an embodiment of the present invention.
  • each voltage of the two or more battery cells is periodically measured (cell voltage measuring step S221), and the voltage between cells using two or more battery cell voltages measured in the cell voltage measuring step S221.
  • the deviation is calculated (voltage deviation calculation step: S222).
  • the voltage deviation of the cell calculated in the voltage deviation calculation step S222 is compared with the voltage deviation in a predetermined range (voltage deviation comparison step: S223).
  • the switch control step (S230) is performed.
  • the cycle is a cycle arbitrarily set by the user and the interval is set within a range in which the charging efficiency of the battery pack is not lowered.
  • the voltage deviation calculation method is a method of subtracting the voltage value of each cell from the highest value using the highest value among the voltages measured in each cell.
  • the predetermined voltage range is set to a range in which efficient battery pack charging is possible while reducing the time for charging a cell requiring cell balancing with a small amount of cell balancing voltage.
  • the embodiment is a method of determining whether or not cell balancing is performed in real time.
  • This method has a disadvantage in that an algorithm is complicated because voltage should be measured and determined in real time.
  • Another embodiment is a method of performing cell balancing after completing the charging of a battery pack.
  • the battery pack is charged using an external power source, and each voltage of two or more battery cells is measured.
  • the switching switch is switched to be connected from the connected circuit to a circuit for performing cell balancing.
  • the circuit connected to the cell balancing voltage source 160 is switched off to block the cell balancing.

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Abstract

본 발명은 충전전압 공급장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 셀 밸런싱이 필요한 경우, 별도로 구성된 두 개의 충전 전압원 중 하나의 셀 밸런싱 전압원을 통해 해당 셀에 빠르고 안정적인 충전전압이 공급되도록 하는 충전전압 공급장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

충전전압 공급장치 및 공급방법
본 발명은 충전전압 공급장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 셀 밸런싱이 필요한 경우, 별도로 구성된 두 개의 충전 전압원 중 하나의 셀 밸런싱 전압원을 통해 해당 셀에 빠르고 안정적인 충전전압이 공급되도록 하는 충전전압 공급장치 및 방법에 관한 것이다.
리튬이온전지 등과 같은 배터리는 다양한 전자기기의 전력원으로 이용되고 있다. 일반적으로 배터리(팩)는 단위 셀(cell)이 복수 개로 이루어지는 구성으로서, 복수 개의 셀은 사용에 따른 시간이 경과함에 따라 쿨롱 효율 및 용량에서 기인하는 개별적인 동적 상태의 차이에 의해 충전전압이 서로 달라지는 현상이 발생된다.
이로 인하여 적어도 하나 이상의 셀이 다른 셀들보다 훨씬 낮은 상태의 충전전압을 가지는 경우, 배터리 전체의 방전 능력을 영구적으로 제한되게 하는 문제점을 발생시킬 수 있다.
또한, 적어도 하나 이상의 셀이 다른 셀들보다 훨씬 높은 충전전압을 가지는 경우, 배터리 전체의 충전량이 영구적으로 제한되게 하는 문제점을 발생시킬 수 있다.
만약 하나의 셀이 최저 충전전압의 한계값을 갖는 상태이고, 다른 어느 하나의 셀이 최고 충전전압의 한계값을 갖는 상태이면 모든 다른 셀들이 적당한 충전전압을 가지고 있더라도 상기 배터리는 충전뿐만 아니라 방전도 수행되지 못하는 문제점이 발생될 수 있다.
또한, 배터리 셀의 충/방전을 반복하는 경우에도 셀 전압 간에 불균형이 발생하며, 그로 인하여 배터리의 수명이 단축되고 배터리 셀의 에너지 효율이 떨어지게 된다.
또한, 완제품 상태에서 셀 전압의 불균형이 발생되면, 각 셀에 대한 A/S가 어려우며 배터리 팩 자체를 교환해줘야 하는 비용손실이 발생된다.
이와 같은 이유로 배터리 팩은 셀 밸런싱이 필요한데, 셀 밸런싱은 셀에 충전되는 개별적인 전압이 일정한 레벨을 기준으로 허용된 범위 내에서 유지되도록 제어하는 것을 의미한다.
한편, 종래의 셀 밸런싱 방식은 높은 레벨을 가진 셀의 전압을 저항에 흐르게 함에 따라 열에너지로 전압을 소모시켜 다른 셀들과의 전압 편차를 감소시키거나 인덕터 및 커패시터와 같은 에너지를 저장하는 소자를 이용하여 높은 레벨을 가진 셀의 전압을 낮은 레벨을 가진 셀에 이동시켜 전체 셀이 균일한 값을 가질 수 있도록 하는 방식을 이용하므로, 충전부(charger)에서 배터리 팩의 충전만 가능한 팩 충전전압을 공급하여 셀 밸런싱을 수행하는 방법을 사용하였지 이 방법보다 좀더 간단한 불균형이 발생된 각 셀을 개별적으로 충전하여 셀 밸런싱을 수행하는 방법은 제시되어 있지 않았었다.
따라서 셀 밸런싱 수행 시 불균형이 발생된 각 셀에 대하여 빠르고 효율적으로 충전을 수행할 수 있는 충전부(charger)에 대한 기술 개발이 요구된다.
(선행기술문헌)
한국공개특허 제2016-0038348호
본 발명은 불균형이 발생된 각 셀의 충전을 빠르고 효율적으로 수행할 수 있는 충전전압 공급장치 및 공급방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 충전전압 공급장치는 상이한 전압을 제공하는 두 개의 전압원을 통해 충전전압을 공급하는 충전전압 공급 장치에 있어서, 외부로부터 들어오는 교류 입력 전원을 수용하는 입력부, 상기 입력부로부터 들어오는 교류 입력전원을 직류 입력 전원으로 변환하는 컨버터, 상기 컨버터에서 변환된 직류 입력 전원의 전압이 상기 두 개의 전압원 중 하나의 전압원으로 전달되어 공급되도록 제어하는 MCU 및 상기 MCU의 제어에 따라 상기 두 개의 전압원 중 하나의 전압원 회로와 연결시켜 상기 직류 입력전원의 전압을 전달하는 스위칭부를 포함하여 구성되고, 상기 두 개의 전압원은 둘 이상의 배터리 셀로 구성된 배터리 팩이 충전되도록 상기 직류 입력전원의 전압을 변환하여 팩 충전전압을 출력하는 팩 충전 전압원 및 상기 둘 이상의 배터리 셀 중 셀 밸런싱이 필요한 배터리 셀이 충전되도록 상기 직류 입력전원의 전압을 변환하여 셀 밸런싱 전압을 출력하는 셀 밸런싱 전압원으로 구성된다.
상기 팩 충전 전압원 및 셀 밸런싱 전압원의 전압이 입력되어 상기 배터리 팩 또는 다수의 배터리 셀에 출력하는 전압 출력부를 추가로 포함하여 구성된다.
상기 스위칭부는, MCU 및 컨버터와 연결되는 복수개의 스위치로 구성된다.
본 발명의 실시 예에 따른 하는 충전전압 공급방법은 배터리 팩에 구성된 둘 이상의 배터리 셀의 전압이 균일하게 충전되도록 충전전압을 공급하는 방법에 있어서, 상기 배터리 팩의 충전을 수행하는 배터리 팩 충전단계, 상기 배터리 팩 충전단계에서 충전 중인 배터리 팩 내 셀에 전압 불균형이 발생되어 셀 밸런싱을 필요로 하는지 진단하는 셀 밸런싱 진단단계 및 상기 셀 밸런싱 진단단계에서 셀 밸런싱이 필요한 것으로 진단된 경우, 스위치를 제어하여 셀 밸런싱이 필요한 해당 셀에 셀 밸런싱 전압이 공급되도록 팩 충전 전압원과 연결되었던 회로를 셀 밸런싱 전압원과 연결시키는 스위치 제어단계를 포함하여 구성된다.
상기 셀 밸런싱 진단단계는, 상기 둘 이상의 배터리 셀의 각 전압을 주기적으로 측정하는 셀 전압 측정단계, 상기 셀 전압 측정단계에서 측정된 둘 이상의 배터리 셀 전압을 이용하여 셀간의 전압편차 연산단계 및 상기 전압편차 연산단계에서 연산된 셀간의 전압편차와 기 설정된 소정 범위의 전압편차를 비교하는 전압편차 비교단계를 포함하여 구성된다.
상기 전압편차 비교단계에서 셀간의 전압편차가 기 설정된 소정 범위의 전압편차보다 큰 경우, 상기 스위치 제어단계를 수행한다.
상기 스위치 제어단계는, 상기 컨버터와 팩 충전 전압원을 연결하는 스위치를 오프 시키고, 컨버터와 셀 밸런싱 전압원을 연결하는 스위치를 온 시킨다.
셀 밸런싱 종료 후 상기 배터리 팩에 추가적인 충전이 필요하다고 판단한 경우, 셀 밸런싱을 수행하기 위하여 상기 컨버터와 셀 밸런싱 전압원이 연결된 회로의 스위치를 오프 시키고, 다시 배터리 팩 충전회로로 연결되도록 컨버터와 팩 충전 전압원의 스위치를 온 시킨다.
셀 밸런싱 종료 후 상기 배터리 팩이 충전이 완료된 것으로 판단한 경우, 셀 밸런싱을 수행하기 위하여 상기 컨버터와 셀 밸런싱 전압원이 연결된 회로의 스위치를 오프 시킨다.
본 발명의 실시 예에 따른 충전전압 공급장치 및 공급방법은 기존의 충전부(charger)에 셀 밸런싱 전압원을 추가로 구성하여 셀의 전압 불균형이 발생하는 경우, 해당 셀에만 셀 밸런싱 전압을 공급하므로 빠르고 효율적인 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 충전전압 공급장치의 블록도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 충전전압 공급방법의 순서도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 충전전압 공급방법 중 셀 밸런싱 진단단계의 순서도.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 실시 예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 단지 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 식별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
1. 본 발명의 실시 예에 따른 충전전압 공급장치
본 발명의 충전전압 공급장치는 팩 충전 전압원에 셀 밸런싱 전압원을 추가적으로 구성하여 셀 밸런싱이 필요한 경우, 해당 셀이 충전되도록 셀 밸런싱 전압을 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 충전전압 공급장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 충전전압 공급장치(100)는 상이한 전압을 제공하는 두 개의 전압원을 통해 충전전압을 공급함에 따라 외부로부터 들어오는 교류 입력전원을 수용하는 입력부(110), 상기 입력부(110)로부터 들어오는 교류 입력전원을 배터리 팩의 충전이 가능하도록 직류 입력전원으로 변환하는 컨버터(120), 상기 컨버터(120)에서 변환된 직류 입력전원의 전압을 상기 두 개의 전압원 중 하나의 전압원으로 전달되도록 명령하는 MCU(130) 및 상기 MCU(130)의 명령에 따라 상기 두 개의 전압원 중 하나의 전압원 회로와 연결시켜 직류 입력전원의 전압을 전달하는 스위칭부(140)를 포함하여 구성된다.
여기서 컨버터(120)는 그라운드와 전기적으로 연결된다.
또한, 상기 배터리 팩의 셀은 병렬로 연결되어 배터리 팩의 용량을 높이고 일정한 전압을 가질 수 있다.
한편, 아래에서 상기 충전전압 공급장치의 구성에 대해 상세하게 알아보도록 한다.
상기 두 개의 전압원은 배터리 팩이 충전되도록 팩 충전전압을 제공하는 팩 충전 전압원(150) 및 상기 배터리 팩을 구성하는 다수의 배터리 셀 중 셀 밸런싱이 필요한 셀이 충전되도록 셀 밸런싱 전압을 제공하는 셀 밸런싱 전압원(160)을 의미한다.
더욱 구체적으로 상기 셀 밸런싱 전압원(160)은 셀 밸런싱이 필요한 경우, 해당 셀에 셀 밸런싱 전압을 공급하여 셀 밸런싱을 수행할 수 있도록 상기 직류 입력전원의 전압을 변환하여 소정의 셀 밸런싱 전압을 출력할 수 있다.
여기서 상기 팩 충전전압은 일 실시 예로써, 16.8V로 설정하지만 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 소정의 셀 밸런싱 전압은 일 실시 예로써, 5V로 설정하지만 이에 한정되지 않는다.
또한, 팩 충전 전압원(150) 및 셀 밸런싱 전압원(160)은 상기 컨버터(120)에서 변환한 직류 입력전원의 전압을 각각의 적정 출력 전압으로 강하시키는 구성을 더 포함한다.
셀 밸런싱 전압원(160)은 입력되는 외부 전원을 배터리 셀들의 밸런싱에 필요한 전압으로 강하하여 출력한다. 이를 위하여 셀 밸런싱 전압원(160)은 외부 입력전압을 받아들여 이를 셀 밸런싱 전압으로 강하하는 전압 강하 회로를 포함하여 구성될 수 있다.
팩 충전 전압원(150)은 입력되는 외부 전원을 배터리 팩의 충전에 필요한 전압으로 강하하여 출력한다. 이를 위하여 팩 충전 전압원(150)는 외부 입력전압을 받아들여 이를 팩 충전 전압으로 강하하는 전압 강하 회로를 포함하여 구성될 수 있다.
팩 충전 전압원(150) 및 셀 밸런싱 전압원(160)의 출력은 전압 출력부(170)를 통하여 배터리 팩 또는 다수의 배터리 셀로 출력할 수 있다.
또한, MCU(130)는 배터리 팩의 BMS(미도시)에 의해 제어되며, 상기 MCU(130)와 BMS(미도시)는 통신을 이용하여 상호 간 통신한다. 상기 통신은 I2C, SMBus, CAN, UART 및 SPI등의 내부 통신방식을 이용하여 명령을 전송할 수 있다.
예를 들어, BMS(미도시)에서 셀 밸런싱이 필요하다고 판단한 경우, BMS(미도시)는 MCU(130)에 팩 충전전압 공급을 중지하고 팩 충전전압을 셀 밸런싱 전압으로 전환하여 공급시키는 명령을 전송한다.
또한, 셀 밸런싱 종료 후 BMS(미도시)에서 추가적인 팩 충전전압의 공급이 필요하다고 판단한 경우, BMS(미도시)는 MCU(130)에 셀 밸런싱 전압 공급을 중지하고 셀 밸런싱 전압을 팩 충전전압으로 전환하여 공급시키는 명령을 전송한다.
또한, 상기 스위칭부(140)는 상기 컨버터(120)와 팩 충전 전압원(150) 또는 셀 밸런싱 전압원(160)이 연결되거나 연결해제 되도록 상기 MCU(130)와 연결되어 제어되는 복수개의 스위치로 구성되어 있으며, 상기 MCU(130)로부터 셀 밸런싱 수행 명령을 받은 경우, 상기 팩 충전 전압원(150)이 연결되어있는 회로의 스위치를 오프하고 셀 밸런싱 전압원(160)이 연결되어있는 스위치를 온하여 상기 컨버터(120)로부터 변환된 직류 충전전원의 전압이 공급될 수 있도록 한다. 이에 따라, 본 발명의 충전전압 공급장치(100)는 셀 밸런싱 필요시 셀 밸런싱 전압원(160)에 의하여 셀 밸런싱 전압이 배터리 셀들로 인가되고, 셀 밸런싱이 필요하지 않으며 배터리 팩을 충전하는 것이 필요한 경우, 팩 충전 전압원(150)에 의하여 팩 충전전압이 배터리 팩으로 인가된다.
또한, 상기 스위칭부(140)의 스위치 소자는 MOSFET(Metal Oxide Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등을 이용하여 사용될 수 있다.
한편, 충전전압 공급장치(100)의 구동방법을 아래에서 상세하게 설명한다.
상기 충전전압 공급장치(100)는 상기 입력부(110)를 통해 외부로부터 들어오는 교류 입력전원을 수용하고, 수용된 교류 입력전원은 상기 컨버터(120)에 의하여 직류 입력전원으로 변환된다. 상기 팩 충전 전압원(150)을 통해 충전 중인 배터리 팩의 배터리 셀에 전압 불균형이 발생하는 경우, 상기 BMS(미도시)는 셀 밸런싱을 진단하고 셀 밸런싱이 필요하면 상기 MCU(130)에 셀 밸런싱 수행명령을 전송한다.
셀 밸런싱 수행 명령을 받은 MCU(130)는 스위칭부(140)를 통해 회로를 전환하고 상기 컨버터(120)에서 변환된 직류 입력전원의 전압을 셀 밸런싱 전압원(160)으로 공급한다. 여기서 스위칭부(140)의 팩 충전 전압원(150)과 연결된 스위치는 오프 되고 셀 밸런싱 전압원(160)과 연결된 스위치는 온 된다.
또한, 상기 셀 밸런싱 전압원(160)을 통해 충전되던 배터리 셀의 셀 밸런싱이 완료된 경우, 상기 BMS(미도시)는 배터리 팩 충전을 다시 진행할 것인지, 충전을 중지할 것인지 판단한다.
상기 BMS(미도시)에서 배터리 팩 충전이 필요하다고 판단한 경우, 상기 BMS(미도시)는 상기 MCU(130)로 배터리 팩 충전 재개명령을 전송한다. 배터리 팩 충전 재개명령을 받은 상기 MCU(130)는 상기 셀 밸런싱 전압원(160)과 연결되었던 회로가 상기 팩 충전 전압원(150)과 다시 연결되도록 스위칭부(140)를 제어하여 회로를 전환한다. 여기서 셀 밸런싱 전압원(160)과 연결된 스위치는 오프 되고 팩 충전 전압원(150)과 연결된 스위치는 온 된다.
한편, 상기 BMS(미도시)에서 배터리 팩의 충전 및 셀 밸런싱이 완료되어 충전을 중지한다고 판단한 경우, 상기 BMS(미도시)는 상기 MCU(130)로 배터리 팩 충전 중지명령을 전송하고, MCU(130)는 스위칭부(140)를 제어하여 상기 팩 충전 전압원(150) 및 셀 밸런싱 전압원(160)의 회로연결을 해제한다. 여기서 스위칭부(140)의 셀 밸런싱 전압원(160)과 연결된 스위치는 오프 된다.
또 다른 구동방법으로써, 상기 구동방법은 셀 밸런싱 수행 여부를 실시간으로 판단하여 수행하는 방식으로 이 방식은 실시간으로 전압을 측정하고 판단해야 하므로 알고리즘이 복잡해진다는 단점이 있다.
따라서 다른 구동방법은 배터리 팩의 충전을 완료한 후 셀 밸런싱을 수행하는 방법이다.
상기 팩 충전 전압원(150)을 통해 배터리 팩의 충전이 완료된 경우, 상기 BMS(미도시)는 배터리 팩의 각 셀의 전압을 측정하고 측정된 셀 전압 값을 기 설정한 소정 전압 값과 비교한다.
전압 값 비교결과가 셀 밸런싱을 필요로 한 경우, 상기 스위칭부(140)를 제어하여 상기 팩 충전 전압원(150)과 연결되었던 회로를 상기 셀 밸런싱 전압원(160)과 연결되도록 전환한다. 여기서 스위칭부(140)의 팩 충전 전압원(150)과 연결된 스위치는 오프 되고 셀 밸런싱 전압원(160)과 연결된 스위치는 온 된다.
또한, 상기 셀 밸런싱 전압원(160)과 연결된 회로는 컨버터(120)에서 변환된 직류 입력전원의 전압이 공급되도록 한다.
또한, 상기 셀 밸런싱 전압원(160)을 통해 충전되던 셀의 셀 밸런싱이 완료된 경우, 상기 BMS(미도시)는 상기 MCU(130)로 배터리 팩 충전 중지명령을 전송하고, MCU(130)는 스위칭부(140)를 제어하여 상기 팩 충전 전압원(150) 및 셀 밸런싱 전압원(160)의 회로연결을 해제한다. 여기서 스위칭부(140)의 셀 밸런싱 전압원(160)과 연결된 스위치는 오프 된다.
2. 본 발명의 실시 예에 따른 충전전압 공급방법
본 발명의 충전전압 공급방법은 배터리 팩 충전 시 셀 밸런싱이 필요한 경우, 팩 충전전압 공급회로를 셀 밸런싱 전압 공급회로로 전환하여 셀 밸런싱이 필요한 해당 셀에 셀 밸런싱 전압을 공급하는 방법이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 충전전압 공급방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 충전전압 공급방법은 우선 외부로부터 들어오는 전원으로부터 배터리 팩의 충전을 수행하고(배터리 팩 충전단계: S210), 충전 중인 배터리 팩의 셀에서 전압불균형이 발생하는 경우, 해당 셀이 셀 밸런싱을 필요로 하는지 진단한다(셀 밸런싱 진단단계: S220). 상기 셀 밸런싱 진단단계(S220)에서 셀 밸런싱이 필요한 것으로 진단된 경우, 기존의 배터리 팩을 충전하기 위하여 연결된 회로에서 셀 밸런싱을 수행하는 회로로 연결되도록 스위치를 제어한다(스위치 제어단계: S230). 여기서 셀 밸런싱을 수행하는 회로는 셀 밸런싱이 필요한 셀에 셀 밸런싱 전압이 공급되는 회로를 의미한다.
여기서 상기 스위치 제어단계(S230)에서의 스위치 제어는 상기 컨버터(120)와 팩 충전 전압원(150)을 연결하는 스위치를 오프 시키고, 컨버터(120)와 셀 밸런싱 전압원(160)을 연결하는 스위치를 온 시킨다.
또한, 배터리 팩을 충전하는 충전전압은 일 실시 예로써, 16.8V로 설정하지만 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 셀 밸런싱 전압은 상기 셀에서 사용되는 전압크기로, 일 실시 예로써 5V로 설정하지만 이에 한정되지 않는다.
한편, 셀 밸런싱 종료 후 상기 배터리 팩에 추가적인 충전이 필요하다고 판단된 경우, 셀 밸런싱을 수행하기 위하여 연결된 회로를 다시 배터리 팩 충전회로로 연결되도록 셀 밸런싱 전압원(160)과 연결된 스위치를 오프 시키고, 팩 충전 전압원(150)과 연결된 스위치를 온 시킨다.
반면에 셀 밸런싱 종료 후 상기 배터리 팩이 충전이 완료된 경우에는 더 이상 충전을 진행할 필요가 없으므로 셀 밸런싱을 수행하기 위하여 상기 셀 밸런싱 전압원(160)과 연결된 스위치를 오프 시킨다.
상기 셀 밸런싱 진단단계(S220)는 도 3을 참조하여 하기에 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 충전전압 공급방법 중 셀 밸런싱 진단단계의 순서도 이다.
도 3을 참조하면, 상기 둘 이상의 배터리 셀의 각 전압을 주기적으로 측정하고(셀 전압 측정단계: S221), 상기 셀 전압 측정단계 (S221)에서 측정된 둘 이상의 배터리 셀 전압을 이용하여 셀 간의 전압편차를 연산한다(전압편차 연산단계: S222).
또한, 상기 전압편차 연산단계(S222)에서 연산된 셀의 전압편차와 기 설정된 소정 범위의 전압편차를 비교한다(전압편차 비교단계: S223).
상기 전압편차 비교단계(S223)에서 셀간의 전압편차가 기 설정된 소정 범위의 전압편차보다 큰 경우, 상기 스위치 제어단계(S230)를 수행한다.
여기서 주기는 사용자가 임의로 설정한 주기로써 그 간격을 배터리 팩의 충전효율이 저하되지 않는 범위 내로 설정한다.
또한, 전압편차 연산방법은 각 셀에서 측정된 전압 중 최고값을 이용하여 최고값에서 각 셀의 전압값을 빼는 방법이다.
또한, 기 설정된 소정범위의 전압편차는 소량의 셀 밸런싱 전압으로 셀 밸런싱이 필요한 셀이 충전되는 시간을 감소시키면서 효율적인 배터리 팩의 충전이 가능한 범위로 설정한다.
또 다른 실시 예로써, 상기 실시 예는 셀 밸런싱 수행 여부를 실시간으로 판단하여 수행하는 방식으로 이 방식은 실시간으로 전압을 측정하고 판단해야 하므로 알고리즘이 복잡해진다는 단점이 있다.
따라서 다른 실시 예는 배터리 팩의 충전을 완료한 후 셀 밸런싱을 수행하는 방법이다.
우선 외부로부터 들어오는 전원을 이용하여 배터리 팩의 충전을 완료하고, 둘 이상의 배터리 셀의 각 전압을 측정한다.
또한, 측정된 둘 이상의 배터리 셀 전압을 기 설정된 소정 전압 값과 각각 비교하여 상기 측정된 둘 이상의 배터리 셀 전압이 기 설정된 소정 전압 값 미만인 셀은 셀 밸런싱이 필요하다고 판단한다. 또한, 기존의 배터리 팩을 충전하기 위하여 연결된 회로에서 셀 밸런싱을 수행하는 회로로 연결되도록 전환스위치를 전환한다.
셀 밸런싱 종료 후 배터리 팩의 충전이 완료되었으므로 셀 밸런싱을 수행하기 위하여 셀 밸런싱 전압원(160)과 연결된 회로는 스위치를 오프 시켜 차단한다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 서술한 특허청구범위 기술 내에서 다양한 실시 예가 가능할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 상이한 전압을 제공하는 두 개의 전압원을 통해 충전전압을 공급하는 충전전압 공급장치에 있어서,
    외부로부터 들어오는 교류 입력전원을 수용하는 입력부;
    상기 입력부로부터 들어오는 교류 입력전원을 직류 입력전원으로 변환하는 컨버터;
    상기 컨버터에서 변환된 직류 입력전원의 전압이 상기 두 개의 전압원 중 하나의 전압원으로 전달되어 공급되도록 제어하는 MCU; 및
    상기 MCU의 제어에 따라 상기 두 개의 전압원 중 하나의 전압원 회로와 연결시켜 상기 직류 입력전원의 전압을 전달하는 스위칭부; 를 포함하여 구성되고,
    상기 두 개의 전압원은,
    둘 이상의 배터리 셀로 구성된 배터리 팩이 충전되도록 상기 직류 입력전원의 전압을 변환하여 팩 충전전압을 출력하는 팩 충전 전압원; 및
    상기 둘 이상의 배터리 셀 중 셀 밸런싱이 필요한 배터리 셀이 충전되도록 상기 직류 입력전원의 전압을 변환하여 셀 밸런싱 전압을 출력하는 셀 밸런싱 전압원; 으로 구성되는 것을 특징으로 하는 충전전압 공급장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 팩 충전 전압원 및 셀 밸런싱 전압원의 전압이 입력되어 상기 배터리 팩 또는 둘 이상의 배터리 셀에 출력하는 전압 출력부; 를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 충전전압 공급장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭부는, 상기 MCU 및 컨버터와 연결되는 복수 개의 스위치로 구성되는 것을 특징으로 하는 충전전압 공급장치.
  4. 둘 이상의 배터리 셀의 전압이 균일하게 충전되도록 전압을 공급하는 방법에 있어서,
    상기 둘 이상의 배터리 셀을 구성하는 배터리 팩의 충전을 수행하는 배터리 팩 충전단계;
    상기 배터리 팩 충전단계에서 충전 중인 배터리 팩 내 셀에 전압 불균형이 발생되어 셀 밸런싱을 필요로 하는지 진단하는 셀 밸런싱 진단단계; 및
    상기 셀 밸런싱 진단단계에서 셀 밸런싱이 필요한 것으로 진단된 경우, 스위치를 제어하여 셀 밸런싱이 필요한 해당 셀에 셀 밸런싱 전압이 공급되도록 팩 충전 전압원과 연결되었던 회로를 셀 밸런싱 전압원과 연결시키는 스위치 제어단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 충전전압 공급방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 진단단계는,
    상기 둘 이상의 배터리 셀의 각 전압을 주기적으로 측정하는 셀 전압 측정단계;
    상기 셀 전압 측정단계에서 측정된 둘 이상의 배터리 셀 전압을 이용하여 셀간의 전압편차를 연산하는 전압편차 연산단계; 및
    상기 전압편차 연산단계에서 연산된 셀간의 전압편차와 기 설정된 소정 범위의 전압편차를 비교하는 전압편차 비교단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 충전전압 공급방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전압편차 비교단계에서 셀간의 전압편차가 기 설정된 소정 범위의 전압편차보다 큰 경우, 상기 스위치 제어단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 충전전압 공급방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 스위치 제어단계는, 상기 컨버터와 팩 충전 전압원을 연결하는 스위치를 오프 시키고, 컨버터와 셀 밸런싱 전압원을 연결하는 스위치를 온 시키는 것을 특징으로 하는 충전전압 공급방법.
  8. 청구항 4에 있어서,
    셀 밸런싱 종료 후 상기 배터리 팩에 추가적인 충전이 필요하다고 판단한 경우, 셀 밸런싱을 수행하기 위하여 상기 컨버터와 셀 밸런싱 전압원이 연결된 회로의 스위치를 오프 시키고, 다시 배터리 팩 충전회로로 연결되도록 컨버터와 팩 충전 전압원의 스위치를 온 시키는 것을 특징으로 하는 충전전압 공급방법.
  9. 청구항 4에 있어서,
    셀 밸런싱 종료 후 상기 배터리 팩이 충전이 완료된 것으로 판단한 경우, 셀 밸런싱을 수행하기 위하여 상기 컨버터와 셀 밸런싱 전압원이 연결된 회로의 스위치를 오프 시키는 것을 특징으로 하는 충전전압 공급방법.
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