WO2023158065A1 - System and method for randomly aligning soc of reusable battery - Google Patents

System and method for randomly aligning soc of reusable battery Download PDF

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WO2023158065A1
WO2023158065A1 PCT/KR2022/018693 KR2022018693W WO2023158065A1 WO 2023158065 A1 WO2023158065 A1 WO 2023158065A1 KR 2022018693 W KR2022018693 W KR 2022018693W WO 2023158065 A1 WO2023158065 A1 WO 2023158065A1
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soc
battery
cell
battery cells
pack
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Application number
PCT/KR2022/018693
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Inventor
최성진
웬웬안
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울산대학교 산학협력단
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/22Balancing the charge of battery modules
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries

Definitions

  • the present invention relates to a system and method for arranging a state of charge (SOC) of a reusable battery, and more particularly, to a system and method for aligning the SOC level of individual cells inside a reusable battery pack to a target SOC level while equalizing the SOC of a reusable battery. It relates to an alignment system and method.
  • SOC state of charge
  • BESS battery energy storage system
  • SOC states of charge
  • the present invention is to overcome the problems of the prior art described above, and an object of the present invention is to provide a system and method for cooperatively operating a battery pack charger and a cell equalizer in an SOC adjustment process.
  • a method of randomly arranging the SOC of a reusable battery includes determining initial SOC levels of battery cells, sequencing the battery cells in ascending order of the initial SOC levels of the battery cells, and target SOC levels. Calculating the optimal total processing time by calculating the processing time of each cell of the cell equalizer and the operating time of the pack charger in order to achieve, and performing the cell balancing operation in the order of ranking during the entire processing time. .
  • An SOC random alignment system for a reusable battery includes a pack charger that simultaneously charges or discharges battery cells included in a battery pack, a cell equalizer that transfers charge to one of the battery cells, and the cell A first switch matrix and a second switch matrix connected between a pair of input terminals of an equalizer and the battery cells, a battery monitoring device (Battery Monitoring IC, BMIC) for monitoring open circuit voltages of the battery cells, and the open circuit from the BMIC and a micro controller unit (MCU) that receives a voltage and calculates an initial SOC level of the battery cells using the open circuit voltage, wherein the MCU ranks the battery cells based on the initial SOC level. do.
  • BMIC Battery Monitoring IC
  • MCU micro controller unit
  • the cell balancing time can be minimized and the target SOC can be arbitrarily determined.
  • FIG. 1 is a diagram showing an SOC random alignment system of a reusable battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A and 2C are circuit diagrams for explaining the operating principle of the SOC random alignment system for reusable batteries according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining a method of operating an SOC random alignment system for a reusable battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows an SOC-OCV curve of an operating method of an SOC random alignment system for a reusable battery according to an embodiment of the present invention.
  • 5 to 7 are graphs for explaining a method of calculating a processing time of an operating method of an SOC random alignment system for reusable batteries according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a circuit diagram for explaining a cell balancing operation of a cell equalizer in a method of operating an SOC random alignment system for a reusable battery according to an embodiment of the present invention.
  • 9A and 9B are diagrams for explaining the processing time of the operating method of the SOC random alignment system for reusable batteries according to an embodiment of the present invention.
  • 10A to 10C are diagrams for explaining stability of a battery cell in an operating method of an SOC random alignment system for a reusable battery according to an embodiment of the present invention.
  • 11a to 11c are charts summarizing experimental settings and experimental results for verifying the present invention.
  • 12A to 12C are diagrams illustrating operation waveforms of a minimum cell equalization method, which is a conventional method.
  • FIGS. 13a to 13c are diagrams showing operating waveforms of an operating method of an SOC random alignment system for a reusable battery according to the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing an SOC random alignment system of a reusable battery according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack PACK may include a plurality of battery cells B1 to Bn connected in series.
  • n is a natural number greater than 1.
  • an electric vehicle may include a plurality of battery packs. After using the electric vehicle, the voltage of one cell of the battery may be 3.6V or about 4V, and the voltage of one battery pack may be about 80V.
  • the SOC random alignment system 100 of a reused battery includes a pack charger 110, a cell equalizer 120, a battery monitoring device (Battery Monitoring IC, BMIC; 130), an arithmetic unit (micro controller unit, MCU; 140), and A first switch matrix S M and a second switch matrix S R may be included.
  • the pack charger 110 may be a bidirectional DC converter that charges or discharges the battery pack PACK from an external power source.
  • the pack charger 110 may simultaneously charge or discharge the plurality of battery cells B1 to Bn included in the battery pack PACK. Accordingly, the speed of the SOC alignment process may be increased, and the SOC level of the battery cell may be readjusted to a target SOC level.
  • the pack charger 110 may charge or discharge the battery pack PACK with a constant current according to the operation of the cell equalizer 120 . In this case, the charge current is defined as a positive current and the discharge current as a negative current.
  • the cell equalizer 120 may be a unidirectional DC-DC converter that transfers charge from the battery pack PACK to one of the battery cells B1 to Bn.
  • the cell equalizer 120 may be a constant current type charger capable of charging only one battery cell with a constant current, and the battery cells B1 to Bn may be equalized by the cell equalizer 120 .
  • a pair of output terminals of the cell equalizer 120 may be connected to the battery pack PACK, and a pair of input terminals of the cell equalizer 120 may be connected to the first switch matrix S M1 to S M(n+1) and the second switch. It may be connected to one of the battery cells B1 to Bn through the matrices S R1 to S R4 .
  • the BMIC 130 may always monitor open circuit voltages Vbat of individual battery cells B1 to Bn.
  • the BMIC 130 may output open circuit voltages Vbat of the battery cells B1 to Bn.
  • the MCU 140 may transmit a command CMD to output the open circuit voltage Vbat of the individual battery cells B1 to Bn to the BMIC 130 .
  • the MCU 140 may receive open circuit voltages Vbat of the battery cells B1 to Bn from the BMIC 130 .
  • the MCU 140 may analyze the SOC level corresponding to the battery charge amount for each of the battery cells B1 to Bn using the open circuit voltage Vbat of the battery cells B1 to Bn.
  • the MCU 140 may generate and output selection signals SEL1 and SEL2 based on the analysis result.
  • the first switch matrix S M and the second switch matrix S R may be connected between the input terminal pair 121 of the cell equalizer 120 and the battery cells B1 to Bn.
  • the first switch matrix S M and the second switch matrix S R select one battery cell from among the battery cells B1 to Bn, and use the selected battery cell as a pair of output terminals 122 of the cell equalizer 120.
  • the first switch matrix S M may include a plurality of first switches S M1 to S M(n+1)
  • the second switch matrix S R may include a plurality of second switches S R1 ⁇ S R4 ) may be included.
  • the number of battery cells B1 to Bn is n
  • the number of first switches may be n+1 and the number of second switches may be four.
  • the configuration of the first switch matrix S M and the second switch matrix S R has an effect of reducing the number of switches in the SOC random arrangement system of the reusable battery.
  • the first selection signal SEL1 may determine the switching pattern of the first switch matrix S M
  • the second selection signal SEL2 may determine the switching pattern of the second switch matrix S R .
  • the first switch matrix S M may select one of the battery cells B1 to Bn in response to the first selection signal SEL1
  • the second switch matrix S R may select one battery cell from among the battery cells B1 to Bn in response to the first selection signal SEL1.
  • the direction of the selected battery cell may be determined.
  • some of the first switches S M1 and S M2 in response to the first selection signal SEL1 may be turned on, and some of the second switches S R1 and S R4 may be turned on in response to the second selection signal SEL2.
  • the SOC arbitrary alignment system 100 of the reusable battery may further include an activation switch Sen.
  • the activation switch Sen may be a switch for blocking current input to the cell equalizer 120 in an emergency situation.
  • the activation switch Sen may be controlled in response to an activation signal EN output from the MCU 140 .
  • the MCU 140 may sort the battery cells B1 to Bn based on the initial SOC levels of the battery cells B1 to Bn. For example, the MCU 140 may arrange the battery cells B1 to Bn in ascending order of initial SOC levels of the battery cells B1 to Bn. Since the lower the initial SOC level, the greater the amount of charge to be charged in the corresponding battery cell, the MCU 140 generates a selection signal so that the connection time of the battery cell to the cell equalizer 120 increases as the initial SOC level of the battery cell decreases. SEL1 and SEL2 may be generated.
  • the MCU 140 adjusts the turn-on time of the switches included in the first switch matrix S M and the second switch matrix S R based on the initial SOC levels of the battery cells B1 to Bn, thereby controlling the battery life.
  • the time during which cells are connected to the cell equalizer 120 can be adjusted.
  • FIGS. 2A and 2C are circuit diagrams for explaining the operating principle of the SOC random alignment system for reusable batteries according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A describes an operation when the pack charger 110 operates and the cell equalizer 120 does not operate.
  • the pack charger is activated by the control signal CTRL, while the first selection signal ( All switches included in the first switch matrix S M and the second switch matrix S R are turned off by the SEL1) and the second selection signal SEL1.
  • the pack charger 110 can directly charge or discharge the entire battery pack PACK with the pack charger current Ic, which is a constant current.
  • the pack charger current Ic is used to simultaneously supply energy to the battery cells B1 to Bn included in the battery pack PACK or simultaneously release energy from the battery cells B1 to Bn included in the battery pack PACK. It may be a current for Accordingly, the pack charger 110 may adjust the SOC level of the entire battery pack PACK.
  • the control signal CTRL may be an activation signal for activating the pack charger 110 during the pack charger processing time. Also, in response to the control signal CTRL, the pack charger 110 may change the direction of the pack charger current Ic. In other words, the pack charger 110 may supply energy to the entire battery pack PACK or discharge energy from the entire battery pack PACK in response to the control signal CTRL.
  • the MCU 140 may determine the available capacity of the entire battery pack PACK and calculate the capacity required to charge or discharge the entire battery pack PACK.
  • the MCU 140 may generate and output a control signal CTRL based on the calculation result.
  • FIG. 2B describes an operation when the cell equalizer 120 operates and the pack charger 110 does not operate.
  • the switches included in the first switch matrix S M and the second switch matrix S R are turned on in the above-described pattern by the first selection signal SEL1 and the second selection signal SEL2 to form one A cell of is selected, and the pack charger is deactivated by the control signal CTRL.
  • energy is transferred from a battery pack connected to the input terminal pair 121 of the cell equalizer 120, and a predetermined cell balancing current Ibal is generated through the output terminal pair 122. can be printed out.
  • the cell equalizer 120 may distribute the energy of the entire battery pack PACK to individual battery cells.
  • FIG. 2C describes an operation principle in a more general case in which both the cell equalizer 120 and the pack charger 110 are operating.
  • the first selection signal SEL1 and the second selection signal SEL1 The switches included in the first switch matrix S M and the second switch matrix S R are turned on in the above-described pattern to select one cell, and the pack charger 110 operates by the control signal CTRL. become activated.
  • a predetermined cell balancing current ( Ibal) can be output.
  • the pack charger 110 also supplies a predetermined current, the pack charger current Ic, to the battery pack.
  • the battery pack discharge current flowing into the input terminal pair 121 of the cell equalizer is defined as Ip
  • the current flowing in the selected cell is Ibal by Kirchoff's Current Law (KCL) -Ip+Ic and the current flowing to the remaining unselected cells becomes -Ip+Ic.
  • KCL Kirchoff's Current Law
  • the SOC level of the battery cells selected through the first switch matrix S M and the second switch matrix S R can be adjusted through the pack charger current Ic and the cell balancing current Ibal. Accordingly, SOC differences between the battery cells B1 to Bn may be equalized.
  • the pack charger 110 and the cell equalizer 120 may distribute the energy of the entire battery pack PACK to individual battery cells through cooperative control.
  • the cell equalizer 120 may include an analog controller 123 inside the cell equalizer 120 to make the cell balancing current Ibal, which is the current of the output terminal pair 122, constant.
  • the cell equalizer 120 may make the cell balancing current Ibal constant through duty ratio control or frequency control.
  • the analog controller 123 may exist outside the cell equalizer 120 .
  • the target SOC level can be achieved by cooperatively operating the pack charger 110 and the cell equalizer 120 in the SOC adjustment process. Accordingly, capacities of the battery cells B1 to Bn may be equalized. The battery cells B1 to Bn may simultaneously receive current from the pack charger 110 and the cell equalizer 120 . Whether during charging or discharging, the sum of the two currents can be maintained within the battery's tolerance.
  • the pack charger 110 and the cell equalizer 120 may operate according to a coordinated operating algorithm. In other words, battery cell balancing and charging or discharging of the battery pack may be simultaneously performed. Therefore, the cell balancing time can be optimized.
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining an operating method of an SOC random alignment system for a reusable battery according to an embodiment of the present invention
  • FIG. It is a mapping curve (SOC-OCV curve) between the cell SOC level and the cell open circuit voltage (OCV), which is the basis for calculating the SOC level of .
  • the operating method of the SOC random alignment system of the reusable battery may include a charging strategy establishment operation (S110 to S170) and a cell balancing operation (S180).
  • the BMIC 130 may initially measure the open circuit voltages (Vbat) of the battery cells (S110).
  • the MCU 140 may receive open circuit voltages Vbat of battery cells from the BMIC 130 .
  • the MCU 140 determines the initial SOC level corresponding to the open circuit voltage (Vbat) of the battery cells using a mapping curve (SOC-OCV curve) between the preset cell SOC level and the open cell voltage of the battery (see FIG. 4). It can (S120).
  • the MCU 140 may order and index the battery cells B1 to Bn in ascending order of initial SOC levels of the battery cells B1 to Bn (S130). Also, the MCU 140 may calculate an average value of all SOC levels (S130). In a cell balancing operation after the charging strategy establishment operation, the cell balancing operation may be performed on the battery cells B1 to Bn in the sorting order.
  • the MCU 140 may calculate the total processing time of the cell balancing operation (S140).
  • the total processing time is the processing time (tc) of the pack charger and the processing time (ti) of the cell equalizer for each of the battery cells (B1 to Bn) (where i is a sequence number and has an integer from 1 to n).
  • i is a sequence number and has an integer from 1 to n.
  • 1 represents a cell with the highest sequence
  • n represents a cell with the lowest sequence as the number of cells connected in series.
  • the battery cells B1 to Bn may be connected one by one to the output terminal pair 122 of the cell equalizer 120 in the above sequential order, and the output terminal pair of the cell equalizer 120
  • the battery cell connected to 122 may be charged during the processing time of the cell equalizer 120 for the corresponding battery cell.
  • the switching patterns of the first switch matrix S M and the second switch matrix S R may be determined based on the charging strategy.
  • the MCU 140 may set a relatively long processing time of the cell equalizer for a battery cell having a relatively low SOC level and a relatively short processing time of the cell equalizer for a battery cell having a relatively high SOC level. there is.
  • 5 to 7 are graphs for explaining a method of calculating a processing time according to an embodiment of the present invention.
  • the x-axis represents the battery cell number indicating the physical cell connection order of the currently aligned battery cells B1 to Bn
  • the y-axis represents the SOC level (%) of the corresponding battery cells B1 to Bn.
  • the SOC level may mean an initial SOC level corresponding to the open circuit voltage Vbat of the battery cells B1 to Bn.
  • the x-axis represents the sequence numbers of battery cells B1 to Bn, which are sequenced in ascending order of SOC level
  • the y-axis represents the SOC level (%) of the corresponding battery cells B1 to Bn.
  • the battery cells B1 to Bn may be ordered and indexed in order of SOC levels from low to high.
  • the battery cell number and sequence number may be different depending on the state of the initial SOC level of each cell.
  • the x-axis represents the sequence numbers of battery cells (B1 to Bn) sequenced in ascending order of SOC level
  • the y-axis represents the cell equalizer processing time (ti) of the corresponding battery cells.
  • a charging time of a battery cell having a relatively low SOC level may be set relatively long
  • a charging time of a battery cell having a relatively high SOC level may be set relatively short.
  • the MCU 140 may compare the target SOC and the average SOC, and determine the direction of the pack charger current output from the pack charger 110 according to the comparison result.
  • the MCU 140 may compare the target SOC and the average SOC (S150). If the target SOC is lower than the average SOC (YES in S150 ), all energies of the battery cells B1 to Bn included in the battery pack PACK should be discharged. Accordingly, the MCU 140 may generate a control signal CTRL to set the direction of the pack charger current Ic to the first direction (eg, negative direction) (S160). In a cell balancing operation after the charging strategy establishment operation, the pack charger 110 may simultaneously discharge energy of the battery cells B1 to Bn included in the battery pack PACK in response to the control signal CTRL.
  • the first direction eg, negative direction
  • the MCU 140 may generate the control signal CTRL to set the direction of the pack charger current Ic to the second direction (eg, positive direction) of the pack charger 100 (S170).
  • the pack charger 100 may simultaneously supply energy to the battery cells B1 to Bn included in the battery pack PACK in response to the control signal CTRL.
  • a cell balancing operation may be performed (S180).
  • Cell balancing operations may be performed in the above sorted order during the entire processing time.
  • the battery cells (B1 to Bn) may be connected to the output terminal pair 122 of the cell equalizer 120 one by one in the sorted order, and the operation of the pack charger is performed by the pack charger placed at the end of the entire processing time. It can be done during processing time.
  • the cell equalizer processing time of the last battery cell may be 0 seconds.
  • n means the total number of battery cells included in the battery pack PACK.
  • the available capacity (Q(t)) of the battery cell may be defined as Equation 1 below.
  • Qnom may mean the nominal capacity of each battery cell.
  • the cell equalizer 120 may provide a constant current to individual battery cells to increase the capacity of the battery cells. Due to this, it is possible to maintain a balance of SOC levels between battery cells.
  • FIG. 8 is a circuit diagram for explaining a cell balancing operation of the cell equalizer 120 according to an embodiment of the present invention.
  • the cell balancing current Ibal which is the output current of the cell equalizer 120
  • the current Ip flowing through the input terminal pair 121 of the cell equalizer 120 Can be determined as in [Equation 3] below.
  • vi denotes the voltage of the i-th battery cell of sequence number
  • Vpack denotes the voltage of the battery pack
  • denotes the power conversion efficiency of the cell equalizer 120 .
  • Equation 4 the actual current Ii flowing through the i-th battery cell of SEQ ID NO is given by Equation 4 below. This has been illustrated schematically in Figure 2c.
  • the actual current flowing through the battery cell must be less than the maximum allowable current level in the data sheet.
  • Qnom means the nominal capacity of each battery cell
  • SOCi means the individual SOC level of the i-th battery cell of SEQ ID NO.
  • the initial SOC level of the i-th battery cell of SEQ ID NO: may be estimated using OCVi information.
  • f represents the mapping function by the SOC-OCV curve.
  • Equation 8 the SOC level of the i-th battery cell of SEQ ID NO is given by Equation 8 below.
  • the SOC level after cell balancing is an average of initial SOC levels.
  • the average (SOCinit_avg) of the initial SOC levels of the battery cells is given by Equation 9 below.
  • the equivalent SOC loss is estimated as shown in Equation 10 below.
  • t total means the sum of processing times of each cell required in the cell equalizing step as shown in [Equation 11] below.
  • the pack charger current should operate as a charging current (positive direction), and if the processing time (tc) has a negative value, the polarity of the pack charger current (Ic) is reversed. have to make it work.
  • the pack charger current Ic can simultaneously adjust the overall SOC level of the battery cells. Therefore, the change in capacity from the initial SOC level to the target SOC level for the battery cell having the first sequence number (ie, the smallest SOC level in the case of ascending sequencing) after the entire processing time is calculated as shown in [Equation 13] below do.
  • Equation 14 the change in capacity of the battery cell having the i-th sequence number is given by Equation 14 below.
  • the following method may be applied to obtain an optimal processing time ti of each step for each battery cell and pack charger.
  • the processing time of each stage is t1 ⁇ t2 ⁇ ... ⁇ tn. This is because, in the case of sequencing in ascending order of initial SOC, the cell with the lowest initial SOC level, which is SEQ ID NO: 1, must be balanced for the longest time.
  • 9A and 9B are diagrams for explaining processing time calculated according to an embodiment of the present invention.
  • a time offset may be introduced to solve the problem of negative processing time.
  • the time required for all other steps can always be corrected to be greater than 0.
  • Figure 9b shows the step-by-step processing time adjusted by sealing the time offset.
  • tn is set to 0
  • the processing time tn of the battery cell having the n-th sequence number can be calculated as shown in Equation 17 below.
  • SOCmax(t0) means the maximum initial SOC of the battery cell. Therefore, the sequential charging of each battery cell in n stages can achieve SOC adjustment to the target SOC level according to [Equation 19] above.
  • the target SOC level may include the first to third SOC levels.
  • the SOC random alignment system of reusable batteries may lower the SOC level of each battery cell to a first SOC level (eg, typically 25% or less) for safe transportation to another location.
  • the SOC random alignment system of a reusable battery may equalize all cells at a second SOC level (eg, 45%) for the purpose of battery maintenance.
  • the SOC arbitrary alignment system of the reusable battery may adjust the SOC level of each battery cell to a third SOC level (eg, 60%) for almost complete charging of the battery pack.
  • the SOC random alignment system of the reusable battery has the effect of having a degree of freedom of the target SOC.
  • the battery cells are aligned based on the initial SOC level, and the cell equalizer 120 and the pack charger 110 cooperate to equalize and adjust the SOC level of the battery cells to a target SOC level. there is. At this time, only one switching pattern is assigned to each cell, and the entire process is completed with a total of n steps. In other words, by providing an optimal switching pattern, the power loss of the circuit can be reduced and the overall processing time can be shortened.
  • [Equation 19] is a simple formula that does not require repetitive calculation, so it can be easily implemented with a low-cost MCU.
  • 10A to 10C are diagrams for explaining stability of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • the operation time of the pack charger overlaps with the operation of the cell equalizer 120 and is organized in the first time period tc1, which is the first part, or the second time period after the first time period tc1, which is the middle part. It can be organized in the time section tc2 or in the third time section tc3 after the second time section tc2.
  • the start point of the first time interval tc1 may be 0 seconds
  • the end point of the third time interval tc3 may be t total seconds.
  • FIG. 10A shows a case in which the operation of the pack charger is performed in a first time period tc1
  • FIG. 10B shows a case in which the operation of the pack charger is performed in a second time period tc2
  • the SOC level of some battery cells may fall below a safety limitation.
  • the stability of the battery cell may be damaged. Therefore, in order to ensure stability and performance of the battery cell, the current of the pack charger needs to be designed to be less than a certain value, and the operation of the pack charger is preferably executed at the end of the entire processing time.
  • 11A shows parameter setting values for comparing and verifying the present invention and the existing method. Under similar initial SOC level conditions, the first SOC level (25%) and the second SOC level (45%) in the two methods, respectively. A test was conducted to achieve three target SOC levels of the second SOC level (60%).
  • the subject formed a battery pack by connecting 20 18650 type cylindrical 3.6 V/2.9Ah lithium ion batteries, and the pack charger current (Ic) was set to 0.53A and the cell equalizer current (Ibal) was set to 1.3A.
  • 11B to 11C are charts summarizing initial voltage and initial SOC, end voltage and end SOC applied with the conventional method, and end voltage and end SOC applied with the method of the present invention for each of the 20 cells.
  • 12A is an experimental waveform for achieving a target SOC level of the first SOC level (25%) by applying a conventional method.
  • 12B is a test waveform for achieving a target SOC level of the second SOC level (45%) by applying a conventional method.
  • 12C is a test waveform for achieving a target SOC level of a third SOC level (60%) by applying a conventional method.
  • Each graph shows waveforms of 20 cell voltages, and the initial voltage and voltage waveforms after achieving the target SOC are enlarged and added to the left and right sides, respectively. It shows that it takes about 8 hours or more while repeating charging and inverting irregularly for each cell voltage.
  • 13a is an experimental waveform for achieving a target SOC level of the first SOC level (25%) by applying the present invention.
  • 13B is a test waveform for achieving a target SOC level of the second SOC level (45%) by applying a conventional method.
  • 13C is a test waveform for achieving a target SOC level of a third SOC level (60%) by applying a conventional method.
  • Each graph shows waveforms of 20 cell voltages, and the initial voltage and voltage waveforms after achieving the target SOC are enlarged and added to the left and right sides, respectively. Each cell voltage is sequentially charged only once, and the processing time is reduced to about 6 hours and 30 minutes.

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Abstract

A method for randomly aligning an SOC of a reusable battery according to an embodiment of the invention comprises the steps of: determining initial SOC levels of battery cells; sequencing the battery cells in ascending order of the initial SOC levels of the battery cells; in order to achieve a target SOC level, calculating an optimal total processing time by calculating an operation time of a pack charger and each cell-specific processing time of a cell equalizer; and performing a cell balancing operation in the order of the sequencing during the total processing time.

Description

재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템 및 방법SOC Random Alignment System and Method for Reusable Batteries
본 발명은 재사용 배터리의 충전량(SOC, state of charge) 임의 정렬 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 재사용 배터리 팩 내부의 개별 셀들의 SOC 레벨을 목표 SOC 레벨로 조정하면서 균등화하는 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for arranging a state of charge (SOC) of a reusable battery, and more particularly, to a system and method for aligning the SOC level of individual cells inside a reusable battery pack to a target SOC level while equalizing the SOC of a reusable battery. It relates to an alignment system and method.
최근 배터리 에너지 저장 시스템(battery energy storage system, BESS)에 대한 투자가 크게 증가하고 있다. 전기차의 배터리 팩은 폐기된 후에도 사용 가능한 용량의 80%가 남아 있어서 다른 용도로 재사용할 수 있다. 따라서, 재사용 (second-life)배터리를 이용한 에너지 저장시스템(SL-BESS)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Recently, investment in a battery energy storage system (BESS) has increased significantly. Even after the battery pack of an electric vehicle is discarded, 80% of its usable capacity remains, so it can be reused for other purposes. Therefore, research on an energy storage system (SL-BESS) using a second-life battery is being actively conducted.
노후된 배터리 셀들의 특성 차이로 인해 배터리의 재사용은 배터리 유지보수시에 보다 집중적인 관리가 필요하다. 따라서, SOC(state of charge) 임의 정렬은 재사용 배터리의 유지 보수 및 다른 장소로의 운송 등의 전기차 사용 후 배터리의 전반적인 재사용 과정에 필수적이다.Due to differences in characteristics of aged battery cells, battery reuse requires more intensive management during battery maintenance. Therefore, arbitrary arrangement of states of charge (SOC) is essential for the overall reuse process of batteries after use of electric vehicles, such as maintenance of reused batteries and transportation to other places.
일반적으로 종래의 배터리 팩 충전기의 경우 개별 셀단위를 선택적으로 충전하지 못하기 때문에, 개별 셀들의 SOC 균등화기능을 제공할 수 없다.In general, in the case of a conventional battery pack charger, since individual cells cannot be selectively charged, the SOC equalization function of individual cells cannot be provided.
한편, 개별 셀을 균등화하기 위한 종래의 방법들은 대부분 스위치 매트릭스를 이용한 이른바 최소 셀 균등화 방식을 택하고 있는데, 예를 들어 가장 낮은 SOC레벨의 배터리 셀을 인근 셀들을 방전시킨 후에 충전을 수행하며, 이후 다음 낮은 SOC 레벨의 셀을 다시 선택하여 방전 및 충전의 단계를 반복한다. 배터리 셀들 간 SOC레벨의 차이가 목표 값에 도달할 때까지 배터리 셀들의 전압에 기초하여 충전패턴이 무질서하게 계속 변경되므로 불필요하고 중복적인 스위칭 패턴이 사용될 수 있으며, 이러한 방법으로는 최적의 동작시간을 얻을 수 없다. 게다가 임의로 선정한 목표 SOC레벨에 도달하는 기능을 제공하지도 않는 문제점이 있어 SOC임의 정렬 목적이 부합하지 못한다.On the other hand, conventional methods for equalizing individual cells mostly adopt a so-called minimum cell equalization method using a switch matrix. For example, a battery cell with the lowest SOC level is charged after discharging neighboring cells, and then A cell with the next lower SOC level is selected again and the steps of discharging and charging are repeated. Since the charging pattern continues to change randomly based on the voltage of the battery cells until the difference in SOC level between the battery cells reaches the target value, unnecessary and redundant switching patterns can be used. can't get In addition, there is a problem in that it does not provide a function to reach an arbitrarily selected target SOC level, which does not meet the purpose of SOC arbitrary alignment.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, SOC 조정 과정에서 배터리 팩 충전기와 셀 이퀄라이저가 협동하여 동작하도록 하는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to overcome the problems of the prior art described above, and an object of the present invention is to provide a system and method for cooperatively operating a battery pack charger and a cell equalizer in an SOC adjustment process.
발명의 실시예에 따른 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 방법은, 배터리 셀들의 초기 SOC 레벨을 결정하는 단계와, 상기 배터리 셀들의 상기 초기 SOC 레벨의 오름차순으로 상기 배터리 셀들을 서열화하는 단계와, 목표 SOC레벨을 달성하기 위해 셀 이퀄라이저의 각 셀 별 처리시간 및 팩 충전기의 동작시간을 계산하여 최적의 전체 처리 시간을 계산하는 단계 및 상기 전체 처리 시간 동안 상기 서열화 순서로 셀 밸런싱 동작을 수행하는 단계를 포함한다.A method of randomly arranging the SOC of a reusable battery according to an embodiment of the present invention includes determining initial SOC levels of battery cells, sequencing the battery cells in ascending order of the initial SOC levels of the battery cells, and target SOC levels. Calculating the optimal total processing time by calculating the processing time of each cell of the cell equalizer and the operating time of the pack charger in order to achieve, and performing the cell balancing operation in the order of ranking during the entire processing time. .
발명의 실시예에 따른 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템은, 배터리 팩에 포함된 배터리 셀들을 동시에 충전하거나 방전하는 팩 충전기와, 상기 배터리 셀들 중 하나의 배터리 셀로 전하를 전송하는 셀 이퀄라이저와, 상기 셀 이퀄라이저의 입력 단자쌍과 상기 배터리 셀들 사이에 연결된 제1 스위치 매트릭스 및 제2 스위치 매트릭스와, 상기 배터리 셀들의 개방 회로 전압을 모니터링하는 배터리 모니터링 장치(Battery Monitoring IC, BMIC) 및 상기 BMIC로부터 상기 개방 회로 전압을 수신하고, 상기 개방 회로 전압을 이용하여 상기 배터리 셀들의 초기 SOC 레벨을 계산하는 연산장치(micro controller unit, MCU)를 포함하고, 상기 MCU는 상기 초기 SOC 레벨에 기초하여 상기 배터리 셀들을 서열화한다.An SOC random alignment system for a reusable battery according to an embodiment of the present invention includes a pack charger that simultaneously charges or discharges battery cells included in a battery pack, a cell equalizer that transfers charge to one of the battery cells, and the cell A first switch matrix and a second switch matrix connected between a pair of input terminals of an equalizer and the battery cells, a battery monitoring device (Battery Monitoring IC, BMIC) for monitoring open circuit voltages of the battery cells, and the open circuit from the BMIC and a micro controller unit (MCU) that receives a voltage and calculates an initial SOC level of the battery cells using the open circuit voltage, wherein the MCU ranks the battery cells based on the initial SOC level. do.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템 및 방법에 의하면, 셀 밸런싱 시간을 최소화할 수 있고, 목표로 하는 SOC를 임의로 정할 수 있다.According to the SOC random arrangement system and method of the reusable battery according to the present invention configured as described above, the cell balancing time can be minimized and the target SOC can be arbitrarily determined.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템을 나타내는 도면이다.1 is a diagram showing an SOC random alignment system of a reusable battery according to an embodiment of the present invention.
도 2a와 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 회로도들이다.2A and 2C are circuit diagrams for explaining the operating principle of the SOC random alignment system for reusable batteries according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.3 is a flowchart for explaining a method of operating an SOC random alignment system for a reusable battery according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템의 동작 방법의 SOC-OCV 곡선을 나타낸다.4 shows an SOC-OCV curve of an operating method of an SOC random alignment system for a reusable battery according to an embodiment of the present invention.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템의 동작 방법의 처리 시간을 계산하는 방법을 설명하기 위한 그래프들이다.5 to 7 are graphs for explaining a method of calculating a processing time of an operating method of an SOC random alignment system for reusable batteries according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템의 동작 방법의 셀 이퀄라이저의 셀 밸런싱 동작을 설명하기 위한 회로도이다.8 is a circuit diagram for explaining a cell balancing operation of a cell equalizer in a method of operating an SOC random alignment system for a reusable battery according to an embodiment of the present invention.
9a와 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템의 동작 방법의 처리 시간을 설명하기 위한 도면들이다. 9A and 9B are diagrams for explaining the processing time of the operating method of the SOC random alignment system for reusable batteries according to an embodiment of the present invention.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템의 동작 방법의 배터리 셀의 안정성을 설명하기 위한 도면들이다.10A to 10C are diagrams for explaining stability of a battery cell in an operating method of an SOC random alignment system for a reusable battery according to an embodiment of the present invention.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명을 검증하기 위한 실험장치의 설정 및 실험결과를 정리한 도표이다.11a to 11c are charts summarizing experimental settings and experimental results for verifying the present invention.
도 12a 내지 도 12c는 종래의 방법인 최소 셀 균등화 방식의 동작 파형을 나타내는 도면들이다.12A to 12C are diagrams illustrating operation waveforms of a minimum cell equalization method, which is a conventional method.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명인 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템의 동작 방법의 동작 파형을 나타내는 도면들이다.13a to 13c are diagrams showing operating waveforms of an operating method of an SOC random alignment system for a reusable battery according to the present invention.
본 발명은 다양한 변형 및 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Since the present invention may have various modifications and various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in more detail in the detailed description. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템을 나타내는 도면이다. 1 is a diagram showing an SOC random alignment system of a reusable battery according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(PACK)은 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀들(B1~Bn)을 포함할 수 있다. 여기서, n은 1보다 큰 자연수이다. 일례로, 전기 자동차에는 복수의 배터리 팩들을 포함할 수 있다. 전기 자동차 사용 후 배터리의 셀 하나의 전압은 3.6V, 약 4V일 수 있고, 배터리 팩 하나의 전압은 약 80V일 수 있다. Referring to FIG. 1 , the battery pack PACK may include a plurality of battery cells B1 to Bn connected in series. Here, n is a natural number greater than 1. For example, an electric vehicle may include a plurality of battery packs. After using the electric vehicle, the voltage of one cell of the battery may be 3.6V or about 4V, and the voltage of one battery pack may be about 80V.
재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템(100)은 팩 충전기(110), 셀 이퀄라이저(120), 배터리 모니터링 장치(Battery Monitoring IC, BMIC; 130), 연산장치 (micro controller unit, MCU; 140), 및 제1 스위치 매트릭스(SM), 제2 스위치 매트릭스(SR)를 포함할 수 있다.The SOC random alignment system 100 of a reused battery includes a pack charger 110, a cell equalizer 120, a battery monitoring device (Battery Monitoring IC, BMIC; 130), an arithmetic unit (micro controller unit, MCU; 140), and A first switch matrix S M and a second switch matrix S R may be included.
팩 충전기(110)는 외부 전원으로부터 배터리 팩(PACK)을 충전 또는 방전하는 양방향 직류변환장치일 수 있다. 팩 충전기(110)는 배터리 팩(PACK)에 포함된 복수의 배터리 셀들(B1~Bn)을 동시에 충전하거나 또는 방전할 수 있다. 따라서, SOC 정렬 프로세스의 속도를 높일 수 있고, 배터리 셀의 SOC 레벨을 목표 SOC 레벨로 재조정할 수 있다. 팩 충전기(110)는 셀 이퀄라이저(120)의 동작에 따라 배터리 팩(PACK)에 일정한 전류를 충전하거나, 방전할 수도 있다. 이 경우 충전 전류는 양의 전류로 방전 전류는 음의 전류로 정의한다. The pack charger 110 may be a bidirectional DC converter that charges or discharges the battery pack PACK from an external power source. The pack charger 110 may simultaneously charge or discharge the plurality of battery cells B1 to Bn included in the battery pack PACK. Accordingly, the speed of the SOC alignment process may be increased, and the SOC level of the battery cell may be readjusted to a target SOC level. The pack charger 110 may charge or discharge the battery pack PACK with a constant current according to the operation of the cell equalizer 120 . In this case, the charge current is defined as a positive current and the discharge current as a negative current.
셀 이퀄라이저(120)는 배터리 팩(PACK)으로부터 배터리 셀들(B1~Bn) 중 하나의 배터리 셀로 전하를 전송하는 단방향 DC-DC 컨버터일 수 있다. 일례로, 셀 이퀄라이저(120)는 하나의 배터리 셀만 일정한 전류로 충전할 수 있는 정전류형 충전기일 수 있으며, 셀 이퀄라이저(120)에 의해 배터리 셀들(B1~Bn)이 균등화될 수 있다. 셀 이퀄라이저(120)의 출력 단자쌍은 배터리 팩(PACK)과 연결될 수 있고, 셀 이퀄라이저(120)의 입력 단자쌍은 제1 스위치 매트릭스(SM1~SM(n+1))와 제2 스위치 매트릭스(SR1~SR4)를 통해 배터리 셀들(B1~Bn) 중 하나의 배터리 셀과 연결될 수 있다.The cell equalizer 120 may be a unidirectional DC-DC converter that transfers charge from the battery pack PACK to one of the battery cells B1 to Bn. For example, the cell equalizer 120 may be a constant current type charger capable of charging only one battery cell with a constant current, and the battery cells B1 to Bn may be equalized by the cell equalizer 120 . A pair of output terminals of the cell equalizer 120 may be connected to the battery pack PACK, and a pair of input terminals of the cell equalizer 120 may be connected to the first switch matrix S M1 to S M(n+1) and the second switch. It may be connected to one of the battery cells B1 to Bn through the matrices S R1 to S R4 .
BMIC(130)는 개별 배터리 셀들(B1~Bn)의 개방 회로 전압(Vbat)을 항상 모니터링할 수 있다. BMIC(130)는 배터리 셀들(B1~Bn)의 개방 회로 전압(Vbat)을 출력할 수 있다.The BMIC 130 may always monitor open circuit voltages Vbat of individual battery cells B1 to Bn. The BMIC 130 may output open circuit voltages Vbat of the battery cells B1 to Bn.
MCU(140)는 BMIC(130)로 개별 배터리 셀들(B1~Bn)의 개방 회로 전압(Vbat)을 출력하라는 명령(CMD)을 전송할 수 있다. MCU(140)는 BMIC(130)로부터 배터리 셀들(B1~Bn)의 개방 회로 전압(Vbat)을 입력 받을 수 있다. MCU(140)는 배터리 셀들(B1~Bn)의 개방 회로 전압(Vbat)을 이용하여 배터리 충전량에 해당하는 SOC 레벨을 배터리 셀들(B1~Bn)마다 분석할 수 있다. MCU(140)는 분석 결과에 기초하여 선택 신호들(SEL1, SEL2)을 생성하고, 출력할 수 있다. The MCU 140 may transmit a command CMD to output the open circuit voltage Vbat of the individual battery cells B1 to Bn to the BMIC 130 . The MCU 140 may receive open circuit voltages Vbat of the battery cells B1 to Bn from the BMIC 130 . The MCU 140 may analyze the SOC level corresponding to the battery charge amount for each of the battery cells B1 to Bn using the open circuit voltage Vbat of the battery cells B1 to Bn. The MCU 140 may generate and output selection signals SEL1 and SEL2 based on the analysis result.
제1 스위치 매트릭스(SM)와 제2 스위치 매트릭스(SR)는 셀 이퀄라이저(120)의 입력 단자쌍(121)과 배터리 셀들(B1~Bn) 사이에 연결될 수 있다. 제1 스위치 매트릭스(SM)와 제2 스위치 매트릭스(SR)는 배터리 셀들(B1~Bn) 중 하나의 배터리 셀을 선택하고, 선택된 배터리 셀을 셀 이퀄라이저(120)의 출력 단자쌍(122)에 연결할 수 있다. 제1 스위치 매트릭스(SM)는 복수의 제1 스위치들(SM1~SM(n+1))을 포함할 수 있고, 제2 스위치 매트릭스(SR)는 복수의 제2 스위치들(SR1~SR4)을 포함할 수 있다. 일례로, 배터리 셀들(B1~Bn)의 개수가 n개일 때, 제1 스위치들의 개수는 n+1개일 수 있고, 제2 스위치들의 개수는 4개일 수 있다. 제1 스위치 매트릭스(SM)와 제2 스위치 매트릭스(SR)의 구성은 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템에서 스위치들의 개수를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.The first switch matrix S M and the second switch matrix S R may be connected between the input terminal pair 121 of the cell equalizer 120 and the battery cells B1 to Bn. The first switch matrix S M and the second switch matrix S R select one battery cell from among the battery cells B1 to Bn, and use the selected battery cell as a pair of output terminals 122 of the cell equalizer 120. can be connected to The first switch matrix S M may include a plurality of first switches S M1 to S M(n+1) , and the second switch matrix S R may include a plurality of second switches S R1 ~ S R4 ) may be included. For example, when the number of battery cells B1 to Bn is n, the number of first switches may be n+1 and the number of second switches may be four. The configuration of the first switch matrix S M and the second switch matrix S R has an effect of reducing the number of switches in the SOC random arrangement system of the reusable battery.
제1 선택 신호(SEL1)는 제1 스위치 매트릭스(SM)의 스위칭 패턴을 결정할 수 있고, 제2 선택 신호(SEL2)는 제2 스위치 매트릭스(SR)의 스위칭 패턴을 결정할 수 있다. 제1 스위치 매트릭스(SM)는 제1 선택 신호(SEL1)에 응답하여 배터리 셀들(B1~Bn) 중 하나의 배터리 셀을 선택할 수 있고, 제2 스위치 매트릭스(SR)는 제2 선택 신호(SEL2)에 응답하여 선택된 배터리 셀의 방향을 결정할 수 있다. 일례로, 제1 배터리 셀(B1)을 셀 이퀄라이저(120)의 출력 단자쌍(122)에 연결하기 위해서, 제1 선택 신호(SEL1)에 응답하여 제1 스위치 중 일부(SM1, SM2)가 턴 온 될 수 있고, 제2 선택 신호(SEL2)에 응답하여 제2 스위치 중 일부(SR1, SR4)가 턴 온 될 수 있다. The first selection signal SEL1 may determine the switching pattern of the first switch matrix S M , and the second selection signal SEL2 may determine the switching pattern of the second switch matrix S R . The first switch matrix S M may select one of the battery cells B1 to Bn in response to the first selection signal SEL1, and the second switch matrix S R may select one battery cell from among the battery cells B1 to Bn in response to the first selection signal SEL1. In response to SEL2), the direction of the selected battery cell may be determined. For example, in order to connect the first battery cell B1 to the output terminal pair 122 of the cell equalizer 120, some of the first switches S M1 and S M2 in response to the first selection signal SEL1 may be turned on, and some of the second switches S R1 and S R4 may be turned on in response to the second selection signal SEL2.
재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템(100)은 활성화 스위치(Sen)를 더 포함할 수 있다. 활성화 스위치(Sen)는 비상상황에서 셀 이퀄라이저(120)로 입력되는 전류를 차단하기 위한 스위치일 수 있다. 활성화 스위치(Sen)는 MCU(140)로부터 출력되는 활성화 신호(EN)에 응답하여 제어될 수 있다. The SOC arbitrary alignment system 100 of the reusable battery may further include an activation switch Sen. The activation switch Sen may be a switch for blocking current input to the cell equalizer 120 in an emergency situation. The activation switch Sen may be controlled in response to an activation signal EN output from the MCU 140 .
본 발명의 일 실시예에 따르면, MCU(140)는 배터리 셀들(B1~Bn)의 초기 SOC 레벨에 기초하여 배터리 셀들(B1~Bn)을 정렬할 수 있다. 일례로, MCU(140)는 배터리 셀들(B1~Bn)의 초기 SOC 레벨의 오름차순으로 배터리 셀들(B1~Bn)을 정렬할 수 있다. 초기 SOC 레벨이 낮을수록 해당 배터리 셀에 충전되는 전하량이 많아져야 하므로, MCU(140)는 배터리 셀의 초기 SOC 레벨이 낮을수록 상기 배터리 셀이 셀 이퀄라이저(120)에 연결되는 시간이 길어지도록 선택 신호들(SEL1, SEL2)을 생성할 수 있다. MCU(140)는 배터리 셀들(B1~Bn)의 초기 SOC 레벨에 기초하여, 제1 스위치 매트릭스(SM)와 제2 스위치 매트릭스(SR)에 포함된 스위치들이 턴 온 되는 시간을 조절함으로써 배터리 셀이 셀 이퀄라이저(120)에 연결되는 시간을 조절할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the MCU 140 may sort the battery cells B1 to Bn based on the initial SOC levels of the battery cells B1 to Bn. For example, the MCU 140 may arrange the battery cells B1 to Bn in ascending order of initial SOC levels of the battery cells B1 to Bn. Since the lower the initial SOC level, the greater the amount of charge to be charged in the corresponding battery cell, the MCU 140 generates a selection signal so that the connection time of the battery cell to the cell equalizer 120 increases as the initial SOC level of the battery cell decreases. SEL1 and SEL2 may be generated. The MCU 140 adjusts the turn-on time of the switches included in the first switch matrix S M and the second switch matrix S R based on the initial SOC levels of the battery cells B1 to Bn, thereby controlling the battery life. The time during which cells are connected to the cell equalizer 120 can be adjusted.
도 2a와 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 회로도들이다.2A and 2C are circuit diagrams for explaining the operating principle of the SOC random alignment system for reusable batteries according to an embodiment of the present invention.
먼저, 도 2a는 팩 충전기(110)는 동작하고, 셀 이퀄라이저(120)는 동작하지 않을 때의 동작을 설명한다, 이때 팩 충전기는 제어신호(CTRL)에 의해서 활성화된 반면, 제1 선택 신호(SEL1) 및 제2 선택 신호(SEL1)에 의해 제1 스위치 매트릭스(SM)와 제2 스위치 매트릭스(SR)에 포함된 스위치들이 모두 턴 오프 되는 상태가 된다. 도 1과 도 2a를 함께 참조하여 상술하면, 팩 충전기(110)는 정전류인 팩 충전기 전류(Ic)로 전체 배터리 팩(PACK)을 직접 충전 또는 방전할 수 있다. 팩 충전기 전류(Ic)는 배터리 팩(PACK)에 포함된 배터리 셀들(B1~Bn)으로 동시에 에너지를 공급하거나, 배터리 팩(PACK)에 포함된 배터리 셀들(B1~Bn)의 에너지를 동시에 방출하기 위한 전류일 수 있다. 따라서, 팩 충전기(110)는 전체 배터리 팩(PACK)의 SOC 레벨을 조절할 수 있다. First, FIG. 2A describes an operation when the pack charger 110 operates and the cell equalizer 120 does not operate. At this time, the pack charger is activated by the control signal CTRL, while the first selection signal ( All switches included in the first switch matrix S M and the second switch matrix S R are turned off by the SEL1) and the second selection signal SEL1. Referring to FIGS. 1 and 2A together, the pack charger 110 can directly charge or discharge the entire battery pack PACK with the pack charger current Ic, which is a constant current. The pack charger current Ic is used to simultaneously supply energy to the battery cells B1 to Bn included in the battery pack PACK or simultaneously release energy from the battery cells B1 to Bn included in the battery pack PACK. It may be a current for Accordingly, the pack charger 110 may adjust the SOC level of the entire battery pack PACK.
제어 신호(CTRL)는 팩 충전기(110)를 팩 충전기 처리 시간 동안 활성화시키기 위한 활성화 신호일 수 있다. 또한, 제어 신호(CTRL)에 응답하여 팩 충전기(110)는 팩 충전기 전류(Ic)의 방향을 바꿀 수 있다. 다시 말해, 팩 충전기(110)는 제어 신호(CTRL)에 응답하여 전체 배터리 팩(PACK)으로 에너지를 공급하거나, 전체 배터리 팩(PACK)의 에너지를 방출할 수 있다. The control signal CTRL may be an activation signal for activating the pack charger 110 during the pack charger processing time. Also, in response to the control signal CTRL, the pack charger 110 may change the direction of the pack charger current Ic. In other words, the pack charger 110 may supply energy to the entire battery pack PACK or discharge energy from the entire battery pack PACK in response to the control signal CTRL.
MCU(140)는 전체 배터리 팩(PACK)의 가용 용량을 파악하고, 전체 배터리 팩(PACK)을 충전 또는 방전하는데 필요한 용량을 계산할 수 있다. MCU(140)는 계산 결과에 기초하여 제어 신호(CTRL)를 생성하고 출력할 수 있다.The MCU 140 may determine the available capacity of the entire battery pack PACK and calculate the capacity required to charge or discharge the entire battery pack PACK. The MCU 140 may generate and output a control signal CTRL based on the calculation result.
다음, 도 2b는 셀 이퀄라이저(120)는 동작하고, 팩 충전기(110)는 동작하지 않을 때의 동작을 설명한다. 이때, 제1 선택 신호(SEL1) 및 제2 선택 신호(SEL2)에 의해 제1 스위치 매트릭스(SM)와 제2 스위치 매트릭스(SR)에 포함된 스위치들이 상기 상술한 패턴으로 턴 온 되어 하나의 셀이 선택되고, 팩 충전기는 제어신호(CTRL)에 의해서 비활성화 된 상태가 된다. 도 1과 도 2b를 함께 참조하여 상술하면, 셀 이퀄라이저(120)의 입력 단자쌍(121)에 연결된 배터리 팩으로부터 에너지를 전달받아 출력 단자쌍(122)을 통해 미리 정해진 셀 밸런싱 전류(Ibal)를 출력할 수 있다. 이때, 셀 이퀄라이저(120)의 입력 단자쌍으로 흘러 들어가는 배터리 팩 방전전류를 Ip라고 정의하면, 선택된 셀에 흐르는 전류는 키르히호프의 전류법칙(Kirchoff's Current Law, KCL)에 의해 Ibal-Ip가 되고 선택되지 않은 나머지 셀에 흐르는 전류는 (-Ip)가 된다. 따라서, 제1 스위치 매트릭스(SM)와 제2 스위치 매트릭스(SR)를 통해 선택된 배터리 셀은 셀 밸런싱 전류(Ibal)를 통해 SOC 레벨이 조절될 수 있다. 이로 인해 배터리 셀들(B1~Bn) 간 SOC 차이를 균등화할 수 있다. 다시 말해, 셀 이퀄라이저(120)는 전체 배터리 팩(PACK)의 에너지를 개별 배터리 셀에 분배할 수 있다. Next, FIG. 2B describes an operation when the cell equalizer 120 operates and the pack charger 110 does not operate. At this time, the switches included in the first switch matrix S M and the second switch matrix S R are turned on in the above-described pattern by the first selection signal SEL1 and the second selection signal SEL2 to form one A cell of is selected, and the pack charger is deactivated by the control signal CTRL. Referring to FIGS. 1 and 2B together, energy is transferred from a battery pack connected to the input terminal pair 121 of the cell equalizer 120, and a predetermined cell balancing current Ibal is generated through the output terminal pair 122. can be printed out. At this time, if the battery pack discharge current flowing into the input terminal pair of the cell equalizer 120 is defined as Ip, the current flowing in the selected cell becomes Ibal-Ip by Kirchoff's Current Law (KCL) and the selected The current flowing in the remaining cells becomes (-Ip). Accordingly, the SOC level of the battery cells selected through the first switch matrix S M and the second switch matrix S R can be adjusted through the cell balancing current Ibal. Accordingly, SOC differences between the battery cells B1 to Bn may be equalized. In other words, the cell equalizer 120 may distribute the energy of the entire battery pack PACK to individual battery cells.
한편, 도 2c는 셀 이퀄라이저(120)와 팩 충전기(110)가 모두 동작하고 있는 보다 일반적인 경우의 동작원리를 설명한다, 이때, 제1 선택 신호(SEL1) 및 제2 선택 신호(SEL1)에 의해 제1 스위치 매트릭스(SM)와 제2 스위치 매트릭스(SR)에 포함된 스위치들이 상기 상술한 패턴으로 턴 온 되어 하나의 셀이 선택되고, 팩 충전기(110)는 제어신호(CTRL)에 의해서 활성화된 상태가 된다. 도 1과 도 2c를 함께 참조하여 상술하면, 셀 이퀄라이저(120)의 입력 단자쌍(121)에 연결된 배터리 팩(PACK)으로부터 에너지를 전달받아 출력 단자쌍(122)을 통해 미리 정해진 셀 밸런싱 전류(Ibal)를 출력할 수 있다. 또한, 팩 충전기(110)도 정해진 전류인 팩 충전기 전류(Ic)를 배터리 팩에 공급한다. 앞서 상술한 바와 같이, 셀 이퀄라이저의 입력 단자쌍(121)으로 흘러 들어가는 배터리 팩 방전전류를 Ip라고 정의하였기 때문에, 선택된 셀에 흐르는 전류는 키르히호프의 전류법칙(Kirchoff's Current Law, KCL)에 의해 Ibal-Ip+Ic가 되고 선택되지 않은 나머지 셀에 흐르는 전류는 -Ip+Ic가 된다. 따라서, 제1 스위치 매트릭스(SM)와 제2 스위치 매트릭스(SR)를 통해 선택된 배터리 셀은 팩 충전기 전류(Ic)와 셀 밸런싱 전류(Ibal)를 통해 SOC 레벨이 조절될 수 있다. 이로 인해 배터리 셀들(B1~Bn) 간 SOC 차이를 균등화할 수 있다. 다시 말해, 팩 충전기(110)와 셀 이퀄라이저(120)는 협업 제어하여 전체 배터리 팩(PACK)의 에너지를 개별 배터리 셀에 분배할 수 있다. Meanwhile, FIG. 2C describes an operation principle in a more general case in which both the cell equalizer 120 and the pack charger 110 are operating. At this time, by the first selection signal SEL1 and the second selection signal SEL1 The switches included in the first switch matrix S M and the second switch matrix S R are turned on in the above-described pattern to select one cell, and the pack charger 110 operates by the control signal CTRL. become activated. Referring to FIGS. 1 and 2C together, a predetermined cell balancing current ( Ibal) can be output. In addition, the pack charger 110 also supplies a predetermined current, the pack charger current Ic, to the battery pack. As described above, since the battery pack discharge current flowing into the input terminal pair 121 of the cell equalizer is defined as Ip, the current flowing in the selected cell is Ibal by Kirchoff's Current Law (KCL) -Ip+Ic and the current flowing to the remaining unselected cells becomes -Ip+Ic. Accordingly, the SOC level of the battery cells selected through the first switch matrix S M and the second switch matrix S R can be adjusted through the pack charger current Ic and the cell balancing current Ibal. Accordingly, SOC differences between the battery cells B1 to Bn may be equalized. In other words, the pack charger 110 and the cell equalizer 120 may distribute the energy of the entire battery pack PACK to individual battery cells through cooperative control.
셀 이퀄라이저(120)는 출력 단자쌍(122) 전류인 셀 밸런싱 전류(Ibal)를 일정하게 하기 위한 아날로그 컨트롤러(123)를 셀 이퀄라이저(120) 내부에 포함할 수 있다. 예컨대, 셀 이퀄라이저(120)는 듀티비 제어 내지는 주파수 제어 등을 통하여 셀 밸런싱 전류(Ibal)를 일정하게 할 수 있다. 아날로그 컨트롤러(123)는 셀 이퀄라이저(120) 외부에 존재할 수도 있다. The cell equalizer 120 may include an analog controller 123 inside the cell equalizer 120 to make the cell balancing current Ibal, which is the current of the output terminal pair 122, constant. For example, the cell equalizer 120 may make the cell balancing current Ibal constant through duty ratio control or frequency control. The analog controller 123 may exist outside the cell equalizer 120 .
본 발명의 일 실시예에 따르면, SOC 조정 과정에서 팩 충전기(110)와 셀 이퀄라이저(120)가 협동하여 동작함으로써 목표 SOC 레벨을 달성할 수 있다. 이로 인해, 배터리 셀들(B1~Bn)의 용량은 균등화될 수 있다. 배터리 셀들(B1~Bn)은 팩 충전기(110)와 셀 이퀄라이저(120)로부터 동시에 전류를 받을 수 있다. 충전 과정에서든 방전 과정에서든 두 전류의 합은 배터리의 허용한계 내에서 유지될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the target SOC level can be achieved by cooperatively operating the pack charger 110 and the cell equalizer 120 in the SOC adjustment process. Accordingly, capacities of the battery cells B1 to Bn may be equalized. The battery cells B1 to Bn may simultaneously receive current from the pack charger 110 and the cell equalizer 120 . Whether during charging or discharging, the sum of the two currents can be maintained within the battery's tolerance.
또한, 팩 충전기(110)와 셀 이퀄라이저(120)는 조정된 동작 알고리즘에 의해 동작할 수 있다. 다시 말해, 배터리 셀 밸런싱과 배터리 팩의 충전 또는 방전 과정이 동시에 수행될 수 있다. 따라서, 셀 밸런싱 시간을 최적화할 수 있다. Also, the pack charger 110 and the cell equalizer 120 may operate according to a coordinated operating algorithm. In other words, battery cell balancing and charging or discharging of the battery pack may be simultaneously performed. Therefore, the cell balancing time can be optimized.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 플로우차트이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 라 따라 각 셀의 개방 전압을 측정하여 셀의 SOC레벨을 계산할 수 있는 토대가 되는 셀 SOC 레벨과 셀 개방 전압(open circuit voltage, OCV) 간 매핑 곡선(SOC-OCV 곡선)이다.3 is a flowchart for explaining an operating method of an SOC random alignment system for a reusable battery according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a mapping curve (SOC-OCV curve) between the cell SOC level and the cell open circuit voltage (OCV), which is the basis for calculating the SOC level of .
먼저 도 1과 도 3을 함께 참조하면, 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템의 동작 방법은 충전 전략 수립 동작(S110~S170)과 셀 밸런싱 수행 동작(S180)을 포함할 수 있다. First, referring to FIGS. 1 and 3 together, the operating method of the SOC random alignment system of the reusable battery may include a charging strategy establishment operation (S110 to S170) and a cell balancing operation (S180).
BMIC(130)는 초기에 배터리 셀들의 개방 회로 전압(Vbat)을 측정할 수 있다(S110).The BMIC 130 may initially measure the open circuit voltages (Vbat) of the battery cells (S110).
MCU(140)는 BMIC(130)로부터 배터리 셀들의 개방 회로 전압(Vbat)을 수신할 수 있다. MCU(140)는 배터리의 기 설정된 셀 SOC 레벨과 셀 개방 전압 간 매핑 곡선(SOC-OCV 곡선) (도 4 참조)을 이용하여 배터리 셀들의 개방 회로 전압(Vbat)에 대응하는 초기 SOC 레벨을 결정할 수 있다(S120). The MCU 140 may receive open circuit voltages Vbat of battery cells from the BMIC 130 . The MCU 140 determines the initial SOC level corresponding to the open circuit voltage (Vbat) of the battery cells using a mapping curve (SOC-OCV curve) between the preset cell SOC level and the open cell voltage of the battery (see FIG. 4). It can (S120).
MCU(140)는 배터리 셀들(B1~Bn)의 초기 SOC 레벨의 오름차순으로 배터리 셀들(B1~Bn)을 서열화(ordering) 및 색인화(indexing)할 수 있다(S130). 또한, MCU(140)는 전체 SOC 레벨의 평균값을 계산할 수 있다(S130). 충전 전략 수립 동작 이 후 셀 밸런싱 수행 동작에서 배터리 셀들(B1~Bn)은 상기 정렬 순서로 상기 셀 밸런싱 동작이 수행될 수 있다.The MCU 140 may order and index the battery cells B1 to Bn in ascending order of initial SOC levels of the battery cells B1 to Bn (S130). Also, the MCU 140 may calculate an average value of all SOC levels (S130). In a cell balancing operation after the charging strategy establishment operation, the cell balancing operation may be performed on the battery cells B1 to Bn in the sorting order.
MCU(140)는 셀 밸런싱 동작의 전체 처리 시간을 계산할 수 있다(S140). 상기 전체 처리 시간은 팩 충전기의 처리시간(tc)와 배터리 셀들(B1~Bn) 각각에 대한 셀 이퀄라이저의 처리 시간(ti)(단, i는 서열서열번호로 1에서 n까지의 정수를 가진다. 여기서 1은 가장 서열이 높은 셀이며, n은 직렬 연결된 셀의 개수로서 가장 서열이 낮은 셀을 나타낸다.)을 모두 합한 값일 수 있다(S140). 충전 전략 수립 동작 이 후 셀 밸런싱 수행 동작에서 배터리 셀들(B1~Bn)은 상기 서열 순서로 셀 이퀄라이저(120)의 출력 단자쌍(122)에 하나씩 연결될 수 있고, 셀 이퀄라이저(120)의 출력 단자쌍(122)에 연결된 배터리 셀은 해당 배터리 셀에 대한 셀 이퀄라이저(120)의 처리 시간 동안 충전될 수 있다. The MCU 140 may calculate the total processing time of the cell balancing operation (S140). The total processing time is the processing time (tc) of the pack charger and the processing time (ti) of the cell equalizer for each of the battery cells (B1 to Bn) (where i is a sequence number and has an integer from 1 to n). Here, 1 represents a cell with the highest sequence, and n represents a cell with the lowest sequence as the number of cells connected in series.) (S140). In the cell balancing operation after the charging strategy establishment operation, the battery cells B1 to Bn may be connected one by one to the output terminal pair 122 of the cell equalizer 120 in the above sequential order, and the output terminal pair of the cell equalizer 120 The battery cell connected to 122 may be charged during the processing time of the cell equalizer 120 for the corresponding battery cell.
다시 말해, 상기 충전 전략에 기초하여 제1 스위치 매트릭스(SM)와 제2 스위치 매트릭스(SR)의 스위칭 패턴이 결정될 수 있다. 또한, 배터리 셀이 충전되는 시간이 길수록 배터리 셀에 충전되는 전하량이 늘어난다. 따라서, MCU(140)는 SOC 레벨이 상대적으로 낮은 배터리 셀에 대한 셀 이퀄라이저의 처리 시간은 상대적으로 길게 설정하고, SOC 레벨이 상대적으로 높은 배터리 셀에 대한 셀 이퀄라이저의 처리 시간은 상대적으로 짧게 설정할 수 있다. In other words, the switching patterns of the first switch matrix S M and the second switch matrix S R may be determined based on the charging strategy. In addition, as the charging time of the battery cell increases, the amount of charge charged in the battery cell increases. Accordingly, the MCU 140 may set a relatively long processing time of the cell equalizer for a battery cell having a relatively low SOC level and a relatively short processing time of the cell equalizer for a battery cell having a relatively high SOC level. there is.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 처리 시간을 계산하는 방법을 설명하기 위한 그래프들이다.5 to 7 are graphs for explaining a method of calculating a processing time according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, x-축은 현재 정렬된 배터리 셀들(B1~Bn)의 물리적인 셀 연결 순서를 나타내는 배터리 셀 번호를 나타내고, y-축은 대응하는 배터리 셀들(B1~Bn)의 SOC 레벨(%)을 나타낸다. SOC 레벨은 배터리 셀들(B1~Bn)의 개방 회로 전압(Vbat)에 대응하는 초기 SOC 레벨을 의미할 수 있다.Referring to FIG. 5 , the x-axis represents the battery cell number indicating the physical cell connection order of the currently aligned battery cells B1 to Bn, and the y-axis represents the SOC level (%) of the corresponding battery cells B1 to Bn. ). The SOC level may mean an initial SOC level corresponding to the open circuit voltage Vbat of the battery cells B1 to Bn.
도 6을 참조하면, x-축은 SOC 레벨의 오름차순으로 서열화한 배터리 셀들(B1~Bn)의 서열번호를 나타내고, y-축은 대응하는 배터리 셀들(B1~Bn)의 SOC 레벨(%)을 나타낸다. 배터리 셀들(B1~Bn)은 SOC 레벨이 낮은 것부터 큰 것 순서대로 서열화(ordering) 및 색인화(indexing)될 수 있다. 여기서 각 셀들의 초기 SOC레벨의 상태에 따라 통상적으로 배터리 셀 번호와 서열번호는 다를 수 있음을 강조한다.Referring to FIG. 6 , the x-axis represents the sequence numbers of battery cells B1 to Bn, which are sequenced in ascending order of SOC level, and the y-axis represents the SOC level (%) of the corresponding battery cells B1 to Bn. The battery cells B1 to Bn may be ordered and indexed in order of SOC levels from low to high. Here, it is emphasized that the battery cell number and sequence number may be different depending on the state of the initial SOC level of each cell.
도 7을 참조하면, x-축은 SOC 레벨의 오름차순으로 서열화한 배터리 셀들(B1~Bn)의 서열번호를 나타내고, y-축은 대응하는 배터리 셀들의 셀 이퀄라이저 처리 시간(ti)을 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이 SOC 레벨이 상대적으로 낮은 배터리 셀의 충전 시간은 상대적으로 길게 설정될 수 있고, SOC 레벨이 상대적으로 높은 배터리 셀의 충전 시간은 상대적으로 짧게 설정될 수 있다.Referring to FIG. 7 , the x-axis represents the sequence numbers of battery cells (B1 to Bn) sequenced in ascending order of SOC level, and the y-axis represents the cell equalizer processing time (ti) of the corresponding battery cells. As shown in FIG. 7 , a charging time of a battery cell having a relatively low SOC level may be set relatively long, and a charging time of a battery cell having a relatively high SOC level may be set relatively short.
다시 도 1과 도 3을 함께 참조하면, MCU(140)는 목표 SOC와 평균 SOC를 비교하고, 비교의 결과에 따라 팩 충전기(110)로부터 출력되는 팩 충전기 전류의 방향을 결정할 수 있다.Referring again to FIGS. 1 and 3 , the MCU 140 may compare the target SOC and the average SOC, and determine the direction of the pack charger current output from the pack charger 110 according to the comparison result.
구체적으로, MCU(140)는 목표 SOC와 평균 SOC를 비교할 수 있다(S150). 목표 SOC가 평균 SOC보다 낮으면(S150의 YES), 배터리 팩(PACK)에 포함된 배터리 셀들(B1~Bn)의 전체 에너지를 방출해야 한다. 따라서, MCU(140)는 팩 충전기 전류(Ic)의 방향을 제1 방향(예컨대, 음의 방향)으로 설정하도록 제어 신호(CTRL)를 생성할 수 있다(S160). 충전 전략 수립 동작 이 후 셀 밸런싱 수행 동작에서 팩 충전기(110)는 제어 신호(CTRL)에 응답하여 배터리 팩(PACK)에 포함된 배터리 셀들(B1~Bn)의 에너지를 동시에 방출할 수 있다. Specifically, the MCU 140 may compare the target SOC and the average SOC (S150). If the target SOC is lower than the average SOC (YES in S150 ), all energies of the battery cells B1 to Bn included in the battery pack PACK should be discharged. Accordingly, the MCU 140 may generate a control signal CTRL to set the direction of the pack charger current Ic to the first direction (eg, negative direction) (S160). In a cell balancing operation after the charging strategy establishment operation, the pack charger 110 may simultaneously discharge energy of the battery cells B1 to Bn included in the battery pack PACK in response to the control signal CTRL.
목표 SOC가 평균 SOC보다 높으면(S150의 NO), 배터리 팩(PACK)에 포함된 배터리 셀들(B1~Bn)의 전체에 에너지를 공급해야 한다. 따라서, MCU(140)는 팩 충전기(100)는 팩 충전기 전류(Ic)의 방향을 제2 방향(예컨대, 양의 방향)으로 설정하도록 제어 신호(CTRL)를 생성할 수 있다(S170). 충전 전략 수립 동작 이 후 셀 밸런싱 수행 동작에서 팩 충전기(100)는 제어 신호(CTRL)에 응답하여 배터리 팩(PACK)에 포함된 배터리 셀들(B1~Bn)로 동시에 에너지를 공급할 수 있다.If the target SOC is higher than the average SOC (NO in S150 ), energy must be supplied to all of the battery cells B1 to Bn included in the battery pack PACK. Therefore, the MCU 140 may generate the control signal CTRL to set the direction of the pack charger current Ic to the second direction (eg, positive direction) of the pack charger 100 (S170). In a cell balancing operation after the charging strategy establishment operation, the pack charger 100 may simultaneously supply energy to the battery cells B1 to Bn included in the battery pack PACK in response to the control signal CTRL.
팩 충전기 전류(Ic)의 방향 설정이 완료되면, 셀 밸런싱 동작이 수행될 수 있다(S180). 셀 밸런싱 동작은 전체 처리 시간 동안 상기 정렬된 순서로 수행될 수 있다. 전체 처리 시간 동안 배터리 셀들(B1~Bn)은 정렬된 순서대로 셀 이퀄라이저(120)의 출력 단자쌍(122)에 하나씩 연결될 수 있고, 팩충전기의 동작은 전체 처리 시간의 마지막에 배치한 팩 충전기의 처리 시간 동안 수행될 수 있다. 알고리즘의 선정에 따라 마지막 배터리 셀의 셀 이퀄라이저 처리 시간은 0초일 수 있다. 따라서, 실질적으로 (n-1)개의 셀 밸린싱 동작 단계(t1~t(n-1))와 하나의 팩 충전기 동작단계(tc)를 고려한다면, 배터리의 SOC를 재정렬하는데 총 n개의 단계만 필요하며, 여기서, n은 배터리 팩(PACK)에 포함된 배터리 셀들의 총 개수를 의미한다.When the direction setting of the pack charger current Ic is completed, a cell balancing operation may be performed (S180). Cell balancing operations may be performed in the above sorted order during the entire processing time. During the entire processing time, the battery cells (B1 to Bn) may be connected to the output terminal pair 122 of the cell equalizer 120 one by one in the sorted order, and the operation of the pack charger is performed by the pack charger placed at the end of the entire processing time. It can be done during processing time. Depending on the selection of the algorithm, the cell equalizer processing time of the last battery cell may be 0 seconds. Therefore, considering substantially (n-1) cell balancing operation steps (t1 to t(n-1)) and one pack charger operation step (tc), a total of n steps are required to rearrange the SOC of the battery. required, where n means the total number of battery cells included in the battery pack PACK.
셀 밸런싱 동작이 종료되면, 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템의 동작은 종료된다.When the cell balancing operation is finished, the operation of the SOC random alignment system of the reusable battery is finished.
이하에서는, 팩 충전기의 처리 시간(tc)과 임의의 서열번호 i-번째 배터리 셀에 대한 셀 이퀄라이저의 처리 시간(ti, i=1~n)을 계산하는 과정을 설명하기로 한다.Hereinafter, a process of calculating the processing time (tc) of the pack charger and the processing time (ti, i = 1 to n) of the cell equalizer for the i-th battery cell of SEQ ID NO will be described.
모든 배터리 셀들이 동일한 공칭 용량을 갖는다고 가정하면, 배터리 셀의 가용 용량(Q(t))은 하기의 [수학식 1]과 같이 정의될 수 있다.Assuming that all battery cells have the same nominal capacity, the available capacity (Q(t)) of the battery cell may be defined as Equation 1 below.
Figure PCTKR2022018693-appb-img-000001
Figure PCTKR2022018693-appb-img-000001
여기서 Qnom은 각 배터리 셀의 공칭 용량을 의미할 수 있다.Here, Qnom may mean the nominal capacity of each battery cell.
배터리 셀의 SOC는 공칭용량 대비 가용용량의 비를 의미하므로, 상기의 [수학식 1]을 통해 다음과 같이 [수학식 2]로 나타낼 수 있다.Since the SOC of a battery cell means the ratio of available capacity to nominal capacity, it can be expressed as [Equation 2] as follows through [Equation 1] above.
Figure PCTKR2022018693-appb-img-000002
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SOC 임의 정렬 프로세스의 각 단계에서, 셀 이퀄라이저(120)는 개별 배터리 셀로 일정한 전류를 제공하여 배터리 셀의 용량을 증가시킬 수 있다. 이로 인해, 배터리 셀들 간 SOC 레벨의 균형을 유지할 수 있다. At each step of the SOC randomization process, the cell equalizer 120 may provide a constant current to individual battery cells to increase the capacity of the battery cells. Due to this, it is possible to maintain a balance of SOC levels between battery cells.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 이퀄라이저(120)의 셀 밸런싱 동작을 설명하기 위한 회로도이다. 셀 이퀄라이저(120)의 출력 전류인 셀 밸런싱 전류(Ibal)가 도 8에 도시된 바와 같이 단극이고 일정하게 유지된다고 가정하면, 셀 이퀄라이저(120)의 입력 단자쌍(121)에 흐르는 전류(Ip)는 하기의 [수학식 3]과 같이 결정될 수 있다.8 is a circuit diagram for explaining a cell balancing operation of the cell equalizer 120 according to an embodiment of the present invention. Assuming that the cell balancing current Ibal, which is the output current of the cell equalizer 120, is unipolar and maintained constant as shown in FIG. 8, the current Ip flowing through the input terminal pair 121 of the cell equalizer 120 Can be determined as in [Equation 3] below.
Figure PCTKR2022018693-appb-img-000003
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여기서, vi는 서열번호 i-번째 배터리 셀의 전압을 의미하고, Vpack은 배터리 팩의 전압을 의미하며, η는 셀 이퀄라이저(120)의 전력변환효율을 의미한다. Here, vi denotes the voltage of the i-th battery cell of sequence number, Vpack denotes the voltage of the battery pack, and η denotes the power conversion efficiency of the cell equalizer 120 .
팩 충전기 전류(Ic)가 일정하다고 가정하면, 서열번호 i-번째 배터리 셀을 통해 흐르는 실제 전류 Ii는 하기의 [수학식 4]와 같이 주어진다. 이는 그림 2c에 도식적으로 기술한 바 있다.Assuming that the pack charger current Ic is constant, the actual current Ii flowing through the i-th battery cell of SEQ ID NO is given by Equation 4 below. This has been illustrated schematically in Figure 2c.
Figure PCTKR2022018693-appb-img-000004
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이때, 나머지 배터리 셀들에 흐르는 전류는 하기의 [수학식 5]와 같이 계산될 수 있다. 이 또한 그림 2c에 도식적으로 기술한 바 있다.At this time, the current flowing through the remaining battery cells may be calculated as in [Equation 5] below. This is also illustrated schematically in Figure 2c.
Figure PCTKR2022018693-appb-img-000005
Figure PCTKR2022018693-appb-img-000005
배터리의 안전을 위해서, 배터리 셀을 통해 흐르는 실제 전류는 데이터 시트의 최대 허용 전류 레벨보다 낮아야 한다. For battery safety, the actual current flowing through the battery cell must be less than the maximum allowable current level in the data sheet.
각 배터리 셀의 남은 용량은 하기의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.The remaining capacity of each battery cell can be expressed as in [Equation 6] below.
Figure PCTKR2022018693-appb-img-000006
Figure PCTKR2022018693-appb-img-000006
여기서 Qnom은 각 배터리 셀의 공칭 용량을 의미하고, SOCi는 서열번호 i-번째 배터리 셀의 개별 SOC 레벨을 의미한다. Here, Qnom means the nominal capacity of each battery cell, and SOCi means the individual SOC level of the i-th battery cell of SEQ ID NO.
[수학식 7]과 같이, OCVi 정보를 이용하여 서열번호 i-번째 배터리 셀의 초기 SOC 레벨을 추정할 수 있다. 여기서 f는 SOC-OCV 곡선에 의한 매핑 함수를 나타낸다.As shown in [Equation 7], the initial SOC level of the i-th battery cell of SEQ ID NO: may be estimated using OCVi information. where f represents the mapping function by the SOC-OCV curve.
Figure PCTKR2022018693-appb-img-000007
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ti 시간 후 서열번호 i-번째 배터리 셀의 SOC 레벨은 하기의 [수학식 8]과 같이 주어진다.After time ti, the SOC level of the i-th battery cell of SEQ ID NO is given by Equation 8 below.
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여기서, 배터리 자체에서의 에너지 손실이 발생하지 않는 이상적인 조건 하에서, 셀 밸런싱 이후 SOC 레벨은 초기 SOC 레벨들의 평균이다. 배터리 셀들의 초기 SOC 레벨들의 평균(SOCinit_avg)은 하기의 [수학식 9]와 같이 주어진다. Here, under an ideal condition in which energy loss in the battery itself does not occur, the SOC level after cell balancing is an average of initial SOC levels. The average (SOCinit_avg) of the initial SOC levels of the battery cells is given by Equation 9 below.
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여기서, 셀 이퀄라이저(120)에서 생기는 회로손실을 나타내는 셀 이퀄라이저(120)의 전력변환효율(η)을 고려하면, 셀 밸런싱이 종료된 후의 평균 SOC레벨은 초기 SOC의 평균보다 낮아지게 된다. 그 차이를 등가 SOC손실(SOCL)로 정의한다면, 등가 SOC 손실은 하기의 [수학식 10]과 같이 추정된다.Here, considering the power conversion efficiency η of the cell equalizer 120 representing the circuit loss generated by the cell equalizer 120, the average SOC level after cell balancing is finished becomes lower than the average of the initial SOC. If the difference is defined as an equivalent SOC loss (SOC L ), the equivalent SOC loss is estimated as shown in Equation 10 below.
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여기서, ttotal은 하기의 [수학식 11]과 같이 셀 이퀄라이징 단계에서 소요되는 각 셀의 처리 시간의 합을 의미한다. Here, t total means the sum of processing times of each cell required in the cell equalizing step as shown in [Equation 11] below.
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이때, 팩 충전기는 상기의 SOC 손실을 추가적으로 보상하고, SOC 레벨을 목표 SOC 레벨인 SOCtarg으로 재정렬하므로, 팩 충전기의 처리 시간(tc)은 하기의 [수학식 12]와 같이 표현된다.At this time, since the pack charger additionally compensates for the SOC loss and realigns the SOC level to the target SOC level, SOCtarg, the processing time tc of the pack charger is expressed as in [Equation 12] below.
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여기서, 처리 시간(tc)이 양의 값을 가지면 팩 충전기 전류가 충전전류(양의 방향)로 동작해야 하고, 처리 시간(tc)이 음의 값을 가지면 팩 충전기 전류(Ic)의 극성을 반전시켜서 동작해야 한다.Here, if the processing time (tc) has a positive value, the pack charger current should operate as a charging current (positive direction), and if the processing time (tc) has a negative value, the polarity of the pack charger current (Ic) is reversed. have to make it work.
매시간 단계에서, 하나의 배터리 셀만 [수학식4]의 전류에 의해 충전되고, 다른 배터리 셀들은 [수학식5]의 전류의 음의 값에 의해서 방전될 수 있다. 즉, 팩 충전기 전류(Ic)는 배터리 셀들의 전체적인 SOC 레벨을 동시에 조절할 수 있다. 따라서, 전체 처리 시간 이후 첫번째 서열번호를 가진(즉, 오름차순 서열화의 경우 가장 SOC레벨이 작은) 배터리 셀에 대한 초기 SOC 레벨에서 목표 SOC 레벨로의 용량 변화는 하기의 [수학식 13]과 같이 계산된다.At every hour step, only one battery cell can be charged by the current of [Equation 4], and the other battery cells can be discharged by the negative value of the current of [Equation 5]. That is, the pack charger current Ic can simultaneously adjust the overall SOC level of the battery cells. Therefore, the change in capacity from the initial SOC level to the target SOC level for the battery cell having the first sequence number (ie, the smallest SOC level in the case of ascending sequencing) after the entire processing time is calculated as shown in [Equation 13] below do.
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마찬가지로, 일반적으로 i-번째 서열번호를 가진 배터리 셀에 대한 용량 변화는 하기의 [수학식 14]와 같이 주어진다.Similarly, in general, the change in capacity of the battery cell having the i-th sequence number is given by Equation 14 below.
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이 단계에서, 각 배터리 셀 및 팩 충전기에 대한 최적의 각 단계의 처리 시간(ti)을 얻기 위해서 다음과 같은 방법을 적용할 수 있다.In this step, the following method may be applied to obtain an optimal processing time ti of each step for each battery cell and pack charger.
즉, 상기의 [수학식 14]에서 각 단계의 처리 시간(ti)이 0보다 크거나 같을 때, [수학식11]과 [수학식12]를 통해 i-번째 서열번호를 가진 배터리 셀의 용량 변화는 하기의 [수학식 15]와 같이 나타낼 수 있다.That is, when the processing time ti of each step in [Equation 14] is greater than or equal to 0, the capacity of the battery cell having the i-th sequence number through [Equation 11] and [Equation 12] The change can be expressed as in [Equation 15] below.
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여기서, 셀 이퀄라이저 동작단계의 처리 시간의 합(ttotal)은 [수학식 11]에서 이미 정의된다. 따라서, 각 단계의 처리 시간(ti)은 [수학식 16]과 같이 재정리할 수 있다. Here, the sum of the processing times (t total ) of the cell equalizer operation steps is already defined in [Equation 11]. Therefore, the processing time ti of each step can be rearranged as in [Equation 16].
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이미 배터리 셀의 초기 SOC 레벨은 이미 서열화되어 순서대로 처리되므로, 각 단계의 처리 시간은 t1≥t2≥…≥tn이다. 이는 초기 SOC의 오름차순 서열화의 경우 서열번호 1번인 초기 SOC레벨이 가장 낮은 셀이 가장 오랜 시간 동안 밸런싱 되어야 하기 때문이다.Since the initial SOC levels of the battery cells have already been sequenced and processed in order, the processing time of each stage is t1≥t2≥... ≥tn. This is because, in the case of sequencing in ascending order of initial SOC, the cell with the lowest initial SOC level, which is SEQ ID NO: 1, must be balanced for the longest time.
도 9a와 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따라 계산된 처리 시간을 설명하기 위한 도면들이다. 9A and 9B are diagrams for explaining processing time calculated according to an embodiment of the present invention.
도 9a를 참조하면, 16-번째 단계부터 처리 시간(t16 내지는 t20)이 음의 값을 갖는다는 것은 물리적으로 불가능 하며, 대신 해당 셀 이퀄라이저(120)의 셀 밸런싱 전류가 반전되어야 타당하다. Referring to FIG. 9A , it is physically impossible for the processing time (t16 to t20) to have a negative value from the 16th step, and instead, the cell balancing current of the corresponding cell equalizer 120 should be inverted.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단방향 전류만 제공하는 셀 이퀄라이저(120)는 이러한 전류반전(음의 밸런싱 전류)을 제공하지 않으므로, 음의 처리 시간 문제를 해결하기 위해 시간 오프셋을 도입할 수도 있다. 다시 말해, 각 단계별 처리 시간을 동일한 값으로 더해주어 마지막 단계에 소요되는 시간(tn)을 0으로 함으로써, 나머지 모든 단계의 소요시간을 항상 0보다 크게 보정할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, since the cell equalizer 120 that provides only one-way current does not provide such current inversion (negative balancing current), a time offset may be introduced to solve the problem of negative processing time. . In other words, by adding the processing time of each step to the same value and setting the time tn required for the last step to 0, the time required for all other steps can always be corrected to be greater than 0.
도 9b는 상기 시간 오프셋을 봉해 조정된 단계별 처리시간을 나타낸다. 도 9b를 참조하면, tn은 0으로 설정된다면, 각 단계의 처리 시간(ti, i=1, 2, …,n)은 음의 값이 아니다. 다시 말하면, n-번째 서열번호를 가진 배터리 셀의 처리 시간(tn)은 하기의 [수학식 17]과 같이 계산될 수 있다.Figure 9b shows the step-by-step processing time adjusted by sealing the time offset. Referring to FIG. 9B, if tn is set to 0, the processing time of each step (ti, i = 1, 2, ..., n) is not a negative value. In other words, the processing time tn of the battery cell having the n-th sequence number can be calculated as shown in Equation 17 below.
Figure PCTKR2022018693-appb-img-000017
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여기서, tn=0으로 설정하면 전체 처리 시간(ttotal)은 하기의 [수학식 18]과 같이 나타낼 수 있다. Here, when tn = 0 is set, the total processing time (t total ) can be expressed as in [Equation 18] below.
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따라서, 상기 시간 오프셋을 도입한다면, [수학식 1], [수학식 16], 및 [수학식 18]로부터, 서열번호 i-번째 배터리 셀의 처리 시간(ti)은 최종적으로 하기의 [수학식 19]와 같이 유도된다.Therefore, if the time offset is introduced, from [Equation 1], [Equation 16], and [Equation 18], the processing time ti of the i-th battery cell of SEQ ID NO is finally 19].
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여기서, SOCmax(t0)는 배터리 셀의 최대 초기 SOC를 의미한다. 따라서, 각 배터리 셀의 n개 단계의 순차적인 충전은 상기의 [수학식 19]에 따라 목표 SOC 레벨로 SOC 조절을 달성할 수 있다. Here, SOCmax(t0) means the maximum initial SOC of the battery cell. Therefore, the sequential charging of each battery cell in n stages can achieve SOC adjustment to the target SOC level according to [Equation 19] above.
목표 SOC 레벨은 제1 내지 제3 SOC 레벨을 포함할 수 있다. 일례로, 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템은 다른 장소로의 안전한 운송을 위해 각 배터리 셀의 SOC 레벨을 제1 SOC 레벨(예컨대, 통상적으로 25% 이하)로 낮출 수 있다. 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템은 배터리의 유지보수(maintenance) 목적을 위해 제2 SOC 레벨(예컨대, 45%)에서 모든 셀을 균등화 할 수 있다. 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템은 배터리 팩의 거의 완전 충전을 위해 각 배터리 셀의 SOC 레벨을 제3 SOC 레벨(예컨대, 60%)로 조정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템은 목표 SOC의 자유도를 가질 수 있는 효과가 있다.The target SOC level may include the first to third SOC levels. As an example, the SOC random alignment system of reusable batteries may lower the SOC level of each battery cell to a first SOC level (eg, typically 25% or less) for safe transportation to another location. The SOC random alignment system of a reusable battery may equalize all cells at a second SOC level (eg, 45%) for the purpose of battery maintenance. The SOC arbitrary alignment system of the reusable battery may adjust the SOC level of each battery cell to a third SOC level (eg, 60%) for almost complete charging of the battery pack. According to one embodiment of the present invention, the SOC random alignment system of the reusable battery has the effect of having a degree of freedom of the target SOC.
종래의 개별 셀을 균등화하기 위한 종래의 방법들은 대부분 스위치 매트릭스를 이용한 이른바 최소 셀 균등화 방식을 택하고 있는데, 예를 들어 가장 낮은 SOC레벨의 배터리 셀을 인근 셀들을 방전시켜서 충전시키고, 다음 낮은 SOC 레벨의 셀을 다시 선택하여 동일한 단계를 반복한다. 배터리 셀들 간 SOC레벨의 차이가 목표 값에 도달할 때까지 배터리 셀들의 전압에 기초하여 충전패턴이 무질서하게 계속 변경되므로 불필요하고 중복적인 스위칭 패턴이 사용될 수 있으며, 최적의 동작시간을 얻을 수 없었다. 게다가 임의로 선정한 목표 SOC레벨에 도달하는 기능을 제공하지도 않는 문제점이 있어 SOC임의 정렬 목적이 부합하지 못한다.Conventional methods for equalizing individual cells in the prior art mostly adopt a so-called minimum cell equalization method using a switch matrix. Select the cell in again and repeat the same steps. Since the charging pattern continues to change randomly based on the voltage of the battery cells until the SOC level difference between the battery cells reaches a target value, unnecessary and redundant switching patterns may be used, and optimal operation time may not be obtained. In addition, there is a problem in that it does not provide a function to reach an arbitrarily selected target SOC level, which does not meet the purpose of SOC arbitrary alignment.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 초기 SOC 레벨을 기초로 배터리 셀들을 정렬하고, 셀 이퀄라이저(120)와 팩 충전기(110)가 서로 협동하여 배터리 셀의 SOC 레벨을 목표 SOC 레벨로 균등화하고 조정할 수 있다. 이때 각 셀을 위해서는 단 한번씩의 스위칭 패턴이 할당되고, 총 n번의 단계만으로 전체 프로세스가 종료된다. 다시 말해, 최적의 스위칭 패턴을 제공하여 회로의 전력 손실을 줄일 수 있고, 전체 처리 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 상기 [수학식19]는 반복 계산이 필요 없는 간단한 수식이므로 저가의 MCU로 손쉽게 구현이 가능하다.According to an embodiment of the present invention, the battery cells are aligned based on the initial SOC level, and the cell equalizer 120 and the pack charger 110 cooperate to equalize and adjust the SOC level of the battery cells to a target SOC level. there is. At this time, only one switching pattern is assigned to each cell, and the entire process is completed with a total of n steps. In other words, by providing an optimal switching pattern, the power loss of the circuit can be reduced and the overall processing time can be shortened. In addition, [Equation 19] is a simple formula that does not require repetitive calculation, so it can be easily implemented with a low-cost MCU.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 안정성을 설명하기 위한 도면들이다.10A to 10C are diagrams for explaining stability of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
셀 이퀄라이저(120)의 전체 처리 시간은 0초부터 ttotal(=t1+t2+…+tn)초일 수 있다. 전체 처리 시간을 최소화하기 위해, 팩 충전기 동작시간을 셀 이퀄라이저(120)의 동작과 겹쳐서 맨 앞부분인 제1 시간 구간(tc1)에 편성하거나, 중간 부분인 제1 시간 구간(tc1) 이후의 제2 시간 구간(tc2)에 편성하거나, 및 제2 시간 구간(tc2) 이후의 제3 시간 구간(tc3)에 편성할 수 있다. 예컨대, 제1 시간 구간(tc1)의 시작 시점은 0초일 수 있고, 제3 시간 구간(tc3)의 마지막 시점은 ttotal초일 수 있다. The total processing time of the cell equalizer 120 may be from 0 seconds to t total (=t1+t2+...+tn) seconds. In order to minimize the total processing time, the operation time of the pack charger overlaps with the operation of the cell equalizer 120 and is organized in the first time period tc1, which is the first part, or the second time period after the first time period tc1, which is the middle part. It can be organized in the time section tc2 or in the third time section tc3 after the second time section tc2. For example, the start point of the first time interval tc1 may be 0 seconds, and the end point of the third time interval tc3 may be t total seconds.
도 10a은 팩 충전기의 동작이 제1 시간 구간(tc1)에서 수행되는 경우를 나타내고, 도 10b은 팩 충전기의 동작이 제2 시간 구간(tc2)에서 수행되는 경우를 나타내며, 도 10c은 팩 충전기의 동작이 제3 시간 구간(tc3)에서 수행되는 경우를 나타낸다. 10A shows a case in which the operation of the pack charger is performed in a first time period tc1, FIG. 10B shows a case in which the operation of the pack charger is performed in a second time period tc2, and FIG. This indicates a case in which the operation is performed in the third time interval tc3.
도 10a와 도 10b에 도시된 바와 같이, 팩 충전기의 동작이 앞부분이나 중간부분에 편성되면, 일부 배터리 셀의 SOC 레벨이 안전 레벨(safety limitation) 아래로 떨어질 수 있다. 다시 말해, 팩 충전기의 동작이 전체 처리 시간의 처음 또는 중간에 실행될 때, 배터리 셀의 안정성이 손상될 수 있다. 따라서, 배터리 셀의 안정성과 성능을 보장하기 위해 팩 충전기의 전류는 일정 값 이하로 설계할 필요가 있고, 팩 충전기의 동작은 전체 처리 시간의 마지막에 실행됨이 바람직하다. As shown in FIGS. 10A and 10B , when the operation of the pack charger is organized in the front part or the middle part, the SOC level of some battery cells may fall below a safety limitation. In other words, when the operation of the pack charger is executed at the beginning or in the middle of the entire processing time, the stability of the battery cell may be damaged. Therefore, in order to ensure stability and performance of the battery cell, the current of the pack charger needs to be designed to be less than a certain value, and the operation of the pack charger is preferably executed at the end of the entire processing time.
도 11a는 본 발명과 기존 방식을 비교 검증하기 위한 파라미터 설정 값을 나타낸 것이다. 유사한 초기SOC 레벨 조건에서, 두가지 방법 각각 제1 SOC 레벨 (25%), 제2 SOC 레벨(45%). 제2 SOC 레벨(60%)의 세 가지 목표 SOC레벨을 달성하기 위한 테스트를 진행하였다. 대상은 20개의 18650타입의 원통형 3.6 V/2.9Ah 리튬이온 배터리를 연결하여 배터리 팩을 구성하였으며, 팩 충전기 전류(Ic)는 0.53A, 셀 이퀄라이저 전류(Ibal)는 1.3A으로 설정하였다. 11A shows parameter setting values for comparing and verifying the present invention and the existing method. Under similar initial SOC level conditions, the first SOC level (25%) and the second SOC level (45%) in the two methods, respectively. A test was conducted to achieve three target SOC levels of the second SOC level (60%). The subject formed a battery pack by connecting 20 18650 type cylindrical 3.6 V/2.9Ah lithium ion batteries, and the pack charger current (Ic) was set to 0.53A and the cell equalizer current (Ibal) was set to 1.3A.
도 11b 내지 도 11c는 상기 20개의 각 셀에 대해서 초기전압과 초기 SOC, 종래의 방법을 적용한 종착 전압과 종착 SOC, 본 발명의 방법을 적용한 종지 전압과 종지SOC를 정리한 도표이다.11B to 11C are charts summarizing initial voltage and initial SOC, end voltage and end SOC applied with the conventional method, and end voltage and end SOC applied with the method of the present invention for each of the 20 cells.
도 12a는 종래의 방법을 적용하여 제1 SOC 레벨 (25%)의 목표 SOC 레벨을 달성하기 위한 실험 파형이다. 도 12b는 종래의 방법을 적용하여 제2 SOC 레벨 (45%)의 목표 SOC레벨을 달성하기 위한 테스트 파형이다. 도 12c는 종래의 방법을 적용하여 제3 SOC 레벨 (60%)의 목표 SOC레벨을 달성하기 위한 테스트 파형이다. 각각의 그래프는 20개의 셀 전압들의 파형을 나타낸 것으로서, 초기 전압과 목표 SOC를 달성한 이후의 전압파형은 각각 좌/우에 확대하여 추가하였다. 각 셀전압이 불규칙적으로 충반전을 반복하면서 약 8시간 이상이 소요되는 것을 나타낸다.12A is an experimental waveform for achieving a target SOC level of the first SOC level (25%) by applying a conventional method. 12B is a test waveform for achieving a target SOC level of the second SOC level (45%) by applying a conventional method. 12C is a test waveform for achieving a target SOC level of a third SOC level (60%) by applying a conventional method. Each graph shows waveforms of 20 cell voltages, and the initial voltage and voltage waveforms after achieving the target SOC are enlarged and added to the left and right sides, respectively. It shows that it takes about 8 hours or more while repeating charging and inverting irregularly for each cell voltage.
도 13a는 본 발명을 적용하여 제1 SOC 레벨 (25%)의 목표 SOC레벨을 달성하기 위한 실험 파형이다. 도 13b는 종래의 방법을 적용하여 제2 SOC 레벨 (45%)의 목표 SOC레벨을 달성하기 위한 테스트 파형이다. 도 13c는 종래의 방법을 적용하여 제3 SOC 레벨 (60%)의 목표 SOC레벨을 달성하기 위한 테스트 파형이다. 각각의 그래프는 20개의 셀 전압들의 파형을 나타낸 것으로서, 초기 전압과 목표 SOC를 달성한 이후의 전압파형은 각각 좌/우에 확대하여 추가하였다. 각 셀전압이 한번씩만 순차적으로 충전되고, 약 6시간 30분으로 처리시간이 줄어드는 것을 나타낸다.13a is an experimental waveform for achieving a target SOC level of the first SOC level (25%) by applying the present invention. 13B is a test waveform for achieving a target SOC level of the second SOC level (45%) by applying a conventional method. 13C is a test waveform for achieving a target SOC level of a third SOC level (60%) by applying a conventional method. Each graph shows waveforms of 20 cell voltages, and the initial voltage and voltage waveforms after achieving the target SOC are enlarged and added to the left and right sides, respectively. Each cell voltage is sequentially charged only once, and the processing time is reduced to about 6 hours and 30 minutes.
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 관한 것이고, 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.The embodiments of the present invention described in this specification and the configurations shown in the drawings relate to the most preferred embodiments of the present invention, and do not cover all the technical ideas of the present invention, so various equivalents that can replace them at the time of filing It should be understood that there may be water and variations. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made by anyone having ordinary knowledge in the art to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. , such changes are within the scope of the recitation of the claims.
100; 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템100; SOC Random Alignment System for Reusable Batteries
110; 팩 충전기 120; 셀 이퀄라이저110; pack charger 120; cell equalizer
121: 셀 이퀄라이저 입력단자쌍121: cell equalizer input terminal pair
122: 셀 이퀄라이저 출력단자쌍122: cell equalizer output terminal pair
123: 아날로그 컨트롤러 130; BMIC123: analog controller 130; BMIC
140; MCU140; MCU

Claims (13)

  1. 배터리 팩 내에 포함된 배터리 셀들의 초기 SOC 레벨을 결정하는 단계;determining initial SOC levels of battery cells included in a battery pack;
    상기 배터리 셀들의 상기 초기 SOC 레벨의 오름차순으로 상기 배터리 셀들을 서열화하는 단계; sequencing the battery cells in ascending order of the initial SOC levels of the battery cells;
    목표 SOC레벨을 달성하기 위해 셀 이퀄라이저의 각 셀 별 처리시간 및 팩 충전기의 동작시간을 계산하여 최적의 전체 처리 시간을 계산하는 단계; 및Calculating an optimal total processing time by calculating a processing time for each cell of a cell equalizer and an operating time of a pack charger to achieve a target SOC level; and
    상기 전체 처리 시간 동안 상기 서열화 순서로 셀 밸런싱 동작을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 방법.A method of randomly arranging the SOC of a reusable battery, characterized in that it comprises the step of performing a cell balancing operation in the order of ranking during the entire processing time.
  2. 제1항에 있어서, 상기 셀 밸런싱 동작을 수행하는 단계는,The method of claim 1, wherein the performing of the cell balancing operation comprises:
    상기 배터리 셀들이 상기 서열화 순서로 셀 이퀄라이저의 출력 단자쌍에 하나씩 연결되는 단계;connecting the battery cells to a pair of output terminals of a cell equalizer one by one in the order of ranking;
    상기 셀 이퀄라이저가 상기 출력 단자쌍에 연결된 배터리 셀을 충전하는 단계;charging a battery cell connected to the pair of output terminals by the cell equalizer;
    팩 충전기가 상기 배터리 셀들의 에너지를 동시에 방출하거나, 상기 배터리 셀들로 에너지를 동시에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 방법.A method of randomly arranging SOC of a reusable battery comprising the step of simultaneously discharging energy from the battery cells or simultaneously supplying energy to the battery cells by a pack charger.
  3. 제2항에 있어서,According to claim 2,
    상기 전체 처리 시간은 상기 배터리 셀들 각각에 대한 상기 셀 이퀄라이저의 처리 시간을 모두 합한 값이고, The total processing time is the sum of processing times of the cell equalizer for each of the battery cells,
    상기 전체 처리 시간은 일부 상기 팩 충전기의 동작 시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 방법.The SOC random arrangement method of a reusable battery, characterized in that the total processing time includes a part of the operating time of the pack charger.
  4. 제3항에 있어서,According to claim 3,
    상기 전체 처리 시간을 계산함에 상기 배터리 셀들 각각에 대한 셀 이퀄라이저의 처리 시간은 [수학식 1]로 계산하고, In calculating the total processing time, the processing time of the cell equalizer for each of the battery cells is calculated by [Equation 1],
    상기 팩 충전기의 동작 시간은 [수학식 2]로 계산하는 것을 포함하며,The operating time of the pack charger includes calculating by [Equation 2],
    [수학식 1][Equation 1]
    Figure PCTKR2022018693-appb-img-000020
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    [수학식 2][Equation 2]
    Figure PCTKR2022018693-appb-img-000021
    Figure PCTKR2022018693-appb-img-000021
    상기 수학식 1에서 ti는 상기 배터리 셀들 각각에 대한 처리 시간이고, SOCinit_avg는 상기 배터리 셀들의 초기 SOC 레벨들의 평균이고, SOCi는 서열번호 i번째 베터리 셀의 개별 SOC 레벨이고, SOCL은 등가 SOC손실이고, Qnom은 상기 배터리 셀들의 공칭 용량이고, Ip는 상기 배터리 팩의 방전 전류이고, ttotal은 셀 이퀄라이징 단계에서 소요되는 각 셀의 처리 시간의 합을 의미하며,In Equation 1, t i is the processing time for each of the battery cells, SOC init_avg is the average of the initial SOC levels of the battery cells, SOC i is the individual SOC level of the ith battery cell of SEQ ID NO, and SOC L is Equivalent SOC loss, Qnom is the nominal capacity of the battery cells, Ip is the discharge current of the battery pack, t total means the sum of processing times of each cell required in the cell equalizing step,
    상기 수학식 2에서 SOCtarg는 목표 SOC 레벨이고, Ic는 상기 팩 충전기의 전류인 것을 특징으로 하는 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 방법.In Equation 2, SOC targ is the target SOC level, and Ic is the current of the pack charger.
  5. 제3항에 있어서,According to claim 3,
    상기 전체 처리 시간을 계산함에 있어서 상기 배터리 셀들 각각에 대한 상기 셀 이퀄라이저의 처리 시간에 대해 [수학식 3]으로 계산한 시간 오프셋을 인가하여 마지막 처리 단계를 생략하고,In calculating the total processing time, the last processing step is omitted by applying the time offset calculated by [Equation 3] to the processing time of the cell equalizer for each of the battery cells,
    팩 충전기의 동작 시간을 [수학식 4]로 계산하는 것을 포함하며,Including calculating the operating time of the pack charger by [Equation 4],
    [수학식 3][Equation 3]
    Figure PCTKR2022018693-appb-img-000022
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    [수학식 4][Equation 4]
    Figure PCTKR2022018693-appb-img-000023
    Figure PCTKR2022018693-appb-img-000023
    상기 수학식 3에서 ti는 상기 배터리 셀들 각각에 대한 처리 시간이고, SOCinit_avg는 상기 배터리 셀들의 초기 SOC 레벨들의 평균이고, SOCi는 서열번호 i번째 베터리 셀의 개별 SOC 레벨이고, Qnom은 상기 배터리 셀들의 공칭 용량이고, SOCmax는 상기 배터리 셀의 최대 초기 SOC를 의미하고, Vt는 서열번호 i-번째 배터리 셀의 전압을 의미하고, Vpack은 배터리 팩의 전압을 의미하고, Ibal은 미리 정해진 셀 밸런싱 전류를 의미하며,In Equation 3, t i is the processing time for each of the battery cells, SOC init_avg is the average of the initial SOC levels of the battery cells, SOC i is the individual SOC level of the ith battery cell of SEQ ID NO, and Qnom is the It is the nominal capacity of the battery cells, SOCmax means the maximum initial SOC of the battery cell, Vt means the voltage of the i-th battery cell of SEQ ID NO, Vpack means the voltage of the battery pack, and Ibal means the predetermined cell means balancing current,
    상기 수학식 4에서 SOCtarg는 목표 SOC 레벨이고, Ic는 상기 팩 충전기의 전류인 것을 특징으로 하는 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 방법.In Equation 4, SOC targ is the target SOC level, and Ic is the current of the pack charger.
  6. 제3항에 있어서,According to claim 3,
    팩 충전기의 동작시간을 [수학식 5]로 계산함에 있어서 그 결과의 부호에 따라 팩 충전기의 전류방향을 변경하며,In calculating the operating time of the pack charger by [Equation 5], the current direction of the pack charger is changed according to the sign of the result,
    [수학식 5][Equation 5]
    Figure PCTKR2022018693-appb-img-000024
    Figure PCTKR2022018693-appb-img-000024
    상기 수학식 5에서 tc는 상기 팩 충전기의 처리 시간이고, SOCtarg는 목표 SOC 레벨이고, SOCinit _ avg는 상기 배터리 셀들의 초기 SOC 레벨들의 평균이고, SOCL은 등가 SOC손실이고, Qnom은 상기 배터리 셀들의 공칭 용량이고, Ic는 상기 팩 충전기의 전류인 것을 특징으로 하는 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 방법.In Equation 5, tc is the processing time of the pack charger, SOC targ is the target SOC level, SOC init_avg is the average of the initial SOC levels of the battery cells, SOC L is the equivalent SOC loss , and Qnom is the SOC random arrangement method of a reusable battery, characterized in that the nominal capacity of the battery cells, and Ic is the current of the pack charger.
  7. 제3항에 있어서,According to claim 3,
    상기 팩 충전기의 동작은 상기 전체 처리 시간의 마지막에 상기 팩 충전기의 처리 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 방법.The operation of the pack charger is performed during the processing time of the pack charger at the end of the total processing time.
  8. 제3항에 있어서,According to claim 3,
    상기 배터리 셀들의 상기 초기 SOC 레벨의 평균값과 목표 SOC 레벨을 비교하고, 비교의 결과에 따라 상기 팩 충전기로부터 출력되는 팩 충전기 전류의 방향을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 방법.comparing the average value of the initial SOC levels of the battery cells with a target SOC level, and determining a direction of a pack charger current output from the pack charger according to a result of the comparison; Random sorting method.
  9. 배터리 팩에 포함된 배터리 셀들을 동시에 충전하거나 방전하는 팩 충전기;a pack charger that simultaneously charges or discharges battery cells included in the battery pack;
    상기 배터리 셀들 중 하나의 배터리 셀로 전하를 전송하는 셀 이퀄라이저;a cell equalizer transferring charge to one of the battery cells;
    상기 셀 이퀄라이저의 입력 단자쌍과 상기 배터리 셀들 사이에 연결된 제1 스위치 매트릭스 및 제2 스위치 매트릭스;a first switch matrix and a second switch matrix connected between the pair of input terminals of the cell equalizer and the battery cells;
    상기 배터리 셀들의 개방 회로 전압을 모니터링하는 배터리 모니터링 장치(Battery Monitoring IC, BMIC); 및a battery monitoring device (Battery Monitoring IC, BMIC) for monitoring open circuit voltages of the battery cells; and
    상기 BMIC로부터 상기 개방 회로 전압을 수신하고, 상기 개방 회로 전압을 이용하여 상기 배터리 셀들의 초기 SOC 레벨을 계산하는 연산장치(micro controller unit, MCU)를 포함하고,A micro controller unit (MCU) receiving the open circuit voltage from the BMIC and calculating initial SOC levels of the battery cells using the open circuit voltage;
    상기 MCU는 상기 초기 SOC 레벨에 기초하여 상기 배터리 셀들을 서열화하는 것을 특징으로 하는 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템.The SOC random sorting system of a reusable battery, characterized in that the MCU ranks the battery cells based on the initial SOC level.
  10. 제9항에 있어서,According to claim 9,
    상기 MCU는 상기 초기 SOC 레벨의 오름차순으로 상기 배터리 셀들을 서열화하는 것을 특징으로 하는 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템.The SOC random sorting system of a reusable battery, characterized in that the MCU ranks the battery cells in ascending order of the initial SOC level.
  11. 제9항에 있어서,According to claim 9,
    상기 배터리 셀들은 상기 서열 순서대로 상기 셀 이퀄라이저의 출력 단자쌍에 하나씩 연결되는 것을 특징으로 하는 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템.The SOC random sorting system of a reusable battery, characterized in that the battery cells are connected one by one to the output terminal pair of the cell equalizer in the sequence order.
  12. 제9항에 있어서,According to claim 9,
    상기 MCU는 상기 초기 SOC 레벨에 기초하여 상기 제1 스위치 매트릭스와 상기 제2 스위치 매트릭스에 포함된 스위치들이 턴 온 되는 시간을 조절함으로써 각 배터리 셀이 셀 이퀄라이저에 연결되는 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템.The MCU adjusts the time each battery cell is connected to the cell equalizer by adjusting the turn-on time of the switches included in the first switch matrix and the second switch matrix based on the initial SOC level. Characterized in that SOC random alignment system for reusable batteries.
  13. 제9항에 있어서,According to claim 9,
    상기 MCU는 상기 배터리 셀들의 상기 초기 SOC 레벨의 평균값과 목표 SOC 레벨을 비교하고, 비교의 결과에 따라 상기 팩 충전기로부터 출력되는 팩 충전기 전류의 방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 재사용 배터리의 SOC 임의 정렬 시스템.Wherein the MCU compares the average value of the initial SOC levels of the battery cells with a target SOC level, and determines a direction of a pack charger current output from the pack charger according to a result of the comparison. system.
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