KR20040100549A - apparatus and methode for charging series-connected battery cells - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An apparatus and a method for charging a secondary battery are provided to reduce a voltage variation across cells and to improve an energy efficiency. CONSTITUTION: An apparatus(1) for charging a secondary battery charges the second battery(3) having more than two cells connected in series. The apparatus for charging the second battery includes a power supply(2), a cell voltage detector(4), and a cell voltage compensator(5). The power supply supplies a charging voltage to the second battery. The cell voltage detector detects a voltage at each of the cells. The cell voltage compensator selects more than one cell whose voltage exceeds a predetermined tolerance, when a voltage variation of voltages detected at the detector exceeds a predetermined tolerance, charges the selected cell simultaneously by supplying the charging voltage from the power supply to reduce the voltage variation of the cell voltages to be in the tolerance range.

Description

2차전지의 충전장치 및 충전방법{apparatus and methode for charging series-connected battery cells}Apparatus and methode for charging series-connected battery cells}

본 발명은 2차전지의 충전장치 및 충전방법에 관한 것이다.The present invention relates to a charging device and a charging method of a secondary battery.

2차전지 혹은 축전지라고 불리우는 충전용 배터리는 그 사용 분야에 따라 다양한 크기와 모양으로 사용되고 있다. 이러한 2차전지는 셀이라고 부르는 수개의 단위전지가 직렬연결되어 구성된다.Rechargeable batteries, called secondary batteries or accumulators, are used in various sizes and shapes depending on the field of use. Such a secondary battery is composed of several unit cells called cells connected in series.

동일한 특성을 가지는 셀들이 직렬연결로 구성된 2차전지에 일정전류가 유입될 때, 동일전압으로 충전되어야 한다. 하지만 제조상의 에러, micro short 등의 이유로 셀들의 캐패시턴스가 다를 수 있고, 셀의 초기 충전상태가 달라 충전전압이 달라지게 될 수 있다. 이를 셀불균형(cell-unbalancing)이라 한다.When a cell having the same characteristics is introduced with a constant current into a secondary battery configured in series, it must be charged with the same voltage. However, due to manufacturing error, micro short, etc., the capacitance of the cells may be different, and the charging voltage may be different due to the different initial charging state of the cells. This is called cell-unbalancing.

도1은 이러한 셀불균형시의 종래의 2차전지의 전원제어장치의 제어블록도이다.Fig. 1 is a control block diagram of a power supply control apparatus of a conventional secondary battery at such cell imbalance.

도1에 도시한 바와 같이, 전원제어장치(101)는 전압측정부(102), 스위치부(104) 및 전원제어부(105)를 갖는다.As shown in FIG. 1, the power supply control device 101 includes a voltage measuring unit 102, a switch unit 104, and a power supply control unit 105. As shown in FIG.

전압측정부(102)는 수개의 셀이 직렬연결된 2차전지(103)의 각 셀전압값을 측정하며 스위치부(104)는 2차전지로부터 메인시스템(106)으로의 전원공급을 전원제어부(105)의 제어신호에 따라 스위칭 한다. 전원제어부(105)는 전압측정부(102)에서 측정된 전압을 입력받고 제어신호를 스위치부(104)에 출력한다.The voltage measuring unit 102 measures each cell voltage value of the secondary battery 103 in which several cells are connected in series, and the switch unit 104 supplies power to the main system 106 from the secondary battery. Switch according to the control signal of 105). The power control unit 105 receives the voltage measured by the voltage measuring unit 102 and outputs a control signal to the switch unit 104.

2차전지에서 메인시스템(106)으로 시스템 전원이 공급되는 중에, 전압측정부(102)에서 셀전압간의 전압편차가 소정의 기준을 초과하면 전원제어부(105)는 비정상상태로 인식하고 스위치부(104)를 오프시킨다. 이러한 전원중단은 컴퓨터상의 휘발성 물질의 DRAM을 사용하는 경우, 데이터 손실을 가져오는 등의 문제가 발생할 수 있었기 때문에 셀불균형을 보정하는 장치가 필요하다.While the system power is supplied from the secondary battery to the main system 106, if the voltage deviation between the cell voltages in the voltage measuring unit 102 exceeds a predetermined criterion, the power control unit 105 recognizes an abnormal state and switches the unit ( Turn off 104). This power failure requires a device for correcting cell imbalance since problems such as data loss may occur when using DRAM of a volatile material on a computer.

도2는 특허공개공보 1998-0064646에 개시되어있는 셀전압의 보정장치의 블록도를 도시한 것이다.Fig. 2 shows a block diagram of the cell voltage correction device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 1998-0064646.

도2에 도시한 바와 같이, 셀전압의 보정장치(201)는 전압측정부(202), 전압차 검출부(204) 및 방전회로부(205)로 구성되어 있다.As shown in Fig. 2, the cell voltage correcting apparatus 201 includes a voltage measuring unit 202, a voltage difference detecting unit 204, and a discharge circuit unit 205.

전압측정부(202)는 직렬 접속된 적어도 두 개 이상의 셀전압을 측정하여 전압검출부에 출력하며 전압차 검출부(203)는 셀 전압간의 분산을 검출한다. 방전회로부(205)는 셀전압에서 분산이 설정값을 초과할 때 최대 셀전압을 가지는 적어도두 개 이상의 2차전지(203)중 어느 하나를 방전한다.The voltage measuring unit 202 measures at least two or more cell voltages connected in series and outputs them to the voltage detecting unit. The voltage difference detecting unit 203 detects dispersion between cell voltages. The discharge circuit unit 205 discharges any one of at least two or more secondary batteries 203 having the maximum cell voltage when the dispersion in the cell voltage exceeds a set value.

이러한 종래의 셀전압의 보정장치(201)는 최대 셀전압을 갖는 셀을 방전하여 셀전압의 편차를 줄이는 것으로 에너지 효율이 좋지 않을 뿐만 아니라 방전하는데 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.The conventional device for correcting the cell voltage 201 discharges a cell having a maximum cell voltage to reduce the variation in cell voltage, resulting in a problem in that the energy efficiency is not good and the discharge takes a long time.

본 발명의 목적은 에너지 효율이 좋고, 빠른 시간에 셀 전압의 편차를 줄이는 2차전지의 충전장치 및 충전방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a charging device and a charging method of a secondary battery having good energy efficiency and reducing the variation of cell voltage in a short time.

도1은 종래의 2차전지의 전원제어장치의 제어블록도,1 is a control block diagram of a power supply control apparatus of a conventional secondary battery;

도2는 종래의 셀전압의 보정장치의 블록도.2 is a block diagram of a conventional cell voltage correction device.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 2차전지의 충전장치의 제어블록도,3 is a control block diagram of a charging device of a secondary battery according to an embodiment of the present invention;

도4는 본 발명의 실시예에 따른 셀전압보정부의 회로도이다.4 is a circuit diagram of a cell voltage correction unit according to an embodiment of the present invention.

상기의 목적은 2이상의 셀(cell)이 직렬연결된 2차전지의 충전장치에 있어서, 상기 2차전지에 충전전원을 공급하는 전원공급부와, 상기 각 셀의 전압을 측정하는 셀전압측정부와, 상기 셀전압측정부에서 측정된 셀전압 간의 편차가 소정의 허용범위를 벗어나는 경우, 최대 셀전압에 대하여 상기 허용범위를 벗어나는 하나 이상의 셀을 선택하고, 상기 전원공급부로부터 충전전원을 공급하도록 하여 상기 선택된 셀을 동시에 충전하고, 셀전압 간의 편차가 허용범위 이내가 되도록 보정하는 셀전압보정부를 갖는 것을 특징으로 2차전지의 충전장치에 의해서 달성될 수 있다.The above object of the present invention is a charging device for a secondary battery in which two or more cells are connected in series, a power supply unit supplying charging power to the secondary battery, a cell voltage measuring unit measuring a voltage of each cell, When the deviation between the cell voltages measured by the cell voltage measuring unit is out of a predetermined allowable range, one or more cells out of the allowable range are selected for the maximum cell voltage, and the charging power is supplied from the power supply unit. It can be achieved by the charging device of the secondary battery, characterized in that it has a cell voltage correction to charge the cells at the same time, and to correct so that the deviation between the cell voltage is within the allowable range.

여기서 상기 셀전압보정부는 각 셀의 양의 단자와 상기 전원공급부에 연결되는 제1스위치와, 상기 직렬연결된 셀들의 접속단자와 접지단에 연결되는 제2스위치와, 상기 편차가 상기 허용범위를 벗어나는지를 판단하여 충전할 셀을 선택하고, 상기 제1스위치와 상기 제2스위치의 개폐를 제어하고 상기 보정이 종료되면 상기 2차전지를 충전하도록 하는 제어부를 포함하는 것이 바람직하다.The cell voltage correction unit may include a first switch connected to a positive terminal of each cell and the power supply unit, a second switch connected to a connection terminal and a ground terminal of the series-connected cells, and the deviation is outside the allowable range. And a control unit for selecting a cell to be charged, controlling opening and closing of the first switch and the second switch, and charging the secondary battery when the correction is completed.

또한 상기 목적은 2이상의 셀(cell)이 직렬연결된 2차전지의 충전방법에 있어서, 상기 2차전지에 충전전원을 공급하는 단계와, 상기 각 셀의 셀전압을 측정하고 상기 셀전압간에 편차가 소정의 허용범위를 벗어나는지를 판단하는 단계와, 상기 편차가 상기 허용범위를 벗어나는 경우 최대 셀전압에 대하여 상기 허용범위를 벗어나는 셀전압을 갖는 하나 이상의 셀을 선택하는 단계와, 선택된 하나 이상의 상기 셀을 동시에 충전하여 셀전압간의 편차가 허용범위 이내가 되도록 하는 단계와, 상기 셀전압간의 편차가 허용범위 이내가 되면 상기 2차전지를 소정의 충전목적전압까지 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전방법에 의해서도 달성될 수 있다.In addition, the object of the present invention is a method of charging a secondary battery having two or more cells connected in series, the method comprising: supplying charging power to the secondary battery, measuring a cell voltage of each cell, and having a deviation between the cell voltages Determining whether it is out of a predetermined tolerance range, selecting one or more cells having a cell voltage out of the tolerance range with respect to a maximum cell voltage when the deviation is out of the tolerance range, and selecting one or more of the selected cells Charging at the same time so that the deviation between the cell voltages falls within the allowable range; and charging the secondary battery to a predetermined charging target voltage when the deviation between the cell voltages falls within the allowable range. It can also be achieved by a charging method of the battery.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 2차전지의 충전장치의 제어블록도이다.3 is a control block diagram of a charging device of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도3에 도시한 바와 같이, 2차전지(3)의 충전장치(1)는 전원공급부(2), 셀전압측정부(4), 셀전압보정부(5)로 구성된다.As shown in FIG. 3, the charging device 1 of the secondary battery 3 is composed of a power supply unit 2, a cell voltage measuring unit 4, and a cell voltage correction unit 5. As shown in FIG.

전원공급부(2)는 2이상의 셀(cell)이 직렬연결된 2차전지(3) 충전전원을 공급하고, 셀전압측정부(4)는 각 셀의 전압을 측정한다.The power supply unit 2 supplies the charging power of the secondary battery 3 in which two or more cells are connected in series, and the cell voltage measuring unit 4 measures the voltage of each cell.

셀전압보정부(5)는 셀전압측정부(4)에서 측정된 셀전압 간의 편차가 소정의 허용범위를 벗어나는 경우, 셀전압 간의 편차를 줄이도록 셀전압을 보정하는 것이다.The cell voltage correction unit 5 corrects the cell voltage so as to reduce the deviation between the cell voltages when the deviation between the cell voltages measured by the cell voltage measuring unit 4 is out of a predetermined allowable range.

도4는 본 발명의 실시예에 따른 셀전압보정부(5)의 회로도이다.4 is a circuit diagram of a cell voltage correction unit 5 according to an embodiment of the present invention.

3개의 셀(3a, 3b, 3c)이 직렬로 연결된 2차전지(3)에서 각 셀의 양의 단자와전원공급부(2)에 제1스위치(11)(Sa1, Sb1, Sc1)가 연결되며 전류의 흐름을 제어하기 위해 다이오드(D1,D2,D3)를 부가되었다. 이때 스위치는 NMOSFET을 사용하였지만 다른 어떠한 소자를 이용한 것도 가능할 것이다.In the secondary battery 3 in which three cells 3a, 3b, and 3c are connected in series, the first switch 11 (Sa1, Sb1, Sc1) is connected to the positive terminal and the power supply unit 2 of each cell. Diodes D1, D2, and D3 were added to control the flow of current. The switch used NMOSFETs, but any other device could be used.

셀들이 직렬로 접속되는 단자, 즉 셀a(3a)와 셀b(3b)의 접속단과 셀b(3b)와 셀c(3c)의 접속단에는 접지단으로 연결되는 제2스위치(2)( Sb2, Sc2)를 부가한다.A second switch 2 (connected to a ground terminal) is connected to a terminal to which cells are connected in series, that is, a connection terminal of cells a 3a and 3b and a connection terminal of cells 3b and 3c. Sb2, Sc2) are added.

제어부로서 사용되고 있는 마이컴(13)은 충전할 셀을 선택하고 이에 상기 제1스위치(11) 및 제2스위치(2)를 적절히 선택한다.The microcomputer 13 used as a control section selects a cell to be charged, thereby appropriately selecting the first switch 11 and the second switch 2.

예를 들어, 셀a(3a)를 충전하고자 하는 경우 Sa1과 Sb2를 도통시키면 된다. 만약 셀a(3a)와 셀c(3c)를 충전하고자 한다면, Sa1, Sb2 및 Sc1을 도통시키고 나머지 스위치들을 오프시키면 된다. 이와 같은 스위치제어로 수개의 셀들로 이루어진 2차전지(3)에서 원하는 셀들을 선택적으로 동시에 충전을 할 수 있게 된다.For example, when the cell a 3a is to be charged, Sa1 and Sb2 may be conducted. If cell a 3a and cell c 3c are to be charged, Sa1, Sb2 and Sc1 are turned on and the remaining switches are turned off. Such switch control enables selective charging of desired cells simultaneously in the secondary battery 3 composed of several cells.

이하, 도3 및 도5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 충전방법을 설명한다. 2차전지(3)에 전원공급부(2)로부터 충전전원을 공급(S1)하거나 2차전지(3)로부터 메인시스템으로 충전전원의 방전이 있는 경우, 셀전압측정부(4)는 각 셀의 셀전압을 측정하여 셀전압보정부(5)로 출력한다(S2).Hereinafter, a charging method according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 5. When charging power is supplied to the secondary battery 3 from the power supply unit 2 (S1) or when there is discharge of the charging power from the secondary battery 3 to the main system, the cell voltage measuring unit 4 performs The cell voltage is measured and output to the cell voltage compensator 5 (S2).

셀전압보정부(5)는 셀전압간의 편차가 소정의 허용범위를 벗어나는지를 판단하고(S3), 상기 편차가 상기 허용범위를 벗어나는 경우 최대 셀전압에 대하여 상기 허용범위를 벗어나는 셀전압을 갖는 하나 이상의 셀을 선택하고(S5), 이들을 충전하기 위한 적절한 스위치를 선택한다(S6). 셀전압보정부(5)는 선택된 하나 이상의 셀을 동시에 충전(S7)하여 셀전압간의 편차가 허용범위 이내가 되도록 한다. 셀전압간의 편차가 허용범위 이내가 되면 상기 2차전지(3)에 전원공급부(2)로부터 충전전원을 공급하여 소정의 충전목적전압까지 충전을 진행하거나(S4) 메인시스템에 방전중인 경우에는 방전을 개시할 수도 있다.The cell voltage correction unit 5 determines whether the deviation between the cell voltages is out of the predetermined allowable range (S3), and has a cell voltage which is out of the allowable range for the maximum cell voltage when the deviation is out of the allowable range. The above cells are selected (S5), and an appropriate switch for charging them is selected (S6). The cell voltage correction unit 5 simultaneously charges one or more selected cells (S7) so that the deviation between the cell voltages is within an allowable range. When the deviation between the cell voltages is within the allowable range, the charging power is supplied from the power supply unit 2 to the secondary battery 3, and charging is performed up to a predetermined charging target voltage (S4). May be disclosed.

본 발명에 의한 충전장치 및 충전방법으로 신속하게 셀전압간의 편차를 줄일 수 있고 에너지 효율을 높일 수 있다.The charging device and the charging method according to the present invention can quickly reduce the deviation between the cell voltage and increase the energy efficiency.

Claims (3)

2이상의 셀(cell)이 직렬연결된 2차전지의 충전장치에 있어서,In the charging device of a secondary battery in which two or more cells are connected in series, 상기 2차전지에 충전전원을 공급하는 전원공급부와,A power supply unit supplying charging power to the secondary battery; 상기 각 셀의 전압을 측정하는 셀전압측정부와,A cell voltage measuring unit measuring a voltage of each cell; 상기 셀전압측정부에서 측정된 셀전압 간의 편차가 소정의 허용범위를 벗어나는 경우, 최대 셀전압에 대하여 상기 허용범위를 벗어나는 하나 이상의 셀을 선택하고, 상기 전원공급부로부터 충전전원을 공급하도록 하여 상기 선택된 셀을 동시에 충전하고, 셀전압 간의 편차가 허용범위 이내가 되도록 보정하는 셀전압보정부를 갖는 것을 특징으로 2차전지의 충전장치.When the deviation between the cell voltages measured by the cell voltage measuring unit is out of a predetermined allowable range, one or more cells out of the allowable range are selected for the maximum cell voltage, and the charging power is supplied from the power supply unit. And a cell voltage compensator for simultaneously charging the cells and correcting the deviations between the cell voltages within an allowable range. 제1항에 있어서, 상기 셀전압보정부는The method of claim 1, wherein the cell voltage correction unit 각 셀의 양의 단자와 상기 전원공급부에 연결되는 제1스위치와,A first switch connected to the positive terminal of each cell and the power supply unit; 상기 직렬연결된 셀들의 접속단자와 접지단에 연결되는 제2스위치와,A second switch connected to a connection terminal and a ground terminal of the series-connected cells; 상기 편차가 상기 허용범위를 벗어나는지를 판단하여 충전할 셀을 선택하고, 상기 제1스위치와 상기 제2스위치의 개폐를 제어하고 상기 보정이 종료되면 상기 2차전지를 충전하도록 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전장치.And a controller for selecting a cell to be charged by determining whether the deviation is outside the allowable range, controlling opening and closing of the first switch and the second switch, and charging the secondary battery when the correction is completed. A secondary battery charging device. 2이상의 셀(cell)이 직렬연결된 2차전지의 충전방법에 있어서,In the charging method of a secondary battery in which two or more cells are connected in series, 상기 2차전지에 충전전원을 공급하는 단계와,Supplying charging power to the secondary battery; 상기 각 셀의 셀전압을 측정하고 상기 셀전압간에 편차가 소정의 허용범위를 벗어나는지를 판단하는 단계와,Measuring a cell voltage of each cell and determining whether a deviation between the cell voltages falls outside a predetermined allowable range; 상기 편차가 상기 허용범위를 벗어나는 경우 최대 셀전압에 대하여 상기 허용범위를 벗어나는 셀전압을 갖는 하나 이상의 셀을 선택하는 단계와,Selecting one or more cells having a cell voltage outside the allowable range for a maximum cell voltage when the deviation is outside the allowable range; 선택된 하나 이상의 상기 셀을 동시에 충전하여 셀전압간의 편차가 허용범위 이내가 되도록 하는 단계와Simultaneously charging one or more of the selected cells so that variations between cell voltages are within an acceptable range; 상기 셀전압간의 편차가 허용범위 이내가 되면 상기 2차전지를 소정의 충전목적전압까지 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차전지의 충전방법.And charging the secondary battery to a predetermined charging target voltage when the deviation between the cell voltages is within an allowable range.
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