KR102433599B1 - System for recharging battery with motion sensor - Google Patents
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Abstract
배터리 관리 시스템을 갖춘 배터리는 에너지 재생 장치로부터의 리캡쳐된 에너지로 배터리를 충전할 수 있다. 상기 배터리 관리 시스템은 에너지 재생 장치로부터의 출력 전압이 배터리의 충전 전압보다 큰 경우 에너지 재생 장치로 배터리를 충전한다. A battery with a battery management system can charge the battery with recaptured energy from an energy recovery device. The battery management system charges the battery with the energy recovery device when the output voltage from the energy recovery device is greater than the charging voltage of the battery.
Description
본 출원은 2019년 11월 15일 출원된 '납산 배터리 대체 시스템'에 대한 미국 특허출원 제16/685,255호의 CIP(continuation-in-part) 특허출원이며, 상기 출원은 2019년 1월 15일 출원된 '골프 카트에 대한 리튬 배터리'에 대한 미국 가 출원 제62/792,630호에 대한 정규 출원으로서, 이들 모든 출원 명세서 전부는 본원 명세서에서 참고로 인용된다.This application is a continuation-in-part (CIP) patent application of U.S. Patent Application No. 16/685,255 for a 'lead-acid battery replacement system' filed on November 15, 2019, and the application was filed on January 15, 2019 As a regular application to U.S. Provisional Application No. 62/792,630 for 'Lithium Batteries for Golf Carts', all of these application specifications are hereby incorporated by reference in their entirety.
본 발명은 배터리에 대한 것이며, 특히 재충전된 에너지를 갖는 배터리 재충전에 대한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to batteries, and in particular to recharging batteries with recharged energy.
이동하는 차량에 배터리를 장착하면 배터리의 에너지가 차량의 다양한 장치에 전원을 공급하는 데 사용된다. 차량이 정지할 때, 배터리에 재충전된 에너지를 사용할 수 있는 충전기가 장착되어 있으면 운동 에너지가 포착되어 배터리를 충전하는데 사용될 수 있다. When a moving vehicle is equipped with a battery, the energy from the battery is used to power various devices in the vehicle. When the vehicle is stopped, if the battery is equipped with a charger that can use the recharged energy, the kinetic energy can be captured and used to charge the battery.
따라서, 배터리가 배터리를 충전하기 위해 재충전된 에너지를 사용할 수 있는 배터리 관리 시스템을 갖도록 함이 바람직 하다. Therefore, it is desirable to have a battery management system in which the battery can use the recharged energy to charge the battery.
본 발명의 한 실시 예에서, 본 발명은 배터리 관리 시스템을 구비하고 에너지 재생 장치(regeneration device) 및 모션 검출 장치에 연결된 배터리를 재충전하기 위한 방법을 제공한다. 본 발명 배터리 재충전 방법은 에너지 재생 장치로부터 출력 전압을 수신하는 단계; 모션 감지 장치로부터 모션 인디케이터(motion indicator)를 수신하는 단계; 에너지 재생 장치로부터의 출력 전압을 배터리용 충전 전압과 비교하는 단계; 그리고 상기 출력 전압이 상기 충전 전압보다 크고 상기 모션 인디케이터가 이동을 나타내는 경우, 상기 에너지 재생 장치로 배터리를 충전하는 단계를 포함한다. In one embodiment of the present invention, the present invention provides a method for recharging a battery having a battery management system and connected to an energy regeneration device and a motion detection device. The battery recharging method of the present invention comprises the steps of receiving an output voltage from an energy regenerative device; receiving a motion indicator from a motion sensing device; comparing an output voltage from the energy recovery device to a charging voltage for the battery; and charging the battery with the energy regeneration device when the output voltage is greater than the charging voltage and the motion indicator indicates movement.
본 발명의 또 다른 한 실시 예에서, 본 발명은 에너지 재생 장치에 연결된 배터리를 제공한다. 본 발명의 배터리는 복수의 배터리 셀; 상기 복수의 배터리 셀에 연결된 충전기; 상기 복수의 배터리 셀 및 상기 충전기에 연결된 제어기; 그리고 상기 제어기에 연결된 모션 검출 장치를 포함하며, 상기 제어기가 모션 검출 장치로부터 이동 인디케이터를 수신하고, 그리고 상기 제어기가 에너지 재생 장치와 충전기 사이의 연결을 가능하게 하여서, 모션 인디케이터가 모션을 나타내고, 에너지 재생 장치로부터의 출력 전압이 복수의 배터리 셀에 대한 충전 전압보다 큰 경우, 복수의 배터리 셀을 충전하도록 한다. In another embodiment of the present invention, the present invention provides a battery connected to an energy regeneration device. The battery of the present invention includes a plurality of battery cells; a charger connected to the plurality of battery cells; a controller coupled to the plurality of battery cells and the charger; and a motion detection device coupled to the controller, wherein the controller receives a movement indicator from the motion detection device, and wherein the controller enables a connection between the energy regenerative device and the charger, such that the motion indicator indicates motion, the energy When the output voltage from the reproduction device is greater than the charging voltage for the plurality of battery cells, the plurality of battery cells are charged.
따라서, 본 발명 시스템 및 방법은 재생 에너지를 갖는 배터리의 재충전을 가능하게 하므로 유익하다. 본 발명의 다른 장점 및 특징은 이하에서 설명되는 도면의 간단한 설명, 발명의 상세한 설명 및 청구 범위를 검토한 후에 명백해질 것이다.Accordingly, the systems and methods of the present invention are advantageous as they enable the recharging of batteries with renewable energy. Other advantages and features of the present invention will become apparent after review of the following brief description of the drawings, detailed description and claims.
본 발명의 특징 및 실시 예의 장점은 다음의 상세한 설명에 의해 명확해 질 것이며, 도면 중 유사한 구성에 대하여 유사한 도면 부호를 사용한다.
도 1a는 배터리 교체를 위한 도면(100)을 도시한다
도 1b는 배터리 교환 구조(150)를 도시한다;
도 2는 충 방전 회로를 도시하는 회로도(200)를 도시한다;
도 3은 컨트롤러 칩의 아키텍처(300)를 도시한다
도 4는 모션 검출기를 갖는 회로도(400)를 도시한다;
도 5는 전하 전달 프로세스를 위한 흐름도(500)이다;
도 6은 배터리 충전 프로세스에 대한 흐름도(600)이다;
도 7은 보호 모드에 대한 흐름도(700)이다.
도 8은 재생된 에너지 에너지를 갖는 배터리를 충전하기 위한 흐름도(800)이다.
도 9는 충전 처리를 정지시키기 위한 흐름도(900)이다. The features and advantages of the embodiments of the present invention will become apparent from the following detailed description, and like reference numerals are used for similar components in the drawings.
1A shows a diagram 100 for battery replacement.
1B shows a
Figure 2 shows a circuit diagram 200 illustrating a charge and discharge circuit;
3 shows an
4 shows a circuit diagram 400 with a motion detector;
5 is a flow diagram 500 for a charge transfer process;
6 is a
7 is a
8 is a flow diagram 800 for charging a battery with regenerated energy energy.
9 is a
본원 상세한 설명에서, 사용된 용어 "애플리케이션"은 실행 및 비 실행 소프트웨어 파일, 미가공 데이터, 집합 데이터, 패치, 및 다른 코드 세그먼트들을 포함하는 뜻으로 사용된다. 용어 "예시적인"은 예로서만 의도되고, 기술된 실시 예 또는 구성 요소에 대한 선호도를 나타내지는 않는다. 또한, 유사한 도면 부호들은 여러 도면에 걸쳐 유사한 구성요소를 가르키며, 명세서에서 달리 명시되지 않는 한 "a" 및 "the"는 복수의 참조를 포함한다. 용어 리튬 계 배터리, 리튬이온 배터리, 리튬 철 인산염 배터리, 리튬 배터리는 상호 교환적으로 사용되며, "배터리"와 "배터리 팩"은 상호 교환적으로 사용된다. 본 명세서에서 리튬 배터리는 리튬 배터리의 임의의 타입을 지칭한다. 본 발명 응용에서 사용하는 보호 모드는 언더 전압 보호 모드 또는 오버 전압 보호 모드 어느 하나를 지칭하며, 상기 보호 모드는 또한 슬립모드로 지칭될 수 있다.In this specification, the term "application" is used to include executable and non-executable software files, raw data, aggregated data, patches, and other code segments. The term “exemplary” is intended by way of example only and does not indicate preference for the described embodiment or component. Also, like reference numbers refer to like elements throughout the drawings, and "a" and "the" include plural references unless otherwise specified in the specification. The terms lithium-based battery, lithium ion battery, lithium iron phosphate battery, lithium battery are used interchangeably, and "battery" and "battery pack" are used interchangeably. Lithium battery herein refers to any type of lithium battery. The protection mode used in the application of the present invention refers to either an under voltage protection mode or an over voltage protection mode, and the protection mode may also be referred to as a sleep mode.
개괄적으로, 본 발명은 병렬 연결된 충전식 배터리를 충전하기 위한 지능형 시스템 및 방법을 제공한다. 재충전 회로는 재충전 배터리의 출력 포트에서의 전압에 의해 제어된다. 배터리 전압 강하는 재충전 회로를 제어하는 데 사용된다. 출력 포트 전압이 배터리의 최대 방전보다 작으면 상기 충전 회로가 턴 오프 된다. 출력 포트 전압이 배터리의 최대 충전 전압보다 크면 재충전 제어 회로가 턴 온 된다. 최대 충전 전압과 최대 방전 전압의 편차는 병렬로 연결된 충전식 배터리에 대한 재충전회로를 제어하는 데 사용된다. In general, the present invention provides an intelligent system and method for charging parallel-connected rechargeable batteries. The recharge circuit is controlled by the voltage at the output port of the rechargeable battery. The battery voltage drop is used to control the recharge circuit. When the output port voltage is less than the maximum discharge of the battery, the charging circuit is turned off. When the output port voltage is greater than the maximum charging voltage of the battery, the recharge control circuit is turned on. The deviation of the maximum charge voltage and maximum discharge voltage is used to control the recharge circuit for the rechargeable batteries connected in parallel.
재충전 회로를 제어하기 위해 전압 차동을 이용하는 것 외에, 재충전 동작은 모션 센서 또는 변위 검출 센서(displacement detection sensor)에 의해 추가로 제어된다. 변위 검출 센서에 의해 재충전 가능 배터리를 갖는 차량의 이동이 감지되면, 변위 검출 센서는 재충전 회로에 신호를 제공하고 재충전 회로가 턴 온 되고 재충전 동작이 허용된다. In addition to using voltage differential to control the recharge circuit, the recharge operation is further controlled by a motion sensor or displacement detection sensor. When movement of the vehicle with the rechargeable battery is detected by the displacement detection sensor, the displacement detection sensor provides a signal to the recharging circuit and the recharging circuit is turned on and the recharging operation is permitted.
변위 검출 센서는 배터리 제어기 내부에 위치하고 배터리 제어기의 MCU에 연결된다. 배터리 제어기는 변위 검출 센서에 의해 제공된 진동 신호 및 변위 데이터를 검출함으로써, 재충전 가능 배터리가 이동 상태에 있는지 여부를 결정한다. 배터리가 이동 상태에 있을 때 배터리 제어기는 재충전 회로를 활성화하여 배터리 셀을 재충전 할 수 있다. The displacement detection sensor is located inside the battery controller and is connected to the MCU of the battery controller. The battery controller determines whether the rechargeable battery is in a moving state by detecting the vibration signal and displacement data provided by the displacement detection sensor. When the battery is in a mobile state, the battery controller can activate a recharge circuit to recharge the battery cells.
배터리들 간의 상호 간섭을 방지하기 위해, 격리 회로가 병렬로 연결된 배터리 팩을 위해 설계된다. 상기 격리 회로는 배터리 팩에 의한 에너지 회수에 영향을 준다. 회수될 수 없는 에너지는 배터리 시스템 동작에 영향을 줄 수 있다. To prevent mutual interference between the batteries, an isolation circuit is designed for battery packs connected in parallel. The isolation circuit affects energy recovery by the battery pack. Energy that cannot be recovered can affect battery system operation.
본 발명의 시스템은 배터리 시스템의 이동 변화를 검출하기 위해 변위 검출 및 변위 검출 장치를 사용한다. 전체 배터리 시스템의 이동이 변할 때, 배터리 제어 시스템은 변위 검출 장치에 의해 통지된다. 배터리 제어 시스템은 출력 포트에서 검출된 전압을 기준으로 흡수해야 하는 충분한 재활용 가능 에너지가 있는지 여부를 결정한다. 재활용 가능한 에너지가 충분하면 재충전 제어 회로가 턴 온 된다. 충전식 배터리를 충전함으로써, 충전식 배터리는 모션 제어 시스템에 의해 생성(회수)된 에너지를 흡수한다. 회수된 에너지가 흡수된 후, 재충전 제어 회로는 턴 오프 되어서 충전식 배터리 시스템의 배터리 셀들 사이의 격리를 보장하도록 한다. 예를 들어, 모션 검출 회로가 배터리 시스템의 이동이 감속하고 있음을 검출하면, 회수 가능한 에너지가 생성될 수 있고; 변위 검출 유닛은 배터리 제어 시스템의 이동 상태가 변경되었음을 배터리 제어 시스템으로 통지하고, 배터리 제어 시스템은 배터리 시스템의 외부 포트에서 변경 전압 변화를 검출한다. 외부 포트 전압이 58V로 변경되면(일례로서 48V 배터리 시스템 사용), 배터리 제어 시스템은 재충전 회로를 턴 온하여서 모션 시스템의 회수된 에너지를 흡수하도록 한다. 이때 배터리 제어 시스템은 출력 포트의 전압을 지속적으로 모니터링한다. 회수 가능한 에너지가 흡수된 후, 포트 전압이 54V로 떨어질 때 재충전 회로는 턴 오프 되어서 배터리 셀들 사이의 격리를 보장하도록 한다. The system of the present invention uses a displacement detection and displacement detection device to detect a change in movement of the battery system. When the movement of the entire battery system changes, the battery control system is notified by the displacement detection device. The battery control system determines whether there is enough recyclable energy to absorb based on the detected voltage at the output port. When there is enough recyclable energy, the recharge control circuit is turned on. By charging the rechargeable battery, the rechargeable battery absorbs the energy generated (recovered) by the motion control system. After the recovered energy is absorbed, the recharge control circuit is turned off to ensure isolation between the battery cells of the rechargeable battery system. For example, if the motion detection circuitry detects that movement of the battery system is decelerating, recoverable energy may be generated; The displacement detection unit notifies the battery control system that the movement state of the battery control system has changed, and the battery control system detects a change voltage change at an external port of the battery system. When the external port voltage changes to 58V (using a 48V battery system as an example), the battery control system turns on the recharge circuit to absorb the recovered energy of the motion system. At this time, the battery control system continuously monitors the voltage at the output port. After the recoverable energy has been absorbed, the recharge circuit is turned off when the port voltage drops to 54V to ensure isolation between the battery cells.
동시에, 변위 검출 모듈은 배터리 시스템이 외부 충전기에 의해 충전되는지 또는 모션 시스템의 재충전 제어 모듈에 의해 충전되는지를 결정하는데 사용되며, 이 같은 결정은 모션 시스템의 변위로부터의 정보에 의해 수행된다. 외부 충전기를 사용하여 배터리 시스템을 충전하면, 모션 시스템의 상태는 정적인 상태이다. 모션 시스템의 상태가 동작중인 경우에만 재충전 제어 모듈이 배터리 시스템을 충전할 수 있다. 상기 정적 상태에서는, 외부 충전기만 사용하여 배터리를 충전할 수 있다. 이러한 차이에 기초하여, 외부 충전기에 의한 충전 및 모션 시스템 기반 재충전의 분리 제어가 달성된다. At the same time, the displacement detection module is used to determine whether the battery system is being charged by an external charger or by the recharging control module of the motion system, and this determination is made by the information from the displacement of the motion system. When an external charger is used to charge the battery system, the state of the motion system is static. The recharge control module can charge the battery system only when the state of the motion system is operating. In the static state, only an external charger may be used to charge the battery. Based on this difference, separate control of charging by an external charger and recharging based on a motion system is achieved.
본 발명은 납산 배터리 용으로 설계된 동일한 충전 시스템을 유지하면서 리튬계 배터리에 의해 납산 배터리를 쉽게 교체를 가능하게 하는 시스템 및 방법을 더욱 개선한 것이다. 리튬 기반 배터리에 의해 납산 배터리를 교체하기 위한 시스템 및 방법은 다음의 특징과 장점을 갖는다. .The present invention is a further improvement of a system and method that enables easy replacement of a lead-acid battery by a lithium-based battery while maintaining the same charging system designed for the lead-acid battery. A system and method for replacing a lead-acid battery by a lithium-based battery has the following features and advantages. .
a. 본 발명의 재충전가능 배터리 모듈은 메인 제어 모듈, 직렬 및 병렬의 재충전 가능한 배터리 유닛, 충전 제어 스위치, 방전 제어 스위치, 방전 보조 스위치, 단일 배터리 전압 획득 모듈, 배터리 모듈의 전류 획득 모듈 및 포트 커패시터를 포함하며, 도 2, 3 및 4에서 설명한다. a. The rechargeable battery module of the present invention includes a main control module, a series and parallel rechargeable battery unit, a charge control switch, a discharge control switch, a discharge auxiliary switch, a single battery voltage acquisition module, a current acquisition module of the battery module, and a port capacitor and will be described with reference to FIGS. 2, 3 and 4 .
b. 도 2 내지 4에서 후술하는 바와 같이, 재충전가능 배터리 모듈은 출력 포트를 통해 납산 배터리 충전기 및/또는 납산 배터리 부하에 접속된 부하에 직접 전기적으로 접속된다. b. 2 to 4 , the rechargeable battery module is directly electrically connected to a lead-acid battery charger and/or a load connected to a lead-acid battery load through an output port.
c. 메인 제어 모듈은 PWM 출력과 C66의 전압 평활화 기능에 의해 제어되는 방전 모듈의 개폐를 통하여 출력 포트에서 납산 배터리의 정상 동작 전압을 가능하게 하므로, 도 4 및 관련 설명에서 명백한 바와 같이, 재충전 가능한 배터리 모듈과 협력하기 위해 납산 배터리 시스템의 충전 시스템을 가능하게 할 것이다. c. The main control module enables the normal operating voltage of the lead-acid battery at the output port through the PWM output and the opening and closing of the discharge module controlled by the voltage smoothing function of C66, so as is evident from Fig. 4 and related description, the rechargeable battery module will enable the charging system of lead-acid battery systems to collaborate with
d. 메인 제어 모듈은 또한 직렬 부하의 부분 부하와 포트 부하를 통해 방전 보조 스위치의 개폐를 제어하여 출력 포트에서 납산 배터리의 정상 작동 전압을 가능하게하며, 도 2 및 관련 설명에서 명백한 바와 같이, 오리지널 납산 배터리 시스템을 가능하게 하여서 재충전 가능한 배터리 모듈을 식별하고 수용하도록 한다. d. The main control module also controls the opening and closing of the discharge auxiliary switch through the partial load of the series load and the port load to enable the normal operating voltage of the lead-acid battery at the output port, as is clear from Fig. 2 and related description, the original lead-acid battery Enables the system to identify and accept rechargeable battery modules.
e. 기본 제어 모듈은 도 4 및 관련 설명에서 설명하는 바와 같이, 충전식 배터리 모듈을 모방하여 충전 과정에서 납산 배터리(lead-acid battery)의 전압 및 전류 특성을 시뮬레이션하고, 원래의 납산 배터리 시스템이 충전가능 배터리 모듈을 식별하여 허용할 수 있도록, PWM에 의해 충전 및 제어 스위치 켜기 및 끄기를 제어한다. e. The basic control module simulates a rechargeable battery module to simulate the voltage and current characteristics of a lead-acid battery in the charging process, as described in FIG. 4 and related description, and the original lead-acid battery system is a rechargeable battery The charging and control switches on and off are controlled by PWM to identify and allow the module.
f. 이차 충전가능 배터리 모듈의 방전 제어 스위치는 도 2에 도시된 바와 같이 다이오드와 병렬로 연결된다. 충전 모드에서, 방전 제어 스위치는 분리되고, 충전 전류가 다이오드를 통해 흘러서, 배터리가 충전될 때 병렬로 사용되는 배터리들 사이의 상호 격리를 실현하도록 한다. 전류가 설정된 다이오드 작동 전류 제한(IREF)보다 큰 경우, 비교기 (U11A)는 다이오드 전류가 범위를 벗어나 흐르는 것을 방지하기 위해 방전 스위치를 개방하도록 동작한다; 전류가 IREF보다 작으면, 병렬로 연결된 배터리 모듈들 사이의 상호 충전을 방지하기 위해 방전 제어 스위치가 자동으로 꺼진다. f. The discharge control switch of the secondary rechargeable battery module is connected in parallel with the diode as shown in FIG. 2 . In the charging mode, the discharge control switch is disconnected, allowing the charging current to flow through the diode to realize mutual isolation between the batteries used in parallel when the batteries are being charged. When the current is greater than the set diode operating current limit IREF, comparator U11A operates to open the discharge switch to prevent the diode current from flowing out of range; When the current is less than IREF, the discharge control switch is automatically turned off to prevent mutual charging between parallel-connected battery modules.
g. 이차 재 충전가능 배터리 모듈의 충전 제어 스위치는 도 2에서 도시한 바와 같이 다이오드와 병렬로 연결된다. 상기 방전 모드에서, 충전 제어 스위치는분리되고, 상기 방전 전류가 다이오드를 통해 흘러서 병렬로 연결된 배터리들 사이의 상호 격리를 실현한다. 배터리 모듈의 방전 전류가 다이오드 작동 전류 제한(IREF)보다 클 때, 비교기 U11B는 다이오드 전류가 허용 범위를 초과하지 않도록 방전 스위치를 켠다. 전류가 IREF보다 작으면 병렬로 연결된 배터리 모듈 간의 방전을 방지하기 위해 충전 제어 스위치가 자동으로 꺼진다. g. The charge control switch of the secondary rechargeable battery module is connected in parallel with the diode as shown in FIG. 2 . In the discharging mode, the charge control switch is disconnected, and the discharging current flows through the diode to realize mutual isolation between the batteries connected in parallel. When the battery module's discharge current is greater than the diode operating current limit (IREF), comparator U11B turns on the discharge switch so that the diode current does not exceed the allowable range. When the current is less than IREF, the charge control switch is automatically turned off to prevent discharge between paralleled battery modules.
도 1a의 다이어그램(100)은 본 발명의 목적을 설명한다. 연결 다이어그램(100)은 전원(도시되지 않음) 및 납산 배터리(104)에 연결된 충전기(102)를 도시하고, 이는 부하(도시되지 않음)에 연결된다. 본 발명의 시스템은 동일한 충전기(102)가 사용되는 동안 납산 배터리(104)를 리튬-이온 배터리(106)로 대체할 수 있도록 한다. 납산 배터리(104)를 리튬-이온 배터리(106)로 교체 할 때, 교체용 리튬-이온 배터리(106)는 정상 작동 전압 내에서 납산 배터리(104)로서 동작해야하며, 충전기(102) 및 부하(도시되지 않음)가 납산 배터리와 인터페이스하고 있다고 여겨지도록 한다.The diagram 100 of FIG. 1A illustrates the purpose of the present invention. Connection diagram 100 shows
도 1b는 교체 리튬-이온 배터리(106)의 아키텍처(150)를 도시한다. 교체 리튬-이온 배터리(106)는 배터리 관리 시스템(154)에 연결된 복수의 배터리 셀(152)로 구성된다. 배터리 관리 시스템(154)은 충전 감지 유닛(156), 충전 제어 유닛(158) 및 방전 제어 유닛(160)을 갖는다. 배터리 관리 시스템(154)은 감지 유닛(156)을 통해 배터리 셀(152)의 출력 커넥터(162, 164)에서의 전압 및 전류 그리고 베터리 셀 각각에서의 전압 및 온도를 또한 모니터링한다. 배터리 관리 시스템(154)은 또한 출력 커넥터(166, 168)에 전달된 전압을 모니터링한다. 배터리 관리 시스템(154)의 감지 유닛(156), 충전 제어 유닛(158) 및 방전 제어 유닛(160)은 제어기에 의해 제어된다. 1B shows the
방전 동안, 리튬-이온 배터리의 전압이 특정 레벨 아래로 떨어질 때, 리튬-이온 배터리는 정상적인 배터리 보호 절차의 일부로서 임의의 전압의 출력을 정상적으로 차단하고, 중단하며, 납산 배터리의 전압 강하는 연속적이며 납산 배터리는 출력 전압을 차단시키지 않는다. 리튬-이온 배터리가 납산 배터리를 에뮬레이트하기 위해, 리튬-이온 배터리는 출력 커넥터(162, 164)에서의 전압 레벨이 낮더라도 출력 전압을 제공할 필요가있다. 이러한 에뮬레이션을 달성하기 위해, 출력 커넥터(162, 164)에서의 출력 전압이 임계 레벨 아래로 떨어질 때, 방전 제어 유닛(160)은 납산 배터리 출력 전압을 에뮬레이트하는 출력 커넥터(166, 168)에서 출력 전압을 전달하도록 활성화된다. During discharge, when the voltage of the lithium-ion battery drops below a certain level, the lithium-ion battery normally cuts off and stops the output of any voltage as part of the normal battery protection procedure, and the voltage drop of the lead-acid battery is continuous and Lead-acid batteries do not block the output voltage. For a lithium-ion battery to emulate a lead-acid battery, the lithium-ion battery needs to provide an output voltage even if the voltage level at the
배터리 충전 프로세스 동안, 배터리 셀(152)로 가해지는 손상을 막기 위해 출력 커넥터(162, 164)에서의 전압이 일정 레벨 이상일 때, 리튬-이온 배터리는 터미널(166 및 168)로의 연결을 차단함으로써 충전 프로세스를 중단시키고, 그러는 동안 납산 배터리는 상기 배터리 셀(152)들 사이의 연결을 출력 단자로 계속해서 제공하도록 할 것이다. 에뮬레이션 목적을 위해, 출력 커넥터(162, 164)에서의 전압이 미리 정해진 임계 레벨을 초과하는 경우, 이는 배터리 셀이 거의 완전히 충전됨을 의미하며, 충전 제어 유닛(158)은 배터리 셀(152)이 큰 전압을 출력하고 이웃 배터리 셀을 충전함을 막도록 활성화된다. During the battery charging process, when the voltage at the
납산 배터리의 뱅크를 복수의 리튬-이온 배터리의 뱅크로 교체할 때, 이들 리튬-이온 배터리의 제어는 문제가 될 수 있다. 리튬이온 배터리의 내부 저항이 작기 때문에 배터리 간의 충전 상태의 차이로 인해 복수의 리튬이온 배터리의 직접 병렬 연결을 제어하기가 어려울 수 있으며, 한 배터리의 충전 및 방전 전류가 또 다른 배터리에 손상을 줄 수 있다. 본 발명의 배터리 관리 시스템은 리튬-이온 배터리가 납산 배터리의 특성을 에뮬레이트 할 수 있게하여, 리튬-이온 배터리에 의해 그리고 충전기 및 기타의 장치 재사용에 의해 납산 배터리를 직접 교체할 수 있게 한다. When replacing a bank of lead-acid batteries with a bank of multiple lithium-ion batteries, the control of these lithium-ion batteries can be problematic. Because of the small internal resistance of lithium-ion batteries, it can be difficult to control the direct parallel connection of multiple lithium-ion batteries due to the difference in the state of charge between the batteries, and the charging and discharging currents of one battery can damage another. have. The battery management system of the present invention enables lithium-ion batteries to emulate the characteristics of lead-acid batteries, allowing direct replacement of lead-acid batteries by lithium-ion batteries and by reusing chargers and other devices.
기존의 납산 배터리 시스템의 충전기는 일반적으로 먼저 배터리 전압을 점검하고, 배터리 전압이 납산 배터리의 정상 범위에있을 때만 충전 시퀀스가 시작된다. 납산 배터리가 충전기에 직접 연결되어 있기 때문에 납산 배터리는 납산 배터리와 충전기를 보호하기위한 방법으로 위의 접근 방식을 채택한다. 납산 배터리는 또한 과충전 및 과방전으로부터 보호되어야 하며, 이러한 보호를위한 일반적인 방법은 충전기와 부하에서 분리하는 것이다. 리튬-이온 배터리의 과충전 및 과방 전은 유사한 안전 문제를 제기한다. The charger in a conventional lead-acid battery system usually first checks the battery voltage, and the charging sequence starts only when the battery voltage is in the normal range of the lead-acid battery. Because the lead-acid battery is directly connected to the charger, the lead-acid battery adopts the above approach as a way to protect the lead-acid battery and the charger. Lead-acid batteries must also be protected against overcharging and overdischarging, and a common method for such protection is to disconnect them from the charger and load. Overcharging and overdischarging of lithium-ion batteries pose similar safety concerns.
리튬이온 배터리가 기존의 납산 배터리 충전기와 함께 안정적으로 사용될 수 있도록하기 위해, 배터리 관리 시스템은 리튬이온 배터리의 충전을 제어하기 위해 타이밍 펄스 제어 기술을 사용한다. 본 발명의 배터리 관리 시스템은 또한 출력 단자에서 주기적으로 전압 출력을 가능하게하는 타이밍 제어 모드를 사용하여 충전기가 배터리를 검출할 수 있도록 한다. 예를 들어, 배터리 관리 시스템은 240 초마다 방전 회로를 10 초 동안 개방한다. 배터리의 충전량이 적을 때 연속 출력 대신 주기적 출력을 활성화하면 리튬이온 배터리의 수명이 길어질 수 있다. 배터리 관리 시스템은 저항과 MOSFET을 사용하여 PWM(pulse-width-modulation) 모드(펄스 모드)를 통해 출력 전압을 에뮬레이트하여, 납산 배터리의 출력 전압과 유사한 출력 전압이 리튬이온 배터리의 출력 단자에서 이용될 수 있도록 한다. 배터리 관리 시스템은 리튬 배터리가 저전압 보호 상태에 진입할 때 리튬 배터리가 펄스 모드로 출력 전압을 주기적으로 활성화하여 리튬 배터리 교체를 제어함으로써, 리튬 배터리가 충전될 때까지 리튬 배터리가 충전량을 절약하고 연장된 시간 동안 작동 할 수 있도록 한다. To ensure that lithium-ion batteries can be reliably used with conventional lead-acid battery chargers, the battery management system uses timing pulse control technology to control the charging of lithium-ion batteries. The battery management system of the present invention also uses a timing control mode that enables periodic voltage output at the output terminal to allow the charger to detect the battery. For example, the battery management system opens the discharge circuit for 10 seconds every 240 seconds. Enabling periodic output instead of continuous output when the battery's charge is low can prolong the life of the lithium-ion battery. The battery management system uses resistors and MOSFETs to emulate the output voltage through PWM (pulse-width-modulation) mode (pulse mode) so that an output voltage similar to that of a lead-acid battery is used at the output terminal of a lithium-ion battery. make it possible The battery management system controls lithium battery replacement by periodically activating the output voltage of the lithium battery in pulse mode when the lithium battery enters the low-voltage protection state, so that the lithium battery can save the charge and extend the allow it to work for hours.
본 발명의 배터리 관리 시스템은 리튬 배터리의 배터리 셀과 직렬로 연결된 MOSFET 충전 제어 유닛(158) 및 MOSFET 방전 제어 유닛(160)을 사용한다. 리튬 배터리를 충전할 때, 충전 제어 유닛 (158)을 위한 MOSFET만이 켜지므로, 병렬로 연결된 리튬이온 배터리 셀의 충전이 실현될 수 있고, 병렬로 연결된 리튬이온 배터리들 사이의 충전 및 방전이 방지 될 수 있으며, 각 리튬 배터리의 독립성이 보장되도록 한다. 이와 유사하게, 방전 프로세스 동안, 방전 제어 유닛(160)을 위한 MOSFET만이 직렬 회로에서 켜지고(turn on), 배터리들 사이의 충전 및 방전이 회피될 수 있다. The battery management system of the present invention uses a MOSFET
납산 배터리 뱅크를 리튬-이온 배터리 뱅크로 교체 할 때, 납산 배터리과 유사한 전압 레벨을 갖는 여러 개의 리튬-이온 배터리가 병렬로 연결되고 과충전 방지 회로가 사용되어서, 납산 배터리 충전기가 과충전 없이 리튬이온 배터리 팩에 대한 충전을 완료 할 수 있다. When replacing a lead-acid battery bank with a lithium-ion battery bank, several lithium-ion batteries with a voltage level similar to that of lead-acid batteries are connected in parallel and an overcharge protection circuit is used, so that the lead-acid battery charger can be connected to the lithium-ion battery pack without overcharging. charging can be completed.
도 2는 본 발명에 따른 한 배터리 팩에 대한 배터리 충방전 제어 시스템의 아키텍처(200)이다. 도 2는 한 배터리에 대한 제어를 도시하고, 복수의 배터리가 조합되어 배터리 뱅크를 형성하도록 한다. 각 배터리는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀(202)로 구성된다. 이들 배터리 셀은 레벨 시프터(204)를 통해 개별적으로 모니터링되며, 레벨 시프터(204)는 각 배터리 셀의 전압 및 온도 정보를 제어기(216)로 전송한다. 상기 제어기(216)는 어드레스 선택을 통해 모니터링 할 셀을 지정할 수 있다. 복수의 배터리는 배터리 각각의 2 개의 커넥터(218, 220)를 통해 충전기(도시되지 않음)에 병렬로 연결된다. 배터리가 병렬로 연결되어 있고 배터리마다 전압이 다를 수 있으므로, 한 배터리가 다른 배터리로 충전되지 않도록 특별히주의해야 한다. 이 같은 방지는 충전 제어 유닛 MOSFET(210) 및 방전 제어 유닛 MOSFET(212)에 의해 달성된다. 충전 프로세스 동안, 충전 제어 MOSFET(210)은 충전 프로세스의 상태에 따라 ON 또는 OFF이고, 방전 제어 유닛 MOSFET(212)은 항상 ON이다. 충전 전류가 작은 경우, 충전 전류는 충전 제어 유닛 MOSFET(210)에 병렬로 연결된 다이오드를 통과하고; 충전 전류가 큰 경우, 충전 제어 MOSFET(210)는 충전 스위치(208)에 의해 턴온되어, 큰 충전 전류가 충전 제어 MOSFET(210)을 통과하고 다이오드(210)의 과열이 방지되도록 한다. 충전 스위치(208)는 충전 전압을 기준 전압과 비교하고 전압 차이가 미리 결정된 차이를 초과하면 충전 제어 MOSFET(210)을 턴온 시킨다. 충전 제어 MOSFET(210)이 턴온 된 후, 큰 충전 전류는 충전 제어 MOSFET (210)을 통과한다. 충전 동작의 시작시에, 배터리 셀(202)에서의 전압이 낮고 배터리 셀(202)과 기준 전압의 차이가 클 때 충전 스위치(208)는 MOSFET(210)를 켜고, 따라서 큰 충전 전류는 통과한다. 배터리 셀(202)들이 충전됨에 따라, 배터리 셀(202)들과 기준 전압 사이의 전압 차가 작고, 충전 스위치(208)는 MOSFET(210)를 턴 오프하며, 그리고 작은 충전 전류가 MOSFET(210)에 병렬로 연결된 다이오드를 통과한다. 2 is an
방전 전류가 작은 경우, 방전 전류는 방전 제어 MOSFET(212)에 병렬로 연결된 다이오드를 통해 흐른다. 방전 전류가 큰 경우, 다이오드의 과열 및 열화를 방지하기 위해, 방전 제어 MOSFET(212)는 방전 스위치(214)에 의해 턴온되고, 방전 전류는 방전 제어 MOSFET(212)을 통해 흐른다. 미리 정의된 기준 전압과 배터리 셀(202)로부터의 전압 사이의 방전 스위치(214)에 의해 측정된 전압 차이가 미리 정의된 값보다 큰 경우에는 상기 방전 제어 MOSFET(212)가 턴온된다. When the discharge current is small, the discharge current flows through a diode connected in parallel to the
본 발명의 시스템은 또한 방전 동안 배터리 팩 사이의 상호 충전을 방지한다. 방전하는 동안, 배터리가 다른 이웃 배터리보다 더 높은 전압 및 전류를 갖는 경우, 더 낮은 방전 전류를 갖는 배터리는 방전 MOSFET(212)가 턴 오프 되도록 하고 작은 방전 전류가 방전 MOSFET(212)와 병렬로 연결된 다이오드를 통과하므로, 더 높은 전압을 갖는 다른 배터리 팩에 의한 배터리의 충전이 방지된다. The system of the present invention also prevents mutual charging between battery packs during discharge. During discharge, if the battery has a higher voltage and current than other neighboring batteries, the battery with the lower discharge current causes the
도 3은 제어기(216)의 아키텍쳐(300)를 도시한다. 상기 제어기(216)는 상태 디스플레이 유닛 (302), 활성화 유닛 (304), 레벨 시프팅 유닛(308), 통신 유닛(312), 션트 저항기(310), 스위칭 제어기(314), 메인 제어기(306)를 갖는다. 제어기(216)는 연결 포트(316)를 통해 외부 세계와 통신한다. 메인 제어기(306)는 통신 유닛(312)을 사용하여 명령을 수신하고 다른 장치로 데이터를 전송할 수 있다. 상태 디스플레이 유닛(302)은 LED 디스플레이 또는 다른 적절한 수단일 수 있다. 활성화 유닛(304)은 명령을 수신하고 명령을 메인 제어기(306)로 전송한다. 레벨 시프팅 유닛(308)은 레벨 시프터(204)를 연결 및 제어한다. 션트 저항기 유닛(310)은 션트 저항기(206)를 연결 및 제어한다. 메인 제어기(306)는 스위칭 제어기(314)를 통해 충전 제어 MOSFET(214) 및 방전 제어 MOSFET(208)를 제어한다. 상기 사용자 인터페이스 유닛(318)은 사용자가 배터리를 보호 모드로부터 깨우거나 보호 모드의 설정을 조정하는 명령을 입력할 수 있게한다. 저장 유닛(320)은 소프트웨어 명령 프로그램 및 데이터를 저장한다. 메인 제어기(306)는 배터리 관리 시스템을 제어하기 위해 소프트웨어 명령 프로그램을 실행한다. 3 shows an
도 2의 배터리 충방전 제어 시스템은 도 4에서 도시된 바와 같이 배터리 충전기(412)에 연결된다. 충전기(412)는 외부 전원(416) 및/또는 전원 회복 시스템(418)과 같은 전원에 연결된다. 플러그인 전원 콘센트일 수 있는 외부 전원(416) 및 전력 복구 시스템(418)은 골프 카트의 구동 시스템에 의해 재생된 전력을 캡처하는 시스템일 수 있다. 리튬 배터리가 전기 모터와 같은 부하에 연결될 때, 배터리 셀(202)에 의한 전류의 전달은 방전 제어 MOSFET(212)에 의해 제어된다. 충전기(412)가 배터리 셀(202)을 충전하기 위해 외부 전원에 연결될 때, 충전 동작은 충전 제어 MOSFET(210)에 의해 제어된다. The battery charge/discharge control system of FIG. 2 is connected to the
본 발명의 배터리 충방전 제어 시스템은 리튬 배터리에 의한 납산 배터리의 원활한 교체를 제공하고 이러한 목적을 달성하기 위해 리튬 배터리가 충방전 작업 중에 납산 배터리에서와 유사한 방식으로 동작할 것이 필요하다. 납산 배터리가 정상적으로 작동하는 동안 납산 배터리의 출력 전압은 충전기 작동과 부하에 영향을 미친다. 리튬 배터리가 납산 배터리를 대체하는 경우 리튬 배터리의 출력 전압이 비슷해야 한다. The battery charge/discharge control system of the present invention provides a smooth replacement of the lead-acid battery by the lithium battery, and in order to achieve this purpose, it is necessary that the lithium battery operates in a manner similar to that of the lead-acid battery during the charging and discharging operation. During normal lead-acid battery operation, the lead-acid battery's output voltage affects the charger operation and load. When a lithium battery replaces a lead-acid battery, the output voltage of the lithium battery should be similar.
납산 배터리가 부하에 전류를 계속 공급함에 따라 납산 배터리의 출력 전압이 저하된다. 납산 배터리 48V의 경우 정상 작동 범위는 36V ~ 57.6V이고, 납산 배터리 24V의 경우 정상 작동 범위는 18V ~ 28.8V이다. 따라서 교체 리튬 배터리도 이 범위 내에서 작동한다. 그러나 리튬 배터리의 출력 전압이 특정 임계 값 아래로 떨어지면, 리튬 배터리는 부족 전압 보호 (UVP) 모드로 들어가고, 출력 전압 또는 전류가 특정 레벨 아래로 떨어지면 출력을 턴 오프 한다. 일반적으로 리튬 배터리가 UVP 모드로 전환되고 출력이 차단되면, 상기 부하 또는 충전기가 출력 전압을 감지할 수 없으며, 결과적으로 충전기 또는 부하가 정상적으로 작동 할 수 없다. 유사하게, 충전 동작 동안 리튬 배터리에서의 전압이 특정 임계 값을 초과하면, 리튬 배터리는 과전압 보호 (OVP) 모드로 들어가서 입력을 턴 오프 한다. 리튬 배터리 각각이 UVP 모드 또는 OVP 모드로 들어가는 전압 레벨은 리튬 배터리 각각의 특성에 따라 다르다. As the lead-acid battery continues to supply current to the load, the lead-acid battery's output voltage drops. For lead-acid battery 48V, the normal operating range is 36V to 57.6V, and for lead-acid battery 24V, the normal operating range is 18V to 28.8V. Therefore, replacement lithium batteries also operate within this range. However, when the output voltage of the lithium battery falls below a certain threshold, the lithium battery goes into undervoltage protection (UVP) mode, turning off the output when the output voltage or current falls below a certain level. In general, when a lithium battery is switched to UVP mode and the output is cut off, the load or charger cannot sense the output voltage, and as a result, the charger or load cannot operate normally. Similarly, if the voltage at the lithium battery exceeds a certain threshold during the charging operation, the lithium battery goes into overvoltage protection (OVP) mode to turn off the input. The voltage level at which each lithium battery enters the UVP mode or OVP mode depends on the characteristics of each lithium battery.
리튬 배터리가 납산 배터리 시스템과 호환되는 방식으로 동작할 수 있도록하기 위해, 본 발명의 배터리 관리 시스템은 리튬 배터리가 납산 배터리 정상 동작 범위에 있는 출력 전압을 발생시키도록 할 필요가 있으며, 이는 리튬 배터리가 보호 모드에있는 동안 리튬 배터리의 출력 전압을 적응할 수 있도록 가능하게하는 배터리 관리 시스템에 의해 달성된다. 제어기(216)는 도 4에 도시된 회로를 통해 납산 배터리의 정상 동작 범위에서 시뮬레이션 출력 전압을 가능하게 한다. 상기 시뮬레이션 출력 전압을 제공함으로써, 충전 동작이 가능 해지고 충전기(412)는 리튬 배터리 셀(202)을 충전 할 수 있을 것이다. 상기 충전 동작은 전술한 바와 동일하다. 유사하게, 제어기(216)는 또한 리튬 배터리가 납산 배터리와 유사한 방식으로 방전될 수 있게하는 시뮬레이션 출력 전압을 가능하게 할 것이다. In order for the lithium battery to operate in a manner compatible with the lead-acid battery system, the battery management system of the present invention requires the lithium battery to generate an output voltage that is within the lead-acid battery normal operating range, which means that the lithium battery This is achieved by the battery management system, which makes it possible to adapt the output voltage of the lithium battery while in protection mode. The
리튬-이온 배터리가 보호 모드로 진입하고 커넥터(218 및 220)들 사이의 전압을 출력함을 중단할 때, 제어기(216)는 배터리가 PWM의 원리에 따라 간헐적으로 미리 정의된 출력 전압을 전달할 수있게 할 것이다. 상기 미리 정의된 출력 전압은 배터리의 특성에 따라 조정된다. 예를 들어, 방전 동안, 배터리 셀(202)의 출력 전압이 저항기(206)을 통한 전류에 의해 측정된 미리 정해진 레벨 아래로 떨어질 때, 배터리는 저전압 보호 모드로 들어가므로, 배터리 셀(202)은 완전히 고갈되지 않을 것이며, 따라서 손상되지 않을 것이다. 저전압 보호 모드에있을 때, MOSTFET(212)는 셧다운 (폐쇄)되고 전압이 출력되지 않는다. 제어기(216)는 에뮬레이터 MOSFET(402)를 제어하고 에뮬레이터 MOSFET(402)를 주기적으로 개방하여, 한 전압이 단자(218 및 220)에서 이용될 수 있도록 한다. 배터리 셀(202)로부터의 전류는 펄스 모드로 에뮬레이터 MOSFET(402) 및 저항기(404)를 통과한다. 커패시터(410)는 단자(218 및 220)들 사이의 전압 변동을 감쇠시키기 위해 사용된다. 제어기(216)는 에뮬레이터 MOSFET(402)의 제어를 조정하므로, 적절한 전압 및 전달되는 전압의 지속 시간은 리튬이온 배터리가 에뮬레이트하는 납산 배터리의 특성에 따라 조정될 수있다. 상기 출력 전압의 지속 시간 및 레벨은 제어기(216)에 의해 조정될 수 있다. 제어기(216)는 다음 방정식에 따라 제어 기능을 조정한다. When the lithium-ion battery enters the protection mode and stops outputting the voltage between the
제어(F) = (배터리 셀의 전압, 배터리 셀의 온도, 외부 전압, 배터리 셀 전류)Control(F) = (voltage of battery cell, temperature of battery cell, external voltage, current of battery cell)
배터리 셀 전압 - 배터리 셀 각각의 전압Battery cell voltage - the voltage of each battery cell
배터리 셀의 온도 - 배터리 셀 각각의 온도Temperature of the battery cells - the temperature of each of the battery cells
외부 전압 - 배터리의 출력 단자에서의 전압External Voltage - Voltage at the output terminal of the battery
배터리 셀 전류 - 저항기(206)에서 측정된 전류Battery cell current - current measured in
출력 단자(218 및 220)들 사이에 시뮬레이트 된 출력 전압을 제공함으로써, 상기 배터리는 배터리를 배터리 뱅크의 일부로 만들고 충전기에 의해 검출될 수 있도록 하며, 충전을 보존할 것이다. By providing a simulated output voltage between
또 다른 예에서, 충전 프로세스 동안, 배터리 셀(202)의 전압이 미리 정의된 레벨에 도달 할 때, 배터리는 과전압 보호 모드로 들어가고, 배터리 셀(202)은 과충전되지 않으며 손상되지 않는다. 과전압 보호 모드에 있을 때, MOSTFET(210)은 셧다운(폐쇄)되고 전압이 출력되지 않는다. 제어기(216)는 에뮬레이터 MOSFET(402)를 제어하고 에뮬레이터 MOSFET (402)를 주기적으로 개방하여, 단자(218 및 220)에서 전압이 이용될 수 있도록 한다. 배터리 셀(202)로부터의 전류는 펄스 모드로 에뮬레이터 MOSFET(402) 및 저항기(404)를 통과한다. 커패시터(410)는 단자(218 및 220)들 사이의 전압 변동을 감쇠시키기 위해 사용된다. 제어기(216)는 전술한 바와 유사한 방식으로 에뮬레이터 MOSFET(402)의 제어를 조정하여, 적절한 전압이 충전기에 의해 검출될 수 있도록 하고, 배터리는 계속하여 배터리 뱅크의 일부가 되도록 한다. In another example, during the charging process, when the voltage of the
도 5는 방전 동작의 흐름도(500)이다. 배터리가 부하에 연결되면, 배터리는 충전(the charge)을 부하로 전달한다(단계 502). 배터리가 부하를 구동함에 따라, 충전은 부하로 전달되고 배터리의 전압은 떨어진다. 배터리의 배터리 관리의 방전 제어 유닛은 단계(504)에서 출력 전압을 연속적으로 모니터링한다. 출력 전압이 미리 정해진 임계 레벨 아래로 떨어지면(단계 506), 배터리 관리 시스템의 방전 제어 유닛은 충전(전하) 전달 프로세스를 정지시키고(단계 508), 배터리 셀은 완전히 고갈되지 않고 손상되지 않을 것이다. 배터리가 부하 구동을 중단함에 따라, 상기 배터리 관리 시스템은 배터리가 저전압 보호 모드로 진입하도록 한다(단계 510). 이 같은 저전압 보호 모드에서, 배터리는 짧은 시간 동안 미리 정해진 전압을 펄스 모드로 출력할 것이며, 배터리 수명이 긴 시간으로 연장될 수 있도록 하고, 배터리가 나중에 충전기에 연결되는 때, 충전기가 배터리의 존재를 감지한 다음 충전 프로세스를 시작할 것이다. 5 is a
도 6은 충전 동작에 대한 흐름도(600)이다. 충전기는 배터리를 감지하고 충전 동작을 시작하기 전에 배터리가 예상되는 전기적 특성을 갖는지 확인한다(단계 602). 배터리 관리 시스템의 충전 제어 유닛은 배터리 셀을 지속적으로 모니터링하고 배터리 셀 전압을 점검하는 단계(604)를 포함한다. 배터리 셀 전압이 미리 정의된 임계 전압을 초과하면(단계 606), 배터리 관리 시스템의 충전 제어 유닛은 충전 프로세스를 정지시키고(단계 608), 출력 단자로부터 배터리 셀을 분리하고 출력 단자에서 전압을 에뮬레이트하는 단계를 포함함으로써, 과전압 보호 모드로 진입한다. 출력 단자가 충전기에 연결되어 있고 충전 전압이 높으면 배터리가 과전압 보호 모드가되어, 배터리 셀이 전압을 출력하지 못하도록 되며, 따라서 병렬로 연결된 다른 배터리의 충전이 방지되도록 한다. 6 is a
배터리가 충전을 고갈시키고 저전압 보호 모드로 진입 할 때, 배터리 관리 시스템은 배터리가 출력 단자에서 주기적으로 저전압을 출력할 수 있게한다. 저전압 보호 모드의 지속 시간을 제어하기 위해 타이머가 사용자 인터페이스 유닛(318)을 통해 사용자에 의해 설정될 수 있다. 타이머가 만료되면 배터리가 보호 모드를 종료하고 배터리 관리 시스템이 배터리를 셧다운 하므로 배터리 셀이 손상되지 않는다. 사용자는 사용자 인터페이스 유닛을 사용하여 출력 전압의 주파수를 설정할 수있어서, 배터리의 충전이 더 오랜 시간 동안 보존 될 수 있다. 선택적으로, 사용자는 사용자 인터페이스 유닛(318)을 사용하여 배터리를 셧다운 할 수 있다. 사용자는 또한 사용자 인터페이스 유닛을 사용하여 저전압 보호 모드로부터 배터리를 깨울 수 있다. 사용자는 사용자 인터페이스 유닛을 통해 선택함으로써 개별 배터리 셀 각각의 상태를 확인할 수 있고, 선택된 배터리 셀의 상태는 상태 디스플레이 유닛(302)에 의해 표시될 것이다. When the battery runs out of charge and enters the undervoltage protection mode, the battery management system allows the battery to periodically output a low voltage at the output terminals. A timer may be set by the user via the
도 7은 배터리 관리 시스템의 예시적인 동작(700)을 도시한다. 배터리 관리 시스템이 단자(218, 220)들에서 출력 전압을 검출할 때 미리 정해진 임계 전압 아래에 있으며(단계 702), 배터리 관리 시스템은 배터리를 저전압 보호 모드로 진입시킨다(단계 706). 상기 단자 전압이 사전에 정해진 임계 전압 이상이면, 배터리의 정상 동작이 계속될 것이다(단계 704). 저 전압 보호 모드에 있는 동안, 배터리 관리 시스템은 배터리가 저전압을 주기적으로 출력함으로써 납산 배터리를 에뮬레이트하게 할 것이다. 이 같은 버스트 저전압은 충전기가 배터리의 존재를 감지할 수 있게 하기 때문에 중요하다. 배터리 관리 시스템이 배터리가 충전기에 연결되어 있음을 검출하면, 즉, 출력 단자에서의 전압이 미리 결정된 전압보다 높은 경우(단계 708), 배터리 관리 시스템은 배터리가 저전압 보호 모드에서 나가도록 하며(단계714). 충전이 시작된다. 배터리가 저전압 보호 모드로 들어가면 타이머가 시작된다. 타이머가 만료되면(단계 710), 배터리 관리 시스템은 동작을 중지할 것이다(단계 712). 타이머는 배터리 셀의 완전한 고갈을 피하도록 사용되며, 따라서 배터리 셀의 손상을 피하도록 한다. 타이머 및 전압 출력의 주파수는 사용자 인터페이스를 통해 사용자에 의해 조정될 수 있다. 사용자는 출력 전압의 사용 빈도를 낮추고 타이머를 연장하도록 선택할 수 있으므로, 배터리는 상기 단자에서 출력 전압을 덜 자주 제공하지만 더 긴 시간 동안 제공할 것이다. 7 depicts an
저전압 보호 모드에있는 동안, 배터리 관리 시스템은 배터리가 보호 모드에 있음을 나타낼 것이다. 사용자는 사용자 인터페이스 유닛(318)을 통해 명령을 입력함으로써 배터리를 "웨이크 업"할 수 있다. 상기 웨이크 업 명령은 배터리 관리 시스템이 보호 모드를 중단하도록 지시할 것이다. While in low voltage protection mode, the battery management system will indicate that the battery is in protection mode. A user may “wake up” the battery by entering a command via
상태 디스플레이 유닛(302)은 LED 디스플레이에 연결되고 배터리 상태, 충전 단계, 작동 모드, 충전 상태 및 에러 코드를 표시 할 것이다. The
사용시, 본 발명의 배터리 관리 시스템이 장착된 리튬 배터리는 각각의 출력 커넥터(218, 220)를 통해 외부 부하에 병렬로 연결될 수 있으며, 따라서 큰 결합된 전류를 전달할 수 있다. 충전 프로세스 동안, 충전기(412)는 리튬 배터리 각각으로 충전 전류를 전달한다. In use, a lithium battery equipped with the battery management system of the present invention can be connected in parallel to an external load through the
충전 전류는 출력 커넥터(218), 배터리 셀(202), 션트 저항(206), MOSFET(210, 212)를 통해 흐르고 출력 커넥터(220)에서 빠져 나간다. 배터리 셀이 고갈될 때, 충전 전류는 일정한 전류이고 배터리 셀이 충전됨에 따라 충전 전류가 점차 감소한다. 충전 전류는 션트 저항(206)에 의해 검출되고, 션트 저항에서의 전압 강하는 MOSFET(210)를 제어하는 비교기(208)에서의 기준 전압과 비교된다. 충전 전류가 크고 전압 강하가 기준 전압보다 큰 경우, MOSFET(210)가 켜지고 충전 전류는 MOSFET (210)을 통해 흐른다. Charge current flows through
배터리 셀이 충전되어 충전 전류가 작은 경우, 비교기(208)는 션트 저항기(206)에서의 전압 강하가 작은 것을 검출하고, MOSFET(210)를 턴 오프한다. MOSFET(210)가 OFF이면, 작은 충전 전류가 MOSFET(210)에 병렬 연결된 다이오드를 통해 흐른다. 충전 프로세스 동안, MOSFET(212)는 ON이다. MOSFET(210)이 OFF이고 작은 충전 전류가 다이오드를 통해 계속 흐르기 때문에, 이 같은 리튬 배터리가 우연히 방전되어 유사하게 연결된 인접 리튬 배터리를 손상시키는 것을 방지한다. When the battery cell is charged and the charging current is small, the
방전 프로세스동안, 방전 전류는 역방향으로 흐른다. 방전 전류는 배터리 셀(202)로부터 출력 커넥터(218), 외부 부하, 다시 출력 커넥터 (220), MOSFET(212, 210) 및 분로 저항기(206)를 통해 흐른다. 상기 방전 전류는 초기에 크고 점차적으로 감소한다. MOSFET(212)는 방전 전류가 클 때 ON이고, 션트 저항기(206)에 의해 검출된 방전 전류가 감소할 때 비교기(214)에 의해 턴 오프 될 것이다. 방전 프로세스 동안 MOSFET(210)는 온 상태이다. During the discharge process, the discharge current flows in the reverse direction. Discharge current flows from
방전 전류가 낮은 레벨로 떨어지면, 배터리 셀(202)에 대한 손상을 방지하기 위해, MOSFET(212)는 턴 오프되고 작은 방전 전류는 MOSFET(212)에 병렬로 연결된 다이오드를 통과한다. 상기 작은 전류는 충전기(412)가 리튬 배터리의 존재를 검출할 수 있게한다. 상기 설명한 바와 같이 PWM 모드 또는 PFM 모드에서 작은 전류가 출력될 수 있어서, 리튬 배터리의 저장 수명이 연장 될 수 있다.When the discharge current drops to a low level, to prevent damage to the
MOSFET(210, 212)은 리튬 배터리를 통해 흐르는 전류의 경로를 제어하고 그 동작은 제어기(216) 및 비교기(208, 214)에 의해 제어된다. MOSFET 동작은 아래 표에 요약될 수 있다.
방전 프로세스의 끝에서, 배터리 셀 각각이 고갈 될 때, MOSFET(210)는 오프 될 것이다. MOSFET(210)이 턴 오프됨에 따라, 전술한 바와 같이 에뮬레이터 MOSFET(402)가 주기적으로 펄스 모드로 턴 온되고, 저항(404, 406, 408)은 병렬로되어 전압을 출력 커넥터(218, 220)로 전달한다. 적절한 저항기를 선택함으로써, 리튬 배터리는 충전 프로세스를 시작하기 전에 충전기가 감지할 특정 전압을 에뮬레이션하도록 설계될 수 있다.At the end of the discharging process, when each of the battery cells is depleted, the
배터리가 제조된 후에 배송될 때, 배터리는 배송 모드로 설정 될 수 있고 단자(218, 220)에는 출력 전압이 없다. 배터리가 충전기(412)에 연결되면 배송 모드를 종료 할 것이다. 배터리가 배송 모드로부터 나갈 때, 전술한 바와 같이 에뮬레이터 MOSFET(402)는 주기적으로 펄스 모드로 ON되고, 펄스 모드의 주파수는 사용자 명령을 통해 조정될 수 있다. 펄스 모드를 조정하면 배터리의 수명을 연장할 수 있다. 출력 단자에서 전압이 이용될 수 있게 함으로써, 배터리가 사용 상태로 있게 되면 배터리의 가용성이 부하 또는 충전기에 의해 검출할 수 있다. 펄스 모드로 전압을 출력하는 기간은 전술한 바와 같이 타이머에 의해 조정될 수 있다. When the battery is shipped after it has been manufactured, the battery can be set to shipping mode and there is no output voltage at
본 발명의 배터리 관리 시스템은 도 4에 도시된 바와 같이 이동 차량 또는 골프 카트의 정지 동안 재포집된 에너지를 캡쳐하는 에너지 재생 유닛(418)에 추가로 결합될 수 있다. 에너지 재생 유닛(418)은 특정 동작 사이클에서 에너지를 소산하는 임의의 시스템에 조립될 수 있다. 소산된(dissipated) 에너지는 에너지 재생 유닛(418)에 의해 회수될 수 있고 재충전 가능 배터리를 충전하는데 사용된다. 충전기(412)는 외부 전원(416) (도시되지 않음) 또는 에너지 재생 유닛(418)으로부터의 에너지를 사용하여 재충전 가능 배터리를 충전할 수 있다. 에너지 재생 유닛(418)은 별개의 충전기에 선택적으로 연될 수 있고 스위치(도시되지 않음)는 외부 전원(416)에 연결된 충전기를 사용하거나 에너지 재생 유닛(418)으로부터의 재 포집된 에너지를 사용하여 배터리를 충전할 것인지를 선택하는데 사용된다. The battery management system of the present invention may further be coupled to an
에너지 재생 유닛(418)을 충전기(412)에 연결할지 여부에 대한 결정은 제어기(216)에 의해 제어되고, 제어기(216)는 모션 검출기(414)로부터 수신된 정보(모션 인디케이터) 및 에너지 재생 유닛(418)의 출력 포트에서 검출된 전압에 기초하여 그와 같은 결정을 한다. 모션 검출기(414) 및 제어기(216)는 단일 칩으로 또는 선택적으로 개별 장치로서 구현될 수 있다. 모션 검출기(414)는 그것이 장착된 차량이 이동 중인지 여부를 표시할 수 있다. The determination of whether to connect the
도 8은 모션 검출기(414)가 장착되고 에너지 재생 유닛(418)에 연결된 배터리 관리 시스템에 대한 재충전 동작의 흐름도(800)이다. 제어기(216)는 모션 검출기(414)로부터 차량 또는 골프 카트가 이동 중인가를 나타내는 데이터를 수신한다. 제어기(216)는 또한 에너지 재생 유닛(418)으로부터의 출력 전압을 모니터링한다(단계 804). 에너지 재생 유닛(418)으로부터의 출력 전압이 배터리의 충전 전압보다 작 으면(크지 않음)(단계 806), 재포집된 에너지가 없음을 나타내며, 그러면 어떠한 충전 동작도 필요하지 않다(단계 808). 에너지 재생 유닛(418)으로부터의 출력 전압이 배터리보다 큰 경우, 그러면 재충전 회로는 활성화되고(단계 810), 에너지 재생 유닛(418)이 충전기(412)에 연결된다. 재충전 회로는 충전기(412) 내에 있다. 차량이 이동 중인지 여부를 검사한다(단계 812). 차량이 이동중인 경우, 에너지 재생 유닛(418)은 충전기(412)에 연결되고(단계 814), 에너지 재생 유닛(418)으로부터의 에너지는 배터리를 충전하는 데 사용된다(단계 818). 차량이 이동 중이 아니라면, 충전기(412)는 외부 전원에 연결되고(단계 816), 그리고 이 같은 전원으로부터의 전압을 사용하여 배터리를 충전한다. 도 8에 도시 된 단계들은 동일한 결과를 달성하기 위해 상이한 순서로 실행될 수 있다. 배터리 충전 전압에 대한 정보는 제어기(216)에 연결된 저장 유닛으로부터 검색되거나 배터리로부터 검색될 수 있다. 8 is a flow diagram 800 of a recharge operation for a battery management system equipped with a
도 9는 충전 프로세스를 정지시키는 동작에 대한 흐름도(900)이다. 배터리가 에너지 재생 유닛(418)으로부터의 재포집된 에너지로 충전되는 동안, 제어기(216)는 에너지 재생 유닛(418)으로부터의 출력 전압을 지속적으로 모니터링한다. 에너지가 소비됨에 따라, 에너지 재생 유닛(418)으로부터의 출력 전압은 떨어진다. 출력 전압이 배터리의 충전 전압보다 높은 경우, 충전 동작은 계속된다(단계 904). 출력 전압이 충전 전압 아래로 떨어지면(단계 902), 제어기(216)는 충전기(412)에게 재충전 회로를 차단하고 에너지 재생 유닛(418)은 충전기(412)로부터 분리된다(단계 906). 배터리와 에너지 재생성 유닛(418) 사이의 연결이 차단되면 충전 동작이 중지된다. 9 is a flow diagram 900 for the operation of stopping a charging process. While the battery is being charged with the recaptured energy from the
에너지 재생 유닛(418)으로부터의 에너지를 사용하는 재충전 처리 동안, 과충전에 대한 배터리 셀의 동일한 보호가 도 과 관련 설명에 의해 상술된 바와 같이 제공된다.During the recharging process using energy from the
본 발명이 바람직한 실시 예를 참조하여 도시되고 설명되었지만, 당업자는 다음의 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한도에서 형태 및 세부 사항의 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 요소가 단수로 설명되거나 청구될 수 있지만, 단수에 대한 제한이 명시적으로 언급되지 않는 한 복수가 고려될 수 있다. 본 명세서의 상이한 실시 예에서 설명 된 상이한 특징의 조합은 예측 가능하고 본 발명의 범위 내에 있다. While the present invention has been shown and described with reference to the preferred embodiment, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the following claims. Also, although elements of the invention may be described or claimed in the singular, the plural may be contemplated unless limitations to the singular are explicitly stated. Combinations of different features described in different embodiments herein are foreseeable and are within the scope of the present invention.
도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 설명된 단계는 임의의 특정 동작 순서를 요구하거나 암시하지 않는다. 동작들은 순차적으로 또는 병렬로 실행될 수 있다. 이 같은 방법은 일련의 기계적 판독 가능 명령을 실행하는 제어기에 의해 구현될 수 있다. 상기 명령은 다양한 유형의 신호 베어링 또는 데이터 저장 매체에 존재할 수 있다.5-8, the steps described above do not require or imply any specific order of operations. The operations may be executed sequentially or in parallel. Such a method may be implemented by a controller executing a series of machine readable instructions. The instructions may reside in various types of signal bearing or data storage media.
Claims (17)
상기 리튬 배터리가 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀(202); 그리고 배터리 관리 유닛(154)을 포함하며, 상기 배터리 관리 유닛(154)이,
제어기(216); 복수의 배터리 셀(202) 및 상기 제어기(216)에 접속된 감지 유닛(156);
제1 MOSFET(210)과, 상기 제1 MOSFET과 병렬로 접속된 제1 다이오드를 갖고, 상기 제어기(216)에 접속되는 충전 제어 유닛(158);
제2 MOSFET(212)과, 상기 제2 MOSFET과 병렬로 접속된 제2 다이오드를 갖고, 상기 제어기(216)에 접속되는 방전 제어 유닛(160)를 포함하며;
감지 유닛(156, 208, 214)은 리튬 배터리(106)의 출력 단자 중 한 단자에 접속된 션트 저항기(206)에서 제 1 전압 강하를 감지하고,
제 1 전압 강하가 제 1 임계 전압을 초과하면, 상기 제1 MOSFET (210)은 턴온되며, 상기 제 1 전압 강하가 상기 제 1 임계 전압 이하로 떨어지면, 상기 제 1 MOSFET(210)은 턴 오프되고,
에뮬레이터 MOSFET(402)는 제어기(216)에 접속되며, 제어기(216)는 상기 방전 제어 유닛(160)과 충전 제어 유닛(158) 모두가 턴 오프되는 때 펄스 모드의 에뮬레이터 MOSFET(402)를 주기적으로 턴 온함을 특징으로 하는 복수의 출력 단자를 포함하는, 리튬 배터리. A lithium battery (106) comprising a plurality of output terminals, comprising:
a plurality of battery cells 202 to which the lithium batteries are connected in series; and a battery management unit 154, wherein the battery management unit 154 comprises:
controller 216; a plurality of battery cells (202) and a sensing unit (156) connected to the controller (216);
a charge control unit (158) having a first MOSFET (210) and a first diode connected in parallel with the first MOSFET and connected to the controller (216);
a discharge control unit (160) having a second MOSFET (212) and a second diode connected in parallel with the second MOSFET and connected to the controller (216);
The sensing unit (156, 208, 214) senses the first voltage drop across the shunt resistor (206) connected to one of the output terminals of the lithium battery (106),
When the first voltage drop exceeds the first threshold voltage, the first MOSFET 210 is turned on, and when the first voltage drop falls below the first threshold voltage, the first MOSFET 210 is turned off ,
An emulator MOSFET 402 is connected to a controller 216 which periodically turns the emulator MOSFET 402 in pulsed mode when both the discharge control unit 160 and the charge control unit 158 are turned off. A lithium battery comprising a plurality of output terminals characterized by turning on.
제 1 전압 강하가 제2 임계 전압 이하일 때 상기 제 2 MOSFET(212)가 오프인, 리튬 배터리.2. The method of claim 1, wherein a second MOSFET (212) is on when the first voltage drop is greater than or equal to a second threshold voltage, and
wherein the second MOSFET (212) is off when the first voltage drop is less than or equal to a second threshold voltage.
충전 과정 중에 납산 배터리(104)의 전압 및 전류 특성을 시뮬레이팅하며, 배터리 시스템이 재충전 가능 리튬 배터리(106) 모듈을 식별하고 받아들일 수 있도록 하는, 리튬 배터리. The method according to claim 6, wherein the lithium battery outputs a first output voltage of a pulse mode with a command received from the user, so as to mimic a rechargeable battery module;
A lithium battery that simulates the voltage and current characteristics of a lead-acid battery (104) during a charging process and allows the battery system to identify and accept a rechargeable lithium battery (106) module.
상기 리튬 배터리가 납산 배터리(104)를 에뮬레이트 하기 위해 복수의 배터리 셀(202); 제어기(216); 감지 유닛(156, 208, 214); 제1 MOSFET(210)를 갖는 충전 제어 유닛(158); 그리고 제2 MOSFET(212)를 갖는 방전 제어 유닛(160)을 가지며,
상기 감지 유닛(156, 208, 214)에 의해 상기 리튬 배터리(106)의 출력 단자에 연결된 션트 저항기(206)에서의 제1 전압 강하를 감지하는 단계;
상기 제1 전압 강하가 제1 임계 전압보다 높으면 상기 충전 제어 유닛(158)에 의해 상기 제1 MOSFET(210)를 턴 오프하는 단계;
상기 제1 전압 강하가 상기 제1 임계 전압보다 낮으면 상기 충전 제어 유닛(158)에 의하여, 상기 제1 MOSFET(210)를 턴 온하는 단계;
상기 제1 전압 강하가 제2 임계 전압보다 높으면 상기 방전 제어 유닛(160)에 의해 상기 제2 MOSFET(212)를 턴 온하는 단계; 그리고
상기 제1 전압 강하가 상기 제2 임계 전압보다 낮으면 상기 방전 제어 유닛(160)에 의해 상기 제2 MOSFET(212)를 턴 오프하는 단계를 포함하며,
상기 제1 MOSFET(210) 및 상기 제2 MOSFET(212)가 에뮬레이터 MOSFET(402)에 의해 턴 오프되면 한 출력 전압이 펄스 모드로 출력되는, 리튬 배터리 재충전 방법.A method of recharging a lithium battery (106), comprising:
a plurality of battery cells (202) for the lithium battery to emulate a lead-acid battery (104); controller 216; sensing units (156, 208, 214); a charge control unit 158 having a first MOSFET 210; and a discharge control unit 160 having a second MOSFET 212,
sensing a first voltage drop across a shunt resistor (206) connected to an output terminal of the lithium battery (106) by the sensing unit (156, 208, 214);
turning off the first MOSFET (210) by the charge control unit (158) if the first voltage drop is higher than a first threshold voltage;
turning on the first MOSFET (210) by the charge control unit (158) when the first voltage drop is lower than the first threshold voltage;
turning on the second MOSFET (212) by the discharge control unit (160) when the first voltage drop is higher than a second threshold voltage; and
turning off the second MOSFET (212) by the discharge control unit (160) if the first voltage drop is lower than the second threshold voltage;
When the first MOSFET (210) and the second MOSFET (212) are turned off by the emulator MOSFET (402), one output voltage is output in a pulsed mode.
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