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KR102734268B1 - Power system - Google Patents

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KR102734268B1
KR102734268B1 KR1020190089566A KR20190089566A KR102734268B1 KR 102734268 B1 KR102734268 B1 KR 102734268B1 KR 1020190089566 A KR1020190089566 A KR 1020190089566A KR 20190089566 A KR20190089566 A KR 20190089566A KR 102734268 B1 KR102734268 B1 KR 102734268B1
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KR
South Korea
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voltage
battery
precharge
power system
battery cells
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황규민
이병은
서정민
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에스케이온 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 전원 시스템은 전기적으로 연결되는 복수의 배터리셀을 포함하는 배터리팩과 부하를 연결하는 도선에 구비되는 메인 릴레이, 상기 메인 릴레이에 병렬로 연결되며, 발열체 및 프리차지 릴레이를 포함하는 프리차지부, 상기 복수의 배터리셀 및 상기 프리차지부와 연결되며, 상기 복수의 배터리셀로부터 상기 발열체로 전기 에너지를 전달하는 트랜스포머, 상기 복수의 배터리셀 각각과 상기 트랜스포머를 연결하는 복수의 셀 방전 스위치 및 상기 메인 릴레이, 상기 프리차지 릴레이 및 상기 셀 방전 스위치의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.A power system according to the present invention comprises a battery pack including a plurality of battery cells that are electrically connected, a main relay provided on a wire connecting a load, a precharge unit that is connected in parallel to the main relay and includes a heating element and a precharge relay, a transformer that is connected to the plurality of battery cells and the precharge unit and transmits electric energy from the plurality of battery cells to the heating element, a plurality of cell discharge switches that connect each of the plurality of battery cells and the transformer, and a control unit that controls operations of the main relay, the precharge relay, and the cell discharge switch.

Description

전원 시스템{Power system}Power system {Power system}

본 발명은 부하의 프리차지(precharge) 경로 및 복수의 배터리셀 간 전압 밸런싱(balancing) 경로에 배터리팩의 온도 상승을 위한 발열체가 구비된 전원 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a power system having a heating element for increasing the temperature of a battery pack in a precharge path of a load and a voltage balancing path between a plurality of battery cells.

고전압 배터리를 사용하는 전기 차량(EV)이나 하이브리드 차량(HEV)에 있어서, 차량 초기 동작시 메인 릴레이를 바로 부하 측에 연결하는 경우, 고전압에 의해 일시적으로 매우 큰 전류가 흐를 수 있다. 이러한 전류를 돌입전류라 하는데, 돌입전류가 흐르는 경우 부하 측의 인버터를 손상시키거나 메인 릴레이의 융착을 유발할 수 있어 문제가 된다.In electric vehicles (EV) or hybrid vehicles (HEV) that use high-voltage batteries, if the main relay is directly connected to the load side during initial operation of the vehicle, a very large current may flow temporarily due to the high voltage. This current is called inrush current, and if inrush current flows, it can damage the inverter on the load side or cause fusion of the main relay, which is a problem.

이에 따라 종래 돌입전류를 방지하기 위한 회로로서, 프리차지 저항 및 상기 프리차지 저항과 직렬로 연결된 프리차지 릴레이를 포함하는 프리차지 회로를 구비하고, 상기 프리차지 회로를 메인 릴레이와 병렬로 연결한 전원 시스템이 알려져 있다. Accordingly, a power system is known which comprises a precharge circuit including a precharge resistor and a precharge relay connected in series with the precharge resistor as a circuit for preventing inrush current, and which connects the precharge circuit in parallel with a main relay.

그러나 종래의 프리차지 회로는, 프리차지 저항이 차량의 초기 구동 시 외에는 쓰임새가 없으며, 전원 시스템 내에서 큰 부피를 차지한다는 점에서 문제점이 있다.However, conventional precharge circuits have problems in that the precharge resistor is not useful except during the initial operation of the vehicle and takes up a large volume within the power system.

일본 등록특허공보 제4735000호Japanese Patent Publication No. 4735000

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 별도의 프리차지 저항을 구비할 필요가 없는 전원 시스템을 제공하여, 전원 시스템을 소형화 및 경량화하는 것에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and its purpose is to provide a power system that does not require a separate precharge resistor, thereby miniaturizing and reducing the weight of the power system.

또한, 본 발명은 전압 밸런싱을 수행할 때의 전기 에너지를 이용하여 배터리팩의 온도를 높일 수 있는 전원 시스템을 제공하여, 차량의 배터리 관리 시스템(BMS; Battery Management System)을 보다 효율적으로 운용할 수 있도록 하는 것에 그 목적이 있다.In addition, the present invention aims to provide a power system capable of increasing the temperature of a battery pack by utilizing electric energy when performing voltage balancing, thereby enabling more efficient operation of a vehicle's battery management system (BMS).

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전원 시스템은, 복수의 배터리셀을 포함하는 배터리팩과 부하를 연결하는 도선에 구비되는 메인 릴레이; 상기 메인 릴레이에 병렬로 연결되며, 발열체 및 프리차지 릴레이를 포함하는 프리차지부; 상기 복수의 배터리셀 및 상기 프리차지부와 연결되며, 상기 복수의 배터리셀로부터 상기 발열체로 전기 에너지를 전달하는 트랜스포머; 상기 복수의 배터리셀 각각을 상기 트랜스포머에 연결하는 복수의 셀 방전 스위치; 및 상기 메인 릴레이, 상기 프리차지 릴레이 및 상기 셀 방전 스위치의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.In order to achieve the above object, a power system according to the present invention includes: a main relay provided on a wire connecting a battery pack including a plurality of battery cells and a load; a precharge unit connected in parallel to the main relay and including a heating element and a precharge relay; a transformer connected to the plurality of battery cells and the precharge unit and transmitting electric energy from the plurality of battery cells to the heating element; a plurality of cell discharge switches connecting each of the plurality of battery cells to the transformer; and a control unit controlling operations of the main relay, the precharge relay, and the cell discharge switch.

여기서, 상기 트랜스포머는, 각각의 배터리셀과 연결되는 복수의 1차 권선; 및 일단이 상기 프리차지부에 연결되고, 타단이 상기 배터리팩의 음극단자에 연결되는 2차 권선을 포함할 수 있다.Here, the transformer may include a plurality of primary windings connected to each battery cell; and a secondary winding having one end connected to the precharge unit and the other end connected to the negative terminal of the battery pack.

또한, 상기 셀 방전 스위치는 상기 복수의 1차 권선 각각과 직렬로 연결될 수 있다.Additionally, the cell discharge switch can be connected in series with each of the plurality of primary windings.

또한, 상기 제어부는 상기 프리차지 스위치를 온으로 제어하고, 상기 메인 릴레이, 상기 복수의 셀 방전 스위치를 오프로 제어하여, 상기 배터리팩의 전압을 상기 발열체를 통해 상기 부하에 프리차지시킬 수 있다.In addition, the control unit can control the precharge switch to turn on and the main relay and the plurality of cell discharge switches to turn off, thereby precharging the voltage of the battery pack to the load through the heating element.

또한, 상기 제어부는 상기 부하의 전압을 모니터링하여, 상기 배터리팩 전압과 상기 부하 전압의 차이값이 기 설정된 값 이하인 것으로 판단하면, 상기 메인 릴레이를 온으로 제어하고, 상기 프리차지 릴레이를 오프로 제어할 수 있다.In addition, the control unit can monitor the voltage of the load, and if it determines that the difference between the battery pack voltage and the load voltage is less than or equal to a preset value, control the main relay to turn on and control the precharge relay to turn off.

또한, 상기 제어부는 상기 배터리팩의 온도를 모니터링하여 기 설정된 값 이하인 것으로 판단하면, 상기 복수의 배터리셀 중 가장 전압이 높은 배터리셀을 선별하여 상기 선별된 배터리셀에 연결된 셀 방전 스위치에 PWM(Pulse width modulation) 신호를 인가할 수 있다.In addition, the control unit may monitor the temperature of the battery pack and, if it determines that the temperature is below a preset value, select a battery cell having the highest voltage among the plurality of battery cells and apply a PWM (Pulse Width Modulation) signal to a cell discharge switch connected to the selected battery cell.

또한, 상기 제어부는 상기 복수의 배터리셀 각각의 전압을 모니터링하여 전압 밸런싱이 필요한것으로 판단하면, 상기 복수의 배터리셀 중 가장 전압이 높은 배터리셀을 선별하여 상기 선별된 배터리셀에 연결된 셀 방전 스위치에 PWM 신호를 인가할 수 있다.In addition, the control unit may monitor the voltage of each of the plurality of battery cells, and if it determines that voltage balancing is necessary, select a battery cell having the highest voltage among the plurality of battery cells and apply a PWM signal to a cell discharge switch connected to the selected battery cell.

또한, 본 발명에 따른 전원 시스템은 상기 셀 방전 스위치와 상기 1차 권선이 연결되는 각각의 경로에 구비되는 1차 권선 다이오드를 더 포함할 수 있다.In addition, the power system according to the present invention may further include a primary winding diode provided in each path through which the cell discharge switch and the primary winding are connected.

또한, 본 발명에 따른 전원 시스템은 상기 2차 권선과 상기 프리차지부가 연결되는 경로에 구비되는 2차 권선 다이오드를 더 포함할 수 있다.In addition, the power system according to the present invention may further include a secondary winding diode provided in a path through which the secondary winding and the precharge unit are connected.

본 발명에 따른 전원 시스템에 의하면, 발열체를 통해 부하를 프리차지하기 때문에 별도의 프리차지 저항을 구비할 필요가 없으며, 이에 따라 전원 시스템의 소형화 및 경량화가 가능하다.According to the power system according to the present invention, since the load is precharged through a heating element, there is no need to have a separate precharge resistor, and thus the power system can be made smaller and lighter.

또한, 본 발명에 따른 전원 시스템에 의하면, 전압 밸런싱 경로에 발열체가 구비되어 있기 때문에, 복수의 배터리셀 간 전압 밸런싱을 수행할 때의 전기 에너지를 이용하여 배터리팩(10)의 온도를 높일 수 있게 된다. 이에 따라, 배터리 관리 시스템이 전압 밸런싱과 배터리팩의 온도를 동시에 운용할 수 있으므로, 배터리 관리 시스템을 보다 효율적으로 운용하는 것이 가능해진다.In addition, according to the power system according to the present invention, since a heating element is provided in the voltage balancing path, the temperature of the battery pack (10) can be increased by using electric energy when performing voltage balancing between a plurality of battery cells. Accordingly, since the battery management system can operate voltage balancing and the temperature of the battery pack simultaneously, it becomes possible to operate the battery management system more efficiently.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 시스템에 있어서 부하를 프리차지하는 경우의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 시스템에 있어서 전압 밸런싱이 필요한 경우 또는 배터리팩의 온도 상승이 필요한 경우의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a power system according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a drawing schematically illustrating the operation of a power system when precharging a load according to one embodiment of the present invention.
FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams illustrating operations when voltage balancing is required or when a temperature rise of a battery pack is required in a power system according to one embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 전원 시스템에 대해 상세하게 설명한다. 첨부한 도면들은 통상의 기술자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 어디까지나 예시적으로 제공되는 것으로서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들로 한정되지 않고 다른 형태로 얼마든지 구체화될 수 있다.Hereinafter, the power system according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. The attached drawings are provided only as examples so that the technical idea of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art, and the present invention is not limited to the drawings presented below and can be embodied in various other forms.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a power system according to one embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 전원 시스템은 메인 릴레이(100), 프리차지부(200), 트랜스포머(300), 셀 방전 스위치(411, 412, 413) 및 제어부(500)를 포함한다.A power system according to one embodiment of the present invention includes a main relay (100), a precharge unit (200), a transformer (300), a cell discharge switch (411, 412, 413), and a control unit (500).

메인 릴레이(100)는, 전기적으로 연결되는 복수의 배터리셀(11, 12, 13)을 포함하는 배터리팩(10)과 부하(30)를 연결하는 도선에 구비될 수 있다. 이 때, 전기적 연결은 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬의 조합 연결일 수 있다. A main relay (100) may be provided on a wire connecting a battery pack (10) including a plurality of battery cells (11, 12, 13) that are electrically connected to a load (30). At this time, the electrical connection may be a series, parallel, or a combination of series and parallel connections.

배터리셀(11, 12, 13)로는 충방전 가능한 2차 전지로서, 니켈-수소 전지 또는 리튬 이온 전지 등이 사용될 수 있다. 또한, 부하(30)에는 인버터, 구동 모터 등이 포함될 수 있다. 도 1에는 배터리셀(11, 12, 13)이 3개만 도시되었으나 2개 또는 4개 이상일 수 있음은 물론이다.The battery cells (11, 12, 13) may be rechargeable secondary batteries, such as nickel-hydrogen batteries or lithium-ion batteries. In addition, the load (30) may include an inverter, a driving motor, etc. Although only three battery cells (11, 12, 13) are shown in Fig. 1, it is obvious that there may be two or four or more.

메인 릴레이(100)가 온으로 동작하면 배터리팩(10)과 부하(30)가 직접 연결된다. 여기서 직접 연결된다는 것은 배터리팩(10)과 부하(30) 사이에 메인 릴레이(100)를 제외하고는 전압을 강하시키는 다른 회로소자가 포함되지 않은 것을 의미한다. 따라서 메인 릴레이(100)가 온으로 동작하면 배터리팩(10)의 고전압이 부하(30)에 바로 인가될 수 있다.When the main relay (100) is turned on, the battery pack (10) and the load (30) are directly connected. Here, direct connection means that no other circuit elements that lower the voltage are included between the battery pack (10) and the load (30) except for the main relay (100). Therefore, when the main relay (100) is turned on, the high voltage of the battery pack (10) can be directly applied to the load (30).

프리차지부(200)는 메인 릴레이(100)에 병렬로 연결되며, 발열체(210) 및 프리차지 릴레이(220)를 포함할 수 있다.The precharge unit (200) is connected in parallel to the main relay (100) and may include a heating element (210) and a precharge relay (220).

발열체(210)는 배터리셀(11, 12, 13)로부터 전기 에너지를 전달받아 배터리팩(10)의 온도를 상승시킬 수 있다. 여기서, 발열체(210)로는 저항성 발열체인 면상 발열체 등이 사용될 수 있다. The heating element (210) can receive electric energy from the battery cells (11, 12, 13) and increase the temperature of the battery pack (10). Here, a surface heating element, such as a resistive heating element, can be used as the heating element (210).

트랜스포머(300)는 배터리셀(11, 12, 13) 및 프리차지부(200)와 연결되며, 배터리셀(11, 12, 13)로부터 발열체(210)로 전기 에너지를 전달하는 역할을 한다.The transformer (300) is connected to the battery cells (11, 12, 13) and the precharge unit (200), and serves to transfer electric energy from the battery cells (11, 12, 13) to the heating element (210).

또한, 트랜스포머(300)는 배터리셀(11, 12, 13) 각각과 연결되는 복수의 1차 권선(311, 312, 313), 및 일단이 프리차지부(200)에 연결되고 타단이 배터리팩(10)의 음극단자(22)에 연결되는 2차 권선(320)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 트랜스포머(300)의 2차 권선(320)은 발열체(210)와 프리차지 릴레이(220) 사이에 연결될 수 있다. 따라서 프리차지 릴레이(220)가 오프로 동작하는 경우, 2차 권선(320)에 인가되는 전압에 의한 전기 에너지는 발열체(210)를 통해 배터리팩(10)으로 전달될 수 있게 된다.In addition, the transformer (300) may include a plurality of primary windings (311, 312, 313) each connected to a battery cell (11, 12, 13), and a secondary winding (320) having one end connected to the precharge unit (200) and the other end connected to the negative terminal (22) of the battery pack (10). More specifically, the secondary winding (320) of the transformer (300) may be connected between the heating element (210) and the precharge relay (220). Therefore, when the precharge relay (220) is operated in the off state, electric energy by the voltage applied to the secondary winding (320) may be transmitted to the battery pack (10) through the heating element (210).

트랜스포머(300)의 1차 권선(311, 312, 313) 및 2차 권선(320)은 공통의 코어에 감겨 있다.The primary windings (311, 312, 313) and secondary windings (320) of the transformer (300) are wound on a common core.

한편, 배터리셀 간의 충전 전압이 불균형하게 되면, 상대적으로 다른 배터리셀에 비해 전압이 낮은 배터리셀에 의해 전력 공급이 제한되기 때문에 전체 배터리팩(10)의 전력 공급 능력이 감소하는 문제가 생기게 된다. 이에 따라, 배터리팩(10)의 전원을 동력원으로 사용하는 차량의 배터리 관리 시스템에는 전압 밸런싱 기능을 수행하는 장치가 포함된다. Meanwhile, if the charging voltage between battery cells becomes unbalanced, the power supply capacity of the entire battery pack (10) is reduced because the power supply is limited by a battery cell with a relatively lower voltage than other battery cells. Accordingly, the battery management system of a vehicle that uses the power of the battery pack (10) as a power source includes a device that performs a voltage balancing function.

구체적으로 전압 밸런싱이란, 다른 배터리셀에 비해 기준값 이상으로 전압이 큰 배터리셀을 강제로 방전시켜 배터리셀 간의 전압 불균형을 해소하고 모든 배터리셀의 전압을 균일하게 만드는 것이다. 이러한 전압 밸런싱은 저항을 이용하여 전압이 높은 배터리셀의 전압을 방전시켜 충전 에너지를 소비시키는 방식인 패시브(Passive) 방식과, 전압이 높은 배터리셀의 전압을 전압이 낮은 배터리셀로 이동시키는 방식인 액티브(Active) 방식이 있다.Specifically, voltage balancing means forcibly discharging battery cells with voltages higher than the reference value compared to other battery cells to eliminate voltage imbalances between battery cells and make the voltages of all battery cells uniform. There are two types of voltage balancing: passive, which uses resistance to discharge the voltage of battery cells with high voltages and consume charging energy, and active, which moves the voltage of battery cells with high voltages to battery cells with low voltages.

트랜스포머(300)는 상기 액티브 방식의 전압 밸런싱을 수행하기 위해 구비될 수 있다. 구체적으로, 복수의 배터리셀(11, 12, 13) 중 가장 전압이 높은 배터리셀(11)에서 전압이 방전되면 전류가 제1 권선(311)으로 흐르게 되며, 제1 권선(311)과 제2 권선(320)의 권선비에 따라 제2 권선(320)에는 전압이 인가된다. 이후, 제2 권선(320)에 인가된 전압에 의한 전기 에너지는 발열체(210)를 통해 배터리팩(10) 전체에 전달된다. 이 때 전압이 낮은 배터리셀(12, 13)에 상대적으로 많은 전기 에너지가 전달되어 배터리셀(11, 12, 13) 간의 전압을 균일하게 만들게 된다. 즉, 전압이 높은 배터리셀(11)로부터 전압이 낮은 배터리셀(12, 13)로 전압을 이동시키는 액티브 방식의 전압 밸런싱이 이루어지게 되는 것이다.A transformer (300) may be provided to perform the above-described active type voltage balancing. Specifically, when the voltage is discharged from a battery cell (11) having the highest voltage among a plurality of battery cells (11, 12, 13), current flows to the first winding (311), and voltage is applied to the second winding (320) according to the turns ratio of the first winding (311) and the second winding (320). Thereafter, electric energy due to the voltage applied to the second winding (320) is transferred to the entire battery pack (10) through the heating element (210). At this time, relatively more electric energy is transferred to the battery cells (12, 13) having lower voltages, thereby making the voltage between the battery cells (11, 12, 13) uniform. That is, active voltage balancing is performed by moving the voltage from a high voltage battery cell (11) to a low voltage battery cell (12, 13).

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전압 밸런싱이 이루어지는 동안에 전기 에너지 중 일부가 발열체(210)에 전달되고, 이에 따라 발열체가(210)가 발열하게 되면서 배터리팩(10)의 온도를 상승시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, while voltage balancing is performed, some of the electric energy is transferred to the heating element (210), and as a result, the heating element (210) generates heat, thereby increasing the temperature of the battery pack (10).

셀 방전 스위치(411, 412, 413)는 상기 복수의 배터리셀(11, 12, 13) 각각과 트랜스포머(300)를 연결할 수 있다. 또한, 셀 방전 스위치(411, 412, 413)는 각각의 1차 권선(311, 312, 313)과 직렬로 연결될 수 있다. 즉, 셀 방전 스위치(411, 412, 413)는 배터리셀(11, 12, 13)과 1차 권선(311, 312, 313)을 각각 연결하도록 구성되어 있으므로, 셀 방전 스위치(411, 412, 413)의 온오프 동작에 의해 전압이 가장 높은 배터리셀만을 선택하여 방전시킬 수 있다. 이때, 셀 방전 스위치(411, 412, 413)로는 BJT(Bipolar Junction Transistor), FET(Field Effect Transistor) 등이 사용될 수 있다.The cell discharge switches (411, 412, 413) can connect each of the plurality of battery cells (11, 12, 13) and the transformer (300). In addition, the cell discharge switches (411, 412, 413) can be connected in series with each of the primary windings (311, 312, 313). That is, since the cell discharge switches (411, 412, 413) are configured to connect the battery cells (11, 12, 13) and the primary windings (311, 312, 313), respectively, only the battery cell with the highest voltage can be selected and discharged by the on/off operation of the cell discharge switches (411, 412, 413). At this time, a BJT (Bipolar Junction Transistor), FET (Field Effect Transistor), etc. can be used as a cell discharge switch (411, 412, 413).

셀 방전 스위치(411, 412, 413)가 온으로 동작하면 배터리셀(11, 12, 13)로부터 전압이 방전되고, 1차 권선(311, 312, 313)으로 전류가 흘러 1차 권선(311, 312, 313)에 전압이 인가될 수 있다.When the cell discharge switch (411, 412, 413) is turned on, voltage is discharged from the battery cell (11, 12, 13), and current flows to the primary winding (311, 312, 313), so that voltage can be applied to the primary winding (311, 312, 313).

본 발명의 일 실시예에 따른 전원 시스템은, 셀 방전 스위치(411, 412, 413)와 1차 권선(311, 312, 313)이 연결되는 각각의 경로에 1차 권선 다이오드(611, 612, 613)가 구비될 수 있다. 이때, 1차 권선 다이오드(611, 612, 613)의 애노드는 셀 방전 스위치(411, 412, 413)에 연결되고, 캐소드는 1차 권선(311, 312, 313)에 연결될 수 있다.A power system according to one embodiment of the present invention may include primary winding diodes (611, 612, 613) in each path through which cell discharge switches (411, 412, 413) and primary windings (311, 312, 313) are connected. At this time, the anodes of the primary winding diodes (611, 612, 613) may be connected to the cell discharge switches (411, 412, 413), and the cathodes may be connected to the primary windings (311, 312, 313).

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 시스템은, 2차 권선(320)과 프리차지부(200)가 연결되는 경로에 2차 권선 다이오드(700)가 구비될 수 있다. 이때, 2차 권선 다이오드(700)의 애노드는 2차 권선(320)에 연결되고, 캐소드는 프리차지부(200)에 연결될 수 있다.In addition, a power system according to one embodiment of the present invention may include a secondary winding diode (700) in a path connecting the secondary winding (320) and the precharge unit (200). At this time, the anode of the secondary winding diode (700) may be connected to the secondary winding (320), and the cathode may be connected to the precharge unit (200).

제어부(500)는 메인 릴레이(100), 프리차지 릴레이(220) 및 셀 방전 스위치(411, 412, 413)의 온오프 동작을 제어할 수 있다.The control unit (500) can control the on/off operation of the main relay (100), precharge relay (220), and cell discharge switch (411, 412, 413).

예를 들어, 제어부(500)는 프리차지 릴레이(220)를 온으로 제어하고, 메인 릴레이(100) 및 셀 방전 스위치(411, 412, 413)를 오프로 제어하여, 배터리팩(10)의 전압을 발열체(210)를 통해 부하(30)에 프리차지시킬 수 있다.For example, the control unit (500) can control the precharge relay (220) to turn on and the main relay (100) and cell discharge switches (411, 412, 413) to turn off, thereby precharging the voltage of the battery pack (10) to the load (30) through the heating element (210).

이 때, 제어부(500)는 부하(30)의 전압을 모니터링하여 배터리팩(10) 전압과 부하(30) 전압의 차이값이 기 설정된 값 이하인 것으로 판단하면, 메인 릴레이(100)를 온으로 제어하고, 프리차지 릴레이(220)를 오프로 제어할 수 있다. 이를 통해 프리차지는 종료되고 배터리팩(10)과 부하(30)가 직접 연결된다.At this time, the control unit (500) monitors the voltage of the load (30) and, if it determines that the difference between the voltage of the battery pack (10) and the voltage of the load (30) is less than or equal to a preset value, it can control the main relay (100) to turn on and the precharge relay (220) to turn off. Through this, the precharge is terminated and the battery pack (10) and the load (30) are directly connected.

또한, 제어부(500)는 차량 구동 중에 배터리팩(10)의 온도를 모니터링할 수 있다. 이때, 제어부(500)는 배터리팩(10)의 온도가 기 설정된 값 이하인 것으로 판단하면, 복수의 배터리셀(11, 12, 13) 중 가장 전압이 높은 배터리셀(11)을 선별하여 상기 선별된 배터리셀(11)에 연결된 셀 방전 스위치(411)에 PWM 신호를 인가할 수 있다.In addition, the control unit (500) can monitor the temperature of the battery pack (10) while the vehicle is being driven. At this time, if the control unit (500) determines that the temperature of the battery pack (10) is below a preset value, the control unit (500) can select a battery cell (11) having the highest voltage among a plurality of battery cells (11, 12, 13) and apply a PWM signal to the cell discharge switch (411) connected to the selected battery cell (11).

또한, 제어부(500)는 복수의 배터리셀(11, 12, 13) 각각의 전압을 모니터링할 수 있다. 이때, 제어부(500)는 배터리셀(11, 12, 13) 간 전압이 불균형하여 전압 밸런싱이 필요한 것으로 판단하면, 복수의 배터리셀(11, 12, 13) 중 가장 전압이 높은 배터리셀(11)을 선별하여 상기 선별된 배터리셀(11)에 연결된 셀 방전 스위치(411)에 PWM 신호를 인가할 수 있다.In addition, the control unit (500) can monitor the voltage of each of the plurality of battery cells (11, 12, 13). At this time, if the control unit (500) determines that the voltages between the battery cells (11, 12, 13) are unbalanced and that voltage balancing is necessary, the control unit (500) can select a battery cell (11) having the highest voltage among the plurality of battery cells (11, 12, 13) and apply a PWM signal to the cell discharge switch (411) connected to the selected battery cell (11).

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 시스템에 있어서 부하(30)를 프리차지하는 경우의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a drawing schematically showing the operation of a power system according to one embodiment of the present invention when precharging a load (30).

차량 구동 초기에는 메인 릴레이(100), 프리차지 릴레이(220) 및 셀 방전 스위치(411, 412, 413) 모두 오프인 상태이다. At the beginning of vehicle operation, the main relay (100), precharge relay (220), and cell discharge switches (411, 412, 413) are all off.

제어부(500)는 메인 릴레이(100)를 온으로 제어하기 전에 프리차지 릴레이(220)를 먼저 온으로 제어할 수 있다. 이 경우 메인 릴레이(100)는 오프인 상태이므로 배터리팩(10)의 고전압이 부하(30)에 직접 인가되지 않아 부하(30) 측으로 돌입전류가 흐르는 것이 방지된다. 대신에 배터리팩(10)을 통해 부하(30)로 연결되는 경로에 발열체(210)가 포함되어 있기 때문에 배터리팩(10)의 고전압이 부하(30)에 서서히 충전된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리팩(10)의 온도 상승 기능을 하는 발열체(210)를, 차량의 초기 구동 시 부하(30)를 프리차지하는 경우에 사용할 수 있다.The control unit (500) can control the precharge relay (220) to be turned on before controlling the main relay (100) to be turned on. In this case, since the main relay (100) is in the off state, the high voltage of the battery pack (10) is not directly applied to the load (30), thereby preventing the inrush current from flowing toward the load (30). Instead, since the heating element (210) is included in the path connecting the battery pack (10) to the load (30), the high voltage of the battery pack (10) is gradually charged to the load (30). That is, according to one embodiment of the present invention, the heating element (210) that has a temperature increasing function of the battery pack (10) can be used when precharging the load (30) during the initial operation of the vehicle.

종래에는 차량 전원 시스템에 프리차지 저항을 구비하여, 상기 프리차지 저항을 통해 배터리팩의 전압을 부하에 프리차지시켜 부하에 돌입전류가 흐르는 것을 방지하였다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리팩(10)의 전압을 발열체(210)를 통해 부하(30)에 프리차지시킬 수 있기 때문에, 별도의 프리차지 저항이 필요하지 않게 된다. 따라서, 차량 전원 시스템을 소형화 및 경량화할 수 있게 된다. In the past, a precharge resistor was provided in a vehicle power system to precharge the voltage of the battery pack to the load through the precharge resistor, thereby preventing inrush current from flowing to the load. However, according to one embodiment of the present invention, since the voltage of the battery pack (10) can be precharged to the load (30) through the heating element (210), a separate precharge resistor is not required. Accordingly, the vehicle power system can be made smaller and lighter.

이후 제어부(500)는, 부하(30)의 전압을 모니터링하여, 배터리팩(10)의 전압과 부하(30) 전압의 차이값이 기 설정된 값 이하가 된 것으로 판단하면, 메인 릴레이(100)를 온으로 제어하고 프리차지 릴레이(220)를 오프로 제어하여 부하(30)의 프리차지를 종료한다. Thereafter, the control unit (500) monitors the voltage of the load (30), and if it determines that the difference between the voltage of the battery pack (10) and the voltage of the load (30) is less than or equal to a preset value, it controls the main relay (100) to be turned on and the precharge relay (220) to be turned off to terminate the precharge of the load (30).

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 시스템에 있어서 전압 밸런싱이 필요한 경우 또는 배터리팩의 온도 상승이 필요한 경우의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams illustrating operations when voltage balancing is required or when a temperature rise of a battery pack is required in a power system according to one embodiment of the present invention.

제어부(500)는 부하(30)의 프리차지 종료 후 차량 구동 중에도 지속적으로 복수의 배터리셀(11, 12, 13) 각각의 전압 및 배터리팩(10)의 온도를 모니터링할 수 있다. 이때, 차량 구동 중이란 메인 릴레이(100)가 온으로, 프리차지 릴레이(220)가 오프로 동작하고 있는 상태를 의미한다.The control unit (500) can continuously monitor the voltage of each of the plurality of battery cells (11, 12, 13) and the temperature of the battery pack (10) even while the vehicle is being driven after the precharge of the load (30) is terminated. At this time, while the vehicle is being driven means that the main relay (100) is turned on and the precharge relay (220) is turned off.

차량의 배터리팩(10) 성능은 온도에 따라 변동하는 것으로 알려져 있다. 특히 배터리팩(10)의 온도가 낮아질 경우, 충방전 가능한 전력이 작아져 출력 성능이 저하되고 배터리 시스템의 효율 또한 낮아지게 된다. 따라서 배터리팩(10)의 온도를 가능한 한 적정 온도 이상으로 높이는 것이 필요하다.It is known that the performance of a vehicle's battery pack (10) varies depending on the temperature. In particular, when the temperature of the battery pack (10) decreases, the chargeable power decreases, which reduces the output performance and also reduces the efficiency of the battery system. Therefore, it is necessary to increase the temperature of the battery pack (10) to a temperature higher than the appropriate temperature as much as possible.

제어부(500)는 배터리팩(10)의 온도가 기 설정된 값 이하인 것으로 판단한 경우, 복수의 배터리셀(11, 12, 13) 중 가장 전압이 높은 배터리셀(11)을 선별하고 상기 선별된 배터리셀(11)에 연결된 셀 방전 스위치(411)에 PWM 신호를 인가한다. When the control unit (500) determines that the temperature of the battery pack (10) is below a preset value, it selects a battery cell (11) with the highest voltage among multiple battery cells (11, 12, 13) and applies a PWM signal to the cell discharge switch (411) connected to the selected battery cell (11).

도 3a와 같이, PWM 신호에 따라 셀 방전 스위치(411)가 온으로 동작하면, 선별된 배터리셀(11)에서 전압이 방전되어 1차 권선(311)으로 전류가 흐르게 되고, 이로 인해 트랜스포머(300)의 코어가 자화되어 전기 에너지가 축적된다. 이때, 1차 권선 다이오드(611)에 의해 1차 권선(311)으로부터 배터리셀(11, 12, 13) 방향으로 전류가 흐르는 것이 방지될 수 있다.As shown in Fig. 3a, when the cell discharge switch (411) is turned on according to the PWM signal, the voltage is discharged from the selected battery cell (11) and current flows to the primary winding (311), thereby magnetizing the core of the transformer (300) and accumulating electric energy. At this time, the primary winding diode (611) can prevent current from flowing from the primary winding (311) toward the battery cells (11, 12, 13).

이후, 도 3b와 같이, PWM 신호에 따라 셀 방전 스위치(411)가 오프로 동작하면, 상기 축적된 전기 에너지는 2차 권선(320), 발열체(210), 배터리팩의 양극단자(21), 배터리팩(10) 및 배터리팩의 음극단자(22)로 연결되는 전류 경로를 통해 전달된다. 이 과정에서 발열체(210)에 전달된 전기 에너지는 열 에너지로 전환되어 발열체(210)의 발열이 이루어지게 되고, 이에 따라 배터리팩(10)의 온도는 높아지게 된다. 이때, 2차 권선 다이오드(700)에 의해, 발열체(210)로부터 2차 권선(320) 방향으로 전류가 흐르는 것이 방지될 수 있다. Thereafter, as shown in Fig. 3b, when the cell discharge switch (411) is turned off according to the PWM signal, the accumulated electric energy is transmitted through a current path connected to the secondary winding (320), the heating element (210), the positive terminal (21) of the battery pack, the battery pack (10), and the negative terminal (22) of the battery pack. In this process, the electric energy transmitted to the heating element (210) is converted into thermal energy, causing the heating element (210) to heat up, and thus the temperature of the battery pack (10) increases. At this time, the secondary winding diode (700) can prevent current from flowing from the heating element (210) toward the secondary winding (320).

한편, 제어부(500)는 배터리셀(11, 12, 13) 간의 전압이 불균일하게 되어 전압 밸런싱이 필요한 것으로 판단한 경우에도, 복수의 배터리셀(11, 12, 13) 중 가장 전압이 높은 배터리셀(11)을 선별하고 상기 선별된 배터리셀(11)에 연결된 셀 방전 스위치(411)에 PWM 신호를 인가한다. Meanwhile, even if the control unit (500) determines that voltage balancing is necessary because the voltages between the battery cells (11, 12, 13) are uneven, it selects the battery cell (11) with the highest voltage among the multiple battery cells (11, 12, 13) and applies a PWM signal to the cell discharge switch (411) connected to the selected battery cell (11).

전압 밸런싱 동작은 상기 배터리팩(10)의 온도를 상승시키는 동작과 동일하다. 즉, 도 3a와 같이, PWM 신호에 따라 셀 방전 스위치(411)가 온으로 동작하면, 선별된 배터리셀(11)에서 전압이 방전되어 1차 권선(311)으로 전류가 흐르게 되고, 이로 인해 트랜스포머(300)의 코어가 자화되어 전기 에너지가 축적된다. The voltage balancing operation is the same as the operation of increasing the temperature of the battery pack (10). That is, as shown in Fig. 3a, when the cell discharge switch (411) is turned on according to the PWM signal, the voltage is discharged from the selected battery cell (11) and current flows to the primary winding (311), and as a result, the core of the transformer (300) is magnetized and electric energy is accumulated.

이후, 도 3b와 같이, PWM 신호에 따라 셀 방전 스위치(411)가 오프로 동작하면, 상기 축적된 전기 에너지는 2차 권선(320), 발열체(210), 배터리팩의 양극단자(21), 배터리팩(10) 및 배터리팩의 음극단자(22)로 연결되는 전류 경로를 통해 전달된다. 이 과정에서 상대적으로 전압이 낮은 배터리셀(12, 13)에 전기 에너지가 전달되어 복수의 배터리셀(11, 12, 13) 간 전압이 균일화되는 전압 밸런싱이 이루어지게 된다.Thereafter, as shown in Fig. 3b, when the cell discharge switch (411) is turned off according to the PWM signal, the accumulated electric energy is transmitted through a current path connected to the secondary winding (320), the heating element (210), the positive terminal (21) of the battery pack, the battery pack (10), and the negative terminal (22) of the battery pack. In this process, electric energy is transmitted to battery cells (12, 13) having relatively low voltages, thereby achieving voltage balancing in which the voltages among the plurality of battery cells (11, 12, 13) are equalized.

결론적으로, 배터리팩(10)의 온도를 높이는 것과 복수의 배터리셀(11, 12, 13) 간 전압 밸런싱은 동일한 과정에 의해 진행된다. 즉, 본 발명에 따른 전원 시스템에 의하면, 배터리팩(10)의 온도를 높임과 동시에 전압 밸런싱도 수행할 수 있다.In conclusion, increasing the temperature of the battery pack (10) and balancing the voltage between the plurality of battery cells (11, 12, 13) are performed by the same process. That is, according to the power system according to the present invention, voltage balancing can be performed while increasing the temperature of the battery pack (10).

이와 같이 본 발명에 따른 전원 시스템에 의하면, 발열체(210)를 통해 부하(30)를 프리차지하기 때문에 별도의 프리차지 저항을 구비할 필요가 없으며, 이에 따라 전원 시스템의 소형화 및 경량화가 가능하다. In this way, according to the power system according to the present invention, since the load (30) is precharged through the heating element (210), there is no need to have a separate precharge resistor, and thus, the power system can be made smaller and lighter.

또한, 본 발명에 따른 전원 시스템에 의하면, 전압 밸런싱 경로에 발열체가 구비되어 있기 때문에, 복수의 배터리셀(11, 12, 13) 간 전압 밸런싱을 수행할 때의 전기 에너지를 이용하여 배터리팩(10)의 온도를 높일 수 있게 된다. 이에 따라, 배터리 관리 시스템이 전압 밸런싱과 배터리팩(10)의 온도를 동시에 운용할 수 있으므로, 배터리 관리 시스템을 보다 효율적으로 운용하는 것이 가능해진다.In addition, since the power system according to the present invention has a heating element in the voltage balancing path, the temperature of the battery pack (10) can be increased by using the electric energy generated when performing voltage balancing between a plurality of battery cells (11, 12, 13). Accordingly, since the battery management system can simultaneously operate voltage balancing and the temperature of the battery pack (10), it becomes possible to operate the battery management system more efficiently.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 기술적 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, although the present invention has been described by means of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and those with ordinary skill in the art to which the present invention pertains can make various modifications and variations from this description. Therefore, the technical idea of the present invention should be understood only by the scope of the claims, and all equivalent or equivalent modifications thereof will be considered to fall within the scope of the technical idea of the present invention.

10: 배터리팩
11, 12, 13: 배터리셀
21: 배터리팩 양극단자
22: 배터리팩 음극단자
30: 부하
100: 메인 릴레이
200: 프리차지부
210: 발열체
220: 프리차지 릴레이
300: 트랜스포머
311, 312, 313: 1차 권선
320: 2차 권선
411, 412, 413: 셀 방전 스위치
500: 제어부
611, 612, 613: 1차 권선 다이오드
700: 2차 권선 다이오드10: Battery pack
11, 12, 13: Battery cells
21: Battery pack positive terminal
22: Battery pack negative terminal
30: Subordinate
100: Main Relay
200: Free charge department
210: Heating element
220: Precharge relay
300: Transformers
311, 312, 313: Primary winding
320: Secondary winding
411, 412, 413: Cell discharge switch
500: Control Unit
611, 612, 613: Primary winding diodes
700: Secondary winding diode

Claims (9)

복수의 배터리셀을 포함하는 배터리팩과 부하를 연결하는 도선에 구비되는 메인 릴레이;
상기 메인 릴레이에 병렬로 연결되며, 발열체 및 프리차지 릴레이를 포함하는 프리차지부;
상기 복수의 배터리셀 및 상기 프리차지부와 연결되며, 상기 복수의 배터리셀로부터 상기 발열체로 전기 에너지를 전달하는 트랜스포머;
상기 복수의 배터리셀 각각을 상기 트랜스포머에 연결하는 복수의 셀 방전 스위치; 및
상기 메인 릴레이, 상기 프리차지 릴레이 및 상기 셀 방전 스위치의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 제어부는,
상기 배터리팩의 온도를 모니터링하여 기 설정된 값 이하인 것으로 판단하면, 상기 복수의 배터리셀 중 가장 전압이 높은 배터리셀을 선별하여 상기 선별된 배터리셀에 연결된 셀 방전 스위치에 PWM(Pulse width modulation) 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.A main relay provided on a wire connecting a battery pack including multiple battery cells and a load;
A precharge unit connected in parallel to the above main relay and including a heating element and a precharge relay;
A transformer connected to the plurality of battery cells and the precharge unit and transmitting electric energy from the plurality of battery cells to the heating element;
A plurality of cell discharge switches connecting each of the plurality of battery cells to the transformer; and
A control unit for controlling the operation of the main relay, the precharge relay and the cell discharge switch;
The above control unit,
A power system characterized in that, when the temperature of the battery pack is monitored and determined to be below a preset value, a battery cell having the highest voltage among the plurality of battery cells is selected and a PWM (Pulse Width Modulation) signal is applied to a cell discharge switch connected to the selected battery cell. 제1항에 있어서,
상기 트랜스포머는,
각각의 배터리셀과 연결되는 복수의 1차 권선; 및
상기 프리차지부의 발열체 및 프리차지 릴레이 간 연결노드와 일단이 연결되고, 상기 배터리팩의 음극단자와 타단이 연결되는 2차 권선을 포함하는 전원 시스템.In the first paragraph,
The above transformer,
A plurality of primary windings connected to each battery cell; and
A power system including a secondary winding, one end of which is connected to a connection node between the heating element of the above-mentioned precharge unit and the precharge relay, and the other end of which is connected to a negative terminal of the above-mentioned battery pack. 제2항에 있어서,
상기 셀 방전 스위치는 상기 복수의 1차 권선 각각과 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.In the second paragraph,
A power system, characterized in that the cell discharge switch is connected in series with each of the plurality of primary windings. 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 프리차지 릴레이를 온으로 제어하고, 상기 메인 릴레이, 상기 복수의 셀 방전 스위치를 오프로 제어하여, 상기 배터리팩의 전압을 상기 발열체를 통해 상기 부하에 프리차지시키는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.In the first paragraph,
The above control unit,
A power system characterized in that the voltage of the battery pack is precharged to the load through the heating element by controlling the precharge relay to be turned on and the main relay and the plurality of cell discharge switches to be turned off. 제4항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 부하의 전압을 모니터링하여, 상기 배터리팩 전압과 상기 부하 전압의 차이값이 기 설정된 값 이하인 것으로 판단하면, 상기 메인 릴레이를 온으로 제어하고, 상기 프리차지 릴레이를 오프로 제어하는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
In paragraph 4,
The above control unit,
A power system characterized in that the main relay is controlled to be on and the precharge relay is controlled to be off when the voltage of the load is monitored and the difference between the battery pack voltage and the load voltage is determined to be less than or equal to a preset value.
 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 복수의 배터리셀 각각의 전압을 모니터링하여 전압 밸런싱이 필요한것으로 판단하면, 상기 복수의 배터리셀 중 가장 전압이 높은 배터리셀을 선별하여 상기 선별된 배터리셀에 연결된 셀 방전 스위치에 PWM 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.In the first paragraph,
The above control unit,
A power system characterized in that, when the voltage of each of the plurality of battery cells is monitored and it is determined that voltage balancing is necessary, a battery cell having the highest voltage among the plurality of battery cells is selected and a PWM signal is applied to a cell discharge switch connected to the selected battery cell. 제2항에 있어서,
상기 셀 방전 스위치와 상기 1차 권선이 연결되는 각각의 경로에 구비되는 1차 권선 다이오드를 더 포함하는 전원 시스템.In the second paragraph,
A power system further comprising a primary winding diode provided in each path through which the cell discharge switch and the primary winding are connected. 제2항에 있어서,
상기 발열체 및 상기 프리차지 릴레이 간 연결노드와 상기 2차 권선의 일단 사이에 구비되는 2차 권선 다이오드를 더 포함하는 전원 시스템.In the second paragraph,
A power system further comprising a secondary winding diode provided between the connection node between the heating element and the precharge relay and one end of the secondary winding.
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