电池充放电装置的制作方法

电池充放电装置
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2021年2月16日提交的韩国专利申请第10-2021-0020705号的优先权，出于所有目的，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本文公开的实施例涉及一种电池充放电装置。


背景技术：

4.近来，已积极进行二次电池的研究和开发。在此，作为可充电/可放电电池的二次电池可以包括所有传统的镍(ni)/镉(cd)电池、镍/金属氢化物(mh)电池等以及最近的锂离子电池。在二次电池中，锂离子电池比传统的ni/cd电池、ni/mh电池等具有更高的能量密度。此外，锂离子电池可以制造得小且轻，使得锂离子电池已经被用作移动设备的电源。此外，随着锂离子电池的使用范围扩展到电动车辆的电源，锂离子电池作为下一代能量存储介质受到关注。
5.此外，二次电池通常用作包括电池模块的电池组，在电池模块中多个电池单元串联和/或并联地彼此连接。电池组在状态和工作方面可以通过电池管理系统管理和控制。
6.作为典型地使用这些电池单元的代表性设备，可以为电动车辆(ev)和能量存储系统(ess)。这些设备中包括的电池经常因为不能满足输出条件而被丢弃，尽管还剩余很长寿命。因此，已经尝试将这些电池重新用于新的应用而不是将电池处理的方法。例如，这种再利用应用可以包括ess网、不间断电源系统(ups)、踏板车等。
7.如此，有必要对用于各种应用的每个电池单元的等级进行分类以重复使用电池。因此，近来，在短时间内对电池的等级进行分类的交流(ac)阻抗测量方法引起了关注，其中ac阻抗测量、电池电压检查和充放电后休止时间的管理是重要的。此外，对于ac阻抗测量使用电池充放电器，现有的充放电器要与用于装载电池的腔室一起使用，占用大量空间。


技术实现要素：

8.本文公开的实施例旨在提供一种电池充放电装置，其中使用便携式充放电装置激活电池，从而容易地管理电池的交流(ac)阻抗测量的休止时间并且减小装置的体积。
9.本文所公开的实施例的技术问题不限于上述技术问题，本领域普通技术人员通过以下描述将清楚地理解其他未提及的技术问题。
10.根据本文公开的实施例，连接到电池以激活电池的便携式电池充放电装置可以包括：电源单元，所述电源单元存储从电池放电的电力并将电力供应给电池；以及控制单元，所述控制单元通过将电池放电以将电力存储在电源单元中，并通过将存储在电源单元中的电力连续地供应给电池来对电池充电。
11.根据实施例，控制单元可以在预设时间自动地对电池进行放电，然后对电池进行再充电。
12.根据实施例，可以考虑电池进入休止期的时间来确定预设时间。
13.根据实施例，控制单元可以对电池进行充电，使得电池的电压达到基准电压。
14.根据实施例，基准电压可以被设定为使得电池的交流(ac)阻抗测量能够进行的电压。
15.根据实施例，可以根据电池的电流大小和容量来确定电池充放电装置的尺寸。
16.根据实施例，用于对电池进行充电和放电的电力可以具有大于或等于使得化学反应能够在电池中引发的阈值的值。
17.根据实施例，电池充放电装置可以通过电缆连接到电池的端子。
18.根据本文公开的实施例，使用连接到电池以激活电池的便携式电池充放电装置的电池充放电方法包括：对电池进行放电；存储从电池释放的电力；以及通过将存储的电力持续地供应给电池对电池进行充电。
19.根据实施例，电池的放电可以包括在预设时间自动地对电池进行放电。
20.根据实施例，可以考虑电池进入休止期的时间来确定电池充放电方法的预设时间。
附图说明
21.图1是示出一般电池组的结构的框图；
22.图2是示出根据本公开的实施例的电池充放电装置的结构的框图；
23.图3是示出单个电池的等效电路的图；
24.图4是示出电池模块或电池组的等效电路的图；
25.图5是示出电池模块的交流(ac)阻抗的波形的图；
26.图6是示出根据本文公开的实施例的电池充放电方法的图；
27.图7是示出根据本文公开的实施例的电池充放电装置的硬件配置的图。
具体实施方式
28.在下文中，将参考附图详细描述本文公开的各种实施例。在本文中，相同的附图标记将用于附图中的相同部件，并且相同部件将不会重复描述。
29.对于本文公开的各种实施例，具体的结构或功能描述只出于例示说明实施例的目的，本文公开的各种实施例可以以各种形式实施，不应理解为仅限于本文所描述的实施例。
30.如在各种实施例中使用的，术语“第一”、“第二”、“第一个”、“第二个”等可以修饰各种部件而不管其重要性，并且不限制这些部件。例如，在不脱离本文公开的实施例的权利范围的情况下，第一部件可以被命名为第二部件，类似地，第二部件可以被命名为第一部件。
31.本文中使用的术语仅用于描述特定的示例性实施例，并不旨在限制其他示例性实施例的范围。应理解，除非上下文另有明确规定，否则单数形式包括复数形式。
32.本文中使用的包括技术术语或科学术语在内的所有术语具有与本文公开的实施例所属领域的普通技术人员通常理解相同的含义。将进一步理解，术语(例如在常用词典中定义的术语)应被解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义相同或相似的含义，并且除非在此明确定义，否则将不会被解释为理想化或过度正式的含义。在某些情况下，本文中
定义的术语可以被解释为排除本文公开的实施例。
33.图1是示出一般电池组的结构的框图。
34.更具体地，图1示意性地示出了根据本文公开的实施例的包括电池组10和被包括在更高级别系统中的上位控制器20的电池控制系统1。
35.如图1所示，电池组10可以包括多个电池模块12、传感器14、开关单元16、连接端子18和电池管理系统(bms)50。在这种情况下，电池组10可以包括设置为多个的电池模块12、传感器14、开关单元16、连接端子18和bms 50。
36.多个电池模块12可以包括至少一个可充电/可放电电池单元。
37.传感器14可以检测在电池组10中流动的电流。在这种情况下，检测信号可以被发送到bms 50。
38.开关单元16可以串联连接到电池模块12的正(+)端子侧或负(-)端子侧，以控制电池模块12的充电/放电电流流动。例如，对于开关单元16，根据电池组10的规格，可以使用至少一个继电器、电磁接触器等。
39.连接端子18可以将电池组10连接到外部。例如，本文公开的电池充放电装置的电缆可以连接到连接端子18。
40.bms 50可以通过监控电池组10的电压、电流、温度等来执行控制和管理以防止过度充电和过度放电，并且可以包括例如电池架电池管理系统(rbms)。
41.作为用于接收上述各种参数的测量值的接口，bms 50可以包括多个端子、连接到这些端子以执行输入值的处理的电路等。此外，bms 50可以控制开关单元16，例如，继电器、接触器等的开/关，并且可以连接到电池模块12以监控每个电池模块12的状态。
42.同时，本文公开的电池充放电装置可以连接到电池组10的连接端子18以从电池模块12获取电力或向电池模块12供应电力，从而对电池模块12进行充电或放电。此时，连接端子18可以是电池组10的高压(hv)电缆。
43.上位控制器20可以将用于控制电池模块12的控制信号发送到bms 50。因此，bms 50可以基于从上位控制器20施加的控制信号在其工作上面被进行控制。
44.同时，参考图1进行描述，电池模块12被包括在电池组10中，本文公开的电池模块12可以被包括在能量存储系统(ess)中，但不限于此。在这种情况下，上位控制器20可以是包括多个电池组10的电池组件的控制器(电池组件电池管理系统(bbms))或用于控制包括多个电池组件的整个ess的ess控制器。然而，电池组10不限于这样的目的。
45.电池组10的这种结构和bms 50的结构是众所周知的，因此将省略其更详细的描述。
46.图2是示出根据本文公开的实施例的电池充放电装置的结构的框图。
47.参考图2，根据本文公开的实施例的电池充放电装置100可以是连接到电池以激活电池从而进行交流(ac)阻抗的测量的便携式电池充放电装置。这样，根据本文公开的实施例的电池充放电装置100可以不需要像以往那样使用腔室，因为主要执行低速率充电和放电。
48.如图2所示，根据本文公开的实施例的电池充放电装置100可以包括电源单元110、控制单元120和定时器130。
49.电源单元110可以向电池组10供电。例如，电源单元110可以是小尺寸电池，该小尺
寸电池被包括在电池充放电装置100中以存储电力。此外，电源单元110可以将从电池组10释放的电力存储预定时间。
50.控制单元120可以对电池进行放电以将电力存储在电源单元110中，并且将存储在电源单元110中的电力持续地供应给电池以对电池进行充电。在这种情况下，控制单元120可以通过对电池进行充电和放电来使电池的荷电状态(soc：state of charge)成为用户设定值。此外，控制单元120可以在预设时间自动地对电池进行放电，然后对电池进行再充电。此时，控制单元120对电池进行充电的时间可以由定时器130设定。
51.此外，为了对电池进行充电和放电，可以考虑电池进入休止期的时间来确定预设时间。因此，可以通过在用户要测量(高压)ac阻抗的时间对电池进行充电和放电来激活电池，使电池能够在期望的时间进入休止期。因此，用户可以在期望的时间测量高压ac阻抗(电化学阻抗谱(eis))。
52.控制单元120可以对电池进行充电，使得电池的电压达到基准电压。在这种情况下，基准电压可以被设定为允许测量电池的ac阻抗的电压(例如，40v)。通常，为了测量电池的ac阻抗，电压需要大于或等于一定基准值。因此，控制单元120可以对电池进行放电以使电压下降，然后控制电池使得在再充电过程中电压大于或等于恒定电压，从而使用户能够测量交流阻抗。
53.此外，通过控制单元120对电池进行充电和放电的电力可以具有大于或等于可以在电池中引发化学反应的阈值的值。因此，电池内的化学反应可以由通过控制单元120充电和放电的电力引发，使得可以激活电池从而使得能够进行电池的ac阻抗的测量。
54.定时器130可以设定在预设时间对电池进行充电和放电的时间。即，当用户通过输入单元(未示出)进行输入以设定时间时，定时器130可以向控制单元120发送用于根据设定的时间对电池进行充电和放电的信号。因此，电池可以在用户期望的时间，例如要测量ac阻抗的时间激活。
55.另一方面，尽管未在图1中示出，但根据本文公开的一个实施例的电池充放电装置可以包括转换器。因此，当电池组的电压与电池充放电装置的电压不一致时，它们可以通过转换器调整成彼此。
56.根据本文公开的实施例的电池充放电装置100可以经由电缆连接到电池组10的端子。在这种情况下，电池充放电装置100可以连接到电池组10的hv电缆端子。
57.此外，根据本文公开的实施例的电池充放电装置100的尺寸可以根据电池的电流大小和容量来确定。即，根据要测量ac阻抗的电池是电池组还是电池模块，其尺寸可以是一只手可以握住的真空清洁器的尺寸，也可以是有线操作的客厅真空清洁器的尺寸。
58.这样，利用根据本公开的电池充放电装置，通过使用便携式充放电装置激活电池，可以容易地管理用于测量电池的ac阻抗的休止期并且可以减小装置的体积。
59.图3是示出单个电池的等效电路的图，图4是示出电池模块或电池组的等效电路的图。
60.首先，根据本公开的实施例的电池充放电装置可以在特定频率范围(例如，0.1hz至几hz)内向电池模块或电池组施加交流(ac)并且针对每个频带测量电压响应以测量阻抗的大小和相位。此外，可以基于电池单元/模块/电池组的等效电路的各个参数相对于频率的响应来提取电池的每个参数值。
61.特别地，基于根据本公开的电池充放电装置的高压ac阻抗分析方法测量连接有多个正常电池单元和至少一个异常电池单元的电池模块或电池组，其中要提取的结果值的类型和结果值的数量可能不同，因为等效电路与现有的eis测量方法不同。
62.因此，参考图3，首先，对于用于测量单个电池的eis的现有方案，电压范围在20v左右，频率范围为0.1hz至1050hz。另外，可以以三电极测量方式分别测量阳极和阴极，并且可以通过噪声消除来校正欧姆电阻。图3的等效电路包括r
s1
欧姆电阻、r
f1 sei电阻、c
f1 sei电容、r
ct
电荷转移电容、c
d11
双层电容、z
w1 warburg阻抗、l电感和r
触点
寄生电阻(r
contact
寄生电阻)。图3的等效电路可以基于randles等效电路模型。
63.这样的传统测量方案可以在电池的稳定状态下，即在化学平衡和阳极电位平衡的状态下执行测量，并通过电池与基准值的绝对比较来检测异常。如此，现有的电池单元eis测量方法要将电池模块或电池组分解成电池单元，难以进行三电极测量和化学平衡状态的形成，在向实际产品的应用中存在限制。
64.另一方面，如图4所示，在使用包括多个电池单元的电池模块或电池组的单元中的等效电路的根据本公开的高压ac阻抗测量方法中，电压范围在1000v左右，频率范围在0.1hz至4000hz。此外，通过对串联连接的多个电池单元使用双电极测量方案，可以进行重复和再现的测量。此外，通过该方案，可以校正由接触器、导线等引起的寄生电阻并且可以通过多个电池单元的串联连接来最小化寄生电阻的影响。图4的等效电路包括r
sn
第n欧姆电阻、r
fn
第n sei电阻、c
fn
第n sei电容、r
ctn
第n电荷转移电容、c
d11n
第n双层电容、z
wn
第n warburg阻抗、l电感和r
触点
寄生电阻(r
contact
寄生电阻)。图4的等效电路可以基于randles等效电路模型。
65.根据本文公开的实施例的电池充放电装置中使用的高压ac阻抗测量方法可以在同一电池架的所有的电池模块的充放电同时完成后的状态下执行测量，并且能够对每个电池模块进行相对比较和绝对比较。特别地，通过该方案，根据图4所示的等效电路，电池系统的阻抗值可以与电池单元的串联连接的数量n成比例地增加，使得当从测量数据中获得奈奎斯特图(nyquist plot)并进行分析时，与单个电池相比，可以减少相对于测量条件的外部影响(例如，感测线电感、接触电阻等)。
66.这样，根据本文公开的实施例的电池充放电装置中使用的高压ac阻抗测量方法，可以在不分解成电池单元的情况下进行测量和异常诊断，并且可以进行电池的立即重复使用，因此电池可以直接应用于ess或车辆电池组的电池模块或电池架。此外，无需对电池进行充放电，从而降低了由于充放电产生的电力。
67.图5是示出电池模块的ac阻抗的波形的图。在图5的曲线图中，x轴表示ac阻抗的电阻元件(实(z))mohm，y轴表示ac阻抗的电抗元件(虚(z))mohm。
68.参考图5，示出了以一定间隔测量的每个电池模块的高压ac阻抗值。在这种情况下，可以看出，电池模块的ac阻抗波形的形状根据电池模块而不同。因此，在bms中，可以以与特定电池模块的测量到的ac阻抗与另一电池模块的ac阻抗显著不同或者偏离基于预先建立在数据库中的老化电池模块的ac阻抗设定的基准范围的情况类似的方式来估计电池模块的老化程度。为此，根据本文公开的实施例的电池充放电装置可以预先激活电池以获得如图5所示的(高压)ac阻抗的波形，从而使电池处于可测量状态。
69.以这种方式，对于已经老化很多的电池模块，可以通过单独的充放电测试来识别
剩余寿命，并且其可以用作后续电池模块异常检测中的基准数据。例如，更换后的电池模块的剩余寿命与测量到的ac阻抗值可以被进行匹配，并以表格的形式存储，从而用作后续电池模块异常诊断中的基准数据。同时，在更换老化的电池模块时，可以使用可重复使用的电池从而以可承受的价格更换电池，并且可以通过调整ess的整个电池系统的老化程度来使系统稳定地运行。
70.这样，根据本文公开的实施例的电池充放电装置可以用于通过预先激活电池来使休止期落在期望的时间范围内，从而通过测量电池的ac阻抗来诊断老化程度。特别地，根据本公开的电池充放电装置主要用于电池激活和基准电压检查，因此仅需要用于临时存储从电池组供应的电力并将其再次供应给电池组的容量，因此由于体积小而便于携带。
71.图6是示出根据本文公开的实施例的电池充放电方法的图。
72.如图6所示的根据本文公开的实施例的电池充放电方法可以是使用连接到电池以激活电池从而进行ac阻抗测量的便携式电池充放电装置的电池充放电方法。
73.根据本文公开的实施例的电池充放电方法，首先，可以在操作s110中对电池进行放电。接下来，在操作s120中存储从电池释放的电力。在这种情况下，来自电池组的电力可以被存储于在电池充放电装置中包括的电源单元(例如，电池)中。
74.接下来，在操作s130中，存储的电力被持续地供应给电池以对电池进行充电。在这种情况下，在操作s110至s130中，电池可以在预设时间自动放电，然后进行再充电。具体地，可以考虑电池进入休止期的时间来确定对电池进行充电和放电的预设时间。因此，可以通过在用户要测量(高压)ac阻抗的时间对电池进行充电和放电来激活电池，从而使电池能够在期望的时间进入休止期。
75.在操作s130中，可以对电池进行充电，使得电池的电压达到基准电压。在这种情况下，基准电压可以被设定为允许进行电池的ac阻抗的测量的电压(例如，40v)。通常，为了测量电池的ac阻抗，电压需要大于或等于一定基准值。因此，在操作s130中，可以将电池放电以使电压下降，然后可以控制电池使得在再充电过程中电压大于或等于恒定电压，从而使用户能够测量ac阻抗。
76.此外，用于对电池进行充电和放电的电力可以具有大于或等于可以在电池中引发化学反应的阈值的值。因此，电池中的化学反应可以通过充电和放电的电力引发，因此电池可以被激活使得能够进行电池的ac阻抗的测量。
77.这样，利用根据本公开的电池充放电方法，通过使用便携式充放电装置激活电池，可以容易地管理用于测量电池的ac阻抗的休止期并且可以减小装置的体积。
78.图7是示出根据本文公开的实施例的执行电池管理方法的计算系统的框图。
79.参考图7，根据本文公开的实施例的计算系统30可以包括微控制器单元(mcu)32、存储器34、输入/输出接口(i/f)36和通信i/f 38。
80.mcu 32可以是处理器，该处理器执行存储在存储器34中的各种程序(例如，电池充电和放电控制程序等)，通过这些程序处理用于电池组的充电和放电的各种数据，并执行图2所示的电池充放电装置的控制单元120或定时器130的上述功能。
81.存储器34可以存储用于控制电池组的充电和放电的各种程序。存储器720可以存储各种数据，例如关于电池组的充电和放电电力的数据。
82.存储器34可以根据需要设置为多个。存储器34可以是易失性存储器或非易失性存
储器。对于作为易失性存储器的存储器34，可以使用随机存取存储器(ram)、动态ram(dram)、静态ram(sram)等。对于作为非易失性存储器的存储器34，可以使用只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可变rom(earom)、可擦除prom(eprom)、电可擦除prom(eeprom)、闪存等。上面列出的存储器34的示例仅仅是示例，并且不限于此。
83.输入/输出i/f 36可以通过将诸如键盘、鼠标、触摸板等的输入设备(未示出)和诸如显示器(未示出)等的输出设备与mcu 32连接，来提供用于发送和接收数据的接口。
84.通信i/f 340是能够向服务器发送各种数据和从服务器接收各种数据的部件，通信i/f 340可以是能够支持有线或无线通信的各种类型的装置。例如，用于控制电池组的充电和放电的程序或各种数据等可以通过通信i/f 38发送到单独提供的外部服务器以及从单独提供的外部服务器接收。
85.这样，根据本文公开的实施例的计算机程序可以被记录在存储器34中并通过mcu 32处理，从而被实施为执行图2所示的功能的模块。
86.根据本文公开的实施例的电池充放电装置及方法可以通过使用便携式充放电装置激活电池来容易地管理用于电池的ac阻抗测量的休止期并减小装置的体积。
87.尽管构成本文公开的实施例的所有部件在上面已经被描述为组合成一个或组合操作，但是本文公开的实施例不限于所述实施例。即，在本文所公开的实施例的对象范围内，所有部件可以通过选择性地组合为一个或多个来操作。
88.此外，除非另有说明，否则上述诸如“包括”、“构成”或“具有”的术语可以表示相应的部件可以是固有的，因此应被解释为进一步包括其他部件而不是排除其他部件。除非另外定义，否则包括技术术语或科学术语在内的所有术语具有与本文公开的实施例所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。一般使用的术语(例如字典中定义的术语)应被解释为具有与相关技术的上下文含义相同的含义，不应理解为具有理想化或过度正式的含义，除非在本文中对其进行了明确定义。
89.以上描述仅是对本文公开的技术思想的说明，在不脱离本文公开的实施例的本质特征的情况下，本文公开的实施例所属领域的普通技术人员将可以进行各种修改和变化。因此，本文公开的实施例旨在说明而非限制本文公开的实施例的技术精神，并且本文公开的技术精神的范围不受这些实施例的限制。本文公开的技术精神的保护范围应当通过所附权利要求来解释，并且在同一范围内的技术精神应被理解为包含在本文档的保护范围内。
90.附图标记说明
91.1：电池控制系统
92.10：电池组
93.12：多个电池模块
94.14：传感器
95.16：开关单元
96.18：连接端子
97.20：上位控制器
98.30：计算系统
99.32：mcu
100.34：存储器
101.36：输入/输出i/f
102.38：通信i/f
103.50：电池管理系统(bms)
104.100：电池充放电装置
105.110：电源单元
106.120：控制单元
107.130：定时器