JP2023545984A - セルバランシング回路およびこれを含むバッテリーシステム - Google Patents

Abstract

直列連結された複数のセルに連結されたセルバランシング回路は、前記複数のセルで中央に位置したセルを含む中心バッテリーセルの両端の間に直列に連結されている第１スイッチ、第１巻線、および第２スイッチと、前記複数のセルから前記中心バッテリーセルを除いた外郭バッテリーセルのうち、一つの正極と他の一つの負極との間に直列に連結されている第３スイッチ、第２巻線、および第４スイッチを含む。前記第１巻線および第２巻線はトランスフォーマーを形成することができる。前記セルバランシング回路で、充電または放電中、前記中心バッテリーセルと前記外郭バッテリーセルとの間のセル電圧差が所定の臨界値以上である条件で、前記第１スイッチおよび第２スイッチのオン期間の間、充電電流または放電電流のうちの一部である第１側電流が前記第１スイッチ、前記第１巻線、および前記第２スイッチを通じて流れる。

Description

関連出願（ら）との相互引用
本出願は、２０２１年９月１４日付韓国特許出願第１０－２０２１－０１２２３５５号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として組み含まれる。

本開示は、セルバランシング回路およびこれを含むバッテリーシステムに関する。

バッテリーパック内部には多数のバッテリーセルが直列または並列に連結されており、バッテリーセル間の電圧偏差はバッテリーセルの過放電または過充電を招き、バッテリーセルの寿命も減少させることができる。このような電圧偏差を改善するためにバッテリー管理システム（ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ、ＢＭＳ）内部にセル均等化（ｃｅｌｌ ｂａｌａｎｃｉｎｇ）回路を設計する。

セル均等化回路として、相対的に電圧が高いバッテリーセルのエネルギーを抵抗の発熱により消耗させてバッテリーセル間の均衡を維持するパッシブセル均等化回路を用いることができる。この場合、抵抗の発熱により均等化のための電流に制限があるため、バッテリーセルの容量が増加する傾向に合わせて均等化のための電流を増やし難いという問題点がある。これを改善するために、相対的に電圧が高いバッテリーセルのエネルギーを相対的に電圧が低いバッテリーセルのエネルギーに伝達するアクティブセル均等化回路が提案されている。しかし、アクティブセル均等化回路を具現するために多くの素子が必要であるため、セル均等化回路の単価が高いという問題点がある。

本発明が達成しようとする課題は、セル均等化回路の部品数を低減し、それによる単価を低減することができるセルバランシング回路およびこれを含むバッテリーシステムを提供することにある。

直列連結された複数のセルに連結されたセルバランシング回路は、前記複数のセルで中央に位置したセルを含む中心バッテリーセルの両端の間に直列に連結されている第１スイッチ、第１巻線、および第２スイッチと、前記複数のセルから前記中心バッテリーセルを除いた外郭バッテリーセルのうち、一つの正極と他の一つの負極との間に直列に連結されている第３スイッチ、第２巻線、および第４スイッチを含む。前記第１巻線および第２巻線はトランスフォーマーを形成することができる。前記セルバランシング回路で、充電または放電中、前記中心バッテリーセルと前記外郭バッテリーセルとの間のセル電圧差が所定の臨界値以上である条件で、前記第１スイッチおよび第２スイッチのオン期間の間、充電電流または放電電流のうちの一部である第１側電流が前記第１スイッチ、前記第１巻線、および前記第２スイッチを通じて流れる。

前記セルバランシング回路は、前記充電中、前記中心バッテリーセルと前記外郭バッテリーセルとの間のセル電圧差が所定の臨界値以上である条件で、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチをターンオンし、前記第１巻線に流れる電流に基づいて前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのオンデューティーを制御し、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのターンオフ時点以降に前記第３スイッチおよび前記第４スイッチをターンオンすることができる。

前記セルバランシング回路は、前記充電中、前記中心バッテリーセルと前記外郭バッテリーセルとの間のセル電圧差が所定の臨界値以上である条件で、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのオンの状態で、前記第１側電流が所定の基準値に到達すれば、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチをターンオフすることができる。

前記セルバランシング回路は、前記放電中、前記中心バッテリーセルと前記外郭バッテリーセルとの間のセル電圧差が所定の臨界値以上である条件で、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチをターンオンし、前記第１巻線に流れる電流に基づいて前記第３スイッチおよび前記第４スイッチのオンデューティーを制御し、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチのターンオフ時点以降に前記第１スイッチおよび前記第２スイッチをターンオンすることができる。

前記セルバランシング回路は、前記放電中、前記中心バッテリーセルと前記外郭バッテリーセルとの間のセル電圧差が所定の臨界値以上である条件で、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチのオンの状態で、前記第２側電流が所定の基準値に到達すれば、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチをターンオフすることができる。

前記セルバランシング回路は、前記第１スイッチの一端と前記第１巻線の一端との間に連結された第１ダイオード、および前記第２スイッチの一端と前記第１巻線の他端との間に連結された第２ダイオードをさらに含み、前記第１スイッチの他端は前記第１巻線の他端に連結されており、前記第２スイッチの他端は前記第１巻線の一端に連結されていてもよい。

前記セルバランシング回路は、前記第３スイッチの一端と前記第２巻線の一端との間に連結された第３ダイオード、および前記第４スイッチの一端と前記第２巻線の他端との間に連結された第４ダイオードをさらに含み、前記第３スイッチの他端は前記第２巻線の他端に連結されており、前記第４スイッチの他端は前記第２巻線の一端に連結されていてもよい。

発明の他の特徴によるバッテリーシステムは、直列連結された複数のセルを含むバッテリーパック、前記複数のセルそれぞれのセル電圧を測定するセルモニタリングＩＣ、前記測定された複数のセル電圧に基づいて、前記複数のセルで中央に位置したセルを含む中心バッテリーセルのセル電圧と、前記複数のセルのうち、前記中心バッテリーセルを除いた外郭バッテリーセルのセル電圧との間の偏差が所定の臨界値以上であるか否かを判断し、前記判断結果および前記バッテリーパックの充電および放電に基づいてセルバランシング動作を制御するメイン制御回路、および前記バッテリーパックの充電条件で前記偏差が前記臨界値以上である時、充電電流のうち、第１電流を前記中心バッテリーセルに流れないようにし、前記バッテリーパックの放電条件で前記偏差が前記臨界値以上である時、放電電流のうち、第２電流を前記中心バッテリーセルに流れないようにするセルバランシング回路を含むことができる。

前記セルバランシング回路は、前記中心バッテリーセルの両端の間に直列に連結されている第１スイッチ、第１巻線、および第２スイッチと、前記外郭バッテリーセルのうち、一つの正極と他の一つの負極との間に直列に連結されている第３スイッチ、第２巻線、および第４スイッチを含み、前記第１巻線および第２巻線はトランスフォーマーを形成することができる。

前記セルバランシング回路は、前記充電期間中の前記偏差が前記臨界値以上である第１期間の間、前記第１スイッチから第４スイッチをスイッチングして前記第１電流により前記第１巻線にエネルギーが貯蔵され、前記第１巻線に貯蔵されたエネルギーが前記第２巻線に伝達されるようにする。

前記第１期間の間、前記第１および第２スイッチのオン期間の間に前記第１巻線に第１電流が流れ、前記第１および第２スイッチのオフおよび前記第３および第４スイッチのオン期間の間に前記第２巻線に電流が誘導され得る。

前記セルバランシング回路は、前記放電期間中の前記偏差が前記臨界値以上である第２期間の間、前記第１スイッチから第４スイッチをスイッチングして前記第２巻線にエネルギーが貯蔵され、前記第２巻線に貯蔵されたエネルギーが前記第１巻線に伝達されるようにすることができる。

前記第２期間の間、前記第３および第４スイッチのオン期間の間に前記第２巻線に電流が流れ、前記第３および第４スイッチのオフおよび前記第１および第２スイッチのオン期間の間に前記第１巻線に前記第２電流が誘導され得る。

前記セルバランシング回路は、前記第１スイッチの一端と前記第１巻線の一端との間に連結された第１ダイオード、および前記第２スイッチの一端と前記第１巻線の他端との間に連結された第２ダイオードをさらに含み、前記第１スイッチの他端は前記第１巻線の他端に連結されており、前記第２スイッチの他端は前記第１巻線の一端に連結されていてもよい。

前記セルバランシング回路は、前記第３スイッチの一端と前記第２巻線の一端との間に連結された第３ダイオード、および前記第４スイッチの一端と前記第２巻線の他端との間に連結された第４ダイオードをさらに含み、前記第３スイッチの他端は前記第２巻線の他端に連結されており、前記第４スイッチの他端は前記第２巻線の一端に連結されていてもよい。

本発明の一実施形態によれば、セル均等化回路の部品数を低減し、それによる単価を低減することができるセルバランシング回路およびこれを含むバッテリーシステムが提供される。

一実施形態によるバッテリーシステムを図式的に示す図面である。 一実施形態によるセルバランシング回路の構成を示す図面である。 一実施形態によるバッテリーパックにおける充電中のセルバランシング動作中のセルバランシング回路を図式的に示す図面である。 一実施形態によるバッテリーパックにおける充電中のセルバランシング動作中のセルバランシング回路を図式的に示す図面である。 一実施形態によるバッテリーパックにおける放電中のセルバランシング動作中のセルバランシング回路を図式的に示す図面である。 一実施形態によるバッテリーパックにおける放電中のセルバランシング動作中のセルバランシング回路を図式的に示す図面である。

以下の説明で使用される構成要素に対する接尾辞「モジュール」および／または「部」は、明細書作成の容易さだけを考慮して付与されたり混用されたりするものであって、それ自体で互いに区別される意味または役割を有するものではない。また、明細書に記載された「…部」、「…器」、「モジュール」などの用語は、少なくとも一つの機能や動作を処理する単位を意味し、これはハードウェアやソフトウェアまたはハードウェアおよびソフトウェアの結合で具現され得る。

また、本明細書に開示された実施形態を説明するに当たり、関連した公知技術に対する具体的な説明が本明細書に開示された実施形態の要旨を不明確にし得ると判断される場合、その詳細な説明を省略する。また、添付した図面は、本明細書に開示された実施形態を容易に理解できるようにするためのものに過ぎず、添付した図面により本明細書に開示された技術的な思想が制限されず、本発明の思想および技術範囲に含まれる全ての変更、均等物または代替物を含むものと理解されなければならない。

第１、第２などのように序数を含む用語は、多様な構成要素を説明することに使用され得るが、前記構成要素は前記用語により限定されない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで使用される。

ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いるか、または「接続されて」いると言及された時には、その他の構成要素に直接的に連結されているか、または接続されていることもできるが、中間に他の構成要素が存在することもできると理解されなければならない。反面、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いるか、または「直接接続されて」いると言及された時には、中間に他の構成要素が存在しないと理解されなければならない。

本出願で、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものと理解されなければならない。

図１は一実施形態によるバッテリーシステムを図式的に示す図面である。

図１で、バッテリーシステム１の両出力端Ｐ＋、Ｐ－の間には外部装置２が連結されており、リレー２１、２２が閉鎖される場合、バッテリーパック１０と外部装置２が電気的に連結され得る。

外部装置２が電装負荷である場合、バッテリーシステム１は、電装負荷２にエネルギーを供給する電源として動作して放電され得る。電装負荷は、移動手段またはエネルギー貯蔵システム（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ、ＥＳＳ）であり得、移動手段は例えば電気自動車、ハイブリッド自動車またはスマートモビリティー（ｓｍａｒｔ ｍｏｂｉｌｉｔｙ）であり得る。外部装置２が充電器である場合、バッテリーシステム１は充電器２を通じて電力系統からエネルギーの供給を受けて充電され得る。

バッテリーシステム１は、バッテリーパック１０、２個のリレー２１、２２、電流センサー２３、およびバッテリー管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ、ＢＭＳ）１００を含む。

バッテリーパック１０は、直列連結された複数のバッテリーセル１０＿１－１０＿４を含む。図１ではバッテリーパック１０が直列連結された４個のバッテリーセル１０＿１－１０＿４を含むものと示されているが、これは一例として、発明がこれに限定されない。例えば、５個以上のバッテリーセルが直列連結されたり、並列連結された２個以上のバッテリーセルの複数個が直列連結されたりしていてもよい。

リレー２１は、バッテリーパック１０の正極と出力端Ｐ＋との間に連結されており、リレー２２は、バッテリーパック１０の負極と出力端Ｐ－との間に連結されており、ＢＭＳ１００のメイン制御部（Ｍａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、ＭＣＵ）１３０の制御によりリレー２１、２２の開放および閉鎖が制御され得る。例えば、ＭＣＵ１３０は、イネーブルレベルのリレー制御信号ＳＲ１、ＳＲ２を生成してリレー２１、２２に伝送し、リレー２１、２２はイネーブルレベルのリレー制御信号ＳＲ１、ＳＲ２により閉鎖され得る。または、ＭＣＵ１３０は、ディスエーブルレベルのリレー制御信号ＳＲ１、ＳＲ２を生成してリレー２１、２２に伝送し、リレー２１、２２はディスエーブルレベルのリレー制御信号ＳＲ１、ＳＲ２により開放され得る。バッテリーパック１０の充電または放電中にはリレー２１、２２が閉鎖されて、充電電流経路または放電電流経路を構成することができる。

電流センサー２３は、バッテリーパック１０に流れる電流を感知し、感知した電流を指示する電流感知信号ＩＳをＭＣＵ１３０に伝送することができる。

ＢＭＳ100は、セルモニタリングＩＣ１１０、セルバランシング回路１２０、およびＭＣＵ１３０を含む。ＢＭＳ100は、複数のバッテリーセル１０＿１－１０＿４に連結されており、複数のバッテリーセル１０＿１－１０＿４それぞれのセル電圧、バッテリーパック１０のバッテリー電流などの情報に基づいてバッテリーパック１０の充放電電流を制御し、複数のバッテリーセル１０＿１－１０＿４に対するセルバランシング動作を制御することができる。

例えば、セルモニタリングＩＣ１１０は、複数のバッテリーセル１０＿１－１０＿４それぞれのセル電圧を測定周期ごとに測定し、測定された複数のセル電圧を指示するセル電圧感知信号ＣＶＳをＭＣＵ１３０に伝送することができる。ＭＣＵ１３０は、セル電圧感知信号ＣＶＳに基づいてセルバランシングが必要であるか否かを判断することができる。

充電または放電中に、複数のバッテリーセル１０＿１－１０＿４のセル電圧のうち、最も低いセル電圧が他のセル電圧に比べて所定の臨界値以上に低いか、または最も高いセル電圧が他のセル電圧に比べて所定の臨界値以上に高いこともある。このように、複数のバッテリーセル１０＿１－１０＿４のセル電圧間の偏差が所定の臨界値以上である時、ＭＣＵ１３０はセルバランシングが必要であると判断することができる。

また、中心バッテリーセルと外郭バッテリーセルとの間の電圧偏差が所定の臨界値以上である時も、ＭＣＵ１３０はセルバランシングが必要であると判断することができる。中心バッテリーセルは、バッテリーパック１０の複数のセル１０＿１－１０＿４のうちの中心バッテリーセル（例えば、１０＿２、１０＿３）を含み、中心バッテリーセルは複数のセルの中央に位置することができる。図１ではバッテリーセル１０＿２、１０＿３が中心バッテリーセルに該当し、外郭バッテリーセルは、バッテリーパック１０で中心セルを除いた残りのセル（例えば、１０＿１、１０＿４）を含み、外郭バッテリーセルは正極および負極周辺に位置することができる。図１ではバッテリーセル１０＿１、１０＿４が外郭バッテリーセルに該当する。

図１ではバッテリーパック１０が４個のバッテリーセル１０＿１－１０＿４で構成されて、２個の中心バッテリーセル１０＿２、１０＿３と２個の外郭バッテリーセル１０＿１、１０＿４だけが示されているが、発明はこれに限定されない。バッテリーパックを構成する全体バッテリーセルのうち、中央に位置した所定個数のバッテリーセルが中心バッテリーセルになり、全体バッテリーセルのうち、中心バッテリーセルを除いた残りのセルが外郭バッテリーセルになることができる。

以下、本明細書で説明されるセルバランシングは、中心バッテリーセルと外郭バッテリーセルとの間の電圧偏差が所定の臨界値以上である時に行われる、中心バッテリーセルと外郭バッテリーセルとの間の電荷均等化動作を意味し得る。

ＭＣＵ１３０は、セルバランシングが必要であると判断される時、中心セル１０＿２、１０＿３に流れる充電電流または放電電流が減少するようにセルバランシング回路１２０を制御することができる。ＭＣＵ１３０は、電流感知信号ＩＳに基づいて充電状態であるかまたは放電状態であるか判断することができる。充電状態である場合、ＭＣＵ１３０は中心バッテリーセル１０＿２、１０＿３に並列に連結された第１電力伝達経路を通じて充電電流が流れるようにすることができる。第１電力伝達経路を通じて流れる充電電流により生成されたエネルギーは、バッテリーパック１０全体に伝達され得る。放電状態である場合、ＭＣＵ１３０はバッテリーパック１０に並列に連結された第２電力伝達経路を通じて放電電流が流れるようにすることができる。第２電力伝達経路を通じて流れる放電電流により中心バッテリーセル１０＿２、１０＿３に流れる放電電流が減少するようになる。

以下、充電状態で行われるセルバランシングを「充電中のセルバランシング」といい、放電状態で行われるセルバランシングを「放電中のセルバランシング」という。

以下、図２を参照して一実施形態によるセルバランシング回路を説明する。

図２は一実施形態によるセルバランシング回路の構成を示す図面である。

図２では、セルバランシング回路１２０は、４個のスイッチＱ１－Ｑ４、４個のダイオードＤ１－Ｄ４、トランスフォーマー１２３、およびスイッチング制御部１２５を含む。第１巻線Ｗ１および第２巻線Ｗ２は、絶縁状態で磁気的にカップリングされてトランスフォーマー１２３を構成する。トランスフォーマー１２３で第１巻線Ｗ１が位置する部分を第１側といい、第２巻線Ｗ２が位置する部分を第２側といえる。

スイッチＱ１は、バッテリーセル１０＿１とバッテリーセル１０＿２との間に連結された接続点Ｎ２と、第１巻線Ｗ１の一端との間に連結されており、スイッチＱ２は、バッテリーセル１０＿３とバッテリーセル１０＿４との間に連結された接続点Ｎ３と、第１巻線Ｗ１の他端との間に連結されている。スイッチＱ１、第１巻線Ｗ１、およびスイッチＱ２は第１電力伝達経路を構成することができる。

スイッチＱ３は、バッテリーセル１０＿１の正極である接続点Ｎ１と第２巻線Ｗ２の一端との間に連結されており、スイッチＱ４は、バッテリーセル１０＿４の負極である接続点Ｎ４と第２巻線Ｗ２の他端との間に連結されている。スイッチＱ３、第２巻線Ｗ２、およびスイッチＱ４は第２電力伝達経路を構成することができる。

図２で、スイッチＱ１－Ｑ４は、ｎチャンネルタイプのＭＯＳＦＥＴで具現されているが、これは一例として本発明がこれに限定されるのではない。４個のスイッチＱ１－Ｑ４それぞれのゲートには、スイッチング制御部１２５で供給されるゲート電圧ＶＧ１－ＶＧ４が印加され得る。

ダイオードＤ１のアノードは第１巻線Ｗ１の他端に連結されており、ダイオードＤ１のカソードはスイッチＱ１のドレインに連結されている。ダイオードＤ１は、トランスフォーマー１２３の第１側漏れインダクタンスによる誘導起電力からスイッチＱ１を保護することができる。ダイオードＤ２のアノードはスイッチＱ２のソースに連結されており、ダイオードＤ２のカソードは第１巻線Ｗ１の一端に連結されている。ダイオードＤ２は、トランスフォーマー１２３の第１側漏れインダクタンスによる誘導起電力からスイッチＱ２を保護することができる。

ダイオードＤ３のアノードは第２巻線Ｗ２の他端に連結されており、ダイオードＤ３のカソードはスイッチＱ３のドレインに連結されている。ダイオードＤ３は、トランスフォーマー１２３の第２側漏れインダクタンスによる誘導起電力からスイッチＱ３を保護することができる。ダイオードＤ４のアノードはスイッチＱ４のソースに連結されており、ダイオードＤ４のカソードは第２巻線Ｗ２の一端に連結されている。ダイオードＤ４は、トランスフォーマー１２３の第２側漏れインダクタンスによる誘導起電力からスイッチＱ４を保護することができる。

スイッチング制御部１２５は、ＭＣＵ１３０からセルバランシング制御信号ＣＢＳを受信し、セルバランシング制御信号ＣＢＳに基づいて４個のスイッチＱ１－Ｑ４のスイッチング動作を制御することができる。図２に示された一実施形態において、４個のスイッチＱ１－Ｑ４およびトランスフォーマー１２３は、両方向フライバックコンバータ構造を構成することができる。セルバランシング制御信号ＣＢＳが充電中のセルバランシングを指示する場合、スイッチング制御部１２５は、第１側から第２側にエネルギーが伝達されるように４個のスイッチＱ１－Ｑ４のスイッチング動作を制御することができる。セルバランシング制御信号ＣＢＳが放電中のセルバランシングを指示する場合、スイッチ制御部１２５は、第２側から第１側にエネルギーが伝達されるように４個のスイッチＱ１－Ｑ４のスイッチング動作を制御することができる。

スイッチング制御部１２５は第１側に流れる電流（以下、第１側電流）および第２側に流れる電流（以下、第２側電流）により充電中のセルバランシングおよび放電中のセルバランシングそれぞれの期間の間にスイッチＱ１－Ｑ４のオンデューティーを制御することができる。

スイッチング制御部１２５は、第１側および第２側それぞれの電流を感知するために抵抗ＲＳ１の両端電圧（以下、第１感知電圧）ＶＳ１および抵抗ＲＳ２の両端電圧（以下、第２感知電圧）ＶＳ２を利用することができる。スイッチング制御部１２５は、スイッチＱ１－Ｑ４のスイッチング動作を制御するためにゲート電圧ＶＧ１－ＶＧ４を生成して、スイッチＱ１－Ｑ４のゲートに供給する。スイッチング制御部１２５は、スイッチＱ１－Ｑ４をオンさせるためにハイレベルのゲート電圧ＶＧ１－ＶＧ４を生成し、スイッチＱ１－Ｑ４をオフさせるためにローレベルのゲート電圧ＶＧ１－ＶＧ４を生成することができる。

以下、図３から図６を参照して一実施形態によるセルバランシング回路の動作を説明する。

図３および図４は一実施形態によるバッテリーパックにおける充電中のセルバランシング動作中のセルバランシング回路を図式的に示す図面である。

図３および図４でバッテリーパック１０は充電器２に連結されており、バッテリーパック１０は充電器２から供給される電流により充電される。図３および図４はセルバランシング回路１２０が１スイッチング周期の間の充電中のセルバランシング動作を示す図面であり得る。

ＭＣＵ１３０は、充電中の中心バッテリーセルのセル電圧と外郭バッテリーセルのセル電圧との間の偏差が臨界値以上である時、スイッチング制御部１２５に充電中のセルバランシングを指示するセルバランシング制御信号ＣＢＳを伝送する。例えば、ＭＣＵ１３０は、第１レベルのセルバランシング制御信号ＣＢＳを生成し、スイッチング制御部１２５は、第１レベルのセルバランシング制御信号ＣＢＳがＭＣＵ１３０から受信される期間の間に充電中のセルバランシングを行うことができる。

まず、図３に示されているように、スイッチング制御部１２５は、充電中のセルバランシングのために、スイッチＱ３、Ｑ４をオフさせ、第１側電流ＩＳ１に基づいてスイッチＱ１、Ｑ２のオンデューティーを制御する。スイッチＱ１、Ｑ２のオン期間の間に第１側電流ＩＳ１が第１巻線Ｗ１に流れ、第１巻線Ｗ１にエネルギーが貯蔵される。スイッチＱ１、Ｑ２のオン期間の間に第１側電流ＩＳ１は増加することができる。

スイッチング制御部１２５は、第１側電流ＩＳ１および第１側電流ＩＳ１が流れる期間に基づいて第１巻線Ｗ１に貯蔵されたエネルギーを導出し、導出されたエネルギーをスイッチング周期で割った値が所定の基準値になるようにスイッチＱ１、Ｑ２のオンデューティーを制御することができる。これに対する具体的な手段として、スイッチング制御部１２５は、第１感知電圧ＶＳ１が所定の第１基準電圧に到達する時、スイッチＱ１、Ｑ２をターンオフさせることができる。

スイッチング制御部１２５は、スイッチＱ１、Ｑ２をターンオフさせた後、スイッチＱ３、Ｑ４をターンオンする。そうすると、第２巻線Ｗ２に第２側電流ＩＳ２が誘導される。第２側電流ＩＳ２は、充電器２から供給される充電電流Ｉｃｈと共にバッテリーパック１０に供給される。スイッチＱ３、Ｑ４のオン期間の間、第２側電流ＩＳ２は減少することができる。スイッチング制御部１２５は、第２側電流ＩＳ２に基づいてスイッチＱ３、Ｑ４のオンデューティーを制御する。例えば、スイッチング制御部１２５は、第２感知電圧ＶＳ２が所定の第２基準電圧に到達する時、スイッチＱ３、Ｑ４をターンオフさせることができ、第２基準電圧はゼロ電圧であり得る。

スイッチＱ３、Ｑ４のオン期間の間、中心バッテリーセル１０＿２、１０＿３からバッテリーパック１０にエネルギーが伝達される。つまり、充電電流Ｉｃｈと第２側電流ＩＳ２がバッテリーパック１０に供給され得る。

スイッチＱ１、Ｑ２のオン期間の間、充電電流Ｉｃｈのうち第１側電流ＩＳ１は、中心バッテリーセル１０＿２、１０＿３に流れず、外郭バッテリーセル１０＿１、１０＿４にだけ流れる。これは中心バッテリーセル１０＿２、１０＿３の発熱を減少させることができる。従来のバッテリーパックにおいて、中心バッテリーセルは外郭バッテリーセルに比べて温度が高いため、中心バッテリーセルの退化程度が外郭バッテリーセルに比べて激しい。そのため、中心バッテリーセルが先に満充電（ｆｕｌｌ ｃｈａｒｇｅｄ）されて全てのセルが満充電される前に充電が終了する問題が発生することがある。しかし、一実施形態によるセルバランシングによれば、バッテリーパック１０に供給される充電電流のうち第１側電流ＩＳ１の分が中心バッテリーセルに供給されず、中心バッテリーセルの充電速度が外郭バッテリーセルの充電速度に比べて遅くなることができる。そうすると、従来の全てのセルが充電される前に充電が終了する問題が解決され得る。

スイッチング制御部１２５は、スイッチＱ３、Ｑ４のターンオフ以降、再びスイッチＱ１、Ｑ２をターンオンさせることができる。スイッチＱ１、Ｑ２のターンオン以降の動作は前述したとおりである。一実施形態によるスイッチング制御部１２５は、一定のスイッチング周波数でスイッチＱ１－Ｑ４のスイッチング動作を制御することができる。ただし、本発明がこれに限定されるのではなく、スイッチング制御部１２５は、充電中のセルバランシングのためにスイッチング周波数を変化させることができる。本発明はオンデューティーおよびスイッチング周波数のうちの少なくともいずれか一つを変化させて、第１側電流ＩＳ１を制御することができる。

スイッチング制御部１２５は、セルバランシング制御信号ＣＢＳが第１レベルである期間の間に前述のような動作を繰り返す。

図５および図６は一実施形態によるバッテリーパックにおける放電中のセルバランシング動作中のセルバランシング回路を図式的に示す図面である。

図５および図６でバッテリーパック１０は電装負荷２に連結されており、バッテリーパック１０から電装負荷２に電流が供給されて、バッテリーパック１０は放電される。図５および図６はセルバランシング回路１２０が１スイッチング周期の間の放電中のセルバランシング動作を示す図面であり得る。

ＭＣＵ１３０は、放電中の中心バッテリーセルのセル電圧と外郭バッテリーセルのセル電圧との間の偏差が臨界値以上である時、スイッチング制御部１２５に放電中のセルバランシングを指示するセルバランシング制御信号ＣＢＳを伝送する。例えば、ＭＣＵ１３０は、第２レベルのセルバランシング制御信号ＣＢＳを生成し、スイッチング制御部１２５は、第２レベルのセルバランシング制御信号ＣＢＳがＭＣＵ１３０から受信される期間の間に放電中のセルバランシングを行うことができる。

まず、図５に示されているように、スイッチング制御部１２５は、放電中のセルバランシングのために、スイッチＱ１、Ｑ２をオフさせ、第１側電流ＩＳ１に基づいてスイッチＱ３、Ｑ４のオンデューティーを制御することができる。スイッチＱ３、Ｑ４のオン期間の間に第２側電流ＩＳ２が第２巻線Ｗ２に流れ、第２巻線Ｗ２にエネルギーが貯蔵される。スイッチＱ３、Ｑ４のオン期間の間に第２側電流ＩＳ２は増加することができる。

スイッチング制御部１２５は、スイッチＱ３、Ｑ４の現在スイッチング周期でのターンオフ以降、スイッチＱ１、Ｑ２のオン期間中に流れる第１側電流ＩＳ１および前記第１側電流ＩＳ１が流れる期間に基づいて第１巻線Ｗ１に伝達されたエネルギーを導出することができる。スイッチング制御部１２５は、導出されたエネルギーをスイッチング周期で割った値が所定の基準値になるように次のスイッチング周期でのスイッチＱ３、Ｑ４のオンデューティーを制御することができる。これに対する具体的な手段として、スイッチング制御部１２５は、第２感知電圧ＶＳ２が所定の第３基準電圧に到達する時、スイッチＱ３、Ｑ４をターンオフさせることができる。つまり、第３基準電圧は、第１巻線Ｗ１に伝達されるエネルギーをスイッチング周期で割った値が所定の基準値になるように設定され得る。

スイッチング制御部１２５は、スイッチＱ３、Ｑ４をターンオフさせた後、スイッチＱ１、Ｑ２をターンオンする。そうすると、第１巻線Ｗ１に第１側電流ＩＳ１が誘導されて、放電電流Ｉｄｃｈのうち第１側電流ＩＳ１は、中心セル１０＿２、１０＿３に流れない。スイッチＱ１、Ｑ２のオン期間中に流れる第１側電流ＩＳ１は減少することができる。スイッチング制御部１２５は、第１側電流ＩＳ１に基づいてスイッチＱ１、Ｑ２のオンデューティーを制御する。例えば、スイッチング制御部１２５は、第１感知電圧ＶＳ１が所定の第４基準電圧に到達する時、スイッチＱ１、Ｑ２をターンオフさせることができ、第４基準電圧はゼロ電圧であり得る。

スイッチＱ１、Ｑ２のオン期間の間に放電電流Ｉｄｃｈのうち第１側電流ＩＳ１は、中心バッテリーセル１０＿２、１０＿３に流れず、外郭バッテリーセル１０＿１、１０＿４にだけ流れる。これは中心バッテリーセル１０＿２、１０＿３の発熱を減少させることができる。従来のバッテリーパックにおいて、中心バッテリーセルは外郭バッテリーセルに比べて温度が高いため、中心バッテリーセルの退化程度が外郭バッテリーセルに比べて激しい。そのため、中心バッテリーセルが先に放電されて放電が終了し、電装負荷に電力を供給するには限界があり得る。しかし、一実施形態によるセルバランシングによれば、バッテリーパック１０から供給される全体電流のうち第１側電流ＩＳ１が中心バッテリーセル１０＿２、１０＿３に流れず、中心バッテリーセルの放電速度が外郭バッテリーセルの放電速度に比べて遅くなることができる。そうすると、従来の中心バッテリーセルが先に放電されて放電が終了する問題が解決され得る。

スイッチング制御部１２５は、スイッチＱ１、Ｑ２のターンオフ以降、再びスイッチＱ３、Ｑ４をターンオンさせることができる。スイッチＱ３、Ｑ４のターンオン以降の動作は前述したとおりである。一実施形態によるスイッチング制御部１２５は、一定のスイッチング周波数でスイッチＱ１－Ｑ４のスイッチング動作を制御することができる。ただし、本発明がこれに限定されるのではなく、スイッチング制御部１２５は、放電中のセルバランシングのためにスイッチング周波数を変化させることができる。本発明はオンデューティーおよびスイッチング周波数のうちの少なくともいずれか一つを変化させることで、第１側電流ＩＳ１を制御することができる。

スイッチング制御部１２５は、セルバランシング制御信号ＣＢＳが第２レベルである期間の間に前述のような動作を繰り返す。

このように、一実施形態によれば、充電および放電中の中心バッテリーセルに流れる電流を減少させて中心バッテリーセルにより充電および放電が先に終了する問題を解決することができる。

以上で本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるのではなく、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

Claims (15)

1. 直列連結された複数のセルに連結されたセルバランシング回路において、
   前記複数のセルで中央に位置したセルを含む中心バッテリーセルの両端の間に直列に連結されている第１スイッチ、第１巻線、および第２スイッチと、
   前記複数のセルから前記中心バッテリーセルを除いた外郭バッテリーセルのうち、一つの正極と他の一つの負極との間に直列に連結されている第３スイッチ、第２巻線、および第４スイッチと、を含み、
   前記第１巻線および第２巻線はトランスフォーマーを形成し、
   充電または放電中、前記中心バッテリーセルと前記外郭バッテリーセルとの間のセル電圧差が所定の臨界値以上である条件で、前記第１スイッチおよび第２スイッチのオン期間の間、充電電流または放電電流のうちの一部である第１側電流が前記第１スイッチ、前記第１巻線、および前記第２スイッチを通じて流れる、セルバランシング回路。
2. 前記充電中、前記中心バッテリーセルと前記外郭バッテリーセルとの間のセル電圧差が所定の臨界値以上である条件で、
   前記第１スイッチおよび前記第２スイッチをターンオンし、前記第１巻線に流れる電流に基づいて前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのオンデューティーを制御し、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのターンオフ時点以降に前記第３スイッチおよび前記第４スイッチをターンオンする、請求項１に記載のセルバランシング回路。
3. 前記充電中、前記中心バッテリーセルと前記外郭バッテリーセルとの間のセル電圧差が所定の臨界値以上である条件で、
   前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのオンの状態で、前記第１側電流が所定の基準値に到達すれば、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチをターンオフする、請求項２に記載のセルバランシング回路。
4. 前記放電中、前記中心バッテリーセルと前記外郭バッテリーセルとの間のセル電圧差が所定の臨界値以上である条件で、
   前記第３スイッチおよび前記第４スイッチをターンオンし、前記第１巻線に流れる電流に基づいて前記第３スイッチおよび前記第４スイッチのオンデューティーを制御し、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチのターンオフ時点以降に前記第１スイッチおよび前記第２スイッチをターンオンする、請求項１から３のいずれか一項に記載のセルバランシング回路。
5. 前記放電中、前記中心バッテリーセルと前記外郭バッテリーセルとの間のセル電圧差が所定の臨界値以上である条件で、
   前記第３スイッチおよび前記第４スイッチのオンの状態で、第２側電流が所定の基準値に到達すれば、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチをターンオフする、請求項４に記載のセルバランシング回路。
6. 前記第１スイッチの一端と前記第１巻線の一端との間に連結された第１ダイオードと、
   前記第２スイッチの一端と前記第１巻線の他端との間に連結された第２ダイオードと、をさらに含み、
   前記第１スイッチの他端は前記第１巻線の他端に連結されており、前記第２スイッチの他端は前記第１巻線の一端に連結されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のセルバランシング回路。
7. 前記第３スイッチの一端と前記第２巻線の一端との間に連結された第３ダイオードと、
   前記第４スイッチの一端と前記第２巻線の他端との間に連結された第４ダイオードと、をさらに含み、
   前記第３スイッチの他端は前記第２巻線の他端に連結されており、前記第４スイッチの他端は前記第２巻線の一端に連結されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のセルバランシング回路。
8. 直列連結された複数のセルを含むバッテリーパックと、
   前記複数のセルそれぞれのセル電圧を測定するセルモニタリングＩＣと、
   前記測定された複数のセル電圧に基づいて、前記複数のセルで中央に位置したセルを含む中心バッテリーセルのセル電圧と、前記複数のセルのうち、前記中心バッテリーセルを除いた外郭バッテリーセルのセル電圧との間の偏差が所定の臨界値以上であるか否かを判断し、前記判断の結果と、前記バッテリーパックの充電および放電とに基づいてセルバランシング動作を制御するメイン制御回路と、
   前記バッテリーパックの充電条件で前記偏差が前記臨界値以上である時、充電電流のうち、第１電流を前記中心バッテリーセルに流れないようにし、前記バッテリーパックの放電条件で前記偏差が前記臨界値以上である時、放電電流のうち、第２電流を前記中心バッテリーセルに流れないようにするセルバランシング回路を含む、バッテリーシステム。
9. 前記セルバランシング回路は、
   前記中心バッテリーセルの両端の間に直列に連結されている第１スイッチ、第１巻線、および第２スイッチと、
   前記外郭バッテリーセルのうち、一つの正極と他の一つの負極との間に直列に連結されている第３スイッチ、第２巻線、および第４スイッチと、を含み、
   前記第１巻線および第２巻線はトランスフォーマーを形成する、請求項８に記載のバッテリーシステム。
10. 前記セルバランシング回路は、
    充電期間中の前記偏差が前記臨界値以上である第１期間の間、前記第１スイッチから第４スイッチをスイッチングして前記第１電流により前記第１巻線にエネルギーが貯蔵され、前記第１巻線に貯蔵されたエネルギーが前記第２巻線に伝達されるようにする、請求項９に記載のバッテリーシステム。
11. 前記第１期間の間、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのオン期間の間に前記第１巻線に第１電流が流れ、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのオフおよび前記第３スイッチおよび前記第４スイッチのオン期間の間に前記第２巻線に電流が誘導される、請求項１０に記載のバッテリーシステム。
12. 前記セルバランシング回路は、
    放電期間中の前記偏差が前記臨界値以上である第２期間の間、前記第１スイッチから第４スイッチをスイッチングして前記第２巻線にエネルギーが貯蔵され、前記第２巻線に貯蔵されたエネルギーが前記第１巻線に伝達されるようにする、請求項９から１１のいずれか一項に記載のバッテリーシステム。
13. 前記第２期間の間、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチのオン期間の間に前記第２巻線に電流が流れ、前記第３スイッチおよび前記第４スイッチのオフおよび前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのオン期間の間に前記第１巻線に前記第２電流が誘導される、請求項１２に記載のバッテリーシステム。
14. 前記セルバランシング回路は、
    前記第１スイッチの一端と前記第１巻線の一端との間に連結された第１ダイオード；および
    前記第２スイッチの一端と前記第１巻線の他端との間に連結された第２ダイオードをさらに含み、
    前記第１スイッチの他端は前記第１巻線の他端に連結されており、前記第２スイッチの他端は前記第１巻線の一端に連結されている、請求項９から１１のいずれか一項に記載のバッテリーシステム。
15. 前記セルバランシング回路は、
    前記第３スイッチの一端と前記第２巻線の一端との間に連結された第３ダイオードと、
    前記第４スイッチの一端と前記第２巻線の他端との間に連結された第４ダイオードと、をさらに含み、
    前記第３スイッチの他端は前記第２巻線の他端に連結されており、前記第４スイッチの他端は前記第２巻線の一端に連結されている、請求項９から１１のいずれか一項に記載のバッテリーシステム。

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