KR100867803B1 - 조전지의 충전 균등화 회로 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조전지의 충전 균등화 회로 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 변압기를 사용하지 않고, 스위치, 전류제한회로, 캐패시터 등을 조합하여 하이브리드 전기 차량의 배터리인 조전지에 대한 충전 균등화를 실현함과 함께 비용 절감, EMI 및 노이즈 억제 등을 효과를 얻을 수 있도록 한 조전지의 충전 균등화 회로 장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 여러개의 셀이 배열된 배터리와; 상기 각 셀에 2개씩 장착된 포토-모스 스위치(Photo-MosSW)와; 상기 각 셀에 2개씩 장착된 포토-모스 스위치중 하나에 연결된 충전라인과; 상기 각 셀에 2개씩 장착된 포토-모스 스위치중 다른 하나에 연결된 방전라인과; 상기 충전 및 방전라인에 연결되어, 배터리 셀중 SOC가 가장 높은 셀로부터 전류를 방전시키고, 가장 낮은 셀에 전류를 충전시키는 전류제한회로로 구성된 것을 특징으로 하는 조전지의 충전 균등화 회로 장치를 제공한다.

조전지, 배터리 셀, 충전, 방전, 전류제한회로, 캐패시터, 스위치, 저항

Description

조전지의 충전 균등화 회로 장치{Circuit for equalization of battery charge state}

도 1은 본 발명에 따른 조전지의 충전 균등화 회로를 나타내는 회로도,

도 2는 본 발명에 따른 조전지의 충전 균등화 회로의 병렬접속시 전류 흐름을 나타내는 회로도,

도 3은 본 발명에 따른 조전지의 충전 균등화 회로의 직렬접속시 전류 흐름을 나타내는 회로도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 배터리 20 : 포토-모스 스위치

30 : 전류제한회로 40 : 셀

50 : 충전라인 60 : 방전라인

C1 : 제1캐패시터 C2 : 제2캐패시터

R : 저항 SW1 : 제1스위치

SW2 : 제2스위치 SW3 : 제3스위치

SW4 : 제4스위치 SW5 : 제5스위치

본 발명은 조전지의 충전 균등화 회로 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 변압기를 사용하지 않고, 스위치, 전류제한회로, 콘덴서 등을 조합하여 하이브리드 전기 차량의 배터리인 조전지에 대한 충전 균등화를 실현함과 함께 비용 절감, EMI 및 노이즈 억제 등을 효과를 얻을 수 있도록 한 조전지의 충전 균등화 회로 장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 배터리 관리 시스템(BMS : Battery Management System)은 하이브리드 전기 자동차의 구동장치인 모터의 동력원으로 사용되는 배터리의 수명을 더 연장하고 전동기의 성능과 효율을 개선하기 위해 배터리의 SOC(State Of Charge) 상태를 모니터링 및 제어하는 시스템을 의미한다.

상기 조전지는 단전지에 비해 전지를 전력원으로 하는 기기에서 실제 사용가능한 상태로 만들어진 배터리 팩(Battery Pack)이라고도 하며, 하이브리드 전기 차량 또는 순수 전기 차량에 적용된다.

종래의 조전지 충전 균등화 회로 장치는 변압기와 스위치를 사용함에 따라, 신속하게 충전 균등화를 수행할 수 있지만, 각 셀마다 변압기를 장착될 필요가 있어 중량 및 비용 모두 증가되는 문제점 있었다.

예를 들어, 충전 균등화를 가능하게 하는 회로구성이 일본특허공개2002-223528에서 개시되어 있는 바, 이는 변압기와 스위치를 조합한 방법으로서, 스위칭 으로 인해 변압기로 승압 또는 강압되어 신속한 충전을 가능하게 하나, 전지의 모든 셀에 변압기를 장착해야 하며, 고주파 EMI 대책이 필수이기 때문에 비용이 증가되는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 조전지 충전 균등화 회로 장치는 고속 스위칭을 할 필요가 있기 때문에, 전자파(EMI)를 발생시키는 노이즈(Noise)원이 되며, 기타 제어기기의 오동작 원인이 될 수 있다.

이를 억제 하기 위하여, 새로운 부품이 또한 필요하게 되지만, 이는 비용 증가로 이어지는 단점을 유발시킨다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기존의 충전 균등화 회로 장치에 포함된 변압기를 사용하지 않고, 스위치, 전류제한회로, 콘덴서 등을 조합하여 하이브리드 전기 차량의 배터리인 조전지에 대한 충전 균등화를 실현함과 함께 비용 절감 및 EMI 억제, 노이즈 억제 등을 효과를 얻을 수 있도록 한 조전지의 충전 균등화 회로 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 여러개의 셀이 배열된 배터리와; 상기 각 셀에 2개씩 장착된 포토-모스 스위치(Photo-MosSW)와; 상기 각 셀에 2개씩 장착된 포토-모스 스위치중 하나에 연결된 충전라인과; 상기 각 셀에 2개씩 장 착된 포토-모스 스위치중 다른 하나에 연결된 방전라인과; 상기 충전 및 방전라인에 연결되어, 배터리 셀중 SOC가 가장 높은 셀로부터 전류를 방전시키고, 가장 낮은 셀에 전류를 충전시키는 전류제한회로로 구성된 것을 특징으로 하는 조전지의 충전 균등화 회로 장치를 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 전류제한회로는 배터리 셀중 SOC가 가장 높은 셀로부터 전류를 방전시키는 병렬회로와, 가장 낮은 셀에 전류를 충전시키는 직렬회로로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 병렬회로는 저항과, 방전라인과 연결된 제1스위치와, 상기 저항과 제1스위치간에 연결된 제1캐패시터와, 상기 저항과 연결된 제2스위치와, 상기 제1스위치와 연결된 제4스위치와, 상기 제2 및 제4스위치간에 연결된 제2캐패시터로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 직렬회로는 전류의 충전 흐름 방향을 따라 충전라인과 연결된 제5스위치와, 포토-모스 스위치와 연결된 저항과, 상기 제5스위치와 저항간에 연결된 제1 및 제2캐패시터와, 제1 및 제2캐패시터 사이에 연결된 제3스위치로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 조전지의 충전 균등화를 위한 회로도를 나타낸다.

본 발명에 따른 충전 균등화를 위한 회로 구성은, 배터리(10), 포토-모스 스 위치(20), 한 쌍의 캐패시터(C1,C2), 충전 및 방전을 위한 전류제한회로(30) 등으로 구성된다.

배터리(10)의 각 셀(40)에는 충전 및 방전을 위한 스위치로서, 2개씩의 포토-모스 스위치(20: photo-MosSW)가 연결되어, 배터리(10)의 충전 또는 방전이 이루어질 수 있는 상태가 된다.

상기 각 포토-모스 스위치(20)에는 충전라인(50) 및 방전라인(60)이 연결되어 있으며, 이 충전 및 방전라인(50,60)에는 2개의 캐패시터(C1,C2)와 1개의 저항(R), 그리고 5개의 스위치(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5)가 조합된 전류제한회로(30)가 연결된다.

상기 전류제한회로(30)는 배터리(10)의 각 셀(40)로 방전되는 전류를 방전시킬 수 있는 병렬회로와, 배터리(10)의 각 셀(40)로 충전을 위한 전류를 공급하는 직렬회로로 구성된다.

보다 상세하게는, 상기 배터리 방전을 위한 병렬회로는 3개의 스위치(SW1,SW2,SW4)와, 2개의 캐패시터(C1,C2)와, 저항(R)으로 구성되는 바, 상기 저항(R)과 제1캐패시터(C1)가 연결되고, 이 제1캐패시터(C1)와 제1스위치(SW1)가 연결되며, 제1스위치(SW1)는 충전라인(50)과 연결된다.

또한, 상기 저항(R)과 제2스위치(SW2)가 연결되고, 이 제2스위치(SW2)와 제2캐패시터(C2)가 연결되며, 상기 제2캐패시터(C2)와 제1스위치(SW1)가 제4스위치(SW4)에 의하여 연결되는 회로 구성을 갖는다.
좀더 구체적으로 설명하면, 상기 병렬회로는, 도 1에 도시된 바와 같이, 방전라인(60)에 저항(R)을 연결하고, 상기 저항(R)에 제1캐패시터(C1)와 제2캐패시터(C2)를 병렬로 연결하되, 상기 저항(R)에 연결된 제1캐패시터(C1)의 일단과 제2캐패시터(C2)의 일단 사이에 제2스위치(SW2)를, 제1캐패시터(C1)의 타단과 제2캐패시터(C2)의 타단 사이에는 제4스위치(SW4)를, 상기 제1캐패시터(C1)의 타단과 충전라인(50) 사이에는 제1스위치(SW1)를 설치하여 구성한 것이다.
이러한 구성에 따라 제1, 제2 및 제4스위치(SW1,SW2,SW4)의 온(On) 시에 셀(40)로부터 방전된 전류가 상기 방전라인(60) 및 저항(R)을 지나 제1캐패시터(C1)와 제2캐패시터(C2)에 병렬로 충전될 수 있게 된다.

반면에, 상기 배터리 충전을 위한 직렬회로는 2개의 스위치(SW3,SW5)와, 2개의 캐패시터(C1,C2)와, 저항(R)으로 구성되는 바, 전류의 충전 흐름 방향을 따라 충전라인(50)과 제5스위치(SW5)가 연결되고, 제5스위치(SW5)와 제2캐패시터(C2)가 연결되며, 제2캐패시터(C2) 및 제1캐패시터(C1)가 제3스위치(SW3)에 의하여 연결되고, 제1캐패시터(C1)와 각 포토-모스 스위치(20)간에 저항(R)이 연결된다.
이때, 상기 직렬회로는, 도 1에 도시된 바와 같이, 방전라인(60)에 연결된 저항(R)(이 저항은 방전라인을 통해 포토-모스 스위치에 연결되고 있음)에 일단이 연결된 제1캐패시터(C1)와, 일단이 제3스위치(SW3)를 개재하여 제1캐패시터(C1)의 타단에 연결되고 타단이 제5스위치(SW5)를 개재하여 충전라인(50)에 연결된 제2캐패시터(C2)를 이용하되, 상기 제3 및 제5스위치(SW3,SW5)의 온(On) 시에 상기 제1캐패시터(C1)와 제2캐패시터(C2)가 충전라인(50)에 직렬로 접속되면서 제1캐패시터(C1)와 제2캐패시터(C2)에 충전되어 있던 전류가 상기 충전라인(50)을 통해 셀(40)로 충전될 수 있도록 한 것이다.

여기서, 상기 병렬회로로 이루어진 배터리 방전회로의 동작을 설명하면 다음과 같다.

우선, 배터리의 충전상태(SOC: State Of Charge)를 모니터링 및 제어하는 배터리 관리 시스템(BCM)에서 배터리 셀중 SOC가 가장 높은 셀부(이하, Cell-max 라 칭함)와 가장 낮은 셀부(이하, Cell-min 이라 칭함)을 검출하여, 하기와 같은 흐름에 따라 충전 균등화를 수행한다.

배터리(10)의 셀(40)중 Cell-max와 제1 및 제2캐패시터(C1,C2)를 접속시켜 각 캐패시터(C1,C2)로 전류를 방전시킨다.

이때, 제1,2,4스위치(SW1, SW2, SW4)를 온 시키고, 제3,5스위치(SW3, SW5)를 오프시킨다.

상기 제1 및 제2캐패시터(C1,C2)는 Cell-max에 대해 병렬로 접속되는 상태이다.

따라서, 상기 Cell-max로부터 방전되는 전류가 저항(R)을 지나 제1캐패시터(C1)로 방전되고, 동시에 저항(R) 및 제2스위치(SW2)를 지나 제2캐패시터(C2)로 방전된다.

상기 저항(R)은 스위치, 배터리 등의 용량에 따라 결정되고, 수시 전류제한 을 하여 안전성을 확보하면서 저역통과필터(LPF: Low Pass Filter) 역할도 하기 때문에 전자파(EMI) 노이즈에 대한 차단 효과를 얻을 수 있다.

이에 따라, 상기 제1 및 제2캐패시터(C1,C2)와 상기 배터리(10)의 셀(40)중 Cell-min간의 전위차, 저항(R)에 의하여 방전 전류(i)가 결정되며, 캐패시터(C1,C2)에 쌓인 전하는 Q=(Q1+Q2)이고, 캐패시터의 전압(Vd)은 Vd≒Cell-max 이 된다.

여기서, 상기 직렬회로로 이루어진 배터리 충전회로의 동작을 설명하면 다음과 같다.

배터리(10)의 셀(40)중 Cell-max와 제1 및 제2캐패시터(C1,C2)를 단락시키고자, 제3 및 제5스위치(SW3, SW5)를 온시키는 동시에 제1,2,4스위치(SW1,SW2,SW4)를 오프시킨다.

따라서, 상기 충전라인(50)과 연결된 제5스위치(SW5)와, 제2캐패시터(C2)와, 제3스위치(SW3)와, 제1캐패시터(C1)와, 저항(R)이 직렬로 접속되는 상태가 되며, 이에 상기 Cell-min에 제1 및 제2캐패시터(C1,C2)가 접속되는 상태가 된다.

이때, 충전을 위한 전류는 아래와 같이 결정된다.

제1 및 제2캐패시터의 접속 방법을 직렬로 변경함으로써, 상기 캐패시터(C1,C2)의 승압된 전압 Vc=2×V(Cell-max)와 상기 Cell-min의 전압 V=V(Cell-min)간의 전위차와, 전류제한을 위한 저항(R)을 기반으로, 옴(Ω)의 법칙에 의하여 충전전류가 아래 식과 같이 결정된다.

I={2×V(Cell-max)-V(Cell-min)}/R

이와 같이, Cell-max의 방전 및 Cell-min의 충전이 한 번 종료되면, 다시 Cell-max의 방전 동작을 수행한다.

이때, 2×V(캐패시터) ≒V(Cell-min)이 된다.

이러한 공정을 반복해서 수행함으로써, 배터리 셀 전체의 SOC 불균등을 억제함과 더불어 충전 균등화를 실현할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 조전지의 충전 균등화 회로 장치에 의하면, 기존의 충전 균등화 회로 장치에 포함된 변압기를 사용하지 않고, 스위치, 전류제한회로, 콘덴서 등을 조합하여 하이브리드 전기 차량의 배터리인 조전지에 대한 충전 균등화를 실현함과 함께 비용 절감 및 EMI 억제, 노이즈 억제 등을 효과를 얻을 수 있다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 여러 개의 셀이 배열된 배터리와;

   상기 각 셀에 2개씩 장착된 포토-모스 스위치(Photo-MosSW)와; 상기 각 셀에 2개씩 장착된 포토-모스 스위치 중 하나에 연결된 충전라인과;

   상기 각 셀에 2개씩 장착된 포토-모스 스위치 중 다른 하나에 연결된 방전라인과;

   상기 충전 및 방전라인에 연결되어, 배터리 셀 중 SOC가 가장 높은 셀로부터 전류를 방전시키고, 가장 낮은 셀에 전류를 충전시키는 전류제한회로;

   를 포함하여 구성되고,

   상기 전류제한회로는 배터리 셀 중 SOC가 가장 높은 셀로부터 전류를 방전시키는 병렬회로와, 가장 낮은 셀에 전류를 충전시키는 직렬회로로 구성되며,

   상기 병렬회로는, 상기 방전라인에 연결된 저항과, 일단이 상기 저항에 연결된 제1캐패시터와, 제1캐패시터의 타단과 상기 충전라인 사이에 설치된 제1스위치와, 상기 저항에 상기 제1캐패시터와는 병렬로 연결된 제2캐패시터와, 상기 제1캐패시터의 일단과 제2캐패시터의 일단 사이에 설치된 제2스위치와, 제2캐패시터의 타단과 상기 제1캐패시터의 타단 사이에 설치된 제4스위치로 구성되어, 상기 제1, 제2 및 제4스위치의 온(On) 시에 셀로부터 방전된 전류가 상기 방전라인 및 저항을 지나 제1캐패시터와 제2캐패시터에 병렬로 충전되도록 된 것을 특징으로 하는 조전지의 충전 균등화 회로 장치.
4. 여러 개의 셀이 배열된 배터리와;

   상기 각 셀에 2개씩 장착된 포토-모스 스위치(Photo-MosSW)와; 상기 각 셀에 2개씩 장착된 포토-모스 스위치 중 하나에 연결된 충전라인과;

   상기 각 셀에 2개씩 장착된 포토-모스 스위치 중 다른 하나에 연결된 방전라인과;

   상기 충전 및 방전라인에 연결되어, 배터리 셀 중 SOC가 가장 높은 셀로부터 전류를 방전시키고, 가장 낮은 셀에 전류를 충전시키는 전류제한회로;

   를 포함하여 구성되고,

   상기 전류제한회로는 배터리 셀 중 SOC가 가장 높은 셀로부터 전류를 방전시키는 병렬회로와, 가장 낮은 셀에 전류를 충전시키는 직렬회로로 구성되며,

   상기 직렬회로는, 상기 방전라인에 연결된 저항, 일단이 상기 저항에 연결된 제1캐패시터, 제1캐패시터의 타단에 연결되도록 설치된 제3스위치, 일단이 상기 제3스위치를 개재하여 상기 제1캐패시터의 타단에 연결되는 제2캐패시터, 및 제2캐패시터의 타단과 상기 충전라인 사이에 설치되는 제5스위치로 구성되어, 상기 제3 및 제5스위치의 온(On) 시에 상기 제1캐패시터와 제2캐패시터가 상기 충전라인에 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 조전지의 충전 균등화 회로 장치.

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